bài giảng hệ thống viễn thông chương i một số khái niệm cơ bản về cao tần

Bài giảng hệ thống viễn thơng Biên soạn Ths Nguyễn Huy Hùng + Vcc CB RFC Pi Req Zi RA RFC ZiQ RB VBo Sử dụng đáp tuyến truyền dẫn IC (VBE) để phân tích nguyên lý hoạt động mạch KĐCSCT. Giả sử VB = 0, ta có đồ thò biểu diễn tín hiệu vào vi  Vi cos  0 t và dòng IC(t) như sau: IC ICm IC 0 .7 VBE(V) 0 t   vi t Đònh nghóa: góc cắt  là một nửa khoảng thời gian dòng collector tồn tại trong một chu kỳ tín hiệu. Trong KĐCSCT chế độ C mạch được phân cực sao cho góc cắt  < 900 (chế độ A có  = 1800 ; chế độ B có  = 900) Trang 11 Bài giảng hệ thống viễn thơng Biên soạn Ths Nguyễn Huy Hùng Phân tích Ic(t) theo chuỗi Furier: I c ( t )  I c0  I c1 cos  0 t  I c 2 cos 2 0 t  I c3 cos 3 0 t  ...  I c ( t )  I c0  I c1 cos  0 t  I cn cos n  0 t n2 Thành phần dòng một chiều: I c0 2 1  2 I c (t ) d  t   0 ( ). I Cm 0 ICm - biên độ xung dòng Collector; 0() hệ số phân tích hài: sin    cos   (1  cos  )  0 ( )  Biên độ thành phần dòng hài cơ bản : ( hài 1) I C1 2 1  I C ( t ) cos  td  t   1 (  ). I Cm 0  1 ( )    sin  cos   ( 1  cos  ) Biên độ thành phần dòng hài n I Cn  1  : 2 I  n ( )  C ( t ) cos ntdt   n ( ).I Cm 0 2  sin n cos  n cos n sin     n(n 2  1)(1  cos )   n  2,3,... Công suất nguồn cung cấp P0  I C 0 .VCC Công suất ra của dòng hài cơ bản: P1  1 2 1 I C1 Req  I C 1VC1 2 2 Trong đó: VC1 = IC1.Req là biên độ điện áp xoay chiều hài 1 ở collector. Req là trở kháng ra của BJT theo hài 1 ở chế độ đang xét. Công suất tiêu tán trên collector: Ptt = P0 – P1 Hiệu suất tầng khuếch đại: P 1 I V 1   1  1  . C1 . C1  . 1  P0 2 I C 0 VCC 2  0 với   VC1 là hệ số sử dụng điện áp nguồn cung cấp. VCC Trang 12 Bài giảng hệ thống viễn thơng Biên soạn Ths Nguyễn Huy Hùng Vậy 1 tỷ lệ với  1 ( )  0 ( ) Ví dụ: Một mạch khuếch đại công suất có   60 0 , biên độ xung dòng collector là 1A. Tính công suất tiêu tán trên collector và hiệu suất của mạch khuếch đại, cho biết trở kháng ra theo hài 1 là 25 và áp nguồn cung cấp là 12V. Giải: tính các hệ số phân tích hài sin    cos  0 ( )   0.218  I C 0   0 ( ).I Cm  0.218.1A  0.218 A  (1  cos )   sin  cos  1 ( )   0.391  I C1   1 ( ).I Cm  0.391.1A  0.391A  (1  cos ) Công suất nguồn cung cấp: P0  I C 0 .VCC  0.218.12  2.6W Công suất ra của dòng hài cơ bản: P1  1 2 1 I C1 .Req  .0.3912.25  1.9W 2 2 Công suất tiêu tán trên collector: Ptt = P0 – P1 = 0.7W Hiệu suất 1  P1  0.73 P0 1.5.2 Phương pháp tính tốn tần khuếch đại: Cho tần số làm việc, cơng suất trên tải anten Chọn linh kiện và các thơng số Chọn phân cực và mạch thích hợp Tính tốn các thơng số năng lượng P0 , P1 , η1 , Ptiêu tán , Pi… Tính mạch phối hợp trở kháng vào và ra Cơng suất kích Pi và trở kháng vào Zi là thơng số tính ngược lại tần trước cuối 1.6 Nhân tần số: Một dạng đặc biệt của khuyếch đại chế độ C là nhân tần số. Từ phân tích hài ta thấy nếu tải cộng hưởng ở n lần tần số vào thì thành phần dòng hài ICn tạo nên sụt áp VCn = ICn cos0t.Req(0t) có tần số gấp n lần tần số vào tức là có nhân tần số. Nhân tần số nhân cả độ di tần dùng trong máy phát FM. Ngoài ra nó có thể khâu trung gian tạo tần số cao ổn đònh từ dao động chuẩn thạch anh. Để đạt được chế độ tối ưu I Cn max   n max .I C max ,góc cắt cần có  n  120 0 và n  120 0  0.54 Pn 1 2  n max   n   n . Công suất ra Pn  2 I Cn .Req (n 0 ) . Hiệu suất  n  P    0 Với n tăng, ICn và Pn giảm nhanh nên thường người ta chỉ nhân 2, 3, 4, 5. Để nhân nhiều, nên khuếch đại giữa các tầng nhân. Mạch thực tế nhân tần không đòi hỏi ở chế độ tối ưu, mà chỉ cần lấy ra tần số mong muốn. Trang 13 Bài giảng hệ thống viễn thơng Biên soạn Ths Nguyễn Huy Hùng Nhân tần số thường dùng trong máy phát FM, PM, để tăng độ di tần, độ di pha cũng như chỉ số điều chế, thực hiện FM và PM dải rộng. 1.7 Đổi tần: Đổi tần là quá trình dòch chuyển tín hiệu đã điều chế lên cao (Tx) hoặc xuống thấp (Rx) mà vẫn giữ nguyên cấu trúc phổ của nó ( dạng tín hiệu ban đầu). Nó cho một số ưu điểm quan trọng như dễ dàng dòch chuyển tín hiệu đến tần số cần thiết, tăng độ chọn lọc, thuận tiện xử lý tín hiệu. Đổi tần còn gọi là trộn tần, có ký hiệu dấu nhân. fi X mf0 nfi BPF fs = f 0 + f i f0 fs X mf0 nfs IF fIF = f0 - fi f0 Khi trộn hai tín hiệu ở ngõ vào bộ đổi tần, tại ngõ ra của nó có nhiều thành phần tần số fs, fo,  mfo  n fs. Bộ lọc trung tần IF hoặc BPF chọn lọc thành phần tần số cần thiết. Thông thường m = n =1 để mức tín hiệu ra là lớn nhất. Tín hiệu ra có phổ giống như tín hiệu ngõ vào đổi tần, nhưng được dòch chuyển đến vùng tần số cần thiết thuận tiện trên xử lý tín hiệu. Nguyên lý đổi tần dựa trên đặc tính phi tuyến của phần tử tích cực. Giả sử đáp tuyến i(v) của phần tử tích cực có dạng: i = i0 +av+bv2 +cv3 +dv4 + … Trong đó v là điện áp đặt vào phần tử phi tuyến Tín hiệu vào vs = Vs cos st. Tín hiệu dao động nội vo = Vo cos ot. Điều kiện: Vo >> Vs và o > s. Hai tín hiệu trên cộng lại thành v = vo +vs = Vo cos ot + Vs cosst. Điện áp tổng cộng đặt vào phần tử tích cực có đặc tính phi tuyến sau: Trang 14 Bài giảng hệ thống viễn thơng Biên soạn Ths Nguyễn Huy Hùng i = i0 + av + bv2 + cv3 + dv4 + … i = i0 + a(cosot + Vs cosst) + b(cos ot + Vs cosst)2 + … i0 - thành phần một chiều a, b, c, d - các hệ số. Giả sử đáp tuyến có dạng hàm bậc hai để đơn giản phân tích: bv2 = b(Vo2 cos2ot + 2Vo Vs cos ot cos st + Vs2 cos2 st ) = Vo2  Vs2 Vs2  Vo2 b  cos 2 s t  V sVo cos( o   s )t  VsVo cos( o   s )t  cos 2 o t  2 2 2   Qua bộ lọc trung tần IF chỉ còn thành phần: iIF =bVoVs cos( o- s)t = bVoVs cos IFt . Biên độ dòng trung tần  iIF= bVoVs = gcVs gc = bVo độ hỗ dẫn đổi tần. Biên độ dao động nội Vo cần lớn để độ hỗ dẫn đổi tần lớn. Tín hiệu ra của bộ đổi tần có biên độ tỷ lệ với biên độ tín hiệu vào Vs ở tần số trung tần  IF = os, tức là phổ tín hiệu cao tần đã được dòch chuyển xuống vùng tần số trung tần mà vẫn giữ nguyên dạng tín hiệu ban đầu trước khi đổi tần. 1.8 Trung tần (IF – Intermediate Frequency) 1.8.1 Khuếch đại trung tần Bộ khuếch đại trung tần nằm ở sau bộ đổi tần có nhiệm vụ:  Khuếch đại lớn tín hiệu nhỏ sau bộ dổi tần (Rx) đến mức cần thiết giải điều chế  Có độ chọn lọc cao (nhờ các bộ lọc IF) tín hiệu mong muốn và loại nhiễu ngoài băng thông  Có AGC (Automatic Gain Control) tránh quá tải do giải điều chế, giảm méo giải điều chế trong hệ thống FM (Frequency Modulation). Mức tín hiệu sau đổi tần khoảng