Vô tuyến điện đại cương - Chương 14: Nhiễu và mạch điều biến

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 14. NHIỄU VÀ MẠCH ĐIỀU BIẾN 1. Nhiễu 2. Biểu diễn phức của nhiễu 3. Công thức Nyquist 4. Nhiễu do suy hao 5. Các thành phần theo tầng 6. Đánh giá nhiễu 7. Điều biến Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 4 1. Nhiễu  Noise  Định nghĩa : rms : Root mean square  : thời gian tính trung bình  Công suất trung bình của nhiễu : • R : điện trở tải  Đặc trưng cho tín hiệu ra của máy thu : signal-to-noise ratio (SNR) • P : công suất của tín hiệu ra  MDS (minimum detectible signal) : tín hiệu tối thiểu để có thể nhận thấy sao cho • Công suất vào tối thiểu để tín hiệu ra đạt được tỷ số 1:1  Mật độ công suất của nhiễu (công suất nhiễu trên một đơn vị băng thông) • B : độ rộng của băng thông (bandwidth)  Công suất nhiễu cân bằng (noise-equivalent power) Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 5 2. Biểu diễn phức của nhiễu  Noise Phasors  Ký hiệu điện áp của nhiễu : Vn  Giá trị trung bình tính theo hàm mật độ xác suất : • p : hàm mật độ xác suất • dA : yếu tố diện tích trong mặt phẳng phức Vn  Mật độ công suất :  Sử dụng hệ thức số học cho số phức với hằng số thực :  Xét điện áp của 2 nhiễu V1 và V2 sử dụng biểu thức khai triển :  Nếu điện áp nhiễu tạo ra từ 2 nguồn không phụ thuộc lẫn nhau (2 điện trở) => số hạng tương quan bằng 0 => Mật độ công suất : Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 6 3. Công thức Nyquist  Nyquist's Formula /ˈnaɪkwɪst/  Xét mạch cộng hưởng nối tiếp  Nhiễu sinh ra do dao động của các nguyên tử trong điện trở R  Điện áp trên tụ điện  Giá trị ước tính :  Ở điều kiện cân bằng nhiệt, năng lượng nhiệt tích trữ của mạch :  Công thức nhiễu Nyquist : • Điện áp nhiễu không phụ thuộc vào tần số Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 7 3. Công thức Nyquist  Đại lượng bất biến của điện áp  Xét mạch tương đương  Nhiễu gây ra bởi điện trở tải R  Điện áp trên tải =  Mật độ công suất  Nhiệt độ hiệu dụng của nhiễu :  Nhiệt độ của nhiễu nói chung : • Bao gồm các loại mạch thu tín hiêu, mạch khuếch đại, mạch trộn và antenna • NEP : Công suất nhiễu cân bằng • G : độ lợi Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 8 4. Nhiễu do suy hao  Attenuator Noise  Ký hiệu • L : hệ số suy hao • Na : mật độ công suất nhiễu ở đầu ra  Điện trở R ở ngõ vào của mạch suy hao  Giả thiết : hệ có cùng nhiệt độ  Mật độ công suất ở ngõ ra :  Nhiễu bao gồm 2 phần • Phần do điện trở : • Phần còn lại do máy giảm nhiễu L  Viết lại biểu thức mật độ công suất dưới dạng:  Suy ra mật độ công suất nhiễu  Nhiệt độ của nhiễu do suy hao Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 9 5. Các thành phần theo tầng  Cascading Components  Xác định mật độ nhiễu tổng cộng  Xét thiết bị có 3 tầng khuếch đại  Ta có mật độ nhiễu tổng cộng ở ngõ ra  Nhiệt độ nhiễu của máy thu :  Hệ số tạp âm (noise figure) : F • T0 : nhiệt độ tham chiếu, thường được chọn là 290K Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 10 6. Đánh giá nhiễu  Measuring Noise  Các phương pháp xác định MDS (minimum detectible signal)  Để xác định được nhiệt độ nhiễu Tr : • Phải có nguồn gây nhiễu • Phải biết được mật độ công suất  Thường người ta sử dụng 2 nguồn nhiệt : • nhiệt độ phòng • nhiệt độ của nitrogen lỏng : 77K  Công suất ra: •  : hệ số tỷ lệ  Tỷ số giữa hai công suất, giả sử T1 > T2  Suy ra nhiệt độ nhiễu ở bộ thu Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 11 7. Điều biến  Intermodulation  Xét 2 tín hiệu vào ở tần số f1 và f2 • Đáp tuyến không tuyến tính của các bộ trộn và bộ khuếch đại sinh ra một số tín hiệu ở tần số kết hợp điều hoà của f1 và f2 => Các tần số này gọi là tích hợp điều biến  Tích hợp bậc 3  Tích hợp bậc 5  Khai triển điện áp ra theo chuỗi Taylor • : độ lợi điện áp  Giả thiết điện áp vào gồm 2 tần số f1 và f2 Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 12 7. Điều biến  Xét trường hợp đơn giản :  Ta có  Khi khai triển xuất hiện các số hạng :  Số phẩn tử có tần số tổng được xếp theo hàng ngang của hình tam giác Pascal