Giáo trình Vô tuyến điện đại cương - Chương 1: Tổng quan về vô tuyến điện - Ngô Văn Thanh

Nội dung text: Giáo trình Vô tuyến điện đại cương - Chương 1: Tổng quan về vô tuyến điện - Ngô Văn Thanh

1. VÔ TUYẾN ĐIỆN ĐẠI CƯƠNG TS. Ngô Văn Thanh Viện Vật Lý Hà Nội - 2016
2. 2 Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 Tài liệu tham khảo [1] David B. Rutledge, The Electronics of Radio (Cambridge University Press 1999). [2] Dennis L. Eggleston, Basic Electronics for Scientists and Engineers (Cambridge University Press 2011). [3] Jon B. Hagen, Radio-Frequency Electronics: Circuits and Applications (Cambridge University Press 2009). [4] Nguyễn Thúc Huy (1998), Vô tuyến điện tử, NXB KHKT [5] Đỗ Xuân Thụ, Nguyễn Đức Nhuận (1990), Kỹ thuật điện tử, NXB KHKT [6] Phạm Văn Đương (2004), Cơ sỡ kỹ thuật khuếch đại, NXB KHKT Website : Email : nvthanh@iop.vast.ac.vn
3. 3 Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VÔ TUYẾN ĐIỆN 1. Định luật Kirchhoff 2. Tần số 3. Điều biến 4. Khuếch đại 5. Decibel 6. Bộ trộn 7. Bộ lọc 8. Máy thu biến đổi trực tiếp 9. Máy thu biến tần
4. 4 Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 1. Định luật Kirchhoff  Định luật Kirchhoff . Định luật Kirchhoff điện áp : được áp dụng cho các mạch. . Định luật Kirchhoff dòng điện : áp dụng cho các nút.  Điện áp . Đơn vị đo V1 + - V1 + - + + + - - - V2 + - V  Dòng điện (ampere – A) 4 . Định luật bảo toàn điện tích I1 I1 I2 I4 I3 I2  Công suất (watts – W)
5. 5 Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 2. Tần số  Điện áp và dòng điện . Các hàm cosine biến thiên theo thời gian • f : tần số, đơn vị đo : hertz (Hz)  Công suất • Công suất trung bình • Đối với mạch cộng hưởng (có cuộn cảm và tụ điện lệch pha nhau)  Tần số của sóng radio : • c : tốc độ ánh sáng •  Bước sóng : đơn vị (m)
6. 6 Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 2. Tần số . Các dải tần số thường dùng Ký hiệu Loại sóng Tần số VLF Tần số rất thấp 3-30 kHz, hoặc bước sóng 100-10 km Sóng dài 30-300 kHz, hoặc 10-1 km Sóng trung 300 kHz-3 MHz, hoặc 1 km-100 AM Sóng radio 500-1600 kHz HF Tần số cao hay sóng ngắn 3 MHz-30 MHz, hoặc 100-10 VHF Tần số rất cao 30 MHz-300 MHz, hoặc 10-1 m TV kênh 2-6 54-88 MHz TV kênh 7-13 174-216 MHz FM radio 88-108 MHz UHF Tần số cực cao 300 MHz-1 GHz, hoặc 1 m-30 cm TV kênh 14-69 470-806 MHz Sóng điện thoại di động 824-894 MHz microwaves Vi sóng 1-30 GHz, hoặc 30-1 cm GPS 1.575 GHz Truyền hình vệ tinh C-band 3.7-4.2 GHz Truyền hình vệ tinh Kuband 10.7-12.75 GHz
7. 7 Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 3. Điều biến  Các loại điều biến . Điều biên (độ) : Thường ứng dụng cho sóng radio AM • Biên độ sóng a(t) phụ thuộc vào thời gian được điều biến bởi sóng âm thanh. • Trên thực tế: có thêm thành phần sóng mang . Điều tần (số) : Thường ứng dụng cho sóng FM
8. 8 Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 3. Điều biến  Tín hiệu số (digital) . Dựa trên nguyên lý của tín hiệu Morse (xung dài và xung ngắn) . Sử dụng mã nhị phân 1 và 0 . FSK (frequency-shift keying) khoá đảo tần số • Mã 1 : • Mã 0 : . PSK (phase-shift keying) khoá đảo pha • Mã 1 : • Mã 0 :
9. 9 Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 4. Khuếch đại . Công suất sóng thu được từ antenna : cỡ picowatt . Thiết bị thu sóng cần phải khuếch đại tín hiệu lên hàng triệu lần . Thiết bị cổ điển : sử dụng bóng điện tử chân không . Thiết bị hiện nay : sử dụng linh kiện bán dẫn, vi mạch . Hệ số khuếch đại (gain)
10. 10 Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 5. Decibel  Hệ thống vô tuyến . Công suất đài phát quốc tế : cỡ megawatt = 106 watt . Tín hiệu thu được tại thiết bị thu sóng : cỡ femtowatt = 10−15 watt . Hệ số chênh lệch công suất rất lớn : sử dụng thang đo logarit (cơ số 10) . Độ khuếch đại : đo bằng đơn vị decibel (dB) • Ví dụ:  Chú ý: G là đại lượng không thứ nguyên . Công suất tuyệt đối : dBs  Ký hiệu hệ số khuếch đại theo đơn vị đo của công suất tín hiệu vào Pi . Watt = dBw; milliwatt = dBm dB 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 P/Pi 1 1.3 1.6 2.0 2.5 3.2 4.0 5.0 6.3 8 10
11. 11 Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 6. Bộ trộn (mixer)  Tần số . Tần số có thể nghe được : cỡ vài kilohertz (kHz) . Tần số sóng cao hơn rất nhiều, ví dụ sóng dài có tần số = 30-300 kHz. . Tại máy thu : biến đổi tín hiệu ở tần số radio sang tần số âm thanh  Bộ trộn . Tại máy phát: sử dụng bộ trộn để dịch chuyển tần số = tích của 2 tần số . Tạo phách : tạo ra tín hiệu bao gồm tổng và hiệu của 2 tần số . Xét trường hợp tín hiệu tương ứng với 2 tần số khác nhau, ta có điện áp . Tại máy thu, 2 tần số tương ứng là : • Tần số của tín hiệu từ antena (f1) • Tần số tạo ra bởi mạch dao động (f2) . f+ dùng để nâng cao tần số . f- dùng để giảm tần số
12. 12 Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 7. Bộ lọc (filter)  Filter Low-pass filter . Loại bỏ tần số được thêm vào bởi bộ trộn  Bộ lọc âm tần : giữ lại tần số thấp Dải tần Dải tần bị . Tín hiệu bị chặn lại khi cho qua chặn . Pm : công suất cực đại . là tần số ngưỡng (cut-off) = 3 dB Vùng trượt . Hệ số suy hao . Hệ số khử tại 1 tần số trong vùng trượt: Band-pass filter Dải tần Dải  Bộ lọc băng tần cho qua tần bị . Tín hiệu bị chặn ở cả vùng tần số thấp chặn và tần số cao . Độ rộng băng tần
13. 13 Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 8. Máy thu biến đổi trực tiếp  Direct-conversion receiver . Biến đổi tần số sóng Radio sang tần số âm thanh (nghe được) . Chỉ có một bộ trộn . Tín hiệu vào với tần số Radio (RF) antenna . Bộ tạo dao động (LO – local oscillator) Bộ trộn Khuếch đại Loa . Tín hiệu ra từ bộ trộn có tần số bằng tổng và hiệu của 2 tần số. RF . Tần số của LO được chọn sao cho hiệu LO Audio của 2 tần số tương ứng với tần số âm thanh nghe được (600 Hz). Bộ dao động . Các hệ thức Bộ lọc . fi là tần số ảo (image) và cần phải loại bỏ nhờ bộ lọc. RF . fA là tần số âm thanh (Audio) . Sử dụng bộ lọc băng tần để loại bỏ tần số ảo
14. 14 Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 9. Máy thu biến tần  Superheterodyne : Thường được ứng dụng trong TV và radio FM antenna Bộ lọc RF Bộ trộn RF Bộ lọc IF Bộ trộn Khuếch đại Loa RF RF Tổng IF VFO Ảo IF VFO BFO BFO Ảo Audio Bộ dao động Bộ dao động biến tần phách . Các thuật ngữ • RF (Radio frequency) : tần số radio • VFO (Variable-frequency oscillator) : bộ biến tần • Image : ảo (sẽ bị chặn lại ở các bộ lọc) • IF (Intermediate frequency) : tần số trung gian • BFO (beat-frequency oscillator) : bộ dao động phách • Audio : âm thanh nghe được • Sum : tổng (tổng của 2 tần số) • Product detector : tách sóng
15. 15 Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 9. Máy thu biến tần antenna Bộ lọc RF Bộ trộn RF Bộ lọc IF Bộ trộn Khuếch đại Loa RF RF IF Tổng VFO Ảo IF VFO BFO BFO Ảo Audio Bộ dao động Bộ dao động biến tần phách Tín hiệu Chỉ giữ Giữ lại Trộn tín Khuếch thu Trộn tín lại tần số tín hiệu hiệu để đại âm được từ hiệu Radio trung tần có Audio thanh antenna . Tần số Radio : . Tần số ảo VFO : . Tần số IF : . Tần số ảo BFO :
16. 16 Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 9. Máy thu biến tần  Sơ đồ dải tần số . Tần số USB (upper sideband): là tần số để tạo ra tín hiệu có tần số ảo BFO • Sử dụng công thức • Suy ra . Tần số LSB (lower sideband): Giống như tần số RF