Khảo sát tín hiệu điều chế

BOÄ GIAÙO DUÏC VAØ ÑAØO TAÏO

ÑAÏI HOÏC QUOÁC GIA TP. HCM

TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC SÖ PHAÏM KYÕ THUAÄT

KHOA ÑIEÄN – ÑIEÄN TÖÛ

BOÄ MOÂN ÑIEÄN TÖÛ

LUAÄN VAÊN TOÁT NGHIEÄP

ÑEÀ TAØI:

KHAÛO SAÙT TÍN HIEÄU

ÑIEÀU CHEÁ DUØNG

MATLAB

Giaùo vieân höôùng daãn: NGUYEÃN THANH HAÛI

Sinh vieân thöïc hieän NGUYEÃN NHÖ CÖÔØNG

Lôùp : 95 KÑÑ

TP. HOÀ CHÍ MINH 3 - 2000

CHÖÔNG 1

ÑIEÀU BIEÂN (AM: Amplitude modulation)

I. Phoå cuûa tín hieäu ñieàu bieân:

Ñieàu bieân laø quaù trình laøm cho bieân ñoä taûi tin bieán ñoåi theo tin töùc.

Giaû thieát tin töùc laø tín hieäu aâm taàn coù phaïm vi bieán ñoåi taàn soá töø Ωmin÷Ωmax, ta

coù:

VΩ = VΩ.cosΩt (1.1)

Taûi tin laø dao ñoäng cao taàn:

Vωo = V0.cosω0t (1.2)

Töø (1-1) vaø (1-2) ta ñöôïc tín hieäu ñieàu bieân coù daïng:

( ) ( )

V (1 mcos t) cos t (1.3)

cos t cos t

V

V

V 1

V t V V cos t cos t

0 0

0

0

0

AM 0 0

= + Ω ω

ω 















= + Ω

= + Ω ω

Ω

Ω

Trong ñoù: V0

V

m

Ω = laø heä soá ñieàu cheá hay coøn goïi laø ñoä saâu ñieàu cheá. Heä soá

ñieàu cheá “m” phaûi thoûa maõn ñieàu kieän m ≤ 1. Neáu m > 1 thì maïch coù hieän töôïng

ñieàu cheá vaø tín hieäu meùo traàm troïng (hình 1-1).

Trong thöïc teá mmax = 0,7 ÷ 0,8 ñeå ñaûm baûo thu tín hieäu khoâng bò meùo. Ta xaùc

ñònh “m” trong thöïc teá baèng caùch ño caùc giaù trò Vmax, Vmin vaø aùp duïng coâng thöùc:

(1.4) V V

V V

2

V V

2

V V

V

V

m

max min

max min

max min

max min

0 +

−

=

+

−

= =

Ω

ω

0

ω

0

Khi m = 1 ta coù Vmax = 2V0 vaø Vmin = 0.

Bieán ñoåi löôïng giaùc coâng thöùc (1.3) ta coù:

( ) cos( )t (1.5)

2

mV

cos t

2

mV

V V cos t

0

0

0

0

AM = 0 ω0 + ω + Ω + ω − Ω

V

0

t

0

t

V

Ω

0

0 5 10 15 20

-3

-2

-1

0

1

2

3

t

V

AM

m < 1

0 5 10 15 20

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

t

V

AM

m = 1

-6

0 5 10 15 20

-4

-2

0

2

4

6

t

V

AM

m > 1

Hình 1.1 Daïng tín hieäu VΩ

, V0

vaø tín hieäu ñieàu bieân VAM

ω

0

ω

0

Nhö vaäy khi ñieàu

cheá ñôn aâm phoå cuûa tín

hieäu ñieàu bieân AM coù ba

thaønh phaàn: Taûi tin coù taàn

soá ω0 vaø coù bieân ñoä V0; hai

dao ñoäng bieân coù taàn soá ω0

± Ω vaø coù bieân ñoä 2

mV0

nhö hình 1-2,a. Khi m=1 thì

2

V

V

0

AM =

Neáu ta ñieàu cheá

moät daõi aâm taàn (Ωmin÷Ωmax)

vaøo taûi tin, ta seõ coù phoå

cuûa tín hieäu AM nhö hình

1-2,c.

Ta thaáy ngoaøi taûi

tin ω0 coù bieân ñoä V0 coøn coù

hai bieân taàn: bieân taàn treân

coù taàn soá töø (ω0 - Ωmin) ñeán

(ω0 + Ωmax) vaø bieân taàn

döôùi coù taàn soá töø (ω0 -

Ωmax) ñeán (ω0 + Ωmin) ñoái

xöùng qua taûi tin.

Thöïc chaát phoå cuûa caùc dao ñoäng hai bieân khoâng ñoàng ñieàu nhau maø caøng xa

ω0 thì bieân ñoä caøng giaûm do ñaëc tuyeán loïc cuûa boä coäng höôûng khoâng phaûi laø hình

chöõ nhaät lyù töôûng.

II. Quan heä naêng löôïng trong ñieàu bieân:

Trong tín hieäu ñaõ ñieàu bieân, caùc bieân taàn chöùa tin töùc, coøn taûi tin khoâng mang

tin töùc. Nhö vaäy coâng suaát taûi tin laø coâng suaát tieâu hao voâ ích, coøn coâng suaát bieân taàn

laø coâng suaát höõu ích.

• Coâng suaát taûi tin laø coâng suaát bình quaân trong moät chu kyø taûi tin:

Pωo

= (1.6)

V

2

0

2R

L

-6

0 5 10 15 20

-4

-2

0

2

4

6

ω

0

- Ω ω

0

ω + Ω

0

Ω

min

Ωmax

ω

ω

ω

ω

0

- Ωmax ω

0

+ Ωmax

ω

0

ω

0

- Ω

min

ω

0

+ Ω

min

0

0

0

Hình 1-2 Phoå cuûa rín hieäu AM

V

AM

V

Ω

2

mV0

V

0

• Coâng suaát bieân taàn:

( ) ( ) ( )

( ) ( ) (1.8)

2

m

P P P P

1.7

2

m

P

2R

1

2

mV P P

2

bt bt bt

2

L

2

0

bt bt

0 0 0

0 0 0

ω +Ω ω −Ω ω

ω +Ω ω −Ω ω

= + =

 =











= =

Khi ñieàu cheá saâu (100%): m = 1 thì

2

P

P

0

bt

ω

= (1.9)

• Töø (1.3) ta coù: VAmmax = V0(1+m)

Do ñoù:

( )

( )

2

L

2 2

0

AM max P 1 m

2R

V 1 m

P 0

= +

+

= ω (1.10)

Khi m = 1 thì PAMmax = 4Pωo (1.11)

Vaäy coâng suaát trung bình trong moät chu kyø ñieàu cheá:

(1.12)

2

m

P 1

2

m

P P P P P

2

AM bt 0 0 0 0 















= ω + = ω + ω = ω +

Neáu m = 1 thì PAM = 3/2 Pωo (1.13)

⇒ Pbt = 1/3 PAM (1.14)

•Heä soá lôïi duïng coâng suaát:

(1.15)

m 1

2

1

2

m

P 1

2

P m

P

P

k

2

2

2

AM

bt

0

0

+

=

















+

= =

ω

ω

Khi ñieàu cheá saâu nhaát m = 1 thì 3

1

k = coù nghóa laø coâng suaát höõu ích chæ

baèng moät phaàn ba toång coâng suaát phaùt ñi.

M = Hoaëc MdB

= 20logM (1.17)

Trong thöïc teá ñeå tín hieäu khoâng meùo m = 0,7 ÷ 0,8 thì 3

1

k < . Ñaây chính laø

nhöôïc ñieåm cuûa tín hieäu AM so vôùi tín hieäu ñieàu bieân (SSB).

III. Caùc chæ tieâu cô baûn cuûa dao ñoäng ñaõ ñieàu bieân:

1. Heä soá meùo phi tuyeán:

Trong ñoù: ( ) ( )

( ω ±ωΩ)

ω ± ω + ω ± ω +

=

Ω Ω

0

0 0

I

I I ....

k

2

3

2

2

I(ωt ± nωs) (n ≥ 2) laø bieân ñoä caùc thaønh phaàn doøng ñieän öùng vôùi haøi baäc cao cuûa

tín hieäu ñieàu cheá;

I(ωt ± ωs) laø bieân ñoä caùc thaønh phaàn bieân taàn.

Ñeå ñaëc tröng cho meùo phi tuyeán

trong maïch ñieàu khieån, ngöôøi ta duøng

ñaëc tuyeán ñieàu cheá tónh (hình 1.3). Ñaëc

tuyeán ñieàu cheá tónh cho bieát quan heä

giöõa bieân ñoä tín hieäu ra vaø giaù trò töùc thôøi

cuûa tín hieäu ñieàu cheá ôû ñaàu vaøo.

Daïng toång quaùt cuûa ñaëc tuyeán

ñieàu cheá tónh ñöôïc bieåu dieãn treân hình 1-

3.

Ñöôøng ñaëc tuyeán ñieàu cheá tónh lyù töôûng laø moät ñöôøng thaúng töø C ñeán A. Ñaëc

tuyeán ñieàu cheá tónh khoâng thaúng seõ laøm cho löôïng bieán ñoåi cuûa bieân ñoä dao ñoäng

cao taàn ñaàu ra so vôùi giaù trò ban ñaàu (ñieåm B) khoâng tyû leä ñöôøng thaúng vôùi trò töùc

thôøi cuûa ñieän aùp ñieàu cheá. Do ñoù treân ñaàu ra thieát bò ñieàu bieân, ngoaøi caùc thaønh phaàn

höõu ích (caùc bieân taàn), coøn coù caùc thaønh phaàn baäc cao khoâng mong muoán khaùc.

Trong ñoù ñaùng löu yù nhaát laø thaønh phaàn cuûa taàn soá ωt ± 2ωs coù theå loït vaøo caùc bieân

taàn maø khoâng theå loïc ñöôïc.

Ñeå giaûm meùo phi tuyeán, caàn haïn cheá phaïm vi laøm vieäc cuûa boä ñieàu cheá

trong ñoaïn ñöôøng thaúng cuûa ñaëc tuyeán ñieàu cheá tónh. Luùc ñoù buoäc phaûi giaûm ñoä saâu

ñieàu cheá.

M = Hoaëc MdB

= 20logM (1.17)

A

B

C

U

Ω

I

0

Hình 1-3: Ñaëc tuyeán ñieàu cheá tónh.

A–Giaù trò cöïc ñaïi; B–Taûi tin chöa ñieàu cheá

2. Heä soá meùo taàn soá:

Ñeå ñaùnh giaù ñoä meùo taàn soá, ngöôì ta caên cöù vaøo ñaëc tuyeán bieân ñoä – taàn soá:

M = f(Fs)Us = const

Heä soá meùo taàn soá ñöôïc xaùc ñònh theo bieåu thöùc:

Trong ñoù:

m0 – heä soá ñieàu cheá lôùn nhaát;

m – heä soá ñieàu cheá taïi taàn soá ñang xeùt;

Meùo taàn soá xuaát hieän chuû yeáu trong caùc taàng khuyeách ñaïi aâm taàn (khuyeách

ñaïi tín hieäu ñieàu cheá), nhöng cuõng coù theå xuaát hieän trong caùc taàng ñieàu cheá vaø sau

ñieàu cheá, khi maïch loïc ñaàu ra cuûa caùc taàng naøy khoâng ñaûm baûo baêng thoâng cho phoå

cuûa tín hieäu ñaõ ñieàu bieân(2Fmax)

IV. Phöông phaùp tính toaùn maïch ñieàu bieân:

Caùc maïch ñieàu bieân ñöôïc xaây döïng döïa vaøo hai nguyeân taéc sau ñaây:

- Duøng phaàn töû phi tuyeán : coäng taûi tin vaø tín hieäu ñieàu cheá treân ñaëc tuyeán cuûa

phaàn töû phi tuyeán ñoù.

- Duøng phaàn töû phi tuyeán coù tham soá ñieàu khieån ñöôïc: nhaân taûi tin vaø phi tín hieäu

ñieàu cheá nhôø phaàn töû phi tuyeán ñoù.

1. Ñieàu bieân duøng phaàn töû phi tuyeán:

Caùc phaàn töû phi tuyeán ñöôïc duøng ñeå ñieàu bieân coù theå laø ñeøn ñieän töû, baùn

daãn, caùc ñeøn coù khí, cuoän caûm coù loõi saét hoaëc ñieän trôû coù trò soá bieán ñoåi theo ñieän aùp

ñaët vaøo.

M = Hoaëc MdB

= 20logM (1.17) m

0

m

+ E

0

-

Tuøy thuoäc vaøo ñieåm laøm vieäc ñöôïc choïn treân ñaëc tuyeán phi tuyeán, haøm soá

ñaëc tröng cho phaàn töû phi tuyeán, coù theå bieåu dieãn gaàn ñuùng theo chuoãi Taylor khi

cheá ñoä laøm vieäc cuûa maïch laø cheá ñoä A(θ = 1800

) hoaëc phaân tích theo chuoãi Fourier

khi maïch laøm vieäc ôû cheá ñoä maø goùc caét θ < 1800

(cheá ñoä lôùp AB, B, C). phöông

phaùp tính toaùn cho hai tröôøng hôïp ñoù nhö sau:

a). Tröôøng hôïp 1: θ = 1800

.

Giaû thieát maïch ñieàu bieân duøng Diode (hình 1-5). Neáu caùc tín hieäu vaøo

thoûa maõn ñieàu kieän V0 + VΩ < E (2.18)

thì maïch laøm vieäc ôû cheá ñoä A (θ = 1800

) Haøm soá ñaët tröng cho phaàn töû phi

tuyeán (diode) xung quanh ñieåm laøm vieäc ñöôïc bieåu dieãn theo chuoãi Taylor:

iD = a1uD + a2uD

2

+ a3uD

3

+… (1.18)

vôùi uD = ED + U0cos0t + UΩcosΩt

Thay uD vaøo bieåu thöùc (1.18), nhaän ñöôïc:

ID = a1(E + U0 cosω0t + UΩcosωΩt) + a2(E + U0 cosω0t + UΩcosωΩt)2

+ +

a3(E + U0 cosω0t + UΩcosωΩt)3

+… (1.19)

Khai trieån (1.18) vaø boû qua caùc soá haïng baäc cao n ≥ 4 seõ coù keát quaû

maø phoå cuûa noù ñöôïc bieåu dieãn treân hình 1.6. Phoå cuûa tín hieäu ra trong tröôøng

hôïp naøy goàm thaønh phaàn phoå mong muoán. Caùc thaønh phaàn phuï baèng khoâng

khí.

A3 = a4 = a5 = … = a2n+1 = 0 (n = 1, 2, 3,…)

Nghóa laø neáu ñöôøng ñaëc tính cuûa phaàn töû phi tuyeán laø moät ñöôøng cong baäc

hai thì tín hieäu ñaõ ñieàu bieân khoâng coù meùo phi tuyeán. Phaàn töû phi tuyeán coù ñaëc tính

gaàn vôùi daïng lyù töôûng (baäc 2) laø FET.

Ñeå thoûa maõn ñieàu kieän (1.18), taûi tin vaø tín hieäu ñieàu cheá phaûi coù

bieân ñoä beù, nghóa laø phaûi haïn cheá coâng suaát ra. Vì lyù do ñoù, raát ít duøng ñieàu

bieân cheá ñoä A.

khi u

D ≤

0

I

D

= (1.20)

Su

D

khi u

D

>0

+ E

0

-

khi u

D ≤

0

I

D

= (1.20)

Su

D

khi u

D

>0

ω0

Hình 1.6 Phoå cuûa tín hieäu ñieàu bieân khi maïch laøm vieäc ôû cheá ñoä A

ω

Ω

2

ω

Ω

3

ω

Ω

ω0

+

ω

Ω

ω0

+

2

ω

Ω

ω0

+

3

ω

Ω

ω0

- ω

Ω

ω0

- 2

ω

Ω

ω0

- 3

ω

Ω

2

ω0

2

ω0

+

ω

Ω

2

ω0

+

2

ω

Ω

2

ω0

- ω

Ω

2

ω0

- 2

ω

Ω

ω

t

i

D

i

D

U

D

0

E

0

0

t

U

D

0

Hình 1.5 Ñieàu bieân ôû cheá ñoä A

a) Maïch ñieän duøng Diode; b) Ñaët tuyeán cuûa Diode

ωΩ

D

1uF

1k

+

10V

b

a)

+ E

0

-

C

B

D