CHƯƠNG I: NGUYÊN LÝ THÔNG TIN VÔ TUYẾN (4 tiết)1.1. Khái niệm cơ bản về sóng vô tuyến

Sóng mang vô tuyến là những tín hiệu hình since có tần số cao, trong đó các thành phần như phase, biên độ, tần số sẽ biến điệu theo sóng tín hiệu để tạo các sóng mang cao tần mang các tín hiệu này đi xa trong không gian. Nếu không có sóng mang thì các sóng tín hiệu sẽ không thể truyền đi xa do bị suy hao tần số.

Sóng vô tuyến là sóng điện từ, nằm trong cùng nhóm với sóng ánh sáng, bức xạ hồng ngoại và tia X. Song, sóng điện từ được phát đi với tần số thấp hơn sóng ánh sáng và các bức xạ hồng ngoại. Trong kỹ thuật thông tin, người ta sử dụng các sóng có tần số trong khoảng 10KHz – 300Ghz.

Các đặc tính lan truyền cơ bản: Sóng tần số thấp : dễ phản xạ (vượt qua khoảng nhìn thẳng), hoạt động

tương tự sóng âm thanh. Sóng tần số cao : truyền theo đường nhìn thẳng (bị mưa hấp thụ hoặc làm

tán xạ), hoạt động giống sóng ánh sáng.Khi tần số tăng thì độ rộng băng tần sử dụng cũng tăng theo. Chẳng hạn, ta

có thể đạt độ rộng băng sóng 500KHz ở tần số 1GHz một cách dễ dàng nhưng rất khó thực hiện ở tần số 1MHz.

Ở tần số cao, dễ chế tạo các anten có tính định hướng để truyền các sóng vô tuyến theo một hướng xác định nên có thể sử dụng lại các sóng vô tuyến bằng cách thay hướng hoặc vị trí anten. Vì thế, ở tần số càng cao càng phù hợp cho truyền dẫn tín hiệu dung lượng lớn.

Ở băng tần VLF (Very Low Frequency) có thể lan truyền dưới biển nên có thể dùng thông tin cho các tàu ngầm.1.2. Sự lan truyền sóng vô tuyến điện

Sự lan truyền của sóng điện từ trong không gian được giải thích dựa theo thuyết điện từ trường của Maxwell: giả sử tại điểm O trong không gian có một điện trường biến thiên E không tắt dần. Nó sinh ra ở các điểm lân cận O một từ trường xoáy B biến thiên; từ trường biến thiên B lại sinh ra ở các điểm lận cận nó một điện trường biến thiên E1 và cứ như thế tiếp tục lan rộng ra trong không gian và càng ngày càng xa điểm O. Tuy nhiên tùy theo tần số hoạt động của sóng và môi trường truyền sóng mà khả năng truyền sóng có những yếu tố, đặc điểm khác nhau:

Phổ sóng vô tuyến có thể chia thành 3 nhóm băng tần rộng, có các đặc điểm truyền lan cơ bản: Sóng mặt đất (sóng bề mặt), sóng trời và sóng thẳng (sóng không gian)

Sự lan truyền sóng mặt đất ( sóng bề mặt ) : Sự lan truyền các sóng điện từ có tần số dưới 2 MHz có khuynh hướng đi

theo đường cong của bề mặt trái đất (hay gọi là sóng bề mặt). Sóng đất là sóng phân cực đứng vì điện trường trong sóng phân cực ngang nên sẽ song song với bề mặt trái đất, các sóng như thế dễ bị ngắn mạch bởi sự dẫn điện của đất.

Thành phần điện trường biến đổi của sóng đất sẽ cảm ứng điện áp trong bề mặt trái đất, tạo ra dòng điện chảy. Bề mặt trái đất cũng có điện trở và các tổn hao điện môi, gây nên sự suy hao sóng đất khi lan truyền. Sóng đất lan truyền tốt nhất trên bề mặt là chất dẫn điện tốt như nước muối, và truyền kém trên vùng sa mạc khô cằn. Tổn hao sóng đất tăng nhanh theo tần số, vì thế sóng đất nói chung hạn chế ở các tần số thấp hơn 2 MHz. Sóng đất được dùng rộng rãi cho liên lạc tàu thủy - tàu thủy và tàu thủy - bờ. Sóng đất được dùng tại các tần số thấp đến 15 kHz.Các nhược điểm của lan truy ề n sóng đất :• Sóng đất yêu cầu công suất phát khá cao.• Sóng đất yêu cầu anten kích thước lớn.• Tổn hao thay đổi đáng kể theo loại đất.Các ưu điểm:• Với công suất phát đủ lớn, sóng đất có thể dùng để liên lạc giữa 2 điểmbất kì trên thế giới.• Sóng đất ít bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi điều kiện khí quyển.

Sự lan truyền của sóng không gian :Sóng không gian bao gồm sóng trực tiếp và sóng phản xạ mặt đất, khoảng

cách truyền trong khoảng vài kilomet đến vài chục kilomet tầng dưới khí quyển. Sóng trực tiếp lan truyền theo đường thẳng giữa anten phát và anten thu, còn gọi là sóng thẳng (Line Of Sight). Vì thế sóng thẳng bị hạn chế bởi độ cong của bề mặt quả đất. Sóng phản xạ mặt đất là các sóng phản xạ từ bề mặt trái đất giữa anten phát và anten thu. Độ cong của trái đất tạo nên đường chân trời đối với sự lan truyền sóng không gian, gọi là chân trời vô tuyến. Có thể kéo dài chân trời vô tuyến bằng cách nâng cao anten phát và anten thu.

Sóng không gian là đặc trưng cho các sóng vô tuyến có tần số cao trên 30MHz.

Sự lan truyền của sóng trời : Các sóng điện từ có hướng bức xạ cao hơn đường chân trời tạo thành góc

khá lớn so với mặt đất gọi là sóng trời. Sóng trời được phản xạ hoặc khúc xạ về trái đất từ tầng điện ly, vì thế còn gọi là sóng điện ly.

Tầng điện ly là vùng không gian nằm cách mặt đất chừng 50 km đến 400 km. Tầng này hấp thụ một số lượng lớn năng lượng của tia cực tím và tia X bức xạ của mặt trời, làm ion hóa các phân tử không khí và tạo ra electron tự do. Khi sóng điện từ đi vào tầng điện ly, điện trường của sóng tác động lực lên các electron tự do, làm cho chúng dao động. Khi sóng chuyển động xa trái đất, sự ion hóa tăng, song lại có ít phân tử khí để ion hóa. Do đó, phần trên của khí quyển có số phần trăm phân tử ion hóa cao hơn phần dưới. Mật độ ion càng cao, khúc xạ càng lớn.

Nói chung, tầng điện ly được phân chia thành 3 lớp: lớp D, E, và F theo độ cao của nó; lớp F lại được phân chia thành lớp F1, F2. Độ cao và mật độ ion hóa của 3 lớp thay đổi theo giờ, mùa và theo chu kì vết đen của mặt trời (11 năm). Tầng điện ly đậm đặc nhất vào ban ngày và mùa hè.

Lớp D: là lớp thấp nhất, có độ cao 50 ÷ 100 km và nằm xa mặt trời nhất, do đó có ion hóa ít nhất. Như vậy lớp D ít có ảnh hưởng đến hướng truyền lan sóng vô tuyến. Song các ion ở lớp này có thể hấp thụ đáng kể năng lượng sóng điện từ. Lớp D biến mất về đêm. Lớp này phản xạ sóng VLF và LF, hấp thụ các sóng MF và HF. Lớp E: có độ cao 100 ÷ 140 km, còn gọi là lớp Kennelly - Heaviside theo tên của hai nhà bác học khám phá ra nó. Lớp E có mật độ cực đại tại độ cao 70 dặm vào giữa trưa khi mặt trời ở điểm cao nhất. Lớp E hầu như biến mất về đêm, hỗ trợ sự lan truyền sóng bề mặt MF và phản xạ sóng HF một chút về ban ngày. Phần trên của lớp E đôi khi được xét riêng và gọi là lớp E thất thường. Lớp này gây bởi hiện tượng nhật hoa và hoạt động của vết đen mặt trời. Đây là lớp mỏng có mật độ ion hoá rất cao, cho phép cải thiện không ngờ cự ly liên lạc. Lớp F: gồm 2 lớp F1 và F2. Lớp F1 có độ cao 140 ÷ 250 km vào ban ngày. Lớp F2 có độ cao 140 ÷ 300 km về mùa đông và 250 ÷ 350 km về mùa hè. Về đêm, 2 lớp này hợp lại với nhau tạo thành một lớp. Lớp F1 hấp thụ và suy hao một số sóng HF, cho qua phần lớn các sóng để đến F2 , rồi khúc xạ ngược về trái đất.

1.3. Các băng sóng vô tuyến điệnTa biết rằng thông tin vô tuyến đảm bảo việc phát thông tin đi xa nhờ các

sóng điện từ. Môi trường truyền sóng (khí quyển trên mặt đất, vũ trụ, nước, đôi khi là các lớp địa chất của mặt đất) là chung cho nhiều kênh thông tin vô tuyến. Việc phân kênh chủ yếu dựa vào tiêu chuẩn tần số. Một cách tổng quát, phổ tần tổng cộng và miền áp dụng của chúng được chỉ ra trên hình

Băng tần Dải tần Ứng dụngVLF

(very low frequency)3 ÷ 30KHz Thông tin dưới nước, đạo hàng,

định vịLF

(low frequency)30 ÷ 300 KHz Đạo hàng

MF(medium frequency)

300 ÷ 3000 KHz Phát thanh AM, hàng hải, trạm thông tin duyên hải, chỉ dẫn tìm kiếm cứu nạn.

HF(high frequency)

3 ÷ 30 MHz Điện thoại, điện báo, phát thanh sóng ngắn, hàng hải, hàng không.

VHF(very high frequency)

30 ÷ 300 MHz Truyền hình, phát thanh FM, điều khiển giao thông, đạo hàng

UHF(ultra high frequency)

300 ÷ 3000MHz Truyền hình, thông tin vệ tinh, do thám, ra da giám sát, đạo hàng

SHF(super high frequency)

3 ÷ 30GHz Hàng không, thông tin viba, thông tin di động, thông tin vệ tinh

EHF(extremly high frequency)

30 ÷ 300GHz Thông tin rada, NCKH

Hồng ngoạiÁnh sáng nhìn thấy

Tia cực tím

103 ÷ 107 GHz Thông tin quang

o Các tần số rất thấp (VLF - Very Low Frequencies). Có giá trị nằm trong phạm vi 3 ÷ 30 kHz, chứa phần trên của dải nghe được của tiếng nói. Dùng cho các hệ thống an ninh, quân sự và chuyên dụng của chính phủ như là thông tin dưới nước (giữa các tàu ngầm).o Các tần số thấp (LF - Low Frequencies). Có giá trị nằm trong phạm vi 30 ÷ 300 kHz (thường gọi là sóng dài), chủ yếu dùng cho dẫn đường hàng hải và hàng không. o Các tần số trung bình (MF - Medium Frequencies). Có giá trị nằm trong phạm vi 300 kHz ÷ 3 MHz (thường gọi là sóng trung), chủ yếu dùng cho phát thanh thương mại sóng trung (535 đến 1605 kHz). Ngoài ra cũng sử dụng cho dẫn đường hàng hải và hàng không.o Các tần số cao (HF - High Frequencies). Có giá trị nằm trong phạm vi 3÷30MHz (thường gọi là sóng ngắn). Phần lớn các thông tin vô tuyến 2 chiều (twoway) sử dụng dải này với mục đích thông tin ở cự ly xa xuyên lục địa, liên lạc hàng hải, hàng không, nghiệp dư, phát thanh quảng bá...v.v.o Các tần số rất cao (VHF - Very High Frequencies). Có giá trị nằm trong phạm vi 30 ÷ 300 MHz (còn gọi là sóng mét), thường dùng cho vô tuyến di động, thông tin hàng hải và hàng không, phát thanh FM thương mại (88 đến 108 MHz),truyền hình thương mại (kênh 2 đến 12 với tần số từ 54 MHz đến 216 MHz).o Các tần số cực cao (UHF - UltraHigh Frequencies). Có giá trị nằm trongphạm vi 300 MHz ÷ 3 GHz (còn gọi là sóng đề xi mét), dùng cho các kênh truyền hình thương mại 14 ÷ 83, các dịch vụ thông tin di động mặt đất, các hệ thống điện thoại tế bào, một số hệ thống rada và dẫn đường, các hệ thống vi ba và thông tin vệ tinh.o Các tần số siêu cao (SHF - SuperHigh Frequencies). Có giá trị nằm trong phạm vi 3 ÷ 30 GHz (còn gọi là sóng cen ti mét), chủ yếu dùng cho vi ba và thông tin vệ tinh.o Các tần số cực kì cao (EHF - Extremely High Frequencies). Có giá trị nằm trong phạm vi 30 ÷ 300 GHz (còn gọi là sóng mi li mét), ít sử dụng cho thông tin vô tuyến.

o Các tần số hồng ngoại. Có giá trị nằm trong phạm vi 0,3 THz ÷ 300 THz, nói chung không gọi là sóng vô tuyến. Sử dụng trong hệ thống dẫn đường tìm nhiệt, chụp ảnh điện tử và thiên văn học.o Các ánh sáng nhìn thấy. Có giá trị nằm trong phạm vi 0,3 PHz ÷ 3 PHz, dùng trong hệ thống sợi quang.o Các tia cực tím, tia X, tia gamma và tia vũ trụ. Rất ít sử dụng cho thông tin.1.4. Hệ thống thông tin vô tuyến

a. Sơ đồ tổng quát hệ thống thông tin vô tuy ế n Để thực tổ chức thực hiện thông tin bằng đường vô tuyến, tại đầu phát cần

có thiết bị phát, tại đầu thu cần có thiết bị thu. Thông thường đối với việc tổ chức thông tin theo 2 chiều, mỗi đầu cần phải có cả thiết bị phát và thiết bị thu. Sơ đồ tổng quát của hệ thống thông tin vô tuyến được chỉ ra trên hình

Thiết bị phát là tập hợp các phương tiện kỹ thuật, nằm giữa nguồn các tín hiệu điện sơ cấp và môi trường truyền sóng.

Thiết bị thu là tập hợp các phương tiện kỹ thuật, nằm giữa môi trường truyền sóng và nguồn tiêu thụ các tín hiệu điện sơ cấp.

Thiết bị phát bao gồm máy phát và hệ thống anten - phi đơ. Máy phát thực hiện ba chức năng cơ bản:1. Biến đổi tín hiệu điện sơ cấp thành dạng tín hiệu cao tần phù hợp với dải tần số công tác của hệ thống.2. Tạo dải tần công tác với số lượng tần số công tác, độ ổn định tần số và độ chính xác tần số cho trước.

3. Tạo ra công suất cao tần yêu cầu từ nguồn năng lượng tại chỗ. Khi tính toán công suất phải tính đến cự ly liên lạc yêu cầu, hiệu quả anten phát và thu được dùng, phương pháp tiến hành liên lạc.Máy phát thường gồm bộ kích thích, bộ khuếch đại công suất và thiết bị phối hợp anten. Bộ kích thích thực hiện biến đổi tín hiệu sơ cấp thành tín hiệu cao tần sơ cấp (tín hiệu vô tuyến), tổng hợp mạng tần số công tác trong dải tần đã cho, sau đó chuyển tín hiệu vô tuyến sơ cấp đã chọn lên tần số công tác. Bộ khuếch đại công suất bảo đảm khuếch đại tín hiệu cao tần lên đủ mức cần thiết, thường gồm nhiều tầng mắc nối tiếp. Thiết bị phối hợp bảo đảm phối hợp máy phát với thiết bị anten về mặt trở kháng để anten bức xạ công suất cực đại, biến năng lượng điện thành năng lượng của sóng điện từ.

Thiết bị thu bao gồm hệ thống anten phi đơ và máy thu. Máy thu gồm có tuyến thu chung và tuyến thu riêng. Anten thu nhận năng lượng các sóng điện từ rồi nhờ phi đơ đưa tới lối vào máy thu. Trong máy thu các dạng tín hiệu được xử lý theo nguyên tắc Rộng - Hạn chế - Hẹp - Hạn chế cho phép nâng cao độ chọn lọc, độ nhạy đối với các dạng tín hiệu. Tuyến thu chung đóng vai trò Rộng - Hạn chế, tại đây tín hiệu có ích được khuếch đại, lọc dải rộng và biến đổi về thành tín hiệu điện tần số trung gian. Tuyến thu riêng đóng vai trò Hẹp - Hạn chế, tại đây các dạng tín hiệu được phân chia thành các tuyến riêng biệt tiếp tục được khuếch đại, lọc dải hẹp và biến đổi thành tín hiệu sơ cấp và đưa về dạng cần thiết cho sự hoạt động của thiết bị đầu cuối. Nguồn tin có thể là tín hiệu dạng tương tự hoặc số. Trong thông tin vô tuyến ta hay gặp dạng thiết bị thu - phát kết hợp (thường gọi là máy thu phát) trong đó máy phát và máy thu cùng chung một vỏ (tuỳ trường hợp sẽ có một số bộ phận dùng chung như anten, mạch ra máy phát kiêm mạch vào máy thu, bộ dao động chủ sóng máy phát kiêm dao động ngoại sai máy thu - bộ tổng hợp tần số, các bộ lọc trong các tuyến tần số...).

---------------o0o---------------

Hình 2.1

CHƯƠNG II: DAO ĐỘNG ĐIỆN TỪ (7 tiết)2.1. Dao động điện từ điều hòa

Xét mạch dao động LC như hình 2.1. Giả sử các tham số của mạch là lý tưởng, điện trở nội của đây dẫn bằng 0. Để đơn giản, ta giả sử các quá trình xảy ra trong mạch ở chuẩn dừng, nghĩa là các giá trị tức thời của dòng điện như nhau tại mọi điểm trong mạch, theo đó ta áp dụng định luật Kirchoff cho các giá trị tức thời của các đại lượng trong mạch.Khảo sát mạch LC Xét mạch dao động LC như hình 2.2:

o Ban đầu khóa K ở A, nguồn tích điện cho tụ, điện tích q của tụ tăng từ 0 lên đến giá trị cực đại Q0, tụ ngừng tích điện.

o Chuyển khóa K sang chốt B, tạo thành mạch kín giữa L và C gọi là mạch dao động, tụ phóng điện và có dòng điện qua cuôn cảm.

o Sự chuyển hóa năng lượng trong mạch diễn ra như sau: năng lượng điện trường trong tụ điện được chuyển hóa hoàn toàn thành năng lượng từ trường trong cuộn dây, ngược lại năng lượng từ trường trong cuộn dây sẽ chuyển hóa hoàn toàn thành năng lượng điện trường trong tụ điện do không có sự tổn hao năng lượng nên quá trình chuyển hóa năng lượng trên tạo thành một mạch dao động điện – từ trường điều hòa.

o Xét trong khoảng thời gian vô cùng nhỏ Δt, tụ đang phóng điện thì dòng điện trong mạch là i:

i = -

o Trong cuộn dây có từ thông biến thiên nên phát sinh suất điện động tự cảm e:

e = - L = - L (2.1)

Áp dụng định luật Kirchoff cho mạch tại thời điểm kín mạch trên ta có:

Hình 2.2

Uc + iR = - L (*)

Mà R = 0, nên Uc = e:

(2.2)

Từ (2.1) và (2.2), suy ra:

(2.3)

Đặt: , suy ra phương trình (2.3) tương đương:

Đây là phương trình vi phân tuyến tính bậc 2, phương trình trên có nghiệm tổng quát như sau:

Vậy điện tích trong mạch LC là một hàm biến thiên điều hòa theo thời gian.Do nên:

Điện áp trên tụ

Từ kết quả trên ta có nhận xét rằng: quá trình xảy ra trong mạch là quá trình dao động của các đại lượng q, u và i theo quy luật điều hòa hình sine hoặc cosin, theo đó dòng điện nhanh phase hơn hiệu điện thế một góc π/2. Đây là trường hợp lý tưởng tổn hao năng lượng trong mạch bằng 0 vì R=0. Do đó, mạch dao động ổn định với chu kỳ T = 2π/ω0 = 2π

2.2. Dao động điện từ tắt dầnVới mạch dao động điện từ điều hòa như khảo sát

ở mục 2.1, trong thực tế điện trở R luôn khác 0; Do đó, ta xét trường hợp mạch có thêm điện trở R tượng trưng cho điện trở toàn mạch. Sự chuyển hóa năng lượng trong mạch vẫn diễn ra bình thường nhưng có sự tỏa nhiệt trên điện trở R nên các đại lượng không còn dao động theo chu kỳ ổn định như

Hình 2.3

trường hợp dao động điều hòa mà biên độ giảm dần theo thời gian. Dao động điện từ trong mạch không còn là dao động điện từ điều hòa nên gọi là dao động điện từ tắt dần. Phương trình (*) được viết lại như sau:

(*) ⟺

⟺

⟺ (2.4)

Đặt: ω = ;

Suy ra (2.4) được viết lại như sau: (2.5)Phương trình (2.5) là phương trình vi phân cấp hai thuần nhất hệ số không đổi. Với điều kiện hệ số dừng ω0 > α đủ nhỏ thì nghiệm tổng quát của phương trình có dạng:

(2.6)

Trong đó: Q0 được xét tại thời điểm đầu

< ω0

Chu kỳ của dao động tắt dần:

Dễ nhận thấy rằng chu kỳ dao động của mạch lớn hơn chu kỳ dao động riêng của mạch. Đại lượng Q0e-αt

là biên độ của dao động tắt dần, biên độ này giảm dần theo quy luật hàm mũ loga như Hình 2.4

2.3. Dao động điện từ cưỡng bứcĐể duy trì dao động điện từ trong mạch dao động

RLC, người ta phải cung cấp năng lượng để bù lại phần năng lượng mất đi do bị tổn hao trên điện trở R. Để thực hiện được việc này, cần mắc vào mạch một

Hình 2.4

Hình 2.5

nguồn điện xoay chiều biến thiên tuần hoàn theo thời gian có tần số góc ω1, có biên độ δ0. .

Lúc đầu dao động của mạch là chồng chất của các dao động trong mạch: dao động tắt dần với tần số ω, và dao động cưỡng bức với tần số góc ω 1. Giai đoạn quá độ này xảy ra rất ngắn, sau đó dao động tắt dần không còn nữa và dao động trong mạch chỉ còn dao động không tắt của nguồn năng lượng với tần số góc ω1. Đó là dao động điện từ cưỡng bức, dao động được mô tả trên hình 2.6

Trong khoảng thời gian rất ngắn dt, năng lượng mất đi do tổn hao trên điện trở R được xác định dE=i2Rdt. Nguồn điện cung cấp cho mạch một năng lượng bằng phần năng lượng tổn hao trong quá trình dao động, chính là phần nhiệt lượng tỏa ra trên điện trở theo định luật Jule-Lenz.

2.4. Cộng hưởng nối tiếp (Series Resonance)Hiện tượng biên độ dòng điện trong mạch dao động điện từ cưỡng bức đạt

giá trị cực đại gọi là hiện tượng cộng hưởng điện. Vì thế, hiện tượng cộng hưởng điện xảy ra khi tần số của nguồn xoay chiều kích thích bằng tần số riêng của mạch dao động.

Mạch cộng hưởng cơ bản được trình bày ở hình 2.7 điều quan tâm chính ở đây là làm thế nào giữ được giá trị biên độ và góc phase của dòng điện thay đổi theo tần số của nguồn điện áp hình sine. Chẳng hạn tần số của nguồn có sự thay đổi, biên độ lớn nhất của nguồn (Vm) luôn được giữ vững.

Tần số mà tại đó điện kháng của cuộn dây và tụ điện triệt tiêu nhau được gọi là tần số cộng hưởng của mạch. Tần số đó được xác định

(2.7)Dòng điện i = VR/R, do đó dòng điện i có thể được xác định bằng cách tính giá trị điện áp trên điện trở. Dòng điện i có biểu thức:

Hình 2.6

Hình 2.7 - Mạch cộng hưởng nối tiếp

(2.8)

Với Im được xác định:

(2.9)

Và giá trị φ được xác định:

(2.10)

Băng thông của mạch nối tiếp được định nghĩa là khoảng tần số mà biên độ dòng điện bằng hoặc lớn hơn lần giá trị cực đại của biên độ, như mô tả trên hình 2.8. Độ rộng băng thông được xác định:

B=ω2-ω1=R/L

(2.11)

ω2,ω1 được gọi là “tần số nửa công suất” (Half Power Frequencies) hoặc gọi là tần số -3dB (-3dB Frequencies), là tần số mà giá trị của Im bằng giá trị cực đại chia .

Tham số chất lượng Q: (2.12)

Hình 2.8 - Đáp ứng tần số của mạch cộng hưởng nối tiếp

2.5. Cộng hưởng song song (Parallel Resonance)Mạch cộng hưởng song song cơ bản

được trình bày như hình 2.9. Điều quan tâm chính ở đây là làm thế nào giữ được biên độ và góc pha của điện áp ngõ ra Vo

thay đổi theo tần số của nguồn điện áp hình sine.Nếu biểu thức dòng điện Is là:

Thì điện áp ra Vo là:

Với (2.13)

Và góc (2.14)

Tần số cộng hưởng (2.15)

Tần số nửa công suất (2.16)

Băng thông (2.17)

Tham số chất lượng:

Hình 2.9 – Mạch cộng hưởng song song

Hình 2.10 – Đáp ứng tần số của mạch cộng hưởng song song

CHƯƠNG III: ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN SÓNG (4 tiết)3.1. Khái niệm chung

3.1.1. Đường dây truyền sóngĐường dây truyền tải tín hiệu cao tần nối từ điểm nguồn đến điểm đích có

chiều dài lớn hơn nhiều lần so với bước sóng, tín hiệu cao tần phải mất một khoảng thời gian để lan truyền đến điểm tải, các hiện tượng điện xảy ra trong quá trình truyền phải được giải thích trên cơ sở mô hình siêu cao tần. Và ta gọi các hiện tượng đó là hiện tượng truyền sóng trên đường dây. Truyền sóng siêu cao tần thường xuất hiện các hiện tượng:

Trễ phase của tín hiệu tại điểm thu so với phase của tín hiệu tại điểm phát Vc(t) = Vt(t-T).

Thời gian trễ phase tỉ lệ với chiều dài l của đường truyền. Có sự suy giảm biên độ tại điểm thu so với biên độ tại điểm phát. Có sự phản xạ sóng trên tải và trên nguồn vì thế xuất hiện hiện tượng

sóng dừng trên đường dây.Mạch có thông số tập trung: các đại lượng đặc tính điện của mạch xác định

tại một vị trí nào đó trong mạch. Thông số tập trung được biểu diễn bằng một phần tử điện như: điện trở (R), tụ điện (C), cuộn cảm (L), nguồn áp,…chiều dài dây có thể bỏ qua và không ảnh hưởng tới việc phân tích mạch.

Mạch có thông số phân bố: các đại lượng đặc tính điện của mạch không tồn tại một vị trí cố định trong mạch mà chúng rải đều suốt chiều dài mạch điện.

3.1.2. Mạch tương đươngXét một điểm trên đường truyền sóng có tọa độ x, trên đoạn vi phân dx cũng

có hiện tượng lan truyền sóng. Tuy nhiên Δx << λ nên ta có thể thay thế đoạn đường truyền Δx có thông số phân bố bằng một mạch điện có thông số tập trung như hình 3.1.

Hình 3.1 – Mô hình tương đương của đường dây truyền sóng

Trong đó các thông số trên đường truyền gồm:- L là từ cảm của đường dây trên một đơn vi chiều dài (H/m)- R là điện trở của đường dây trên một đơn vị chiều dài (Ω/m)- Điện dung tương đương của đường dây trên một đơn vị chiều dài (F/m)- G điện dẫn tuyến tính trên một đơn vị chiều dài (S/m)Trong sơ đồ mạch tương trên, nếu xét một cách tổng quát ta có thể thấy gồm

các thành phần tổn hao sau:Z = R + jωL: tổn hao do điện trở và cảm kháng mắc nối tiếp.Y = G + jωC: tổn hao do dẫn nạp G và dung kháng mắc song song.L,C,R,G là các thông số sơ cấp của đường dây truyền sóng.

Phương trình truyền sóng trên đường dây, áp dụng định luật Kirrchop:

(3.1)

(3.2)

Viết lại phương trình trên trong miền tần số

(3.3)

Hay: (3.4)

Hệ số truyền sóng: γ(ω)= (3.5)

Hệ số truyền sóng biểu diễn dưới dạng phức: γ = α + jβTrong đó: α là hệ số suy hao [dB/m]

Β là hệ số lệch pha [rad/m]

Phương trình truyền sóng: (3.6)

Phương trình (3.6) ta thấy sóng tại điểm x bất kỳ trên đường truyền gồm có hai thành phần: Một sóng từ nguồn đến tải, sóng này có biên độ giảm dần do có sự suy hao trên đường truyền, phase sóng trễ dần ta gọi thành phần sóng này là sóng tới. Một sóng từ nguồn về tải, biên độ của sóng này cũng giảm dần do suy hao trên đường truyền, ta gọi thành phần sóng này là sóng phản xạ.Trở kháng đặc trưng của đường truyền:

Vận tốc truyền sóng:

Đối với đường truyền không tổn hao R = 0, G = 0, ta có:

Hệ số truyền sóng: γ(ω)= = j

Lúc này: α = 0; β =

Trở kháng đặc trưng:

Vận tốc truyền sóng:

Hằng số thời gian của một đượng truyền được định nghĩa là khoảng thời gian cần thiết để sóng lan truyền được một đơn vị chiều dài của đường truyền [s/m].

3.1.3. Các thông số kỹ thuật3.1.4. Các loại dây truyền sóng thông dụng

a. Không gian tự do: không gian tự do được hiểu là không gian vô hạn chân không, môi trường truyền trong không khí cũng được xem là không gian tự do. Các tham số của môi trường được cho như sau:

o Hệ số điện thẩm tuyệt đối:

o Hệ số từ thẩm tuyệt đối:

o Vận tốc truyền sóng: trong không gian tự do sóng được truyền đi với vận tốc

ánh sáng

o Trở kháng sóng:

b. Đường dây song hành (two wire line): đường dây song hành gồm hai dây dẫn có đường kính d đặt song song, cách nhau một khoảng D, dây song hành được chia làm hai loại: Dây cứng và dây mềm.

o Dây song hành cứng: thường có kích thước lớn, các dây dẫn bằng ống đồng tròn, giữa chúng là không khí. Loại dây này thường được sử dụng trong các mạch công suất lớn như mát phát, đường dây cấp điện cho các anten phát công suất lớn.

o Đường dây song hành mềm: gồm hai dây dẫn nhỏ, đặt song song nhau và cố định khoảng cách bằng nhựa mềm. Loại dây này thường sử dụng cho các thiết bị công suất nhỏ như cáp anten thu tivi,trở kháng hoạt động của loại dây này là 300 [Ohm].

o Trở kháng đường truyền:

c. Cáp đồng trục (coaxial-cable): Cáp đồng trục gồm một thanh dẫn hình trụ (dây dẫn) ở giữa và một ống dẫn (lưới dẫn điện) bọc bên ngoài, thanh dẫn và ống dẫn đồng tâm.

o Cáp đồng trục cứng được sử dụng nhiều trong các đường truyền sông suất lớn vì ít tổn hao.

o Cáp đồng trục mềm được sử dụng trong các đường truyền công suất nhỏ, hoặc đường truyền tín hiệu có tần số thấp. Tổn hao chủ yếu trên cáp đồng trục là tổn hao điện môi. Trở kháng sóng của cáp đồng trục thường thấp hơn cáp song hành

Hình 3.2 – Dây song hành

Hình 3.3 – Cáp đồng trục

o Trở kháng đường truyền: ; cáp đồng trục thường được chế tạo

với mức trở kháng 50Ω và 75Ωd. Cáp xoắn đôi (twisted pair): cáp

xoắn đôi gồm một hay nhiều cặp dây đồng xoắn lại với nhau theo từng cặp nhằm chống phát xạ nhiễu điện từ. Có hai loại cáp xoắn đôi: loại có vỏ bọc chống nhiễu (STP: Shieded Twisted Pair) và loại không có vỏ bọc chống nhiễu (UTP: Unshieded Twisted Pair).

e. Ống dẫn sóng (wave guide shapes): ống dẫn sóng là một hình thức đặc biệt của đường dây truyền sóng, là một ống kim loại rỗng, ống dẫn sóng chỉ cho các tín hiệu tần số cao có bước sóng ngang bằng mặt cắt ngang của ống dẫn có nhiều loại khác nhau như ống tròn, ống elip, ống hộp chữ nhật.

f. Ngoài các loại đường truyền thông dụng trên người ta còn sử dụng một số loại đường truyền khác như: đường truyền dải, đường truyền vi dải và đường truyền Coplanar.

Hình 3.4 – Cáp xoắn đôi UTP

Hình 3.5 – Cáp STP

Hình 3.6 - Ống dẫn sóng

CHƯƠNG IV: ANTEN (3 tiết)4.1. Khái niệm

Việc truyền tải năng lượng điện từ có thể được sử dụng hai phương pháp: Dùng đường truyền hữu tuyến, nghĩa là dùng các hệ thống dẫn sóng như: đường dây song hành, cáp đồng trục, ống dẫn sóng,…. Sóng điện từ lan truyền trong các hệ truyền dẫn này gọi là sóng điện từ ràng buộc. Dùng phương pháp bức xạ sóng điện từ lan truyền tự do trong không gian. Thiết bị dùng để bức xạ sóng ra không gian hoặc cảm nhận (thu) sóng từ không gian tự do gọi là Anten.

Anten là một phận quan trọng không thể thiếu của bất kì một hệ thống vô tuyến điện nào, bởi vì khi là một thống vô tuyến thì bắt buộc sử dụng đến sóng điện từ nghĩa là phải có anten phát sóng điện từ và anten thu thu sóng điện từ.

Một hệ thống vô tuyến thông thường gồm: máy phát, anten phát – máy thu, anten thu. Giữa máy phát và anten phát hoặc giữa anten thu và máy thu không nối trực tiếp với nhau mà được ghép với nhau qua một đường truyền hữu tuyến gọi là fide. Trong hệ thống này, máy phát có nhiệm vụ tạo ra tín hiệu cao tần công suất lớn; tín hiệu này thông qua fide truyền đến anten phát dưới dạng sóng điện từ ràng buộc. Anten phát có nhiệm vụ chuyển tín hiệu sóng điện từ ràng buộc thành bức xạ điện từ lan truyền trong không gian tự do. Anten thu có nhiệm vụ ngược lại vơi anten phát, nghĩa là cảm ứng sóng điện từ tự do trong không gian thành sóng điện từ ràng buộc – thông qua fide truyền tới máy thu.

Yêu cầu đối với anten – fide là phải chuyển đổi năng lượng với hiệu suất cao và không gây méo dạng tín hiệu.

Anten được sử dụng nhiều trong kỹ thuật vô tuyến: vô tuyến truyền thanh, vô tuyến truyền hình, vô tuyến đạo hàng, vô tuyến thiên văn, điều khiển vô tuyến,….

Các loại anten dùng trong từng mục đích khác nhau thì có yêu cầu khác nhau; với các đài phát thanh, truyền hình thì anten cần bức xạ đồng đều trong mặt phẳng ngang để máy thu ở các hướng có thể thu được tín hiệu của đài phát. Với anten dùng trong kỹ thuật đạo hàng, thông tin vệ tinh, thông tin vũ trụ,… thì anten cần có tính định hướng cao, điều đó có nghĩa là sóng bức xạ lan truyền trong không gian theo một góc rất hẹp.

Từ đây có thể giải thích rằng nhiệm vụ của anten không đơn thuần là chuyển đổi năng lượng điện từ thành sóng điện từ lan truyền tự do trong không gian mà

còn có chức năng bức xạ sóng theo một hướng nhất định theo các yêu cầu và thông số kỹ thuật tính trước.

Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật thông tin vô tuyến, anten không còn đơn thuần có nhiệm vụ bức xạ hay thu sóng mà còn tham gia và quá trình gia công tín hiệu. Một cách tổng quát, anten cần được hiểu là một hệ thống mà trong đó chủ yếu là bộ phận bức xạ và cảm ứng thu sóng, bộ phận cung cấp tín hiệu, bộ phận gia công tín hiệu; sồ đồ một hệ thống thu phát vô tuyến được mô tả như hình 4.1.

Hình 4.1 – Sơ đồ hệ thống thu phát vô tuyến

Lý thuyết về anten được xây dựng trên cơ sở phương trình điện từ trường của Maxwell, trên cơ sở này chúng ta xem xét quá trình chuyển đổi năng lượng điện – từ trường là quá trình điều hòa theo thời gian theo quy luật sine hoặc cosin.4.2. Thông số kỹ thuật

4.2.1. Biểu đồ hướng

Biểu đồ phương hướng phát xạ của anten, được gọi tắt là biểu đồ hướng, là

đồ thị biểu diễn hàm đặc tính phát xạ của anten trong không gian 3 chiều.

Đặc tính phát xạ của anten thường là cường độ phát xạ, ký hiệu là U(θ, φ)

hoặc cường độ trường, ký hiệu là F(θ, φ), được xem như là một hàm của hướng

phát xạ (hướng góc) tính từ anten trong vùng trường xa.

Cũng có thể chuẩn hóa hàm cường độ phát xạ U(θ,φ) hoặc chuẩn hóa hàm

cường độ trường F(θ,φ) vì trong thực tế ta thường hay quan tâm so sánh đặc tính

phát xạ của anten theo các hướng khác nhau.

Cường độ phát xạ chuẩn hóa:

[lần] hay [dB]

Cường độ trường chuẩn hóa:

[lần] hay [dB]

Trong đó Umax, Fmax là cực đại của U(θ, φ), F(θ, φ). Cần lưu ý mối quan hệ

giữa cường độ phát xạ chuẩn hóa và cường độ trường chuẩn hóa như sau:

Biểu đồ hướng 3 chiều của anten thường được vẽ trong hệ tọa độ không gian

vuông góc hoặc hệ tọa độ cầu. Mặt cắt của biểu đồ hướng 3 chiều theo phương

ngang được gọi là biểu đồ ngang hay biểu đồ phương vị. Mặt cắt của biểu đồ

hướng 3 chiều theo phương đứng được gọi là biểu đồ đứng hay biểu đồ ngẩng.

Hướng mà cường độ phát xạ U(θ, φ) mạnh nhất xác định búp chính của biểu

đồ hướng. Các cực đại khác của biểu đồ hướng xác định các búp phụ.

Anten đẳng hướng là một anten lý tưởng giả định (anten không bị suy hao –

lossless anten) phát ra tín hiệu theo mọi hướng một cách bằng nhau. Do vậy anten

đẳng hướng có biểu đồ hướng 3 chiều hình cầu, biểu đồ ngang hình tròn và biểu đồ

đứng hình tròn.

Biểu đồ anten đẳng hướng

x

y

φ

x

zθ

Anten lưỡng cực đặt thẳng đứng có cường độ phát xạ chuẩn hóa Un(θ, φ) =

sin2θ có biểu đồ ngang hình tròn và biểu đồ đứng hình số 8. Biểu đồ này thuộc loại

biểu đồ vô hướng có dạng biểu đồ ngang tròn và biểu đồ đứng hẹp.

Biểu đồ anten lưỡng cực đặt thẳng đứng

4.2.2. Phân cực

Sóng điện từ phát xạ từ anten có dạng sóng phẳng khi được quan sát tại vùng

trường xa. Như đã biết, đối với sóng điện từ, vecto điện trường và vecto từ trường

luôn vuông góc với nhau và cùng vuông góc với phương truyền sóng. Sự phân cực

của sóng điện từ được định nghĩa là hình ảnh để lại bởi đầu mút của vecto điện

trường khi được quan sát dọc theo chiều truyền sóng nhất định nào đó. Anten phát

có thể phân cực tuyến tính hay phân cực elip.

4.2.3. Hệ số định hướng

Hệ số định hướng biểu thị khả năng tập trung năng lượng phát xạ của anten.

Hệ số định hướng D(θ, φ) được định nghĩa là tỉ số giữa cường độ phát xạ của anten

theo một hướng nhất định nào đó và cường độ phát xạ trung bình của anten trên

mọi hướng:

Trong đó: U(θ, φ) là cường độ phát xạ của anten

Prad là công suất phát xạ ra khỏi anten

Prad/4π là cường độ phát xạ trung bình của anten trên mọi hướng

x

y

φ

x

z

θ

Hệ số định hướng của anten cũng chính là tỉ số giữa cường độ phát xạ của

anten theo một hướng nhất định nào đó và cường độ phát xạ của anten đẳng hướng

có cùng công suất phát xạ.

Khi không xác định rõ hướng, hệ số định hướng ngầm định được tính theo

hướng phát xạ mạnh nhất:

Hệ số định hướng cũng thường được tính theo dB như sau:

[dB]

Hình dưới minh họa một dạng bức xạ (radiation pattern) của anten định

hướng. Lưu ý là sự bức xạ này tồn tại trong không gian 3 chiều.

Dạng bức xạ của anten mô tả “sự khác nhau về góc bức xạ ở một khoảng

cách cố định từ anten”. Nó thường được diễn tả bằng thuật ngữ “hướng”

(directivity) “hay độ lợi” (gain) của anten.

Anten thường có main lobe hay beam (vùng bức xạ), chính là hướng có độ

lợi lớn nhất, và minor lobe mà cụ thể hơn là side lobe hay back lobe tùy thuộc vào

hướng của minor lobe so với main lobe. Các nhà sản xuất thường mô tả anten bằng

độ lợi hay main lobe, họ cũng thường xác định thêm beamwidth (độ rộng của vùng

bức xạ) của anten.

Khi biểu đồ hướng đứng hoặc ngang chủ yếu chỉ có búp chính còn các búp

phụ nhỏ không đáng kể, nghĩa là anten có hướng tính rõ rệt, ta có thể xác định độ

rộng chùm tia nửa công suất HPBW (half power beam width). Đó là góc phẳng

hợp thành giữa 2 hướng mà theo hướng đó cường độ phát xạ bằng nửa cường độ

phát xạ cực đại (tức là giảm 3dB).

Nguyên lý half-power beamwidth được định nghĩa bởi IEEE như sau: “trong

một radiation pattern ta cắt phần có chứa main lobe, góc giữa 2 hướng cắt trong đó

cường độ bức xạ chỉ bằng một nửa của giá trị tối đa”. Ví dụ, ta lấy dạng bức xạ của

anten trong hình trên và đi đến điểm ở cả 2 phía của main lobe nơi mà độ lợi thấp

hơn 3 dB (giảm một nửa) so với điểm lớn nhất của lobe, điểm này chính là half-

power point. Khi đó, góc giữa chúng chính là half-power beamwidth.

4.2.4. Hiệu suất

Trong anten thường xuất hiện tổn hao điện trở và tổn hao điện môi làm cho

công suất phát xạ ra khỏi anten Prad luôn luôn nhỏ hơn công suất dòng điện cao tần

điều biến Pant đưa vào anten. Hiệu suất e của anten được xác định bởi:

4.2.5. Độ lợi anten hay độ tăng ích

Độ lợi anten biểu thị hiệu quả của một anten định hướng so với một anten

không định hướng được lấy làm chuẩn. Độ lợi của anten G(θ, φ) được định nghĩa

là tỉ số giữa cường độ phát xạ của anten theo một hướng nào đó và cường độ phát

xạ của anten đẳng hướng không tổn hao có cùng công suất phát xạ. Vì cường độ

phát xạ từ anten đẳng hướng không tổn hao được tính bằng công suất đưa vào

anten chia cho góc khối 4π steradian, nên ta có:

Khi không xác định rõ hướng, độ lợi được tính theo hướng phát xạ mạnh

nhất:

G = e.D

Ta thấy độ lợi phụ thuộc hệ số định hướng và hiệu suất của anten. Ở đây, độ

lợi chỉ là một đại lượng so sánh tương đối giữa các loại anten. Về mặt phân bố

công suất bức xạ, anten định hướng theo hướng phát xạ mạnh nhất có “lợi” nhiều

lần hơn so với anten đẳng hướng. Và anten ít tổn hao (có hiệu suất cao) cũng có lợi

hơn so với anten tổn hao nhiều (có hiệu suất thấp).

Khi sử dụng anten đẳng hướng giả định làm anten chuẩn để so sánh như

trên, độ lợi được biểu diễn bằng đơn vị dBi (=dB over isotropic antenna) để phân

biệt với đơn vị dBd (= dB over dipole) được dùng khi sử dụng anten lưỡng cực

theo hướng phát xạ mạnh nhất làm anten chuẩn để so sánh. Vì độ lợi của anten

lưỡng cực so với anten đẳng hướng là 2,14 dBi (tương đương 1,64 lần) nên ta có

dBi = dBd + 2,14.

Từ khái niệm độ lợi anten, suy ra các khái niệm liên quan đến công suất phát

xạ của anten như sau:

Công suất phát xạ hiệu dụng ERP (= effected radiated power): được

tính bằng độ lợi của anten (so với anten lưỡng cực chuẩn) phát theo

một hướng nào đó nhân với công suất anten nhận được từ máy phát

đưa tới.

ERP = G(θ, φ). Pant

Suy ra ERP = e.D(θ, φ).Pant = D(θ, φ).Prad = 4π.U(θ, φ)

Công suất phát xạ đẳng hướng tương đương EIRP (Equivalent

Isotropically Radiated Power): là tổng công suất phát xạ của anten

đẳng hướng có mức công suất phát xạ bằng công suất phát xạ cực đại

của anten đang xét:

EIRP = 4π.Umax

Suy ra EIRP = G.Pant = e.D.Pant = D.Prad

4.2.6. Trở kháng của anten

Gọi trở kháng vào của anten là tỉ số giữa điện áp Ua và dòng điện Ia tại đầu

vào anten:

Za = Ra + jXa

Giả sử nguồn tín hiệu cao tần cung cấp cho anten có trở kháng nội

Zs = Rs + jXs, điện áp Us thì công suất cung cấp cho anten Pant là:

Pant = Re[Ua. Ia*]

Với và

Suy ra:

Khi phối hợp trở kháng (Za = Zs* tức là khi Ra = Rs và Xa

= -Xs), công suất

nguồn tín hiệu Ps từ máy phát được truyền hết ra anten:

Khi điều kiện phối hợp trở kháng không thỏa mãn, ta thường biểu diễn Pant

như là một phần của Ps : Pant = q.Ps

Với q < 1 là hiệu suất ghép giữa máy phát và anten hay còn gọi là hiệu suất

phản xạ sóng của anten:

Khi Zs là thuần trở (Xs = 0), q được tính theo hệ số phản xạ sóng R như sau:

Điện trở Ra của anten xem như bao gồm điện trở phát xạ Rr (đặc trưng cho

công suất phát xạ của Prad của anten) và điện trở tổn hao Rd (đặc trưng cho tổn hao

Pd trong anten) mắc nối tiếp với nhau, ta có:

Nếu coi anten giống như một đường dây truyền sóng với trở kháng vào Za và

trở kháng tải Zr thì trở kháng đặc tính của anten là

4.2.7. Dải tần (frequency Bandwidth)

Dải tần làm việc của anten là khoảng tần số trong đó các đặc tính kỹ thuật

của anten chỉ biến động trong một phạm vi cho phép. Dải tần chủ yếu phụ thuộc

vào cấu tạo và kích thước của anten. Dải tần được tính theo tần số giới hạn trên fmax

và dưới fmin hoặc được tính theo phần trăm % tần số trung bình ftb như sau:

Hay

Bandwidth của anten định nghĩa vùng tần số mà anten cung cấp hiệu năng

có thể chấp nhận được, thông thường được định nghĩa bởi tần số giới hạn trên hay

tần số tối đa và tần số giới hạn dưới hay tần số tối thiểu. Trong trường hợp này,

hiệu năng có thể chấp nhận được có nghĩa là các đặc điểm của anten như dạng bức

xạ và trở kháng đầu vào không bị thay đổi khi hoạt động trong dãy tần số đó. Một

số anten được xem là broadband (băng rộng) trong đó tỷ số giữa tần số lớn nhất và

tần số nhỏ nhất là lớn hơn 2. Tuy nhiên, anten băng rộng thường có hiệu năng kém.

Khi chọn lựa anten ta sẽ thấy có nhiều thuộc tính của anten có liên quan đến

với nhau, ta không thể chọn lựa một loại anten có tất cả các thuộc tính đều tối ưu.

Ví dụ, Nếu ta chọn beamwidth rất rộng thì phải hy sinh độ lợi. Nếu ta chọn anten

băng rộng thì ta có thể thấy rằng dạng bức xạ của chúng là rất khác nhau. Vì thế,

điều cần thiết là phải xác định được thuộc tính nào là quan trọng cho việc triển khai

của chúng ta.

CHƯƠNG V: MẠCH LỌC (10 tiết)5.1. Giới thiệu

5.1.1. Khái niệmMạch lọc là một bộ phân rất quan trọng trong kỹ thuật mạch điện. Mạch lọc

có tác dụng cho một dải tần số đi qua và chặn các dải tần khác vì thế mạch lọc được dùng để chọn tần hay loại bỏ tần số của tín hiệu điện.

5.1.2. Phân lọaiTrong kỹ thuật mạch điện tử người ta phân loại mạch lọc theo các cách sau:

a) Phân loại theo linh kiện:Mạch lọc thụ động: Là những mạch lọc chỉ sử dụng các linh kiện thụ động

như: điện trở R, tụ điện C, cuộn cảm L. Và có các mạch lọc sau: - Mạch lọc RC, mạch lọc RL, mạch lọc RLC.- Mạch lọc hình π, mạch hình T.

Mạch lọc tích cực: là mạch lọc kết hợp các linh kiện thụ động với các linh kiện có tích tích cực như OP-AMP, transistor,…

Mạch lọc thụ động có nhược điểm là làm suy hao năng lượng qua nó, không có tính khuếch đại và khó phối hợp trở kháng.

Mạch lọc tích cực có thể khuếch đại, phối hợp trở kháng, điều chỉnh độ suy giảm nhằm cải thiện độ suy giảm của mạch lọc thụ động.b) Phân loại theo chức năng:

Tùy theo tác dụng chọn lọc hay loại bỏ tần số mà người ta chia mạch lọc thành các loại sau:- Mạch lọc thông thấp- Mạch lọc thông cao- Mạch lọc dải thông- Mạch lọc dải chắn.5.2. Mạch lọc thông thấp

5.2.1. Khái niệmMạch lọc thông thấp (Low Pass Filter - LPF) là một mạch lọc điện tử mà các

tín hiệu có tần số thấp đi qua và làm suy giảm biên độ đối với tín hiệu có tần số cao hơn tại tần số cắt. Mức suy giảm cho mỗi tần số khác nhau ở mỗi bộ lọc. Mạch lọc thông thấp được sử dụng nhiều trong lĩnh vực âm thanh, trong kỹ thuật chuyển đổi tín hiệu, và cả trong kỹ thuật quang học,…

5.2.2. Sơ đồ mạch

Sơ đồ mạch lọc thông thấp được mô tả như hình 5.1:

Hình 5.1- Mạch lọc thông thấp

Tổng trở của mạch được xác định như sau:

Điện áp ngõ ra Vo:

Tần số cắt fc:

Độ lợi điện áp:

Góc lệch phase: 5.2.3. Đáp tuyến tần sốĐáp tuyến tần số của mạch tại tần số fBiên độ của độ lợi tính theo dB:

Tại tần số f << fc: Av = 0dB; φ = 0 f = fc: Av = -3dB; φ = π/4

f >> fc:

f = 10fc: Av = -20dB (Av giảm 20dB/decade)φ = π/2

Hình 5.2 – Đáp ứng tần số của mạch lọc thông thấp

5.3. Mạch lọc thông cao5.3.1. Khái niệmMạch lọc thông cao (High Pass Filter - HPF) là một mạch lọc điện tử mà các

tín hiệu có tần số cao đi qua và làm suy giảm biên độ đối với tín hiệu có tần số thấp hơn tại tần số cắt. Mức suy giảm cho mỗi tần số khác nhau ở mỗi bộ lọc. Một cách chính xác hơn, mạch lọc thông cao là một sự đối xứng so với mạch

lọc thông thấp. Lúc này hai thành phần tụ điện và điện trở được đổi chỗ, tín hiệu ngõ ra được lấy trên điện trở R như được trình bày trên hình 5.3.

5.3.2. Sơ đồ mạchSơ đồ mạch lọc thông cao được mô tả trên hình 5.3

Hình 5.3 – Sơ đồ mạch lọc thông cao

Tổng trở của mạch được xác định như sau:

Điện áp ngõ ra Vo:

Tần số cắt fc:

Độ lợi điện áp:

Góc lệch phase:

5.3.3. Đáp tuyến tần sốĐáp tuyến tần số của mạch tại tần số fBiên độ của độ lợi tính theo dB:

Tại tần số f >> fc: Av = 0dB; φ = 0 f = fc: Av = -3dB; φ = π/4

f << fc:

f = 0.1fc: Av = -20dB (Av giảm 20dB/decade)φ = π/2

Hình 5.4 – Đáp tuyến tần số của mạch thông cao

5.4. Mạch lọc dải thông5.4.1. Khái niệmBằng cách kết nối một mạch lọc thông cao với một mạch lọc thông thấp

chúng ta hoàn toàn có thể thiết kế một mạch lọc dải thông mà tại đó chỉ có một dải tần được tính toán sẵn có thể vươt qua. Khoảng tần số này có thể rộng hay hẹp là do sự tính toán các thông số mạch. Đây là một dạng mới của mạch lọc thụ động RC gọi là mạch lọc dải thông (Band Pass Filter - BPF). Mạch lọc dải thông được sử dụng phổ biến trong kỹ thuật âm thanh như các bộ lọc chéo ở loa hoặc các bộ phân tần trước khi khuếch đại.

5.4.2. Sơ đồ mạchSơ đồ một mạch lọc dải thông – BPF được mô tả như hình 5.5

Hình 5.5 – Sơ đồ mạch lọc dải thông

5.4.3. Đáp tuyến tần số

Tần số cắt dưới:

Tần số cắt trên:

Tần số trung tâm: là tần số mà tại đó độ lợi của tín hiệu ra đạt giá trị lớn

nhất và được xác định bằng biểu thức

Độ rộng băng thông BW (Band Width): là khoảng tần số tính từ tần số cắt dưới đến tần số cắt trên và xác định bằng biểu thức

Hình 5.6 – Đáp tuyến tần số của mạch lọc dải thông

Một dạng khác của mạch lọc dải thông, trong mạch có thêm một bộ khuếch đại đệm như được mô tả trên hình 5.7

Hình 5.7 – Mạch lọc dải thông có thêm bộ khuếch đại đệm

5.5. Mạch lọc dải chắn

5.5.1. Khái niệmMạch lọc dải chắn là sự kết hợp giữa mạch lọc thông cao và mạch lọc thông

thấp nhằm hình thành một mạch lọc có tính năng chặn một khoảng tần số nào đó. Khoảng tần số bị chặn rộng hay hẹp tùy thuộc vào sự tính toán các thông số mạch. Để tạo thành mạch dải chắn người ta mắc một mạch thông cao song song vơi một mạch thông thấp như mô tả ở hình 5.8.

5.5.2. Sơ đồ mạchMột mạch lọc dải chắn được kết hợp từ một mạch thông cao và mạch thông

thấp như mô tả ở hình 5.8.

Hình 5.8 – Mô hình mạch lọc dải chặn

Một mạch lọc dải chắn cơ bản được trình bày ở hình 5.9, trên đó gồm có hai mạch lọc được kết nối dạng hình chữ T, do đó được gọi là mạch lọc hình T. Các điện trở R1, R2 và tụ điện C1 là mạch thành phần của mạch lọc thông thấp, các tụ điện C2, C3 và điện trở R3 là thành phần của mạch lọc thông cao.

Các tham số mạch được tính toán như sau: R1 = R2 = R; R3 = R/2 C2 = C3 = C; C1 = 2C

Tần số cắt

Hình 5.9 – Mạch lọc dải chắn hình T

5.5.3. Đáp tuyến tần số

Hình 5.10 – Đáp tuyến tần số của mạch lọc dải chặn

5.6. Một số mạch lọc tích cựcTrong các mạch lọc thụ động, tín hiệu có một phần bị suy hao trên các linh

kiện, để khắc phục các nhược điểm của những mạch lọc thụ động, người ta sử dụng các mạch lọc tích cực nhằm phục hồi những thành phần tín hiệu bị suy hao. Để thực hiện công việc này người ta kết hợp một mạch lọc thụ động với một bộ khuếch đại – thường là dùng các bộ OP-AMP. Trong mục này sẽ giới thiệu một số mạch lọc tích cực cơ bản:

5.6.1. Lọc thông thấpMạch lọc thông thấp không khuếch đại:

Hình 5.11 – Mạch lọc tích cực thông thấp không khếch đại

Mạch lọc thông thấp khuếch đại:

Hình 5.12 – Mạch lọc tích cực thông thấp có khuếch đại

Độ khuếch đại tĩnh:

Tuy nhiên, trong trường hợp tính trong miền tần số độ lợi của mạch lọc tích cực được tính như sau:

Trong đó: AF: độ khuếch đại tĩnh của mạchf: tần sốcủa tín hiệu vàofc: tần số cắt của mạch lọc

5.6.2. Lọc thông caoMạch lọc tích cực thông cao không khuếch đại được trình bày ở hình 5.13

Hình 5.13 – Mạch lọc tích cực thông cao không khuếch đại

Mạch lọc tích cực thông cao có khuếch đại

Hình 5.14 – Mạch lọc tích cực thông cao có khuếch đại

Độ lợi của mạch lọc được tính như sau:

5.6.3. Lọc thông dải Mạch lọc tích cực dải thông được trình bày ở hình 5.15

Hình 5.15 – Mạch lọc tích cực dải thông

CHƯƠNG VI: ĐIỀU CHẾ TÍN HIỆU

6.1. KHÁI NIỆM

Điều chế tín hiệu là quá trình biến đổi một hay nhiều thông số của một tín

hiệu tuần hoàn theo sự thay đổi một tín hiệu mang thông tin cần truyền đi xa. Tín

hiệu tuần hoàn gọi là sóng mang. Tín hiệu mang thông tin gọi là tín hiệu được điều

chế. Ở đầu thu bộ giải điều chế sẽ dựa vào sự thay đổi thông số đó của sóng mang

tái tạo lại tín hiệu mang thông tin ban đầu. Các thông số của sóng mang được dùng

trong quá trình điều chế có thể là biên độ, pha, tần số.

Sơ đồ khối điều chế tín hiệu:

Tín hiệu cần truyền còn gọi là tín hiệu cần điều chế là tín hiệu có tần số thấp

mang tin tức.

Sóng mang là tín hiệu cao tần hình sin do các bộ dao động tạo ra.

Giải điều chế: là quá trình khôi phục lại tín hiệu cần truyền từ tín hiệu đã

điều chế thu được. Giải điều chế được thực hiện bên phía thu.

Phân loại điều chế:

Điều chế biên độ AM (Amplitude modulation)

Điều chế tần số FM (Frequency modulation)

Điều chế pha PM (Phase modulation)

Điều chế: được thực hiện ở điện thoại di động, máy phát thanh, máy phát

hình, modem .v.v.

Giải điều chế: Giải điều chế được thực hiện ở radio, tivi, điện thoại di động,

modem v.v.

II. ĐIỀU CHẾ BIÊN ĐỘ

1. Khái niệm

Điều chế biên độ hay còn gọi là điều biên (AM) được thực hiện bằng cách

thay đổi biên độ của tín hiệu sóng mang theo biên độ của tín hiệu thông tin cần gửi

đi, trong đó tần số và pha của sóng mang thì giữ nguyên.

2. Biểu thức của tín hiệu điều biên

Trong đó:Tín hiệu cần truyền x(t) = Bcos (2πf0t +ө)Sóng mang (Carrier) xc(t) = Acos(2πfct + φ)Tín hiệu điều chế SAM = [A+ x(t)]cos(2πfct + φ)

3. Chỉ số điều chế

Ký hiệu mA

Với Emax = A + maxx(t)

Emin = A + min x(t)

Emax > 0 Emin ≥ 0

0 < mA ≤ 1

Giải điều chế đúng (bên phía thu khôi phục lại đúng tín hiệu cần truyền ban đầu)

Emax > 0 Emin < 0

mA > 1

Giải điều chế sai

Trường hợp này được gọi là quá điều chế

Trường hợp 1: Tín hiệu cần điều chế là tín hiệu đơn tần

x(t) = Bcos (2πf0t + ө) là tín hiệu cần truyền.

xc(t) = Acos (2πfct + φ) là sóng mang.

Emax = A + B

Emin = A – B

Trường hợp 2: Tín hiệu cần điều chế là tín hiệu đa tần

x(t) = B1cos(2πf1t + ө 1) + B2cos(2πf2 + ө 2) +……. Bncos(2πfn + ө n)

xc(t) = Acos (2πfct + φ) là sóng mang.

Trong đó mAi = Bi/A

4. Dạng sóng tín hiệu điều biên

5. Phổ của tín hiệu điều biên

a) Tín hiệu cần điều chế là tín hiệu đơn tần

Tín hiệu cần điều chế: x(t) = Bcos (2πf0t + ө)

Sóng mang: xc(t) = Acos (2πfct +φ)

Tín hiệu điều chế : SAM(t) = [A + Bcos(2πf0t + ө)] cos(2πfct + φ)

SAM(t) = [A + Bcos(2πf0t + ө)] cos(2πfct + φ)

= Acos(2πfct + φ) + Bcos(2πf0t + ө)]cos(2πfct + φ)

= Acos(2πfct + φ) + (½)B*cos[2πt (fc+ f0) + (φ + ө)]

+ (½)B* cos[2πt(fc –f0) + (φ – ө)]

Như vậy tín hiệu điều biên gồm có 3 thành phần tần số

+ Tần số sóng mang fc

+ Thành phần biên dưới có tần số fc – f0

+ Thành phần biên trên có tần sô fc +f0

b) Tín hiệu điều chế là tín hiệu đa tần

Tín hiệu điều chế:

x(t) = B1cos(2πf1t + ө1) + B2cos(2πf2 + ө2) +……. Bncos(2πfn + өn)

xc(t) = A cos(2πfct + φ)

USB: Upper side band

LSB: Low side band

Nếu tín hiệu cần điều chế có n thành phần tần số thì sau điều chế có (2n + 1)

thành phần tần số.

6. Các kiểu điều chế AM

fc- f2 fc- f1 fc fc+ f1 fc+ f2 f

Điều chế song biên, phát sóng mang: DSB -TC (Double Side Band,

Transmit Carrier)

Điều chế song biên, khử sóng mang: DSB -SC (Double Side Band,

Suppress Carrier)

Điều chế đơn biên, phát sóng mang: SSB-TC (Single Side Band,

Transmit Carrier)

Điều chế đơn biên, khử sóng mang: SSB-SC (Single Side Band,

Suppress Carrier)

Điều biên triệt một phần dải bên (VCB – Vestigial Side band).

7. Giải điều chế AM

Tín hiệu AM được giải điều chế trong mạch tách sóng hình bao đơn giản

Nguyên lý làm việc của mạch tách sóng hình bao có thể được giải thích sơ

lược như sau. Do Diode chỉ làm việc với nửa chu kỳ dương của tín hiệu AM; khi

đó tụ được nạp đến giá trị điện áp đỉnh, ở nửa chu kỳ âm tụ xả, điện áp trên tụ giảm

theo hằng số thời gian RC. Hằng số thời gian của mạch RC được chọn để sao cho

quá trình nạp xả của tụ theo kịp sự biến thiên của đường bao SAM(t). Điện áp ở trên

mạch RC khi đó chính là tín hiệu x(t).

b/

II. ĐIỀU TẦN FM

Tín hiệu điều tần FM

Tín hiệu điều tần có biểu thức giải tích:

Để đơn giản giả thiết 0 = 0

Pha tức thời và tần số tức thời của tín hiệu FM:

Độ lệch pha và độ lệch tần số:

Sự khác nhau giữa tín hiệu PM và AM là ở chỗ, trong tín hiệu PM pha tức

thời tỉ lệ với x(t), còn pha tức thời của FM tỉ lệ với tích phân của x(t). Tần số của

tín hiệu PM tỉ lệ với đạo hàm của x(t) trên nền sóng mang, trong khi đó tần số tức

thời của FM tỉ lệ trực tiếp theo x(t) trên nền tần số sóng mang. Như vậy, trong hệ

thống PM, tín hiệu tin tức làm thay đổi pha tức thời, kéo theo sự thay đổi của tần

số tức thời. Còn trong hệ thống FM, tín hiệu tin tức làm thay đổi tần số tức thời,

kéo theo sự thay đổi pha tức thời.

Từ biểu thức của tín hiệu PM và của tín hiệu FM; có thể nhận thấy rằng, tín

hiệu FM sẽ tương đương với tín hiệu PM bị điều chế bởi tín hiệu .

Với nhận xét này ta có thể không phải tiến hành phân tích tín hiệu FM, mà chỉ cần

suy ra từ các kết quả đã phân tích đối với tín hiệu PM. Nếu x(t) có phổ là X(), thì

có phổ là:

Tín hiệu có cùng tần số giới hạn của tín hiệu x(t) là max. Ta có kết quả

sau đây khi thay x(t) .

Tín hiệu điều tần dải hẹp

Nếu hệ số kf được chọn để sao cho tức là << 1, thì ta sẽ

có tín hiệu FM dải hẹp. Bề rộng phổ của nó:

BFM 2max ;

Tín hiệu FM dải rộng.

Tín hiệu FM dải rộng điều chế điều hoà cũng là phổ vạch, có bề rộng phổ

không xác định. Tuy nhiên phần lớn công suất của tín hiệu FM sẽ tập trung xung

quanh tần số sóng mang. Bề rộng phổ hiệu dụng của tín hiệu FM cũng được xác

định gần đúng theo các công thức Carson sau đây:

Để so sánh với tín hiệu PM, hãy xét tín hiệu FM điều chế điều hòa. Giả thiết

x(t) = Xcost; ta có . Tín hiệu FM:

Pha tức thời và tần số tức thời:

=

Độ di pha và di tần của tín hiệu FM điều chế một tần số:

Như vậy, mặc dù các công thức xác định bề rộng phổ của hai tín hiệu PM,

FM dải rộng về hình thức là giống nhau, nhưng thực chất có sự khác nhau. Sự khác

nhau đó là, bề rộng phổ hiệu dụng của tín hiệu PM phụ thuộc vào tần số của tín

hiệu tin tức và tăng tỉ lệ theo nó, trong khi đó bề rộng phổ của FM không thay đổi

khi tần số của tín hiệu tin tức thay đổi.

Trên hình là đồ thị biểu diễn độ di pha và di tần của tín hiệu PM và FM điều

chế điều hoà.

PM PM

kpx kpx/

PM PM

kpx kpx

Như đã nói ở trên, tín hiệu FM bị điều chế bởi x(t), sẽ tương đương với tín hiệu PM bị điều chế bởi . Việc phân tích các phương pháp tạo tín hiệu FM cũng có thể suy ra từ cách tạo tín hiệu PM. Bởi vì để tạo tín hiệu PM, ta phải đặt

vào tụ của mạch tạo dao động điện áp tỉ lệ với . Như vậy để tạo tín hiệu FM

ta chỉ cần đặt vào tụ điện điện áp tỉ lệ với x(t); khi đó ta có tần số tức thời của mạch tạo dao động tỉ lệ với x(t) theo. Để tách sóng tín hiệu điều tần, người ta chuyển nó thành tín hiệu AM. Ở đầu ra của mạch phân biệt tần số sẽ là tín hiệu AM có biên

độ tỉ lệ x(t) (chứ không phải như đối với tín hiệu PM). Và sau cùng, ở đầu ra

của mạch tách sóng hình bao ta sẽ nhận được tín hiệu x(t). Như có thể thấy, việc tạo và giải điều chế tín hiệu FM tiện lợi hơn nhiều so với tín hiệu PM, đó chính là ưu điểm của tín hiệu FM so với PM.Trong các hệ thống phát thanh, người ta sử dụng hai loại điều chế là AM và FM. Có thể so sánh ưu nhược điển của chúng như sau: Nếu độ lệch tần số của một đài FM được quy định =50 Khz. Thì bề rộng phổ của tín hiệu FM là BFM = 100

Khz. Trong khi đó bề rộng phổ của tín hiệu AM ở các đài phát AM thường từ 8 20 Khz. Như vậy bề rộng phổ của tín hiệu FM thường lớn hơn bề rộng phổ của tín hiệu AM 5 lần (10 lần so với SSB). Tuy nhiên, tín hiệu FM vẫn được sử dụng do ưu điểm căn bản của nó là khả năng chống nhiễu rất cao.