Đang tải... (xem toàn văn)
LÀ tài liệu thể hiện ngắn gọn và đầy đủ các kỹ thuật điều chế tin hiệu thông qua các biểu thức toán học , phân tích phổ tín hiệu, đánh giá ưu điểm của các phương pháp điều chế tín hiệu .Đây là tài liệu nhập môn quan trọng với các bạn sinh viên chuyên nghành điện tử viễn thông điện điện tử...v.v
Điều chế tín hiệu Điều chế tín hiệu Bởi: Nguyễn Trung Lập Điều chế Biến điệu hay điều chế q trình chuyển đổi phổ tần tín hiệu cần truyền đến vùng phổ tần khác cách dùng sóng mang để chun chở tín hiệu cần truyền đi; mục đích việc làm chọn phổ tần thích hợp cho việc truyền thơng tin, với tần số sóng mang khác người ta truyền nhiều tín hiệu có phổ tần kênh truyền khác đường truyền Một cách tổng quát, phương pháp điều chế dùng tín hiệu cần truyền làm thay đổi thơng số sóng mang (biên độ, tần số, pha ) Tùy theo thông số lựa chọn mà ta có phương pháp điều chế khác nhau: điều chế biên độ (AM), điều chế tần số (FM), điều chế pha ΦM, điều chế xung PM Điều chế biên độ ( Amplitude Modulation, AM ) Xét tín hiệu cao tần e(t) = Ac cos(ωct + θ) (1) Tín hiệu AM có cách dùng tín hiệu g(t) làm biến đổi biên độ e(t) Biểu thức tín hiệu AM là: eAM(t) = [(Ac +g(t)]cosωct (2) Để đơn giản, ta bỏ qua θ lượng không đổi AM Những tính chất AM dễ dàng xác định ta biết tín hiệu g(t) Xét g(t) tín hiệu hạ tần: g(t) = Em cosωmt (3) Như vậy: 1/9 Điều chế tín hiệu eAM(t) = (Ac +Em cosωmt)cosωct = Ac[ + (Em/Ac) cosωmt]cosωct = Ac[ + ma cosωmt] cosωct (4) Trong ma = Em/Ac gọi số biến điệu (H 2.8) vẽ dạng sóng phổ tần tín hiệu AM Dạng sóng phổ tần tín hiệu AM (a) (H 2.8) (b) Để thấy phổ tần ta triển khai hệ thức (4) eAM(t) = Ac cosωct + (maAc/2)cos(ωc + ωm)t + (maAc/2)cos(ωc - ωm)t (5) Từ (H 2.8b) ta thấy băng thơng tín hiệu điều chế hai lần tần số tín hiệu hạ tần chia làm hai băng cạnh Điều chế biên độ q trình tuyến tính nên tần số tín hiệu hạ tần tạo băng thơng trường hợp tín hiệu hạ tần gồm nhiều tần số khác băng thơng tín hiệu biến điệu là: BW = 2fm(max) fm (max) tần số hạ tần cao Dữ liệu số truyền phương pháp điều chế AM, trường hợp gọi kỹ thuật dời biên (ASK, Amplitude- Shift Keying) Bit truyền sóng mang có biên độ E1 bit sóng mang biên độ E2 (H 2.9) minh họa tín hiệu ASK 2/9 Điều chế tín hiệu (H 2.9) Điều chế góc (Angle modulation) Ta bắt đầu với sóng mang chưa điều chế: e(t) = Ac cos(ωct + θ) = Ac cos Φ (t) (6) Nếu ωc thay đổi tương ứng với nguồn thơng tin, ta có tín hiệu điều chế tần số (FM) Φ (t) thay đổi ta có tín hiệu điều chế pha ( ΦM) Hai kỹ thuật điều chế giống gọi chung điều chế góc Điều chế tần số (FM) Tần số ω(t) giá trị biến đổi theo thời gian Φ(t), nghĩa là: ω(t) = dΦ(t) dt (7) Vậy tần số tín hiệu chưa điều chế là: ω(t) = d(ωct + θ) dt = ωc (8) Giả sử tín hiệu điều chế g(t), theo định nghĩa phép điếu chế tần số, tần số tức thời sóng mang là: ω(t) = ωc [1 + g(t) ] (9) Thay (9) vào (7): Φ (t) = ∫ωc[1 + g(t)].dt = ωct + ∫g(t).dt (10) Thay vào pt (6): eFM(t) = Accos{ωct + ωc∫g(t).dt} (11) Biểu thức (11) cho thấy tín hiệu g(t) lấy tích phân trước điều chế Xét trường hợp g(t) tín hiệu hạ tần có dạng hình sin: g(t) = Δω ωx cosωm(t) (12) Δω độ di tần ωm tần số tín hiệu hạ tần Δω Φ (t) = ωct + ωc∫ ω cosωmt.dt c 3/9 Điều chế tín hiệu = ωct + mf sinωmt với mf = Δω / ωm số điều chế Đó tỉ số độ di tần tần số tín hiệu điều chế (hạ tần) eFM (t) = Ac cos{ ωct + mf sinωmt} (13) Để thấy phổ tần sóng FM ta triển khai biểu thức (13): eFM (t) = AcJ0(mf) cosωct + AcJ2n(mf) [ cos(ωct + 2ncosωmt) + cos(ωct - 2ncosωmt)] AcJ2n+1(mf) { cos[ωc t + (2n+1)cosωmt] - cos[ωct - (2n+1)cosωmt]} (14) J hàm Bessel theo mf n có trị nguyên từ đến ∞ Từ (14) ta thấy sóng FM gồm thành phần có tần số sóng mang biên độ cho số hạng thứ I , J0(mf) , băng cạnh cho số hạng lại Vì n lấy giá trị từ đến ∞ nên phổ tần sóng FM rộng vơ hạn, nhiên lượng tín hiệu giảm nhanh với tần số cao nên người ta xem băng thông FM xấp xĩ bằng: BW = 2(mf ωm + ωm ) = 2( Δω + ωm ) rad/s (H 2.10) cho dạng sóng phổ tần sóng FM (H 2.10) Cũng trường hợp AM, tín hiệu liệu số truyền phương pháp FM Kỹ thuật gọi kỹ thuật dời tần (FSK: Frequency- Shift Keying) FSK dùng rộng rãi truyền số liệu Trong FSK bit truyền tần số fm bit tần số fs ví dụ, hệ thống truyền sử dụng tiêu chuẩn hảng Bell bit truyền tần số 1070 Hz (fm) bit tần số 1270 Hz (fs) (H 2.11) minh họa tín hiệu điều chế FSK 4/9 Điều chế tín hiệu (H 2.11) Điều chế pha ( Φ size 12{Φ} {}M ) Từ phương trình (6) góc pha Φ (t) thay đổi theo tín hiệu thơng tin ta có điều chế pha Vậy: ePM (t) = Ac cos[ ωct + mp g(t)] (15) Trong mp độ dời pha cực đại Tần số tức thời cho bởi: ωi(t) = d Φ (t)/dt = ωc + mp dg(t) dt Nếu g(t) có dạng cosωmt thì: ωi(t) = ωc - mpωmsinωmt (16) ePM (t) = Ac cos[ ωct - mpωmsinωmt ] (17) So sánh (17) (13), xem mp số điều chế pha, tương đương với mf FM, ta xác định băng thơng tín hiệu ΦM BW = 2(ωm + mpωm) rad/s (18) mpωm = Δωep độ di tần tương đương ΦM So sánh (11) (15) ta thấy kỹ thuật FM ΦM có sở Điểm khác biệt FM ta lấy tích phân tín hiệu hạ tần trước điều chế ΦM khơng Điều chế pha kỹ thuật tốt để truyền số liệu Trong kỹ thuật dời pha, PSK (PhaseShift Keying), bit biểu diễn tín hiệu có tần số có pha trái ngược 5/9 Điều chế tín hiệu (H 2.12) mơ tả tín hiệu PSK (H 2.12) Điều chế xung ( Pulse modulation) Đây phương pháp dùng tín hiệu hạ tần điều chế sóng mang tín hiệu xung (có tần số cao hơn), gọi phương pháp lấy mẫu tín hiệu hạ tần Mặc dù tín hiệu tương tự lấy mẫu giá trị rời rạc, mẫu có giá trị khoảng biến đổi tín hiệu hạ tần nên hệ thống truyền tín hiệu hệ thống truyền tương tự hệ thống truyền số Tùy theo thông số xung thay đổi theo tín hiệu hạ tần, ta có : Điều chế biên độ xung (pulse amplitude modulation, PAM), điều chế vị trí xung (pulse position modulation, PPM), điều chế độ rộng xung (pulse width modulation, PWM) Điều chế biên độ xung ( PAM) Khi chuỗi xung hẹp với tần số lặp lại cao p(t) điều chế biên độ tín hiệu sin tần số thấp m(t), ta có điều chế biên độ xung Tín hiệu sau điều chế tích hai tín hiệu m(t).p(t) có dạng sóng xung với biên độ thay đổi theo dạng sóng hạ tần m(t) (H 2.13) (H 2.13) a-/ Mẫu PAM tự nhiên (Natural PAM sampling) 6/9 Điều chế tín hiệu Khi biên độ xung điều chế có đỉnh theo dạng tín hiệu m(t), ta có mẫu PAM tự nhiên (H 2.13) Kết phần 2.1.1 cho thấy tín hiệu p(t) phân tích thành thành phần: Vo + Σ Vn.cos(nωst) với Vo = Vτ/Ts thành phần DC ωs = 2π/Ts tần số p(t) Như vậy, m(t).p(t) bao gồm: m(t).Vo = m(t).Vτ/Ts m(t).ΣVn.cos(nωst) Tóm lại, tích m(t).p(t) có chứa dạng sóng tín hiệu điều chế (tín hiệu cần truyền) thành phần tần số thấp m(t).Vo phục hồi cách cho sóng mang điều chế qua mạch lọc hạ thơng Thành phần họa tần có dạng Vnm(t)cos(nωst) tương tự tín hiệu điều chế băng cạnh triệt sóng mang (Double Sideband Suppressed Carrier, DSBSC) Phổ tần tín hiệu PAM với hạ tần m(t) = sinωmt có dạng (H 2.14) (H 2.14) Trong (H 2.14) M(f) phổ tần tín hiệu dải fm tần số cao tín hiệu Từ (H 2.14) ta thấy tần số xung lấy mẫu fs phải hai lần lớn fm Nếu M(f) phục hồi từ mạch lọc hạ thông, độ phân cách từ M(f) tới dải tần kế cận phải lớn 0, nghĩa W > W = fs - fm - fm > hay fs > fm b-/ Mẫu PAM đỉnh phẳng (Flat-top PAM) Đây mẫu PAM dùng rộng rãi dễ tạo sóng điều chế Dạng sóng cho (H 2.15) xung sau điều chế có đỉnh phẳng khơng theo dạng hạ tần 7/9 Điều chế tín hiệu (H 2.15) Mặc dù phục hồi tín hiệu từ mạch lọc hạ thơng có biến dạng đoạn đỉnh phẳng bề rộng xung thường nhỏ so với chu kỳ Ts nên biến dạng không đáng kể Nếu biến dạng đáng kể loại bỏ cách cho tín hiệu qua mạch bù trừ Tín hiệu PAM dùng để phát trực tiếp lượng thông tin cần truyền chứa biên độ xung nên dễ bị ảnh hưởng nhiễu PAM thường dùng bước trung gian phương pháp điều chế khác, gọi điều mã xung (pulse code modulation, PCM) dùng đa hợp thời gian để truyền (TDM) Điều chế thời gian xung (Pulse -time Modulation, PTM) Điều chế thời gian xung bao gồm bốn phương pháp (H 2.16) Ba phương pháp đầu tập trung nhóm gọi điều chế độ rộng xung (Pulse-width modulation, PWM) (H 2.16d, e, f), phương pháp thứ tư điều chế vị trí xung (Pulse-position modulation, PPM) (H 2.16g) Ba phương pháp điều chế độ rộng xung khác điểm cạnh lên, cạnh xuống hay điểm xung giữ cố định độ rộng xung thay đổi theo tín hiệu điều chế Phương pháp thứ tư, PPM thay đổi vị trí xung theo tín hiệu điều chế bề rộng xung không đổi (H 2.16) minh họa cho cách điều chế Lưu ý kỹ thuật PTM tương tự với điều chế FM ΦM, tín hiệu có biên độ khơng đổi nên bị ảnh hưởng nhiễu Phổ tần tín hiệu điều chế phương pháp PWM, PPM giống phổ tần tín hiệu điều chế FM (H 2.16h), nghĩa có nhiều họa tần nên sử dụng PWM PPM người ta phải gia tăng tần số xung lấy mẫu giảm độ di tần (để giới hạn băng thơng tín hiệu tăng số kênh truyền) 8/9 Điều chế tín hiệu (H 2.16) 9/9 ... chưa điều chế: e(t) = Ac cos(ωct + θ) = Ac cos Φ (t) (6) Nếu ωc thay đổi tương ứng với nguồn thơng tin, ta có tín hiệu điều chế tần số (FM) Φ (t) thay đổi ta có tín hiệu điều chế pha ( ΦM) Hai kỹ... Điều chế pha ( Φ size 12{Φ} {}M ) Từ phương trình (6) góc pha Φ (t) thay đổi theo tín hiệu thơng tin ta có điều chế pha Vậy: ePM (t) = Ac cos[ ωct + mp g(t)] (15) Trong mp độ dời pha cực đại Tần... đáng kể loại bỏ cách cho tín hiệu qua mạch bù trừ Tín hiệu PAM dùng để phát trực tiếp lượng thông tin cần truyền chứa biên độ xung nên dễ bị ảnh hưởng nhiễu PAM thường dùng bước trung gian phương