TÍN HIỆU ĐIỀU CHẾ. Bài giảng: Lý thuyết tínhiệu. Chương 5. Nội dung: 5.1 Cơ bản vềđiều chế tín hiệu

Transcript

1 Nội dung: TÍN HIỆU ĐIỀU CHẾ 5.1 Cơ bản vềđiều chế ín hiệu Vị rí của điều chế rong hệ hống hông in Mục đích của điều chế Phân loại các phương pháp điều chế 5.2 Điều chế ương ự Sóng mang rong điều chế ương ự Điều chế biên độ Điều chế góc 5.3 Điều chế xung Sóng mang rong điều chế xung Điều chế PAM Các hệ hống điều chế xung khác 9/7/29 1

2 5.1 Cơ bản vềđiều chế ín hiệu: TÍN HIỆU ĐIỀU CHẾ Điều chế (Modulaion) là quá rình ánh xạ in ức vào sóng mang bằng cách hay đổi hông số của sóng mang (biên độ, ần số hay pha) heo in ức. Điều chếđóng vai rò rấ quan rọng, không hể hiếu ronghệ hống hông in Vị rí của điều chế rong hệ hống hông in: Transmier Máy phá: Nguồn Biến đổi in Điều chế in ức- ín hiệu Khuếch đại Máy hu: Nhận in Biến đổi ín hiệu -in ức Receiver Khuếch đại Giải điều chế 9/7/29 2

3 TÍN HIỆU ĐIỀU CHẾ 5.1 Cơ bản vềđiều chế ín hiệu (): Mục đích của điều chế: Để có hể bức xạ ín hiệu vàokhônggiandưới dạng sóng điện ừ Cho phép sử dụng hiệu quả kênh ruyền Tăng khả năng chống nhiễu chohệ hống Phân loại các phương pháp điều chế: Các phương pháp điều chế Điều chế ương ự Điều chế xung Điều chế số Biên độ Góc pha Tương ự Số ASK PSK FSK AM-SC SSB-SC VSB PAM PPM PDM PCM Dela AM SSB FM PM 9/7/29 3

4 5.2 Điều chế ương ự: Tín hiệu in ức làm hay đổi các hông số: biên độ, ần số hoặc pha của sóng mang điều hòacaoần. Biên độ Sóng mang rong điều chế ương ự: Dạng sóng mang ban đầu: y()=ycos(ω + ϕ) Dạng sóng mang sau điều chế: y() = Y()cosθ() Y(): biên độ ức hời (phương rình đường bao) θ(): pha ức hời. dθ ( ) Ω ( ) = : ần số góc ức hời d f () 1 dθ ( ) 2π d = : ần số ức hời Tần số góc Nếu θ(): không đổi; Y(): hay đổi y()=y()cos(ω +ϕ): điều chế biên độ Nếu θ(): hay đổi; Y(): không đổi y() = Ycosθ(): điều chế pha Pha ban đầu 9/7/29 4

5 5.2.2 Điều chế biên độ (Ampliude Modulaion) a. Hệ hống AM-SC (Ampliude Modulaion wih Suppressed Carrier) (còn gọi là điều chế DSB-SC: Double Side Band wih suppressed Carrier) Dạng ín hiệu AM-SC: yam SC () = x() cosω Quá rình điều chế: Tín hiệu in ức cần ruyền đi, ần số hấp [ω min, ω max ] Quan hệ rong miền ần số: x() x y AM-SC () Sóng mang cao ần Ω>>ω max cosω 1 YAM SC ( ω) = [ X( ω Ω ) + X( ω +Ω) ] 2 1 Ψ AM SC ( ω) = Ψ X ( ω Ω ) +Ψ X ( ω +Ω) 4 [ ] 9/7/29 5

6 a. Hệ hống AM-SC (): Mô ả miền hời gian x() Môả miền ần số X(ω) X cosω 1 ω max ω min ω min Y(ω) ωmax ω y AM-SC () -Ω π Ω Y AM-SC (ω) ω X /2 -Ω Ω ω 9/7/29 6

7 a. Hệ hống AM-SC () Quá rình giải điều chế: Trong miền hời gian: y AM-SC () m() m() = x().cosω.cosω x LPF = [x() + x().cos2ω]/2 Qua bộ lọc LPF, chỉ còn lại hành phần ần số hấp x () = x()/2. cosω Trong miền ần số: 1 M ( ω ) = [ YAM SC ( ω Ω ) + YAM SC ( ω + Ω) ] = X ( ω ) + [ X ( ω 2 Ω ) + X ( ω + 2 Ω) ] 2 4 Qua bộ lọc LPF, chỉ còn lại hành phần phổ ần số hấp: X (ω) = X(ω)/2. Đáp ứng ần số của bộ lọc M(ω) x () -2Ω X /2 -Ω Ω 2Ω 9/7/29 ω 7

8 a.hệ hống AM-SC () Nhận xé: Mạch giải điều chế phức ạp. Băng hông (bandwidh): Công suấ của ín hiệu AM-SC: BW AM AM SC = SC Ví dụ 1: Cho mạch điều chế AM-SC: Tin ức: x() = cos(2π 1 3 ) Sóng mang: y() = cos(2π 1 4 ) Hãy: a. Vẽ x() và y AM-SC ()? b. Xác định và vẽ X(ω), Ψ X (ω), Y AM-SC (ω) và Ψ AM-SC (ω)? c. Tính P x và P AM-SC? P y = 2ω 1 2 P max x 9/7/29 8

9 5.2.2 Điều chế biên độ (Ampliude Modulaion) b. Hệ hống AM (còn gọi làđiều chế DSB) Phương rình đường bao(envelope) Dạng ín hiệu AM: Quá rình điều chế: Tín hiệu in ức cần ruyền đi, ần số hấp [ω min, ω max ] x() Quan hệ rong miền ần số: y () = [ A+ x()] cosω AM A 1 YAM ( ω) = Aπδω ( Ω+ ) δω ( +Ω ) + X( ω Ω+ ) X( ω+ω) 2 [ ] [ ] 2 πa 1 Ψ AM ( ω) = δ( ω Ω ) + δ( ω+ω ) + ΨX ( ω Ω ) +Ψ X ( ω+ω) 2 4 [ ] [ ] x cosω y AM () Sóng mang cao ần Ω>>ω max 9/7/29 9

10 b. Hệ hống AM(): Mô ả miền hời gian x() Môả miền ần số X X(ω) ω max ω min ωmin Y(ω) cosω y AM () 1 -Ω π Aπ X /2 ωmax Ω Y AM (ω) -Ω Ω ω ω ω 9/7/29 1

11 a. Hệ hống AM () Quá rình giải điều chế: Tách sóng đồng bộ: (giống giải điều chế AM-SC) Tách sóng đường bao: sơ đồmạch đơn giản Điều kiện để ách sóng đường bao không bị méo: A max{ x( ) ; x( ) < } 9/7/29 11

12 a.hệ hống AM () Nhận xé: Mạch giải điều chếđơngiản. BW Băng hông (bandwidh): AM SC = Hiệu suấ năng lượng không cao: 2ω max Pb η = 1% P AM P b : công suấ dải bên P AM : công suấ oàn bộ ín hiệu 1 Px = 2 = A + Px 2 2 Giaûng GV: Ths. vieân: LêTh.S Ngọc LeâPhúc Xuaân Kyø A 2 Px + P Trường hợp, x() = acosω, hiệu suấ cực đại: η max = 33.33% x 9/7/29 12

13 b. Hệ hống AM () Ví dụ 2: Cho mạch điều chế AM: y AM () = [A+x()]cos(2π 1 5 ) x() Hãy: a. Vẽ y AM () khi A=2? b. Xác định phổ X(ω), Y AM (ω)? c. Tính P x và P AM? d. Xác định giá rị của A để ách sóng không bị méo rong mạch ách sóng hình bao? Giaûng GV: Ths. vieân: LêTh.S Ngọc LeâPhúc Xuaân Kyø 9/7/29 13

14 5.2.2 Điều chế biên độ (): c. Các hệ hống điều chế biên độ khác: Hệ hống SSB-SC (Single Side Band wih Suppressed Carrier) Đáp ứng ần số của bộ lọc Hệ hống SSB (Single Side Band) Đáp ứng ần số của bộ lọc 9/7/29 14

15 5.2.2 Điều chế biên độ: c. Các hệ hống điều chế biên độ khác: Hệ hống VSB (Vesigial Side Band) 9/7/29 15

16 5.2.2 Điềuchế biên độ: So sánh các phương pháp điều chế biên độ: Đặc điểm Phương pháp Độ phức ạp giải điều chế Băng hông ín hiệu điều chế Hiệu suấ năng lượng AM-SC(DSB-SC) cao rộng cao AM (DSB) hấp rộng hấp SSB-SC cao hẹp cao SSB hấp hẹp hấp VSB cao vừa phải vừa phải 9/7/29 16

17 5.2.3 Điềuchế góc: a. Hệ điều pha PM (Phase Modulaion) Dạng ín hiệu PM: rong đó: x(): ín hiệu in ức ϕ : pha ban đầu k p : hằng số ỉ lệ Các hông số quan rọng: Pha ức hời: Tần số góc ức hời: Độ lệch pha: Độ lệch ần số: y () = Y cos[ Ω + k x()] PM θ () = Ω+ k x() PM Ω () = Ω+ k PM p p dx() d Δ θpm = θ() Ω = kp x () max ΔΩ = Ω( ) Ω = k PM p p dx() d max (*) Tin ức rực iếp hay đổi phaức hời 9/7/29 17

18 a.hệ điều pha PM () PM dải hẹp (NBPM-Narrow Band PM) Sử dụng công hức gần đúng: Biểu hức (*) hành ra: Δ θ = k x( ) 1 9/7/29 18 PM cos kx () 1;sin kx () kx () p p p y ( ) = YcosΩcos( k x( )) YsinΩsin( k x( )) NBPM p p Phổ của ín hiệu NBPM: = Ycos Ω Yk x( )sin Ω Biểu hức p p max NBPM Y YNBPM ( ω) = Yπδω [ ( Ω ) + δω ( +Ω)] kp X( ω Ω ) + X( ω+ω) 2 j PSD của ín hiệu NBPM: [ ] 2 ( Yk p ) [ ] 2 Y π NBPM X X Ψ ( ω) = [ δ( ω Ω ) + δ( ω+ω )] + Ψ ( ω Ω ) +Ψ ( ω+ω) 2 4

19 a.hệ điều pha PM () PM dải hẹp () Băng hông ín hiệu NBPM: Mạch ạo ín hiệu NBPM: BW NBPM = 2ω max Ycos Ω π 2 Ysin Ω k p x() Yk x() sin Ω p y () NBPM PM dải rộng (WBPM: Wide band PM) Công hức Carson xác định độ rộng phổ: BW = 2( Δ θ + 2) ω WBPM PM max 9/7/29 19

20 5.2.3 Điềuchế góc: b. Hệ điều ần FM (Frequency Modulaion) Dạng ín hiệu FM: rong đó: x(): ín hiệu in ức ϕ : pha ban đầu k f : hằng số ỉ lệ Các hông số quan rọng: Pha ức hời: Tần số góc ức hời: Độ lệch pha: Độ lệch ần số: yfm () = Y cos[ Ω + k f x() d] θ FM () =Ω + k f x() d Ω FM () =Ω+ k x() Δ θfm = θ( ) Ω = kf x( ) d ΔΩ FM = Ω() Ω = kf x () max f max (*) Tin ức rực iếp hayđổi ần số ức hời 9/7/29 2

21 b. Hệ điều ần FM () FM dải hẹp (NBFM-Narrow Band FM) Δ θ = k x( ) d 1 FM f max Tương ự như NBPM, biểu hức ín hiệu NBFM: ynbfm () = Ycos Ω Yk f x() d.sinω Băng hông ín hiệu NBFM: BW NBFM 2ω max FM dải rộng ( WBFM -Wide Band FM) = Công hức Carson xác định độ rộng phổ: BW = 2( Δ θ + 2 ω ) WBFM FM max 9/7/29 21

22 c. Nhận xé về PM và FM: So sánh với điều chế biên độ: Khả năng chống nhiễu caohơn AM Băng hông ín hiệu WBPM và WBFM rộng hơn ínhiệuam nhiều Quan hệ giữa FM vàpm: x() dx() d Bộ điều chế FM y PM () x() x() d Bộ điều chế PM y FM () 9/7/29 22

23 5.3 Điều chế xung (Pulse Modulaion): Sóng mang rong điều chế xung: Dãy xung vuông đơn cực rong đó: Y: biên độ xung 1 nt y () = Y = Y Π ; τ << T τ T T n= τ T: chu kỳ lặp lại xung τ: độ rộng xung y () τ Y -2T -T T 2T 9/7/29 23

24 5.2 Điều chế ương ự: Hệ hống điều chế PAM (Pulse Ampliude Modulaion): a. Hệ hống PAM lý ưởng: Dạng ín hiệu : Quá rình điều chế: Y Phổ của PAM lý ưởng: PAM 1 ypam () = x() T T 1 ω 2π ( ω) = X( ω) ; ω = 2π ω T 1 = X( ω) ω δ( ω nω) 2π n= 1 = X( ω nω ) T n= x() y PAM () 1 y () = ( ) T T 9/7/29 24

25 a. Hệ hống PAM lý ưởng (): Mô ả miền hời gian x() y() T 2T 3T 4T 5T y PAM () -2ω Môả miền ần số -ω X ω X /2 X(ω) -ω max Y( ω) ω max ω Y ( ) PAM ω ω 2ω ω -2ω -ω ω 2ω ω Giaûng GV: Ths. vieân: LêTh.S Ngọc LeâPhúc Xuaân Kyø 9/7/29 25

26 a. Hệ hống PAM lý ưởng (): Quá rình giải điều chế: Tín hiệu PAM được đưa qua bộ lọc cóđáp ứng ần số: H( ω) ω = T 2ωmax y PAM () h() x () Y PAM (ω) H(ω) X (ω) Phổ của ín hiệu ngõ ra: 1 X'( ω) Y ( ω) H( ω) X( ω nω ) T = PAM = T n= 2ωmax ω ω Nếu:, a có: 2 m X '( ω) = X( ω) H(ω) ω khôi phục đúng -2ω -ω ω 2ω 9/7/29 26

27 5.3.2 Hệ hống điều chế PAM (): b. Hệ hống PAM hực ế: Dạng ín hiệu : Quá rình điều chế: Phổ của PAM lý ưởng: 1 2π ω = [ ω ω ] ω 1 = 2π T YΠ ( ) τ T T 1 τ τ = X ( ω) 2 π Y Sanπ δ( ω nω ) 2π Y ( ) X( ) Y( ) ; PAM n= T Yτ nπτ = Sa X ( ω nω ) T T n= 1 y ( ) = x ( ). Y τ T T T x() y PAM () 9/7/29 27

28 b. Hệ hống PAM hực ế (): Mô ả miền hời gian x() Môả miền ần số X -ω max X(ω) ω max ω Y T 2T 3T y PAM () Y(ω) 2π Yτ T -2ω -ω ω 2ω ω 2π Yτ T Y PAM (ω) -2ω -ω ω 2ω ω 9/7/29 28

29 b. Hệ hống PAM hực ế (): Quá rình giải điều chế: Tín hiệu PAM được đưa qua bộ lọc cóđáp ứng ần số: T ω H ( ω) = Yτ 2ωmax Phổ của ín hiệu ngõ ra: X'( ω) = Y ( ω) H( ω) PAM Nếu:, a có: X khôi phục đúng y PAM () Y PAM (ω) h() H(ω) Yτ nπτ T ω = Sa X ( n ) T ω ω n T = Yτ 2ωmax x () X (ω) ω 2ω m '( ω) = X( ω) 2π Yτ T Y PAM (ω) H(ω) -2ω -ω ω 2ω ω 9/7/29 29

30 b. Hệ hống PAM hực ế (): Nhận xé: Phổ của ín hiệu PAM rộng vô hạn, nhưng phần lớn công suấ ập rung rong khoảng (-2π/τ, 2π/τ). Vì phổ của PAM ập rung xung quanh ần số hấp, nên muốn ruyền đi cần điều chế lần nữa (ví dụ PAM-AM, PAM-FM,vv ) Ví dụ 3: Cho hệ hống PAM như sau Biế rằng: 2π x( ) = Saω ; ω1 = ; T ω H ( ω ) =Π 2ω x() z() 1 y () = ( ) T T H(ω) Hãy: a. Xác định và vẽ Z(ω) khi ω 1 =3 ω ; ω 1 =1.5 ω b. Xác định v() và ính E v rong hai rường hợp ω 1 =3 ω ; ω 1 =1.5 ω. v() (o be coninued) 9/7/29 3

31 5.3.3 Các hệ hống điều chế xung khác: Điều chếđộrộng xung PDM (Pulse Duraion Modulaion) Điều chế vị rí xung PPM (Pulse Posiion Modulaion) Biên độ xung không đổi Vị rí bắ đầu xung không đổi Độ rộng của xung hay đổi heo x() x() Y T 2T 3T 4T 5T 6T y PDM () Biên độ xung không đổi Độ rộng của xung không đổi Vị rí bắ đầu xung hay đổi heo x() Y y PPM () 9/7/29 31

32 Vị rí của điều chế PAM rong hệ hống hông in 9/7/29 32