›
›

Giáo trình Hệ thống điện tử thông tin (Phần 1)

pdf 45 trang phuongnguyen 6140
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Hệ thống điện tử thông tin (Phần 1)", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfgiao_trinh_he_thong_dien_tu_thong_tin.pdf

Nội dung text: Giáo trình Hệ thống điện tử thông tin (Phần 1)

  1. 1 Ch−ơng 1 Các khái niệm cơ bản của hệ thống ĐIệN Tử THÔNG TIN 1.1 Các thμnh phần của hệ thống điện tử thông tin 1.1.1 Sơ đồ khối của hệ thống Điện tử THÔNG TIN Trong điện tử thông tin, thông tin đ−ợc truyền từ nơi nμy đến nơi khác bằng thiết bị điện tử thông qua môi tr−ờng truyền. Sơ đồ khối cơ bản của hệ thống đ−ợc biểu diễn nh− hình 1.1: Tín hiệu vμo: Tín hiệu ra Máy phát Môi tr−ờng Máy thu truyền âm thanh, dữ Tx Rx liệu, hình ảnh Nhiễu Nhiễu Nhiễu Hình 1.1. Sơ đồ khối của hệ thống điện tử thông tin + Máy phát: Tập hợp các linh kiện vμ mạch điện tử đ−ợc thiết kế để biến đổi tin tức thμnh tín hiệu phù hợp với môi tr−ờng truyền. + Môi tr−ờng truyền: Ph−ơng tiện để truyền thông tin, có thể lμ dây dẫn (gọi lμ hữu tuyến nh− cáp đồng trục, cáp sợi quang) hoặc lμ khoảng không gian từ nơi phát đến nơi thu (gọi lμ vô tuyến, nh− trong thông tin vi ba số, thông tin vệ tinh) + Máy thu: Tập hợp các linh kiện vμ mạch điện tử đ−ợc thiết kế để nhận tín hiệu từ môi tr−ờng truyền, xử lý vμ khôi phục lại tín hiệu ban đầu. + Nhiễu: Tín hiệu ngẫu nhiên không momg muốn, xen lẫn vμo tín hiệu hữu ích, lμm sai dạng tín hiệu ban đầu. Nhiễu có thể xuất hiện trong cả 3 quá trình phát, truyền dẫn vμ thu. Do đó việc triệt nhiễu lμ một vấn đề quan trọng cần đ−ợc quan tâm trong hệ thống điện tử thông tin nhằm nâng cao chất l−ợng tín hiệu truyền dẫn. 1.1.2 Sơ đồ khối của máy phát
  2. 2 Máy thu thanh vμ máy thu hình dân dụng th−ờng đ−ợc đổi tần 1 lần. Máy thu thông tin chuyên dụng đ−ợc đổi tần 2 lần nhằm tăng độ chọn lọc vμ loại bỏ nhiễu tần số ảnh. Các tín hiệu ban đầu (nguyên thuỷ) dạng t−ơng tự hay số ch−a điều chế đ−ợc gọi lμ tín hiệu băng gốc (Base Band Signals). Tín hiệu băng gốc có thể đ−ợc truyền trực tiếp trong môi tr−ờng truyền nh− điện thoại nội bộ (Intercom), giữa các máy tính trong mạng LAN hoặc truyền gián tiếp bằng kỹ thuật điều chế. + Điều chế: lμ quá trình biến đổi một trong các thông số của sóng mang cao tần hình sine (biên độ, tần số hoặc pha) tỉ lệ với tín hiệu băng gốc. Có ba loại điều chế t−ơng tự cơ bản: điều biên AM, điều tần FM, điều pha PM vμ các biến thể của nh− SSB, DSB, SAM Có ba loại điều chế số cơ bản: ASK, FSK, PSK vμ các biến thể của nh− CPFSK, QPSK, M-PSK, M-QAM Tín hiệu vμo Điều chế Đổi tần KĐCS cao tần Tổng hợp Điều tần số khiển số Hình 1.2 Sơ đồ khối tổng quát của máy phát + Đổi tần: (Trộn tần-Mixer) lμ quá trình dịch chuyển phổ của tín hiệu đã điều chế lên cao (ở máy phát) hoặc xuống thấp (ở máy thu) mμ không thay đổi cấu trúc phổ (dạng tín hiệu) của nó để thuận tiện cho việc xử lý tín hiệu. + Tổng hợp tần số: (Frequency Synthesizer) lμ bộ tạo nhiều tần số chuẩn có độ ổn định cao từ một hoặc vμi tần số chuẩn của dao động thạch anh. + Khuếch đại công suất cao tần: Khuếch đại tín hiệu đã điều chế ở tần số nμo đó đến mức công suất cần thiết, lọc, phối hợp trở kháng với anten phát. + Anten phát: lμ phần tử biến đổi năng l−ợng điện cao tần thμnh sóng điện từ bức xạ vμo không gian.
  3. 3 1.1.3 Sơ đồ khối của máy thu KĐCT Đổi tần KĐTT Đổi tần KĐTT Giải KĐCS (LNA) 1 1 2 2 điều chế AGC Tổng hợp Điều tần số khiển số Hình 1.3 Sơ đồ khối tổng quát của máy thu + Anten thu: lμ phần tử biến đổi năng l−ợng sóng điện từ thμnh tín hiệu cao tần ở ngõ vμo của máy thu, anten có tính thuận nghịch. + Bộ khuếch đại cao tần tín hiệu nhỏ: (RFAmp) th−ờng lμ bộ khuếch đại nhiễu thấp LNA (Low Noise Amplifier). Nó khuếch đại tín hiệu thu đ−ợc từ anten đến mức cần thiết để đổi tần xuống trung tần. + Bộ khuếch đại trung tần: IF Amp (Intermediate Frequency Amplifier): Bộ khuếch đại có độ chọn lọc cao, hệ số khuếch đại lớn để tăng điện áp tín hiệu đến mức cần thiết cho việc giải điều chế. ở nhiều máy thu hiện đại, nhằm tăng chất l−ợng, việc đổi tần đ−ợc thực hiện 2 lần nh− hình vẽ. + Giải điều chế: (Demodulation) lμ quá trình khôi phục lại tín hiệu ban đầu (tín hiệu đ−a vμo điều chế ở máy phát) từ tín hiệu trung tần. + Mạch điện tử thông tin liên quan đến tần số cao: Bộ tổng hợp tần số, Bộ điều khiển số, tải chọn lọc tần số không thuần trở, phối hợp trở kháng, anten, mạch xử lý tín hiệu Ngμy nay, công nghệ hiện đại đã chuẩn hoá vi mạch hầu hết phần cao tần tín hiệu nhỏ của máy thu vμ máy phát.
  4. 4 1.2 . Phổ tần số Việc phân loại phổ tần số ra nhiều dải tần để nâng cao hiệu quả sử dụng ở máy thu: Tên dải tần Tần số B−ớc sóng Tần số cực thấp (ELF) (30 - 300) Hz 107ữ 10 6 m Extremly Low Frequency Tần số tiếng (VF) (300 - 3000) Hz 106ữ 10 5 m Voice Frequency Tần số rất thấp (VLF) (3 - 30)KHz 105ữ 10 4 m Very Low Frequency Tần số thấp (LF) (30 - 300)KHz 104ữ 10 3 m Low Frequency Tần số trung bình (MF) (300 - 3000)KHz 103ữ 10 2 m Medium Frequency Tần số cao (HF) (3 - 30)MHz 102ữ 10 1 m High Frequency Tần số rất cao (VHF) (30 - 300)MHz 10ữ 1 m Very High Frequency Tần số cực cao (UHF) (300 - 3000)MHz 1ữ 10 −1 m Ultra High Frequency Tần số siêu cao (SHF) (3 - 30)GHz 10−1 ữ 10 −2 m Super High Frequency Tần số siêu cực cao (EHF) (30 - 300)GHz 10−2 ữ 10 −3 m Extremly High Frequency Vùng ánh sáng Hồng ngoại (IR) 0,7ữ 10μm Infrared Vùng ánh sáng thấy đ−ợc 0,4ữ 0,8μm The Visible Spectrum (Light)
  5. 5 Dải tần Vi ba (Microwave) có tần số từ 1GHz đến 40GHz đ−ợc chia lμm nhiều dải nhỏ: L Band : (1 - 2) GHz S Band : (2 - 4) GHz C Band : (4 - 8) GHz X Band : (8 - 12) GHz Ku Band : (12 - 18) GHz K Band : (18 - 27) GHz Ka Band : (27 - 40) GHz 1.3 Băng thông Băng thông lμ hiệu giữa tần số lớn nhất vμ tần số nhỏ nhất của tín hiệu. Đó lμ khoảng tần số mμ phổ tín hiệu chiếm giữ hoặc lμ khoảng tần số tín hiệu đ−ợc truyền từ máy phát đến máy thu. Khi tín hiệu ban đầu đ−ợc điều chế lên sóng mang cao tần, phổ của tín hiệu cao tần đã điều chế chiếm giữ một băng thông quanh tần số sóng mang. Tuỳ theo kiểu điều chế mμ băng thông cao tần có độ rộng khác nhau. Các kỹ thuật viễn thông h−ớng đến việc giảm băng thông tín hiệu truyền, giảm nhiễu, tiết kiệm phổ tần số. 1.4 Các ứng dụng kỹ thuật thông tin điện tử 1.4.1 Thông tin một chiều (Simplex) - Phát thanh quảng bá AM, FM - Truyền hình quảng bá - Truyền hình cáp - Nhắn tin - Đo xa, điều khiển xa 1.4.2 Thông tin hai chiều (Duplex) - Điện thoại công cộng - Điện thoại vô tuyến di động hoặc cố định - Điện thoại di động tế bμo - Truyền hình t−ơng tác
  6. 6 - Thông tin của các trạm mặt đất thông qua vệ tinh - Thông tin hμng không, thông tin vi ba số - Thông tin số liệu giữa các máy vi tính 1.5 Một số khái niệm cơ bản về cao tần 1.5.1 Bán dẫn công suất cao tần Để có đ−ợc công suất lớn ở tần số cao, BJT công suất cao tần đ−ợc chế tạo bằng công nghệ đặc biệt, nhiều tiếp giáp Emitter nhằm tăng chu vi dẫn dòng điện cao tần, giảm điện trở cực Base vμ các điện dung kí sinh. C B Base Điện trở cân bằng Emitter E Hình 1.4 Cấu trúc BJT công suất cao tần Số tiếp giáp Emitter có thể vμi chục, vμi trăm hoặc hơn nữa. Cb’c rbb’ r = R B b’e ip B’ Cb’e E Hình 1.5 Mạch t−ơng đ−ơng ngõ vμo BJT công suất cao tần rbb’ =rb lμ điện trở của bản thân cực base (phụ thuộc vμo bề dμy của base)
  7. 7 CCC, ,,, Bản chất BJT lμ luôn luôn tồn tại các điện dung mối nối ( b e b c ce ) ảnh h−ởng đến hệ số khuếch đại ở tần số cao, lμm giới hạn tần số hoạt động của BJT. Thông th−ờng, kiểu khuếch đại cao tần mắc E chung cho công suất ra lớn. Tuy nhiên ở tần số cao, hồi tiếp âm điện áp qua Cb, c tăng, lμm giảm hệ số khuếch đại. Tụ CCA= , (1+ ) nμy tác động nh− tụ Miller t−ơng đ−ơng có giá trị lớn ở ngõ vμo: inMiller b c V trong đó AV lμ hệ số khuếch đại điện áp của mạch. Từ đó, tạo ra tụ t−ơng đ−ơng ở ngõ CCC= + , vμo của BJT công suất cao tần nh− hình 1.6, có giá trị in inMiller b e C B E CMiller Cb’e Cin Hình 1.6 Tụ t−ơng đ−ơng ngõ vμo BJT công suất cao tần Do đó, trở kháng vμo của BJT (ZiQ), Av, hệ số khuếch đại dòng Ai, hệ số khuếch đại công suất Ap, β đều giảm khi tần số tăng. BJT thể hiện quán tính, đáp ứng vμo - ra không tức thời. Giữa dòng Ic vμ Ib có sự dịch pha, biên độ dòng ra Ic giảm. Mắc B chung lμ giải pháp tối −u của khuếch đại công suất cao tần, tuy hệ số khuếch đại công suất của nó nhỏ hơn so với sơ đồ mắc E chung nh−ng phạm vi tần số hoạt động cao hơn, băng thông đều vμ rộng hơn. JFET vμ MOSFET có cấu trúc bán dẫn khác BJT, chúng có trở kháng vμo lớn, điện dung tiếp giáp Cgs nhỏ, hoạt động tốt ở tần số cao với công suất lớn ổn định hơn BJT. JFET vμ MOSFET công suất cao tần đang đ−ợc dùng rất nhiều trong các hệ thống thông tin hiện đại nh− trạm gốc BTS của điện thoại di động tế bμo, phát thanh, truyền hình, vi ba, SSPA ( Solid State Power Amp), thông tin vệ tinh
  8. 8 1.5.2. Truyền công suất lớn nhất PRL X = - XS E = 1V X X R = 1Ω S S ZS RS RL V X = XS = 1Ω RL E R /R 1 2,2 L S a) b) Hình 1.7 a/ Nguồn cung cấp công suất cho tải Z L b/ Sự phụ thuộc công suất tải PRL theo RL 2 Công suất trên tải: PVIIRRL =RL = L 2 ⎡ E ⎤ PRL = ⎢ ⎥ RL ⎢ 2 2 ⎥ ⎣ ()()RRXXSL+ +S + ⎦ 2 ER. L PRL = 2 2 ()()RRXXSL+ +S + XS, X lμ phần kháng của nội trở nguồn vμ tải. 2 ER. L Khi XS =-X thì công suất trên tải lμ PRL = 2 ()RRSL+ Khảo sát sự biến thiên PRL theo RL bằng cách lấy đạo hμm, cho bằng zero. 2 ' ERRR.[(SL+ ) − 2L ] PRL = 3 = 0 ()RRSL+ Suy ra RS=RL. Khi đó công suất trên tải lμ cực đại: E 2 E 2 PRL max = = 4RL 4RS Đồ thị biến thiên PRL theo RL cho ở hình 1.7b.
  9. 9 Vậy trở kháng nguồn bằng trở kháng tải RS + jXS = RL - jX hay RS = RL vμ XS =-X Ta nói có sự truyền công suất lớn nhất ra tải. Nếu yêu cầu truyền công suất lớn nhất trong cả một dải tần số thì giá trị thích hợp cho phối hợp trở kháng không phản xạ lμ ZL = ZS hay RS + jXS = RL + jX. Tuy nhiên hiệu suất sẽ nhỏ hơn so với một tần số. Vấn đề nμy liên qua đến sự lựa chọn truyền tín hiệu trên dây truyền sóng. 1.5.3 Mạch điều h−ởng song song vμ nối tiếp (Parallel and Serial Tuned Circuit) Mạch điều h−ởng song song: Cho mạch L, C song song, trong đó r - điện trở tổn hao của cuộn dây. Trở kháng t−ơng đ−ơng của mạch điều h−ởng: (r+ jXL )( − jX C ) Z eq = r+ j() XLC − X XL=ωL : Cảm kháng cuộn dây. 1 X = : dung kháng của tụ điện. c ωC Zeq L Req(ω0) C r ω ω0 2ω0 3ω0 Hình 1.8 Mạch điều h−ởng song song Hình 1.9 Đáp tuyến Zeq(ω) Thông th−ờng r << XL nên: XX Z = LC . eq r+ j() X − X mch LC
  10. 10 1 1 L Tại tần số cộng h−ởng ω=ω0= có XXLL =C =ω 0 = = = ρ LC ω 0C C ρ - trở kháng đặc tính. Thay thế vμo biểu thức tính trở kháng: 2 XXLC ρ Q Zeq = = =ρQ = ω 0 LQ = = R eq r r ω C ()ωo mch()ω o o ρ Req (ω ) Req (ω ) Q = = 0 = 0 . mch r X L X C Q lμ hệ số phẩm chất của mạch cộng h−ởng song song. fo Băng thông B = ; ω =2πfo. Q 0 Tại tần số cộng h−ởng ω=ωo, trở kháng của mạch cộng h−ởng song song coi nh− thuần trở có Req(ωo) lớn. Tại tần số lệch cộng h−ởng ω=nωo (n = 2,3, ), trở kháng 2 Zeq(nωo) coi nh− thuần kháng rất nhỏ Zeq(nωo)=-jρn/(n +1)<< Req(ωo). Đáp tuyến của Req(ωo) có dạng nh− hình 1.9 Ví dụ: ở hình 1.8 có C = 10pF; Q = 200; fo = 10MHz. Tính Req(ωo) vμ r. Q 200 Giải: R eq = = 7 −12 =318k Ω ()ωo ω oC 2.3.14.10 .10.10 Req (ω ) 318.103 r = 0 = =7,96 Ω Q 2 2002 1. Ghép một phần điện cảm mạch cộng h−ởng: L 2 a L C Req L Ze 1 b Hình 1.10 Ghép một phần điện cảm 2 2 2 ()ω0L 1 () ω 0 L ⎛ L1 ⎞ 2 Z e = = .⎜ ⎟ ; 0 ≤Ze = P.Re q (ω 0 )≤ Req (ω 0 ) ; r r ⎝ L ⎠ P = L1/L : hệ số ghép vμo khung cộng h−ởng.
  11. 11 L = L1+L2 2. Ghép một phần điện dung mạch cộng h−ởng: 2 2 ⎛ 1 ⎞ ⎛ 1 ⎞ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ 2 ω C ω C ⎛ C ⎞ C2 Z = ⎝ 0 1 ⎠ = ⎝ 0 ⎠ .⎜ ⎟ = P2 .Re q (ω ) e ⎜ ⎟ 0 a Req r r ⎝ C1 ⎠ L Ze CC. C C1 C = 1 2 ; P = : hệ số ghép. b CC1+ 2 C1 Hình 1.11 Ghép một phần điện dung 0≤Ze ≤ Re q (ω 0 ) Các biến thể cách ghép mạch điều h−ởng: C2 L2 L3 C a L c a L2 L1 c Ze Ze Ze1 1 C1 2 L 1 Ze b d 2 b d a) b) Hình 1.12 a/ Ghép một phần điện dung ngỏ vμo, điện cảm ngỏ ra b/ Ghép một phần điện cảm ngỏ vμo vμ ra Mạch điều h−ởng điện tử: thay thế tụ C trong mạch điều h−ởng song bởi varicap. CV C1 +VT R L CV V a) b) c) Hình 1.13 a/ Kí hiệu Varicap. b/ Đặc tuyến Varicap. c/ Mạch điều h−ởng điện tử Mạch điều h−ởng song song vμ các biến thể dùng lμm mạch tiền chọn lọc ngỏ vμo máy thu, tải chọn lọc cao tần, bộ chọn lọc trung tần, dao động, phối hợp trở kháng v.v Mạch điều h−ởng nối tiếp:
  12. 12 Trở kháng t−ơng đ−ơng Zeq = r+jx = r+j(ωL-1/ωC) 2 2 Tổng trở: Zeq = r + x Góc pha: ϕ(Zeq) = arctg(x/r) Tại tần số cộng h−ởng nối tiếp ω0 có ω0L = 1/(ω0C) nên Zeq(ω0) = r. Mạch điều h−ởng nối tiếp th−ờng đ−ợc dùng lμm mạch lọc. 1.5.4. Mạch phối hợp trở kháng Xét mạch phối hợp trở kháng cao tần hình 1.14 Mạch phối hợp trở kháng Zi Zi ZL ~ E Z = Z ~ E L i ≠ ZL Zi Nguồn RF Nguồn RF a) b) Hình 1.14 Nguồn phối hợp trở kháng tải a/ lý t−ởng Zi = ZL thuần trở b/ biến đổi trở kháng Z thμnh Z hoặc ng−ợc lại i L Một trong những vấn đề quan trọng của máy phát, máy thu lμ phối hợp trở kháng có chọn lọc tần số giữa các tầng, đặc biệt giữa tầng công suất ra cao tần với anten phát hay giữa anten thu với ngõ vμo máy thu để truyền công suất tín hiệu lớn nhất vμ loại nhiễu. Các mạch phối hợp trở kháng có dạng LC, biến áp hay tổ hợp giữa chúng. Với tr−ờng hợp a, Zi = ZL có công suất trên tải cực đại. ở tần số cao (RF) ít khi Zi vμ ZL lμ thuần trở mμ bao giờ cũng có phần kháng nμo đó. ở tr−ờng hợp tổng quát Zi ≠ ZL hình b/ cần có mạch phối hợp trở kháng để truyền công suất tín hiệu lớn nhất ra tải. Ví dụ nh− cần truyền công suất máy phát cao tần ra tải lμ anten phát. Dạng phối hợp trở kháng đơn giản nhất hình Γ gồm có cuộn cảm L vμ tụ điện C với các cấu hình khác nhau:
  13. 13 Zi L Zi L E E ~ C ZL ~ C ZL Nguồn RF Nguồn RF a) b) C Zi=Ri C Zi=Ri L E L E ~ L ~ = R L = R L L Z Z Nguồn RF Nguồn RF c) d) Hình 1.15 Bốn kiểu mạch phối hợp trở kháng đơn giản hình Γ Biến áp lμ một trong những thμnh phần phối hợp trở kháng thích hợp nhất. Biến áp lõi sắt dùng ở tần số thấp, dễ dμng biến đổi trở kháng theo yêu cầu – tuỳ vμo tỉ số vòng dây cuộn sơ cấp vμ thứ cấp. 2 Z ⎛ n ⎞ n Z i ⎜ p ⎟ p i = ⎜ ⎟ hay = ; np , ns số vòng cuộn dây sơ cấp vμ thứ cấp. Z L ⎝ ns ⎠ ns Z L Biến áp lõi không khí dùng ở tần số cao có hiệu suất thấp hơn biến áp lõi sắt tần số thấp. Một lõi sắt từ đặc biệt hình xuyến đ−ợc chế tạo lμm biến áp phối hợp trở kháng ở tần số cao. Kiểu biến áp tự ngẫu lõi xuyến cũng đ−ợc dùng để phối hợp trở kháng giữa các tầng. Zi Zi ns np ~ ~ np ns RL RL a/ giảm trở kháng a/ nâng trở kháng Hình 1.16 Phối hợp trở kháng dùng biến áp tự ngẫu
  14. 14 T−ơng tự nh− biến áp lõi không khí, biến áp lõi Ferrite buộc từ tr−ờng tạo bởi cuộn sơ cấp tập trung vμo lõi, nhờ đó có một số −u điểm quan trọng sau: Thứ nhất lμ lõi Ferrite không bức xạ năng l−ợng cao tần do đó không cần bọc giáp, trong khi ở lõi không khí thì ng−ợc lại vì không tập trung đ−ợc từ tr−ờng. Phần mạch máy thu, máy phát dùng lõi không khí phải bọc kim tránh giao thoa tín hiệu với phần mạch khác. Thứ hai lμ hầu hết từ tr−ờng tạo bởi cuộn sơ cấp đều cắt qua cuộn thứ cấp nên tỷ số vòng dây cuộn sơ cấp - thứ cấp, tỷ số điện áp vμo - ra hay tỷ số trở kháng t−ơng tự nh− ở biến áp tần số thấp. Trong nhiều thiết kế mạch tạo cao tần mới, biến áp lõi xuyến đ−ợc dùng phối hợp trở kháng giữa các tầng. Đôi khi cuộn sơ vμ thứ cấp của loại biến áp nμy đ−ợc dùng lμm điện cảm của mạch điều h−ởng. Cuộn cảm lõi xuyến dùng ở RF có −u điểm hơn lõi không khí vì độ từ thẩm cao của lỗi dẫn đến điện cảm lớn, đặc biệt khi đ−a thêm lõi sắt vμo thì điện cảm tăng lọt. Với ứng dụng trong cao tần, điều đó có nghĩa lμ giá trị điện cảm sẽ tăng nếu thêm một số ít vòng dây mμ kích th−ớc cuộn cảm vẫn nhỏ. Vμi vòng dây có điện trở nhỏ tức lμ hệ số phẩm chất Q của cuộn dây lớn hơn so với lõi không khí. Cuộn dây lõi xuyến từ thực sự thay thế cuộn dây lõi không khí trong các máy phát hiện đại. ứng dụng nhiều nhất của nó lμ giảm thiểu số vòng dây mμ vẫn có giá trị điện cảm lớn. Biến áp lõi xuyến từ có thể đấu nối cho phép phối hợp trở kháng dải rộng ở cao tần. Dấu chấm chỉ pha của vòng dây, tỷ số vòng dây biến áp 1:1 cũng lμ tỷ số phối hợp trở kháng. Zi 1:1 L 1:1 L = R ~ L ~ = R L Z Z a/ Nguồn đối xứng, tải bất đối xứng b/ Nguồn bất đối xứng, tải đối xứng Hình 1.17 Biến áp Balun kết nối đối xứng hay bất đối xứng tải với nguồn cao tần.
  15. 15 Z Zi i Z = Z /4 ~ ~ L i ZL = 4Zi a/ Tăng trở kháng từ Zi sang ZL = 4Zi b/ Giảm trở kháng từ Zi sang ZL = Zi/4 Hình 1.18 Biến áp Balun phối hợp tăng vμ giảm trở kháng Nhiều biến áp balun khác có tỷ số biến đổi trở kháng 9:1; 16:1 có đ−ợc bằng cách mắc nối tiếp biến áp balun có tỷ số biến đổi lớn. Điều chú ý các vòng dây không đ−ợc gây nên cộng h−ởng ở tần số lμm việc dải rộng. Biến áp balun dải rộng hữu ích cho thiết kế khuếch đại công suất cao tần dải rộng, không cần phải điều chỉnh phức tạp phần công suất cao tần, tuy nhiên lọc hμi bậc cao không đ−ợc tốt. Một giải pháp khắc phục lμ thiết kế phần mức công suất nhỏ dùng mạch điều h−ởng loại hμi bậc cao, tầng công suất ra cao tần, dải rộng. Bộ khuếch đại công suất ra cao tần có thể hoạt động ở chế độ A, B, C vμ D (chế độ đóng mở). +V RFC 1:4 16:1 RFin RA 4:1 4:1 Hình 1.19 Khuếch đại công suất cao tần chế độ A dải rộng dùng biến áp Balun phối hợp trở kháng. Trong nhiều tr−ờng hợp, Anten nằm trên cột cao áp cách xa máy phát, máy thu. Ví dụ Anten thu TV, anten máy phát thanh - phát hình, anten viba v.v. Dây truyền sóng nối giữa anten phát với ngõ ra máy phát hoặc ngõ vμo máy thu với anten thu có trở kháng bằng nhau thì có công suất lớn nhất. Có hai loại dây truyền sóng cơ bản:
  16. 17 Ch−ơng 2 Máy phát 2.1 Định nghĩa vμ phân loại Một hệ thống thông tin bao gồm: máy phát, máy thu vμ môi tr−ờng truyền sóng nh− hình 2.1. Trong đó máy phát lμ một thiết bị phát ra tín hiệu d−ới dạng sóng điện từ đ−ợc biểu diễn d−ới một hình thức nμo đó. Môi tr−ờng Truyền sóng Máyphát Máy thu Hình 2.1 Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống thiết bị thu phát Sóng điện từ gọi lμ sóng mang hay tải tin lμm nhiệm vụ chuyển tải thông tin cần phát tới điểm thu. Thông tin nμy đ−ợc gắn với tải tin theo một hình thức điều chế thích hợp. Máy phát phải phát đi công suất đủ lớn để cung cấp tỉ số tín hiệu trên nhiễu đủ lớn cho máy thu. Máy phát phải sử dụng sự điều chế chính xác để bảo vệ các thông tin đ−ợc phát đi, không bị biến dạng quá mức. Ngoμi ra, các tần số hoạt động của máy phát đ−ợc chọn căn cứ vμo các kênh vμ vùng phủ sóng theo qui định của hiệp hội thông tin quốc tế, nhóm thông tin vô tuyến (ITU-R). Các tần số trung tâm của máy phát phải có độ ổn định cao. Do đó, chỉ tiêu kỹ thuật của máy phát lμ: Công suất ra, tần số lμm việc, độ ổn định tần số, dải tần số điều chế. Có nhiều cách phân loại máy phát 2.1 .1 Theo công dụng Máy phát Phát Phát Phát Thông tin Chg trình ứng dụng Cố Di Phát Phát Đo kh Ra định động thanh hình cách đa Hình 2.2 Phân loại máy phát theo công dụng
  17. 18 2.1.2 Theo tần số + Phát thanh: + 3KHz ữ 30KHz (100Km ữ 10Km): đμi phát sóng cực dμi VLW + 30KHz ữ 300KHz (10Km ữ 1Km): đμi phát sóng dμi LW + 300KHz ữ 3000KHz (1Km ữ 100m): đμi phát sóng trung MW + 3MHz ữ 30MHz (100m ữ 10m): đμi phát sóng ngắn SW + Phát hình vμ phát thanh FM + 30MHz ữ 300MHz (10m ữ 1m): đμi phát sóng mét (VHF) + 300MHz ữ 3000MHz (1m ữ 0,1m): đμi phát sóng dm (UHF) Trong đó dải tần số dùng trong phát thanh FM: 88MHz ữ 108MHz + Thông tin Vi ba vμ Rađa: + 3GHz ữ 30GHz (0,1m ữ 0,01m): đμi phát sóng cm + 30GHz ữ 300GHz (0,01m ữ 0,001m): đμi phát sóng mm 2.1.3 Theo ph−ơng pháp điều chế + Máy phát điều biên (AM), DSB + Máy phát đơn biên (SSB) + Máy phát điều tần (FM) vμ máy phát điều tần âm thanh nổi (FM Stereo) + Máy phát điều xung (PM) + Máy phát khoá dịch biên độ ASK, QAM, M-QAM + Máy phát khoá dịch pha PSK, QPSK, M-PSK + Máy phát khoá dịch tần FSK 2.1.4 Theo công suất + Máy phát công suất nhỏ Pra 1000KW Ngμy nay, trong các máy phát công suất nhỏ vμ trung bình ng−ời ta có thể sử dụng hoμn toμn bằng BJT, FET, MOSFET công suất, còn trong các máy phát có công suất lớn vμ cực lớn ng−ời ta th−ờng sử dụng các loại đèn điện tử đặc biệt. 2.2 Sơ đồ khối tổng quát của các loại máy phát 2.2.1 Sơ đồ khối tổng quát của máy phát điều biên (AM)
  18. 19 Tiền KĐ KĐCSÂT Điều chế Mạch ra âm tần KĐCSCT Tiền KĐ TBị an toμn Cao tần &lμm nguội Khối chủ Nguồn sóng Cung cấp khuếch đại âm tần: Có nhiệm vụ khuếch đại điện áp tín hiệu vμo đến mức cần thiết để đ−a vμo tầng khuếch đại công suất âm tần (KĐCSÂT). Vì đối với máy phát AM thì biên độ điện áp âm tần yêu cầu lớn để có độ điều chế sâu (m lớn) nên tầng nμy th−ờng có tầng khuếch đại micro vμ khuếch đại điện áp mức cao. + Khuếch đại công suất âm tần (KĐCSÂT): có nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu đến mức đủ lớn để tiến hμnh điều chế tín hiệu cao tần. + Khối chủ sóng (Dao động): có nhiệm vụ tạo ra dao động cao tần (sóng mang) có biên độ vμ tần số ổn định, có tầm biến đổi tần số rộng. Muốn vậy, ta có thể dùng mạch dao động LC kết hợp với mạch tự động điều chỉnh tần số (AFC), hoặc dùng dao động thạch anh. + Khối tiền khuếch đại cao tần (TKĐCT): có thể đ−ợc dùng để nhân tần số hoặc khuếch đại dao động cao tần đến mức cần thiết để kích thích cho tần công suất lμm việc. Nó còn có nhiệm vụ đệm, lμm giảm ảnh h−ởng của các tầng sau đến độ ổn định tần số của khối chủ sóng. Vì vậy, nó có thể có nhiều tầng: tầng đệm, tầng nhân tần vμ tầng tiền khuếch đại công suất cao tần (TKĐCSCT) + Khối khuếch đại công suất cao tần (KĐCSCT): có nhiệm vụ tạo ra công suất cần thiết theo yêu cầu công suất ra của máy phát. Công suất ra yêu cầu cμng lớn thì số tầng khuếch đại trong khối KĐCSCT cμng nhiều. + Mạch ra để phối hợp trở kháng giữa tầng KĐCSCT cuối cùng vμ anten để có công suất ra tối −u, đồng thời lọc các hμi bậc cao, không ảnh h−ởng đến các đμi xung quanh.
  19. 20 + Anten để bức xạ năng l−ợng cao tần của máy phát thμnh sóng điện từ truyền đi trong không gian. + Nguồn cung cấp điện áp phải có công suất lớn để cung cấp cho Transistor hoặc đèn điện tử công suất. + Ngoμi ra, máy phát phải có thiết bị an toμn vμ thiết bị lμm nguội. 2.2.2 Sơ đồ khối tổng quát của máy phát đơn biên (SSB) Thiết Bộ điều Bộ Bộ KĐại HTDD Bộ bị đầu chếđơn đổi lọc dđộng tầng ra lọc vμo biên tần 1 đchế 2 f1 Suy f2 Bộ kích giảm thích đơn biên Bộ tổng hợp Nguồn TB an toμn tần số cung cấp & lμm nguội Hình 2.4 Sơ đồ khối tổng quát của máy phát đơn biên Ngoμi các yêu cầu kỹ thuật chung của máy phát, máy phát đơn biên (SSB) còn phải có thêm một số chỉ tiêu kỹ thuật sau đây: - Mức méo phi tuyến - 35 dB - Bề rộng mỗi kênh thoại vμ tổng số kênh thoại - Tần số lμm việc: 1MHz - 30 MHz Việc xây dựng sơ đồ khối của máy phát đơn biên có một số đặc điểm riêng so với máy phát điều biên (AM). ở đây các bộ điều biên cân bằng vμ bộ lọc dải hẹp đ−ợc sử dụng để tạo nên tín hiệu đơn biên, nh−ng công suất bị hạn chế chỉ vμi mW. Nếu sóng mang ở dải tần số cao (sóng trung vμ sóng ngắn) thì không thể thực hiện đ−ợc bộ lọc với các yêu cầu cần thiết (dải thông hẹp, s−ờn dốc đứng ) vì vậy sẽ xuất hiện nhiễu xuyên tâm giữa các kênh, lμm giảm tỷ số tín hiệu trên nhiễu. Vì vậy, đối với máy phát đơn biên thì tần số sóng mang cơ bản để tạo đơn biên ở khoảng tần số trung gian: ( f1 =100KHz-500KHz). Do đó, sơ đồ cấu trúc của máy đơn biên gồm một bộ tạo tín hiệu đơn biên ở tần số trung gian (100-500)KHz sau đó nhờ một vμi
  20. 21 bộ đổi tần để chuyển đến phạm vi tần số lμm việc ( f1 =1MHz-30MHz) rồi nhờ bộ khuếch đại tuyến tính để khuếch đại đến một công suất cần thiết. + Thiết bị đầu vμo: th−ờng lμm nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu âm tần nếu tín hiệu nμy còn bé hoặc hạn chế tín hiệu âm tần nếu tín hiệu nμy quá lớn. + Bộ điều chế đơn biên (BĐCĐB): trong các máy phát công suất lớn BĐCĐB th−ờng đ−ợc xây dựng theo ph−ơng pháp lọc tổng hợp. Trong các máy phát công suất nhỏ, yêu cầu kỹ thuật không cao nên đôi khi có thể sử dụng bộ điều chế đơn biên theo ph−ơng pháp lọc - quay pha. Khi đó việc điều chế tín hiệu đơn biên có thể đ−ợc thực hiện ngay ở tần số lμm việc nên không cần có bộ đổi tần vμ bộ lọc 1. + Bộ tổng hợp tần số của máy phát đơn biên: lμ thiết bị chất l−ợng cao vμ phức tạp. Nó phải bảo đảm tần số sóng mang gốc ( f1 ) vμ các tần số khác ( f 2 ) có độ ổn định Δf tần số rất cao ( =10−7 ữ 10 −9 ). Vì vậy, cần dùng thạch anh để tạo các tần số gốc f + Bộ đổi tần: thực chất lμ bộ khuếch đại cộng h−ởng để lấy thμnh phần hμi f2= nf 1 . Chính nhờ bộ đổi tần mμ độ ổn định tần số của máy phát tăng lên. + Bộ lọc 1: có nhiệm vụ lọc các sản phẩm của quá trình đổi tần. + Bộ khuếch đại dao động điều chế (KĐDĐĐC): phụ thuộc vμo công suất ra mμ có số tầng từ 2 đến 4. Để điều chỉnh đơn giản, một, hai tầng đầu lμ khuếch đại dải rộng không điều h−ởng. Còn các tầng sau lμ các bộ khuếch đại cộng h−ởng. + Hệ thống dao động tầng ra dùng để triệt các bức xạ của các hμi vμ cũng để phối hợp trở kháng. Trong các máy phát đơn biên bộ lọc đầu ra th−ờng lμ một hay hai bộ lọc hình Π ghép với nhau vμ giữa chúng th−ờng có phần tử điều chỉnh độ ghép để nhận đ−ợc tải tốt nhất của máy phát. Tầng KĐDĐĐC đơn sử dụng đơn giản hơn so với tầng đẩy kéo. Song sử dụng tầng đơn thì gặp khó khăn lμ không phối hợp trở kháng với anten sóng ngắn đối xứng. Đối với máy phát công suất ra Pra = (20 - 40)Kw ng−ời ta dùng biến áp ra đối xứng có lõi Ferrite. Còn đối với máy phát công suất ra Pra = 100Kw ng−ời ta dùng biến áp đối xứng không có lõi. + Bộ lọc 2: dùng để triệt các thμnh phần cao tần xuất hiện trong dải tần số truyền hình, nên còn gọi lμ bộ lọc tín hiệu truyền hình. Đối với máy thu đơn biên ta phải đổi tín hiệu đơn biên thμnh điều biên để thực hiện tách sóng trung thực. Muốn vậy phải phục hồi sóng mang, điều nμy yêu cầu vòng khoá pha PLL. Do đó, ở máy phát
  21. 22 không triệt tiêu hoμn toμn tần số sóng mang mμ giữ lại sóng mang có biên độ bằng (5-20)%. Tần số nμy còn đ−ợc gọi lμ tần số lái, đ−ợc phát cùng tín hiệu đơn biên. Nhờ đó máy thu đơn biên có thể khôi phục tín hiệu một cách chính xác nhờ hệ thống tự động điều chỉnh tần số AFC theo nguyên lý PLL. 2.2.3 Sơ đồ khối của máy phát am đa kênh ghép kênh FDM Dđộg sóg mg Kênh 1 Tầng K. Điều Bộ lọc 1 Đại chế Dđộg sóg mg Kênh 2 Tầng K. Điều Bộ lọc 2 Mạch Đại chế ghép tạo tín hiệu tổng hợp . . . Dđộg sóg mg . Kênh n Tầng K. Điều Bộ lọc n Đại chế Điều chế KĐCSCT Mạch ra AM DĐ sg TBị an toμn Nguồn mg chính &lμm nguội Cung cấp Hình 2.5. Sơ đồ khối của máy phát đa kênh AM ghép kênh FDM
  22. 23 2.2.4 Sơ đồ khối tổng quát của máy phát đIều tần Fm Tiền KĐ TĐKháng Nhân tần KĐCSCT âm tần + ĐC FM +mạch ra Khối chủ TBị an toμn Nguồn sóg (DĐ) &lμm nguội Cung cấp Hình 2.6 Sơ đồ khối tổng quát của máy phát điều tần FM Tầng điện kháng: sử dụng các phần tử điện kháng để biến đổi tín hiệu âm tần thμnh điện kháng thay đổi (dung kháng hoặc cảm kháng biến thiên) để thực hiện việc điều chế FM. Phần tử điện kháng có thể lμ Transistor điện kháng, đèn điện kháng hoặc Varicap (điện dung biến đổi theo điện áp đặt vμo Varicap). 2.2.5 Sơ đồ khối tổng quát của máy phát Fm chất l−ợng cao fIF= 10MHz FRF= 100MHz Tiền KĐ TĐKháng Nhân tần KĐCSCT âm tần + ĐC FM (x10) +mạch ra Tách sg + 100MHz Dao động KĐ DC chuẩn 1MHz 9,9MHz K. đại Trộn Nhân tần trug gian sóng 1MHz 99MHz Hình 2.7 Sơ đồ khối tổng quát của máy phát điều tần FM chất l−ợng cao
  23. 24 2.3 Các mạch ghép trong máy phát Mạch ghép để ghép giữa các tầng vμ ghép giữa tầng ra của máy phát với anten. Yêu cầu chung đối với mạch ghép: 1. Phối hợp trở kháng Đối với mạch ghép giữa các tầng: yêu cầu lμ trở kháng vμo của tầng kế tiếp phản ảnh về cùng với trở kháng ra của bộ cộng h−ởng tầng tr−ớc đó tạo thμnh trở kháng sóng tối −u, đảm bảo công suất ra vμ hiệu suất của tầng nμy lμ lớn nhất. Đối với mạch công suất: việc phối hợp trở kháng giữa tầng ra của bộ khuếch đại công suất cao tần vμ anten nhằm đạt đ−ợc công suất ra lớn nhất. 2. Đảm bảo BĂNG thông (B) Mạch lọc đầu ra phải đảm bảo sao cho ngoμi biên biên độ không giảm quá 3dB. Mặt khác dải thông tỉ lệ nghịch với hệ số phẩm chất của khung cộng h−ởng f ( B = o ). Vì vậy để đảm bảo dải thông vμ hệ số phẩm chất ta phải dùng nhiều bộ Q lọc ghép với nhau. 3. Đảm bảo hệ số lọc hμi cao Đối với những máy phát có công suất lớn, yêu cầu các thμnh phần hμi rất nhỏ. Do đó, mạch ghép phải bảo đảm độ suy giảm đạt yêu cầu ở những tần số hμi không mong muốn. 4. Điều chỉnh mạch ghép Trong một dải tần rộng vμ thay đổi độ ghép với tải để có tải tối −u. Nói chung không thể đồng thời thoả mãn các yêu cầu trên mμ tuỳ từng tr−ờng hợp cụ thể để xét yêu cầu nμo lμ quan trọng, yêu cầu nμo nμo lμ thứ yếu. Ví dụ + Đối với tầng tiền khuếch đại, yêu cầu phối hợp trở kháng lμ chính, không yêu cầu độ chọn lọc cao, không cần hiệu suất cao nên chỉ cần dùng mạch cộng h−ởng đơn. + Đối với tầng ra, yêu cầu hiệu suất cao, độ lọc hμi cao nên dùng mạch cộng h−ởng phức tạp. 2.3.1 tinh chỉnh anten Đối với tầng tr−ớc cuối thì điện trở tải chính lμ điện trở vμo của tầng kế tiếp sau. Còn đối với tầng cuối thì điện trở tải chính lμ điện trở của phiđơ. Thực chất phiđơ có thể lμ thuần trở rA , dung kháng rA − jX A , hoặc cảm kháng rA + jX A .
  24. 25 Nh−ng chỉ khi anten thuần trở thì công suất ra anten mới lớn nhất. Muốn vậy, phải chỉnh anten cộng h−ởng ở tần số lμm việc bằng bộ phận tinh chỉnh. Nếu lμ rA − jX A thì chỉnh Lc vμ nếu lμ rA + jX A thì chỉnh bằng CC nh− hình 2.8. Hình minh họa tinh chỉnh của anten Hình 2.8 Sử dụng cuộn cảm vμ tụ để tinh chỉnh anten 2.3.2 Ghép biến áp (ghép hỗ cảm) Mạch ghép biến áp lμ một trong những mạch ghép đ−ợc sử dụng phổ biến trong máy phát Hình 2.9 Mạch ghép tải ra bằng biến áp Từ mạch ghép biến áp ở trên, ta đ−a về sơ đồ t−ơng đ−ơng bên sơ cấp nh− hình 2.10:
  25. 26 L1 C r r fa Hình 2.10 Sơ đồ t−ơng t−ơng của mạch đ−ợc qui về bên sơ cấp Trong đó, điện trở phản ảnh đ−ợc xác định nh− biểu thức: 2 2 ()ω M X gh r fa = = (2.1) R L R L Với: RL lμ điện trở tải + M : Hỗ cảm M= k L1 L 2 (2.2) + L1, L2 : Trị số điện cảm của cuộn sơ cấp vμ thứ cấp. + k : Hệ số ghép phụ thuộc kết cấu của cuộn dây: - Nếu Sóng ngắn : k = 0,01 ữ 0,1 (ghép rất lỏng). Sóng trung : k = 0,5 ữ 0,9 (cuộn dây có lõi từ tính, ghép rất chặt). * Điện trở cộng h−ởng riêng của mạch sơ cấp: 2 L1 ρ L R = = với ρ = 1 (2.3) K rC r C * Điện trở cộng h−ởng của mạch khi có tải: ρ 2 Rtd = (2.4) r+ rfa * Hiệu suất của mạch ghép biến áp đ−ợc biểu diễn bởi biểu thức: PL η BA = (2.5) P1 Trong đó : PL : lμ công suất hữu ích trên tải. P1 : Công suất trên cuộn sơ cấp.
  26. 27 1 2 IK r fa r+ r − r PL 2 fa r η BA = = = =1 − (2.6) P 1 2 r+ r r+ r 1 I() r+ r fa fa 2 K fa Từ biểu thức (2.6) ta nhận thấy để hiệu suất biến áp cao (ηBA = 0,9 ữ 0,95) thì rfa =(10 − 20)r . Mμ muốn rfa lớn thì từ (2.1) ta thấy RL phải nhỏ vμ biến áp phải ghép chặt để có hỗ cảm M lớn. Th−ờng điện trở tải cho tr−ớc vμ không đổi, nên để tăng rfa ta phải tăng M. Biểu thức (2.6) có thể đ−ợc viết lại d−ới dạng: 2 PL ρ / RK Rtd η BA = =1 −2 =1 − (2.7) P1 ρ / Rtd RK Với : RK, Rtđ lμ điện trở t−ơng đ−ơng của mạch cộng h−ởng khi R L = ∞ vμ RL ≠ 0 Nh− vậy; để hiệu suất biến áp cao thì RK phải lớn, mμ: RQK= o ρ ; Với Qo: hệ số phẩm chất của riêng khung cộng h−ởng , nên Qo phải lớn (Qo = 50 - 200). Mặc khác ta thay đổi độ ghép hỗ cảm M sao cho Rtđ = Rtđtớihạn để có hiệu suất cao nhất. 2.3.3 Các b−ớc thiết kế một mạch ghép biến áp Khi thiết kế ta th−ờng đ−ợc biết tr−ớc các điều kiện: PL , RL, tần số góc ω vμ chọn Q1 tùy theo tần số. Ta sẽ tiến hμnh một số b−ớc tính toán nh− sau: 1. Biết PL, chọn (η BA = 0,7 ữ 0,98) tùy theo công suất yêu cầu theo bảng d−ới đây: Công suất ra Hiệu suất PL < 1W 0,7 ữ 0,8 1W ≤ PL < 10W 0,75 ữ 0,85 10W ≤ PL < 100W 0,84 ữ 0,93 100W ≤ PL < 1KW 0,92 ữ 0,96 1KW ≤ PL < 10KW 0,95 ữ 0,98 PL ≥ 10KW 0,97
  27. 28 PL 2. Xác định P1 = η BA 3. Chọn Vcm = (0,8 - 0,9) Vcc 2 Vcm 4. Điện trở cộng h−ởng khi có tải Rtd = 2P1 5. Chọn hệ số phẩm chất của khung cộng h−ởng sơ cấp khi đã có tải: Q1 = (10 ữ50) R R 6. Tính trở kháng đặc tính của mạch sơ cấp ρ =K = td Qo Q1 7. Xác định L1, C: ρ 1 L = vμ CCC' = + = 1 ω CE ωρ Với CCE lμ điện dung lớp tiếp giáp CE của BJT 1 nếu C≥10 C thì C' ≈ C. Vậy: C = CE ωρ 8. Hệ số phẩm chất riêng của khung cộng h−ởng sơ cấp: RK Rtd Qo = trong đó: RK = ρ 1−η BA 9. Tính điện trở tổn hao của cuộn sơ cấp khi không vμ có tải: ρ ρ r = vμ r+ rfa = suy ra Qo Q1 ρ 2 ρ 2 hoặc r = vμ r+ rfa = R K R td 10. Tính hỗ cảm : 1 M= r. R ω fa L 11. Tính giá trị cuộn cảm bên thứ cấp : M 2 L2 = 2 k L1
  28. 29 Ch−ơng 3 Máy thu 3.1 Định nghĩa vμ đặc điểm của máy thu 3.1.1 Định nghĩa Máy thu lμ thiết bị đầu cuối trong hệ thống thông tin vô tuyến điện. Máy thu có nhiệm vụ tiếp nhận vμ lặp lại tin tức chứa trong tín hiệu chuyển đi từ máy phát d−ới dạng sóng điện từ tr−ờng. Máy thu phải loại bỏ đ−ợc các loại nhiễu không mong muốn, khuếch đại tín hiệu vμ sau đó giải điều chế nó để nhận đ−ợc thông tin ban đầu. Máy thu có rất nhiều tham số, nh−ng chúng ta chủ yếu chỉ xét các chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản của máy thu nh− sau: 3.1.2 Đặc điểm máy thu 3.1.2.1 Độ nhạy Biểu thị khả năng thu tín hiệu yếu của máy thu, đ−ợc xác định bằng sức điện động cảm ứng tối thiểu, hoặc công suất tối thiểu của tín hiệu tại anten để bảo đảm cho máy thu lμm việc bình th−ờng, nghĩa lμ: + Đối với máy thu t−ơng tự thì nó phải bảo đảm tỉ số tín hiệu trên nhiễu (S/N) yêu cầu tại đầu vμo máy thu + Đối với máy thu số thì nó phải bảo đảm đạt đ−ợc tỉ lệ lỗi bit BER cho tr−ớc, ứng với một tốc độ bít nhất định. Độ nhạy th−ờng đ−ợc đo bằng microvolt, microwatt, picowatt Muốn nâng cao độ nhạy của máy thu thì hệ số khuếch đại của nó phải lớn vμ mức tạp âm nội bộ của nó phải thấp (giảm tạp âm của tầng đầu). ở tần số cao (f>30MHz) độ nhạy của máy thu th−ờng đ−ợc xác định bằng công suất chứ không phải bằng sức điện động cảm ứng trên anten. 3.1.2.2 Độ chọn lọc lμ khả năng chèn ép các dạng nhiễu không phải lμ tín hiệu cần thu. Nghĩa lμ độ chọn lọc lμ khả năng lựa chọn tín hiệu ra khỏi các loại nhiễu tồn tại ở đầu vμo máy thu. A0 Độ chọn lọc đ−ợc ký hiệu: Se = ≥ 1 Af
  29. 30 + Ao: lμ hệ số khuếch đại tại tần số f0 + Af: lμ hệ số khuếch đại tại tần số f Độ chọn lọc th−ờng đ−ợc tính bằng đơn vị dB SedB = 20logSe Đặc tuyến chọn lọc lý t−ởng của máy thu có dạng chữ nhật, nghĩa lμ trong dải thông B biên độ tín hiệu không đổi. 3.1.2.3 Chất l−ợng lặp lại tin tức Đ−ợc đánh giá bằng độ méo của tín hiệu (méo phi tuyến, méo tần số, méo pha), chủ yếu lμ xét độ méo ở tầng khuếch đại công suất âm tần để cho tín hiệu ra loa không bị biến dạng so với tín hiệu đ−a tới bộ điều chế của máy phát. Ngoμi ra ta còn phải xét đến các chỉ tiêu khác của máy thu nh− công suất ra, dải tần số công tác, tính ổn định của biên độ vμ tần số. Các máy thu đ−ợc phân loại t−ơng tự nh− đối với máy phát. 3.2 Sơ đồ khối tổng quát của máy thu 3.2.1 Máy thu khuếch đại trực tiếp Từ Lọc Kh Đại Giải KĐCS Thiết bị anten băng Cao điều Âm tần cuối thông Tần chế Hình 3.2 Sơ đồ khối đơn giản của máy thu khuếch đại trực tiếp Việc nâng cao độ nhạy vμ độ chọn lọc của máy thu nμy bị hạn chế bởi những lý do sau đây: + Số tầng khuếch đại không thể tăng lên một cách tuỳ ý vì khi số tầng cμng tăng thì tính ổn định của bộ khuếch đại cao tần cμng giảm (tụ ký sinh Cbc có thể gây ra dao động tự kích). Ngoμi ra, khi số tầng cμng tăng thì số mạch cộng h−ởng cũng tăng lμm hệ thống điều chỉnh cộng h−ởng phức tạp, cồng kềnh vμ đắt tiền. + Tần số cao khó đạt đ−ợc hệ số khuếch đại lớn. + Tần số cμng cao thì dải thông cμng rộng (B=fo/Q), lμm giảm độ chọn lọc của máy thu. Muốn dải thông hẹp phải dùng mạch cộng h−ởng có hệ số phẩm chất cao, có khi v−ợt quá khả năng chế tạo. + Do không dùng đ−ợc các hệ thống cộng h−ởng phức tạp nên không có khả năng đạt đặc tuyến tần số có dạng chữ nhật lý t−ởng.
  30. 31 Để khắc phục những nh−ợc điểm trên, ng−ời ta chế tạo ra các máy thu đổi tần có sơ đồ khối nh− sau: 3.2.2 Máy thu đổi tần Máy thu đổi tần đ−ợc biểu diễn nh− hình 3.3. Tín hiệu cao tần đã đ−ợc điều chế (AM, FM, PM) nhận đ−ợc từ anten, qua mạch vμo (bộ lọc băng thông) để lọc lấy kênh tín hiệu muốn thu vμ hạn chế nhiễu, qua bộ khuếch đại cao tần RF đ−ợc đ−a vμo bộ đổi tần để biến thμnh tín hiệu trung tần, với qui luật điều chế không đổi. Tần số trung tần đ−ợc giữ không đổi. Mạch KĐ Trộn KĐTT Tách KĐCS Thiết bị vμo CT tần sóng âm tần cuối Dđộng Khối đổi nội kênh Hình 3.3 Sơ đồ khối tổng quát của máy thu đổi tần Thực chất của bộ đổi tần lμ thực hiện phép nhân tần số. Nó bao gồm bộ dao động nội tạo tần số cao tần hình sine vμ bộ trộn tần. Bộ trộn lμ một phần tử phi tuyến hay một phần tử tuyến tính có tham số thay đổi tuần hoμn. Quá trình trộn tần sẽ tạo ra tổ hợp các tần số khác nhau, khi m, n cμng lớn thì biên độ tín hiệu cμng nhỏ, trong thực tế ta chỉ sử dụng tín hiệu t−ơng ứng với m, n nhỏ ( m=n=1), tách chúng ra bằng mạch cộng h−ởng. So với máy thu khuếch đại trực tiếp thì máy thu đổi tần có những −u điểm sau đây: + Có khả năng lựa chọn kênh thu tuỳ ý bằng cách thay đổi tần số dao động nội. + Tần số tín hiệu đ−ợc hạ thấp thμnh tần số trung tần nên có thể dùng nhiều mạch khuếch đại trung tần để đạt hệ số khuếch đại toμn máy cao, mμ vẫn bảo đảm tính ổn định cho máy thu. Số tầng trung gian không bị hạn chế (8-10). + Do trung tần không đổi nên mạch cộng h−ởng có kết cấu đơn giản, gọn, giá thμnh rẽ vμ không bị hạn chế trong máy thu. Nó th−ờng lμ những mạch cộng h−ởng đôi để tăng hệ số phẩm chất vμ tăng dải thông.
  31. 32 + Do tần số trung tần không đổi nên có thể sử dụng những hệ thống cộng h−ởng phức tạp (nh− bộ lọc tập trung) để đạt đ−ợc đặc tuyến tần số lý t−ởng. 3.3 Sơ đồ khối tổng quát của máy thu đổi tần AM Để giữ cho biên độ điện áp ra gần nh− không đổi d−ới tác dụng của hiện t−ợng pha đinh vμ nhiều nguyên nhân khác nhau, ta sử dụng mạch tự động điều chỉnh độ khuếch đại AGC. Khi máy thu AM yêu cầu chất l−ợng cao, ta sử dụng mạch tự động điều chỉnh tần số AFC. AGC Mạch KĐCT Trộn KĐTT TSóng KĐCS Thiết bị vμo tần AM âm tần cuối Dđộng Khối đổi nội kênh Hình 3.4 Sơ đồ khối tổng quát của máy thu đổi tần AM 3.4 Sơ đồ khối tổng quát của máy thu đơn biên SSB Máy thu đơn biên khác với các máy thu khác ở chỗ có nhiều bộ đổi tần để đ−a phổ của tín hiệu tần số cao về miền tần số thấp. Nó gồm có 5 khối chính sau đây: + Khối tuyến tính bao gồm: mạch vμo (MV), khuếch đại cao tần (KĐCT1), đổi tần 1 (ĐT1), khuếch đại trung gian 1 (KTG1), vμ đổi tần 2 (ĐT2). Trong khối nμy, tín hiệu đ−ợc đổi tần 2 lần nhờ trộn với tín hiệu dao động từ bộ dao động1 vμ 2. + Khối tách sóng bao gồm: Lọc thông dải (LTD), khuếch đại trung gian 2 (KTG2), đổi tần 3 (ĐT3) vμ tách sóng biên độ (TSBĐ). + Khối tự động điều chỉnh độ khuếch đại (AVC) bao gồm: mạch lọc dải hẹp (LDH), khuếch đại trung gian 3 (KTG3) vμ AVC. + Khối tự động điều chỉnh tần số (AFC) bao gồm: Dao động 4 (DĐ4), đổi tần 4 (ĐT4), đổi tần 5 (ĐT5), hạn chế biên độ (HCBĐ), tách sóng tần số (TSTS), vμ bộ điều khiển (ĐK).
  32. 33 + Khối khuếch đại công suất âm tần (KĐCSÂT). *Hoạt động của mạch: Tín hiệu cao tần từ anten vμo mạch vμo, đ−ợc khuếch đại nhờ mạch KĐCT, qua đổi tần 1 để đổi xuống tần số trung gian nhờ phối hợp với dao động 1, đ−ợc khuếch đại nhờ khuếch đại trung gian 1, qua đổi tần 2 vμ đến mạch lọc thông dải hạn chế nhiễu vμ lọc lấy tín hiệu hữu ích. Sau đó tín hiệu đ−ợc nâng biên độ nhờ bộ khuếch đại trung gian 2 vμ đ−ợc đ−a vμo bộ đổi tần 3 để trộn với tín hiệu hình sine từ bộ dao động 3, có tần số sóng mang phụ fm=38KHz . Tín hiệu ra đ−ợc đ−a vμo bộ tách sóng biên độ (đơn giản chỉ gồm Điode vμ R,C) để tạo lại tín hiệu âm tần. Sau đó, tín hiệu âm tần để đ−a vμo tầng khuếch đại âm tần để đ−a ra loa. Khối tách sóng Khối KĐCSÂT M K Đ K Đ LT K Đ TS K V Đ T T T2 D T T3 B Đ CT 1 G1 G2 Đ Â T f1 fm=38KHz D D L K D Đ Đ D T Đ Khối tuyến tính 1 2 H G3 3 A fp VDK VC Khối tự động điều chỉnh độ khuếch đại f4 Đ Khối tự động D Đ K điều chỉnh Đ T tần số AFC 4 4 fp-f4 TS H Đ TS CB T Đ 5 fm fp –f4-fm Hình 3.5 Sơ đồ khối tổng quát của máy thu đơn biên Đối với máy phát có phát một phần tần số sóng mang phụ 38KHz thì máy thu có thêm bộ phận khôi phục tần số sóng mang phụ vμ mạch tự động điều chỉnh tần số
  33. 34 AFC. Khi đó, tín hiệu trung tần tại điểm A đồng thời đ−ợc đ−a vμo bộ lọc dải hẹp, lọc lấy tần số sóng báo fp=38KHz, khuếch đại nhờ KTG3, rồi đ−a vμo bộ đổi tần 4 để trộn với tần số ổn định f4 từ bộ dao động 4 (dao động thạch anh). Tín hiệu hiệu fp-f4 lại đ−ợc đ−a vμo bộ đổi tần 4 để trộn với tần số sóng mang phụ fm (từ bộ dao động 3). ở đầu ra ta nhận đ−ợc tín hiệu (fp-f4-fm). Tín hiệu nμy qua bộ hạn chế biên độ, vμo tách sóng tần số, rồi đ−a đến bộ điều khiển của hệ thống tự động điều chỉnh tần số f1. Điện áp đầu ra của bộ điều khiển Vđk=0 khi fp=fm. Khi fp ≠ fm thì Vđk ≠ 0, điều khiển cho f1 thay đổi sao cho nhận đ−ợc fp=fm. 3.5 Sơ đồ khối tổng quát của máy thu đổi tần FM Mạch KĐ Trộn KĐ Tách KĐCS Thiết vμo CT tần TT sóng âm tần bị FM cuối Dao AFC Khối đổi động kênh nội Hình 3.6 Sơ đồ khối tổng quát của máy thu đổi tần FM Về cơ bản nó giống sơ đồ khối máy thu AM, trong đó trung tần ftt=10,7 MHz vμ bộ tách sóng lμ bộ tách sóng tần số. Để tránh hiện t−ợng điều biên ký sinh gây méo tín hiệu sau tách sóng, ta đặt bộ hạn chế biên độ ngay tr−ớc bộ tách sóng tần số hoặc sử dụng bộ tách sóng tỉ số vì nó có mạch hạn biên. Đối với máy thu đổi tần FM, độ ổn định tần số yêu cầu rất cao nên bắt buộc phải có mạch AFC. 3.6 Mạch vμo của máy thu 3.6.1 Đặc điểm chung Mạch vμo lμ mạch điện nối liền anten với đầu vμo của máy thu. Nó có đặc điểm nh− sau: - truyền đạt tín hiệu từ anten vμo máy thu - lμ phần quan trọng quyết định chất l−ợng máy thu
  34. 35 - Bảo đảm hệ số truyền đạt lớn vμ đồng đều trong cả dải băng sóng. Ví dụ băng sóng MW: 550KHz-1600KHz, vo=20uv vo=20àv 550KHz 1600KHz Hình 3.7 Hệ số truyền đạt đồng đều cả băng sóng MW - Độ chọn lọc tần số, tần số lân cận, tần số trung tần, tần số ảnh phải bảo đảm chỉ tiêu đề ra. - Bảo đảm thu hết băng thông cho từng đμi phát Mạch vμo bao gồm 3 thμnh phần: + Hệ thống cộng h−ởng (đơn hoặc kép) có thể điều chỉnh đến tần số cần thu. + Mạch ghép với nguồn tín hiệu từ anten + Mạch ghép với tải của mạch vμo (tầng khuếch đại cao tần đầu tiên) Để điều chỉnh cộng h−ởng mạch vμo, ng−ời ta th−ờng sử dụng các tụ điện có điện dung biến đổi vì chúng dễ chế tạo chính xác hơn lμ cuộn dây có điện cảm biến đổi (đặc biệt trong tr−ờng hợp cần đồng chỉnh nhiều mạch cộng h−ởng). Mặt khác, phạm vi biến đổi của tụ điện lớn, bền chặt, ổn định (C ít biến đổi theo điều kiện bên ngoμi). Một số mạch điều chỉnh liên tục bằng điện dung. Mạch vμo lμm việc trong phạm vi tần số rộng thì phải kết hợp cả hai cách điều chỉnh liên tục vμ từng nấc. Băng sóng đ−ợc chia ra nhiều băng nhỏ, khi chuyển từ băng nọ sang băng kia phải điều chỉnh theo từng nấc, còn trong mỗi băng, ng−ời ta sử dụng mạch cộng h−ởng điều chỉnh liên tục để chọn kênh. Đối với máy thu thế hệ mới thì ng−ời ta sử dụng Varicap để thực hiện việc điều chỉnh cộng h−ởng nμy. 3.6.2 Các yêu cầu của mạch vμo máy thu 3.6.2.1 Hệ số truyền đạt Lμ tỉ số giữa điện áp ra của mạch vμo điều chỉnh cộng h−ởng ở một tần số nμo đó vμ sức điện động cảm ứng trên anten (Ea). Vo AMV = E A AMV cμng lớn thì hệ số khuếch đại chung của toμn máy cμng lớn.
  35. 36 3.6.2.2 Độ chọn lọc Ao Se = Af 3.6.2.3 Băng thông B 3.6.2.4 Dải tần lμm việc Gọi dải tần số lμm việc của máy thu lμ: fomin-fomax. Tần đoạn lμm việc đ−ợc định f o max nghĩa nh− sau: A doan = Dải tần nói trên có thể đ−ợc chia f o min thμnh nhiều băng tần bằng cách chia thμnh nhiều cuộn dây cho các băng tần, mỗi băng tần t−ơng ứng với một cuộn dây khác nhau. Tỉ số giữa fbmax vμ fbmin ứng với mỗi băng gọi lμ hệ số trùm băng. fb max A bang = f b min 3.7 Nhiễu trong hệ thống thông tin vμ trong máy thu Nhiễu trong hệ thống thông tin xuất hiện trong kênh thông tin vμ trong cả thiết bị. Nhiễu lμ thμnh phần không mong muốn, xuất hiện ngẫu nhiên gây nhiễu với tín hiệu hữu ích. Ta không thể loại bỏ nhiễu hoμn toμn nh−ng có thể giảm nhiễu bằng các biện pháp khác nhau, chẳng hạn giảm băng thông tín hiệu, tăng công suất máy phát hoặc sử dụng các bộ khuếch đại nhiễu thấp. Có hai loại nhiễu lμ nhiễu bên ngoμi: xuất hiện trên kênh truyền vμ nhiễu bên trong: xuất hiện trong bản thân thiết bị. 3.7.1 Nhiễu bên ngoμi Nếu môi tr−ờng truyền dẫn lμ không gian thì nó có nhiều loại nhiễu nh− nhiễu do thiết bị, từ khí quyển vμ từ không gian. 3.7.1.1 Nhiễu thiết bị Nhiễu nμy đ−ợc tạo ra từ các thiết bị công nghiệp vμ dân dụng trong quá trình khởi động hoặc lμm việc. Chẳng hạn, từ các thiết bị đánh lửa của động cơ ô tô hay các motor điện, từ máy tính hoặc các loại đèn điện tử. Loại nhiễu nμy có phổ tần rộng nh−ng phân bố không đều trong toμn dải. Thông th−ờng nó ảnh h−ởng mạnh ở vùng dải tần thấp hơn. Tuy nhiên, sự phân bố chính xác của tần số nhiễu phụ thuộc vμo bản thân loại thiết bị gây nhiễu vμ phụ thuộc vμo môi tr−ờng truyền dẫn của nhiễu đó đến thiết
  36. 37 bị đang khảo sát. Chẳng hạn, các máy tính tạo ra nhiễu mạnh tại các tần số bằng bội số vμ −ớc số của tần số xung clock của chúng, còn tại vùng tần số khác thì năng l−ợng nhiễu không đáng kể. Nhiễu do con ng−ời tạo ra có thể truyền theo không gian hoặc dây dẫn đến máy thu. Thông th−ờng, việc giảm nhiễu tại nguồn phát thực hiện dễ dμng hơn tại máy thu. Chẳng hạn, ta có thể nối masse cho vỏ máy tính vμ lớp vỏ của cáp truyền dẫn, đồng thời sử dụng các bộ lọc thông thấp dọc theo đ−ờng dây cung cấp điện để giảm nhiễu từ máy tính. 3.7.1.2 Nhiễu khí quyển Nhiễu nμy chủ yếu lμ do sấm sét trong bầu khí quyển tạo ra. Nó có thể truyền đi một khoảng cách lớn trong không gian. Phổ của nó đ−ợc xem nh− vô hạn, nh−ng có mật độ tỉ lệ nghịch với tần số do đó th−ờng chỉ gây ảnh h−ởng trong vùng tần số nhỏ hơn 20MHz Nhiễu nμy có tỉ số công suất đỉnh trên công suất trung bình rất lớn đồng thời xuất hiện trong một khoảng thời gian rất ngắn (xung dạng Burst-loé) so với thời gian nghỉ giữa 2 xung nhiễu. Do đó, tuy không thể giảm nhiễu nμy tại nguồn phát, nh−ng ta có thể thực hiện một số biện pháp để giảm chúng, ví dụ có thể thiết kế máy thu sao cho nó không lμm việc trong thời gian xuất hiện nhiễu. Kỹ thuật nμy gọi lμ kỹ thuật “lμm trắng nhiễu” 3.7.1.3 Nhiễu không gian Phổ năng l−ợng bức xạ của mặt trời rất rộng, bao phủ vùng phổ sóng vô tuyến nên có gây nhiễu cho các thiết bị thu phát, chủ yếu ở vùng tần số VHF vμ cao hơn VHF. Ngoμi ra còn nhiều nguồn nhiễu khác từ các vì sao trong vũ trụ, nh−ng ảnh h−ởng nhỏ hơn vì chúng ở xa so với mặt trời. Nhiễu do mặt trời ảnh h−ởng chủ yếu đến các vệ tinh thông tin vμ đặc biệt nghiêm trọng trong tr−ờng hợp mặt trời, vệ tinh vμ trạm mặt đất nằm trên một đ−ờng thẳng. 3.7.2 Nhiễu bên trong Nhiễu bên trong xuất hiện trong bản thân thiết bị, cả trong thμnh phần thụ động nh− điện trở, cáp vμ tích cực nh− diode, transistor, đèn điện tử. Chúng gồm nhiễu nhiệt, nhiễu bắn, nhiễu thμnh phần, nhiễu nhấp nháy (1/f) vμ nhiễu thời gian chuyển đổi. 3.7.2.1 Nhiễu nhiệt
  37. 38 Nhiễu nhiệt tạo ra từ sự chuyển động ngẫu nhiên của các điện tử trong vật dẫn do nhiệt độ gây ra. Vì nó xuất hiện trong tất cả các mạch điện nên còn có tên lμ nhiễu mạch. Công suất nhiễu nhiệt trong một vật dẫn không phụ thuộc vμo tần số, nên đôi khi đ−ợc gọi lμ nhiễu trắng, vμ đ−ợc biểu diễn nh− sau: PN = kTB (3.1) Trong đó, PN: công suất nhiễu nhiệt [w] k: hằng số Boltzmann k=1,38.10-23 joules/kelvin [J/K] T: nhiệt độ tuyệt đối [K]; T(oK)=T(oC)+273 B: Băng thông nhiễu [Hz] Ví dụ: một máy thu có băng thông nhiễu 10KHz. Một điện trở phối hợp với trở kháng vμo của máy thu đ−ợc nối đến anten. Tính công suất nhiễu gây ra trên điện trở trong băng thông máy thu, nếu nhiệt độ của nó lμ 270C. áp dụng biểu thức (3.1) ta có công suất nhiễu gây ra trên điện trở: −23 3 −17 PN = kTB = (1,38.10JKK / )(300 )(10.10Hz )= 4,14.10 W Tuy giá trị của nó không lớn nh−ng nó có thể ảnh h−ởng đáng kể đến độ nhạy của máy thu vì công suất tín hiệu đến máy thu th−ờng rất nhỏ. Nhiễu nhiệt của vật dẫn không phụ thuộc vμo vật liệu chế tạo vμ dòng điện chạy qua nó. Điện áp nhiễu: Gọi V, P lần l−ợt lμ điện áp nhiễu, công suất nhiễu trên điện trở R. Chúng liên hệ nhau theo biểu thức: V 2 P = Suy ra điện áp nhiễu: V= PR = kTBR (3.2) R VN /2 RN RL VN /2 ≈ V N Hình 3.8 biểu diễn một điện trở RN hoạt động nh− một nguồn nhiễu nối tiếp với một điện trở tải RL. Điện áp nhiễu
  38. 39 Hình 3.8 biểu diễn một nguồn nhiễu VN, điện trở nguồn RN vμ điện trở tải RL. Do điều kiện phối hợp trở kháng nên RN= RL. Vì vậy, điện áp nhiễu trên hai điện trở lμ bằng nhau vμ bằng VN/2. V Từ biểu thức (3.2) ta có: N =PR = PR = kTBR = kTBR 2 N L L N Do đó: điện áp nguồn nhiễu bằng: VN = 4kTBRN = 4kTBRL . Ví dụ 3: Một điện trở 300Ω mắc nối tiếp với trở kháng vμo 300Ω của anten. Băng thông của máy thu lμ 6MHz, vμ điện trở lμm việc ở nhiệt độ phòng 200C. Hãy tính công suất nhiễu vμ điện áp nhiễu đặt lên điện trở mắc nối tiếp với trở kháng của anten. Công suất nhiễu đ−ợc tính theo biểu thức (3.1) −23 6 −15 PN = kTB = (1,38.10J / K )(293 K )(6.10 Hz )= 24,2.10 W Điện áp nhiễu đ−ợc tính theo biểu thức (3.2) −23 6 −6 VN = 4kTBRL = 4(1,38.10J / K )(293 K )(6.10 Hz )(300Ω ) = 5,4.10VV= 5,4μ . Dĩ nhiên, chỉ một nửa điện áp nμy xuất hiện trên anten đầu vμo của máy thu vμ nửa còn lại đặt trên điện trở nguồn. Vì vậy điện áp nhiễu đặt trên đầu vμo máy thu bằng 2,V 7μ . 3.7.2.2 Nhiễu bắn Gây ra do sự thay đổi ngẫu nhiên của dòng điện trong thiết bị tích cực, chẳng hạn trong đèn điện tử, transistor hoặc diode bán dẫn. Sự thay đổi nμy đ−ợc tạo ra do dòng điện lμ một luồng hạt mang (điện tử vμ lỗ trống) hữu hạn. Dòng điện có thể xem nh− lμ một chuỗi xung mμ mỗi một chuỗi gồm các hạt điện tử mang điện. Nhiễu bắn đ−ợc biểu diễn theo biểu thức nh− sau: IN = 2 qI0 B (3.3) Trong đó: IN : Dòng điện nhiễu hiệu dụng [A] q: Điện tích của điện tử, bằng 1,6.10-19 Coulomb I0: Dòng điện phân cực của thiết bị [A] B: Băng thông nhiễu
  39. 40 Ví dụ: Một máy tạo nhiễu sử dụng diode tạo 10 uV nhiễu tại máy thu có trở kháng vμo 75 Ohm vμ băng thông nhiễu 200KHz. (chúng lμ 3 giá trị tiêu biểu của máy thu FM). Tính dòng điện chạy qua diode Đầu tiên, chuyển đổi điện áp ra dòng nhờ định luật Ohm: V 10μV I =N = = 0,133μA N R 75Ω Tiếp đến, tính dòng phân cực chạy qua diode D dựa vμo biểu thức (3.3): I 2 I= 2 qI B⇒ I2 =2 qI B ⇒ I = N N 0 N 0 0 2qB (0,133.10−6A ) 2 = =0,276A = 276 mA 2(1,6.10−19 C )(200.103 Hz ) 3.7.2.3 Nhiễu quá mức Còn gọi lμ nhiễu flicker hay lμ nhiễu 1/f vì công suất nhiễu tỉ lệ nghịch với tần số. Đôi khi còn đ−ợc gọi lμ nhiễu hồng vì năng l−ợng nhiễu phân bố ở đoạn cuối của vùng tần số thấp trong dải phổ của ánh sáng thấy đ−ợc. Nguyên nhân chủ yếu gây ra nhiễu quá mức lμ do sự thay đổi mật độ hạt mang. Nhiễu quá mức gây ảnh h−ởng lớn hơn trong thiết bị bán dẫn vμ điện trở carbon so với đèn điện tử. Tuy nhiên nó không ảnh h−ởng nghiêm trọng đến mạch thông tin vì nó giảm khi tần số cμng cao vμ chỉ có tác dụng đối với vùng tần sô bé hơn 1KHz. Nhiễu nμy lμm nguồn kiểm tra vμ cμi đặt trong hệ thống Audio. 3.7.3.3 Tổng nhiễu từ các nguồn khác nhau Điện áp nhiễu tổng của các nguồn nhiễu mắc nối tiếp đ−ợc trình bμy theo biểu thức (Phát xuất từ công suất nhiễu tổng bằng tổng các công suất nhiễu thμnh phần vμ công suất tỉ lệ với bình ph−ơng điện áp): 2 2 2 VVVVNt =NNN1 +2 +3 + (3.4) T−ơng tự, dòng điện nhiễu tổng của các nguồn nhiễu mắc song song đ−ợc trình bμy theo biểu thức: 2 2 2 IIIINt =NNN1 +2 +3 + (3.5) Ví dụ: Cho mạch điện nh− hình vẽ, gồm hai điện trở mắc nối tiếp có 2 nhiệt độ khác nhau. Tính điện áp vμ công suất nhiễu tổng tạo ra trên tải có băng thông 100KHz.
  40. 41 R 100Ω 1 3000K RL 300 Ω 1000K R2 200 Ω 4000K Điện áp nhiễu hở mạch đ−ợc tính theo biểu thức (3.4) VVV=2 +2 = ( 4kT BR )2 + ( 4kT BR )2 = 4kB ( T R+ T R ) Nt RR1 2 1 1 2 2 1 1 2 2 4(1,38.10−23 JK / )(100.103 Hz )[(300 K .100Ω ) + (400K .200Ω )] = 779nV Từ việc phối hợp trở kháng nên ta chọn điện trở tải bằng 300Ω , do đó điện áp nhiễu đặt trên tải bằng một nửa điện áp nhiễu hở mạch đ−ợc tính ở trên, nghĩa lμ bằng 389nV. Do đó công suất nhiễu trên tải: V 2 (390nV )2 P =L = = 0,506.10−15W RL 300Ω Tỉ số tín hiệu trên nhiễu: Đ−ợc biểu diễn theo biểu thức sau: P S/ N ( dB )= 10lg S (3.6) PN V S/ N ( dB )= 20lg S (3.7) VN Trong đó, PS vμ PN, VS vμ VN: lần l−ợt lμ công suất vμ điện áp tín hiệu vμ nhiễu. Ví dụ: Một máy thu có công suất nhiễu 200mW. Công suất ra tăng đến 5W khi đ−a tín hiệu vμo. Tính (S+N)/N trong đơn vị dB SN+ 5W = = 25 N 0,2W Trong đơn vị dB: SN+ (dB)= 10lg 25 = 14dB N
  41. 42 Hệ số nhiễu: NF (Noise Figure) viết tắt F Biểu thị một thμnh phần, tầng hay các tầng nối tiếp lμm giảm tỉ số tín hiệu trên nhiễu của hệ thống bao nhiêu lần. Nó đ−ợc định nghĩa nh− sau: (/)SN NF = i (3.8) (/)SN o Trong đó: (S/N)i vμ (S/N)o lần l−ợt lμ tỉ số tín hiệu trên nhiễu tại đầu vμo vμ ra của thμnh phần hay tầng. (đơn vị của chúng lμ lần) Biểu diễn NF trong đơn vị dB: NF (dB)=(S/N)I (dB)-(S/N)o (dB) (3.9) Mối liên hệ giữa NF(dB) vμ NF: NF(dB)=10lgNF Ví dụ: Công suất tín hiệu vμ công suất nhiễu tại đầu vμo của một bộ khuếch đại lần l−ợt lμ 100uW vμ 1uW. Tại đầu ra công suất tín hiệu vμ nhiễu lần l−ợt lμ 1W vμ 30mW. Tính hệ số nhiễu: (/)SN 100μWW /1μ NF =i = = 3 (/)SN o 1WW / 0,03 NF( dB )= 10lgNF = 10lg3 = 4,77dB Nhiệt độ nhiễu t−ơng đ−ơng: Từ biểu thức hệ số nhiễu ta suy ra: (/)SN SN S N NF =i =i o = i o (/)SN o NSi o So Ni Gọi A lμ hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại: S A = o Si Thay A vμo biểu thức trên: N NF = o NAi Suy ra: No = () NF Ni A
  42. 43 Vì thế: Nhiễu tổng tại đầu vμo lμ: NiΣ = () NF Ni Giả sử nhiễu nguồn đầu vμo Ni lμ loại nhiễu nhiệt, đ−ợc biểu diễn theo biểu thức: Ni = kTB Nhiễu t−ơng đ−ơng tại đầu vμo do bộ khuếch đại tạo ra lμ: Neq= N iΣ − N i = ( NF ) Ni− N i = ( NF− 1) kTB (3.10) Hệ số K đại A (S/N)i (S/N)o Hình 3.9 Sơ đồ tính NF của bộ khuếch đại thực Hệ số kđại A NF=0dB (S/N)i (S/N)o Điện trở nhiễu t−ơng đ−ơng Hình 3.10 Sơ đồ t−ơng đ−ơng với sơ đồ trên, trong đó có điện trở nhiễu t−ơng đ−ơng vμ bộ khuếch đại lý t−ởng (không nhiễu: NF=0dB) Nếu giả sử nhiễu nμy đ−ợc tạo ra bởi điện trở tại nhiệt độ Teq vμ giả sử nguồn nhiễu 0 thực gây ra tại nhiệt độ chuẩn To=290 K, thì ta có thể viết: kT B= (NF− 1)kT B eq o (3.11) Teq = (NF − 1)To = 290(NF − 1) Nh− vậy, nhiệt độ t−ơng có thể tính trực tiếp từ hệ số nhiễu nên nó không mang thông tin về bộ khuếch đại. Tuy nhiên, nó đ−ợc sử dụng hiệu quả trong tr−ờng hợp máy thu vi ba nối với anten trong đ−ờng truyền. Anten có nhiệt độ nhiễu từ nhiễu không gian tác động vμo. Đ−ờng truyền vμ máy thu cũng có nhiệt độ nhiễu. Nhiệt độ nhiễu t−ơng đ−ơng của hệ thống bằng tổng nhiệt độ nhiễu của anten, đ−ờng truyền vμ máy thu. Ta có thể tính hệ số nhiễu t−ơng đ−ơng của hệ thống từ biểu thức trên:
  43. 44 T NF− 1 = eq 290 (3.12) T NF =eq +1 290 Nhiệt độ nhiễu t−ơng đ−ơng của máy thu nhiễu thấp rất bé, th−ờng nhỏ hơn 1000K. Điều đó không có nghĩa lμ máy thu hoạt động tại nhiệt độ nμy. Thông th−ờng chúng hoạt động tại nhiệt độ 3000K nh−ng có nhiệt độ nhiễu t−ơng đ−ơng lμ 1000K. Ví dụ: Một bộ khuếch đại có hệ số nhiễu 2dB. Tính nhiệt độ nhiễu t−ơng đ−ơng: Đầu tiên, chuyển đổi NF theo đơn vị dB thμnh NF theo tỉ số: NF(dB)=10lgNF Suy ra: NF(dB) NF= 1010 = 1,585 áp dụng biểu thức trên ta có: 0 Teq = 290(NF − 1) = 290(1,585− 1) = 169,6 K Hệ số nhiễu của các bộ khuếch đại mắc chuỗi: Hệ số nhiễu tổng của các bộ khuếch đại mắc chuỗi đ−ợc biểu diễn theo biểu thức Friis nh− sau: A1 A2 AN (S/N)i (S/N)o Hình 3.11 Sơ đồ tính NF của các bộ khuếch đại mắc chuỗi NF2 −1 NF3 −1 NF4 −1 NFT = NF1 + + + + (3.13) A1 AA1 2 AAA1 2 3 Trong đó: NF1, NF2, NF3, NF4: Hệ số nhiễu của các bộ khuếch đại mắc chuỗi A1, A2, A3: Độ khuếch đại của các bộ khuếch đại mắc chuỗi Chú ý các hệ số nhiễu trong biểu thức trên đ−ợc tính theo đơn vị tỉ số, không phải theo dB
  44. 45 Ví dụ: Hệ thống gồm 3 tầng khuếch đại có các thông số nh− sau Số thứ tự tầng Độ khuếch đại (lần) Hệ số nhiễu (lần) 1 10 2 2 25 4 3 30 5 Tính độ khuếch đại, hệ số nhiễu vμ nhiệt độ nhiễu t−ơng đ−ơng của toμn hệ thống: Độ khuếch đại tổng bằng tích các độ khuếch đại: AAAA T = 1 2 3 = 10 25 30= 7500 Hệ số nhiễu tổng: NF2 −1 NF3 −1 4− 1 5− 1 NFT = NF1 + + =2 + + = 2, 316 A1 AA1 2 10 10. 25 ⇒ NF( dB )= 10 log 2 , 316= 3 , 65 dB Nhiệt độ nhiễu t−ơng đ−ơng: 0 Teq = ( NF −1 )To = 290 ( NF − 1 ) = 290 ( 2 , 316− 1 ) = 382 K
  45. 16 1. Dây cân bằng (balanced line) gồm 2 dây dẫn song song cách điện vμ cách nhau một khoảng xác định còn gọi lμ dây song hμnh. Dòng cao tần chảy trên mỗi dây nh− nhau so với đất nh−ng ng−ợc chiều nhau, không dây nμo nối đất. 2. Dây bất cân bằng (unbalanced line) gồm 1 dây dẫn tín hiệu cách điện với 1 dây bọc nối đất, còn gọi lμ cable đồng trục. Ví dụ: dây song hμnh TV có trở kháng 300Ω, đ−ợc nối với anten thu có trở kháng 300Ω. Cáp đồng trục 50Ω nối giữa ngõ ra máy phát với anten phát bất đối xứng có trở kháng 50Ω. Thông số cáp đồng trục: Cable Trở Suy hao dB/100m kháng 100MHz 200MHz 400MHz 600MHz 800MHz 1GHz Ω 3CV2 75 19,5 5C2V 75 12,5 RG58V 50 12,3 17,8 26,1 30,1 34,7 43,3 RG58CV 50 15,8 23,5 34,8 38,7 44,6 57,7 RG59V 75 10,4 15,6 23,4 25,4 29,4 38,2 RG59B/V 75 10,7 16 23,6 26,2 30,2 38,6 PN150A 75 4,2 6,2 8,8 10,8 12,4 13,9