Chuyên Đề Bài Giảng Môn Thiết bị đầu cuối

CHƯƠNG I THIẾT BỊ ÂM THANH

Lời giới thiệu:
Tín hiệu vô tuyến có thể tạo ra bằng sự biến thiên của ñiện từ trường và sự biến thiên này ñược truyền lan trong không gian tự do. Thiết bị tạo nên sự biến thiên này ñược gọi là máy phát và anten phát ñảm bảo cho việc truyền sóng trong không gian tự do ñạt hiệu quả. ðể thu ñược tín hiệu vô tuyến, người ta cần phải thu một phần năng lượng ñiện từ và chuyển nó sang dạng tín hiệu mà con người có thể cảm nhận ñược bằng một trong số các giác quan của mình. ðó chính là máy thu (sẽ ñược ñề cập ở phần sau). Năng lượng sóng ñiện từ ñược thu và mạch ñiện sau ñó ñược biến ñổi thành tín hiệu âm thanh.
Giả thiết rằng tại một thời ñiểm máy phát truyền ñi một tín hiệu hoàn toàn ngẫu nhiên (ñó là tín hiệu chứa tất cả các thành phần tần số và biên ñộ). Trong không gian tự do, không một máy phát nào hoạt ñộng mà không bị nhiễu tác ñộng vì không gian tự do là môi trường truyền sóng trung gian cho tất cả sóng ñiện từ. Tuy nhiên khi chúng ta giới hạn mỗi máy phát có một tần số xác ñịnh (tín hiệu dạng Sin liên tục) thì có thể tránh ñược nhiễu, Thêm vào ñó bằng cách kết hợp một bộ lọc băng hẹp ở phía thu ñể loại bỏ ñược tất cả các thành phần tần số không mong muốn.
Với con người chủ yếu giao tiếp với nhau theo hai phương thức chính ñó là nói và nghe. Tiếng nói bình thường chứa các tần số nằm trong dải 10 Hz cho tới 5kHz và dải biên ñộ bắt ñầu 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 ñiều này có thể thực hiện ñược. Xong ở tần số cao trên 20 kHz thì con người lại không thể nghe ñược mặc dù với tần số này vẫn chưa lớn ñể có thể truyền sóng trong không gian tự do. Nếu như chúng ta có thể thực hiện việc thay ñổi một số thông số của nguồn tín hiệu tần số cao dạng sin liên tục theo tiếng nói thì việc trao ñổi thông tin trong không gian tự do là việc hoàn toàn có thể thực hiện ñược ñó chính là ñiều chế. Việc thay ñổi biên ñộ của tín hiệu cao tần (gọi là sóng mang) theo tiếng nói ñược gọi là ñiều chế biên ñộ (AM – Amplitude Modulation). Việc thay tần số của sóng mang theo tần số tiếng nói ñược gọi là ñiều chế tần số (FM – Frequency Modulation), hoặc góc pha trong trường hợp này ñược gọi là ñiều pha (PM – Phase Modulation).

Tần số ñường bao ws​ B​
A



hình ảnh

Tần số sóng mang wc
​

Sóng mang chưa ñiều chế

Sóng mang ñiều chế




Hình 1.1: Dạng sóng ñiều chế biên ñộ AM

Lý thuyết điều điều biên
ðể ñơn giản hóa công thức ñiều biên, ta giả thiết tín hiệu cần ñiều chế và tín hiệu sóng mang ñều có dạng sin với tần số góc lần lượt là ws và wc.

Giả sử sóng mang có dạng.

uc(t) = A.coswc.t (1.1.1)

và tín hiệu cần ñiều chế có dạng

us(t) = B.cosws.t (1.1.2)

Theo lý thuyết ñiều biên thì tín hiệu ñiều biên có dạng

uñb(t) = (A + B.cosws.t).coswc.t (1.1.3) Biến ñổi lượng giác của biểu thức 1.1.3 ta ñược.
uñb(t) = A.coswc.t + kA/2[cos(wc + ws)t + cos(wc - ws)t] (1.1.4) Với k = B/A là hệ số ñiều chế


















Từ biểu thức (1.1.4) ta thấy thành phần tín hiệu ñiều biên gồm ba thành phần tần số riêng biệt: thành phần tần số sóng mang wc, dải biên tần trên (wc + ws) và dải biên tần dưới (wc - ws). Với ws biến ñổi từ wsmin ñến wsmax là dải tần số của tín hiệu âm thanh ñầu vào.
Thiết kế hệ thống
Việc lựa chọn tần số sóng mang cho một máy phát thanh nói chung ñược xem xét và quyết ñịnh bởi chính phủ và các hiệp ước quốc tế. Cho dù việc ghép kênh phân chia theo tần số, hai ñài phát vẫn có thể gây nhiễu lẫn nhau nếu tần số sóng mang của các biên quá gần nhau. Theo lý thuyết mỗi máy phát phải hoạt ñộng ở một tần số nhất ñịnh và có ñộ rộng băng thông ñủ lớn ñể không gây can nhiễu lẫn nhau. Tuy nhiên, ñộ rộng băng thông bị hạn chế do phải xét tới giá thành và sự phức tạp của kỹ thuật truyền dẫn ñược sử dụng. Trong thực tế, hai máy phát khi làm việc vẫn gây ra nhiễu cho nhau trừ khi chúng truyền tín hiệu ở một mức công suất giới hạn và các máy phát ñược ñặt cách nhau ở khoảng cách ñủ lớn.
Khi máy phát thanh ñược ñăng ký tần số thì ñiều quan trọng là phải ổn ñịnh tần số này vì hai lý do:
- Thứ nhất nếu tần số sóng mang bị lệch khiến thính giả phải ñiều chỉnh lại máy thu theo tần số ñài phát, ñiều này không thể chấp nhận ñược ñối với hầu hết khán giả.
- Thứ hai nếu một ñài phát bị lệch tần số về phía một ñài phát lân cận, các dải biên sẽ chồng lên nhau gây ra nhiễu.
Tín hiệu sóng mang thường ñược tạo ra bằng bộ tạo dao ñộng, ñể thỏa mãn yêu cầu về tần số chính xác. Trong thực tế thường sử dụng bộ dao ñộng bằng tinh thể. Trung tâm của bộ dao ñộng tinh thể là một tinh thể thạch anh ñược cắt và ñánh bóng bằng các kỹ thuật tinh vi ñể có thể duy trì ñược tần số dao ñộng với giá trị sai số không ñáng kể chỉ nằm trong một vài Hz. Hình 1.3 là sơ ñồ khối của một máy phát thanh ñiển hình.
a/ Bộ dao ñộng tinh thể
Mục ñích của bộ dao ñộng tinh thể là tạo ra tín hiệu sóng mang. ðể giảm tối thiểu can nhiễu tới các máy phát khác, tín hiệu này phải có ñộ méo cực nhỏ ñể máy phát có thể làm việc ở một tần số ổn ñịnh. ðộ sai lệch tần số nằm trong một giới hạn rất nhỏ, trường chỉ ở khoảng vài Hz trên 107 Hz. Việc thiết kế một bộ dao ñộng ñặc biệt như vậy trong thực tế thường sử dụng một tinh thể thạch anh.
b/ Bộ nhân tần

Mục ñích của bộ nhân tần là ñể thu ñược một tín hiệu có tần số fc/n, với n là số nguyên và tạo ra ở ñàu ra một tần số fc. Một bộ nhân tần có thể là nhân ñơn hoặc là nhân ña tần. ðầu ra của bộ nhân tần ñưa tới ñầu vào sóng mang của bộ ñiều chế biên ñộ.




















c/ Bộ ñiều chế biên ñộ
Bộ ñiều chế biên ñộ có hai ñầu vào, ñầu vào thứ nhất là tín hiệu sóng mang ñược tạo ra từ bộ dao ñộng tinh thể và ñược nhân với hệ số nhân phù hợp, còn ñầu vào thứ hai là tín hiệu ñiều chế (tiếng nói hoặc âm nhạc)
d/ Bộ khuếch ñại âm tần
Các ñầu vào bộ khuếch ñại âm tần nhận tín hiệu từ micrô và nguồn cung cấp. Bộ Khuếch ñại âm tần sẽ khuếch ñại tín hiệu này tới một mức tín hiệu yêu cầu ñể ñưa tới bộ ñiều chế biên ñộ.
e/ Bộ khuếch ñại công suất cao tần
Mức công suất ở ñầu ra bộ ñiều chế thường chỉ nằm trong khoảng vài Watt trong khi công suất yêu cầu ñể quảng bá tín hiệu ñạt hiệu quả lại nằm trong khoảng hàng chục kW. Bộ khuếch ñại cao tần thực hiện việc khuếch ñại công suất ñồng thời ñảm bảo nhiệm vụ chức năng phối hợp trở kháng với anten.
f/ Anten
Anten là thành phần mạch ñiện có nhiệm vụ biến ñổi năng lượng ở ñầu ra máy phát thành sóng ñiện từ bức xạ vào không gian. Ante có nhiều hình dạng vật lý khác nhau, ñược xác ñịnh dựa vào tần số làm việc và mô hình bức xạ yêu cầu. ðối với mục ñích phát thanh ante cần bức xạ công suất một cách ñồng ñều theo mọi hướng. Trái lại trong lĩnh vực truyền dẫn tín hiệu khi việc bảo mật thông tin ñóng vai trò

quan trọng (ví dụ trên ñiện thoại) thì anten cần phải có tính ñịnh hướng ñể giảm sự thu nhận trái phép.