Tài liệu Báo cáo thí nghiệm viễn thông

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM VIỄN THÔNG BÀI 1:ĐIỀU CHẾ VÀ GIẢI ĐIỀU CHẾ AM Câu 1: lý thuyết điều chế AM Điều chế biên độ hay còn gọi là điều biên là một kỹ thuật được sử dụng trong điện tử viễn thông, phổ biến nhất là dùng để truyền thông tin qua một sóng mang vô tuyến. Kỹ thuật này là thay đổi biên độ của tín hiệu sóng mang theo biên độ của tín hiệu thông tin cần gửi đi, hay nói cách khác là điều chế sóng mang bằng biên độ theo tín hiệu mang tin Hình ảnh minh họa: Trong đó, Tín hiệu cần được truyền đi là ‘nguồn’ để điều chế và được gọi là Sóng điều chế (Modulating wave) bởi thực chất tín hiệu cần truyền đi cũng là một dạng sóng tuy nhiên với tần số rất thấp nên không thể truyền đi xa theo nguyên lý bức xạ Sóng Vô Tuyến Điện – Từ vì cường độ năng lượng bức xạ dưới dạng năng lượng sóng điện – từ luôn tỷ lệ với bình phương tần số của dao động. Trong lúc tần số cao nhất của âm thanh chỉ vào khoảng 16 KHz và Tần số thoại được chọn là 330 Hz – 3,3 KHz. Theo như vừa trình bày trên, nếu tần số của thông tin cần truyền quá thấp thì không thể bức xạ một năng lượng đủ lớn cho việc truyền đi xa mà cần phải biến đổi nó thành một Tần số lớn hơn rất nhiều thì mới có thể trở thành Sóng Điện – Từ để có thể truyền đi rất xa (theo Lý thuyết Sóng Điện - Từ thì Hiệu suất bức xạ sóng tỷ lệ với bình phương Tần số, tức là Tần số càng cao thì bức xạ càng khỏe nên sẽ càng truyền đi được rất xa): Vì vậy, Thông tin cần truyền sẽ được ‘gửi’ vào trong một sóng có tần số lớn hơn để có thể truyền đi xa này được gọi là sóng mang (Carrier) vì nó được dùng để mang tín hiệu (Modulating wave). Có thể biểu diễn bằng các hệ thức toán học sau đây: o Sóng mang xC = Acos(w + t) Trong đó: x: Giá trị (cường độ) tức thời của Sóng mang; A: Biên độ (cường độ cực đại) của Sóng mang; t: Thời gian biểu kiến (thời gian được xem xét hiện tại kể từ thời điểm gốc ban đầu được xác định trước) của Sóng mang; w: Tần số góc của Sóng mang và được xác định bởi hệ thức dưới đây: w = 2pf Với f là tần số song mang. o Sóng điều chế Sóng điều chế chính là Nguồn Thông tin cần được truyền đi xa và có giá trị biểu kiến luôn thay đổi dưới dạng một hàm bất kỳ theo thời gian như dưới đây: xMw = m(t) Trong đó: xMw: Giá trị (cường độ) tức thời của Tín hiệu điều chế; m: hàm phụ thuộc thời gian t của tín hiệu điều chế o Tín hiệu đã được điều chế (AM signal). S = Acos(w + t) + m(t) = A[1 + m(t)]cos(wt) Như vậy, ở đây, để hệ thức trên ‘có nghĩa’ tức là có thể điều chế thành công mà không bị méo hoặc còn gọi là gây nên biến dạng Tín hiệu thì m phải bé hơn hoặc bằng 1. Khi đó, theo mô hình nói trên sau khi trở thành dạng sóng được truyền đi (AM Signal) thì biên độ của sóng sẽ bị điều biến (thay đổi) bởi biên độ của thông tin cần truyền đi và có dạng đối xứng nhau qua Trục Biên độ: Phương pháp điều chế nói trên được gọi là Điều chế Biên độ là vì Biên độ của Sóng mang bị biến đổi theo sự biến thiên của Thông tin cần được truyền đi Câu 2 sơ đồ khối của điều chế AM Gồm có 2 sơ đồ khối như sau: Sơ đồ khối AM-I Sơ đồ khối AM-II Câu 3 trình bày tín hiệu đã được điều chế 3.1 Đặc điểm điều chế AM-I (biến dạng-tần số) Một tín hiệu AM được định nghĩa như sau: AM = E ( 1 + m.cosµt) cos ω t = ( A + mA.cosµt) B.cos� t Trong đó: A: Biên độ tín hiệu DC mA: Biên độ tín hiệu là hằng số B: Biên độ của tín hiệu sóng mang là hằng số µ và �: Tần số góc trong rad/s, tại µ/2π là tần số thấp trong khoảng 300Hz đến 3000Hz; và �/2π là một tín hiệu sóng mang tương đối cao, trong bài có giá trị 100kHz. Ta có độ sâu điều chế “m” (hay còn gọi chỉ số điều chế) được đo bằng tỉ lệ biên độ của tín hiệu AC và DC tại đầu ra của bộ cộng. Vmax −Vmin m= Vmax+ Vmin Trong đó: Vmax và Vmin là biên độ lớn nhất và nhỏ nhất tương ứng của tín hiệu AM. Trong sơ đồ hệ thống chúng tương ứng với bộ khuếch đại đảo của bộ cộng là G và g. a)Sơ đồ hệ thống - Để thực hiện được 100% ta điều chỉnh tín hiệu điện áp ra tại bộ cộng một cách độc lập. Chọn mức điện áp cho tín hiệu DC và tín hiệu đưa vào dạng sóng sin. Hình ảnh minh họa với m=1. - Trong trường hợp m<1 ta thu được tín hiệu AM có dạng như hình. b)kết quả mô phỏng  Trường hợp m=1 với tín hiệu ở tần số 2khz  Trường hợp m>1 tín hiệu ở tần số 2khz  Trường hợp m<1 tín hiệu ở tần số 2khz  Nhận xét Xét 3 trường hợp về sự thay đổi của độ sâu điều chế m ta thấy với giá tri m = 1 ta thu được tín hiệu AM tốt nhất với 100% tín hiệu. Đối với 2 trường hợp còn lại điều chế chưa đạt hiệu quả tốt do phần tín hiêu thu được bị suy hao.trong 3 trường hợp ta nhận thấy tín hiệu có sự biến dạng. Trong mô phỏng ta đặt điểm đo tại khối audio oscillator. 3.2 đặc điểm điều chế AM-II (biến dạng-tần số-pha) a) Sơ đồ khối của mạch - Đối với AM – II, một tín hiệu sóng mang cos(�t) được đưa đến bộ dịch pha để thay đổi pha tín hiệu sóng mang trước khi đến bộ cộng để thực hiện điều chế AM. Tại bộ dịch pha - phương trình có dạng cos(�t + α). Tín hiệu của bộ dịch pha được đưa đến một đầu của bộ cộng, đầu còn lại là tín hiệu điều chế biên kép triệt sóng mang DSBSC. Cộng hai tín hiệu này ta thu được tín hiệu AM có dạng. AM = DSBSC + sóng mạng b) Sơ đồ hệ thống - \ Quan sát sơ đồ hệ thống của phương pháp điều chế AM – I và II ta thấy với phương pháp AM – II trong hệ thống có thêm bộ dịch pha. Thay đổi pha chúng ta sẽ thu được các tín hiệu khác nhau tùy theo mục đích sử dụng. c) Kết quả mô phỏng - Đầu tiên cho góc α = 00 ,f=2khz thì dạng sóng của tín hiệu như sau: - Thay đổi góc α = 1800 và giữ nguyên các thông số trên các card ta thu được tín hiệu ngược pha với tín hiệu gốc như sau: Giữ nguyên góc α = 1800 và thay đổi thông số trên card phase shifter như gạt nút lo/hi sang trạng thái hi  Nhận xét Khi ta thay đổi góc pha thì tín hiệu của sóng cũng thay đổi (có sự biến dạng).ở đây ta đặt điểm đo tại khối PHASE SHIFTER Câu 4)PHASE SHIFTER: (Bộ dịch pha) - - Bộ dịch pha làm thay đổi pha giữa tín hiệu ngõ vào “IN” với tín hiệu ngõ ra “OUT” . pha của tín hiệu � có thể thay đổi từ 00 đến 1800 thông qua việc điều chỉnh 2 nút là COARSE và FINE. Ở đây khi đưa tín hiệu Sin(wt) thì tín hiệu ngõ ra sẽ có dạng Sin(wt+�). Dịch pha để hiệu chỉnh pha ở đây ta sẽ điều chỉnh pha cùng pha với tín hiệu điều chế - BPSK. Trong khối giải điều chế ta thấy có bộ dịch pha. Bộ này cho phép điều chỉnh góc lệch pha của tín hiệu sóng mang, ở đây ta phải điều chỉnh sao cho góc lệch pha là hoặc là - π 2 0 0 để phục vụ cho giải điều chế. Nếu ta điều chỉnh độ lệnh pha này là 0 90 thì tín hiệu sóng mạng cho giải điều chế là: π mc ( t ) = V c sin( ω 0 t + 2 - )= Vc cos( ω0 t ) Bộ dịch pha đưa ra một thay đổi pha giữa đầu vào và đầu ra nó. Lệch pha này có thể điều chỉnh bởi người sử dụng. Dải tần số hoạt động có thể được lựa chọn bởi PCB gắn switch - - Sử dụng:  Biên dịch pha này có khả năng thay đổi mức độ của Lệch pha 360 độ theo hai bước. Switch 180 độ lựa chọn bước hoặc khu vực quan tâm: Các COARSE và FINE điều khiển được sử dụng để sau đó có được sự thay đổi pha cần thiết, Φ.  Nếu đầu vào là COS (μt), sau đó đầu ra là COS (μt-Φ), trong đó Φ nằm giữa 0 và 180 độ. Mặc dù dịch pha sẽ hoạt động từ vài hertz lên đến 1MHz nó đã được tối ưu hóa để hoạt động ở vùng lân cận hai tần số: Khoảng 100kHz trong dải HI và trên 2kHz trong dải LO. Một PCB switch gắn được dùng để lựa chọn các dải tần số.  Độ lợi mở mạch thông qua dịch pha về cơ bản là thống nhất cho tất cả các giai đoạn, nhưng lưu ý rằng lượng Lệch pha, Φ, là hàm của tần số. Này không phải là một thay đổi pha băng rộng: Do đó tất cả các thành phần tần số của một tín hiệu phổ phức tạp của không chuyển bởi các giai đoạn tương tự. Các thông số cơ bản:  Băng thông <1MHz Dải tần số: HI khoảng 100kHz LO khoảng 2kHz  Coarse xấp xỉ 180 độ thay đổi  FINE thay đổi xấp xỉ 20 độ Câu 6: Những ứng dụng thực tế sử dụng AM. Ứng dụng của Điều chế Biên độ Ngày nay, dạng điều chế biên độ chỉ được ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật truyền thanh băng tần thấp trong khoảng 550 – 1600 kh đối với băng tần MW hoặc lớn hơn đối với các băng tần sw1, sw2… mà không được ứng dụng trong viễn thông hiện đại vì nhược điểm của nó là khả năng mang thông tin thấp và hay bị nhiễu loạn tác động… tuy vậy, trong truyền hình tương tự, điều chế biên độ cũng có thể dung để điều chế tín hiệu hình ảnh với dải thông khá rộng theo qui định là 4,43 MHz đối với hệ truyền hình NTSC và 6,5 MHz đối với hệ truyền hình màu PAL hoặc SECAM. Hình trên đây mô tả các mức qui định trong điều chế biên độ đối với tín hiệu truyền hình. Tín hiệu như hình được điều chế bởi kỹ thuật điều biên với các khoảng mức được qui định rất chặt chẽ: Dưới mức 0 (Tín hiệu âm so với mức 0) khoảng 40% so với mức biên độ của tín hiệu được gọi là tín hiệu đồng bộ và tự động điều khiển khuyếch đại: Nếu tín hiệu vượt quá mức qui định thì mức 40% này cũng sẽ tăng lên và nó sẽ được đưa về để điều khiển làm giảm độ khuyếch đại của máy thu sao cho biên độ tín hiệu hình trở lại đúng bằng mức chuẩn. Theo qui định chuẩn thì Biên độ Tín hiệu hình tại đầu ra của bộ tách sóng của hình là 1,2 Volt P – Ptức là từ đỉnh dương đến đỉnh âm của tín hiệu là 1,2 Volt. Ngoài ra, tín hiệu dưới mức 0 còn được qui định để tạo ra Tín hiệu Đồng bộ hình ảnh bao gồm xung đồng bộ quét ngang và xung đồng bộ quét dọc để điều khiển các khối điều khiển quét ảnh ở máy thu sao cho có thể đồng bộ với chế độ quét ảnh ở máy phát. Trên mức 0 (Tín hiệu dương so với mức 0) khoảng 100% là miền biến đổi theo đúng biến điệu của Tín hiệu hình. Chú ý: Bản thân Thông tin nguồn cũng được tạo bởi nhiều Dao động có Tần số khác nhau sao cho có thể hợp thành một Tổ hợp Tần số có dải từ FMin đến FMax. Vì thế, khi đưa vào điều chế thì theo Nguyên lý Giao thoa nó sẽ tạo ra hai Tần số khác nhau theo các hệ thức dưới đây: F1=f 1 + f 2 Và F2 =|f 1 −f 2| Trong đó, ra và f2 F1 và F2 lần lượt là các tần số hợp thành, f1 là tần số của sóng mang. Đồng thời sẽ tạo thành 2 biên tần theo mô tả của hình bên đây. là tần số do thông tin nguồn tạo Vì lí do đó, quá trình điều chế biên độ sẽ sinh ra hiện tượng bật lí gọi là Hiệu Ứng Điều Chế Tần Số do sự giao thoa nói trên mà tạo ra 2 biên tần như trên. Để đáp ứng với các tiêu chuẩn chất lượng của quá trình điều chế thì độ rộng dải tần ∆ f (còn gọi là dải thông) điều chế phải lớn hơn hoặc bằng tần số f max của thông tin nguồn tạo ra dưới đây: ∆ f ≥ f Max Đó chính là điều kiện tiêu chuẩn về dải thông điều chế tín hiệu AM luôn cần phải được tuân thủ một cách tuyệt đối. Vì lý do nói trên, để truyền được một Thông tin có ‘nội dung’ càng lớn thì sự biến đổi Biên độ của Sóng mang càng phức tạp và điều đó có nghĩa rằng điều chế AM khó đáp ứng được những Thông tin phức tạp (có Dung lượng cao) bởi vì điều chế biên độ dễ bị nhiều tác động từ bên ngoài và của chính hệ thống làm cho Biên độ của Thông tin bị biến đổi ngoài ý muốn gây nên sự thiếu trung thực và tin cậy. Đồng thời, sau khi điều chế thường tạo ra hai dải tần số như mô tả ở hình trên nên người ta gọi nó là (Double sideband-DSB) cho nên nó sẽ làm giảm hiệu suất của máy phát cũng như làm giảm độ tin cậy của máy thu. Vì thế gười ta thường chon 1 trong hai dải biên tần nói trên và được gọi là đơn biên tần( Single sideband-SSB).