Xem mẫu
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN
KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ
BÀI GIẢNG
LÝ THUYẾT THÔNG TIN
Hưng Yên 2015
(Tài liệu lưu hành nội bộ)
Ch¦¬ng I: thiÕt bÞ ®Çu cuèi ©m thanh
1.1. M¸y ph¸t thanh ®iÒu biªn.
1.1.1. Lêi giíi thiÖu.
Tín hiệu vô tuyến có thể tạo ra bằng sự biến thiên của điện từ trường và sự biến thiên này
được truyền lan trong không gian tự do. Thiết bị tạo nên sự biến thiên này được gọi là máy phát
và anten phát đảm bảo cho việc truyền sóng trong không gian tự do đạt hiệu quả. Để thu được tín
hiệu vô tuyến, người ta cần phải thu một phần năng lượng điện từ và chuyển nó sang dạng tín
hiệu mà con người có thể cảm nhận được bằng một trong số các giác quan của mình. Đó chính là
máy thu (sẽ được đề cập ở phần sau). Năng lượng sóng điện từ được thu và mạch điện sau đó
được biến đổi thành tín hiệu âm thanh.
Giả thiết rằng tại một thời điểm máy phát truyền đi một tín hiệu hoàn toàn ngẫu nhiên (đó
là tín hiệu chứa tất cả các thành phần tần số và biên độ). Trong không gian tự do, không một máy
phát nào hoạt động mà không bị nhiễu tác động vì không gian tự do là môi trường truyền sóng
trung gian cho tất cả sóng điện từ. Tuy nhiên khi chúng ta giới hạn mỗi máy phát có một tần số
xác định (tín hiệu dạng Sin liên tục) thì có thể tránh được nhiễu, Thêm vào đó bằng cách kết hợp
một bộ lọc băng hẹp ở phía thu để loại bỏ được tất cả các thành phần tần số không mong muốn.
Với con người chủ yếu giao tiếp với nhau theo hai phương thức chính đó là nói và nghe.
Tiếng nói bình thường chứa các tần số nằm trong dải 10 Hz cho tới 5kHz và dải biên độ bắt đầu
từ tiếng nói thầm cho tới tiếng hét lớn. Việc truyền tiếng nói trong không gian tự do vấp phải hai
trở ngại lớn. Trở ngại thứ nhất là do can nhiễu lẫn nhau do dùng chung môi trường truyền sóng
trung gian. Trở ngại thứ hai là tần số thấp như tiếng nói thì không thể truyền lan hiệu quả trong
không gian tự do, với tần số cao thì điều này có thể thực hiện được. Xong ở tần số cao trên 20
kHz thì con người lại không thể nghe được mặc dù với tần số này vẫn chưa lớn để có thể truyền
sóng trong không gian tự do. Nếu như chúng ta có thể thực hiện việc thay đổi một số thông số của
nguồn tín hiệu tần số cao dạng sin liên tục theo tiếng nói thì việc trao đổi thông tin trong không
gian tự do là việc hoàn toàn có thể thực hiện được đó chính là điều chế. Việc thay đổi biên độ của
tín hiệu cao tần (gọi là sóng mang) theo tiếng nói được gọi là điều chế biên độ (AM – Amplitude
Modulation). Việc thay tần số của sóng mang theo tần số tiếng nói được gọi là điều chế tần số
(FM – Frequency Modulation), hoặc góc pha trong trường hợp này được gọi là điều pha (PM –
Phase Modulation).
1) Âm thanh :
Sóng âm : là sự thay đổi tính chất của môi trường đàn hồi khi có năng lượng âm truyền qua.
Môi trường truyền dẫn sóng âm phải là môi trường đàn hồi nên sóng âm tryền qua vật chất dạng
rắn, lỏng, khí.. nhưng không truyền trong môi trường chân không.
Tham số của âm thanh :
- Tốc độ truyền âm : Trong điều kiện khí quyển bình thường tốc độ truyền âm khoảng
330m/s, năng lượng âm bị tiêu hao dần nên không thể truyền xa được.
- Tần số âm thanh : tần số của âm đơn là số lần dao động trong 1 giây của các phần tử
không khí khi truyền âm thanh đơn vị là Hz (Hertz) chia làm 3 khoảng tần khác nhau
1
-
+ Hạ âm < Tần số âm tần (16-20000Hz) < Siêu âm
Công suất âm thanh : Là năng lượng của âm thanh đi qua mặt phẳng vuông góc với
phương truyền âm tiết diện 1m2. Đơn vị tính Watt (W)
Cường độ âm : Là năng lượng của âm thanh đi qua tiết diện 1 cm2 đặt vuông góc với
phương truyền âm trong thời gian 1S. Đơn vị tính W/cm2
2) Sóng âm phẳng và điều hòa :
Khi âm thanh truyền trong không khí sẽ làm cho áp suất không khí bị thay đổi, lượng thay đổi đó
gọi là thanh áp P (áp suất âm thanh) đơn vị là Pascal
1Pa = N/m2
Thanh áp là hàm của các biến theo không gian thời gian P(x, y, z, t), nếu thanh áp không bị biến
đổi theo trục y và trục z mà chỉ phụ thuộc vào trục x và thời gian t thì ta có sóng âm là sóng
phẳng.
P = f(t-x/c), c : tốc độ truyền âm
Nếu sóng phẳng là điều hòa thì P phải là hàm điều hòa :
P= PmCos[2Πf (t-x/c)], Pm là biên độ, f là tần số.
3) Thính giác
Đặc điểm tai người : Có 3 bộ phận chính
- Tai ngoài có tác dụng định hướng nguồn âm, cộng hưởng tần số khoảng 3 KHz. Biến đổi âm
thanh thành năng lượng cơ học để truyền cho tai giữa.
- Tai giữa có 3 xương nhỏ nhất của cơ thể : Xương búa, xương đe, xương bàn đạp để phối hợp
trở kháng
- Tai trong : có tiền đình và màng basilar, tiền đình giúp cảm nhận sự thăng bằng, màng basilar
có khoảng 30000 tế bào lông xếp thành nhiều hàng dọc để cảm nhận và truyền tin âm thanh
lên não dưới dạng xung điện qua dây thần kinh.
Cảm thụ về biên độ gồm :
+ Ngưỡng nghe được : Là mức thanh áp nhỏ nhất của âm đơn mà tai người cảm thụ được là mức
giới hạn chuyển từ trạng thái nghe thấy sang không nghe thấy và ngược lại. Thanh áp hiệu dụng
điều hòa 1KHz bằng 2.10-5 N/m2.
+ Ngưỡng chói tai : Là mức thanh áp lớn nhất mà tai người cảm thụ được âm, là mức giới hạn mà
tai người cảm nhận được âm, nếu vượt quá sẽ gây tổn thương đến thính giác. Thanh áp hiệu dụng
điều hòa 1KHz bằng 20N/m2.
Cảm thụ về tần số :
Dải tần 16 – 20.000Hz là phạm vi tần số âm mà tai người có thể cảm thụ đươc gọi là âm tần. Cảm
thụ về tần số là thể hiện độ cao của âm, người ta thường dùng đơn vị đo Octave (Oct)
n= log2fn/ f0 = 3,34lg fn/ f0 , f0 = 20Hz
1Oct tương ứng với biến thiên gấp 2 lần về tần số so với tần số chuẩn f0
2
Tần số đường bao ωs
B
A
Tần số sóng mang ωc
Sóng mang chưa
điều chế
Sóng mang
điều chế
Hình 1.1: Dạng sóng điều chế biên độ AM
1.1.2. Lý thuyÕt ®iÒu chÕ biªn ®é.
1.Định nghĩa:
Điều chế là quá trình biến đổi một trong các thông số sóng mang cao tần (biên độ,hoặc tần
số, hoặc pha) tỷ lệ với tín hiệu điều chế băng gốc (BB - base band).
Mục đích của việc điều chế:
− Đối với một anten, bức xạ năng lượng của tín hiệu cao tần có hiệu quả khi bước sóng của
nó (tương ứng cũng là tần số) cùng bậc với kích thước vật lý của anten.
− Tín hiệu cao tần ít bị suy hao khi truyền đi trong không gian
− Mỗi dịch vụ vô tuyến có một băng tần (kênh) riêng biệt. Quá trình điều chế giúp
chuyển phổ của tín hiệu băng gốc lên các băng tần thích hợp.
Điều kiện điều chế :
− Tần số sóng mang cao tần fC
≥ (8÷10) fmax, trong đó fmax tần số cực đại tín hiệu điều
chế BB.
− Thông số sóng mang cao tần (hoặc biên độ, hoặc tần số, hoặc pha) biến đổi tỷ lệ với biên
độ tín hiệu điều chế BB mà không phụ thuộc vào tần số của nó.
− Biên độ sóng mang cao tần Vω > Vm (bien độ tín hiệu điều chế BB)
2. ĐIỀU CHẾ BIÊN ĐỘ AM:
Điều chế biên độ là quá trình làm thay đổi biên độ sóng mang cao tần theo tín hiệu tin tức (tín
hiệu băng gốc).
m(t)=Vm cosωm t
3
a. Phương trình điều chế và hệ số điều chế:
Để đơn giản hóa công thức điều biên, ta giả thiết tín hiệu cần điều chế và tín hiệu sóng mang đều
có dạng sin với tần số góc lần lượt là ωs và ωc.
Giả sử sóng mang có dạng.
uc(t) = A.cosωc.t
(1.1.1)
và tín hiệu cần điều chế có dạng
us(t) = B.cosωs.t
(1.1.2)
Theo lý thuyết điều biên thì tín hiệu điều biên có dạng
uđb(t) = (A + B.cosωs.t).cosωc.t
(1.1.3)
Biến đổi lượng giác của biểu thức 1.1.3 ta được.
uđb(t) = A.cosωc.t + kA/2[cos(ωc + ωs)t + cos(ωc - ωs)t]
Với k = B/A là hệ số điều chế, trong đó: B =
U max − U min
; A = U max − B (theo hình 1.2)
2
Biên độ
Sóng mang
Biên tần dưới
smin
(1.1.4)
smax
c-
smax
c-
Biên tần trên
c+
c
smin
c+
smax
smin
Hình 1.2: Phổ tần của sóng AM khi tín hiệu cần điều
chế là một dải tần âm thanh
4
nguon tai.lieu . vn
KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ
BÀI GIẢNG
LÝ THUYẾT THÔNG TIN
Hưng Yên 2015
(Tài liệu lưu hành nội bộ)
Ch¦¬ng I: thiÕt bÞ ®Çu cuèi ©m thanh
1.1. M¸y ph¸t thanh ®iÒu biªn.
1.1.1. Lêi giíi thiÖu.
Tín hiệu vô tuyến có thể tạo ra bằng sự biến thiên của điện từ trường và sự biến thiên này
được truyền lan trong không gian tự do. Thiết bị tạo nên sự biến thiên này được gọi là máy phát
và anten phát đảm bảo cho việc truyền sóng trong không gian tự do đạt hiệu quả. Để thu được tín
hiệu vô tuyến, người ta cần phải thu một phần năng lượng điện từ và chuyển nó sang dạng tín
hiệu mà con người có thể cảm nhận được bằng một trong số các giác quan của mình. Đó chính là
máy thu (sẽ được đề cập ở phần sau). Năng lượng sóng điện từ được thu và mạch điện sau đó
được biến đổi thành tín hiệu âm thanh.
Giả thiết rằng tại một thời điểm máy phát truyền đi một tín hiệu hoàn toàn ngẫu nhiên (đó
là tín hiệu chứa tất cả các thành phần tần số và biên độ). Trong không gian tự do, không một máy
phát nào hoạt động mà không bị nhiễu tác động vì không gian tự do là môi trường truyền sóng
trung gian cho tất cả sóng điện từ. Tuy nhiên khi chúng ta giới hạn mỗi máy phát có một tần số
xác định (tín hiệu dạng Sin liên tục) thì có thể tránh được nhiễu, Thêm vào đó bằng cách kết hợp
một bộ lọc băng hẹp ở phía thu để loại bỏ được tất cả các thành phần tần số không mong muốn.
Với con người chủ yếu giao tiếp với nhau theo hai phương thức chính đó là nói và nghe.
Tiếng nói bình thường chứa các tần số nằm trong dải 10 Hz cho tới 5kHz và dải biên độ bắt đầu
từ tiếng nói thầm cho tới tiếng hét lớn. Việc truyền tiếng nói trong không gian tự do vấp phải hai
trở ngại lớn. Trở ngại thứ nhất là do can nhiễu lẫn nhau do dùng chung môi trường truyền sóng
trung gian. Trở ngại thứ hai là tần số thấp như tiếng nói thì không thể truyền lan hiệu quả trong
không gian tự do, với tần số cao thì điều này có thể thực hiện được. Xong ở tần số cao trên 20
kHz thì con người lại không thể nghe được mặc dù với tần số này vẫn chưa lớn để có thể truyền
sóng trong không gian tự do. Nếu như chúng ta có thể thực hiện việc thay đổi một số thông số của
nguồn tín hiệu tần số cao dạng sin liên tục theo tiếng nói thì việc trao đổi thông tin trong không
gian tự do là việc hoàn toàn có thể thực hiện được đó chính là điều chế. Việc thay đổi biên độ của
tín hiệu cao tần (gọi là sóng mang) theo tiếng nói được gọi là điều chế biên độ (AM – Amplitude
Modulation). Việc thay tần số của sóng mang theo tần số tiếng nói được gọi là điều chế tần số
(FM – Frequency Modulation), hoặc góc pha trong trường hợp này được gọi là điều pha (PM –
Phase Modulation).
1) Âm thanh :
Sóng âm : là sự thay đổi tính chất của môi trường đàn hồi khi có năng lượng âm truyền qua.
Môi trường truyền dẫn sóng âm phải là môi trường đàn hồi nên sóng âm tryền qua vật chất dạng
rắn, lỏng, khí.. nhưng không truyền trong môi trường chân không.
Tham số của âm thanh :
- Tốc độ truyền âm : Trong điều kiện khí quyển bình thường tốc độ truyền âm khoảng
330m/s, năng lượng âm bị tiêu hao dần nên không thể truyền xa được.
- Tần số âm thanh : tần số của âm đơn là số lần dao động trong 1 giây của các phần tử
không khí khi truyền âm thanh đơn vị là Hz (Hertz) chia làm 3 khoảng tần khác nhau
1
-
+ Hạ âm < Tần số âm tần (16-20000Hz) < Siêu âm
Công suất âm thanh : Là năng lượng của âm thanh đi qua mặt phẳng vuông góc với
phương truyền âm tiết diện 1m2. Đơn vị tính Watt (W)
Cường độ âm : Là năng lượng của âm thanh đi qua tiết diện 1 cm2 đặt vuông góc với
phương truyền âm trong thời gian 1S. Đơn vị tính W/cm2
2) Sóng âm phẳng và điều hòa :
Khi âm thanh truyền trong không khí sẽ làm cho áp suất không khí bị thay đổi, lượng thay đổi đó
gọi là thanh áp P (áp suất âm thanh) đơn vị là Pascal
1Pa = N/m2
Thanh áp là hàm của các biến theo không gian thời gian P(x, y, z, t), nếu thanh áp không bị biến
đổi theo trục y và trục z mà chỉ phụ thuộc vào trục x và thời gian t thì ta có sóng âm là sóng
phẳng.
P = f(t-x/c), c : tốc độ truyền âm
Nếu sóng phẳng là điều hòa thì P phải là hàm điều hòa :
P= PmCos[2Πf (t-x/c)], Pm là biên độ, f là tần số.
3) Thính giác
Đặc điểm tai người : Có 3 bộ phận chính
- Tai ngoài có tác dụng định hướng nguồn âm, cộng hưởng tần số khoảng 3 KHz. Biến đổi âm
thanh thành năng lượng cơ học để truyền cho tai giữa.
- Tai giữa có 3 xương nhỏ nhất của cơ thể : Xương búa, xương đe, xương bàn đạp để phối hợp
trở kháng
- Tai trong : có tiền đình và màng basilar, tiền đình giúp cảm nhận sự thăng bằng, màng basilar
có khoảng 30000 tế bào lông xếp thành nhiều hàng dọc để cảm nhận và truyền tin âm thanh
lên não dưới dạng xung điện qua dây thần kinh.
Cảm thụ về biên độ gồm :
+ Ngưỡng nghe được : Là mức thanh áp nhỏ nhất của âm đơn mà tai người cảm thụ được là mức
giới hạn chuyển từ trạng thái nghe thấy sang không nghe thấy và ngược lại. Thanh áp hiệu dụng
điều hòa 1KHz bằng 2.10-5 N/m2.
+ Ngưỡng chói tai : Là mức thanh áp lớn nhất mà tai người cảm thụ được âm, là mức giới hạn mà
tai người cảm nhận được âm, nếu vượt quá sẽ gây tổn thương đến thính giác. Thanh áp hiệu dụng
điều hòa 1KHz bằng 20N/m2.
Cảm thụ về tần số :
Dải tần 16 – 20.000Hz là phạm vi tần số âm mà tai người có thể cảm thụ đươc gọi là âm tần. Cảm
thụ về tần số là thể hiện độ cao của âm, người ta thường dùng đơn vị đo Octave (Oct)
n= log2fn/ f0 = 3,34lg fn/ f0 , f0 = 20Hz
1Oct tương ứng với biến thiên gấp 2 lần về tần số so với tần số chuẩn f0
2
Tần số đường bao ωs
B
A
Tần số sóng mang ωc
Sóng mang chưa
điều chế
Sóng mang
điều chế
Hình 1.1: Dạng sóng điều chế biên độ AM
1.1.2. Lý thuyÕt ®iÒu chÕ biªn ®é.
1.Định nghĩa:
Điều chế là quá trình biến đổi một trong các thông số sóng mang cao tần (biên độ,hoặc tần
số, hoặc pha) tỷ lệ với tín hiệu điều chế băng gốc (BB - base band).
Mục đích của việc điều chế:
− Đối với một anten, bức xạ năng lượng của tín hiệu cao tần có hiệu quả khi bước sóng của
nó (tương ứng cũng là tần số) cùng bậc với kích thước vật lý của anten.
− Tín hiệu cao tần ít bị suy hao khi truyền đi trong không gian
− Mỗi dịch vụ vô tuyến có một băng tần (kênh) riêng biệt. Quá trình điều chế giúp
chuyển phổ của tín hiệu băng gốc lên các băng tần thích hợp.
Điều kiện điều chế :
− Tần số sóng mang cao tần fC
≥ (8÷10) fmax, trong đó fmax tần số cực đại tín hiệu điều
chế BB.
− Thông số sóng mang cao tần (hoặc biên độ, hoặc tần số, hoặc pha) biến đổi tỷ lệ với biên
độ tín hiệu điều chế BB mà không phụ thuộc vào tần số của nó.
− Biên độ sóng mang cao tần Vω > Vm (bien độ tín hiệu điều chế BB)
2. ĐIỀU CHẾ BIÊN ĐỘ AM:
Điều chế biên độ là quá trình làm thay đổi biên độ sóng mang cao tần theo tín hiệu tin tức (tín
hiệu băng gốc).
m(t)=Vm cosωm t
3
a. Phương trình điều chế và hệ số điều chế:
Để đơn giản hóa công thức điều biên, ta giả thiết tín hiệu cần điều chế và tín hiệu sóng mang đều
có dạng sin với tần số góc lần lượt là ωs và ωc.
Giả sử sóng mang có dạng.
uc(t) = A.cosωc.t
(1.1.1)
và tín hiệu cần điều chế có dạng
us(t) = B.cosωs.t
(1.1.2)
Theo lý thuyết điều biên thì tín hiệu điều biên có dạng
uđb(t) = (A + B.cosωs.t).cosωc.t
(1.1.3)
Biến đổi lượng giác của biểu thức 1.1.3 ta được.
uđb(t) = A.cosωc.t + kA/2[cos(ωc + ωs)t + cos(ωc - ωs)t]
Với k = B/A là hệ số điều chế, trong đó: B =
U max − U min
; A = U max − B (theo hình 1.2)
2
Biên độ
Sóng mang
Biên tần dưới
smin
(1.1.4)
smax
c-
smax
c-
Biên tần trên
c+
c
smin
c+
smax
smin
Hình 1.2: Phổ tần của sóng AM khi tín hiệu cần điều
chế là một dải tần âm thanh
4