CHƯƠNG V: KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ
(MODULATION)
Điều chế (tương tự) là đem tin tức dưới dạng một tín hiệu tần số thấp tác
động vào tín hiệu cao tần điều hoà làm biến đổi một thông số nào đó (biên độ, tần
số hoặc góc pha) của tín hiệu cao tần theo tin tức. Trong trường hợp này, tin tức
được gọi là tín hiệu điều chế, dao động cao tần gọi là sóng mang, còn dao động
cao tần mang tin tức gọi là dao động cao tần đã điều chế. Sóng được điều chế
nhằm 2 mục đích:
Sóng đã điều chế thỏa mãn điều kiện truyền của môi trường truyền
tin vì môi trường này không truyền được tín hiệu gốc. Sóng truyền được tin tức
(thông tin) gọi là sóng mang.
Tạo điều kiện ghép nhiều kênh truyền tin để truyền qua cùng một
môi trường.
Có nhiều kỹ thuật điều chế tùy thuộc vào bản chất của tín hiệu gốc và môi
trường truyền. Trong kỹ thuật phát hình, tín hiệu gốc là tín hiệu hình, môi trường
truyền trong không gian truyền được sóng điện từ. Vào những ngày đầu, kỹ thuật
điều biến biên độ sóng cao tần đã được áp dụng, vài mươi năm sau thì kỹ thuật
điều biến tần số được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật truyền (phát) thông tin, nhờ
nó có đặc tính chống nhiễu tốt.
Trong thời gian nghiên cứu hạn hẹp, người nghiên cứu xin trình bày về kỹ
thuật điều biến biên độ (AM: Amplitude Modulation) và điều biến tần số sóng cao
tần (FM: Frequency Modulation). Ngoài ra còn nói sơ về kỹ thuật điều pha (PM :
Phase Modulation).
I. KỸ THUẬT ĐIỀU BIẾN: (Amplitude Modulation)
1/. Định nghĩa:
Kỹ thuật điều biến biên độ là kỹ thuật thay đổi biên độ của sóng mang có
tần số cao, có khả năng phát xạ sóng điện từ theo biên độ của một tín hiệu gốc
mang nội dung tin tức cần được truyền trong không gian. Tín hiệu gốc tuy có nội
dung tin tức, nhưng không phát xạ sóng điện từ, sóng cao tần có thể phát xạ sóng
điện từ truyền trong không gian. Do vậy, biên độ sóng được biến thiên theo tín
hiệu gốc để truyền được tín hiệu gốc trong không gian.
Để tiếp cận với kỹ thuật này, ta xét trường hợp đơn giản là tín hiệu điều
biến điều hoà có biểu thức: em = Emcos(mt (m : modulation)
Với : em điện áp tức thời của tín hiệu điều biến tức là điện áp tín hiệu
gốc.
Em : biên độ cực đại tín hiệu điều biến.
(m : tần số gốc tín hiệu điều biến (rad/s).
và fm : tần số tín hiệu điều biến (Hz).
Sóng cao tần có thể truyền được torng không gian có biểu thức sau:
ec = Ecsinωc t
Với : + ec : điện áp tức thời của sóng mang là sóng cao tần để mang tin
+ Ec : biên độ cực đại sóng mang
+ (c : 2(fc : tần số gốc sóng cao tần
+ fc : tần số sóng mang
Khi sóng đã được điều biến biên độ thì :
e = Ec ( 1 + mcosωmt )sin ωc t
Với Em/Ec gọi là chỉ số điều biên hay hệ số điều chế hoặc là độ sâu điều
chế.
Khi sử dụng kỹ thuật điều biên cần phải lưu ý là biên độ gốc Em phải nhỏ
hơn biên độ sóng mang Ec. Như vậy:
1
E
E
m
c
m≤=
Nếu m > 1 thì mạch có hiện tượng quá điều chế và tín hiệu bị méo trầm
trọng. Thực tế thì:
Mmax = 0,7 ( 0,9 là được để đảm bảo việc thu tín hiệu không bị méo.
Ta xác định m trong thực tế bằng cách đo các giá trị Vmax, Vmin,
và áp dụng công thức:
(
)
()
minmax
minmax
minmax
minmax
VV
VV
2
VV
2
VV
m+
−
=
+
−
=
Khi m = 1, ta có: Vmax = 2Vc; Vmin = 0
VAM
2/. Phổ tần và bề rộng dải tần:
Vmin
Vmax
VAM
0
Theo như trên, ta có:
e = Ec ( 1 + mCosωmt )Sin ωc t
m ≤ 1
0
m > 1
e = Ec Sin ωc t + m Ec Cosωmt + sin ωc t
e = Ec sin ωc t +
Và: * : gọi là sóng biên trên và có tần số là:
() ()
tSinE
m
tSinE 2
m
mccmc
ωωωω
−++
2c
ωm + ωc hay: fc + fm (Hz)
()
tsinE
2
m
mcc ω+ω
* : gọi là sóng biên dưới, có tần số là:
ωm - ωc (rad/s) hay fc - fm (Hz)
(
tsinE
2
m
)
mcc ω−ω
* Ec sin (c t là sóng mang, có tần số là (c (rad/s) hay fc (Hz)
Phổ sóng điều biên được vẽ như sau:
EC
1/2mEc1/2mEc
ωC +
ω
m
ωC -ωm
Bωm = 2ωm (rad/s)
EC
1/2mEc1/2mEc
fC + fm
fC -fm
B
ω
m = 2fm (rad/s)
Hai sóng biên nằm ở cả hai bên sóng mang, độ rộng dải tần bằng hiệu số
của tần số cao nhất là fc + fm với tần số thấp nhất là fc - fm.
BW = (fc + fm) - (fc - fm) = 2fm
3. Sự phân bố công suất trong sóng đã điều biến:
Hình vẽ phổ sóng đã điều biến bởi tín hiệu đơn tần em = EmCos(m t cho
thấy sự phân bố điện áp trong sóng. Điều này cho ta thấy được công suất được
phân phối (phân hgố theo tỉ lệ với bình phương của các giá trị điện áp là:Ġ , Ec và
Ġ.
Công suất sóng mang được tính bằng công thức:
Công suất mỗi sóng biên bằng: R2
E2
c
=Pc
Công suất của sóng đã điều biến bằng:
c
cc
c
SB P
m
R
E
m
R
Em
R
E
m
P42482
22
2
2
22
2
1=×==
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
=
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛+=++= 2
1
44
222 m
PP
m
PP
m
Pcccct
Như vậy công suất được phân bố thành các phần là:
ĉ vớiĠ
R
E
Pc
c2
2
=
f
fc
fc - fmfc +fm
cSF P
m
P4
2
=cUSF P
m
P4
2
=
Với PSf : tần số biên dưới : PSF = fc - fm
PUSf : tần số biên trên : PUSf = fc + fm
Ta thấy rằng công suất phân bố cho các tần số biên lệ thuộc vào hệ số điều
biên m.
4. Trường hợp tín hiệu điều biến là tín hiệu phức tạp:
Nếu tín hiệu điều chế (điều biến) là tín hiệu phức tạp gồm nhiều tần số
khác nhau, giả sử có nhiều thành phần, thấp nhất là fmin đến cao nhất fmax thì ta
có sóng đã điều biến là:
e
Vậy:
()
ttmtmtmE cmc
ω
ω
ω
ω
sincos...coscos maxmin
+
+
+
+221
1=
e
() ()
()
()
tsinE
2
m
tE
2
m
...tsinE
2
m
tsinE
2
m
tsinE
maxcc
m
max
sin
c
m
mincc
2
mincccc
ω−ω
+ω+ω++ω−ω+ω+ω+ω
=
Như vậy hệ số điều chế: 2
m
2
2
2
1t m....mmm +++=
Và phổ sóng có dạng:
Ec
f (Hz)
fc
fc - fmax fc +fmax
fc +fmin
fc -fmin
BBωB = 2.fBminB
Công suất của sóng được phân bố như sau:
Công suất toàn sóng biên trên:
4
Pm
Pc
2
t
USBt =
Công suất toàn sóng biên dưới:
4
Pm
Pc
2
t
LSBt =
Công suất sóng mang:
2
2
c
E
P=
Công suất toàn sóng:
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛+= 2
m
1P
2
t
ct
Lưu ý: độ rộng dải tần của sóng bằng:
P
BW = (fc + fmax) - (fc - fmax) = 2 fmax
fmax : tần số cao nhất trong dải tần tín hiệu điều biến.
5. Các kỹõ thuật truyền sóng điều biên:
Trước khi nghiên cứu các kỹ thuật truyền khác nhau, ta xét lại biểu thức
sóng mang đã điều biến:
e = Ec ( 1 + mCosωmt )sin ωc t
e =
tSinE
m
tSinE
m
tSinE mccmcccc )()(
ωωωωω
−+++ 22
Sóng mang Ec Sin(ct không mang nội dung tin, cả hai sóng điều biên
mang cùng một nội dung tin tức và phụ thuộc vào m, (m.
a/. Kỹ thuật truyền sóng biên với trộn sóng mang gọi tắt là kỹ thuật DSBFC
(Double Side Band Carrier). Đây là kỹ thuật truyền tin cổ điển dùng sóng điều
biên. Kỹ thuật này có nhược điểm: lãng phí công suất phát sóng và dải tần, nhưng
lại có ưu điểm là kỹ thuật giản đơn, thiết bị phát và thu cũng đơn giản, đỡ tốn kém.
Kỹ thuật này được áp dụng trong kỹ thuật truyền thanh bằng sóng điều biên. Tiêu
chuẩn phát sóng lệ thuộc vào cơ quan quản lý phát sóng các nước. Sau đây là tiêu
chuẩn phát thanh sóng điều biên của cơ quan FCC (Feederal Communication
Commisssion), cơ quan liên bang quản lý việc phân phối sử dụng và phát sóng tại
Mỹ được nhiều nước áp dụng, do vậy được lấy ra làm ví dụ minh hoạ:
Dải tần quy định: từ (540 ( 1600) KHz, mỗi cấp tăng tần số là 10
KHz (dành cho chương trình đài địa phương).
Độ rộng dải tần phát sóng 10 KHz.
Độ ổn định tần số sóng mang (20Hz so với tần số quy định phát
sóng.
Hệ số điều biên từ : 0,85 ( 0,95.
Dải tín hiệu âm tần từ 100 Hz ( 5KHz, một KHz là tần số chuẩn ở
Ođêxjen.