Đang tải... (xem toàn văn)
điều chế và giải điều chế AM DSB FC
1 Mạch Điều chế và giải điều chế AM DSB FC PHẦN B NỘI DUNG 2 Mạch Điều chế và giải điều chế AM DSB FC CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU CHẾ BIÊN ĐỘ 1.1 Khái niệm điều chế biên độ Điều chế là quá trình chuyển tin tức từ miền tần số thấp sang miền tần số cao. Để truyền thông tin đi xa phải có thao tác điều chế. Nói cách khác, điều chế là quá trình ghi tin tức vào bộ dao động cao tần, bằng cách làm biến đổi thông số nào đó của dao động cao tần theo tin tức. Dao động tần số thấp mang thông tin gọi là tín hiệu điều chế, dao động cao tần gọi là tải tin hay sóng mang. Trong điều chế biên độ, tín hiệu tin tức m(t) làm thay đổi biên độ của tín hiệu sóng mang c(t). Có nhiều loại khác nhau của điều chế biên độ, ta sẽ khảo sát các trường hợp sau : Điều chế biên độ song biên triệt sóng mang (Double-sideband suppressed-carrier transmission-AM DSB SC). Điều chế biên độ song biên có sóng mang-AM DSB FC. Điều chế biên độ đơn biên-AM SSB. 1.2 Các loại điều chế biên độ 1.2.1 Điều chế biên độ song biên triệt sóng mang AM DSB SC Tín hiệu này có được bằng cách nhân tín hiệu tin tức m(t) với tín hiệu sóng mang c(t), ta có: V am (t)= m(t).c(t) =A c .m(t).cos(2πf c t + φ c ) Tín hiệu này có thể giải điều chế bằng cách ta nhân tín hiệu nhận được r(t)=V am (t) với cos(2πf + φ c ), sau đó ta cho kết quả qua bộ lọc thông thấp lý tưởng với băng thông W. Tuy nhiên để máy thu có thể giải điều chế được thì φ c ở bên thu phải đúng bằng với bên phát, vì thế ta cần phải sử dụng một bộ giải điều chế đồng bộ ( synchronous) hay tương quan (phase-coherent). 1.2.2 Điều chế biên độ đơn biên AM SSB Vì tín hiệu AM DSB SC cần một băng thông bằng 2 lần băng thông tín hiệu giải nền để truyền đi. Tuy nhiên nếu dùng cả hai biên thì việc truyền trở nên dư thừa. Kỹ thuật AM SSB sẽ làm giảm băng thông tín hiệu phát. Tín hiệu AM SSB được điều chế theo biểu thức toán học sau : u(t)=A c .m(t). cos(2πf c t) A c .ṁ(t). sin(2πf c t) trong đó ṁ(t) là biến đổi Hilbert của m(t). Ngoài ra, ta còn 1 phương pháp khác để điều chế AM SSB là sau khi nhân tín hiệu tin tức với tín hiệu sóng mang,sau đó ta đem kết quả đó đi qua bộ lọc thông dãy để lọc biên trên hoặc biên dưới. Để phục hồi tín hiệu tin tức m(t) từ tín hiệu AM SSB thu được, ta cần một bộ tách sóng pha kết hợp hay tách sóng đồng bộ như trong tín hiệu AM DSB SC. 1.2.3 Điều chế biên độ song biên có sóng mang AM DSB FC Tín hiệu AM DSB FC có biểu thức toán học như sau : u(t) = A c .[1 + m(t)].cos(2πf c t + φ c ) 3 Mạch Điều chế và giải điều chế AM DSB FC = A c .m(t).cos(2πf c t + φ c ) + A c .cos(2πf c t + φ c ) Dạng sóng tin tức phải thỏa |m(t)|≤1. Dựa vào biểu thức ta thấy tín hiệu AM DSB FC là tổng của tín hiệu AM DSB SC với tín hiệu sóng mang c(t) nên ta có sơ đồ khối điều chế tín hiệu AM DSB FC như hình 1.1. Ta có tín hiệu AM trong miền thời gian như hình 1.2 : Khi |m(t)|≤1, biên độ A c .[1 + m(t)] luôn dương. Đây là điều kiện cần có để có thể làm cho AM DSB FC dễ dàng điều chế. Mặc khác, nếu m(t)≤-1 ở thời gian t nào đó, tín Hình 1.1 : sơ đồ khối điều chế AM DSB FC Hình 1.2 :Tín hiệu tin tức, sóng mang và AM 4 Mạch Điều chế và giải điều chế AM DSB FC hiệu AM lúc này là quá điều chế và việc điều chế trở nên khó khăn. Trong thực tế, m(t) được tỉ lệ sao cho biên độ của nó luôn bé hơn 1. Phổ của tín hiệu AM DSB FC có dạng như hình 1.3: Ta thấy phổ của tín hiệu AM DSB FC có 3 vạch: một vạch trung tâm đại diện cho sóng mang biên độ V c tần số f c , hai vạch ở hai bên đại diện cho tin tức. Vì khoảng cách giữa hai vạch biên là 2f m nên băng thông của tín hiệu AM DSB FC bằng hai lần tần số của tin tức. BW = 2.f m Giải điều chế AM DSB FC Dựa vào phổ của AM DSB FC (hình 1.3) , ta thấy để giải điều chế AM DSB FC ta chỉ cần lọc để lấy thành phần tin tức, để làm được điều này người ta sử dụng phương pháp đơn giản là phương pháp tách sóng hình bao, phương pháp này sẽ nói rõ ở chương 3. Nhận xét AM DSB FC: - Công suất sóng mang không tải tin lớn, vô ích. - Băng thông lớn gấp đôi cần thiết nên chi phí tăng và tăng nhiễu. - Dễ thực hiện và máy thu giải điều chế đơn giản, giá rẻ. CHƢƠNG 2 Hình 1.3 : Phổ của tín hiệu AM DSB FC 5 Mạch Điều chế và giải điều chế AM DSB FC MẠCH ĐIỀU CHẾ AM SONG BIÊN CÓ SÓNG MANG 2.1 Khối dao động dịch pha RC Có nhiều cách để tạo dao động tần số cao như mạch dao động Colpitts, Hartley hoặc sử dụng các IC tạo sóng tần số cao như IC 356, IC 8038…Tuy nhiên vì mục đích mô phỏng nên ta chọn mạch dao động dịch pha LC nhưng đối với sóng mang thì ta dùng OP-AMP dao động tần số cao là IC LF356. Đầu tiên ta nói sơ lược về nguyên tắc chung để tạo dao động. Hình 2.1 : Sơ đồ khối của mạch tạo dao động Hình 2.1 mô tả sơ đồ khối chung của các mạch tạo dao động, nó bao gồm 2 phần, phần khuếch đại với hệ số khuếch đại A v và phần chọn lọc tần số dao động β. Nguyên tắc chung để tạo dao động: Khi vừa mới cấp điện do sự biến thiên điện áp của các phần tử trong mạch do đó nó sinh ra điện áp tạp âm với phổ tần liên tục, nếu là hồi tiếp âm thì các tạp âm này sẽ bị triệt tiêu,nếu là hồi tiếp dương thì tại tần số tín hiệu được chọn lọc sẽ cùng pha với tín hiệu ngõ vào, làm tăng biên độ ngõ vào, và ngõ ra xuất tín hiệu dao động. Mạch dao động dịch pha RC cũng dựa trên nguyên tắc này, ta có sơ đồ nguyên lý như hình 2.2: 6 Mạch Điều chế và giải điều chế AM DSB FC Hình 2.2 : sơ đồ nguyên lý của mạch dao động dịch pha RC Nhìn vào sơ đồ nguyên lý ta thấy khối dịch pha gồm 3 cặp RC dịch pha dạng lọc thông thấp, mỗi cặp làm tín hiệu dịch pha đi 60° vì thế khối dịch pha sẽ làm tín hiệu dịch pha 180°.Mạch này muốn dao động được thì điều kiện là góc lệch pha phải bằng 180° và hệ số truyền đạt β= .Như vậy điều kiện về pha đã thỏa mãn, còn điều kiện về hệ số truyền đạt ta có hệ số khuếch đại A v = . Vì thế ta phải thiết kế mạch khuếch đại có hệ số khuếch đại là -29. Do đó ta chọn mạch khuếch đại đảo dùng OP-AMP và chọn điện trở R f và R i để có được hệ số khuếch đại A v = =-29. Mạch dao động ở tần số: f = 2.1.1 Khối dao động tạo sóng mang Khối này sử dụng mạch dao động dịch pha RC và có sơ đồ nguyên lý như hình 2.3: 7 Mạch Điều chế và giải điều chế AM DSB FC Hình 2.3 : sơ đồ nguyên lý của mạch dao động tạo sóng mang Ta thấy khối dịch pha mắc theo kiểu rút gọn, chú ý hình 2.2 ta thấy điện trở R mắc song song với điện trở Ri mà Ri>>R nên ta chỉ còn R. Tính toán tần số dao động như sau: f = = = 138kHz Vì đây là dao động tần số cao nên ta phải dùng OP-AMP tần số cao là IC LF356 và hệ số khuếch được thay đổi bởi điện trở R6, lý do ta chỉnh hệ số khuếch đại vì khi ta thiết kế |A v | đúng bằng 29 hoặc nhỏ hơn thì mạch sẽ không dao động, vì thế ta phải chỉnh lớn hơn 29 rồi mới giảm về 29 thì mạch mới dao động được. 2.1.1 Khối dao động tạo tin tức Tương tự như khối dao động tạo sóng mang như vì tin tức có tần số thấp nên để đỡ tốn kém ta dùng IC 741 thông dụng và thay đổi giá trị RC để thay đổi tần số dao động. Mạch sơ đồ nguyên lý như hình 2.4: 8 Mạch Điều chế và giải điều chế AM DSB FC Hình 2.4 : sơ đồ nguyên lý của mạch dao động tạo tin tức Tính toán tần số dao động như sau: f = = = 955Hz 2.2 Khối điều chế cân bằng (balanced modulator) Trong khối này ta sử dụng IC điều chế chính là IC điều chế cân bằng MC1496, đây là IC có thể hoạt động ở tần số cao. Nó có nhiều chức năng nhưng chức năng chính của nó là điều chế AM đơn biên triệt sóng mang. Ngoài ra, nó còn có thêm nhiều chức năng như: tách sóng SSB (đơn biên), điều chế và giải điều chế AM, tách sóng FM, trộn, nhân tần, tách pha và nhiều ứng dụng khác. 2.2.1 Sơ đồ chân của MC1496: Sơ đồ chân của nó được mô tả như hình 2.5: 9 Mạch Điều chế và giải điều chế AM DSB FC MC1496 gồm có 14 chân: Chân 1 và 4: chân ngõ vào tín hiệu. Chân 2 và 3: chân điều chỉnh độ lợi. Chân 5: chân phân cực. Chân 6 và 12: chân ngõ ra. Chân 8 và 10: chân ngõ vào sóng mang. Chân 14: chân nguồn V EE . Chân 7, 9, 11, 13: không dùng. 2.2.2 Cấu tạo của MC1496: Sơ đồ nguyên lý (schematic diagram) của IC MC1496 được mô tả như hình 2.6. Ta thấy MC1496 gồm bộ khuếch đại vi sai Q 5 -Q 6 lái 2 bộ khuếch đại vi sai Q 1 ,Q 2 , Q 3 và Q 4 . Transistor Q 7 và Q 8 dùng để phân cực nguồn dòng cho bộ khuếch đại vi sai Q 5 - Q 6 . Hình 2.5 : Sơ đồ chân của IC MC1496 10 Mạch Điều chế và giải điều chế AM DSB FC 2.2.3 Hoạt động của MC1496: Hoạt động phổ biến nhất của MC1496 bao gồm tín hiệu sóng mang đưa vào bộ khuếch đại vi sai kép gồm Q 1 , Q 2 , Q 3 , Q 4 và tín hiệu điều chế đưa vào khuếch đại vi sai thấp hơn gồm Q 5 và Q 6 . Tín hiệu ngõ ra chứa tổng và hiệu các thành phần tần số và biên của nó thì phụ thuộc vào biên độ của tín hiệu điều chế. Đây là điều mong muốn đạt được trong các ứng dụng chính của MC1496. Hoạt động bảo hòa của bộ khuếch đại vi sai kép sẽ tạo ra các hài (điều này thấy rõ khi phân tích chuỗi Fuorier – xem phần tính toán). Việc giảm biên độ của sóng mang ngõ vào xuống dãy tần tuyến tính của nó sẽ làm giảm các hài này ở tín hiệu ngõ ra. Tuy nhiên điều này có thể làm giảm độ lợi và làm cho tín hiệu ngõ ra có biên độ không ổn định. Phần khuếch đại vi sai ngõ vào sóng mang không có điện trở R E (emitter degeneration). Vì thế, tín hiệu ngõ vào sóng mang hoạt động ở vùng tuyến tính và vùng bảo hòa sẽ được tính toán (xem phần tính toán). Khi tín hiệu ngõ vào sóng mang thấp hơn 15-20mV rms thì nó hoạt động ở chế độ tuyến tính và cao hơn 15- 20mV rms thì hoạt động ở chế độ bảo hòa. Phần khuếch đại vi sai tín hiệu điều chế có 2 chân Hình 2.7 : Mô hình phân tích Hình 2.6 : sơ đồ nguyên lý của IC MC1496 [...]... Mạch Điều chế và giải điều chế AM DSB FC GIẢI ĐIỀU CHẾ SONG BIÊN CÓ SÓNG MANG Nếu như ở bên phát chúng ta lấy biên độ của tín hiệu tin tức làm thay đổi sóng mang để phát tín hiệu đã điều chế đi, thì ở phía máy thu chúng ta làm công việc ngược lại, đó là thu tín hiệu đã điều chế và phục hồi để lấy lại tin tức ban đầu, công việc này được gọi là giải điều chế Trong AM DSB FC, công việc giải điều chế này...11 Mạch Điều chế và giải điều chế AM DSB FC emitter được mang ra chân 2 và chân 3 của IC Điều này cho phép người thiết kế chọn lựa giá trị RE và bằng cách này có thể thay đổi dãy hoạt động tuyến tính của ngõ vào tín hiệu điều chế theo những yêu cầu khác nhau Ngoài ra, điện trở này còn xác định độ lợi của linh kiện Mức cao nhất của ngõ vào tín hiệu điều chế hoạt động ở vùng tuyến... hình bao: 21 Mạch Điều chế và giải điều chế AM DSB FC Hình 3.2 : sơ đồ nguyên lý của mạch tách sóng hình bao Trong sơ đồ này ta sử dụng thêm một tụ điện ở ngõ ra, tụ này dùng để lọc thành phần DC Trong lúc điều chế ta điều chế với tần số sóng mang là fc 100kHz và tin tức là fm 1kHz , ta chọn R 220k và C 1nF nên RC 220.103.1.109 220s , ta thấy Tm trên 1 1 1ms và Tc 10 s ,... Với EX và EY là giá trị đỉnh của biên độ ngõ vào x và y, vì thế Vo kEX EY cos X t cos Y t Nhân lại ta được: (0.3) 16 Mạch Điều chế và giải điều chế AM DSB FC Vo kEX EY cos X Y t cos X Y t 2 (0.4) Hoạt động ở chế độ 2 được phân tích bởi một chuỗi xung vuông đưa vào khuếch đại vi sai phía trên (upper) và sử dụng phân tích Fuorier Hình 2.9 : dạng sóng vào ra... mạch cộng 2 tín hiệu 19 Mạch Điều chế và giải điều chế AM DSB FC Ta tính toán thiết kế mạch như sau: Cũng giống như ví dụ trên nhưng chỉ có 2 ngõ vào Ta có công thức sau: R R4 RP RP VAMDSBFC 3 v1 v2 R2 R3 R1 Với RP 1 1 1 R1 R2 Nếu ta chọn giá trị của tất cả các điện trở bằng nhau, khi đó : R1=R2=R3=R4=R RP 1 1 1 R R R 2 Vì thế VAMDSBFC R R 2 RR ... (1.8) Các biểu thức trên điều giả sử RE >> re, trong đó re là điện trở động của transistor Q5 và Q6 Khi I1=1mV, re=26mV ở nhiệt độ phòng Đa số ứng dụng điều mong muốn đặt giá trị RE rất nhỏ hoặc bằng 0 Khi đó, (1.6) và (1.8) được mở rộng ra là: +VX là high-level: 12 Mạch Điều chế và giải điều chế AM DSB FC AV RL RE 2re (1.9) +VX là low-level: RL 2 RE 2re Với ngõ vào sóng mang mức cao( high... của ngõ vào phía trên mức cao và ngõ vào mức thấp Dạng chuỗi Fuorier của chuỗi xung vuông đối xứng trên hình 2.9 là: s t 2 Ancos nX t (0.5) n sin 2 An n 2 (0.6) Vo KEY An cos n X Y t cos n X Y t (0.7) n 1 Trong đó, Vì vậy điện áp ngõ ra là : n 1 17 Mạch Điều chế và giải điều chế AM DSB FC 2.2.5 sơ đồ nguyên lý của mạch điều chế cân... ngõ ra bằng tổng các điện áp ngõ vào, để cộng các tỉ lệ điện áp khác nhau thì ta chỉ cần thay đổi các giá trị điện trở Trở lại với mạch điều chế AM DSB FC, sau khi ta đã nhân tin tức với sóng mang ta chỉ được tín hiệu AM DSB SC, để được tín hiệu AM DSB FC ta phải cộng tín hiệu AM DSB SC với sóng mang, vì thế ta phải có mạch cộng để cộng với tín hiệu sóng mang Vì ngõ vào đều là dao động ở tần số cao... thuộc vào mức ngõ vào VX Đặc điểm này thường sử dụng nhiều trong nhiều ứng dụng truyền thông dùng MC1496 Thứ hai, phân tích theo AC: Phân tích toán học theo tín hiệu điện áp ac dựa vào 2 chế độ hoạt động Một là VX và VY điều là sóng sin mức thấp (chế độ 1), hai là VY mức thấp và VX mức cao (chế độ 2) dựa vào hoạt động đóng mở đối xứng của bộ khuếch đại trên Q1,Q2,Q3 và Q4 Đối với tín hiệu ngõ vào sóng... lý của mạch điều chế cân bằng 2.3 Khối cộng Đầu tiên ta sẽ tìm hiểu về nguyên lý để cộng tín hiệu, giả sử ta có mạch cộng với sơ đồ nguyên lý như hình 2.11 Từ sơ đồ nguyên lý hình 2.11 ta có: i1 i2 i3 0 Mà, v1 vB v2 vB v3 vB 0 R1 R2 R3 1 1 1 v1 v2 v3 vB R1 R2 R3 R1 R2 R3 Hình 2.11 mạch cộng không đảo 3 ngõ vào 18 Mạch Điều chế và giải điều chế AM DSB FC v v v