Bài giảng Kỹ thuật hệ thống viễn thông - Chương 04: Điều chế sóng mang liên tục tuyến tính - Nguyễn Thanh Tuấn

Nội dung text: Bài giảng Kỹ thuật hệ thống viễn thông - Chương 04: Điều chế sóng mang liên tục tuyến tính - Nguyễn Thanh Tuấn

1. Quy ước ▪ Tín hiệu và hệ thống thực có phổ đối xứng (liên hiệp phức) nên thường chỉ đề cập phía tần số dương. – Phổ biên độ: đối xứng chẵn (qua trục tung) – Phổ pha: đối xứng lẻ (qua gốc tọa độ) ▪ Tín hiệu chuẩn hóa x(t) 2 – Định nghĩa 1: |x(t)| 1 (→ Px = Sx = 1) – Định nghĩa 2: max{|x(t)|} = 1 (→ Px 1) – Định nghĩa 3: max{x(t)} = 1 và min{x(t)} = -1 (→ Px 1) – Định nghĩa 4: Px = 1 Th.S. Nguyễn Thanh Tuấn 2
2. 4.1 Tín hiệu băng dải (miền tần số) ▪ Fmin >> 0 ▪ Tần số giữa (trung tâm): wc=2 fc Th.S. Nguyễn Thanh Tuấn 4
3. Bộ lọc thu phát thông dải (cộng hưởng) ▪ Tần số cộng hưởng f0 ▪ Tần số cắt fl, fu ▪ Băng thông B ▪ Hệ số phẩm chất Q Th.S. Nguyễn Thanh Tuấn 6
4. Ví dụ 1 ▪ Cho tín hiệu thực băng gốc có băng thông 4 Hz và kênh truyền có băng thông [10  20] Hz. 1) Trình bày giải pháp kỹ thuật ở khối phát để truyền tín hiệu. 2) Trình bày giải pháp kỹ thuật ở khối thu để nhận được tín hiệu ban đầu. Th.S. Nguyễn Thanh Tuấn 8
5. Bạn có biết? ▪ Tên thuật ngữ (tiếng Việt và tiếng Anh) của các loại điều chế sau: 1) DSB/DSB-SC 2) SSB/USSB/LSSB 3) VSB 4) AM/AM-FC/AM-LC Th.S. Nguyễn Thanh Tuấn 10
6. 4.2 Điều chế DSB ▪ Điều chế hai biên (loại bỏ sóng mang): Double- SideBand (Suppressed-Carrier) Tín Tín hiệu Bộ nhân hiệu thông (X) DSB tin Sóng mang Th.S. Nguyễn Thanh Tuấn 12
7. Ví dụ 3 Cho tín hiệu thông tin x(t) = 0.5cos(6 t) điều chế DSB với sóng mang 10sin(30 t). 1) Viết biểu thức của tín hiệu sau điều chế DSB. 2) Vẽ dạng sóng của tín hiệu sau điều chế DSB. 3) Vẽ phổ biên độ của tín hiệu sau điều chế DSB. 4) Tính băng thông của tín hiệu sau điều chế DSB. 5) Tính công suất của tín hiệu sau điều chế DSB. 6) Tính công suất đỉnh của tín hiệu sau điều chế DSB. 7) Tính hiệu suất công suất. Th.S. Nguyễn Thanh Tuấn 14
8. Ví dụ 5 Cho tín hiệu thông tin x(t) = 0.5cos(6 t) + 0.5cos(8 t) điều chế DSB với sóng mang 10cos(30 t). 1) Viết biểu thức của tín hiệu sau điều chế DSB. 2) Vẽ dạng sóng của tín hiệu sau điều chế DSB. 3) Vẽ phổ biên độ của tín hiệu sau điều chế DSB. 4) Tính băng thông của tín hiệu sau điều chế DSB. 5) Tính công suất của tín hiệu sau điều chế DSB. 6) Tính công suất đỉnh của tín hiệu sau điều chế DSB. 7) Tính hiệu suất công suất. Th.S. Nguyễn Thanh Tuấn 16
9. Phương pháp vẽ nhanh dạng sóng ▪ v(t) = m(t).cos(2 Ft + ) với F >> tần số lớn nhất của tín hiệu m(t) ▪ Bước 1: vẽ m(t) ▪ Bước 2: vẽ -m(t) → lấy đối xứng qua trục hoành ▪ Bước 3: vẽ dao động với tần số F quanh 2 đường biên ở bước 1 và bước 2 ▪ Bước 4: lưu ý hiện tượng đảo (ngược) pha khi tín hiệu m(t) đổi dấu Th.S. Nguyễn Thanh Tuấn 18
10. Ví dụ 6 Th.S. Nguyễn Thanh Tuấn 20
11. Điều chế SSB dùng bộ lọc ▪ Thông số: U hay L ▪ Biểu thức Băng gốc, Lọc thông dải, băng thông W băng thông W ▪ Dạng sóng ▪ Phổ ▪ Băng thông ▪ Công suất Th.S. Nguyễn Thanh Tuấn 22
12. Ví dụ 7 Cho tín hiệu thông tin x(t) = 0.5sin(8 t) điều chế USSB với sóng mang 10cos(30 t). 1) Viết biểu thức của tín hiệu sau điều chế USSB. 2) Vẽ dạng sóng của tín hiệu sau điều chế USSB. 3) Vẽ phổ biên độ của tín hiệu sau điều chế USSB. 4) Tính băng thông của tín hiệu sau điều chế USSB. 5) Tính công suất của tín hiệu sau điều chế USSB. 6) Tính công suất đỉnh của tín hiệu sau điều chế USSB. 7) Tính hiệu suất công suất. Th.S. Nguyễn Thanh Tuấn 24
13. Ví dụ 9 Cho tín hiệu thông tin x(t) = 0.5cos(6 t) – 0.5sin(8 t) điều chế LSSB với sóng mang 10cos(30 t). 1) Viết biểu thức của tín hiệu sau điều chế LSSB. 2) Vẽ dạng sóng của tín hiệu sau điều chế LSSB. 3) Vẽ phổ biên độ của tín hiệu sau điều chế LSSB. 4) Tính băng thông của tín hiệu sau điều chế LSSB. 5) Tính công suất của tín hiệu sau điều chế LSSB. 6) Tính công suất đỉnh của tín hiệu sau điều chế LSSB. 7) Tính hiệu suất công suất. Th.S. Nguyễn Thanh Tuấn 26
14. Ví dụ 11 Cho tín hiệu thực có phổ hình tam giác đối xứng từ [-4 4]KHz. Vẽ phổ biên độ trong các trường hợp sau: 1) Điều chế USSB, sau đó lấy kết quả điều chế LSSB với cùng sóng mang 5KHz. 2) Điều chế LSSB, sau đó lấy kết quả điều chế USSB với cùng sóng mang 5KHz. 3) Điều chế LSSB với sóng mang 5KHz, sau đó lấy kết quả điều chế USSB với sóng mang 10KHz. 4) Điều chế USSB với sóng mang 10KHz, sau đó lấy kết quả điều chế LSSB với sóng mang 5KHz. Th.S. Nguyễn Thanh Tuấn 28
15. Điều chế SSB dùng biến đổi Hilbert Th.S. Nguyễn Thanh Tuấn 30
16. 4.5 Điều chế AM ▪ Điều chế biên độ với chỉ số (hệ số) điều chế µ > 0 Tín nhân khuếch đại cộng Tín hiệu µ hiệu thông AM tin Sóng mang Th.S. Nguyễn Thanh Tuấn 32
17. Ví dụ 13 Cho tín hiệu thông tin x(t) = 0.5cos(6 t) + 0.5sin(8 t) điều chế AM 80% với sóng mang 10cos(30 t). 1) Viết biểu thức của tín hiệu sau điều chế AM. 2) Vẽ dạng sóng của tín hiệu sau điều chế AM. 3) Vẽ phổ biên độ của tín hiệu sau điều chế AM. 4) Tính băng thông của tín hiệu sau điều chế AM. 5) Tính công suất của tín hiệu sau điều chế AM. 6) Tính công suất đỉnh của tín hiệu sau điều chế AM. 7) Tính hiệu suất công suất. Th.S. Nguyễn Thanh Tuấn 34
18. Ví dụ 14b Cho tín hiệu thông tin x(t) = 0.5cos(6 t) - 0.5 điều chế AM 80% với sóng mang 10cos(30 t). 1) Viết biểu thức của tín hiệu sau điều chế AM. 2) Vẽ dạng sóng của tín hiệu sau điều chế AM. 3) Vẽ phổ biên độ của tín hiệu sau điều chế AM. 4) Tính băng thông của tín hiệu sau điều chế AM. 5) Tính công suất của tín hiệu sau điều chế AM. 6) Tính công suất đỉnh của tín hiệu sau điều chế AM. 7) Tính hiệu suất công suất. Th.S. Nguyễn Thanh Tuấn 36
19. Điều chế AM ▪ Biểu thức: ▪ Thông số: chỉ số điều chế μ > 0 ▪ Dạng sóng – Quá điều chế: đường bao sau điều chế bị méo dạng so với tín hiệu gốc. ▪ Phổ ▪ Băng thông ▪ Công suất Th.S. Nguyễn Thanh Tuấn 38
20. Ví dụ 15 Th.S. Nguyễn Thanh Tuấn 40
21. 4.6 Giải điều chế ▪ Đồng bộ (nhất quán): 2 1 (giả sử kênh truyền không gây trễ) ▪ Không đồng bộ: không cần khôi phục sóng mang m(t) s(t) m´(t) Modulator Channel Demodulator Accos(2 fct+1) Accos(2 fct+2) Th.S. Nguyễn Thanh Tuấn 42
22. Tách sóng đồng bộ (tích) ▪ Đồng bộ tần số và pha của sóng mang. Th.S. Nguyễn Thanh Tuấn 44
23. Phổ các loại điều chế biên độ Th.S. Nguyễn Thanh Tuấn 46
24. Bộ điều chế phi tuyến ▪ Mạch nhân trong điều chế hai biên khó thực hiện, đặc biệt trong trường hợp thông tin tần số thấp còn sóng mang lại tần số cao! ▪ Thành phần phi tuyến (NL): Th.S. Nguyễn Thanh Tuấn 48
25. Weaver SSB ▪ LO1 và LO2 khác nhau. Th.S. Nguyễn Thanh Tuấn 50
26. Phân loại bộ đổi tần Th.S. Nguyễn Thanh Tuấn 52
27. Loại bỏ tần số ảnh (Bộ thu Hartley) ▪ in(t) = Acos(2 fRF t) + Bcos(2 fIM t) Th.S. Nguyễn Thanh Tuấn 54
28. Bộ thu đổi tần trực tiếp (1) (homodyne) ▪ 2 biên Th.S. Nguyễn Thanh Tuấn 56
29. Bộ thu đổi tần trung gian (superheterodyne) Th.S. Nguyễn Thanh Tuấn 58
30. Ví dụ 18 Th.S. Nguyễn Thanh Tuấn 60
31. Bộ thu đổi tần hai lần ▪ IF-1: loại tần số ảnh lớn ▪ IF-2: dễ thiết kế bộ lọc loại bỏ tín hiệu kênh kề Th.S. Nguyễn Thanh Tuấn 62
32. Ví dụ 21 Th.S. Nguyễn Thanh Tuấn 64
33. Bài tập 1 ▪ Cho tín hiệu sau điều chế có phổ biên độ (tần số dương) |Y(F)| = (F – 11@) + 5(F – 13@) + (F – 15@) (F:KHz). Xác định 1 biểu thức thích hợp của tín hiệu cần điều chế (thỏa điều kiện chuẩn hóa) và sóng mang trong các trường hợp sau: a) Điều chế biên độ AM. b) Điều chế hai biên triệt sóng mang DSB. c) Điều chế biên trên USSB. d) Điều chế biên dưới LSSB. Th.S. Nguyễn Thanh Tuấn 66
34. Bài tập 3 ▪ Cho tín hiệu đơn tần cần điều chế x(t) = 0.8cos4πt (t:ms) và sóng mang 10sin2@πt (t:ms). a) Tín hiệu x(t) được điều chế biên độ (AM) với chỉ số điều chế μ = 0.5. Vẽ dạng sóng của tín hiệu sau điều chế. b) Tín hiệu x(t) được điều chế hai biên triệt sóng mang (DSB). Tính công suất của tín hiệu sau điều chế. c) Tín hiệu x(t) được điều chế biên trên (USSB). Viết biểu thức (theo thời gian) của tín hiệu sau điều chế. Tính giá trị của tín hiệu sau điều chế tại thời điểm t = 20.19 ms. d) Thiết kế 1 sơ đồ nguyên lý thực hiện điều chế DSB từ các bộ điều chế AM (chỉ số điều chế µ, bộ tạo sóng mang nằm trong bộ điều chế), bộ khuếch đại và bộ cộng. Th.S. Nguyễn Thanh Tuấn 68
35. Bài tập 5 ▪ Cho hệ thống thu vô tuyến quảng bá đổi tần AM có các thông số sau: tần số sóng mang fc của mỗi đài AM thay đổi từ 540KHz đến 1600KHz với khoảng cách giữa hai sóng mang liên tiếp là 10KHz. a) Trong trường hợp tần số trung tần fIF = 455KHz và tần số bộ dao động nội fLO > fc, xác định phạm vi thay đổi của tần số bộ dao động nội FLO để có thể thu tối đa các đài AM và xác định phạm vi ảnh hưởng của tần số ảnh. b) Tìm điều kiện của tần số trung tần fIF để phạm vi tần số ảnh nằm ngoài toàn bộ băng tần AM. Th.S. Nguyễn Thanh Tuấn 70
36. Bài tập 7 1) Describe the filter you would need to generate an output of km(t)cos(ct + ), where m(t) is a signal band-limited to B Hertz and k is a constant. 2) Determine the signal spectra at nodes labeled “b” and “c,” and indicate the frequency bands occupied by at the spectra at both nodes. 3) What is the minimum usable value of c possible? 4) Would this modulator scheme work if the carrier output were changed to 3 sin (ct ) instead? Explain clearly the reason for your answer. 5) Will the same modulator scheme work if the carrier generator output were n cos (ct ), for any integer n 2, instead? If yes, why does it? Th.S. Nguyễn Thanh Tuấn 72
37. Bài tập 9 A conventional AM signal of the form AM(t )= A 1 + km ( t )  cos( 2 f C t ) is applied to the system shown below. Assuming |m(t)| 2B. Prove that m(t) can be extracted from the system’s output. Input Output LPF Square- squarer (BW = B) rooter AM ()t ()2 Th.S. Nguyễn Thanh Tuấn 74
38. Bài tập 11 Th.S. Nguyễn Thanh Tuấn 76
39. Bài tập 13 Th.S. Nguyễn Thanh Tuấn 78
40. Bài tập 15 Th.S. Nguyễn Thanh Tuấn 80
41. Bài tập 17 Th.S. Nguyễn Thanh Tuấn 82
42. Bài tập 19 Th.S. Nguyễn Thanh Tuấn 84
43. Bài tập 21 Th.S. Nguyễn Thanh Tuấn 86