Thiết bị có máy thu và máy phát sóng vô tuyến
|
BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢITRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAMKHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬBỘ MÔN ĐIỆN TỬ – VIỄN THÔNGThs. Vũ Đức HoànBÀI GIẢNGTHIẾT BỊ THU PHÁT VÔ TUYẾN ĐIỆNTÊN HỌC PHẦN: THIẾT BỊ THU PHÁT VTĐMÃ HỌC PHẦN: 13226TRÌNH ĐỘ ĐÀO TẠO: ĐẠI HỌC CHÍNH QUYDÙNG CHO SV NGÀNH: ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNGHẢI PHÒNG – 2014MỤC LỤCNỘI DUNGTrangPHẦN I: MÁY PHÁT VÔ TUYẾN ĐIỆN ............................................................................................4CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÁY PHÁT VTĐ .................................................................41.1. Chức năng nhiệm vụ của máy phát VTĐ ....................................................................................41.2. Các chỉ tiêu kỹ thuật của máy phát VTĐ ....................................................................................51.3. Các kiến trúc và nguyên lý hoạt động của máy phát VTĐ .........................................................61.3.1. Direct Conversion Transmitter ............................................................................................61.3.2. Two-step Conversion Transmitter .......................................................................................8CHƯƠNG II: KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT CAO TẦN VÀ ĐIỀU HƯỞNG ANTEN .......................92.1. Khái quát tầng khuếch đại cao tần tín hiệu lớn trong máy mát VTĐ..........................................92.2. Các chế độ làm việc của tầng khuếch đại công suất cao tần. ......................................................92.3. Tầng khuếch đại công suất ........................................................................................................132.4. Bộ điều hưởng anten. ................................................................................................................14CHƯƠNG III: ĐIỀU CHẾ VÀ TẠO TẦN SỐ PHÁT .........................................................................153.1. Các phương pháp điều chế tín hiệu trong máy phát. .................................................................153.1.1. Điều chế tương tự. .............................................................................................................153.1.2. Điều chế số. ....................................................................................................................183.2. Tạo tần số phát trong máy phát vô tuyến điện. .........................................................................183.2.1. Các yêu cầu........................................................................................................................183.2.2. Các phương pháp tạo tần số phát .......................................................................................18PHẦN II: MÁY THU VÔ TUYẾN ĐIỆN ...........................................................................................21CHƯƠNG IV: TỔNG QUAN VỀ MÁY THU VÔ TUYẾN ĐIỆN ....................................................214.1. Khái quát thiết bị thu vô tuyến điện. .........................................................................................214.1.1. Khái niệm ..........................................................................................................................214.1.2. Phân loại máy thu vô tuyến điện. ......................................................................................214.1.3. Các thông số kỹ thuật của máy thu vô tuyến điện. ............................................................214.2. Các kiến trúc hệ thống máy thu vô tuyến điện. .........................................................................224.2.1. Sơ đồ khối máy thu khuếch đại thẳng.`` ............................................................................224.2.2. Sơ đồ khối máy thu đổi tần. ...............................................................................................224.2.3. Một số hệ thống thu đổi tần thông dụng. ...........................................................................23CHƯƠNG V: CHỨC NĂNG VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA MÁY THU ĐỔI TẦN .................................285.1. Đặc điểm và yêu cầu của mạch vào máy thu. ...........................................................................285.2. Phân loại mạch vào máy thu. ....................................................................................................285.3. Các tham số của mạch vào. .......................................................................................................295.4. Tầng khuếch đại cao tần trong máy thu. ...................................................................................305.4.1. Đặc điểm tầng KĐCT trong máy thu. ...............................................................................305.4.2. Sơ đồ mạch và đặc tính tần số. ..........................................................................................315.5. Tầng đổi tần trong máy thu. ......................................................................................................315.5.1. Bộ tạo dao động nội. ..........................................................................................................315.5.2. Mạch đổi tần (trộn tần). .....................................................................................................315.6. Tầng khuếch đại trung tần trong máy thu. ................................................................................325.6.1. Đặc điểm tầng khuếch đại trung tần trong máy thu. ..........................................................325.6.2. Yêu cầu đối với mạch khuếch đại trung tần. .....................................................................325.7. Tầng tách sóng ..........................................................................................................................335.7.1. Mạch tách sóng biên độ. ....................................................................................................335.7.2. Mạch tách sóng tín hiệu đơn biên. .....................................................................................335.7.3. Tách sóng tần số. ...............................................................................................................335.7.4. Tách sóng tín hiệu FSK .....................................................................................................335.8.Khuếch đại âm tần. .....................................................................................................................335.9. Các mạch điều chỉnh trong máy thu vô tuyến điện. ..................................................................335.9.1. Mạch tự động điều chỉnh, điều hưởng tần số. ...................................................................335.9.2. Mạch tự động điều chỉnh hệ số khuếch đại. ......................................................................34PHẦN III: KIẾN TRÚC MÁY THU PHÁT ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ SDR.................................35CHƯƠNG VI: TỔNG QUAN VỀ SDR ...............................................................................................356.1. Khái niệm về thiết bị vô tuyến có cấu trúc mềm - SDR ...........................................................356.1.1. Định nghĩa về SDR ............................................................................................................366.1.2. Đặc điểm của SDR ............................................................................................................406.2. Cấu trúc của SDR ......................................................................................................................416.2.1. Sự khác nhau giữa SDR với thiết bị vô tuyến cũ ..............................................................416.2.2. Một vài cấu trúc SDR ........................................................................................................426.2.3. Cấu trúc chung của SDR ...................................................................................................436.3. Các thành phần cơ bản của SDR ...............................................................................................456.3.1. Khối cao tần tích hợp.........................................................................................................456.3.2. Bộ chuyển đổi tương tự - số ..............................................................................................466.3.3. Mạch xử lý tín hiệu số .......................................................................................................46CHƯƠNG VII: PHÂN TÍCH CẤU TRÚC CỦA SDR. .......................................................................497.1. Yêu cầu và đặc điểm kỹ thuật của SDR ....................................................................................497.1.1. Đặc điểm của máy phát .....................................................................................................497.1.2. Đặc điểm của máy thu .......................................................................................................507.1.3. Các dải tần số sử dụng .......................................................................................................517.2. Các cấu trúc máy thu SDR ........................................................................................................517.2.1. Cấu trúc chuyển đổi trực tiếp ............................................................................................517.2.2. Cấu trúc đổi tần nhiều lần ..................................................................................................527.2.3. Cấu trúc trung tần thấp ......................................................................................................537.3. Các cấu trúc máy phát SDR ......................................................................................................537.3.1. Máy phát chuyển đổi trực tiếp ...........................................................................................537.3.2. Máy phát đổi tần nhiều lần ................................................................................................547.3.3. Độ tuyến tính và hiệu suất của máy phát ...........................................................................54PHẦN I: MÁY PHÁT VÔ TUYẾN ĐIỆNCHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÁY PHÁT VTĐ1.1. Chức năng nhiệm vụ của máy phát VTĐ1.1.1. Chức năng nhiệm vụMột hệ thống thông tin VTĐ bao gồm thiết bị phát, thiết bị thu và môi trường truyền sóng. Trong đóthiết bị phát là một yếu tố quan trọng trong hệ thống thông tin.Hình 1.1. Sơ đồ hệ thống thu phát.Máy phát VTĐ là một thiết bị có nhiệm vụ phát đi tin tức dưới dạng sóng cao tần nhằm đảm bảothông tin có thể truyền tải đi xa.Trong đó tín hiệu cao tần (sóng mang) làm nhiệm vụ chuyển tải thông tin cần phát tới điểmthu. Các nguồn tin này được tổng hợp và được gắn với sóng mang bằng một phương pháp điều chếthích hợp, thực hiện KĐ công suất cao tần và chuyển bức xạ thành dạng sóng điện từ ra ngoài khônggian qua hệ thống anten phát.Máy phát phải phát đi với công suất đủ lớn và sử dụng phương thức điều chế chính xác để đảmbảo khoảng cách truyền, chất lượng tin chuyển tải tới máy thu sao cho it sai, lỗi nhất.1.1.2. Yêu cầu với máy phát VTĐ- Đảm bảo cự ly thông tin ( điểm A->B)-> chuyển tải tin tức.- Đảm bảo dải tần công tác ( tần số phát ).- Không sinh hài, gây nhiễu ( nhiễu tần số lân cận ).1.1.3. Phân loạiCó nhiều cách phân loại máy phát VTĐ tuỳ theo mục đích sử dụng, mức công suất ra, hay theophương thức điều chế, mỗi một phương pháp đều có những ưu nhược điểm riêng cho từng lĩnh vực sửdụng. Do đó ta có thể căn cứ vào các yêu cầu để đưa ra phương pháp phân loại tối ưu nhất.a. Phân loại theo nhóm công tác:- Nhóm công tác liên tục: sóng cao tần luôn luôn được bức xạ ra anten- Nhóm công tác mạch xung : sóng cao tần bức xạ ra anten theo dạng xung không liên tục (trongradar).b. Phân loại theo tần số phát:Tuỳ theo tần số hoạt động của máy phát đang hoạt động mà ta phân loại ra các loại máy phát:- Máy phát sóng dài (30KHz ÷300KHz).- Máy phát sóng trung (300KHz÷3000KHz).- Máy phát sóng ngắn (3MHz÷30MHz).- Máy phát sóng cực ngắn (30MHz-300MHz).c. Theo phân loại theo công suất phát:- Máy phát công suất cực lớn: Pra ≥ 100 kW. điện ra. Do đó hiệu suất η của bộ khuếch đại chế độ A rất thấp (<50%): - Hệ số điều chế m phải thỏa mãn điều kiện: m<1>thỏa mãn điều kiện này thì sẽ xảy ra hiện tượng quá điều chế, lúc này tín hiệu sẽ bị méonghiêm trọng.Hình 3.2. Tín hiệu điều biên – AM với các hệ số điều chế khác nhau* Quan hệ năng lượng trong điều biên:- Công suất tải tin là công suất trung bình trong một chu kỳ tín hiệu, được xác định bởi12công thức: Pc = U c21 1 - Công suất biên tần được xác định theo công thức: Pbc = m U c 2 2 1 - Công suất của tín hiệu điều biên: PAM = Pc + 2.Pbc = Pc 1 + m 2 2 2Từ các công thức trên ta thấy công suất của tín hiệu điều biên phụ thuộc vào hệ số điều chế m1412(độ sâu điều chế). Khi m = 1 ta có: 2 Pbc = U c2 = Pc . Tín hiệu điều biên bắt đầu méo, để giảm méo người ta thường chọn m<1.>do vậy công suất tải chỉ phụ thuộc vào thành phần tải tin – đây chính là thành phần sóng mangkhông mang tin tức. Thành phần mang tin chính là thành phần 2 biên tần nhưng có công suấtrất nhỏ. Trong thực tế để tiết kiệm công suất người ta chỉ phát đi một biên tần, thành phầnsóng mang có thể làm suy giảm hoặc triệt tiêu.** Các chỉ tiêu cơ bản của điều biên:- Hệ số méo phi tuyền: để giảm hệ số méo phi tuyến ta phải hạn chế phạm vi làm việccủa của bộ điều chế trong đoạn tuyến tính. Khi đó phải giảm hệ số điều chế m.- Hệ số méo tần số: để dánh giá hệ số này người ta căn cứ vào đặc tuyến biên độ tần số:m = f ( Fs ) , với điều kiện Us = const. Hệ số méo tần số được xác định bằng biểu thức:m M = 0 hoặc theo dB: M dB = 20 lg MmVới: m0 – Hệ số điều chế lớn nhất.M – Hệ số điều chế tại tần số đang xét.*** Các phương pháp điều chế đơn biên:+ Đặc điểm của điều chế đơn biên:So với điều biên thì điều chế đơn biên có một số đặc điểm sau:- Độ rộng dải tần giảm một nửa.- Công suất phát xạ yêu cầu thấp hơn so với cùng một cự ly thông tin.- Tạp âm phía thu giảm, so dải tần của tín hiệu hẹp hơn+ Điều chế đơn biên bằng phương pháp lọc:- Từ phổ của tín hiệu điều biên ta thấy, để có tín hiệu đơn biên chỉ cần lọc đi một biêntần. Nhưng trong thực tế không làm được như vậy. Khi sóng mang có tần số cao thì việc lọcvà loại bỏ một biên tần sẽ rất khó do lúc này hai biên rất gần nhau, nên hệ số của bộ lọc yêucầu phải nhỏ trong khi đó việc thiết kế bộ lọc có hệ số lọc nhỏ cực kỳ khó khăn.Vì vậy trong phương pháp lọc để hạ thấp yêu cầu đối với bộ lọc, người ta tiến hành điều chế 2lần với tần số sóng mang phụ thấp hơn nhiều so với tần số tải tin yêu cầu. Sơ đồ khối thựchiện như hình vẽ:cHình 3.3. Sơ đồ khối nguyên lý điều chế đơn biên bằng phương pháp lọc.- Nguyên lý hoạt động: Trước tiên, dùng tin tức để điều chế một tải tin trung gian cótần số f1c khá thấp so với tải tần yêu cầu, sao cho hệ số lọc tăng lên để có thể lọc bỏ một biêntần dễ dàng. Trên đầu ra của bộ lọc No1 sẽ nhận được một tín hiệu có dải phổ bằng dải phổcủa tín hiệu vào ∆f s = f s max − f s min nhưng dịch đi một lượng bằng f1c trên thang tần số.- Tín hiệu ra từ bộ lọc No1 lại tiếp tục đưa vào bộ điều chế cân bằng 2, trên đầu ra củabộ lọc điều chế này tín hiệu có phổ gồm hai biên tần cách nhau một khoảng ∆f = 2 f1 − 2 f s minsao cho việc lọc lấy một dải biên tần được thực hiện một cách dễ dàng bởi bộ lọc 2. Kết quả rata được tín hiệu điều chế đơn biên theo yêu cầu.+ Điều chế đơn biên bằng phương pháp quay pha:Cả hai tín hiệu us và uc đều được đưa tới bộ dịch pha 900 rồi được đưa tới bộ điều chếcân bằng. Nếu đầu ra của cả hai bộ điều chế cân bằng dùng mạch tổng thì ta có tín hiệu đơnbiên tần dưới và ngược lại.+ Điều chế đơn biên bằng phương pháp kết hợp (lọc và quay pha):Tín hiệu tin tức qua bộ lọc dải được đưa vào bộ điều biên cân bằng 1 để điều chế vớitín hiệu tải tin u1c. Tín hiệu u1c bị dịch pha 900 nên tín hiệu đầu ra của 2 bộ ĐCCB 1 lệch phanhau 900. Sau đó qua hai bộ lọc thu (Lọc 1, Lọc 2) thu được tín hiệu biên tần trên lệch phanhau 900. Các tín hiệu này lại tiếp tục qua bộ ĐCCB 2 với tín hiệu sóng mang u2c. Tín hiệu u2ccũng được quay pha đi 900. Kết quả thu được tại đầu ra là 2 biên tần trên lệch pha nhau 1800,hai biên tần dưới đồng pha nhau. Qua mạch hiệu ta thu được tín hiệu đơn biên với tải tần yêucầu.ĐCCB 1usLọc dảiDịch pha 900ĐCCB 1ĐCCB 2Lọc 1u2cu1cLọc 2Dịch pha 900uAM-SBMạch trừĐCCB 2Hình 3.4. Sơ đồ khối nguyên lý mạch điều chế đơn biên bằng phương pháp lọc và quay pha.Hình 3.5. Mạch điều chế cân bằng: a) dùng diode, b) dùng transistor.d) Điều tần và điều pha:Điều tần và điều pha là quá trình ghi tin tức vào tải tin làm cho tần số, pha tức thời củatải tin biên thiên theo dạng tín hiệu điều chế.3.1.2. Điều chế số.a) Khóa dịch biên độ (ASK).b) Khóa dịch tần (FSK).c) Khóa dịch pha.Chú ý: Ôn tập và tham khảo các phương pháp điều chế trong: “Lý thuyết truyền tin”.3.2. Tạo tần số phát trong máy phát vô tuyến điện.3.2.1. Các yêu cầuBộ tạo tần số phát trong máy phát vô tuyến điện thực hiện chức năng chính tạo tín hiệusóng mang cao tần có khả năng bức xạ ra không gian phù hợp với phương pháp điều chế tínhiệu được sử dụng trong khối điều chế.Bộ tạo tần số phát có thể thực phát một tần số, nhiều tần số, hoặc đoạn tần số liên tụctùy theo yêu cầu. tín hiệu cao tần tạo ra có thể trong dải sóng dài, sóng trung hoặc sóng ngắnphụ thuộc vào từng loại máy phát.Yêu cầu đối bộ tạo tần tần số phát là:- Phải ổn định, tham số này sẽ quyết định tới độ ổn định về tần số của máy phát.- Tần số tạo ra phải chính xác, có biên độ thích hợp và độ tuyến tính cao khi cần thayđổi tần số phát.3.2.2. Các phương pháp tạo tần số pháta) Phương pháp cổ điển:- Sử dụng khung dao động LC tạo thành các mạch dao động kết hợp với mạch tự độngđiều chỉnh tần số (AGC), trong trường hợp yêu cầu mạch dao động có tần số ổn định cao mà dùng cácbiện pháp ổn định thông thường như ổn định nguồn cung cấp, ổn định tải… mà vẫn không đảm bảođược ổn định tần số thì có thể sử dụng thạch anh để ổn định tần số.- Đặc điểm các mạch sử dụng phương pháp này thường kém ổn định, mạch cồng kềnhkhông có khả năng tích hợp. Dải tần công tác hạn chế. Không phù hợp với các loại máy pháthiện nay.b) Bộ tổng hợp tần số sử dụng PLL trong máy phát VTĐ.- Trong thực tế, người ta thường sử dụng bộ tổng hợp tần số ứng dụng mạch vòng khoá phaPLL (Phase Locked Loop) để tạo ra tần số phát, vì với cách tạo tần số phát bằng phương pháp này sẽtạo ra được nhiều tần số phát khác nhau, độ ổn định cũng khá cao, đặc biệt là thuận tiện trong quátrình điều khiển và lựa chọn tần số phát cho máy phát.Hình 3.1. Sơ đồ khối của PLL- PLL hoạt động theo nguyên tắc “vòng điều khiển”, cả hai đại lượng vào và ra đều là tần số,chúng được so sánh với nhau về pha. Vòng điều khiển sẽ phát hiện và hiệu chỉnh sai số giữa tín hiệuvào và tín hiệu ra (Ud1=0). Tần số tín hiệu so sánh bằng tần số ra hoặc tỉ lệ với nhau theo hệ số chia.+ Các thành phần cơ bản của PLLMột bộ PLL bao gồm các khối cơ bản:- Bộ dao động có tần số điều khiển được (VCO/CCO).- Bộ tách sóng pha.- Bộ lọc thông thấp.+ Bộ tách sóng pha có nhiệm vụ tạo ra một tín hiệu phụ thuộc vào hiệu pha (hiệu tần) của hai tín hiệuvào. Các tín hiệu vào có thể là tín hiệu hình sin hoặc dãy xung hình chữ nhật. Có hai loại tách sóngpha tuyến tính và tách sóng pha phi tuyến.Tách sóng pha tuyến tính: thường là mạch nhân tương tự, tín hiệu ra của nó tỷ lệ vớibiên độ tín hiệu vào.Tách sóng pha phi tuyến: được thực hiện bởi các mạch số, do đó tín hiệu vào thường làcác dãy xung chữ nhật nên tín hiệu ra không phụ thuộc và biên độ tín hiệu vào. Các mạch số có thể làmạch AND OR NOT.+ Bộ lọc thông thấp có nhiệm vụ: nén tần số cao cho qua tần số thấp, đảm bảo cho PLL bắt nhanh vàbám được tín hiệu khi tần số biến đổi (có tốc độ đáp ứng cao). Dải thông của bộ lọc phải đủ lớn đểđảm bảo dải bắt cần thiết của PLL (vì dải bắt của PLL phụ thuộc vào dải thông của bộ lọc).Trong thực tế hay sử dụng các mạch lọc thông thấp loại lọc tích cực hoặc thụ động. Nếu dùnglọc thụ động thì đơn giản, độ tin cậy cao và ổn định. Nếu dùng lọc tích cực có thể tăng hệ số khuếchđại của hệ thống và có thể dùng hệ số khuếch đại này để điều chỉnh dải bắt của PLL theo ý muốn.+ Bộ tạo dao động có tần số điều khiển được:VCO thực chất là bộ tạo tần số điều khiển bằng điện áp. Do vậy VCO phải đảm bảo những yêucầu chung: điện áp điều khiển và tần số dãy xung ra phải tuyến tính, độ ổn định tần số cao đồng thờidải biến đổi tần số theo điện áp rộng dễ điều chỉnh thuận lợi cho việc tổng hợp thành vi mạch.- Hoạt động của PLL:Giả sử cả tín hiệu vào và ra đều là tín hiệu hình sin, vòng giữ pha thuộc loại tuyến tính sử dụngmạch nhân tương tự để tách sóng pha.+ Khi không có tín hiệu vào thì Ud1=0, mạch dao động điều khiển bằng điện áp (VCO) sẽ daođộng tại tần số W0 (đây là tần số dao động tự do hoặc dao động riêng của mạch VCO).+ Khi có tín hiệu vào, bộ tách sóng pha lúc này sẽ so pha (hoặc tần số) của tín hiệu vào với tínhiệu so sánh, tín hiệu Ud sẽ cho qua mạch lọc thông thấp thu được thành phần Ud1. Thành phần nàychỉ có một biên tần là Wv-Wr1 sẽ được khuếch đại và dùng làm tham số điều khiển VCO. Tần số củamạch VCO sẽ thay đổi soa cho Wv – Wr1 = 0, nghĩa là: fv = fr1. Nếu có hệ số chia N thì có thể viết fr =N.fv.+ Nếu Wv và Wr1 lệch nhau quá nhiều làm cho thành phần (Wv – Wr1) và thành phần (Wv +Wr1) sẽ nằm ngoài khu vực thông của bộ lọc. Khi đó không có tín hiệu điều khiển mạch VCO. Khi Wvvà Wr1 tiến lại gần nhau thì lúc này mạch VCO sẽ nhận được tín hiệu điều khiển, khi đó PLL sẽ hoạtđộng và ta nói PLL làm việc trong dải bắt.+ Dải giữ của PLL là giải tần số mà PLL có thể giữ được chế độ đồng bộ khi thay đổi tín hiệuvào. Dải giữ chỉ phụ thuộc vào biên độ điện áp điều khiển Ud1 và khả năng biến đổi tần số của mạchVCO.- Ứng dụng của PLLMạch vòng quá pha PLL được sử dụng để biến đổi tần số, di chuyển tần số từ miền tần số thấpsang miền tần số cao và ngược lại.+ Tách sóng tín hiệu điều tần:PLL khi sử dụng có kết cấu sao cho tần số dao động tự do W0 trùng với tần số trung tâm củatín hiệu điều tần. Tần số của mạch VCO bám theo tần số của tín hiệu đã điều tần ở đầu vào và điện ápUd1 tỷ lệ với ∆W = Wdt.+ Điều chế tần số:Để truyền tín hiệu số trên các đường truyền thoại hoặc để lưu trữ các tín hiệu số người tathường sử dụng hai bit nhị phân “0” và “1” được mã hoá theo hai tần số khác nhau. Khi đó mạch vòngquá pha PLL phải có kết cấu sao cho tần số dao động tự do W0 phải nằm giữa hai tần số trên sao chođiện áp ra tỷ lệ với tần số vào.+ Tổng hợp tần số:Thực hiện tạo ra một mạng tần số rời rạc từ tần số chuẩn có độ ổn định cao. PLL thực hiệnđược chế độ giữ pha nên các đặc tính ổn định và trôi nhiệt của các tần số được tạo ra cũnggiống như các tần số chuẩn. Các phép biến đổi của PLL:Phép nhân tần số với hệ số nhân N: fr=N.fchHình 3.2. Thực hiện tổng hợp tần số dùng PLLTổng hợp tần số với tần số ra không phải là bội của tần số chuẩn: tần số chuẩn đưa vàobộ chia với hệ số chia M, sau đó đưa vào bộ tách sóng pha. Tần số ra đưa về hồi tiếp qua bộchia với hệ số chia N (f0/N). Khi đồng bộ ta được: fch.N=f0.MHay ta có: f0=fr=(N/M).fchKhi thay đổi các hệ số chia N, M được thực hiện chính xác và tự động thông qua điều khiển từCPU.`PHẦN II: MÁY THU VÔ TUYẾN ĐIỆNCHƯƠNG IV: TỔNG QUAN VỀ MÁY THU VÔ TUYẾN ĐIỆN4.1. Khái quát thiết bị thu vô tuyến điện.4.1.1. Khái niệmMáy thu vô tuyến điện là một phần trong hệ thống thu phát vô tuyến điện. Nhiệm vụ chínhcủa máy thu là chọn lọc tín hiệu, tách tín hiệu tin tức ra khỏi dao động cao tần đã được điều chế.Sau đó tín hiệu tin tức được khuếch đại tới mức công suất đủ lớn thực hiện các giải mã cần thiếtvà được đưa tới các đầu ra phù hợp.4.1.2. Phân loại máy thu vô tuyến điện.Việc phân loại máy thu có thể dựa theo các chức năng, công suất, chế độ hoạt động, dải tần sốlàm việc hoặc có thể là dựa vào kiến trúc loại máy thu đó…:+ Phân loại theo công suất thu:- Máy thu công suất nhỏ: P < 10W.- Máy thu công suất vừa: 10W ≤ P < 1KW.- Máy thu công suất lớn: P ≥ 1KW.+ Phân loại theo dải tần công tác:- Máy thu sóng trung: dải tần từ 300Khz÷3MHz.- Máy thu sóng ngắn: 3MHz ÷ 30MHz.- Máy thu sóng cực ngắn: 30MHz ÷ 300MH+ Phân loại theo phương pháp điều chế:- Điều chế tương tự: Bao gồm các loại điều chế: Điều chế biên độ(AM ) (đơn biên, đabiên…); điều chế tần số( FM ) , điều chế pha (PM).- Điều chế số: Với các phương pháp điều chế: ASK (khóa dịch biên độ), FSK (khóa dịchtần số), PSK (khóa dịch pha), BPSK, AFSK….`+ Phân loại theo kiến trúc máy thu:- Máy thu heterodyne.- Máy thu image-reject.- Máy thu homodyne.- Máy thu subsampling.4.1.3. Các thông số kỹ thuật của máy thu vô tuyến điện.+ Hệ số khuếch đại (KRX) của máy thu: là khả năng khuếch đại đối với tín hiệu nhỏ nhất ởđầu vào máy thu. Hệ số khuếch đại quyết định độ nhạy máy thu.+ Độ nhạy của máy thu: là khả năng máy thu có thể tiếp nhận được tín hiệu nhỏ nhất ở đầuvào mà vẫn xử lý và đưa ra tín hiệu bình thường, không méo với công suất đầu ra danh định.Độ nhạy máy thu được đánh giá qua tỉ số tín hiệu tạp âm S/N (Sign/Noise) thông thường giá trịnày vào khoảng 20dB.+ Độ chọn lọc của máy thu: là khả năng thu nhận các tín hiệu mong muốn và làm suygiảm các tín hiệu khác. Người ta định nghĩa độ chọn lọc của máy thu theo tỉ số giữa hệ số khuếchđại đối với tín hiệu và hệ số khuếch đại của nhiễuĐộ chọn lọc của máy thu với kênh lân cận là khả năng máy thu làm suy giảm tín hiệu cótần số lân cận với tấn số thu (±10KHz).+ Dải tần hoạt động của máy thu: đây là một thông số quan trọng, tham số này nói lên khảnăng thu được dải tần số hay băng tần làm việc của máy thu và độ rộng băng tần thu được. Mộtđặc điểm khác biệt của máy thu vô tuyến điện là dải tần làm việc rộng hơn so với máy phát.+ Chế độ làm việc của máy thu: thể hiện khả năng làm việc và khả năng tách các tín hiệutin tức với các loại tín hiệu điều chế khác nhau (máy thu đơn biên, đa biên, máy thu tương tự,máy thu kỹ thuật số).+ Độ ổn định tần số và độ chính xác tần số: là khả năng máy thu hoạt động ổn định vàchính xác tại tần số thu, tránh hiện tượng trôi tần số sẽ có ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu vàhiệu suất của máy. Chúng được xác định qua tỉ số: Δf/f trong đó Δf là độ sai lệch tần số, f là tầnsố thu.+ Độ méo: để đảm bảo máy thu hoạt động với hiệu suất cao và chất lượng tín hiệu tốt (độnhạy, độ chọn lọc tần số) thì ảnh hưởng của méo càng thấp càng tốt.Ngoài ra còn một số thông số phụ thuộc vào mục đích sử dụng và điều kiện làm việc của máy thunhư:- Nguồn cung cấp cho thiết bị.- Công suất tiêu thụ nguồn.- Công suất đầu ra (vd: tai nghe, loa…).- Đặc điểm về kết cấu, tính cơ học, nhiệt độ và môi trường làm việc.4.2. Các kiến trúc hệ thống máy thu vô tuyến điện.4.2.1. Sơ đồ khối máy thu khuếch đại thẳng.``Máy thu khuếch đại thẳng là loại máy thu có nhiều nhược điểm như độ nhạy, độ chọn lọcvà khả năng ổn định tần số kém, dải thông hẹp. Do đó loại máy thu có kiến trúc này ngày naykhông được sử dụng (hình 4.1).antenMạch vàoKĐCTTáchsóngKĐ âmtầnHình 4.1. Sơ đồ khối máy thu khuếch đại thẳng.Nguyên lý hoạt động:Tín hiệu cao tần (RF- Radio Frequency) được anten thu nhận và đưa đến đầu vào máy thu.Mạch vào máy thu sẽ thực hiện chọn lọc tần số cần thu thông qua phương pháp cộng hưởng tầnsố.Tín hiệu thu sau khi được lọc bỏ những thành phần nhiễu sẽ được khuếch đại cao tần tớibiên độ đủ lớn để đưa vào bộ tách sóng (giải điều chế) và thu nhận lại tín hiệu tin tức đã điều chếở phía phát.Tín hiệu tại anten mà máy thu cảm nhận được có giá trị rất nhỏ, do đó các yếu tố của mạchvào cũng ảnh hưởng đến khả năng tách sóng của máy thu.Với kết cấu và hoạt động đơn giản, máy thu khuếch đại thẳng có các tính năng hạn chế,hiệu suất và chất lượng không cao, công suất, chất lượng tín hiệu thu cũng như khả năng chốngnhiễu và các thông số kỹ thuật khác của máy thu có giá trị thấp.4.2.2. Sơ đồ khối máy thu đổi tần.Hình 4.2. Sơ đồ khối cơ bản của máy thu đổi tần.Máy thu đổi tần đã khắc phục được những nhược điểm của máy thu khuếch đại thẳng. vớiđặc điểm là khuếch đại tín hiệu ở tần số trung gian sử dụng các bộ khuếch đại chọn lọc (tải là cáckhung cộng hưởng) nên dễ đạt được hệ số khuếch đại lớn kể cả ở những băng tần sóng ngắn.Ưu điểm của máy thu đổi tần:`- Độ nhạy máy thu cao.- Hệ số khuếch đại đồng đều trên cả băng sóng.- Độ chọn lọc cao.- Do sử dụng tần số trung gian và độ chọn lọc nằm trong phạm vi trung tần nên đặc tínhtần số của toàn máy gần như không thay đổi trong toàn bộ dải sóng.Tần số trung tần của máy thu giảm nhiều so với tần số cao tần kết hợp với các mạch cộnghưởng có hệ số phẩm chất lớn đã cho phép máy thu nhận được tín hiệu có độ chọn lọc và độ nhạycao và dạng đặc tuyến tần số gần lý tưởng. Các tầng từ phạm vi tần số cao (RF) đến âm tần đềuthực hiện khuếch đại tại các tần số khác nhau nên tránh được hiện tượng ghép ký sinh giữa cáctầng.Ở một số máy thu vô tuyến điện có chất lượng cao (độ nhạy, độ chọn lọc, hiệu suất cao),đặc biệt là các máy thu chuyên dụng người ta thường thực hiện đổi tần từ 2 đến 3 lần.4.2.3. Một số hệ thống thu đổi tần thông dụng.4.2.3.1. Hệ thống thu Heterodyne:Hệ thống thu Heterodyne là một trong những hệ thống được ứng dụng phổ biến trong lĩnhvực thông tin truyền sóng điện từ hiện nay.* Nguyên lý của hệ thống:- Tín hiệu sóng vô tuyến RF (Radio Frequency) có tần số rất cao đầu tiên được khuyếchđại trong bộ trọn tần, sau đó tín hiệu cao tần này sẽ chuyển đổi xuống tần số IF (IntermediaterFrequency) thấp hơn hay còn gọi là trung tần và fIF =fRF -fLO . Tín hiệu này sau khi được khuyếchđại và đưa vào bộ lọc tần trung thì cuối cùng ta sẽ đưa tín hiệu được về dải tần cơ sở.Hình 4.3. Sơ đồ nguyên lý hệ thống thu Hecterodyne- Bộ trộn được xem như mạch nhân analog mà tín hiệu RF được trộn hay nhân với tín hiệuđược tạo ra với bộ dao động nội tại (Local Ocilator), ở đây thành phần dao động nội tại điềuchỉnh thêm vào thì rất quan trọng với việc ứng dụng của bộ thu heterodyne ví dụ như trong cácthiết bị radio,Tv, vệ tinh và các thiết bị thông tin khác.Dải băng đối xứng phía trên và dưới của dao động nội tại sẽ đổi tần cùng tạo ra tần số IFgiống nhau.Phần ảnh được coi như là nhiễu của hệ thống và đo bằng tỉ số SNR và bộ lọc ảnh nhiễu IR(Image reject) lúc này cần được thêm vào.`* Đánh giá hệ thống:`Ưu điểm:- Hệ thống này có độ nhạy cao trong việc thu các tần số và đối tượng xử lý ở đây chỉ là tầnsố.- Mạch analog xử lý tín hiệu sau khi đưa về trung tần là đơn giản.Nhược điểm:- Hệ thống máy thu này là có phát sinh hiện tượng tần số ảnh, để khắc phục lỗi này ngườita thường loại bỏ tần số ảnh bằng việc thêm vào một bộ lọc tại đằng trước của bộ trộn tần.- Giá thành bộ lọc IR đắt.- Hệ thống nhìn chung là phức tạp tiêu thụ công suất lớn.4.2.3.2. Hệ thống thu loại ảnh.• Hệ thống thu khử ảnh (image-reject )• Mục đích chính của bộ thu khử ảnh là xử lý việc khử ảnh mà không sử dụng bộ lọc bênngoài.• Hai mô hình thu loại ảnh: Mô hình Harley và mô hình Weaver.a) Mô hình Harley:* Nguyên lý:Tín hiệu RF đầu vào được trộn với tínhiệu dao động nội tại vuông góc ở đầu ra cótên là sin(ωLOt) và cos(ωLOt) sau đó được đưaqua bộ lọc thông thấp, tín hiệu tại nút x thìđược thay đổi 900 bởi mạng RC-CR, sau đó sẽđược cộng với tín hiệu tại nude b, nó có thểcoi là tổng của nút a và b nhằm loại bỏ ảnh vàchỉ giữ lại tín hiệu mong muốn. Trong thựcthế thì mạng RC-CR một phần là + 450 vàphần còn lại là - 450.* Nhận xét:Nguyên lý loại trừ của Hartley rất dễ bị ảnh hưởng bởi sự mất tương xứng của các dữ liệu,nếu pha của hai tín hiệu không hoàn toàn cân bằng thì hình ảnh chỉ bị loại bỏ một phần...các vấnđề liên quan đến mất tương xứng bao gồm lỗi I/Q và sự không chính xác của các tham số R và Csẽ dẫn đến biến đổi các thông số không tốt cho hệ thống.b) Mô hình Weaver.Để giảm bớt sự mất tương xứng với việc mạng RC-CR quay 90 độ trong cấu trúc củaHartley, mô hình Weaver có thể thay thế bằng quá trình trộn vuông góc hai lần.Câu trúc Weaver đạt được việc loại bỏ ảnh lớn hơn do không sử dụng mạng RC-CR tuynhiên do mạch điện vẫn phụ thuộc vào khử ảnh qua việc loại trừ do vậy vẫn có sự mất tươngxứng giữa các pha và đây là vấn đề đáng quan tâm.Mô hình Harley và Weaver đã loại bỏ sự cần thiết phải có bộ lọc để loại ảnh nhưng chúngcũng để lại sự mất tương xứng giữa các pha.Hình 4.4. Kiến trúc máy thu theo mô hình Wearver4.2.3.3. Hệ thống thu homodyneSự phát triển không ngừng của các mạng di động và các dạng thức giao tiếp không dây thìxu hướng đang tiến tới việc sẽ thu tín hiệu một cách trực tiếp.Việc thu cũng như biến đổi trực tiếpnày được đưa ra khái niệm hệ thống homodyne hay là chuyển đổi zero-IF (tần thấp mức 0). `* Nguyên lý:- Tín hiệu đầu tiên được khuyếch đại vàloại nhiễu, sau đó sẽ được chuyển đổi trựctiếp tới dải thông cơ sở hay thậm chí là sẽchuyển thẳng tới tín hiệu hiện thời.Khi tần sốcủa RF và LO là ngang bằng thì nó sẽ tiếnhành công việc được xem như là sự dòpha.Trong một vài trường hợp, việc thu tínhiệu sẽ được thực hiện chỉ khi mà dao độngnội bộ được đồng bộ về pha với tần số sóngmang chuyển tới, sự thu này được gọi làhomodyne- Zero IF (tần thấp mức 0)• Giả định rằng IF trong heterodyne được giảm đến 0, thì dao động nội tại sẽ chuyển điểmtrung tâm của kênh thu tới 0hz ,và phần của kênh mà được chuyển tới phía âm của trục tần số sẽtrở thành ảnh đối với một phần của kênh tương tự ở phía trục tần số dương.• Để có thể đạt được hiệu quả thu thông tin lớn nhất, chúng ta cần phảilấy cả hai phần của tín hiệu. Điều này sẽ được thực hiện bởi phương thức saucòn được gọi là đổi tần vuông góc. Nguyên lý của phương pháp này là tínhiệu sẽ được chia làm hai kênh và sẽ được đổi tần thấp bởi một dao động nội bộ, và có pha quaymột góc 90 độ với kênh còn lại tương ứng, vector của tín hiệu kết quả được biểu diễn như sau:Signal = I 2 + Q 2arg ( Signal ) = ϕ = arctgQI* Đánh giá hệ thống:Ưu điểm:- Phổ của tín hiệu RF đơn giản quá trình chuyển tần số qua việc chuyển thẳng xuống dảitần cơ sở ngay trong quá trình đổi tần đầu tiên- Việc chọn kênh chỉ yêu cầu một bộ lọc thông thấp- Tần số ảnh được loại bỏ không cần có các mô hình loại ảnh hay bộ lọc- Không cần bộ trộn, bộ khuyếch đại ở tần số trung gian do không có giai đoạn này.- Hệ thống đơn giản.Nhược điểm:- Nhược điểm chính của hệ thống này là sẽ có một khoảng rỗi gây ra bởi sự rò rỉ của tínhiệu dao động nội tại đối với sóng vô tuyến RF của bộ trộn, tín hiệu sẽ liên tiếp được phản chiếu |
