Bài giảng Bài 2: Diều chế Am

TRƯỜNG ðẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHÊN KHOA ðIỆN TỬ - ViỄN THÔNG Bài 2: ðiều chế AM ðặng Lê Khoa Bộ môn Viễn thông – Mạng Class 2 N
i dung
Lý do của các ñiều biến
Các loại ñiều biến AM – AM không sóng mang (DSB – SC) – AM quy ước – AM ñơn dải biên (SSB) Faculty of Electronics & Telecommunications
Tách sóng AM
Mạch ñiện tử ñiều biến và tách sóng AM [2] Baseband and Carrier Communication
Baseband: − Diễn tả dãy tần số của tín hiệu và hệ thống. Thường ñược ño từ 0 ñến băng thông tối ña hoặc tần số cao nhất của tín hiệu − Voice: Telephone 0-3.5KHz; CD 0-22.05KHz − Video: Analog TV 4.5MHz, TV channel là 0-6MHz. Tín hiệu số phụ thuộc vào kích thước, sự chuyển ñộng và số khung trong mỗi giây − Ví dụ: wire, coaxial cable, optical fiber Faculty of Electronics & Telecommunications
Carrier Communication: − Carrier: một dạng sóng (thường sinusoidal) ñược ñiều chế ñể biểu diễn thông tin cần truyền. Thường sóng mang có tần số cao hơn tín hiệu thông tin ở dải gốc (modulating signal). − Modulation: là quá trình thay ñổi của carrier signal ñể sử dụng tín hiệu này mang thông tin. [3] Modulation
Modulation − Một quá trình làm dịch chuyển tần số của tín hiệu.
Gain advantages − Kích thước Antenna: tần số tín hiệu phụ thuộc kích thước của antenna. Khoảng vài ngàn dặm ñể truyền tín hiệu dải gốc − Sử dụng hiệu quả băng thông Faculty of Electronics & Telecommunications − Chống lại nhiễu liên ký hiệu (inter-symbol-interference) − Chống lại lỗi và méo dạng
Types − Analog: AM (DSB, SSB, VSB), FM, Delta modulation − Digital: ASK, FSK, PSK, QAM, − Pulse modulation: PCM, PDM, Fiber, phone
Advanced: CDMA (3G), OFDM (WLAN, WMAN), . [4] Double Sideband
Modulation: – time: – freq: X(w)=0.5[M(w-wc)+M(w+wc)]
DSB-SC: suppressed carrier (triệt sóng mang), không truyền sóng mang Wc >= băng thông của tín hiệu ñể tránh biệt danh. ( ) ( )cos( )ct m t w tϕ = Faculty of Electronics & Telecommunications

Demodulation: e(t)=m(t)(cos(wct))2=0.5(m(t)+m(t)cos(2wct)) E(w)=0.5M(w)+0.25(M(w+2wc)+M(w-2wc)) Dùng lọc thông thấp ñể loại tần số cao [5] DSB-SC
Example →t →t →t )t( ϕ ↑ )t(ϕ Faculty of Electronics & Telecommunications )t(m ↑ )(M ω ↑ →ω0 )( ωΦ ↑ →ω0 cωcω− Upper sideband (USB)Lower sideband (LSB) )tcos( cω )}tcos( cF{ ω ↑ 0 cω pi →ω [6] Frequency Conversion
Di chuyển tín hiệu ñến tần số khác
Nhân hai tín hiệu sin tạo ra hai tần số tổng và hiệu của các tần số |
ðể thay ñổi tần số sóng mang ωc của tín hiệu ñến tần số trung tần (IF) ωI. Chúng ta sử dụng một bộ )]t)cos(()t)[cos(()tcos()tcos( 21 β−α+β+α=βα )tcos( MIXω BPF@ ωI )tcos()t(m)t(e I211 ω= m(t) ϕ(t) e1(t) EXAMPLE : Let m(t) be as shown. )tcos()t(m)t( Cω=ϕ Faculty of Electronics & Telecommunications dao ñộng ñể tạo ra tín hiệu hình sin ở tần số ωMIX như vậy: )]t)cos(()t)2)[cos((t(m )]t)cos(()t))[cos((t(m)tcos()tm(t)cos( Then . IIc2 1 MIXcMIXc2 1 MIXc MIXcI ω+ω+ω= ω−ω+ω+ω=ωω ω−ω=ω →t →t →t SPECTRA →ω →ω 0 cωcω− Iω− Iω →ω0 )(Mω )(ωΦ )(E1ω 0 [7] Amplitude Modulation
Khó khăn của hệ thống DSB-SC : không biết sóng mang ở bộ nhận
ðáp ứng xung ở hình bên dưới chỉ ra sóng mang không bị triệt. ðối với M() cho trước, phổ tần tín hiệu ñiều chế như sau: [ ] [ ]12 ( ) [ ( )]cos( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) AM c c c c c t A m t t M M A φ ω ω ω ω ω ω pi δ ω ω δ ω ω = + Φ = + + − + − + + )(Mω Faculty of Electronics & Telecommunications
Với loại ñiều chế này, việc giải ñiều chế có thể ñược thực hiện bằng các dùng hoặc không dùng bộ dao ñộng nội ñồng bộ với bộ truyền. →ω0 cωcω− →ω0 )(ωΦ [8] AM Example • m(t) có giá trị nhỏ nhất khoảng -0.4. Cộng thêm một thành phần DC có biên ñộ A=1 cho ra tín hiệu luôn dương A+m(t). Vì vậy, ñường bao của phần dương là A+m(t). Một bộ tách ra ñường bao có thể sử dụng ñể lấy lại tín hiệu gốc. m(t) A+m(t) 0.7 0. 1. A=1 Faculty of Electronics & Telecommunications -0.4 →t →t →t )tcos()]t(mA[)t( cAM ω+=ϕ [9] AM Example (cont.)
Việc chọn thành phần DC làm cho A+m(t) luôn dương. Nếu không, không thể sử dụng bộ tách ñường bao nhưng có thể sử dụng kỹ thuật kết hợp (coherent)
Ví dụ, giá trị nhỏ nhất m(t) = -0.4 . Vì vậy, A > |min(m(t))| ñể dò ñường biên thành công. Cái gì xảy ra nếu A< |m(t) |.
Xét ví dụ trước nếu A=0.3. m(t) A+m(t) Faculty of Electronics & Telecommunications 0.7 -0.4 0. →t →t 0 )tcos()]t(mA[)t( cAM ω+=ϕ →t [10] Modulation Index • Gọi mp là trị tuyệt ñối của ñỉnh phần âm của m(t).
EXAMPLE : ðiều chế ñơn tone. Gọi m(t)=2sin(20t) p p p m A is the carrier amplitude. m INDEX : A we see that for m , 0 1 A MODULATION Then A µ µ ≥ = ≥ ≤ ≤ Faculty of Electronics & Telecommunications 2. 1 of offsetdc For 2 A1 ii) 4 A0.5 i) . A 2 A m ;2m pp =µ ==µ==µ==µ= →t m(t) →t →t →t 5.0=µ 1=µ 2=µ pWhen 1 (or A m ) the signal is overmodulated, and envelope detectioµ > < n can not be used. (However, we can still use synchronous demodulation). [11] Sideband and Carrier Power PPpower useful power. useful the is power sideband The m(t). of power the is P whereP P power Sideband 2 AP power Carrier power. sideband the and power carrier of sum the is power signal AMtotal The itself. signal the contain whichsidebands is term second the and carrier the is term first The )tcos()t(m)tcos(A)t( mm2 1 s 2 c ccMA = = ω+ω=ϕ Faculty of Electronics & Telecommunications %33%100x 12 1 1, For %100x 2 P A.B or ,Bm )tBcos(m(t) let , example For . PAPPpower Total : Efficiency max 2 2 2 A 2 B m A B p m m 2 m sc s 222 = + =η=µ µ+ µ =η∴== µ==µ= ω= + = + ==η µ [12] AM Decoder
Tách chỉnh lưu: ñồng bộ
Tách ñường bao: cận ñồng bộ →t→t→t Tách sóng kết hợp: Bộ nhận có thể khôi phục lại tần số và pha của bộ truyền bằng bộ PLL. Faculty of Electronics & Telecommunications AM signal R C →t + vc(t) - Bộ thu không kết hợp kém hơn 3dB so với bộ thu kết hợp. Bộ thu không kế hợp có giá thành thành rẻ. [13] QAM
Băng thông tín hiệu AM : Băng thông tín hiệu AM là hai lần băng thông của tín hiệu ñiều chế. Một tín hiệu 5kHz yêu cầu băng thông10kHz trong truyền dẫn AM. Nếu tần số sóng mang là 1000 kHz, phổ tần tín hiệu AM là dải tần số từ 995kHz ñến 1005 kHz.
QUADRARTURE AMPLITUDE MODULATION là một dạng cho phép hai tín hiệu có thể truyền trên cùng một dải tần số.
Kết hợp về tần số và Faculty of Electronics & Telecommunications pha. ðắc
TV tương tự
Phổ biến [14] SSB Frequency )(M ω 0 B2piB2pi− →ω baseband Faculty of Electronics & Telecommunications cωcω− SSB (Upper sideband) →ω →ω 0 0 c ωcω− )(SSB ωΦ DSB SSB [15] SSB Generator • Dùng một bộ lọc có ñặc tính về tần số cắt thích hợp. Rất khó ñể thiết kế một bộ lọc phù hợp. Phổ tần của tín hiệu âm thanh không có thành phần DC, vì vậy phổ tần của tín hiệu âm thanh bằng không xung quanh tần số sóng mang. ðiều này có nghĩa là một bộ lọc chưa lý tưởng có thể ñảm nhận tốt việc lọc tín hiệu DSB ñể tạo ra tín hiệu SSB. • Tín hiệu dải gốc là dãi thông • Thử thách trong thiết kế lọc Faculty of Electronics & Telecommunications • Không có thành phần tần số thấp cωcω− →ω 0 [16] Single Sideband (SSB) ●Mục ñích: cắt giảm yêu cầu băng thông của tín hiệu AM còn phân nữa. ðiều này có thể truyền chỉ phần “upper sideband” hoặc “lower sidebband” của tín hiệu DSB AM. Faculty of Electronics & Telecommunications [17] SSB Demodulation [ ] [ ] ).(get toused becan filter lowpass )2sin()())cos(1)(()cos()sin()()cos()()cos()( 2 1 2 1 tmA ttjmttmtttjmttmtt chccchccSSB ωωωωωωϕ ±+=±= [ ])sin()()cos()()cos()( ++=+ ttmttmtAt chccCSSB ωωωϕ Synchronous, SSB-SC demodulation SSB+C, envelop detection Faculty of Electronics & Telecommunications ( ) ( ) large. be tohasA since low very is scheme thisof efficiency The .(t)m A ,m(t) A for )( 1A ))(2)())((())())(((E(t) ))(tan ),cos(A)Bsin()Acos( {Re ?)cos()()sin()())cos())(()( of envelope theisWhat . signals SSBsuch demodulate toused becan detector envelope h )(2)()( 22222 1-22 2 2 2 2 2 1 2 1 2 1 >>>>+≈ +++= +++=++= −=++=+ +=++=+ tmA tAmtmtmAtmtmA Bcall ttEttmttmAt An A tm A tm A tm hh A B cchcCSSB h θθααα θωωωϕ [18] SSB vs. AM
Do không truyền sóng mang, ñiều này giảm khoảng 67% của công suất truyền (-4.7dBm). Trong ñiều chế AM @100: 2/3 công suất gồm sóng mang; phần còn lại (1/3) công suất ở cả hai phía.
Bởi vì trong SSB, chỉ một phía băng ñược truyền, ñiều này giảm khoảng 50% trong công suất truyền. Faculty of Electronics & Telecommunications
Cuối cùng, vì chỉ nhận ñược một phía băng, băng thông của tín hiệu truyền giảm còn phân nữa– như vậy công suất yêu cần ñược giảm 50% so với AM
(-4.7dBm (+) -3dBm (+) -3dBm = -10.7dBm).
Liên quan ñến giá thành bộ thu [19] Vestigial Sideband (VSB) • VSB là một dung hòa giữa DSB và SSB. ðể tạo ra tín hiệu SSB từ tín hiệu DSB ta dùng một bộ lọc lý tưởng có tần số cắt ngay tại giữa băng tầng của tính hiệu dải qua và lọc còn phân nữa. Trong hệ thống VSB băng thông một bên và một phần của bên còn lại ñược truyền chung với nhau. ðiều này dẫn ñến băng thông truyền lớn hơn băng thông của tín hiệu dải gốc nhưng nhỏ hơn tín hiệu DSB. DSB Faculty of Electronics & Telecommunications cωcω− SSB (Upper sideband) →ω →ω 0 0 c ωcω− )(SSB ωΦ VSB Spectrum →ω cω− )(VSB ωΦ cω [20] VSB Transceiver )t2cos( cω Hi(ω) m(t) )(VSB ωϕ )t2cos( cω LPF Ho(ω) )(M ω)(VSB ωϕ Transmitter Receiver e(t) )]()([)(E )(H)](M)(M[)( rad/sec B2 to dbandlimite is )(M iccVSB ω+ωΦ+ω−ωΦ=ω ωω+ω+ω−ω=ωϕ piω Faculty of Electronics & Telecommunications [ ] [ ] )(H)(H 1)(H OR B2 for 1)(H)(H)(H have should weThus this. removes filter Lowpass )(H)]2(M)(H)2(M)(H[ )(H)(M)(H)(H)(H)(E)(M term freq. High term freq. High ])2(M)(H)(M)(H)(M)(H)2(M)(H[ cici o ocici occicci ocicio ccicicicci cVSBcVSB ω−ω+ω+ω =ω pi≤ω=ωω−ω+ω+ω ωω+ωω+ω+ω−ωω−ω+ ωωω−ω+ω+ω=ωω=ω∴ ω+ωω+ω+ωω−ω+ωω+ω+ω−ωω−ω= [21] Other Facts about VSB
Tách sóng ñường bao VSB
TV:
DSB, SSB và VSB – Băng thông của DSB quá lớn – SSB: dải gốc có thành phần tần số thấp, giá thành bộ thu Faculty of Electronics & Telecommunications – Giảm yêu cầu về bộ lọc và băng thông dải gốc nhưng tăng băng thông so với SSB [22] Comparison AM DSB QAM 1 2 Common types & modulated signal 1. AM: ( ) [1 ( )]cos(2 ) 2. DSB: ( ) ( ) cos(2 ) 3. QAM: ( ) ( ) cos(2 ) ( )sin(2 ) 4. SSB: c c c c c c c c s t A m t f t s t A m t f t s t A m t f t A m t f t pi pi pi pi • = + = = + ˆ ( ) ( ) cos(2 ) ( )sin(2 )s t A m t f t A m t f tpi pi= ∓ Faculty of Electronics & Telecommunications SSB VSB 2 5. VSB: ( ) ( ) cos(2 ) ( )sin(2 ) Complex domain representation: ( ) Re{ ( ) }, complex envelop: c c c c c c c c c j f t s t A m t f t A m t f t s t g t e pi pi pi= • = ɶ∓ ( ) ? Bandwidth: 2 ( : message bandwdith)m m m g t B B B B = • ≤ ≤ [23] AM Broadcasting
History
Tần số – Long wave: 153-270kHz – Medium wave: 520-1,710kHz, AM radio – Short wave: 2,300-26,100kHz, long distance, SSB, VOA Giới hạn Faculty of Electronics & Telecommunications
– Dễ ảnh hưởng ñối với khi quyển – Âm thanh chất lượng thấp, trò chuyên và cung cấp tin tức vô tuyến – Tốt hơn vào buổi tối, ñiện ly. [24] Superheterodyne vs. homodyne
Di chuyển tất cả các tần số của các kênh ñến một tần số trung tần. – Trong bộ thu AM, tần số là 455 kHz, – Trong bộ thu FM, thường là 10.7 MHz. Faculty of Electronics & Telecommunications – Quan tâm ñến thiết kế bộ lọc – Thường dùng ở các ñài phát thanh – Edwin Howard Armstrong [25] Review AM DSB QAM 1 2 Common types & modulated signal 1. AM: ( ) [1 ( )]cos(2 ) 2. DSB: ( ) ( ) cos(2 ) 3. QAM: ( ) ( ) cos(2 ) ( )sin(2 ) 4. SSB: c c c c c c c c s t A m t f t s t A m t f t s t A m t f t A m t f t pi pi pi pi • = + = = + ˆ ( ) ( ) cos(2 ) ( )sin(2 )s t A m t f t A m t f tpi pi= ∓+ Faculty of Electronics & Telecommunications SSB VSB 2 5. VSB: ( ) ( ) cos(2 ) ( )sin(2 ) Complex domain representation: ( ) Re{ ( ) }, complex envelop: c c c c c c c c c j f t s t A m t f t A m t f t s t g t e pi pi pi= • = ɶ∓ ( ) ? Bandwidth: 2 ( : message bandwdith)m m m g t B B B B = • ≤ ≤ Demo for AM, DSB-SC via the scope, spectrum analyzer and signal generator Coherent Decoding and Amplitude Decoding + [26] Figure 2.4 (a) Spectrum of baseband signal. (b) Spectrum of AM wave. Faculty of Electronics & Telecommunications [27] Coherent detector for demodulating DSB-SC modulated wave. Faculty of Electronics & Telecommunications [28] Carrier Recover Error
DSB: e(t)=2m(t)cos(wct)cos((wc+ ∆w)t+δ) e(t)=m(t) cos((∆w)t+δ) – Lỗi pha: nếu ñịnh thì tương ñương với suy giảm – Lỗi tần số
SSB, chỉ thay ñổi tần số, ∆f<30Hz. Faculty of Electronics & Telecommunications
Pilot: một tín hiệu thường ở một tần số ñơn truyền trên hệ thống truyền thông ñể giám sát, ñiều khiển, cân bằng, ñồng bộ [29] Phase-Locked Loop
Phần quan trọng của bộ nhận
ðịnh nghĩa: một hệ thống ñiều khiển hồi tiếp vòng. Bộ này có thể phát ra tín hiệu có tần số và pha liên quan ñến tín hiệu tham chiếu
Một mạch vòng khóa pha ñáp ứng cả tần số và pha của tín hiệu vào, chúng sẽ tự ñộng ñiều khiển tăng hoặc giảm tần số của mạch dao ñộng ñến khi chúng phù hợp với tín hiệu tham chiếu cả về pha và tần số Faculty of Electronics & Telecommunications [30] Carrier Acquisition in DSB-SC
Signal Squaring method
Costas Loop (t) LPFVCO LPF I−channel cos(2 fct+pi φ)A l v4(t) v3(t) v1 1 2 1 1( ) ( ) cos , ( ) ( )sin 2 2c l c l v t A Am t v t A Am tφ φ= = Faculty of Electronics & Telecommunications
SSB-SC not working phaseo−90 shift LPFQ−channel A lsin(2 pifc t+ φ) v2(t) )tcfpim(t)cos(2A c ~DC 2 2 3 1 1 1( ) ( ) cos sin ( ) sin 2 2 2 2c l c l v t A Am t A Am tφ φ φ   = =       4 ( ) sin 2v t K φ= [31] Quadrature-carrier multiplexing system. (a) Transmitter. (b) Receiver. Faculty of Electronics & Telecommunications [32] Filtering scheme for the generation of VSB modulated wave. Faculty of Electronics & Telecommunications [33] Faculty of Electronics & Telecommunications Figure 2.15 (a) Idealized magnitude spectrum of a transmitted TV signal. (b) Magnitude response of VSB shaping filter in the receiver. [34] Figure 2.16 Block diagram of mixer. Faculty of Electronics & Telecommunications [35] Block diagram of FDM system. Faculty of Electronics & Telecommunications [36] Illustrating the modulation steps in an FDM system Faculty of Electronics & Telecommunications [37] FMA of SSB for Telephone Systems Faculty of Electronics & Telecommunications [38] Homework
1.6, (1.22), 2.5, 2.8, (2.10), 2.14, 2.15 Faculty of Electronics & Telecommunications [39]