›
›

Điện - Chương 4: Điều chế và hệ thống điều chế biên độ

pptx 108 trang vanle 1720
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Điện - Chương 4: Điều chế và hệ thống điều chế biên độ", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pptxdien_chuong_4_dieu_che_va_he_thong_dieu_che_bien_do.pptx

Nội dung text: Điện - Chương 4: Điều chế và hệ thống điều chế biên độ

  1. Điện tử cho CNTT Electronic for IT Trần Tuấn Vinh Bộ môn KTMT – Viện CNTT & TT Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội
  2. Nội dung ▪ Chương 1: Phổ tín hiệu ▪ Chương 2: Các bộ khuếch đại tần số sóng Radio ▪ Chương 3: Các mạch tạo dao động ▪ Chương 4: Điều chế và hệ thống điều chế biên độ ▪ Chương 5: Điều chế tần số và pha. Copyright (c) 8/2009 by KTMT 2
  3. Giới thiệu chung ▪ Một hệ thống truyển tin bao gồm các thành phàn cơ bản như trên hình Copyright (c) 8/2009 by KTMT 3
  4. Hệ thống truyển thông ▪ Thiết kế hệ thống truyền thông yêu cầu phải hiểu biết về dạng tín hiệu vật lý của thông tin và khoảng cách mà nó phải truyền đi. ▪ Một sơ đồ truyền tin sẽ được thiết kế với số lượng và chất lượng mong muốn. ▪ Khía cạnh số lượng bao gồm việc xác định tổng số, tốc độ, và hiệu quả truyền qua một kênh dải tần hữu hạn. ▪ Khía cạnh chất lượng bao gồm việc xác định một cách chính xác số lượng tin được truyền đi trên cơ sở tin nhận được. Copyright (c) 8/2009 by KTMT 4
  5. Hệ thống truyền tin ▪ Tin tức phải được biến đổi dưới dạng năng lượng điện tương tự hoặc số để xử lý trong mạch điện. ▪ Tín hiệu điện thường được đặc trưng bởi công suất/phổ tần số của tín hiệu ▪ Tín hiệu rời rạc được đặc trưng bởi đơn vị cơ bản của lượng tin, bit. ▪ Việc truyền tín hiệu số, lượng tin truyền đi trong một đơn vị thời gian chia cho số lượng bit sai lệch nhận được chính là thước đo chất lượng của hệ thống truyền tin. Copyright (c) 8/2009 by KTMT 5
  6. Hệ thống truyền tin ▪ Trên thực tế truyền tin qua một khoảng cách dài liên quan đến việc sử dụng tín hiệu tương tự (sóng liên tục) như là điện thoại và TV hữu tuyến, cáp đồng trục, cáp quang và vật liệu không dẫn điện khác bao gồm khí quyển và không gian . ▪ Hầu hết thông tin mà con người đã truyền đều nằm trong dải tần số âm thanh. ▪ Dải âm thanh cũng bao gồm dữ liệu số tốc độ thấp cho in văn bản và thiết bị cuối của máy tính. ▪ Truyền dữ liệu tốc độ cao từ một máy tính yêu cầu băng tần hơn 100MHz ▪ Tín hiệu Video biến đổi nhanh như là truyền hình yêu cầu băng tần khoảng 4MHz. Copyright (c) 8/2009 by KTMT 6
  7. Hệ thống truyền tin Một số khái niệm cần lưu ý:  Băng tần (Bandwidth, dải tần số có thể sử dụng) Băng tần tín hiệu thông tin đối với hệ thống/ băng tần mạch.  Tốc độ thông tin (Information rate - đối với băng tần)- Đại lượng đo tốc độ thay đổi lớn nhất của tín hiệu mà nó không ảnh hưởng tới sự trung thực của âm thanh, độ sáng, độ nét, độ phân giải của hình ảnh và tốc độ truyền dữ liệu số.  Nhiễu giao thoa (Noise interference đối với băng tần) Tỉ lệ tín trên tạp nhiễu cho tín hiệu tương tự và số; độ lệch pha (timing jitter) và tỉ lệ lỗi bit cho hệ thống số. Copyright (c) 8/2009 by KTMT 7
  8. Hệ thống truyền thông ▪ Một số khái niệm cần lưu ý:  Méo (Distortion) Méo tần số và méo pha (đối với băng tần) và méo biên độ trong hệ thống tương tự.  Độ rộng xung (Digital pulse spreading) và xuyên nhiễu giữa các đầu (intersymbol interference) (đối với băng tần).  Sự phân tán, đa đường truyền, tiếng vọng và bóng mờ (video ghost).  Đa truy nhập (Multiplexing) Báo hiệu đồng thời riêng rẽ bởi thời gian, tần số hoặc pha Copyright (c) 8/2009 by KTMT 8
  9. Truyền thanh và đa truy nhập ▪ Phổ tín hiệu âm được giới hạn trong khoảng 20Hz đến 20kHz bởi vì tai người không thể nhận được âm thanh ngoài khoảng tần số này. ▪ Quãng tần số quan trọng của phổ tín hiệu âm thanh là tần số tiếng nói khoảng 1kHz. Bởi vậy truyền âm tương tự trên các thiết bị điện thoại nhỏ hơn 3.5kHz. ▪ Tuy nhiên với âm nhạc chất lượng cao có thể mở rộng tới 15kHz, bởi vậy không thể dùng mạng điện thoại để truyền nhạc. Copyright (c) 8/2009 by KTMT 9
  10. Truyền thanh và đa truy nhập ▪ Giả sử bạn và 99 người khác muốn truyền 100 chương trình ca nhạc khác nhau tới hàng nghìn gia đình trong chỗ ở của bạn. Một giải pháp có thể là đặt 100 loa lớn và một số ngần ấy tăng âm, kết quả là tràn ngập thông tin với cường độ lớn và không ai nghe rõ thông tin. ▪ Bạn sẽ vấp phải ít nhất là hai vấn đề về công nghệ truyền dẫn trong không gian.  Thứ nhất là ăng ten phải lớn hàng dặm.  Thứ hai tất cả các tín hiệu được thu trên cùng một ăngten của một trạm không thể tách biệt với các trạm tiếp theo trừ khi mỗi người đồng ý truyền tại các thời điểm khác nhau trong ngày. ▪ Như vậy sắp xếp thứ tự truyền là một ví dụ được gọi là đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDM). Copyright (c) 8/2009 by KTMT 10
  11. Truyền thanh và đa truy nhập ▪ Giải pháp cho cả hai vấn đề trên là truyền tín hiệu âm (hoặc hình ảnh) trên một sóng mang và mỗi trạm sử dụng một tần số mang khác nhau, kỹ thuật này gọi là đa truy nhập phân chia theo tần số (FDM), được biểu diễn ở hình 4.2 Copyright (c) 8/2009 by KTMT 11
  12. Điều chế ▪ Quá trình xử lý tín hiệu truyền với một sóng mang tần số cao gọi là điều chế. ▪ Một tín hiệu sóng mang tần số cao có ba thông số có thể điều chế để bắt nó mang thông tin mà ta muốn truyền: Đó là biên độ, tần số và góc pha. ▪ Khi biên độ sóng mang được biến đổi phù hợp với thông tin gọi là điều biên. ▪ Cũng như vậy điều tần hoặc điều pha là kết quả khi tín hiệu thông tin biến đổi tần số hoặc pha của sóng mang Copyright (c) 8/2009 by KTMT 12
  13. Điều biên ▪ Một tín hiệu sóng mang hình sin chưa điều chế có thể được mô tả dưới dạng hàm toán học: Ec(t)=Eccos 2 fct ▪ Trong đó Ec là biên độ, fc là tần số sóng mang tính bằng Hz ▪ Hình dưới chỉ ra kết quả điều biên của một sóng mang bởi một xung vuông và một sóng hình sin Copyright (c) 8/2009 by KTMT 13
  14. Điều biên Copyright (c) 8/2009 by KTMT 14
  15. Điều biên ▪ Tín hiệu điều chế hình sin của hình c có thể được mô tả bởi em(t)=Emcos 2 fmt Em , fm lần lượt là biên độ, tần số của sóng điều chế. ▪ Sự biến đổi biên độ tỷ lệ với biên độ Em. Hơn nữa tín hiệu điều chế ở đầu ra có thể được mô tả toán học dưới dạng: Bien do song mang e( t )=+ E E cos 2 f t cos 2 f t c m m c Bien do song mang sin Bien do cua bien do song mang phu thuoc vao tin hieu dieu che Copyright (c) 8/2009 by KTMT 15
  16. Điều biên ▪ Tín hiệu hình sin bị điều chế được chỉ ra trong hình dưới. Với một tín hiệu ngẫu nhiên m(t), tín hiệu điều biên (AM signal) được mô tả toán học dưới dạng: e(t)=[Ec+m(t)]cos 2 fct Copyright (c) 8/2009 by KTMT 16
  17. Chỉ số điều chế (Modulation index) ▪ Bằng cách tăng biên độ Em của tín hiệu điều chế Emsin( 2 fmt), giá trị công suất phần thông tin trong tín hiệu truyền sẽ tăng lên. ▪ Khi thiết kế luôn muốn tổng công suất truyền chứa được càng nhiều công suất của thông tin càng tốt, một con số đặc trưng cho việc này gọi là chỉ số điều chế (modulation index) m. ma=Em/Ec. ▪ Do đó tín hiệu hiệu điều biên có thể viết cho điều chế hình sin là: e(t)=Ec(1+macos2 fmt)cos2 fct. Copyright (c) 8/2009 by KTMT 17
  18. Chỉ số điều chế (Modulation index ▪ Để đánh giá chỉ số điều chế của tín hiệu điều biên ta sử dụng một máy hiện sóng: hiển thị dạng sóng điều biên như trên hình, đo khoảng cách lớn nhất là A, khoảng cách nhỏ nhất là B của biên độ “đường bao”. ▪ Với A=2(Ec+Em) và B=2(Ec-Em) E m A − B ma = = Ec A + B Copyright (c) 8/2009 by KTMT 18
  19. Chỉ số điều chế (Modulation index ▪ Nhận xét:  Giá trị của ma luôn thuộc khoảng [0,1].  Bằng 0 tương ứng với không điều chế  Bằng 1 tương ứng với điều chế đầy (full modulation) Copyright (c) 8/2009 by KTMT 19
  20. Ví dụ 4.1 ▪ Nếu A=100V và B=20V, xác định phần trăm điều chế, đỉnh sóng mang, đỉnh giá trị→ của tín hiệu thông tin 100V − 20V m = = 0.667 ▪ a. a 100V + 20V ▪ b. Trị trung bình của hai giá trị đỉnh - đỉnh chính là giá trị đỉnh - đỉnh biên độ của sóng mang chưa điều chế 2Ec. Do đó đỉnh sóng mang có thể được tính theo A, B như sau 100VV+ 20 2E= = 60 V pk − pk → E =30V pk c 2 c ▪ Em=maEc=0.667x30V pk=20V pk Copyright (c) 8/2009 by KTMT 20
  21. Chỉ số điều chế ▪ Nếu thêm một tín hiệu sin ( như là một hợp âm của nhạc) điều chế sóng mang, khi đó chúng ta thu được kết quả: Chỉ số điều chế bằng giá trị trung bình RMS của mỗi sóng sin tạo ra: 2 2 2 ma = m1 + m2 + mn Copyright (c) 8/2009 by KTMT 21
  22. Phổ AM và băng tần ▪ Từ công thức biểu diến tín hiệu điều biên ta có thể biến đổi: e(t) = (Ec+Emcos 2 fmt)cos 2 fct = Ec cos 2 fct+Emcos 2 fmt cos 2 fct ▪ Áp dụng : 2CosAcosB = [cos(A+B)+cos(A-B)] e(t)= Ec cos 2 fct+ (Emcos 2 (fc-fm)t + Emcos 2 (fc+fm)t)/2 ▪ Thông thường tần số sóng mang tối thiểu gấp 100 lần tần số sóng điều chế (về lý thuyết fc>2fm là đạt yêu cầu) Copyright (c) 8/2009 by KTMT 22
  23. Phổ AM và băng tần ▪ Sự điều biên là tổng của ba thành phần tần số: E(t) = Eccos(2 fct) phần sóng mang + Em /2cos 2 (fc-fm)t phần biên tần phía dưới(LSB) + Em/2cos 2 (fc+fm)t phần biên tần phía trên(USB) ▪ Biểu thức này cho ta các thông số về phổ tần, băng tần, và công suất. Copyright (c) 8/2009 by KTMT 23
  24. Phổ AM và băng tần Copyright (c) 8/2009 by KTMT 24
  25. Phổ AM và băng tần ▪ Có 6 trường hợp cộng pha khác nhau minh hoạ quá trình cộng biên độ tức thời của tín hiệu điều biên. ▪ Chú ý thành phần USB (fc+fm) là một thành phần tần số cao hơn fc, là thành phần luôn đứng trước sóng mang, còn LSB (fc-fm) là tần số thấp hơn, luôn đứng sau sóng mang ▪ Nhận xét: Bạn có thể thấy trong hình minh hoạ ở đây là với biên độ của mỗi biên tần bằng một nửa biên độ tần số sóng mang thì đường bao của tín hiệu điều biên sẽ bằng 0. Tương ứng với giá trị lớn nhất cho phép của Em là Em=Ec và m=1 hay còn gọi là điều chế 100% Copyright (c) 8/2009 by KTMT 25
  26. Phổ AM và băng tần ▪ Như chỉ ra trong hình b, c là trường hợp điện áp điều chế quá mức và kết quả là đỉnh bị cắt xén và bị méo, điều đó có nghĩa là méo hài được sinh ra. ▪ Đây không phải lầ trường hợp méo điều chế duy nhất trong khi thu, việc cộng hai biên tần thường sinh ra hiện tượng vượt quá băng tần cực đại cho phép. Copyright (c) 8/2009 by KTMT 26
  27. Phổ AM và băng tần ▪ Với tín hiệu truyền thanh điều biên thương mại, Uỷ ban truyền thông liên bang FCC (Federal Communication Commission) đã quy định biên tần là 10kHz bởi mỗi tần số mang được tạo ra từ 540kHz đến 1600kHz và cách nhau 10kHz. ▪ Điều này có nghĩa là tần số điều chế cực đại để chắc chắn không bị méo là 5kHz. Mặt khác việc truyền tín hiệu trên tần số lân cận bị trùm phổ bởi hiện tượng nhiễu giao thoa và được gọi là xuyên âm (cross talk). Copyright (c) 8/2009 by KTMT 27
  28. Phổ AM và băng tần ▪ Băng tần của tín hiệu điều biên có thể xác định dễ dàng từ phổ tần số, ▪ Toàn bộ tín hiệu điều biên có băng tần rộng 2fm với vạch trung tâm là sóng mang. (fc+fm)- (fc-fm)=2fm=BW. ▪ Ví dụ nếu sóng mang 1MHz được điều chế bởi âm 5kHz, băng tần yêu cầu để truyền và nhận được trọn vẹn tín hiệu điều biên là 2x5kHz=10kHz, xung quanh tần số trung tâm 1MHz. Copyright (c) 8/2009 by KTMT 28
  29. Công suất trong tín hiệu điều biên ▪ Công suất tin hiệu điều biên được xác định từ e(t)= Ec cos 2 fct+ Emcos 2 (fc-fm)t + Emcos 2 (fc+fm)t ▪ Nếu tín hiệu điện áp thu trên một ăngten có trở kháng thực R, thì công suất của mỗi thành phần sẽ được xác định theo các đỉnh của mỗi dao động hình sin: 2 2 2 (V ) (Vpk / 2) Vpk P = vms = = R R 2R 2 ▪ Sóng mang có: Pc=Ec /2R 2 ▪ Hai sóng còn lại có : (m / 2)E / 2 m 2 E 2 m 2  a c  = a . c = a P R 4 2R 4 c Copyright (c) 8/2009 by KTMT 29
  30. Công suất trong tín hiệu điều biên ▪ tổng cống suất trong tín hiệu điều biên sẽ là tổng các công suất : Ptotal = P c+PLSB+PUSB= mm22 =PPP + + ccc44 m2 =+P (1 ) c 2 Copyright (c) 8/2009 by KTMT 30
  31. Ví dụ 4.2 ▪ Xác định công suất mỗi thành phần phổ của tín hiệu điều biên của ví dụ 4.1 trong trường hợp Ec=30Vpk và m là 66.7%. Cho trở kháng hiệu dụng là 50. ▪ Giải : E 2 (30Vpk)2 P = c = = 9W c 2R 2x50 m 2 (0.667)2 P = P = .9W = 1W LSB 4 c 4 PUSB = PLSB = 1W ▪ Công suất tổng cộng: (0.667)2 P =9W+1W+1W=9W(1+ )=11W t 2 Copyright (c) 8/2009 by KTMT 31
  32. Tín hiệu điều chế không sin ▪ Khi tín hiệu phức tạp không sin điều biên một sóng mang, phổ tần cho chúng ta biết nhiều hơn những gì mà máy hiện sóng hiển thị. ▪ Điều này được chỉ ra trong hình dưới với tín hiệu của một chương trình phát thanh điển hình. Thông tin là hàm biến đổi liên lục nhưng có một tần số giới hạn trên. ▪ Hình c chỉ ra rằng thông tin tín hiệu có tần số thấp nhất từ dc(f=0) đến fm(max), nhưng hầu hết thông tin nằm ở phần dải tần thấp của tần số. ▪ Tín hiệu thông tin biểu diễn dạng thời gian được chỉ ra trong hình a và trong hình c là phổ của tín hiệu. Copyright (c) 8/2009 by KTMT 32
  33. Tín hiệu điều chế không sin ▪ Phổ tín hiệu điều chế trên hình d bao gồm phần biên tần cao hơn và thấp hơn của sóng mang. Hình này chỉ rõ rằng băng tần thông tin của tín hiệu điều biên là 2fm(max) Copyright (c) 8/2009 by KTMT 33
  34. Tín hiệu điều chế không sin ▪ Để phân tich phổ tín hiệu ta sử dụng biến đổi Fourier chuyển từ miền thời gian sang miền tần số. uAM(t)=Ec(t)cos 2 fct+m(t)cos 2 fct VAM(f)=Ec.1/2[(f-fc)+ (f+fc)]+1/2[M(f-fc)+ M(f+fc)] ▪ Đối với phổ tín hiệu lý tưởng hai phía của hình a, việc vẽ biến đổi Fourier của vAM(t), VAM(f), được chỉ trên hình b Copyright (c) 8/2009 by KTMT 34
  35. Tín hiệu điều chế không sin ▪ Nếu tín hiệu điều chế dạng số, biên độ sóng mang dịch chuyển giữa các trạng thái số, và tín hiệu được truyền gọi là amplitude-shift keying (ASK). ▪ Trong trường hợp đặc biệt nếu tín hiệu truyền chỉ dùng hai trạng thái on và off để truyền tin thì tiến trình đó được gọi là on-off keying (OOK). Copyright (c) 8/2009 by KTMT 35
  36. Tín hiệu điều chế không sin ▪ Điều này được chỉ ra bởi một xung hẹp trong hình. Nếu tín hiệu sóng mang có dạng: − Acos 2 f t t vt()= c 22 0 voi t khac Copyright (c) 8/2009 by KTMT 36
  37. Tín hiệu điều chế không sin ▪ Biến đổi Fourier của tín hiệu ta có: Ad sin(nd − f c ) sin(nd + f c ) Vn (f ) = + 2 (nd − f c ) (nd + f c )  ▪ Với d = T ▪ Được gọi là tỷ trọng xung (duty cycle) và T là chu kỳ xung (nghịch đảo của tần số lặp, PRF)\ Copyright (c) 8/2009 by KTMT 37
  38. Giải điều chế AM ▪ Khi thu được một tín hiệu AM, có thể giải điều chế để khôi phục thông tin ban đầu. ▪ Tín hiệu AM giải điều chế được biểu diễn trên hình dưới với sóng mang 35kHz, được điều chế bởi sóng âm 5kHz. Copyright (c) 8/2009 by KTMT 38
  39. Giải điều chế AM Copyright (c) 8/2009 by KTMT 39
  40. Giải điều chế AM ▪ Để có thể tách lọc tín hiệu tần số 5kHz ta có thể sử dụng sơ đồ mạch lọc như sau: ▪ Diode ở đây có thể đảo chiều do tín hiệu có cả 2 nửa âm dương Copyright (c) 8/2009 by KTMT 40
  41. Giải điều chế AM ▪ Xem xét mạch lọc trong 2 trường hợp có tụ điện hoặc không có tụ điện Copyright (c) 8/2009 by KTMT 41
  42. Mạch lọc không mắc thêm tụ điện ▪ Thu được tín hiệu có dạng tín hiệu tần số 35kHz biên độ biến đổi theo đường bao sóng mang 5kHz Copyright (c) 8/2009 by KTMT 42
  43. Mạch lọc mắc thêm tụ điện ▪ Làm giá trị trung bình của tín hiệu giải điều chế tăng ▪ Tụ điện được nạp đỉnh dương của xung sóng mang trong khi diode làm việc ▪ Tụ phóng điện đủ chậm qua điện trở sao cho điểm cực đại ngay sau đó ( the very next carrier peak ) sẽ vượt qua v0 Copyright (c) 8/2009 by KTMT 43
  44. Giải điều chế AM ▪ Chú ý rằng tín hiệu mang tin đã được khôi phục sau giải điều chế (demodulated ) ở đầu ra máy tách sóng v0 là một điện áp có giá trị trung bình khoảng 0.8V. ▪ Giá trị trung bình của v0 là giá trị biên độ đã được chỉnh lưu của sóng mang chưa được điều biến ( unmodulated carrier ). ▪ Theo cách hiểu như vậy, nó là một chỉ số ( indicator) của cường độ tín hiệu nhận được, và sẽ được sử dụng trong máy thu AM cho bộ điều khiển tự động hệ số khuếch đại (Automatic Gain Control – AGC ). Copyright (c) 8/2009 by KTMT 44
  45. Méo tín hiệu do cắt chéo. Diagonal Clipping Distortion ▪ Giá trị của R và C tại đầu ra của bộ tách sóng phải được chọn nhằm mục đích tối ưu hóa quá trình điều chỉnh. ▪ Hiệu ứng cắt chéo là hiệu ứng xảy ra do tụ C quá lớn nên không thể phóng điện đủ nhanh cho v0 theo kịp sự biến thiên nhanh của hình bao AM dẫn đến méo tín hiệu Copyright (c) 8/2009 by KTMT 45
  46. Méo tín hiệu do cắt chéo ▪ Rõ ràng hệ số điều chế là một thông số quan trọng, và hằng số thời gian RC thích hợp không chỉ phụ thuộc vào tần số điều chế cao nhất fm (max) mà còn phụ thuộc vào chỉ số điều chế (1/m 2 )− 1 C a 2 Rfm (max) Copyright (c) 8/2009 by KTMT 46
  47. Cắt các điểm cực đại âm Negative Peak Clipping ▪ Điện trở R được sử dụng ở đầu ra của bộ tách sóng là một biến trở để điều khiển các mức công suất âm thanh ở đầu ra và đồng thời điều khiển âm lượng. ▪ Như được minh họa trong hình dưới, tín hiệu mang thông tin đã được khôi phục sau khi điều biến được ghép qua tụ điện với bộ khuếch đại âm thanh. ▪ Tụ điện ghép này có điện dung đủ lớn để cho tần số âm thanh thấp nhất đi qua và cách ly điện áp phân cực một chiều (dc bias) của bộ khuếch đại âm thanh và giá trị trung bình (một chiều) của v0 Copyright (c) 8/2009 by KTMT 47
  48. Cắt các điểm cực đại âm Copyright (c) 8/2009 by KTMT 48
  49. Ví dụ Cho bộ giải điều chế AM như hình, hãy xác định: 1. Tổng công suất chuyển tới mạch của bộ tách sóng nếu trở kháng đầu vào là 1kΩ ( mạch tách sóng có R = 2kΩ). 2. v0(max), v0(min), và V0 (một chiều). 3. Giá trị trung bình của dòng điện nếu R = 2kΩ . 4. Giá trị thích hợp của C nếu R = 2kΩ , fm(max) = 5 kHz và ma= 0.9(max). Copyright (c) 8/2009 by KTMT 49
  50. Ví dụ 1. vi(trung bình) = (1.5 V + 0.5V)/2 = 1 V pk. Điện thế của điểm cực đại đầu vào đối với một phần tử sóng mang chưa được điều biến sẽ là 1V pk. 22 (Vc pk) (1 V ) 1.5− 0.5 Pc = = = 0.5 mW m ==0.5 2Rki 2  1 1.5+ 0.5 m2 Áp dụng PP=+(1 ) tc 2 2 Pt= [1+(0.5) /2](0.5 mW) = 562.5mW Copyright (c) 8/2009 by KTMT 50
  51. Ví dụ 2. v0(max) = 1.5V - 0.2V= 1.3 V pk v0(min) = 0.5V-0.2V = 0.3V pk v0(một chiều) = v0(trung bình) = (1.3V + 0.3V)/2 = 0.8V 3. I0 (một chiều) = V0(một chiều)/R = 0.8V/ 2kΩ = 400 µA 4. (1/m )22−− 1 (1/ 0.9) 1 CF= =33 = 0.008 2 Rfm (max) 2 (2 10 )(5 10 ) Copyright (c) 8/2009 by KTMT 51
  52. Hệ thống thu sóng điều biên AM Receiver systems ▪ Hệ thống thu sóng điều biên cấu tạo như hình dưới Copyright (c) 8/2009 by KTMT 52
  53. Hệ thống thu sóng điều biên ▪ Một máy thu đơn giản như ở hình gọi là một máy thu điều hưởng tần số radio(TRF). ▪ Nhiều tầng khuếch đại tần số sóng radio (RF Amplifier Stage) được sử dụng nhằm mục đích cung cấp một công suất tín hiệu cỡ miliwatt tới bộ tách sóng. ▪ Mặc dù TRF là một kiểu máy thu khá đơn giản nhưng không sử dụng ở dải sóng ngắn và sóng cực ngắn mà chủ yếu với các bộ khuếch đại tần số thấp và trung bình ▪ Máy thu đổi tần với một bộ trộn tần số tỏ ra ưu việt hơn trong thu sóng AM Copyright (c) 8/2009 by KTMT 53
  54. Hệ thống máy thu đổi tần ▪ Sự chuyển đổi phổ của một tín hiệu tần số radio từ một vùng tần số này sang vùng tần số khác được thực hiện bằng kết hợp tín hiệu đó với một tín hiệu tuần hoàn nội tại trong một thiết bị không tuyến tính. ▪ Tín hiệu tuần hoàn nội tại đó được cung cấp bởi một máy tạo dao động, gọi là máy tạo dao động nội (local oscillator- LO), ▪ Thiết bị không tuyến tính ở trên là một phần của mạch có tên là bộ trộn hay bộ biến tần. ▪ Kết quả không tuyến tính sẽ tạo ra tổng của các sai phân tần số của máy tạo dao động cục bộ và tín hiệu tần số sóng radio Copyright (c) 8/2009 by KTMT 54
  55. Hệ thống máy thu đổi tần ▪ Quá trình biến đổi tần số tần số theo tần số nội tại của máy thu gọi là quá trình tạo phách (heterodyning ) ▪ Sự không tuyến tính là cần thiết để cung cấp về mặt toán học trong việc nhân thời gian giữa tín hiệu LO với tín hiệu tần số sóng radio ( RF ). Copyright (c) 8/2009 by KTMT 55
  56. Hệ thống máy thu đổi tần ▪ Nếu muốn chuyển tín hiệu RF thành tần số thấp hơn, dao động nội thường được lấy tần số cao hơn tần số tín hiệu RF, và sau đó hiệu tần số của hai tín hiệu ( fLO – fRF) được lựa chọn trong khi những tín hiệu khác (fRF, fLO và fLO + fRF ) sẽ bị lọc bỏ. ▪ Gần như mọi máy thu tần số cao đều sử dụng kỹ thuật tạo phách này để chuyển đổi ngược tín hiệu thu được thành tín hiệu tần số trung gian (IF - Intermediate Frequency) fIF=− f LO f RF Copyright (c) 8/2009 by KTMT 56
  57. Thiết bị thu đổi tần điều biên ▪ Dải phát sóng AM ở miền Bắc Mỹ nằm trong khoảng từ 535 tới 1605 kHz, với mỗi kênh 10 kHz tính từ 540 tới 1600 kHz ( sai số 20 Hz). ▪ Đoạn chia 10 kHz giữa các kênh phát AM cho phép điều biến tối đa ở tần số 5 kHz kể cả hai biên tần. ▪ Một chuẩn khác cho việc phát sóng thương mại là máy thu IF cố định tại tần số 455 kHz. ▪ Sở dĩ 455 kHz được chọn là vì đó là mức thấp hơn tần số thấp nhất khi truyền nhưng vẫn đủ cao hơn để tránh các nhiễu gây ra bởi các tín hiệu gọi là ảnh ( image ). Nhiễu gây ra bởi các tín hiệu tần số ảnh được xét ở phần sau. Copyright (c) 8/2009 by KTMT 57
  58. Thiết bị thu đổi tần điều biên ▪ Lý do quan trọng nhất của việc sử dụng kỹ thuật tạo phách (trộn) trong máy thu đa kênh là cho phép làm việc với một tần số trung gian cố định. ▪ Do đó phần lớn hệ số khuếch đại và độ nhạy của máy thu đổi tần được cung cấp bởi các tầng khuếch đại tần số trung gian. tần số trung gian . ▪ Tần số của LO sẽ luôn luôn lớn hơn tần số của sóng mang RF Copyright (c) 8/2009 by KTMT 58
  59. Thiết bị thu đổi tần điều biên ▪ Ví dụ, ta có = 560 kHz và với một máy thu đổi tần AM, bộ tạo dao động nội LO sẽ có tần số : fLO=+ f RF f IF = 560 + 455 = 1015 kHz ▪ Đương nhiên, việc điều chỉnh tới một tần số thu mới dễ dàng thực hiện được bởi các tụ điện của mạch điều hưởng RF và LO ( tụ xoay hai ngăn). ▪ Người sử dụng chỉ việc điều chỉnh một trục xoay trên toàn băng sóng nhờ một tụ xoay hai ngăn hoặc một biến trở thay đổi điện áp của các diode biến dung (gọi là điều hưởng điện tử – electronic tuning ). Copyright (c) 8/2009 by KTMT 59
  60. Lựa chọn tần số trung gian(IF) và đáp ứng ảnh ▪ Khi thiết kế một máy thu cần phải lưu ý đến việc lựa chọn một tần số trung gian thích hợp cho hệ thống. Phần lớn các quyết định đều dựa trên việc tối thiểu hóa các nhiễu của máy thu và tối ưu hóa độ chọn lọc -selectivity ▪ Độ chọn lọc của một máy thu được xác định bởi việc lọc bỏ tại đầu vào máy thu các tần số nằm ngoài dải sóng tín hiệu cần thu. ▪ Nhiễu trong gây ra bởi các máy tạo dao động, nguồn cung cấp và thậm chí cả mạch điều biến. ▪ Nhiễu ngoài gây ra bởi các hiện tượng điện tự nhiên và nhân tạo, thêm vào đó là quá trình truyền của kênh khác. ▪ Nhiễu tần số quan trọng từ quá trình truyền bao gồm cả nhiễu từ kênh lân cận và các nguồn tần số ảnh Copyright (c) 8/2009 by KTMT 60
  61. Lựa chọn tần số trung gian(IF) và đáp ứng ảnh ▪ Kênh lân cận ( adjacent channel ), là những kênh ở sát bên trên và dưới kênh muốn thu, các kênh này bị lọc bỏ chủ yếu bởi các bộ lọc IF Copyright (c) 8/2009 by KTMT 61
  62. Lựa chọn tần số trung gian(IF) và đáp ứng ảnh ▪ Có vẻ dễ dàng lọc bỏ các kênh lân cận ngay tại đầu vào của máy thu, nhưng có hai lý do làm điều đó trở nên khó thực hiện. ▪ Lý do đầu tiên là mạch đầu vào của RF có thể phải điều hưởng một dải tần số khá rộng, ví dụ điều hưởng một dải tần tỷ lệ 3:1 ( 540 – 1600 kHz). ▪ Duy trì một hệ số phẩm chất Q cao và dải thông tần không đổi trong một mạch như vậy là rất khó, đặc biệt là với các mạch có tính chất trở kháng thấp. ▪ Các bộ lọc tốt đòi hỏi độ lọc cao, phẩm chất mạch Q cao Copyright (c) 8/2009 by KTMT 62
  63. Lựa chọn tần số trung gian(IF) và đáp ứng ảnh ▪ Lý do thứ hai là phải sử dụng các bộ lọc đa cực yêu cầu suy giảm mạnh các nhiễu tạo bởi các kênh lân cận. ▪ Tuy nhiên, điều chỉnh một bộ lọc đa cực từ tần số kênh này tới kênh khác trong cả dải tần rộng là không khả thi ▪ Lý do khác trong sự lựa chọn tần số IF là cần phải gạt bỏ các nhiễu từ các tín hiệu ảnh. Tần số ảnh là tần số lớn hơn tần số của OL một lượng bằng tần số IF được tính bằng: fanh=+ f LO f IF fanh=+ f RF2 f IF Copyright (c) 8/2009 by KTMT 63
  64. Lựa chọn tần số trung gian(IF) và đáp ứng ảnh ▪ Giả sử tần số ảnh không bị lọc bỏ trước bộ trộn. Với một nhiễu tại tần số ảnh đi vào bộ trộn, sẽ không thể lọc bỏ được nó nữa. ▪ Ví dụ, một tín hiệu đến từ một nguồn nào đó được truyền với tần số 1.910 MHz đi vào bộ trộn khi máy thu AM ( IF = 455 kHz) được điều chỉnh để thu sóng ở kênh tần số = 1 MHz. ▪ Bộ tạo dao động nội có tần số 1.455 MHz và tín hiệu nhiễu tại 1.910 MHz; do đó hiệu tần số là 1.910 MHz – 1.455 MHz = 455 kHz – đúng bằng tần số trung gian IF của máy thu! Không có cách nào để bộ lọc IF tránh được nhiễu này. Copyright (c) 8/2009 by KTMT 64
  65. Hệ số khuếch đại và độ nhậy của máy thu ▪ Sơ đồ khối của máy thu đổi tần ở hình dưới là rất tổng quát và không nói rõ số lượng các tầng khuếch đại RF và IF cần thiết. ▪ Thực tế, đây là công việc đầu tiên trong khi thiết kế mạch thu. Số lượng các tầng khuếch đại được xác định từ yêu cầu của độ chọn lọc và công suất tín hiệu cần thiết đủ để tách sóng. Copyright (c) 8/2009 by KTMT 65
  66. Công suất yêu cầu của mạch tách sóng ▪ Công suất yêu cầu đủ cho mạch tách sóng phụ thuộc vào loại mạch tách sóng được sử dụng. ▪ Đối với một mạch tách sóng AM dạng thụ động sử dụng diode germani, chúng ta cần một công suất tải cỡ mW (couple-of- miliwatts). ▪ Giả sử 90% tín hiệu AM thu được, máy thu cần phải khuếch đại nó đủ lớn để làm diode dẫn dòng thuận được Copyright (c) 8/2009 by KTMT 66
  67. Công suất yêu cầu của mạch tách sóng ▪ Để tránh méo tại các điểm biên độ âm của tín hiệu âm, biên độ dương nhỏ nhất của sóng mang Vmin cần phải đủ lớn để diode vẫn đẫn dòng thuận. ▪ Điện áp an toàn cho Vmin là khoảng 0.2 V, bao gồm việc cả việc dẫn thuận cho diode và tổn hao I2R trong điốt và mạch tách sóng. Trong hình dưới, VC là giá trị trung bình giữa A và B, như vậy: VC = (A – B)/4 Copyright (c) 8/2009 by KTMT 67
  68. Công suất yêu cầu của mạch tách sóng ▪ Do B/2 = Vmin, nên : ma = (A-B)/(A+B) A = [(1+ma)/(1-ma)]B thay thế vào VC = (A+B)/4 1 1+ ma =+ 1 Vmin 21 − ma ▪ Với m = 0.90, VC = 1/2 ( 1.9/0.1 +1 )Vmin = 10Vmin. ▪ Do đó, chúng ta có VC = 10Vmin= 2 V pk. 2 ▪ P =VC /2R ( với VC là điểm cực đại ) và thông thường trở kháng tương đương của mạch tách sóng là 1kΩ . ▪ Kết quả là 2 mW công suất đòi hỏi cần thiết cho bộ tách sóng Copyright (c) 8/2009 by KTMT 68
  69. Công suất yêu cầu của mạch tách sóng ▪ Thông tin khác cần biết để xác định hệ số khuếch đại yêu cầu là độ nhậy của máy thu. ▪ Độ nhậy của một thiết bị điện tử tín hiệu yếu nhất ở đầu vào đủ để xác định đầu ra. ▪ Ví dụ, độ nhậy của một Vôn-mét có thể phát biểu như sau : “ điện thế nhỏ nhất yêu cầu ở đầu vào để kim chỉ dịch chuyển” hoặc “ điện thế nhỏ nhất yêu cầu để nhận thấy sự đổi hưởng của kim”. ▪ Rõ ràng là, đối với một Vôn-met điện, hệ số khuếch đại càng lớn thì độ nhậy cũng càng lớn. Điều này cũng đúng với các máy thu khác. ▪ Vậy chúng ta có thể định nghĩa độ nhậy của một máy thu như là tín hiệu đầu vào tối thiểu khi điều chế 90%AM, để có tín hiệu ở đầu ra ( về âm thanh hoặc là điện áp ). Copyright (c) 8/2009 by KTMT 69
  70. Công suất yêu cầu của mạch tách sóng ▪ Một vấn đề khác cũng ảnh hưởng đến độ nhạy các máy thu là khả năng phân biệt tín hiệu và nhiễu . ▪ Thông số quan trọng nhất trong việc xác định phẩm chất của thông tin nhận được là tỷ lệ tín hiệu-nhiễu. ▪ Điều này dẫn tới định nghĩa độ nhậy của máy thu như là “ tín hiệu tối thiểu yêu cầu ở đầu vào, khi điều biến tại 90%AM, để xuất hiện một tỷ lệ tín hiệu- nhiễu yêu cầu ở đầu ra”. ▪ Cũng như vậy, máy thu tín hiệu số được xác định độ nhậy bởi tốc độ lỗi bit ( BER- Bit Error Rate ) của dữ liệu đầu ra. BER có thể dễ dàng đo được, có quan hệ trực tiếp với tỷ lệ tín hiệu-nhiễu tại đầu ra máy thu, như chúng ta đã thấy trong chương nói về hệ thống truyền số. Copyright (c) 8/2009 by KTMT 70
  71. Mức công suất đơn vị dBm và dBW ▪ Đơn vị được sử dụng rộng rãi để biểu thị mức công suất là decibels ( dB). ▪ Hai mức công suất rất hay sử dụng trong truyền thông là  dBm với đơn vị công suất chuẩn 1 mW  dBW với đơn vị công suất chuẩn 1 W. ▪ Mức công suất P được tính bằng dBm : P (dBm) = 10log(P/1 mW) và bằng dBW : P (dBW) = 10log(P/1 W) Copyright (c) 8/2009 by KTMT 71
  72. Ví dụ Một máy thu ăng-ten có điện thế đầu ra là 10µV nối với một máy thu có điện trở vào 50 Ω. a. Xác định mức công suất vào theo dBm và dBW. b. Máy thu có một bộ khuếch đại RF với hệ số khuếch đại là 10 dB và một bộ trộn với tổn hao đổi tần là 6 dB, sau đó là một bộ lọc đa cực với tổn hao 1 dB. Nếu một bộ khuếch đại IF có hệ số khuếch đại 20 dB, xác định số lượng bộ khuếch đại loại đó cần thiết để cung cấp ít nhất 0 dBm (1 mW) tới bộ tách sóng. c. Vẽ sơ đồ khối của máy thu đổi tần AM, chỉ rõ mức công suất theo dBm tại mỗi khối. Copyright (c) 8/2009 by KTMT 72
  73. Ví dụ ▪ Công suất đầu vào máy thu: P=(10 10−−6 V ) 2 / 50  = 2 10 12 W (2 pW ) P( dBW )= 10log(2 10−12 W /1 W ) = − 117 dBW P( dBm )= 10log(2 10−−12 W /10 3 W ) = − 87 dBm Copyright (c) 8/2009 by KTMT 73
  74. Ví dụ ▪ Với hệ số khuếch đại 10 dB, đầu ra bộ khuếch đại RF sẽ bằng - 87 dBm + 10 dB = -77 dBm. ▪ Vì tổn thất 6 dB của bộ trộn và 1 dB của bộ lọc trong dải thông, công suất đầu vào IF sẽ là P (dBm) = - 77 dBm + (-7dB) = -84 dBm. ▪ Hệ thống IF cần phải có một hệ số khuếch đại tổng quát P0/Pi hoặc P0(dBm) - Pi(dBm) = 0 - (-84) = 84 dB. Chú ý rằng hệ số khuếch đại này, là tỷ số công suất, tính theo dB. Với 20 dB cho một bộ khuếch đại, chúng ta cần năm bộ khuếch đại, một trong số đó chỉ cần độ lợi là 4 dB. Copyright (c) 8/2009 by KTMT 74
  75. Ví dụ Copyright (c) 8/2009 by KTMT 75
  76. Một số giá trị chuyển đổi hay sử dụng Copyright (c) 8/2009 by KTMT 76
  77. AGC và dải động ▪ Ở ví dụ trên chúng ta đã thiết lập một sơ đồ khối đầy đủ để đảm bảo rằng có khả năng giải điều chế một tín hiệu rất yếu - 87 dBm. ▪ Vấn đề tiếp theo là điều gì sẽ xảy ra nếu tín hiệu nhận được mạnh hơn. Tuy nhiên việc thay đổi tỷ số điều chế là không có nhiều ý nghĩa. Copyright (c) 8/2009 by KTMT 77
  78. AGC và dải động ▪ Cần xem xét những hậu quả của sự khuếch đại lên đáng kể mức tín hiệu - 87 dBm. Trong một hệ thống điều chế biên độ, hậu quả này có thể làm méo tín hiệu thu được do bộ khuếch đại IF trở nên quá tải và cắt biên độ của hình bao AM. ▪ Một tín hiệu AM mà bị cắt biên độ như vậy trong một hệ thống IF không tuyến tính được minh họa trong hình cùng với tín hiệu đầu ra giải điều chế đã bị méo. ▪ Hiển nhiên khi đầu ra âm thanh bị cắt từ bộ giải điều chế phát ra loa sẽ bị méo khi qua bộ khuếch đại. ▪ Cuối cùng, nếu tín hiệu nhận được là rất lớn, tất cả các biến điệu của biên độ có thể bị cắt bỏ gây ra sự mất mát thông tin. Điều này được minh họa trong hình Copyright (c) 8/2009 by KTMT 78
  79. AGC và dải động Copyright (c) 8/2009 by KTMT 79
  80. AGC và dải động ▪ Tại sao một sự biến đổi cường độ lớn như vậy của tín hiệu lại có thể xuất hiện? ▪ Một ví dụ để tưởng tượng là máy thu của chúng ta đang nằm trong một ô tô chạy xuyên qua thành phố. Những tòa nhà lớn và những con đường ngầm sẽ làm suy giảm mạnh mẽ tín hiệu. ▪ Sự biến đổi độ lớn của tín hiệu như vậy đòi hỏi người thiết kế máy thu xây dựng một bộ điều khiển tự động các mức của tín hiệu. ▪ Tỷ số giữa cường độ lớn nhất và nhỏ nhất của tín hiệu mà một máy thu vẫn hoạt động bình thường gọi là dải động hệ thống ( system dynamic range ). Copyright (c) 8/2009 by KTMT 80
  81. AGC và dải động ▪ Một hệ thống điều biến biên độ hoạt động trong một môi trường có dải động lớn cần phải được thiết kế để duy trì sự tuyến tính trong các bộ khuếch đại IF bằng cách tự động điều khiển hệ số khuếch đại ( AGC- Automatic Gain Control), có tác dụng giữ cho tín hiệu IF ở mức không đổi tại đầu ra. Copyright (c) 8/2009 by KTMT 81
  82. AGC và dải động Copyright (c) 8/2009 by KTMT 82
  83. AGC và dải động ▪ Hệ số khuếch đại của tầng Emitter chung là Av = - RC/re = - RC.Ie/0.026, tỷ lệ với dòng ở cực C ( collector) và dòng collector tỷ lệ theo hàm e mũ với điện áp phân cực B-E. ▪ Điều này được minh họa trong hình dưới, khi điện áp phân cực dưới điện áp cắt VCi thì IC bằng 0. ▪ Với transistor lưỡng cực silic, VCi = 0.55V. Trên điểm này, hệ số khuếch đại ( hay IC) tăng rất nhanh khi điện áp B-E tăng tới 0.6V, và thông thường transistor bão hòa tại VBE > 0.8 V. Copyright (c) 8/2009 by KTMT 83
  84. AGC và dải động Copyright (c) 8/2009 by KTMT 84
  85. Nhiễu máy thu. ▪ Trong số rất nhiều loại nhiễu đã xét, phần lớn nhiễu xuất hiện ở đầu vào các máy thu bao gồm nhiễu nhiệt và nhiễu vạch. ▪ Nhiễu vạch xuất hiện với dòng điện phân cực trong các thiết bị như điốt, transistor và các đèn điện tử chân không. ▪ Công suất nhiễu nhiệt của máy thu chỉ tỷ lệ với nhiệt độ và độ rộng dải tần. Điều này được chỉ ra trong phương trình Nth = kTB (1) Copyright (c) 8/2009 by KTMT 85
  86. Nhiễu máy thu ▪ Khi tính toán công suất máy thu theo dBm, sẽ rất thuận tiện khi biểu diễn nhiễu nhiệt theo dBm. Điều này được suy ra từ phương trình (1) như sau: 10log(kTB) = 10 logkT + 10 log B ▪ Với k = 1.38x10-23 W.s/K và T coi như bằng 290 K, chúng ta thu được phương trình như sau: Nth(dBm) = - 174dBm +10logB Copyright (c) 8/2009 by KTMT 86
  87. Nhiễu máy thu. ▪ Nhiễu trong mạch được xác định bởi một transistor hoặc một điốt có sẵn trong tài liệu của nhà sản xuất và được gọi là đặc tính nhiễu của thiết bị. ▪ Đặc tính nhiễu được tính theo đơn vị dB và cho ta biết số lượng nhiễu được tạo ra trong thiết bị cùng với nhiễu nhiệt kTB ( nhiệt độ coi như bằng 290 K). ▪ Do vậy, tổng công suất nhiễu của máy thu, tính theo dBm, của nhiễu nhiệt và đặc tính nhiễu là : N = (kTB)(NR) ▪ hoặc theo dBm N(dBm) = ( - 174 dBm + 10logB) + NF(dB) với NF là tổng nhiễu vạch của hệ thống. Copyright (c) 8/2009 by KTMT 87
  88. Tỉ số tín hiệu trên nhiễu (S/N) ▪ Chất lượng của thông tin truyền qua một hệ thống truyền tin phụ thuộc vào lượng nhiễu của hệ thống. ▪ Một hệ thống thông tin quen thuộc đối với chúng ta là ti vi. Khi tín hiệu nhận được từ khoảng cách truyền xa là rất yếu, nhiễu có thể làm giảm chất lượng hình ảnh (nhận được từ tín hiệu video) và âm thanh (nhận được từ tín hiệu audio). ▪ Thống kê cho thấy để hình ảnh có chất lượng tốt đòi hỏi tỉ lệ tín hiệu – nhiễu (S/N) phải lớn hơn 40 dB. Điều này có nghĩa là cường độ tín hiệu S phải lớn hơn cường độ tín hiệu nhiễu N : 40 dB Copyright (c) 8/2009 by KTMT 88
  89. Tỉ số tín hiệu trên nhiễu (S/N) ▪ Một chiếc ti vi chuẩn (typical) nhận tín hiệu có nhiễu 12 dB và dải thông IF 6 MHz. Do đó, cường độ nhiễu đưa tới đầu vào là N (dBm) = (-174 dBm + 10 log 6 * 106 Hz) = -94.2 dBm. ▪ Tương đương với 380 pW cường độ tín hiệu, hay 337 V với 300  trở kháng đầu vào. Copyright (c) 8/2009 by KTMT 89
  90. Tỉ số tín hiệu trên nhiễu (S/N) ▪ Với một cách tính khác và đầy đủ hơn về S/N, nếu chỉ nhận được 100 V ở ăng ten TV 300 , thì S = V2/R = (100 V)2/300  = 33.3 pW. ▪ Tức là S (dBm) = 10 log (33.3 * 10-12 W 1mW ) = -74.8 dBm. ▪ Do vậy S/N = S (dBm) – N (dBm) = -74.8 dBm – (-94.2 dBm) = 19.4 dB. ▪ Kết quả này cũng tức là sẽ có một tín hiệu video rất nhiễu ở đầu ra – hình bị “muỗi” Copyright (c) 8/2009 by KTMT 90
  91. Nguồn gốc của nhiễu hình tương đương ▪ Nguồn gốc của nhiễu đối với một hệ thống khuếch đại nhiều tầng thường được nhìn nhận theo hai bước : ▪ Thứ nhất, trong các loại nhiễu, dùng biểu thức cho số lượng công suất nhiễu trong mỗi tầng khuếch đại cộng với nhiễu nhiệt xuất hiện tại đầu vào của bộ khuếch đại. ▪ Thứ hai, tính nhiễu trong khuếch đại nhiều tầng. Copyright (c) 8/2009 by KTMT 91
  92. Nguồn gốc của nhiễu hình tương đương ▪ Với bộ khuếch đại như hình dưới, đặt hệ số khuếch đại công suất của bộ khuếch đại là Ga , tỉ số công suất nhiễu là NRa và đặt Na là công suất nhiễu nội bộ đo được ở đầu ra nếu hoàn toàn không có nhiễu ở đầu vào. ▪ Tất nhiên, luôn luôn có nhiễu nhiệt Nth = kTB xuất hiện tại đầu vào của khuếch đại do tính chất của bán dẫn tại nhiệt độ T có công suất Nth wat đo được ở dải thông B. ▪ Do đó, công suất nhiễu tổng cộng tại đầu ra khuếch đại là: N0 = NthGa + Na trong đó công suất nhiễu nhiệt đầu vào được khuếch đại với hệ số khuếch đại công suất Ga. Copyright (c) 8/2009 by KTMT 92
  93. Nguồn gốc của nhiễu hình tương đương ▪ Theo định nghĩa nhiễu NF là NF = 10 log NR (S / N) Trong đó NR = i (S / N)o No / G Do vậy NRα = Nth trong đó, tỉ số công suất nhiễu tổng cộng ở đầu ra quy đổi tại đầu vào (bằng cách chia cho hệ số khếch đại công suất) với công suất nhiễu nhiệt đầu vào cho ta tỉ số nhiễu khuyếch đại . ư NthG + N NRα NthG Copyright (c) 8/2009 by KTMT 93
  94. Nguồn gốc của nhiễu hình tương đương ▪ Vế phải của hệ thức có thể viết như là tổng của các hệ thức: NthG + N N NRα= = 1 + NthG NthG NRα - 1 = ▪ Từ đó chúng ta có thể thấy rằng công suất nhiễu cộng với bất kỳ nhiễu đầu vào có thể được viết trong khuôn khổ của tỉ lệ khuyếch đại nhiễu như sau: Nα = NthGα(NRα – 1) Nα = NthGαNRα – NthGα Copyright (c) 8/2009 by KTMT 94
  95. Nguồn gốc của nhiễu hình tương đương ▪ Tính toán đặc tính nhiễu của hai tầng khuếch đại liên tiếp ▪ Công suất nhiễu tổng cộng tại đầu ra của khuếch đại 1 kí hiệu N01 được tính No1 = NthG1 + [NthG1(NR1 – 1)] ▪ Công suất nhiễu N01, được khuyếch đại bởi G2 và cộng với lượng nhiễu N02 = NthG2(NR2 – 1) của bộ khuếch đại 2 ta có: No2 = NthG2(NR2 - 1) + G2{NthG1 + [NthG1(NR1 – 1)]} = NthG1G2 + NthG1G2(NR1 – 1) + NthG2(NR2 -1) Copyright (c) 8/2009 by KTMT 95
  96. Nguồn gốc của nhiễu hình tương đương ▪ Mở rộng hệ thức No / G NRα = Nth cho mạch khuếch đại 2 tầng Ư No2 / G1G2 No2 NRsys = = Nth NthG1G2 = 1 + (NR1 - 1) + (NR2 - 1) NR2 −1 NRsys = NR1 + G1 Copyright (c) 8/2009 by KTMT 96
  97. Nguồn gốc của nhiễu hình tương đương ▪ Mở rộng cho mạch khuếch đại nhiều tầng NR2 −1 NR3 −1 NRn −1 NR = NR1 + + + + G1 G1G2 G1G2 Gn−1 Copyright (c) 8/2009 by KTMT 97
  98. Mở rộng băng tần ▪ Trong máy thu, trước khi giải điều chế, có một vấn đề thực tế làm hạn chế kết quả cải thiện bằng dải tần hẹp. ▪ Đó là, rất khó có thể xây dựng một bộ lọc dải thông hẹp ổn định. ▪ Ví dụ, nếu chúng ta thu được một tín hiệu trong băng tần AM tiêu chuẩn tại tần số 1.5 MHz, để xây dựng một bộ lọc thông dải đầu vào có băng thông 10 kHz yêu cầu một hệ số chất lượng mạch tương đương Q = 1.5MHz/10 kHz = 150. Điều này rất khó thực hiện được. ▪ Tuy vậy, rất dễ dàng thiết kế bộ khuyếch đại IF tại tần số fIF = 455 kHz, Q = 455 kHz/ 10 kHz = 45.5 Copyright (c) 8/2009 by KTMT 98
  99. Mở rộng băng tần Copyright (c) 8/2009 by KTMT 99
  100. ▪ Yêu cầu bắt buộc của hệ thống là mạch phải có băng thông đủ rộng tương đương dải phổ tín hiệu nếu không muốn công suất tín hiệu và phổ bị giảm đi như mô tả trong hình. ▪ Cũng vậy, nếu bộ lọc là không đối xứng sẽ xuất hiện sự méo tín hiệu . ▪ Giải pháp tốt nhất là sự dụng bộ lọc nhiều tầng tại IF sẽ không gây méo thông tin (biên tần) Copyright (c) 8/2009 by KTMT 100
  101. ▪ Thông thường S/N được tính toán tại đầu vào RF của máy thu, sử dụng băng thông RF để xác định công suất nhiễu. ▪ Tuy nhiên, hầu hết các hệ thống IF có dải tần hẹp hơn là RF, và kết quả là công suất nhiễu sẽ tương ứng thấp hơn trong IF. ▪ Phương pháp đơn giản nhất để nhận được tỷ số S/N cho trước là sử dụng dải tần IF như là dải tần nhiễu để tính toán Nth = kTB. ▪ Một phương pháp khác là thay đổi dộ rông băng thông, hay nhân tố cải thiện băng tần nhiễu, BI. Copyright (c) 8/2009 by KTMT 101
  102. ▪ Nhân tố cải thiện băng tần nhiễu là tỉ số cuả công suất nhiễu được giảm bởi sự giảm băng thông của mạch. Ví dụ, giả sử một máy thu có băng thông RF là 5 MHz và băng thông IF là 200 kHz. Băng tần nhiễu cải thiện là: BI(dB) = 10 log (BRF+/ BIF) ▪ Kết quả, S/N trong khuếch đại IF sẽ tốt hơn 14 dB so với S/N ở đầu vào RF (nếu bỏ qua đặc tính nhiễu). Copyright (c) 8/2009 by KTMT 102
  103. Ví dụ Cho NF1 = 2 dB, NR = 1.6, NF2,3 =6 dB, NR = 4.0, NF4,5 = 63.1, Ap1 = 8 dB, G1 = 6.3, Ap2 = 12 dB, G2 = 15.8, Ap3 = -6 dB, G3 = 0.25, Ap4,5 = 20 dB, G4,5 = 100. ▪ Tính toán hệ thống NF(dB). ▪ Nếu băng thông RF là 5 MHz và băng thông IF là 200 kHz, hãy xác định S/N (dB) trước tách sóng của máy thu với tín hiệu đầu vào -80 dBm. Copyright (c) 8/2009 by KTMT 103
  104. Ví dụ ▪ Từ hệ thức NR2 −1 NR3 −1 NRn −1 NR = NR1 + + + + G1 G1G2 G1G2 Gn−1 Copyright (c) 8/2009 by KTMT 104
  105. Ví dụ ▪ Tín hiệu nhận được -80 dBm. Công suất nhiễu nhiệt tại đầu vào là (từ hệ thức 4-24) Nth = -174 dBm + 10 log 6 5*10 = -105 dBm. Vì vậy, (S/N)i dB = -80 dBm - (-107 dBm) = +27 dB. ▪ S/N đầu vào được giảm bởi nhiễu hệ thống (NF = 6.7 dB) nhưng được tăng bởi hiệu ứng giảm nhiễu ở dải tần hẹp IF (BI). Từ hệ thức 4-42, cải thiện nhiễu dải tần hẹp sẽ là BI (dB) = 10 log (5000/200) = 14 dB. Kết quả cuối cùng là: (S/N)o dB = (S/N)i dB - NF (dB) + BI (dB) = +27 dB - 6.7 dB + 14 dB = 34.3 dB Copyright (c) 8/2009 by KTMT 105
  106. Ví dụ ▪ Tỉ lệ tín hiệu - trên - nhiễu tại đầu vào bộ giải điều chế (+34.3 dB trong ví dụ) có thể là một kết quả tính toán hệ thống tới hạn. Điều này đặc biệt đúng với các bộ điều chế FM bởi vì các bộ giải điều chế FM điển hình yêu cầu mức ngưỡng cho S/N đầu vào nhỏ hơn + 13 dB. Copyright (c) 8/2009 by KTMT 106
  107. Thu hẹp băng thông ▪ Khi thiết kế các bộ khuyếch đại IF và khi tính toán băng thông của hệ thống nhiều tầng, nhớ rằng đáp ứng tần số của mỗi tầng có ảnh hưởng đến dải tần chung. Trong trường hợp đơn giản được tính toán từ 1/ n BWT = BW1 2 −1 BW1 dải tần của mỗi tầng, n:số tầng với băng thông BW1 ▪ Do đó, với ba tầng khuếch đại, mỗi tầng có BW1 = 10 kHz, dải tần 3 - dB là BW = 10 kHz 2 1 / 3 − 1 = 5.09 kHz. Copyright (c) 8/2009 by KTMT 107
  108. Thu hẹp băng thông ▪ Công thức này được áp dụng cho mạch điều hưởng đơn, hệ thống khuếch đại được điều hưởng đồng bộ. ▪ Việc điều hưởng đồng bộ là mỗi tầng khuếch đại IF được điều hưởng tới cùng một tần số. Hiện nay, đôi khi người ta cũng sử dụng điều hưởng các tầng ở các tần số khác nhau để có băng thông rộng hơn so với các tầng điều hưởng đồng bộ. Copyright (c) 8/2009 by KTMT 108