Bài giảng Nhập môn điện tử - Chương 4: Tách sóng

Nội dung text: Bài giảng Nhập môn điện tử - Chương 4: Tách sóng

1. Trường Đại Học Công Nghệ Thông Tin KHOA MẠNG & TRUYỀN THÔNG BÀI GIẢNG NHẬP MÔN ĐIỆN TỬ THÁNG 9/2012 1
2. CHƯƠNG 4: TÁCH SÓNG 1. Tách sóng biên độ 2. Tách sóng tín hiệu đơn biên 3. Tách sóng tín hiệu điều tần 4. Tách sóng tín hiệu điều pha
3. 1. Tách sóng biên độ Tách sóng là quá trình lấy lại tín hiệu điều chế. Tín hiệu sau tách sóng phải giống dạng tín hiệu điều chế ban đầu. Để tín hiệu ra không méo thì tín hiệu vào tách sóng phải có biên độ đủ lớn. Tương ứng với các loại điều chế, ta cũng có các mạch tách sóng sau đây: tách sóng điều biên, tách sóng điều tần, tách sóng điều pha.
4. a. Các tham số cơ bản + Hệ số tách sóng: -Tín hiệu vào bộ tách sóng là tín hiệu đã điều biên: uVTS= UVTS.cosωtt= Uωt.cosωtt (biến thiên theo quy luật tin tức) - Đối với tín hiệu vào: UVTS=U’0+u’ U’0 :thành phần một chiều, u’:thành phần biến thiên chậm theo thời gian - Đối với tín hiệu ra: URTS=U”0+u” -Tín hiệu ra bộ tách sóng điều biên: URTS(t) = KTS.UVTS(t) - Hệ số tỷ lệ - hệ số tách sóng: KTS = URTS/UVTS - Quá trình tách sóng chỉ cần quan tâm đến thành phần biến thiên chậm (mang tin tức), do đó, hệ số tách sóng: KTS =u”/u’
5. + Trở kháng vào bộ tách sóng: ĐÆc trưng cho møc ®é ¶nh hưëng cña bé t¸ch sãng ®Õn nguån tÝn hiÖu vào. + Méo phi tuyến: §Æc trưng cho sù sai lÖch cña tÝn hiÖu håi phôc và tÝn hiÖu ban ®Çu, trong đó I2ωt , I3ωt , là thành phần dòng điện các sóng hài của tín hiệu điều chế xuất hiện khi qua mạch tách sóng.
6. b. Mạch tách sóng điều biên i.M¹ch t¸ch sãng biªn ®é dïng m¹ch chØnh lưu: Tách sóng dùng diot nối tiếp Tách sóng dùng diot song song Khảo sát mạch nối tiếp:+ iD= S.uD = S (uđb - uC) Trong đó: uđb=Uđbcosωst =Ut(1+mcosωst) cosωtt => iD = S.uD=S(Uđbcosωst -uc)
7. Với ωst=θ (góc cắt tín hiệu, góc dẫn điện của diode), => iD = S.uD=S(Uđbcosωst - cosθ) + Trường hợp: iD= I0 + I1cosωtt + I2cos2ωtt+ I3cos3ωtt+ + I4cos4ωtt+ Điện áp ra trên tải: => =>
8. Nhận xét: Góc cắt tín hiệu θ chỉ phụ thuộc vào thông số hỗ dẫn S và điện trở tải R mà không phụ thuộc vào tín hiệu vào. Như vậy, tách sóng tín hiệu lớn thì tín hiệu đó không bị méo. Ví dụ: cho θ=900 => Thành phần 1 chiều Thành phần cơ bản Thành phần kết hợp Thông thường ωt >> ωs do đó các thành phần ωt, ωt ± ωs, vầ nωt ± ωs được loại bỏ dễ dàng nhờ mạch lọc thông thấp. Chỉ còn thành phần hữu ích, là tín hiệu hồi phục:
9. Quá trình tách sóng tín hiệu lớn nhờ mạch chỉnh lưu dùng điốt Đồ thị thời gian điện áp ra uC trên tải bộ tách sóng nối tiếp. Hiện tượng méo tín hiệu tách sóng do tải điện dung quá lớn.
10. Chọn hằng số thời gian τ=RC đủ lớn sao cho điện áp trên tải (tín hiệu hồi phục), giống với tín hiệu tin tức ban đầu. Tổng quát R, C chọn theo biểu thức sau: Thực tế thường chọn RC theo điều kiện: Muốn dễ dàng thoả mãn cần ωt ≥ 100 ωSmax + Đối với mạch tách sóng song song có ưu điểm là có thể loại được thành phần một chiều DC (do không qua được tụ điện); nhưng lại có nhược điểm là thành phần cao tần dễ dàng đi ra tải, cần phải lọc. Nên sơ đồ tách sóng song song chỉ được dùng trong trường hợp cần ngăn thành phần một chiều từ tầng trước đưa tới.
11. ii.M¹ch t¸ch sãng biªn ®é dïng phần tử tuyến tính tham số Dùng mạch nhân tương tự uđb =Ut(1+mcosωst) cosωtt : tín hiệu đầu vào bộ tách sóng ut =Utcos(ωtt +φ): tín hiệu dao động nội ur=K.ut.uđb= Dùng mạch lọc thông thấp có thể tách ra thành phần hữu ích:
12. Nhận xét : - Trong phổ điện áp ra không có thành phần tải tần; - Muốn tách được sóng ut phải có tần số bằng tần số tải tin của t/h đã điều biên; - Biên độ điện áp đầu ra phụ thuộc vào góc pha φ (là góc lệch pha giữa tín hiệu cần tách sóng và tải tin phụ. 0 - Khi φ = 0 ⇒ u’r cực đại, khi φ = ± 90 ⇒ u’r=0 - Bộ tách sóng vừa có tính chọn lọc về biên độ, vừa có chọn lọc về pha gọi là bộ tách sóng biên độ pha; - Để tách sóng có hiệu quả cần phải đồng bộ tín hiệu vào và tải tin phụ vào tần số và góc lệch pha. Bộ tách sóng này còn có tên gọi là bộ tách sóng đồng bộ.
13. 2. Tách sóng tín hiệu đơn biên Tách sóng tín hiệu đơn biên nhờ mạch điều chế vòng Tín hiệu đơn biên t/h tần số thấp t/h tần số cao hữu ích tín hiệu t/h tải tin phụ từ tần số thấp bộ dao động nội - Cũng như phương pháp tách sóng đồng bộ, vấn đề là phải tạo ra sự đồng bộ về tần số tín hiệu tải tin và tín hiệu dao động nội. - Để giải quyết vấn đề này, tiến hành lọc lấy tải tin đã bị nén, rồi khuếch đại để có tín hiệu dao động nội cần thiết.
14. 3. Tách sóng tín hiệu điều tần Tách sóng tín hiệu điều tần là quá trình biến đổi độ lệch tần số tức thời của tín hiệu đã điều tần so với tần số trung bình thành biến thiên điện áp ở đầu ra. Hệ số truyền đạt Tách sóng điều tần và điều pha thường được thực hiện theo một Âàûc tuyãún truyãön âaût trong những nguyên tắc sau: cuía bäü taïch soïng - Biến đổi tín hiệu điều tần hoặc điều pha thành tín hiệu điều biên rồi thực hiện tách sóng biên độ. - Biến đổi tín hiệu điều tần thành tín hiệu điều chế độ rộng xung rồi thực hiện tách sóng t/hiệu điều chế độ rộng xung nhờ mạch tích phân. - Làm cho tần số tín hiệu cần tách sóng bám theo tần số của một bộ tạo dao động nhờ hệ thống vòng giữ pha PLL, điện áp sai số chính là điện áp cần tách sóng.
15. a. Mạch tách sóng điều tần dùng mạch lệch cộng hưởng + Đầu vào hai bộ tách sóng biên độ (D1,D2) là hai mạch cộng hưởng được điều chỉnh tại các tần số ω1 và ω2. Nếu gọi tần số trung tâm của tín hiệu điều tần đầu vào là ω1 = ωt thì: ω1 = ω0 + Δω ; ω2 = ω0 − Δω + Sự điều chuẩn mạch cộng hưởng lệch khỏi tần số trung bình của tín hiệu vào làm biên độ điện áp vào của hai bộ tách sóng biên độ (U1, U2) thay đổi phụ thuộc vào tần số điện áp vào. U1 = m .Uđt Z1 U2 = m. UđtZ2 m = M/L: hệ số ghép của biến áp vào
16. Rtd1, Rtd2 : trở kháng của hai mạch cộng hưởng ở tần số cộng hưởng ω1 và ω2. Q1, Q2 là phẩm chất của các mạch cộng hưởng tương ứng. + Chọn hai mạch cộng hưởng như nhau ta có: Rtd1 = Rtd2 = R , Q1= Q2= Q độ lệch số tần số tương đối giữa tần số cộng hưởng riêng của mạch dao động với tần số trung bình của tín hiệu vào. độ lệch số tần số tương đối giữa tần số tín hiệu vào và tần số trung bình.
17. Quá trình biến đổi tín hiệu điều tần thành tín hiệu điều biên đã được thực hiện. Qua bộ tách sóng biên độ ta nhận được các điện áp: Điện áp ra tổng: hệ số tách sóng: KTS
18. Hệ số truyền đạt x= 0 + Váûy Sf phuû thuäüc vaìo xo. Âaûo haìm (Sf) theo xo vaì xeït cæûc trë ta tháúy 1 S = S khi x = f fmax O 2 + Váûy muäún hãû säú truyãön âaût cæûc âaûi phaíi choün læåüng lãûch táön Δωo theo âiãöu kiãûn sau âáy: + Tách sóng dùng mạch lệch cộng hưởng có nhược điểm là khó điều chỉnh cho hai mạch cộng hưởng hoàn toàn đối xứng, nên ít được dùng.
19. b. Mạch tách sóng điều tần dùng mạch cộng hưởng ghép - Mạch điện làm việc theo nguyên tắc chuyển biến thiên tần số thành biến thiên về pha, sau đó thực hiện tách sóng pha nhờ tách sóng biên độ. -TÝn hiÖu ®iÒu tÇn ®ưîc ghÐp theo 2 hưíng(hình vu«ng nÐt ®øt): + Qua biÕn ¸p (L1, L2) ®ưa ®Õn m¹ch dao ®éng thø cÊp: L2, C2 + Qua tô Cgh ®ưa vào bé t¸ch sãng biªn ®é. - M¹ch biªn ®é t¸ch sãng pha: UD1=U1 + U2 UD2=U1 - U2
20. Cã 3 kh¶ n¨ng: + Khi tần số tín hiệu vào f = f0 (tần số cộng hưởng của mạch cộng hưởng sơ cấp và thứ cấp: => us= us1 -us2= KTS(UD1 - UD2)= KTS.0=0 + Trường hợp f > f0: Mạch cộng hưởng thứ cấp mang tính chất điện cảm. Tần số tín hiệu vào càng lệch khỏi tần số cộng hưởng trung tâm f0 thì biên độ UD1 càng lớn hơn biên độ UD2 , do đó trị số điện áp ra us càng lớn. + Khi f < f0: M¹ch céng hưëng thø cÊp mang tÝnh chÊt ®iÖn dung. UD1 < UD2, tøc là us= KTS(UD1 - UD2), càng nhá.
21. - Tóm lại khi tần số tín hiệu vào thay đổi thì đầu nút của véctơ UD1 và UD2 di chuyển trên các vòng tròn 1 và 2 trên hình vẽ làm cho điện áp ra thay đổi về trị số và cực tính. Trị số điện áp ra đặc trưng cho độ lệch của tần số tín hiệu vào so với tần số trung tâm f0, còn cực tính của điện áp ra cho biết tần số tín hiệu vào lệch khỏi tần số trung tâm về phía nào (lớn hơn hay nhỏ hơn f0). - Tách sóng dùng mạch cộng hưởng ghép ít gây méo và dễ điều chỉnh vì cả hai mạch đều cộng hưởng ở tần số f0. Tuy nhiên điện áp ra trong bộ tách sóng này vừa phụ thuộc tần số vừa phụ thuộc biên độ tín hiệu vào U1 nên nó sinh ra nhiễu biên độ. Để khắc phục nhược điểm này, phải đặt trước mạch tách sóng một mạch hạn chế biên độ.
22. c. Mạch tách sóng tỷ số - Mạch vừa làm nhiệm vụ tách sóng vừa làm nhiệm vụ hạn chế biên độ. - Theo KCII cho vßng nÐt ®øt : us1 + us - uR=0 => - NÕu cè ®Þnh U0 const, th× tÝn hiÖu ra t¸ch sãng us chØ phô thuéc vào tØ sè biªn ®é ¸p vào us2/ us1, v× b¶n th©n us1 , us2 l¹i phô thuéc biÕn thiªn -tÇn sè ®Çu vào, tøc là bộ tách sóng tỷ số không có phản ứng với các biến thiên về biên độ ở đầu vào nên tránh được nhiễu biên độ.
23. d. Mạch tách sóng Koinridenz Tín hiệu điện áp ra uS, chÝnh là chuçi Fourier cña d·y xung tam gi¸c. Mạch dïng ®Ó t¸ch sãng tÝn hiÖu trong ph¸t thanh và truyÒn h×nh.
24. 4.Tách sóng tín hiệu điều pha bằng diot TÝn hiÖu gi¶i ®iÒu chÕ ®ưîc gi¶i thÝch theo kiÓu vector
25. Mạch tách sóng pha cân bằng là hai mạch tách sóng biên độ dùng điốt ghép với nhau như hình vẽ. Tín hiệu cần tách sóng chính là tín hiệu đã điều pha udf được so sánh về pha với một dao động chuẩn uch. Biểu thức udf và uch như sau: uđf= U1cos(ω01t +φ(t)+ φ01)= U1cosφ1(t) uch= U2cos(ω02t + φ02)= U2cosφ2(t) Điện áp đặt lên hai bộ tách sóng tương ứng là: Áp dông c«ng thøc hàm sè cosin cho c¸c tam gi¸c:
26. Điện áp ra bộ tách sóng: uS = uS1 - uS2 = KTS =us/mUt :hÖ sè t¸ch sãng + NÕu ω01=ω02 và φ01 = φ02, th× ®iÖn ¸p chØ Δφ(t)= φ(t), tøc là điÖn ¸p ra chØ phô thuéc vào pha cña tÝn hiÖu vào- Ta cã m¹ch t¸ch sãng pha. + Tư¬ng tù φ(t)=0, ta cã m¹ch t¸ch sãng tần sè. + Thùc tÕ tÝn hiÖu ®iÒu chÕ thưêng là kÕt hîp c¶ pha và tÇn cho nªn tæng qu¸t cã thÓ dïng phư¬ng ph¸p này ®Ó gi¶i ®iÒu chÕ tÝn hiÖu.