Vô tuyến điện đại cương - Chương 1: Tổng quan về vô tuyến điện

VÔ TUYẾN ĐIỆN ĐẠI CƯƠNG TS. Ngô Văn Thanh Viện Vật Lý Hà Nội - 2016 Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 2 Tài liệu tham khảo [1] David B. Rutledge, The Electronics of Radio (Cambridge University Press 1999). [2] Dennis L. Eggleston, Basic Electronics for Scientists and Engineers (Cambridge University Press 2011). [3] Jon B. Hagen, Radio-Frequency Electronics: Circuits and Applications (Cambridge University Press 2009). [4] Nguyễn Thúc Huy (1998), Vô tuyến điện tử, NXB KHKT [5] Đỗ Xuân Thụ, Nguyễn Đức Nhuận (1990), Kỹ thuật điện tử, NXB KHKT [6] Phạm Văn Đương (2004), Cơ sỡ kỹ thuật khuếch đại, NXB KHKT Website : Email : nvthanh@iop.vast.ac.vn Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 3 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VÔ TUYẾN ĐIỆN 1. Định luật Kirchhoff 2. Tần số 3. Điều biến 4. Khuếch đại 5. Decibel 6. Bộ trộn 7. Bộ lọc 8. Máy thu biến đổi trực tiếp 9. Máy thu biến tần Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 4 1. Định luật Kirchhoff  Định luật Kirchhoff  Định luật Kirchhoff điện áp : được áp dụng cho các mạch.  Định luật Kirchhoff dòng điện : áp dụng cho các nút.  Điện áp  Đơn vị đo  Dòng điện (ampere – A)  Định luật bảo toàn điện tích  Công suất (watts – W) V1 V2 + - + - + - + - + V1 V4 + -- I1 I2 I2 I1 I3 I4 Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 5 2. Tần số  Điện áp và dòng điện  Các hàm cosine biến thiên theo thời gian • f : tần số, đơn vị đo : hertz (Hz)  Công suất • Công suất trung bình • Đối với mạch cộng hưởng (có cuộn cảm và tụ điện lệch pha nhau)  Tần số của sóng radio : • c : tốc độ ánh sáng •  Bước sóng : đơn vị (m) Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 6 2. Tần số  Các dải tần số thường dùng Ký hiệu Loại sóng Tần số VLF Tần số rất thấp Sóng dài Sóng trung 3-30 kHz, hoặc bước sóng 100-10 km 30-300 kHz, hoặc 10-1 km 300 kHz-3 MHz, hoặc 1 km-100 AM Sóng radio 500-1600 kHz HF Tần số cao hay sóng ngắn 3 MHz-30 MHz, hoặc 100-10 VHF Tần số rất cao TV kênh 2-6 TV kênh 7-13 FM radio 30 MHz-300 MHz, hoặc 10-1 m 54-88 MHz 174-216 MHz 88-108 MHz UHF Tần số cực cao TV kênh 14-69 Sóng điện thoại di động 300 MHz-1 GHz, hoặc 1 m-30 cm 470-806 MHz 824-894 MHz microwaves Vi sóng GPS Truyền hình vệ tinh C-band Truyền hình vệ tinh Kuband 1-30 GHz, hoặc 30-1 cm 1.575 GHz 3.7-4.2 GHz 10.7-12.75 GHz Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 7 3. Điều biến  Các loại điều biến  Điều biên (độ) : Thường ứng dụng cho sóng radio AM • Biên độ sóng a(t) phụ thuộc vào thời gian được điều biến bởi sóng âm thanh. • Trên thực tế: có thêm thành phần sóng mang  Điều tần (số) : Thường ứng dụng cho sóng FM Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 8 3. Điều biến  Tín hiệu số (digital)  Dựa trên nguyên lý của tín hiệu Morse (xung dài và xung ngắn)  Sử dụng mã nhị phân 1 và 0  FSK (frequency-shift keying) khoá đảo tần số • Mã 1 : • Mã 0 :  PSK (phase-shift keying) khoá đảo pha • Mã 1 : • Mã 0 : Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 9 4. Khuếch đại  Công suất sóng thu được từ antenna : cỡ picowatt  Thiết bị thu sóng cần phải khuếch đại tín hiệu lên hàng triệu lần  Thiết bị cổ điển : sử dụng bóng điện tử chân không  Thiết bị hiện nay : sử dụng linh kiện bán dẫn, vi mạch  Hệ số khuếch đại (gain) Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 10 5. Decibel  Hệ thống vô tuyến  Công suất đài phát quốc tế : cỡ megawatt = 106 watt  Tín hiệu thu được tại thiết bị thu sóng : cỡ femtowatt = 10−15 watt  Hệ số chênh lệch công suất rất lớn : sử dụng thang đo logarit (cơ số 10)  Độ khuếch đại : đo bằng đơn vị decibel (dB) • Ví dụ:  Chú ý: G là đại lượng không thứ nguyên  Công suất tuyệt đối : dBs  Ký hiệu hệ số khuếch đại theo đơn vị đo của công suất tín hiệu vào Pi  Watt = dBw; milliwatt = dBm dB 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 P/Pi 1 1.3 1.6 2.0 2.5 3.2 4.0 5.0 6.3 8 10 Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 11 6. Bộ trộn (mixer)  Tần số  Tần số có thể nghe được : cỡ vài kilohertz (kHz)  Tần số sóng cao hơn rất nhiều, ví dụ sóng dài có tần số = 30-300 kHz.  Tại máy thu : biến đổi tín hiệu ở tần số radio sang tần số âm thanh  Bộ trộn  Tại máy phát: sử dụng bộ trộn để dịch chuyển tần số = tích của 2 tần số  Tạo phách : tạo ra tín hiệu bao gồm tổng và hiệu của 2 tần số  Xét trường hợp tín hiệu tương ứng với 2 tần số khác nhau, ta có điện áp  Tại máy thu, 2 tần số tương ứng là : • Tần số của tín hiệu từ antena (f1) • Tần số tạo ra bởi mạch dao động (f2)  f+ dùng để nâng cao tần số  f- dùng để giảm tần số Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 12 7. Bộ lọc (filter)  Filter  Loại bỏ tần số được thêm vào bởi bộ trộn  Bộ lọc âm tần : giữ lại tần số thấp  Tín hiệu bị chặn lại khi  Pm : công suất cực đại  là tần số ngưỡng (cut-off) = 3 dB  Hệ số suy hao  Hệ số khử tại 1 tần số trong vùng trượt:  Bộ lọc băng tần  Tín hiệu bị chặn ở cả vùng tần số thấp và tần số cao  Độ rộng băng tần Dải tần bị chặn Dải tần cho qua Band-pass filter Dải tần bị chặn Vùng trượt Dải tần cho qua Low-pass filter Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 13 8. Máy thu biến đổi trực tiếp  Direct-conversion receiver  Biến đổi tần số sóng Radio sang tần số âm thanh (nghe được)  Chỉ có một bộ trộn  Tín hiệu vào với tần số Radio (RF)  Bộ tạo dao động (LO – local oscillator)  Tín hiệu ra từ bộ trộn có tần số bằng tổng và hiệu của 2 tần số.  Tần số của LO được chọn sao cho hiệu của 2 tần số tương ứng với tần số âm thanh nghe được (600 Hz).  Các hệ thức  fi là tần số ảo (image) và cần phải loại bỏ nhờ bộ lọc.  fA là tần số âm thanh (Audio)  Sử dụng bộ lọc băng tần để loại bỏ tần số ảo Khuếch đại antenna Bộ trộn Bộ dao động Loa RF LO Audio Bộ lọc RF Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 14 9. Máy thu biến tần  Superheterodyne : Thường được ứng dụng trong TV và radio FM  Các thuật ngữ • RF (Radio frequency) : tần số radio • VFO (Variable-frequency oscillator) : bộ biến tần • Image : ảo (sẽ bị chặn lại ở các bộ lọc) • IF (Intermediate frequency) : tần số trung gian • BFO (beat-frequency oscillator) : bộ dao động phách • Audio : âm thanh nghe được • Sum : tổng (tổng của 2 tần số) • Product detector : tách sóng antenna Bộ trộn RF Bộ dao động phách Loa RF BFO Audio Bộ trộn Khuếch đại Bộ dao động biến tần VFO Bộ lọc RF Bộ lọc IF IF RF VFO Ảo Tổng IF BFO Ảo Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 15 9. Máy thu biến tần  Tần số Radio :  Tần số ảo VFO :  Tần số IF :  Tần số ảo BFO : antenna Bộ trộn RF Bộ dao động phách Loa RF BFO Audio Bộ trộn Khuếch đại Bộ dao động biến tần VFO Bộ lọc RF Bộ lọc IF IF RF VFO Ảo Tổng IF BFO Ảo Tín hiệu thu được từ antenna Chỉ giữ lại tần số Radio Trộn tín hiệu Giữ lại tín hiệu trung tần Trộn tín hiệu để có Audio Khuếch đại âm thanh Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 16 9. Máy thu biến tần  Sơ đồ dải tần số  Tần số USB (upper sideband): là tần số để tạo ra tín hiệu có tần số ảo BFO • Sử dụng công thức • Suy ra  Tần số LSB (lower sideband): Giống như tần số RF