Bài giảng Cải thiện độ tin cậy hệ thống

Cải thiện độ tin cậy hệ thống /489/12/2010 1 Angle Modulation Transmission /489/12/2010 2 Giới thiệu • Có 3 thành phần của tín hiệu tương tự có thể thay đổi bởi tín hiệu mang thông tin là: biên độ, tần số và pha. • FM, PM cả hai đều từ điều chế góc. • Lợi ích của AM: – Giảm nhiễu – Cải thiện độ tin cậy hệ thống – Sử dụng năng lượng hiệu quả hơn • Hạn chế: – Băng thông lớn – Mạch phức tạp /489/12/2010 3 Điều chế góc • Điều chế góc là khi góc pha (θ) của sóng sin bị thay đổi theo thời gian • Biểu thức toán học: – m(t): sóng đã điều chế góc – Vc: biên độ đỉnh sóng mang (V) – ωc: tần số góc sóng mang (anglular velocity, rad/s) – θ(t): độ lệch pha tức thời (rads) • θ(t) là 1 hàm của tín hiệu điều chế )](cos[)( ttVtm cc θω += )]sin([)]([)( tVFtFt mmm ωνθ == /489/12/2010 4 Điều chế góc • FM và PM khác nhau ở đặc tính của sóng mang bị thay đổi trực tiếp hay gián tiếp bởi tín hiệu điều chế • Tần số sóng mang thay đổi⇔ pha sóng mang thay đổi • FM là kết quả từ tần số sóng mang thay đổi trực tiếp phù hợp với tín hiệu điều chế • PM là kết quả từ pha sóng mang thay đổi trực tiếp phù hợp với tín hiệu điều chế /489/12/2010 5 Điều chế góc • Định nghĩa: – Direct FM: thay đổi tần số của của sóng mang có biên độ cố định thay đổi trực tiếp với biên độ của tín hiệu điều chế với tốc độ bằng với tần số của tín hiệu điều chế. – Direct PM: thay đổi pha của của sóng mang có biên độ cố định thay đổi trực tiếp với biên độ của tín hiệu điều chế với tốc độ bằng với tần số của tín hiệu điều chế. /489/12/2010 6 Điều chế góc • Tín hiệu đã điều chế góc trong miền tần số – Độ lớn và hướng của dịch tần (∆f) thay đổi theo biên độ và cực của tín hiệu điều chế – Tốc độ tần số thay đổi bằng với fm /489/12/2010 7 Điều chế góc • Điều chế góc trong miền thời gian Phase changing with timeFrequency changing with time /489/12/2010 8 Điều chế góc • Độ lệch pha(∆θ): độ dịch tương đối của pha sóng mang tính bằng radians đối với pha tham chiếu • Độ lệch tần(∆f): độ dịch tương đối của tần số sóng mang tính bằng Hz đối với giá trị chưa điều chế • Các độ lệch tương ứng với tín hiệu điều chế. /489/12/2010 9 Phân tích toán học • Some terms: – Độ lệch pha tức thời=θ(t) (rad) – Pha tức thời= ωct + θ(t) – Độ lệch tần số tức thời= θ’(t) (Hz) – Tần số tức thời )/( )(2)()]([)( sradtfttt dt dt ccci θπθωθωω ′+=′+=+= )( 2 )()( Hz tftf ci π θ ′+= /489/12/2010 10 Deviation Sensitivity • Điều chế pha là điều chế góc với θ(t) ~ vm(t) và hay (6.7) • Điều chế tần số là điều chế góc với θ’(t) ~ vm(t) và hay (6.8) )]([)(' t dt dt mνθ = ∫= )]([)( tt mνθ )( )()( radtKt mνθ = )/( )()( 1 ' sradtKt mνθ = /489/12/2010 11 Deviation Sensitivity • K và K1:hằng số và được gọi là deviation sensitivities của pha và tần số bộ điều chế (modulators) • Deviation sensitivity là hàm truyền output-input của bộ điều chế (modulator) • Thể hiện mối quan hệ giữa những thay đổi của thông số ngõ ra với nhũng thay đổi của tín hiệu ngõ vào • PM: • FM: )/( Vrad V K Δ Δ= θ )( 1 Vs rad V K Δ Δ= ω /489/12/2010 12 Deviation Sensitivity • Từ (6.7) và (6.8) PM= • Điều chế pha: • Điều chế tần số ∫∫∫ === dttdttKdttt mm )(K )()()( 11' ννθθ )]cos(cos[ )](cos[)( tKVtV ttVtm mmcc cc ωω θω += += ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ += += += += ∫ ∫ ∫ )sin(cos ])cos(cos[ ])(cos[ ])(cos[)( 1 1 1 ' t VK tV dttVKtV dttvKtV ttVtm m m cc mmcc mcc cc m ωωω ωω ω θω /489/12/2010 13 Bảng tóm tắt (6-1) Loại điều chế Tín hiệu điều chế Sóng đã điều chế góc, m(t) (a) Pha vm(t) (b) Tần số vm(t) (c) Pha Vmcos(ωmt) (d) Tần số Vmcos(ωmt) )](cos[)( tKvtVtm mcc += ω ])(cos[)( 1 dttvKtVtm mcc ∫+= ω )]cos(cos[)( tKVtVtm mmcc ωω += ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ += )sin(cos)( 1 tVKtVtm m m cc m ωωω /489/12/2010 14 Dạng sóng FM và PM /489/12/2010 15 Hệ số điều chế • Biểu thức (c) (d) trong Bảng 6-1 có thể viết lại dưới dạng tổng quát: • m: hệ số điều chế, and is defined differently in phase and frequency modulation )]cos(.cos[)( tmtVtm mcc ωω += /489/12/2010 16 Hệ số điều chế • Với điều chế pha: – m=độ lệch pha đỉnh=tỷ lệ với biên độ tín hiệu điều chế, độc lập với tần số m=K.Vm (radians) với: m=hệ số điều chế và độ lệch pha đỉnh (∆θ, radians) K= deviation sensitivity (radians per volt) Vm= biên độ đỉnh của tín hiệu điều chế (volts) )]cos(cos[ )]cos(cos[ )]cos(cos[)( tmtV ttV tKVtVtm mcc mcc mmcc ωω ωθω ωω += Δ+= += /489/12/2010 17 Hệ số điều chế • Điều chế tần số – Điều chế tần số tỷ lệ với biên độ của tín hiệu điều chế và tỷ lệ nghịch với tần số của tín hiệu điều chế với K1 (radians per volt) ωm (radians/s) – hay với K1 (Hertz per volt) fm (hertz) (unitless) 1 m mVKm ω= (unitless) 1 m m f VKm = /489/12/2010 18 Độ lệch tần số • Độ lệch tần số (Frequency deviation) là sự thay đổi của tần số xảy ra ở sóng mang tác động bởi tín hiệu điều chế • Độ lệch tần đỉnh ∆f • Độ lệch tần đỉnh đỉnh (2∆f)=carrier swing ⇒ Hệ số điều chế: )Hz( 1 mVKf =Δ mf fm Δ= [ ])sin(.cos )sin(cos )sin(cos)( 1 tmtV t f ftV t VK tVtm mcc m m cc m m cc m ωω ωω ωωω += ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ Δ+= ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ += /489/12/2010 19 /489/12/2010 20 Tóm tắt điều chế góc FM PM Sóng đã điều chế Deviation sensitivity K1 (Hz/V) K (rad/V) Độ lệch Hệ số điều chế Tín hiệu điều chế Sóng mang [ ])sin(.cos )sin(cos )sin(cos)( 1 tmtV t f ftV t VK tVtm mcc m m cc m m cc m ωω ωω ωωω += ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ Δ+= ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ += )]cos(cos[ )]cos(cos[ )]cos(cos[)( tmtV ttV tKVtVtm mcc mcc mmcc ωω ωθω ωω += Δ+= += )Hz( 1 mVKf =Δ )rad( mKV=Δθ (unitless)1 mm m f f f VKm Δ== (rad)θΔ== mKVm )cos()( tVtv ccc ω= )sin()( tVtv mmm ω= )cos()( tVtv mmm ω= )cos()( tVtv ccc ω= /489/12/2010 21 Bộ điều chế và giải điều chế Pha và Tần số • Có 4 cách dùng tương đương: – Bộ điều chế PM = Bộ vi phân theo sau bởi bộ điều chế FM – Bộ giải điều chế PM = Bộ giải điều chế FM theo sau bởi bộ tích phân – Bộ điều chế FM = Bộ tích phân theo sau bởi bộ điều chế PM – Bộ giải điều chế FM demodulator = Bộ giải điều chế PM theo sau bởi bộ vi phân /489/12/2010 22 Phân tích tần số ) 2 cos()()( πωω ntntmJVtm mc n nc ++= ∑∞ −∞= ∑∞ −∞= ++=+ n n nnmJm ) 2 cos()()coscos( πβαβα z Điều chế sóng sin một tần số z Các thành phần tần số riêng rẻ thì không rõ ràng (Individual freq components are not obviously) Jn(m) là hàm Bessel function of the 1st kind of nth order with argument m z So, )]cos(cos[)( tmtVtm mcc ωω += /489/12/2010 23 Phân tích tần số • Expanding: • J-n(m)=(-1)nJn(m) • m(t)=sóng đã điều chế góc • m=hệ số điều chế • Vc=biên độ sóng mang đỉnh • J0(m)=carrier component • J1(m)=1st set of side freqs displaced from the carrier by ωm • J2(m)=2nd set of side freqs displaced from the carrier by 2ωm [ ] [ ] }....)2(cos)()2(cos)( ) 2 )(cos)() 2 )(cos)(cos)()( 22 110 +−−+− ⎩⎨ ⎧ ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ −−−⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ +++= tmJtmJ tmJtmJtmJVtm mcmc mcmccc ωωωω πωωπωωω /489/12/2010 24 Phân tích tần số • Sideband set (ƒc±ƒm, ƒc±2ƒm,, ƒc±nƒm) • First-order sidebands, second-order sidebands, • J1(m),J2(m),magnitudes of sidebands • Jn(m) can be solved by: • Table 6-3 • m increases, the number of significant side freqs increase⇒bandwidth increases • Example 6-2 ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ ++−+++−⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛= ... )!1(!3 )2/( )!2(!2 )2/( )!1(!1 )2/(1 2 )( 642 n m n m n m n mmJ n n /489/12/2010 25 Bessel functions of the First Kind Modulation index Carrier Side freq pairs m J0 J1 J2 J3 J4 J5 J6 0 1.00 - - - - - - 0.25 0.98 0.12 - - - - - 0.5 0.94 0.24 0.03 - - - - 1 0.77 0.44 0.11 0.02 - - - 1.5 0.51 0.56 0.23 0.06 0.01 - - 2 0.22 0.58 0.35 0.13 0.03 - - 2.4 0 0.52 0.43 0.2 0.06 0.02 - /489/12/2010 26 Bessel function versus m /489/12/2010 27 Băng thông của sóng đã điều chế góc • BW rộng hơn tín hiệu AM với cùng một tín hiệu điều chế. • Băng thông tối thiểu • Băng thông thực tế • Example 6-3 Modulation index 0 1 10 Low index Medium index High index BWmin=2.ƒm BWmin=2.∆ƒ BW=2.(nxƒm) n=number of significant sidebandsBessel function table: Carson’s rule: BW=2.(.∆ƒ +ƒm) /489/12/2010 28 Công suất trung bình • Công suất trung bình của sóng mang chưa điều chế • Công suất tức thời của tín hiệu đã điều chế • Actually, )W( 2 2 R VP cc = )W()( 2 R tmPt = ⎭⎬ ⎫ ⎩⎨ ⎧ ++=+=⇒ )](22cos[ 2 1 2 1)]([cos 2 2 2 tt R Vtt R VP cccct θωθω )W( 2 2 R VP ct ≈Reduces to: R V R V R V R V R VP PPPPPP nc t nt 2 2... 2 2 2 2 2 2 2 ... 22 3 2 2 2 1 2 3210 +++++= +++++= /489/12/2010 29 Nhiễu và điều chế góc • Nhiễu nhiệt⇒lệch tần sóng mang không mong muốn⇒giải điều chế⇒nhiễu nếu thành phần tần số nằm trong phổ tín hiệu • Dạng phổ của nhiễu: – PM: không đổi với tần số – FM: tăng tuyến tính /489/12/2010 30 Phase modulation due to interfering signal • Độ lệch pha đỉnh: • Giới hạn biên độ⇒giảm công suất tổng (rad) c n peak V V=Δθ /489/12/2010 31 Frequency modulation due to interfering signal • Độ lệch pha tức thời: • Độ lệch tần số tức thời: • Độ lệch tần số đỉnh: • Tuy nhiên: )(rad)tsin()( nn θωθ += c n V Vt )(rad/s)tcos()( nnn θωωω +=Δ c n V Vt (Hz)or (rad/s) nn fV Vf V V c n peak c n peak =Δ=Δ ωω (Hz)nmff peak =Δ noise todue signal todue f f N S Δ Δ= /489/12/2010 32 Preemphasis & Deemphassis • Without preemphasis /489/12/2010 33 Preemphasis & Deemphassis • With preemphasis /489/12/2010 34 Preemphasis & Deemphassis • Preemphasis network is a high pass filter (a differentiator) • Deemphasis network is a low pass filter (a integrator) RL f hay RC f b b /2 1 2 1 π π = = /489/12/2010 35 Bộ điều chế Tần số & Pha Direct FM Direct PM Disadvantage Bộ dao động LC không ổn định để tạo tần số sóng mang⇒mạch điều khiển tần số tự động Khó đạt được độ lệch tần và chỉ số điều chế cao Advantage Dễ đạt được độ lệch tần và chỉ số điều chế cao Bộ dao động tách biệt với mạch điều chế⇒ổn định /489/12/2010 36 Direct FM modulators • Độ lệch tần tức thời tỷ lệ trực tiếp với biên độ sóng điều chế • Bộ điều chế FM trực tiếp đơn giản (ứng dụng cao): • 3 phương pháp: varactor diode, FM reactance, linear integrated- circuit /489/12/2010 37 Varactor diode • Schematic: • Positive alternations⇒Êreverse bias⇒Ìcapacitance ⇒Êoscillation freq • Negative alternations ⇒Ìfreq • Simple to use, reliable • Stablity of oscillator⇒peak freq deviation is limited small values ⇒low-index applications /489/12/2010 38 Varactor diode (Hz) 2 1 LC fc π= (Hz) )(2 1 CCL f Δ+= π (Hz)fff c −=ΔPeak freq deviation: Carrier rest freq: New frequency: /489/12/2010 39 FM reactance modulator • JFET được sử dụng như thiết bị chủ động • Modulating signal varies reactance of JFET causing a change in resonant freq /489/12/2010 40 FM reactance modulator • Equivalent circuit RCgf j Rg Xjz mmm c d π2 −=−= Impedance between the drain and ground: gmRC: variable-capacitance Modulating signal⇒vGSÊË⇒gmÊË⇒vGSÊË⇒ zdÊË⇒ resonant freqÊË Maximum freq deviation 5kHz /489/12/2010 41 Bộ điều chế FM trực tiếp IC tuyến tính • Ổn định, chính xác • Công suất ngõ ra thấp, cần vài thành phần thêm vào • Motorola MC1376 FM transmitter LIC: ƒc=1.4MHz÷14MHz, low power application (cordless phones) Voltage controlled oscillator (ƒc) ∆ƒ=VmK1 K1=deviation sensitivity BPF vm(t)=Vmsin(2πƒmt) m f fm ff =Δ Δ= Δ± θ m 0 outputFM /489/12/2010 42 Direct PM modulators • Varactor diode • Tần số ổn định • Hệ số ứng dụng thấp /489/12/2010 43 Direct PM modulators • Transistor direct PM modulator /489/12/2010 44 Frequency up-conversion • Heterodyning process • Frequency multiplication /489/12/2010 45 Heterodyning process /489/12/2010 46 Multiplication method