Dieu che tin hieu

Bài giảng: Lý thuyết tín hiệu
Chương 5

TÍN HIỆU ĐIỀU CHẾ
Nội dung:
5.1 Cơ bản về điều chế tín hiệu
5.1.1 Vị trí của điều chế trong hệ thống thông tin
5.1.2 Mục đích của điều chế
5.1.3 Phân loại các phương pháp điều chế
5.2 Điều chế tương tự
5.2.1 Sóng mang trong điều chế tương tự
5.2.2 Điều chế biên độ
5.2.3 Điều chế góc
5.3 Điều chế xung
5.3.1 Sóng mang trong điều chế xung
5.3.2 Điều chế PAM
5.3.3 Các hệ thống điều chế xung khác

1
Giaûng vieân: Th.S Leâ Xuaân Kyø 9/7/2009

Chương 5 TÍN HIỆU ĐIỀU CHẾ
5.1 Cơ bản về điều chế tín hiệu:
Điều chế (Modulation) là quá trình ánh xạ tin tức vào sóng mang bằng cách
thay đổi thông số của sóng mang (biên độ, tần số hay pha) theo tin tức .
Điều chế đóng vai trò rất quan trọng, không thể thiếu trong hệ thống thông tin.
5.1.1 Vị trí của điều chế trong hệ thống thông tin:
Transmitter
Máy phát:
Nguồn Biến đổi tin
Điều chế
tin tức- tín hiệu
Khuếch đại

Máy thu:
Nhận Biến đổi tín Khuếch đại
hiệu - tin tức
tin Giải điều chế
Receiver
2

Chương 5 TÍN HIỆU ĐIỀU CHẾ
5.1 Cơ bản về điều chế tín hiệu (tt):
5.1.2 Mục đích của điều chế:
Để có thể bức xạ tín hiệu vào không gian dưới dạng sóng điện từ
Cho phép sử dụng hiệu quả kênh truyền
Tăng khả năng chống nhiễu cho hệ thống
5.1.3 Phân loại các phương pháp điều chế:
Các phương pháp điều chế

Điều chế tương tự Điều chế xung Điều chế số

Biên độ Góc pha Tương tự Số ASK PSK FSK

AM-SC SSB-SC VSB PAM PPM PDM PCM Delta

AM SSB FM PM
3

Chương 5 TÍN HIỆU ĐIỀU CHẾ (tt)
5.2 Điều chế tương tự:
Tín hiệu tin tức làm thay đổi các thông số: biên độ, tần số hoặc pha của sóng
mang điều hòa cao tần.
Biên độ
5.2.1 Sóng mang trong điều chế tương tự:
Dạng sóng mang ban đầu: y(t)=Ycos(Ωt + ϕ)
Dạng sóng mang sau điều chế: y(t) = Y(t)cosθ(t) Pha ban
đầu
Y(t): biên độ tức thời (phương trình đường bao)
θ(t): pha tức thời. Tần số góc
d θ (t )
Ω (t ) = : tần số góc tức thời
dt
1 d θ (t )
f (t ) = : tần số tức thời
2π dt
Nếu θ(t): không đổi; Y(t): thay đổi y(t)=Y(t)cos(Ωt +ϕ): điều chế biên độ
Nếu θ(t): thay đổi; Y(t): không đổi y(t) = Ycosθ(t): điều chế pha
4

5.2.2 Điều chế biên độ (Amplitude Modulation)
a. Hệ thống AM-SC (Amplitude Modulation with Suppressed Carrier)
(còn gọi là điều chế DSB-SC: Double Side Band with suppressed Carrier)
Dạng tín hiệu AM-SC: y AM − SC (t ) = x (t ) × cosΩ t
Quá trình điều chế:
x(t) yAM-SC (t)
Tín hiệu tin tức cần
x
truyền đi, tần số thấp Sóng mang cao tần
[ωmin , ωmax] Ω>>ωmax

Quan hệ trong miền tần số: cos Ω t
1
YAM − SC (ω ) = [ X (ω − Ω ) + X (ω + Ω ) ]
2
1
Ψ AM − SC (ω ) = [ Ψ X (ω − Ω ) + Ψ X (ω + Ω ) ]
4
5

a. Hệ thống AM-SC (tt):
Mô tả miền thời gian Mô tả miền tần số
x(t) X(ω)
X0

0 t
−ω max −ω minω min ω max ω
cosΩt 1
Y(ω)
π
0 t ω
-Ω 0 Ω
yAM-SC(t)
YAM-SC(ω)
t X0/2
ω
0 0
-Ω Ω

6

a. Hệ thống AM-SC (tt)
Quá trình giải điều chế:
Trong miền thời gian: yAM-SC (t) m(t) x’(t)
m(t) = x(t).cosΩt.cosΩt
= [x(t) + x(t).cos2Ωt]/2
x LPF
Qua bộ lọc LPF, chỉ còn lại thành phần
tần số thấp x’(t) = x(t)/2.
Trong miền tần số:
cos Ω t
1
M ( ω ) = [Y A M − S C ( ω − Ω ) + Y A M − S C ( ω + Ω ) ]
2
1 1
= X (ω ) + [ X (ω − 2 Ω ) + X (ω + 2 Ω ) ]
2 4
Qua bộ lọc LPF, chỉ còn lại thành phần phổ tần số thấp: X’(ω) = X(ω)/2.
Đáp ứng tần số của bộ lọc M(ω)
X0/2
ω
-Ω 0
-2Ω Ω 2Ω
7

a.Hệ thống AM-SC (tt)
Nhận xét:
Mạch giải điều chế phức tạp.
Băng thông (bandwidth):
BWAM − SC = 2ωmax
Công suất của tín hiệu AM-SC: 1
Py AM − SC = Px
2
Ví dụ 1: Cho mạch điều chế AM-SC:
Tin tức: x(t) = cos(2π×103t)
Sóng mang: y(t) = cos(2π×104t)
Hãy:
a. Vẽ x(t) và yAM-SC(t) ?
b. Xác định và vẽ X(ω), ΨX(ω), YAM-SC(ω) và ΨAM-SC(ω) ?
c. Tính Px và PAM-SC?

8

5.2.2 Điều chế biên độ (Amplitude Modulation)
Phương trình đường
b. Hệ thống AM (còn gọi là điều chế DSB) bao(envelope)
Dạng tín hiệu AM:
y AM (t ) = [ A + x (t )]cosΩ t
x(t) yAM (t)
Tín hiệu tin tức cần
x
truyền đi, tần số thấp Sóng mang
[ωmin , ωmax] cao tần
A cos Ω t Ω>>ωmax
Quan hệ trong miền tần số:
1
YAM (ω) = Aπ [δ (ω −Ω) + δ (ω + Ω)] + [ X (ω −Ω) + X (ω + Ω)]
2
π A2 1
ΨAM (ω) = [δ (ω −Ω) +δ (ω +Ω)] + [ΨX (ω −Ω) +ΨX (ω +Ω)]
2 4
9

b. Hệ thống AM(tt):
X(ω)
x(t)
X0

−ω max −ω minω min ω max ω
0 t Y(ω)
cosΩt 1
π
t ω
0
-Ω 0 Ω
yAM(t)
YAM(ω)
Aπ
t
X0/2

0 ω
-Ω 0
Ω
10

a. Hệ thống AM (tt)

Tách sóng đồng bộ: (giống giải điều chế AM-SC)
Tách sóng đường bao: sơ đồ mạch đơn giản

Điều kiện để tách sóng đường bao không bị méo:

A ≥ max{ x(t ) ; x(t ) < 0}
11

a.Hệ thống AM (tt)
Nhận xét:
Mạch giải điều chế đơn giản.
Băng thông (bandwidth):
BWAM − SC = 2ωmax
Hiệu suất năng lượng không cao:

Pb Pb: công suất dải bên
η= × 100%
PAM PAM: công suất toàn bộ tín hiệu

1
Px
2 P
= = 2 x
1 2 1
A + Px A + Px
2 2
Trường hợp, x(t) = acosωt, hiệu suất cực đại:

ηmax = 33.33%
12
Giaûng vieân: Th.S LeâPhúc Kyø
GV: Ths. Lê Ngọc Xuaân 9/7/2009

b. Hệ thống AM (tt)

Ví dụ 2: Cho mạch điều chế AM:
yAM(t) = [A+x(t)]cos(2π×105t)
x(t)
2

2
-4 4 8
-1
Hãy:
a. Vẽ yAM(t) khi A=2?
b. Xác định phổ X(ω), YAM(ω) ?
c. Tính Px và PAM?
d. Xác định giá trị của A để tách sóng không bị méo trong mạch
tách sóng hình bao?
13

5.2.2 Điều chế biên độ (tt):
c. Các hệ thống điều chế biên độ khác:
Hệ thống SSB-SC (Single Side Band with Suppressed Carrier)
Đáp ứng tần
số của bộ lọc

Hệ thống SSB (Single Side Band) Đáp ứng tần
số của bộ lọc

14

5.2.2 Điều chế biên độ:
c. Các hệ thống điều chế biên độ khác:
Hệ thống VSB (Vestigial Side Band)

15

5.2.2 Điều chế biên độ:
So sánh các phương pháp điều chế biên độ:

Đặc điểm Độ phức tạp Băng thông tín Hiệu suất
giải điều chế hiệu điều chế năng lượng
Phương pháp

AM-SC(DSB-SC) cao rộng cao

AM (DSB) thấp rộng thấp

SSB-SC cao hẹp cao

SSB thấp hẹp thấp

VSB cao vừa phải vừa phải

16

5.2.3 Điều chế góc:
a. Hệ điều pha PM (Phase Modulation)
Dạng tín hiệu PM: y PM ( t ) = Y cos[ Ω t + k p x ( t )] (*)

trong đó: x(t): tín hiệu tin tức
ϕ0: pha ban đầu Tin tức trực tiếp thay
đổi pha tức thời
kp: hằng số tỉ lệ
Các thông số quan trọng:
Pha tức thời:
θ PM (t ) = Ωt + k p x(t )
dx (t )
Tần số góc tức thời: Ω PM (t ) = Ω + k p
dt
Độ lệch pha:
ΔθPM =| θ (t) −Ωt |= kp x(t) max
Độ lệch tần số:
dx(t )
ΔΩ PM =| Ω(t ) − Ω |= k p
dt max
17

a.Hệ điều pha PM (tt)
PM dải hẹp (NBPM-Narrow Band PM) Δθ PM = k p | x(t ) |max 1
Sử dụng công thức gần đúng:

cos k p x(t ) ≈ 1;sin k p x(t ) ≈ k p x(t )
Biểu thức (*) thành ra:
y NBPM (t ) = Y cos Ωt cos(k p x(t )) − Y sin Ωt sin(k p x(t ))
= Y cos Ωt − Yk p x(t ) sin Ωt Biểu thức
Phổ của tín hiệu NBPM: NBPM

Y
YNBPM (ω ) = Y π [δ (ω − Ω) + δ (ω + Ω)] − k p [ X (ω − Ω ) + X (ω + Ω ) ]
2j
PSD của tín hiệu NBPM:

(Yk p ) Ψ (ω − Ω) + Ψ (ω + Ω)
2
Yπ 2
Ψ NBPM (ω) = [δ (ω − Ω) + δ (ω + Ω)] + [ X X ]
2 4
18

a.Hệ điều pha PM (tt)
PM dải hẹp (tt)
Băng thông tín hiệu NBPM: BW NBPM = 2ω max
Mạch tạo tín hiệu NBPM:

−Ykp x(t) × sinΩt
π −YsinΩt
2 kp
yNBPM (t)

Y cos Ωt
x(t)

PM dải rộng (WBPM: Wide band PM)
Công thức Carson xác định độ rộng phổ:

BWWBPM = 2(Δθ PM + 2)ωmax
19

5.2.3 Điều chế góc:
b. Hệ điều tần FM (Frequency Modulation)
Dạng tín hiệu FM: y F M ( t ) = Y cos[ Ω t + k f ∫ x ( t )dt ] (*)

trong đó: x(t): tín hiệu tin tức
ϕ0: pha ban đầu
Tin tức trực
kf: hằng số tỉ lệ tiếp thay đổi
Các thông số quan trọng: tần số tức thời

Pha tức thời:
θ FM (t ) = Ωt + k f ∫ x(t )dt
Tần số góc tức thời: ΩFM (t ) = Ω + k f x(t )
Độ lệch pha:
Độ lệch tần số:
ΔθFM =| θ (t ) − Ωt |= k f ∫ x(t)dt max

ΔΩFM =| Ω(t) −Ω= kf x(t) max
|
20

b. Hệ điều tần FM (tt)
FM dải hẹp (NBFM-Narrow Band FM) Δθ FM = k f | ∫ x(t )dt |max 1

Tương tự như NBPM, biểu thức tín hiệu NBFM:

y NBFM (t ) = Y cos Ωt − Yk f ∫ x(t )dt.sin Ωt

Băng thông tín hiệu NBFM:

BW NBFM = 2ω max
FM dải rộng ( WBFM -Wide Band FM)
Công thức Carson xác định độ rộng phổ:

BWWBFM = 2( Δθ FM + 2ω max )
21

c. Nhận xét về PM và FM:
So sánh với điều chế biên độ:
Khả năng chống nhiễu cao hơn AM
Băng thông tín hiệu WBPM và WBFM rộng hơn tín hiệu AM nhiều
Quan hệ giữa FM và PM:

x(t) dx(t ) Bộ điều yPM (t)
chế FM
dt

x(t) yFM (t)
∫
Bộ điều
x(t )dt chế PM

22

5.3 Điều chế xung (Pulse Modulation):
5.3.1 Sóng mang trong điều chế xung:
Dãy xung vuông đơn cực
⎛t ⎞ 1 t ∞
⎛ t − nT ⎞
y (t ) = Y ∏ ⎜ ⎟ ∗ ||| = Y ∑ Π ⎜ ⎟; τ << T
⎝τ ⎠ T T n =−∞ ⎝ τ ⎠
trong đó: Y: biên độ xung
T: chu kỳ lặp lại xung
τ: độ rộng xung
y (t )
τ Y

t
-2T -T 0 T 2T

23

5.2 Điều chế tương tự:
5.3.2 Hệ thống điều chế PAM (Pulse Amplitude Modulation):
a. Hệ thống PAM lý tưởng:
1 ⎛ t ⎞
Dạng tín hiệu : y PAM ( t ) = x ( t ) ||| ⎜ ⎟
T ⎝T ⎠

x(t) yPAM(t)
Phổ của PAM lý tưởng:
1 ⎡ ⎛ ω ⎞⎤ 2π
YPAM (ω ) = ⎢ X (ω )∗ ||| ⎜ ⎟ ⎥ ; ω0 = 1 t
2π ⎣ ⎝ ω0 ⎠ ⎦ T y (t ) = ||| ( )
1 ⎡ ∞
⎤ T T
= X (ω ) ∗ ω0 ∑ δ (ω − nω0 ) ⎥
2π ⎢ ⎣ n =−∞ ⎦
1 ∞
= ∑ X (ω − nω0 )
T n =−∞
24

a. Hệ thống PAM lý tưởng (tt):
x(t)
X(ω)
X0

t ω
0 -ωmax 0 ωmax
y(t) Y (ω)
ω0
ω
0 T 2T 3T 4T 5T t -2ω0 -ω0 0 ω0 2ω0
yPAM(t)
YPAM (ω)
X0/2

t
0 -2ω0 -ω0 0 ω0 2ω0 ω
25

a. Hệ thống PAM lý tưởng (tt):
Tín hiệu PAM được đưa qua bộ lọc có đáp ứng tần số:

⎛ ω ⎞ yPAM(t) h(t) x’ (t)
H (ω ) = T ∏ ⎜ ⎟
⎝ 2ωmax ⎠ YPAM(ω) H(ω) X’(ω)
Phổ của tín hiệu ngõ ra:
1 ∞ ⎛ ω ⎞
X '(ω) = YPAM (ω) × H (ω) = ∑ X (ω − nω0 ) × T ∏⎜ ⎟
T n=−∞ ⎝ 2ωmax ⎠
Nếu: ω0 ≥ 2ωm , ta có:
H(ω)

X '(ω ) = X (ω )
khôi phục đúng -2ω0 -ω0 0 ω0 2ω0
26

5.3.2 Hệ thống điều chế PAM (tt):
b. Hệ thống PAM thực tế:
Dạng tín hiệu :
⎛t ⎞ 1 ⎛t⎞
y (t ) = x(t ).Y ∏ ⎜ ⎟ ∗ ||| ⎜ ⎟
⎝τ ⎠ T ⎝T ⎠
x(t) yPAM(t)
Phổ của PAM lý tưởng:
1 2π ⎛t ⎞ 1
YPAM (ω ) = [ X (ω ) ∗ Y (ω )] ; ω0 = YΠ ⎜
t
⎟ ∗ ||| ( )
2π T
⎝τ ⎠ T T
1 ⎡ ∞
τ τ ⎤
= ⎢ X (ω ) ∗ 2π ∑ Y Sanπ δ (ω − nω0 ) ⎥
2π ⎣ n =−∞ T T ⎦
Yτ ∞
nπτ
=
T
∑
n =−∞
Sa
T
X (ω − nω0 )

27

b. Hệ thống PAM thực tế (tt):
x(t)
X(ω)
X0

t ω
0 -ωmax 0 ωmax
Y(ω)
Y 2π Y τ
T

-ω0 0 ω0 ω
0 T 2T 3T t
-2ω0 2ω0

yPAM(t) YPAM(ω)
2π Y τ
T

0 t -2ω0 -ω0 0 ω0 2ω0 ω
28

Tín hiệu PAM được đưa qua bộ lọc có đáp ứng tần số:
⎛ ω ⎞ yPAM(t)
H (ω ) =
T
∏ ⎜ 2ω ⎟ h(t) x’ (t)
Yτ ⎝ max ⎠
YPAM(ω) H(ω) X’(ω)
Phổ của tín hiệu ngõ ra:
X '(ω) = YPAM (ω) × H (ω)
Yτ ⎡ ∞ nπτ ⎤ ⎡T ⎛ ω ⎞⎤
= ⎢ ∑ Sa T X (ω − nω0 )⎥ × ⎢ Yτ ∏⎜ 2ω ⎟⎥
T ⎣n=−∞ ⎦ ⎣ ⎝ max ⎠⎦
YPAM(ω)
Nếu: ω0 ≥ 2ωm , ta có: 2π Y τ
T
H(ω)

X '(ω ) = X (ω )
khôi phục đúng
-2ω0 -ω0 0 ω0 2ω0 ω
29

Nhận xét:
Phổ của tín hiệu PAM rộng vô hạn, nhưng phần lớn công suất tập trung
trong khoảng (-2π/τ, 2π/τ).
Vì phổ của PAM tập trung xung quanh tần số thấp, nên muốn truyền đi
cần điều chế lần nữa (ví dụ PAM-AM, PAM-FM,vv…)

Ví dụ 3: Cho hệ thống PAM như sau
Biết rằng: z(t) v(t)
2π x(t)
x (t ) = S aω 0t ; ω 1 = ; H(ω)
T
⎛ ω ⎞ 1 t
H (ω ) = Π ⎜ ⎟ y (t ) = ||| ( )
⎝ 2ω 0 ⎠ T T
Hãy:
a. Xác định và vẽ Z(ω) khi ω1=3 ω0; ω1=1.5 ω0
b. Xác định v(t) và tính Ev trong hai trường hợp ω1=3 ω0; ω1=1.5 ω0.

(to be continued)
30

5.3.3 Các hệ thống điều chế xung khác:
Điều chế độ rộng xung PDM x(t)
(Pulse Duration Modulation)
Điều chế vị trí xung PPM
(Pulse Position Modulation)
0 T 2T 3T 4T 5T 6T t
Biên độ xung không đổi yPDM(t)
Vị trí bắt đầu xung không đổi
Độ rộng của xung thay đổi theo x(t) Y

0 t

Biên độ xung không đổi yPPM(t)
Độ rộng của xung không đổi
Vị trí bắt đầu xung thay đổi theo x(t) Y

0 t

31

Vị trí của điều chế PAM trong hệ thống thông tin

32

Dieu che tin hieu

More Related Content

What's hot

Viewers also liked

Similar to Dieu che tin hieu

Dieu che tin hieu