CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG THU PHÁT CAO TẦN 1. Giới thiệu chung Trong hệ thống thu phát cao tần, tín hiệu được truyền từ nơi phát đến nơi thu bằng các khối thu phát thông qua môi trương truyền. Khối phát, là tập hợp các mạch điện tử biến đổi tin tức thành các tín hiệu phù hợp với môi trường truyền. Khối thu, được thiết kế để nhận tín hiệu từ môi trường truyền, xử lý và khôi phục lại tín hiệu ban đâu.
Trong các khối thu phát của hệ thống phát thông tin cao tần, ta thường sử dụng các mạch vòng bám pha (PLL) nhằm bảo tính ổn định và chính xác cho bộ dao động. Vì vậy, trong chương này ta giới thiệu về các khối thu phát cao tần và mạch vòng bám pha. Sơ đồ khối thu phát cao tần: 1. Sơ đồ khối máy phát: Máy phát hoạt động như sau, tín hiệu băng gốc ở đầu vào, có thể là tiếng nói, hình ảnh, hoặc dữ liệu, được giả định có tần số fm.
Tín hiệu này được lọc để loại bỏ bất kỳ thành phần nào có thể vượt quá dải thông của kênh. Và, sau đó được đưa đến bộ trộn tần để trộn lẫn với một tín hiệu từ bộ dao động nội (LO) để tạo ra tín hiệu sóng mang diều chế, quá trình đó được gọi là chuyển đổi lên vì nó tạo ra tín hiệu có tần số fLO + fm hoặc fLO - fm thường là cao hơn nhiều so với fm. Sóng mang điều chế sau đó được khuếch đại và lan truyền ra không gian qua anten. Sơ đồ tổng quát khối phát LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.
Sơ đồ khối máy thu: Khi tín hiệu đến thu, nó thường được khuếch đại bởi bộ khuếch đại nhiễu thấp (LNA). Bộ khuếch đại nhiễu thấp (LNA) có thể được bỏ qua ở một số hệ thống khi tín hiệu nhận được có đủ công suất để trộn tần trực tiếp, điều đó xảy ra khi truyền ở khoảng cách ngắn. Bộ trộn tần, tạo ra một tín có tần số fIF – fm hoặc fIF - fm, quá trình này được gọi là chuyển đổi xuống và có tần số thấp hơn nhiều fLO. Sau đó, qua bộ lọc trung tần (IF) để loại bỏ bất kỳ các hài không mong muốn và qua bộ khuếch đại trung tần (IF).
Tín hiệu đầu ra của bộ khuếch đại trung tần được đừa vào bộ tách sóng để tái tạo lại tín hiệu băng gốc fm. Để thực hiện tất cả các chức năng này, hệ thống cao tần dựa vào các thành phần riêng biệt như: Bộ trộn tần, bộ tổ hợp tần số, antenna, …. Mạch vòng bám pha 1. Giới thiệu chung Bộ tạo dao động siêu cao tần đóng một vai trò quan trọng trong các hệ thống thông tin vì có khả năng tạo ra các sóng tham chiếu sử dụng trong việc điều chế và giải điều chế…Trong các hệ thống thông tin, tính chính xác và ổn định của các bộ tạo dao động luôn phải được quan tâm nhằm đảm bảo chất lượng của hệ thống.
Có nhiều phương pháp để tăng tính ổn định của bộ tạo dao động, trong đó đáng chú ý là kỹ thuật vòng bám pha PLL (Phase Locked Loop) và kỹ thuật tổng hợp số trực tiếp DDS (Direct Digital Synthesis): LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 14 - Kỹ thuật DDS là một hệ thống hở, sử dụng máy tính số và các bộ DAC (Digital to Analog Converter) để tạo ra các tín hiệu mong muốn. Đây là kỹ thuật tổng hợp tần số trực tiếp. Kỹ thuật này có ưu điểm nổi bật là thời gian thiết lập tần số rất nhanh, độ phân giải tần số rất nhỏ. Tuy nhiên, nhược điểm là tiêu thụ nhiều năng lượng và chỉ thích hợp với dải tần cỡ vài trăm Hz.
- Kỹ thuật PLL lại sử dụng hệ thống hồi tiếp kín, trong đó độ ổn định của hồi tiếp là quan trọng nhất. Đây là kỹ thuật tổng hợp tần số gián tiếp. Kỹ thuật này yếu hơn DDS ở thời gian thiết lập tần số. Bù lại, kỹ thuật này lại có ưu điểm là tiêu thụ rất ít năng lượng và rất thích hợp với dải tần siêu cao là dải tần số từ 300 Hz đến 3GHz.
Tổng quan về vòng bám pha (PLL) Hệ thống tự động điều chỉnh tần số theo vòng bám pha PLL được sử dụng rộng rãi trong việc xử lý tín hiệu tương tự và các hệ thống số. Một số ứng dụng quan trọng của vòng bám pha là điều chế và giải điều chế FM, giải điều chế FSK (FSK demodulation), giải mã âm thanh, nhân tần, đồng bộ hoá xung đồng bộ, tổ hợp tần số, máy phát điều tần… Vòng bám pha được mô tả lần đầu tiên vào những năm 1930 khi được ứng dụng trong việc đồng bộ quét dọc và quét ngang trong vô tuyến truyền hình. Cùng với sự phát triển của các vi mạch tích hợp, vòng bám pha được sử dụng trong rất nhiều ứng dụng khác nhau. Vào khoảng năm 1965, người ta đã tạo ra những vi mạch tích hợp PLL đầu tiên, chỉ sử dụng các thiết bị tương tự.
Những tiến bộ ngày nay trong sản xuất vi mạch tích hợp đã gia tăng việc sử dụng các thiết bị PLL vì giá thành ngày càng rẻ và có độ tin cậy cao. Hiện nay PLL đã có thể được tích hợp toàn bộ trên một đơn chip. Lối vào tín hiệu Vs(t), fs Ve(t) V (t), f0 So sánh pha Lọc tần số thấp Lối vào so sánh 0 Vd(t) VCO Điện áp điều khiển VCO Hình 1. Sơ đồ chức năng của mạch vòng bám pha.
LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 15 Mạch vòng bám pha PLL cơ bản được trình bày trong sơ đồ chức năng hình 1.3, bao gồm những phần chính là bộ so sánh pha, bộ lọc thông thấp, máy phát tần số được điều khiển bằng điện áp VCO (Voltage Controlled Ossillator). Ba khối này hợp thành một hệ thống phản hồi về tần số khép kín. Khi không có tín hiệu vào PLL, sự chênh lệch điện áp Ve(t) ở lối ra của bộ so sánh pha và điện áp Vd(t) ở lối ra của bộ lọc tần thấp đều bằng không. Bộ dao động điều khiển bằng điện áp VCO hoạt động ở tần số f0 gọi là tần số dao động trung tâm.
Khi có tín hiệu đưa vào hệ thống PLL, bộ so pha sẽ so pha và tần số của tín hiệu lối vào với pha và tần số của VCO và tạo ra một điện áp sai số Ve(t) tỉ lệ với sự lệch pha và chênh lệch tần số của tín hiệu lối vào và VCO, tức là phản ánh sự khác nhau về pha và tần số của 2 tín hiệu. Điện áp sai số này được lọc rồi đưa vào lối vào điều khiển của VCO. Điện thế điều khiển Vd(t) thúc đẩy tần số của VCO thay đổi theo hướng giảm bớt sự khác nhau về tần số giữa tín hiệu f0 và tín hiệu fs lối vào. Khi tần số lối vào fs tiến dần đến tần số f0, do tính chất hồi tiếp của PLL sẽ thúc đẩy VCO đồng bộ hoặc bắt chập với tín hiệu lối vào.
Sau khi chập, tần số VCO sẽ bằng tần số của tín hiệu lối vào, tuy nhiên vẫn có độ chênh lệch về pha nào đó. Sự chênh lệch về pha này là cần thiết để tạo ra điện áp sai Ve(t) để chuyển tần số dao động tự do của VCO thành tần số của tín hiệu vào fs, như vậy sẽ giữ cho PLL ở trạng thái giữ chập tần số. Kết quả là tần số của dao động VCO có độ ổn định tần số ngang cấp với độ ổn định tần số của tín hiệu so sánh pha với tần số VCO. Như vậy nếu sử dụng fs là dao động chuẩn thạch anh có độ ổn định tần số cao thì kết quả mạch vòng bám pha sẽ cho độ ổn định tần số của VCO ngang cấp thạch anh.
Không phải tín hiệu nào VCO cũng bắt chập được. Dải tần số trên đó hệ duy trì tình trạng chập với tín hiệu lối vào được gọi là dải giữ chập hay giải bám (lock range) của hệ thống PLL. Dải tần số trên đó hệ thống PLL có thể bẳt chập một tín hiệu vào gọi là dải bắt chập (capture range). Dải bắt chập bao giờ cũng nhỏ hơn giải giữ chập.
Ta có thể dùng một cách khác để miêu tả hoạt động của PLL là bộ so sánh pha thực chất là mạch nhân và trộn tín hiệu vào với tín hiệu VCO. Sự trộn này tạo tần số tổng và tần số hiệu fs ± f0. Khi mạch ở trạng thái chập thì hiệu tần số fs – f0 = 0, do đó tạo ra thành phần một chiều. Bộ lọc tần số thấp loại bỏ thành phần tần số tổng fs + f0, nhưng tiếp nhận thành phần điện áp một chiều, tức là chỉ cho thành phần một chiều đi qua.
Thành phần một chiều này điều khiển VCO hoạt động ở trạng thái giữ chập với tín hiệu vào. Một điểm đáng chú ý là giải chập độc lập với dải tần số của bộ lọc tần số thấp vì khi mạch ở trạng thái giữ chập thành phần hiệu tần số bao giờ cũng là dòng một chiều. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Bắt chập và giữ chập Khi mạch chưa ở trạng thái bắt chập, bộ so pha trộn tín hiệu vào với tín hiệu VCO để tạo ra thành phần tổng và hiệu hai tần số.
Nếu thành phần hiệu nằm bên ngoài biên dải tần số của bộ lọc tần thấp thì thành phần này sẽ bị loại bỏ cùng thành phần tổng tần số. Do đó trong mạch sẽ không có thông tin nào được truyền qua mạch lọc và VCO tiếp tục hoạt động ở tần số trung tâm ban đầu. Khi tần số tín hiệu vào tiến dần đến tần số phát của VCO thì thành phần hiệu giảm xuống và tiến dần đến biên dải tần số của bộ lọc tần thấp. Lúc đó, một phần của thành phần tín hiệu đi qua được bộ lọc tần thấp và thúc đẩy VCO chuyển đến tần số của tín hiệu vào theo hướng sao cho thành phần hiệu tần số giảm và cho phép nhiều thông tin nữa đi qua bộ lọc tần thấp đến VCO.
Đây là cơ chế hồi tiếp dương thúc đẩy VCO chập với tín hiệu vào. Đặc trưng ch yển tần số sang điện áp Hình 1.4 cho thấy đặc trưng chuyển tần số sang điện áp điển hình của PLL. Khi đưa tín hiệu vào PLL, tần số sẽ được quét từ từ trên một dải rộng. Trục thẳng đứng là điện thế tương ứng Vd của mạch.4a là trường hợp tần số tín hiệu tăng dần, mạch không phản ứng gì với tín hiệu cho đến khi tần số tín hiệu đạt tới tần số ω1 tương ứng với biên dưới của vùng bắt chập.