Tài liệu Bài giảng điện tử cho công nghệ thông tin chương 4 - trần tuấn vinh

Điện tử cho CNTT Electronic for IT Trần Tuấn Vinh Bộ môn KTMT – Viện CNTT & TT Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội Nội dung § § § § § Chương 1: Phổ tín hiệu Chương 2: Các bộ khuếch đại tần số sóng Radio Chương 3: Các mạch tạo dao động Chương 4: Điều chế và hệ thống điều chế biên độ Chương 5: Điều chế tần số và pha. Copyright (c) 8/2009 by 2 Giới thiệu chung § Một hệ thống truyển tin bao gồm các thành phàn cơ bản như trên hình Copyright (c) 8/2009 by 3 Hệ thống truyển thông § § § § Thiết kế hệ thống truyền thông yêu cầu phải hiểu biết về dạng tín hiệu vật lý của thông tin và khoảng cách mà nó phải truyền đi. Một sơ đồ truyền tin sẽ được thiết kế với số lượng và chất lượng mong muốn. Khía cạnh số lượng bao gồm việc xác định tổng số, tốc độ, và hiệu quả truyền qua một kênh dải tần hữu hạn. Khía cạnh chất lượng bao gồm việc xác định một cách chính xác số lượng tin được truyền đi trên cơ sở tin nhận được. Copyright (c) 8/2009 by 4 Hệ thống truyền tin § § § § Tin tức phải được biến đổi dưới dạng năng lượng điện tương tự hoặc số để xử lý trong mạch điện. Tín hiệu điện thường được đặc trưng bởi công suất/phổ tần số của tín hiệu Tín hiệu rời rạc được đặc trưng bởi đơn vị cơ bản của lượng tin, bit. Việc truyền tín hiệu số, lượng tin truyền đi trong một đơn vị thời gian chia cho số lượng bit sai lệch nhận được chính là thước đo chất lượng của hệ thống truyền tin. Copyright (c) 8/2009 by 5 Hệ thống truyền tin § § § § § Trên thực tế truyền tin qua một khoảng cách dài liên quan đến việc sử dụng tín hiệu tương tự (sóng liên tục) như là điện thoại và TV hữu tuyến, cáp đồng trục, cáp quang và vật liệu không dẫn điện khác bao gồm khí quyển và không gian…. Hầu hết thông tin mà con người đã truyền đều nằm trong dải tần số âm thanh. Dải âm thanh cũng bao gồm dữ liệu số tốc độ thấp cho in văn bản và thiết bị cuối của máy tính. Truyền dữ liệu tốc độ cao từ một máy tính yêu cầu băng tần hơn 100MHz Tín hiệu Video biến đổi nhanh như là truyền hình yêu cầu băng tần khoảng 4MHz . by 6 Copyright (c) 8/2009 Hệ thống truyền tin Một số khái niệm cần lưu ý: › › › Băng tần (Bandwidth, dải tần số có thể sử dụng) Băng tần tín hiệu thông tin đối với hệ thống/ băng tần mạch. Tốc độ thông tin (Information rate - đối với băng tần)- Đại lượng đo tốc độ thay đổi lớn nhất của tín hiệu mà nó không ảnh hưởng tới sự trung thực của âm thanh, độ sáng, độ nét, độ phân giải của hình ảnh và tốc độ truyền dữ liệu số. Nhiễu giao thoa (Noise interference đối với băng tần) Tỉ lệ tín trên tạp nhiễu cho tín hiệu tương tự và số; độ lệch pha (timing jitter) và tỉ lệ lỗi bit cho hệ thống số. Copyright (c) 8/2009 by 7 Hệ thống truyền thông § Một số khái niệm cần lưu ý: › › › › Méo (Distortion) Méo tần số và méo pha (đối với băng tần) và méo biên độ trong hệ thống tương tự. Độ rộng xung (Digital pulse spreading) và xuyên nhiễu giữa các đầu (intersymbol interference) (đối với băng tần). Sự phân tán, đa đường truyền, tiếng vọng và bóng mờ (video ghost). Đa truy nhập (Multiplexing) Báo hiệu đồng thời riêng rẽ bởi thời gian, tần số hoặc pha Copyright (c) 8/2009 by 8 Truyền thanh và đa truy nhập § § § Phổ tín hiệu âm được giới hạn trong khoảng 20Hz đến 20kHz bởi vì tai người không thể nhận được âm thanh ngoài khoảng tần số này. Quãng tần số quan trọng của phổ tín hiệu âm thanh là tần số tiếng nói khoảng 1kHz. Bởi vậy truyền âm tương tự trên các thiết bị điện thoại nhỏ hơn 3.5kHz. Tuy nhiên với âm nhạc chất lượng cao có thể mở rộng tới 15kHz, bởi vậy không thể dùng mạng điện thoại để truyền nhạc. Copyright (c) 8/2009 by 9 Truyền thanh và đa truy nhập § § Giả sử bạn và 99 người khác muốn truyền 100 chương trình ca nhạc khác nhau tới hàng nghìn gia đình trong chỗ ở của bạn. Một giải pháp có thể là đặt 100 loa lớn và một số ngần ấy tăng âm, kết quả là tràn ngập thông tin với cường độ lớn và không ai nghe rõ thông tin. Bạn sẽ vấp phải ít nhất là hai vấn đề về công nghệ truyền dẫn trong không gian. › › § Thứ nhất là ăng ten phải lớn hàng dặm. Thứ hai tất cả các tín hiệu được thu trên cùng một ăngten của một trạm không thể tách biệt với các trạm tiếp theo trừ khi mỗi người đồng ý truyền tại các thời điểm khác nhau trong ngày. Như vậy sắp xếp thứ tự truyền là một ví dụ được gọi là đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDM). Copyright (c) 8/2009 by 10 Truyền thanh và đa truy nhập § Giải pháp cho cả hai vấn đề trên là truyền tín hiệu âm (hoặc hình ảnh) trên một sóng mang và mỗi trạm sử dụng một tần số mang khác nhau, kỹ thuật này gọi là đa truy nhập phân chia theo tần số (FDM), được biểu diễn ở hình 4.2 Copyright (c) 8/2009 by 11 Điều chế § § § § Quá trình xử lý tín hiệu truyền với một sóng mang tần số cao gọi là điều chế. Một tín hiệu sóng mang tần số cao có ba thông số có thể điều chế để bắt nó mang thông tin mà ta muốn truyền: Đó là biên độ, tần số và góc pha. Khi biên độ sóng mang được biến đổi phù hợp với thông tin gọi là điều biên. Cũng như vậy điều tần hoặc điều pha là kết quả khi tín hiệu thông tin biến đổi tần số hoặc pha của sóng mang Copyright (c) 8/2009 by 12 Điều biên § § § Một tín hiệu sóng mang hình sin chưa điều chế có thể được mô tả dưới dạng hàm toán học: Ec(t)=Eccos 2 fct Trong đó Ec là biên độ, fc là tần số sóng mang tính bằng Hz Hình dưới chỉ ra kết quả điều biên của một sóng mang bởi một xung vuông và một sóng hình sin Copyright (c) 8/2009 by 13 Điều biên Copyright (c) 8/2009 by 14 Điều biên Tín hiệu điều chế hình sin của hình c có thể được mô tả bởi em(t)=Emcos 2 fmt Em , fm lần lượt là biên độ, tần số của sóng điều chế. § Sự biến đổi biên độ tỷ lệ với biên độ Em. Hơn nữa tín hiệu điều chế ở đầu ra có thể được mô tả toán Bien do song mang học6dưới 4 4 4dạng: 4 4 4 4 4 4 4 7 4 4 4 4 4 4 4 4 4 48 § � � � e(t ) = � Ec + Em cos 2π f mt cos 2π f ct { 1 4 4 2 4 4 3 �Bien do song mang sin � Bien do cua bien do song mang phu thuoc vao tin hieu dieu che � � Copyright (c) 8/2009 by 15 Điều biên § Tín hiệu hình sin bị điều chế được chỉ ra trong hình dưới. Với một tín hiệu ngẫu nhiên m(t), tín hiệu điều biên (AM signal) được mô tả toán học dưới dạng: e(t)=[Ec+m(t)]cos 2 fct Copyright (c) 8/2009 by 16 Chỉ số điều chế (Modulation index) § § § Bằng cách tăng biên độ Em của tín hiệu điều chế Emsin( 2 fmt), giá trị công suất phần thông tin trong tín hiệu truyền sẽ tăng lên. Khi thiết kế luôn muốn tổng công suất truyền chứa được càng nhiều công suất của thông tin càng tốt, một con số đặc trưng cho việc này gọi là chỉ số điều chế (modulation index) m. ma=Em/Ec. Do đó tín hiệu hiệu điều biên có thể viết cho điều chế hình sin là: e(t)=Ec(1+macos2 fmt)cos2 fct. Copyright (c) 8/2009 by 17 Chỉ số điều chế (Modulation index § § Để đánh giá chỉ số điều chế của tín hiệu điều biên ta sử dụng một máy hiện sóng: hiển thị dạng sóng điều biên như trên hình, đo khoảng cách lớn nhất là A, khoảng cách nhỏ nhất là B của biên độ “đường bao”. Với A=2(Ec+Em) và B=2(Ec-Em) ma Em Ec A A B B Copyright (c) 8/2009 by 18 § Nhận xét: › › › Chỉ số điều chế (Modulation index Giá trị của ma luôn thuộc khoảng [0,1]. Bằng 0 tương ứng với không điều chế Bằng 1 tương ứng với điều chế đầy (full modulation) Copyright (c) 8/2009 by 19 Ví dụ 4.1 § Nếu A=100V và B=20V, xác định phần trăm điều chế, đỉnh sóng mang, đỉnh giá trị của tín hiệu thông tin ma § § 100V 100V 20V 20V 0.667 a. b. Trị trung bình của hai giá trị đỉnh - đỉnh chính là giá trị đỉnh - đỉnh biên độ của sóng mang chưa điều chế 2Ec. Do 100 V +mang 20V có thể được tính theo A, B như sau đó2 Eđỉnh sóng = = 60V pk − pk c 2 Ec=30V pk § Em=maEc=0.667x30V pk=20V pk Copyright (c) 8/2009 by 20