hiệu suất,các khối biến điệu
Hiệu suất Sự cộng thêm sóng mang vào sóng biến điệu sẽ làm cho sự hoàn điệu dễ dàng hơn. Cái giá mà ta phải trả là hiệu suất. Một phần của năng lượng được truyền dùng để gửi sóng mang và như vậy không mang một thông tin hữu ích nào. Ta thấy từ ...
Hiệu suất
Sự cộng thêm sóng mang vào sóng biến điệu sẽ làm cho sự hoàn điệu dễ dàng hơn. Cái giá mà ta phải trả là hiệu suất. Một phần của năng lượng được truyền dùng để gửi sóng mang và như vậy không mang một thông tin hữu ích nào.
Ta thấy từ phương trình (4.9) : Công suất sóng mang là công suất của A cos2πfCt, hay A(2/2)watts. Công suất của tín hiệu là công suất của s(t) cos2pi.fCt, là trị trung bình của s2(t) chia 2. Công suất trung bình của s2(t) thì đơn giản là của s(t), hay PS. Vậy công suất của tín hiệu là Ps/2.
Công suất truyền toàn phần là tổng của 2 số hạng này.
Ta định nghĩa hiệu suất là tỷ số của công suất tín hiệu công suất toàn phần:
(4.10)
TD: Giả sử ta xem dạng sóng hình 12c, và đặt A bằng với biên độ của hình sin. Vậy hiệu suất là 33%.
Hình 4.13 Sơ đồ của các khối biến điệu AM.
- Hình 4.13a: Hệ thống tạo nên DSBSC AM.
- Hình 4.13b,c: Hệ thống tạo nên DSBTC AM.
Hình 4.13: Khối biến điệu AM
Tại sao sự biến điệu thì không tuyến tính ?
Ta đã biết, bất kỳ một hệ tuyến tính và không đổi theo thời gian nào điều có một output mà biến đổi F của nó là tích của ảnh F của input với H(f). Nếu biến đổi của tín hiệu vào bằng zero trong một khoảng tần số nào đó, thì ảnh F của output phải cũng bằng zero trong khoảng ấy. Nghĩa là, tính chất tổng quát của hệ tuyến tính không đổi theo thời gian là nó không thể cho ra bất kỳ một output nào nếu không có input ở ngỏ vào.
Vậy có một hệ tuyến tính không theo t nào có thể cho sm(t) ở ngỏ ra khi nhận s(t) ở ngỏ vào ? Nói các khác, ta có thể tìm được hay không một H(f) nào để cho:
Sm(f) = S(f) . H(f)
Hình 4.14
Rõ ràng, câu trả lời là không.
Sự biến điệu là một tiến trình dời tần. Và không có một hệ tuyến tinh nào thực hiện được điều đó.
Một hệ phi tuyến và thay đổi theo t, nói chung, là rất phức tạp. Tuy nhiên, trong trường hợp biến điệu, người ta có thể thực hiện được bằng 2 kiểu gián tiếp: Biến điệu cổng (Gated mudolator) và biến điệu theo luật bình phương (Square - Law Mudolator ).
Biến Điệu Cổng:
Dựa vào sự kiện: Phép nhân s(t) với một hàm tuần hoàn bất kỳ sẽ tạo ra một chuổi sóng AM với những sóng mang là bội số của tần số cơ bản của hàm tuần hoàn. Hình_4.15
Hình 4.15: Tích của s(t) và hàm cổng tuần hoàn
Output của mạch nhân (hình 4.15)
fc Là tần số cơ bản của hàm tuần hoàn. an , các hệ số chuỗi F. Giả sử P(t) là hàm chẳn ( để tránh phải viết các số hạng sin trong chuỗi )
Lọc BPF sẽ chận tất cả, chỉ trừ thành phần nào đó trong chuỗi mà ta sẽ chọn. Kết quả là ở ngỏ ra có một sóng AM. Mạch lọc điều hợp với tần số cơ bản, nhưng nó sẽ có thể điều hợp với một trong những họa tần của sóng AM, có tần số sóng mang cao hơn. Trong thực tế, ta chọn những họa tần thấp (Vì các hệ số F làm giảm biên độ tín hiệu khi n tăng).
P(t) là một hàm cổng gồm một đoàn xung tuần hoàn. (Hình 4.16)
Hình 4.16: Hàm cổng
* Vì P(t) luôn bằng 0 hay bằng 1, mạch nhân có thể xem như có cơ chế hoạt động on/off ( hoặc switch ).
Output của BPF tìm được bằng cách khai triển P(t) thành chuỗi F và tìm a1.
Phương trình (4.12) được viết cho hàm cổng có nửa thời gian cao và nửa thời gian zero. Nhưng sóng AM vẫn được tạo ra với bất kỳ trị giá nào của chu kỳ thao tác của xung.
Bộ phận tạo hàm cổng có thể là thụ động hoặc tác động hình 4.17 chỉ bộ phận biến điệu gồm 2 thành phần thụ động.
Hình 4.17a: Mạch tạo xung cổng thụ động dùng Switch.
Hình 4.17b: Mạch tạo xung cổng thụ động dùng diode.
- Hình 4.17a, SW đóng ngắt tuần hoàn. Khi SW hỡ, tín hiệu ra bằng tín hiệu vào. Khi SW đóng, tín hiệu ra bằng zero. R là điện trở nguồn. Bất lợi của SW cơ học là đóng ngắt chậm. Tần số đóng ngắt của SW phải bằng tần số sóng mang ( hoặc ước số, nếu ta chọn 1 họa tần ). Với tần số sóng mang cở MHz, SW cơ học không thể đáp ứng kịp.
- Hình 4.17b: Sự đóng ngắt thực hiện nhờ cầu diode. Khi cos2pi.fCt dương ( điểm B có điện thế dương hơn điểm A ), cả 4 doide bị khóa: Mạch tương tự như hình 4.17a khi SW hỡ, tín hiệu ra là s(t). Ngược lại khi cos2pi.fCt âm ( điểm B có điện thế âm hơn điểm A ). Cả 4 diode dẫn: mạch giống như hình 4.17a khi SW đóng. Giới hạn duy nhất cho mạch đóng ngắt nầy là tần số đóng ngắt của loại Diode được dùng. ( Tính không lý tưởng của các diode, thường là thời gian hồi phục ( recovery time ) của điện dung mối nối khá lớn so với chu kỳ sóng mang ).
- Hàm cổng còn có thể tạo được bằng cách dùng các linh kiện tác động, như transistor hoạt động giữa vùng khóa và vùng bảo hòa. Một transistor khóa, tương đương với một SW hỡ. Một transistor bảo hòa, xem như một SW đóng.
- Hình 4.18, trình bày một kiểu mạch biến điệu dọi là biến điệu vòng (ring modulator). Sóng mang là một sóng vuông, được đưa vào mối giữa của 2 biến thế. Output là một phiên bản bị “ cổng hóa “ của input, chỉ cần lọc là có được sóng AM .
Biến Điệu Theo Luật Bình Phương.
Loại nầy dựa vào định luật: “ Bình phương của một tổng 2 hàm có chứa một số hạng là tích của 2 hàm đó “:
Nếu s1(t) là tín hiệu chứa tin và s2(t) là sóng mang, ta có:
Số hạng thứ 2 chính là sóng AM mong muốn. Ta phải tìm cách tách nó ra khỏi 2 thành phần kia. Ta đã biết, sự tách sẽ đơn giãn, khi chúng không phủ nhau ( trong phạm vi thời gian hoặc phạm vi tần số ). Rỏ ràng, chúng phủ nhau về thời gian. Vậy, ta hãy xem phạm vi tần số.
Các xung lực tại gốc và 2fC kết quả của sự khai triển lượng giác
Đường cong liên tục ở giữa ( tần số thấp ) chỉ biến đổi F của s2(t). Ta không biết dạng chính xác của s(t). Nhưng chỉ biết rằng ảnh F của nó bị giới hạn ở những tần số nhỏ hơn fm. Biến đổi F của s2(t) bị giới hạn ở những tần số dưới 2fm. Một cách để thấy điều đó là xem biến đổi F của s2(t) là phép chồng của S(f) lên chính nó. Phép chồng đồ hình cho thấy biến đổi nầy đi từ zero đến 2fm. Cách khác, là xem s(t) như là tổng của các hình sin có tần số (riêng) dưới fm. Khi bình phương tổng nầy, ta có kết quả là tất cả các tích của các số hạng. Điều nầy sẽ đưa đến tổng và hiệu của các tần số khác nhau ( dùng lượng giác). Không có tổng hay hiệu nào vượt quá 2fm nên tần số gốc không vượt quá fm.
Hình 4.18: Biến điệu vòng
Hình 4.19: Biến đổi F của (4.13)
Hình 4.19 cho thấy khi fC >> 3fm thì các số hạng không phủ nhau ( về tần số ). Vậy có thể tách chúng bằng một lọc BPF để có sóng AM. Trong hầu hết các trường hợp thực tế, fC>>fm, nên điều kiện nầy dễ thỏa.
Hình 4.20: Mạch biến điệu bình phương.
Hình 4.20 chỉ toàn thể một khối biến điệu theo luật bình phương. Các bộ phận tổng có thể là tác động, thụ động hay op.amp.
- Bộ phận bình phương thì không đơn giãn. Bất kỳ một linh kiện phi tuyến nào cũng đều cho một tín hiệu ra tương ứng với một tín hiệu vào bởi một hệ thức mà ta có thể khai triển thành chuỗi lủy thừa. Giả sữ không có sự tích trữ năng lượng, nghĩa là output tại bất kỳ thời điểm nào chỉ phụ thuộc vào input tại cùng thời điểm đó, chứ không kể đến những trị giá trước đó.
Với y(t) là output và x(t) là input:
y(t) = a0 + a1x(t) + a2x2(t) + a3x3(t) + .... (4.14)
Số hạng mà ta lưu ý là a2x2(t). Và ta tìm cách ta tìm cách tách nó khỏi các thành phần khác. Linh kiện phi tuyến được chọn dùng phải cơ bản là một linh kiện có đặc tính bình phương. Thí dụ diode
an trong phương trình (4.14) phải có tính chất:
an << a2 , Với n > 2
Có vài điều cần nói thêm về sự phi tuyến. Nếu các số hạng ứng với n = 1 và n = 2trong chuỗi chiếm ưu thế (biên độ lớn) thì kết quả là sóng TCAM. Hơn nữa, Nếu an nhỏ quá ( với n > 2 ), sóng AM vẫn có nếu làm cho s(t) thật nhỏ. Vậy sn(t) << s(t) với n > 1, và TCAM vẫn còn chiếm ưu thế. Đây là một trường hợp không mong muốn, vì biên độ của sóng quá nhỏ.
* Các diode bán dẫn có đặc tuyến rất giống với luật bình phương ( trong vùng hoạt động của nó ).
Sơ đồ khối của một mạch biến điệu cân bằng (balance modulator) vẽ ở hình 4.21. Hệ nầy cộng sóng mang cos2pi.fCt với tín hiệu chứa tin s(t), sau đó đưa chúng vào linh kiện phi tuyến ( bình phương ). Sự vận hành cũng được lặp lại với -s(t) . Mạch tổng sẽ lấy hiệu sôcủa 2 tín hiệu ra, làm loại bỏ số hạng của lủy thừa lẻtrong khai triển (4.14). Ví dụ, xem số hạng lủy thừa 3. Khi khai triển [s(t)+cos2pi.fCt]3, Số hạng phủ lên băng tần của sóng AM là s2(t)cos2pi.fCt. Số hạng nầy không đổi dấu khi -s(t) được thay vào s(t). Như vậy tại mạch tổng (thực ra là trừ ) chúng sẽ triệt nhau. Số hạng mà ta muốn lấy, s(t).cos2pifCt , sẽ đổi dấu khi -s(t) được thay cho s(t). Vậy mạch sẽ làm tăng đôi biên độ tín hiệu.
Ta cũng nhớ rằng, khi số hạng bậc một bị triệt, nên tín hiệu ra của khối biến điệu cân bằng là SC AM. ( Biến điệu AM sóng mang bị nén ).
Mạch điện thực tế của biến điệu bình phương vẽ ở hình 4.22. Đây là mạch transistor kiểu E chung. Mạch dùng sự phi tuyến của transistor để tạo nên tích của tín hệu với sóng mang. Mạch được điều hợp ở chân C, lọc bỏ những họa tần không mong muốn.
Hình 4.21: Khối biến điệu AM cân bằng
Hình 4.22: Mạch biến điệu bình phương
Các mạch biến điệu bình phương thực tế dễ thiết kế đến độ ngạc nhiên! Thực vậy, Chúng thường hiện hữu ngoài ý muốn. Các sản phẩm của sự biến điệu xuất hiện trong mạch điện một khi các linh kiện điện tử bị đưa vào vùng hoạt động phi tuyến. Vì vậy, người ta thường cố ngăn ngừa một mạch hoạt động như một mạch biến điệu không mong muốn.
Hình 4.23 là mạch của một máy phát AM biến điệu ở chân C. Chỉ cần thay đổi điện thế tức thời đặt vào chân B của Transistor do sự biến đổi biên độ của tín hiệu trong tin s(t). Sóng xuất hiện tại đỉnh của mạch điều hợp ở chân C là tổng của VCC và tín hiệu s(t). Như vậy, cơ bản ta đã làm thay đổi điện thế tức thời do biên độ của s(t) thay đổi.
Ngõ ra của mạch lạ một lọc BPF, nhằm giảm thiểu các họa tần sinh ra do sự họat động phi tuyến của transistor.
Hình 4.23: Mạch phát AM biến điệu ở chân C
