Đề tài Cài đặt tần số máy phát FM bằng bàn phím

là PLL làm cho tần số ra ω0 của tín hiệu so sánh theo tần số vào ωi của tín hiệu vào. Bộ tách sóng pha sẽ tạo ra 1 điện thế tỷ lệ với sự sai pha giữa tín hiệu vào và tín hiệu ra của VCO. Tín hiệu sai số này Vp(t) qua bộ lọc thông thấp để loại trừ nhiễu và những thành phần không mong muốn, sau đó khuếch đại và đưa đến VCO. Tín hiệu điều chỉnh này sẽ làm thay đổi tần số dao động của VCO sao cho tín hiệu tần số của tín hiệu vào và tín hiệu ra giảm dần và tiến tới 0, nghĩa là : ω0 = ωi… Để hiểu rõ hơn nguyên lý hoạt động của hệ thống PLL, ta xét đặc tuyến truyền đạt tần số – điện áp của vòng khóa pha PLL như sau: Giả sử ở cửa vào của hệ thống có một tín hiệu hình sin mà tần số của nó biến thiên chậm trong phạm vi toàn bộ dải tần, còn trên trục trong ghi các giá trị tương ứng của điện áp tín hiệu sai số. Hình 2.13: Đặc tuyến truyền đạt tần số – điện áp của vòng khóa pha PLL Qua đặc tuyến trên, ta nhận thấy rằng, vòng PLL không đáp ứng với tín hiệu vào cho tới khi tần số của nó đạt giá trị f1 = (f0 - fc) với fc là tần số cắt của bộ lọc thông thấp. Tần số f1 tương ứng với biên giới của dải bắt. Tại fI = f1, vòng khóa pha PLL khóa đầu vào một cách đột ngột gây ra một bước nhảy âm của vòng điện áp sai số. Sau đó khi tần số vào fI tăng lên tiếp tục, điện áp khống chế Vd thay đổi theo tần số với một độ dốc bằng sự nghịch đảo của độ lợi VCO và tiến đến giá trị “0” tại fI = f0. 24 BÁO CÁO NCKH CÀI ĐẶT TẦN SỐ MÁY PHÁT FM BẰNG BÀN PHÍM Vòng còn duy trì đồng bộ đầu vào cho đến khi tần số số đầu vào đến f2, tương ứng với biên trên của dải đồng bộ hay dải giữ. Khi mà fI > f2, vòng PLL vượt ra ngoài dải đồng bộ, tức là PLL hết duy trì sự đồng bộ, điện áp sai số đột ngột trở về giá trị “0” và VCO trở lại “ chạy tự do” ở tần số dao động của nó. Nếu tín hiệu đầu vào có tần số biến thiên chậm theo hướng ngược lại, (xét đặc tuyến b) thì chu trình hoạt động được lặp lại như hình trên (a). Vòng bắt trở lại tín hiệu tại f3 và giữ nó cho đến tận f4 với f3 = ⏐f0 + fc⏐. Dải tần số giữa (f1, f3) và giữa (f2, f4) tương ứng với dải bắt và dải giữ (hay đồng bộ) của hệ thống PLL: Dải bắt 2Δfb = f3 – f1 Dải giữ 2 Δfg = f4 – f2 Ta nhận thấy rằng dải bắt là dải tần số mà tín hiệu vào ban đầu phải có tần số nằm trong phạm vi của nó để PLL có thể thiết lập được chế độ đồng bộ. Còn khi hệ thống đã ở chế độ đồng bộ thì tần số VCO có khả năng bám theo tần số tín hiệu vào trong một dải tần số tín hiệu vào trong một dải tần số lớn hơn, đó là dải giữ hay dải đồng bộ. Như vậy, hệ thống PLL có sự chọn lọc tự nhiên về tần số trung tâm f0 mà tần số chạy của VCO phải bám theo và hệ thống PLL chỉ đáp ứng với những tín hiệu vào có tần số cách tần số trung tâm f0 một khoảng không vượt quá Δfb hay Δfg (nếu như tình trạng ban đầu của PLL đã ở trong chế độ đồng bộ). Sự tuyến tính của đặc tuyến truyền đạt tần số – biên độ của hệ thống PLL được xác định duy nhất bởi độ lợi chuyển đổi của VCO. Như vậy, trong nhiều ứng dụng VCO yêu cầu có đặc tuyến truyền đạt điện áp – tần số tuyến tính cao. Dải bắt của PLL phụ thuộc vào dải thông của bộ lọc (Δfb = Δfg), còn dải giữ phụ thuộc vào biên độ điện áp điều khiển Vd (t) và vào khả năng biến đổi tần số của VCO. 2.3.3, Các khối cơ bản của PLL 2.3.3.1, Bộ tách sóng pha Bộ tách sóng pha có nhiệm vụ cho ra một tín hiệu phụ thuộc vào hiệu pha (hiệu tần số) của 2 tín hiệu vào, thường là tín hiệu hình sin hoặc dãy xung chữ nhật. Người ta phân biệt: tách sóng pha tuyến tính và tách sóng pha phi tuyến (tách sóng pha số). 25 BÁO CÁO NCKH CÀI ĐẶT TẦN SỐ MÁY PHÁT FM BẰNG BÀN PHÍM Tách sóng pha tuyến tính thường được thực hiện bởi mạch nhân tương tự. Tín hiệu ra của nó tỷ lệ với biên độ các tín hiệu vào. Bộ tách sóng pha số được thực hiện bởi các mạch số. Tín hiệu vào của nó là dãy xung chữ nhật. Tín hiệu ra không phụ thuộc vào biên độ các tín hiệu vào. Mạch so pha đơn giản nhất thích hợp với tổ hợp đơn khối: là tách sóng pha loại: “cầu dao chuyển mạch”. Nó vận hành như một cầu dao đồng bộ hóa và được đóng, mở bằng đầu vào chuẩn. Một cách hiệu quả là nó “chóp” (chops) tín hiệu vào ở cùng chu kỳ lập lại như sự kích thích chuẩn. Thông thường sự kích thích chuẩn được cung cấp bằng đầu ra VCO. Nó được mô phỏng như sau: Hình 2.14: Cầu dao chuyển mạch Dạng sóng đầu ra tiêu biểu cho bộ so pha loại cầu dao chuyển mạch khi tín hiệu vào có dạng sin và tín hiệu kích thích cầu dao là sóng vuông. Điện áp sai số lọc VD tương ứng với giá trị trung bình của dạng sóng đầu ra (được cho bởi vùng sậm trên dạng sóng). Khi PLL ở điều kiện hoàn toàn khóa:VD (t) = 0 thì tín hiệu VCO lệch pha 900 so với tín hiệu đầu vào Vi. 26 BÁO CÁO NCKH CÀI ĐẶT TẦN SỐ MÁY PHÁT FM BẰNG BÀN PHÍM Hình 2.15: Tín hiệu VCO lệch pha 2.3.3.2, Bộ lọc thông thấp Trong hệ thống PLL bộ lọc thông thấp có những chức năng sau: 9 Cho tín hiệu tần số thấp qua, nén thành phần tần số cao. 9 Bảo đảm cho PLL bắt nhanh và bám được tín hiệu khi tần số thay đổi, nghĩa là tốc độ đáp ứng của nó đủ cao. 9 Vì dải bắt của PLL phụ thuộc vào dải thông của bộ lọc thông thấp (ωc) nên yêu cầu dải thông của bộ lọc thông thấp phải đủ lớn để đảm bảo dải bắt cần thiết cho PLL. Thông thường trong hệ thống PLL người ta dùng các bộ lọc thông thấp bậc nhất, vì dùng các bộ lọc bậc cao hơn có thể ảnh hưởng đến tính ổn định của hệ thống. Dùng bộ 27 BÁO CÁO NCKH CÀI ĐẶT TẦN SỐ MÁY PHÁT FM BẰNG BÀN PHÍM lọc tích cực có thể tăng hệ số khuếch đại của cả hệ thống và cho phép có được dải bắt mong muốn hay dải bám tùy ý khi thay đổi dải thông và hệ số khuếch đại. 2.3.3.3, Bộ tạo dao động được điều khiển bằng điện áp VCO (Voltage Controlled Oscilator) VCO là một khối quan trọng nhất trong PLL vì nó quyết định độ ổn định tần số các đặc trưng giải điều chế tín hiệu điều tần (FM). Để đảm bảo có thể làm việc tốt nhất và làm nhiều chức năng khác nhau, VCO phải thỏa mãn những yêu cầu cơ bản sau: ™ Đặc tuyến truyền đạt điện áp – tần số tuyến tính. ™ Độ ổn định tần số cao. ™ Tạo được dao động tần số cao. ™ Hệ số chuyển đổi điện áp – tần số cao. ™ Dải bám rộng. ™ Điều chỉnh tần số đơn giản ™ Không có cuộn cảm để dễ thích hợp với sự tổ hợp đơn khối. 28 BÁO CÁO NCKH CÀI ĐẶT TẦN SỐ MÁY PHÁT FM BẰNG BÀN PHÍM Chương 3: MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ MẠCH DAO ĐỘNG 3.1. Một số vấn đề chung về mạch dao động Mạch tạo dao động có thể tạo ra các dạng dao động khác nhau như dao động hình sin, dao động xung chữ nhật, dao động xung tam giác. Trong thời gian hạn hẹp, người nghiên cứu xin phép chỉ nghiên cứu các mạch dao động điều hoà ở tần số thấp (dung RC) và tần số cao (dung LC, thạch anh…) Các mạch tạo dao động có thể làm việc trong dải tần số từ vài Hz đến vài nghìn MHz. Ở tần số thấp và trung bình, người ta dung bộ khuếch đại thuật toán (KĐTT- OP – AMP) đế tạo dao dộng. Ở tần số cao thường dung transitor, FET, đèn điện tử, thạch anh và các Diod đặc biệt như Diod Tunel … để tạo dao động. Bộ tạo dao động dùng transistor và FET được sử dụng rộng rãi ở dãi tần số không cao lắm với công suất ra không lớn lắm. Nhưng do các tham số tĩnh của các transistor phụ thuộc nhiều vào các yếu tố bất ổn định như sự thay đổi của nhiệt độ T0 của điện áp nguồn cung cấp Vcc … dẫn đến thay đổi biên độ, tần số của bộ tạo dao động. Điện trở vào của transistor nhỏ cũng ảnh hưởng đến tần số và điều kiện tự kích của bộ tạo dao động. Ngoài ra, ở tần số cao các tụ ký sinh của transistor (Cb’c, Cb’e) xuất hiện cũng làm thay đổi tần số cộng hưởng của mạch tạo dao động. Để giảm ảnh hưởng của các yếu tố ổn định đến tham số của transistor, ta áp dụng các biện pháp sau: a. Ổn định điện áp nguồn cung cấp, đặc biệt là điện áp cung cấp cho cực base của transistor. Trong các sơ đồ thực tế cho phép độ bất ổn định đối với nguồn Vcc khoảng: ΔVcc/Vcc ≈ ± 5%, còn đối với nguồn VBB khoảng: ΔVBB/VBB ≈ ± 1%. b. Bù ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt độ T0 bằng cách mắc trong các mạch tạo dao động dùng transistor các phần tử phụ thuộc nhiệt độ như điện trở nhiệt âm, điện trở nhiệt dương, diod hoặc bộ bù nhiệt. c. Chọn các chân transistor sao cho tần số dao động f0 << 0,5 ft để không xuất hiện các điện dung ký sinh. d. Mắc điện trở emiter RE để bù nhiệt và nâng cao trở kháng vào. Mạch tạo dao động dùng thạch anh có bộ bù nhiệt có thể đạt được độ ổn định tần số là 108. 29 BÁO CÁO NCKH CÀI ĐẶT TẦN SỐ MÁY PHÁT FM BẰNG BÀN PHÍM Các tham số cơ bản của mạch tạo dao động gồm tần số ra, biên độ điện áp ra, độ ổn định tần số, công suất ra và hiệu suất. Ở luận văn tốt nghiệp này, người nghiên cứu chỉ xét các mạch tạo dao động bằng hồi tiếp dương mà không xét các mạch tạo dao động bằng phương pháp tổng hợp mạch. 3.2. Điều kiện dao động Bộ tạo dao động thường gồm hai khối: Hình 3.1: Sơ đồ khối bộ dao động Khối khuếch đại có hệ số khuếch đại: A = A exp(jϕA) = V2/V1 Với A: modun hệ số khuếch đại. ϕA:: góc di pha của bộ khuếch đại. Khối hồi tiếp có hệ số truyền đạt β = βexp(jϕht). Với β: môđun hệ số hồi tiếp. ϕht: góc di pha của mạch hồi tiếp. Hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại có hồi tiếp dương sẽ là: A AAht β−= 1 (*) Từ (*) ta thấy, nếu βA = 1, hệ số khuếch đại của hệ thống sẽ trở nên lớn vô cùng. Điều đó không có nghĩa là khi đặt một điện áp ở đầu vào, ta sẽ nhận được ở đầu ra một điện áp lớn vô cùng. Aht = ∝ chỉ có nghĩa là khi điện áp vào có giá trị vô cùng bé (Vv≈ 0), điện áp ra vẫn có giá trị hữu hạn (Vr ≠ 0). Bởi vì trong mạch vào cũng có điện áp tạp âm nhiệt với phổ tần liên tục, nên nếu ở một tần số nào đó độ khuếch đại 30 BÁO CÁO NCKH CÀI ĐẶT TẦN SỐ MÁY PHÁT FM BẰNG BÀN PHÍM vòng của hệ thống thỏa mãn điều kiện βA = +1 thì ngay khi không có tín hiệu vào, trong mạch ra vẫn xuất hiện dao động ở tần số nói trên. Đây gọi là hiện tượng tự kích của hệ thống có hồi tiếp. Nếu βA > 1 thì bộ khuếch đại có hồi tiếp dương cũng sẽ tự kích. Khi đó, biên độ dao động ở đầu ra sẽ tăng dần cho đến khi đoạn cong phía trên của đặc tuyến biên độ làm giảm hệ số khuếch đại tới giá trị tương ứng với βA = 1. Lúc này biên độ dao động không tăng nữa và dao động chuyển sang trạng thái xác lập. Tóm lại, điều kiện để một hệ thống có hồi tiếp đóng kín phát sinh tự kích là: ( )[ ] 1exp. =+= htAjAA ϕϕββ Từ điều kiện này, ta tách ra cụ thể như sau: + Điều kiện cân bằng biên độ để có tự kích : βA = 1 + Điều kiện cân bằng pha để có tự kích: πϕϕϕ nhtA 2=+= với n = 0,1,2,3,… ϕ : tổng dịch pha của cả mạch khuếch đại và hồi tiếp. 3.3. Ổn định biên độ và tần số dao động 3.3.1, Ổn định biên độ Để đảm bảo ổn định biên độ ở trạng thái xác lập, ta có thể thực hiện các biện pháp sau: Hạn chế biên độ điện áp ra bằng cách chọn trị số điện áp nguồn cung cấp thích hợp và phải đảm bảo sao cho Vcm < Vcc . Dùng mạch hồi tiếp phi tuyến hoặc dùng phần tử hiệu chỉnh như điện trở nhiệt, diode. 3.3.2, Ổn định tần số Độ ổn định tần số của một bộ dao động là một trong các tham số quan trọng nhất của bộ dao động. Nó được đặc trưng bởi độ bất ổn định : oωωε Δ= 31 BÁO CÁO NCKH CÀI ĐẶT TẦN SỐ MÁY PHÁT FM BẰNG BÀN PHÍM với ω0: tần số dao động của bộ dao động. Δω : giá trị lệch cực đại của tần số dao động được đo hằng ngày, hằng tháng, hằng năm. Vấn đề ổn định tần số dao động liên quan chặt chẽ đến điều kiện cân bằng pha khi dịch pha giữa điện áp hồi tiếp đưa về và điện áp ban đầu thay đổi, sẽ dẫn đến sự thay đổi của tần số dao động. Mặt khác, khi tải của mạch khuếch đại là một mạch cộng hưởng thì điều kiện cân bằng pha sẽ trở thành: πϕϕϕϕ nchhtA 2=++= Với n = 0,1,2,… ϕch: góc dịch pha do mạch cộng hưởng gây nên. Nếu ϕA = 1800 , ϕht = 1800 , thì ϕch = 00 để mạch tự kích (ϕ = 2π), khi đó tần số dao động của mạch sẽ trùng với tần số cộng hưởng riêng của mạch cộng hưởng ω0 = ωch. Nếu ϕA + ϕht ≠ 0 thì ϕch ≠0 ñeå ϕ = 0. Lúc đó tần số dao động của mạch sẽ khác với tần số cộng hưởng riêng của mạch cộng hưởng ω0 ≠ ωch. Trong thực tế các yếu tố bất ổn định ảnh hưởng trực tiếp đến tần số cộng hưởng ωch, mà không ảnh hưởng đến ϕA và ϕht (ΔϕA =Δϕht ≅ 0). Nếu ωch bị thay đổi một lượng Δωch thì ở tần số ωch ≅ ω0 ta có: Δϕ = Δϕch = Δωch.2Q/ω0. Khi đó từ: Qo CH o 2 ϕ ω ωωωε Δ=Δ=Δ= Ta có: nếu Q càng lớn thì ε càng nhỏ, có nghĩa là mạch càng ổn định và Δϕ càng nhỏ thì εcàng nhỏ. Tóm lại: để độ ổn định tần số cao trong bộ dao động ta phải thực hiện các biện pháp sau: 9 Dùng nguồn ổn áp để Vcc = const, Vb = const. 9 Dùng các phần tử có hệ số nhiệt nhỏ. 9 Chọn mạch cộng hưởng có hệ số phẩm chất Q cao(50 ÷ 100). 32 BÁO CÁO NCKH CÀI ĐẶT TẦN SỐ MÁY PHÁT FM BẰNG BÀN PHÍM 9 Giảm ảnh hưởng của tải đến mạch dao động (mắc thêm tầng đệm collector chung (CC), ghép lỏng giữa các tầng …). 9 Dùng các phần tử ổn định nhiệt (diode, điện trở nhiệt âm). 9 Chọn mạch dao động thích hợp để giảm sự thay đổi pha. 33 BÁO CÁO NCKH CÀI ĐẶT TẦN SỐ MÁY PHÁT FM BẰNG BÀN PHÍM Chương 4: TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN 4.1. Các dải tần sóng, định danh, đặc tính truyền và quy định sử dụng 1. Dải tần từ : (3 ÷ 30) KHz ¾ Định danh : Very Low Frequency (VLF): tần số thấp nhất. ¾ Đặc tính truyền: Truyền sóng đất tức là sóng truyền theo đường gần mặt đất, sóng ít bị suy giảm vào ban ngày lẫn ban đêm, bị nhiều cơn nhiễu khí quyển. ¾ Quy định sử dụng: dùng trong thông tin hàng hải, định vị dưới nước, dẫn đường, thông tin giữa các tiềm thủy đỉnh và giữa tiềm thủy đỉnh với căn cứ. 2. Dải tần từ: (30 ÷ 300) KHz ¾ Định danh: Low Frequency; Long Wave (LF, LW): tần số thấp, sóng dài. ¾ Đặc tính truyền: tương tự như dải tần đầu có độ tin cậy cao hơn, ban ngày suy giảm nhiều hơn ban đêm. ¾ Công dụng: dùng trong thông tin hàng hải và đạo hàng (đi biển), pha vô tuyến (các đài định vị vô tuyến). 3. Dải tần từ: (300 ÷ 3000) KHz ¾ Định danh: Medium Frequency (MF); Medium Wave (MW): tần số trung bìng, sóng trung. ¾ Đặc tính truyền: truyền sóng đất và sóng trời, truyền ban ngày bị suy giảm nhiều, truyền ban đêm ít bị suy giảm, có can nhiễu khí quyển. ¾ Công dụng: dùng trong thông tin hàng hải, vô tuyến tầm phương phát tin khẩn cấp, phát thanh vô tuyến điều biên (AM: Amplitude ModulatiaDa, BC : Broad Cast Band). 4. Dải tần từ: (3 ÷ 30) MHz ¾ Định danh: High Frequency (HF); Short Wave (SW): tần số cao, sóng ngắn. ¾ Đặc tính truyền: có hiện tượng khúc xạ và phản xạ ở tầng điện ly của khí quyển, hiện tượng thay đổi nhiều hay ít theo giờ trong ngày, theo mùa trong năm, theo 34 BÁO CÁO NCKH CÀI ĐẶT TẦN SỐ MÁY PHÁT FM BẰNG BÀN PHÍM tần số trong dải. Do vậy, sóng truyền được khắp thế giới, nếu công suất phát lớn thì có thể truyền nhiều vòng, quanh địa cầu tạo ra hiệu ứng lập lại tín hiệu nhiều lần, người ta còn gọi sóng này là sóng trời. Công dụng: Điện thoại, điện báo, phát thanh sóng ngắn SW1, SW2,SW3, thông tin tàu duyên hải, tàu – máy bay, vô tuyến truyền thanh nghiệp dư, vô tuyến truyền thanh quốc tế, thông tin quân sự, điện thoại, điện tín, fax, … 5. Dải tần từ: (30 ÷300) MHz ¾ Định danh: Very High Frequency (VHF) : tần số rất cao. ¾ Đặc tính truyền: sóng truyền gần như theo đường nhìn thấy, có hiện tượng tán xạ sóng do có sự thay đổi chiết suất bất thường ở các vị trí khác nhau trong lớp khí quyển, cách mặt đất khoảng 100 km, do vậy có thể truyền xa hơn đường nhìn thấy, có rất ít hiện tượng khúc xạ trong tầng điện ly, dẫn đến sóng truyền qua tầng điện ly vào không gian. Đặc tính truyền của sóng bất lợi cho việc truyền sóng giữa đài phát với đài thu mặt đất ở cự ly xa, nhưng lại có thể truyền qua vệ tinh tiếp sóng có can nhiễu vũ trụ. ¾ Công dụng: Dải tần này được sử dụng cho vô tuyến truyền hình VHF, vô tuyến truyền thanh điều tần FM (Frequency Modulation), liên lạc vô tuyến VHF hai chiều, liên lạc VHF điều biên với máy bay, công an, taxi… 6. Dải tần từ: (300 ÷ 3000) MHz ¾ Định danh chung: Ultra High Frequency (UHF): tần số cực cao. ¾ Định danh riêng cho mỗi phân dải: - Dải L : 2 GHz - Dải S : 4 GHz ¾ Đặc tính truyền: cũng gống như VHF, cũng truyền theo đường nhìn thấy, có can nhiễu vũ trụ, nhưng nó có dải tần sử dụng cực cao. ¾ Công dụng: được dùng cho vô tuyến truyền hình UHF, thiết bị đạo hàng, rađa, đường liên lạc vi ba, … 7. Dải tần từ: (3 ÷ 30) GHz 35 BÁO CÁO NCKH CÀI ĐẶT TẦN SỐ MÁY PHÁT FM BẰNG BÀN PHÍM ¾ Định danh chung: Super High Frequency (SHF: tần số siêu cao). ¾ Định danh riêng cho mỗi phân dải: Dải S : (2 ÷ 4) GHz Dải C : (4 ÷ 8) GHz Dải X : (8 ÷ 12) GHz Dải Ku : (12 ÷ 18) GHz Dải K : (18 ÷ 27) GHz Dải Kdb : (27 ÷ 40) GHz Dải R : (26,5÷ 40) GHz ¾ Đặc tính truyền: truyền theo đường nhìn thấy, nếu tần số cao hơn 10 GHz thì sẽ có hiện tượng suy giảm khi truyền qua mưa, nếu tần số cao hơn 22,2 GHz thì sẽ có hiện tượng suy giảm do oxy và hơi nước ở khí quyển quả đất. ¾ Công dụng: được dùng trong thông tin qua vệ tinh, rada. 8. Dải tần từ: (30 ÷ 300) GHz ¾ Định danh chung: Extremely High Frequency (EHF: tần số siêu cực cao). ¾ Định danh riêng cho mỗi phân dải: Dải Kd : (27 ÷ 40) GHz Dải R : (26,5 ÷ 40) GHz Dải Q : (33 ÷ 50) GHz Dải V : (40 ÷ 75) GHz Dải W : (75 ÷ 110) GHz Dải min (millimet) : (110 ÷ 300) GHz ¾ Đặc tính truyền: bị suy giảm do hơi nước ở 183 GHz; oxy ở 60 GHz và 119 GHz. ¾ Công dụng: được sử dụng cho các hệ thống rađa, liên lạc qua vệ tinh, hay để thí nghiệm. 36 BÁO CÁO NCKH CÀI ĐẶT TẦN SỐ MÁY PHÁT FM BẰNG BÀN PHÍM 9. Dải tần từ: (103 ÷ 107) GHz ¾ Định danh : Dải các tia hồng ngoại, ánh sáng nhìn được và các tia tử ngoại. ¾ Đặc tính truyền: truyền theo đường nhìn thấy. ¾ Công dụng: dùng trong thông tin quang. 4.2. Môi trường truyền thông tin 4.2.1, Môi trường truyền tin hữu tuyến Tín hiệu hay sóng mang tin có thể truyền qua dây dẫn điện, sóng có tần số trong dải hồng ngoại, ánh sáng nhìn thấy được, hay tia tử ngoại có thể truyền và phản xạ qua môi trường trong suốt có đường hướng dẫn. Ở đây, người viết xin nêu ra một số môi trường truyền hữu tuyến: a. Đôi dây dẫn điện xoắn: Đây là loại dẫn truyền tin khá phổ biến, nó được dùng nhiều cho dây điện thoại để dẫn vào các hộ thuê bao điện thoại. Đây là loại dây có từng đôi dây, có vỏ cách điện được xoắn lại với nhau, mỗi dây có dây dẫn điện nhiều sợi, các dây đồng nhỏ xe lại với nhau, nếu có nhiều (dây) đôi được bó lại thì tạo thành dây cáp. Đặc tính truyền và công dụng:Loại này truyền được tín hiệu tương tự có tần số điện 250 KHz với cự ly từ (5 ÷ 6) km, nếu xa hơn ta phải có mạch khuếch đại tăng tín hiệu. Nếu dùng cáp nhiều đôi sẽ có hiện tượng xuyên âm, nếu thiếu vỏ bọc giáp cho mỗi đôi. Tuy vậy, loại dây truyền này vẫn có thể truyền được tín hiệu số với tốc độ tối đa là 100 (KByte/s) với bộ lặp cách nhau từ (2 ÷ 3) km. b. Cáp đồng trục: Là loại dây có đường dây dẫn điện ở giữa và ngoài vỏ đồng trục nhau nối từ ngõ vào RF của đầu máy video với jack cắm anten của máy vô tuyến truyền hình mà các bạn đều thấy. Cáp đồng trục gồm có dây dẫn điện, lõi trong cùng làm bằng dây đồng bền, có ống cách điện hay khoảng cách điện đặt cách khoảng đều nhau. Lớp vỏ bọc làm bằng dây đồng quấn đan nhau, tạo thành dây dẫn thứ hai bọc quanh lõi dây cáp. Ngoài cùng là lớp vỏ cách điện. 37 BÁO CÁO NCKH CÀI ĐẶT TẦN SỐ MÁY PHÁT FM BẰNG BÀN PHÍM Đặc tính truyền và công dụng: có nhiều loại cáp, có tổng trở đặc tính khác nhau. Cáp truyền được tín hiệu tương tự, có tần số 400MHz với cự ly vài km. Muốn truyền xa hơn cần phải có mạch khuếch đại tăng cường tín hiệu đặt cách nhau vài Km. Cáp truyền được tín hiệu số với tốc độ cao nhất là 800 Mb/s với bộ lặp tín hiệu cách nhau 1 km. Công dụng của cáp đồng trục (các loại cáp nói chung): thường được sử dụng trong: + Cáp phân phối tín hiệu truyền hình. + Cáp trung kế ( giữa các tổng đài chuyển mạch điện thoại). + Cáp điện thoại liên tỉnh (nhưng ngày nay đã được thay bằng sợi quang). c. Sợi quang: Sợi quang có đường kính từ (2 ÷ 125) μm có thể uốn cong được, thường sợi quang được chế tạo bằng thủy tinh, silic cực thuần. Sợi thủy tinh khó chế tạo, thường được thay bằng thủy tinh nhiều thành phần có giá thành thấp hơn mà vẫn đạt yêu cầu. Ngoài ra, còn có sợi nhựa dẻo đặc biệt có thể truyền thông tin ở các cự ly gần (ngắn) sợi gồm có ruột là môi trường truyền ánh sáng có chiết suất cao hơn lớp vỏ bằng thủy tinh hay nhựa dẻo, ngoài cũng có lớp vỏ bọc bảo vệ bằng sợi bọc nhựa dẻo không ẩm ướt, không bị mài mòn, ít va chạm và ít các nguy cơ hư hỏng. Đặc tính truyền và công dụng: có 3 cách truyền ánh sáng trong sợi quang tùy theo cấu tạo. + Nếu đường kính của nó lớn: chiết suất phần ruột đồng đều và cao hơn lớp vỏ bọc, nếu góc tới của tia sáng đến đầu sợi, tia sáng sẽ vào sợi, nếu góc tới tại 1 tiếp giáp giữa sợi với vỏ bọc lớn hơn các góc tới hạn phụ thuộc vào chiết suất của sợi với vỏ thì tia sẽ được phản chiếu toàn phần nhiều lần khi truyền dọc theo sợi. Có nhiều tia truyền, do vậy ở đầu nhận tin các tia không đồng pha nhau dẫn đến tốc độ truyền bị hạn chế. + Nếu đường kính sợi thật nhỏ, chiết suất sợi đồng đều thì chỉ có 1 tia được truyền qua. 38 BÁO CÁO NCKH CÀI ĐẶT TẦN SỐ MÁY PHÁT FM BẰNG BÀN PHÍM + Nếu chiết suất trong sợi không đồng đều, chiết suất cao nhất tại trục sợi, giảm dần khi ra ngoài vỏ, tia sáng không được phản xạ toàn phần tại một tiếp giáp giữa ruột và vỏ bọc mà phản xạ toàn phần ngay trong sợi. Sợi quang truyền tia sáng có tần số từ (1014 ÷ 1417) Hz, (105 ÷ 107) GHz; từ tia nhìn được đến tia hồng ngoại. Muốn truyền tin, tín hiệu phải được chuyển đổi thành tín hiệu số, chuyển đổi sang thanh tín hiệu ánh sáng rời rạc bằng nguồn phát tia sáng như diode phát quqng, led bàn dẫn, … Khi thu nhận, ánh sáng được diode quang điện đổi ra tín hiệu điện rời rạc, sau đó chuyển đổi thành tín hiệu nguyên thủy (tín hiệu số). Tốc độ truyền lên đến : 9 Gb/s. Công dụng: được sử dụng chuyên biệt cho các hệ thống, công trình sử dụng cáp quang, đường dây truyền mang tính kỹ thuật cao, cự ly truyền xa, bảo đảm tín hiệu quả cao. 4.2.2, Môi trường truyền tin vô tuyến Khí quyển quả đất và không gian là môi trường truyền sóng điện từ. Khí quyển quả đất có 2 tầng ảnh hưởng đến sự truyền sóng: thứ nhất là tầng đối lưu (tầng này cao hơn mặt đất vài chục km), tán xạ sóng trong dải tầng từ 40 MHz ÷ 40GHz đã từng được sử dụng trong kỹ thuật truyền tin tầng đối lưu, ngày nay không còn sử dụng nữa do sự phát triển của kỹ thuật truyền vi ba qua vệ tinh địa tĩnh. Thứ hai là tầng điện ly, tầng này phản xạ sóng trong dải tầng từ (3 ÷ 30) MHz. Do vậy, sóng ở dải tầng này có thể phủ một vùng đất rộng trên quả đất. Tầng điện ly không phản xạ sóng có tần số từ 30m trở lên. Do vậy sóng truyền theo đường nhìn thấy, vùng phủ sóng bị hạn chế và phụ thuộc vào chiều cao của vị trí đặt anten thu và phát. Khi muốn truyền đi xa, phải có trạm tiếp sóng, trạm lặp tín hiệu hay vệ tinh. Tần số sóng xác định kích thước anten, tần số sóng càng cao thì anten càng gọn nhẹ, để đặt trên các thiết bị di chuyển, sóng phát ra càng có tính định trường cao, do vậy muốn thiết lập đường thông tin từ một điểm đến một điểm khác thì thường sử dụng sóng có tần số từ dải UHF hay cao hơn. Tần số càng thấp, anten có kích thước chiều cao càng lớn, sóng phát ra càng có tính định hướng thấp, không thuận lợi để liên lạc từ điểm này đến điểm kia mà chỉ thuận lợi để phủ sóng vô tuyến truyền thanh hay 39 BÁO CÁO NCKH CÀI ĐẶT TẦN SỐ MÁY PHÁT FM BẰNG BÀN PHÍM vô tuyến truyền hình quảng bá cho nhiều người nghe và xem như các đài vô tuyến truyền thanh, vô tuyến truyền hình. Sau khi nói về đặc tính truyền của môi trường truyền vô tuyến và đặc tính của sóng, ta có thể nghiên cứu thêm về các vùng phủ sóng và các đường truyền vô tuyến. a. Sóng dài: Sóng này có đặc tính là ít bị suy giảm vào ban ngày lẫn ban đêm, nó được dùng phổ biến ở Châu Âu để phủ sóng các chương trình truyền thanh, ít được sử dụng ở Châu Á do có nhiễu khí quyển (sấm sét nhiều). b. Sóng trung: Sóng này có tần số từ (540 ÷ 1600) KHz và được gọi là dải vô tuyến truyền thanh điều biên (AM), ban đêm có thể truyền ở cự ly xa, nhưng ban ngày cự ly bị giới hạn rất nhiều. Do vậy mà sóng trung chỉ để phủ sóng vô tuyến ở từng địa phương. Ở việt Nam, các địa phương đều phủ sóng điều biên ở dải sóng trung. c. Sóng ngắn: Như đã trình bày ở phần trên, sóng ngắn do có tầng điện ly nên vùng phủ sóng rất rộn, được các ủy hội tư vấn khuyến cáo là nên sử dụng. Sóng này dùng để phát chương trình vô tuyến truyền thanh quốc tế. Cũng do quy ước quốc tế, các bước sóng được phát trong dải 13m, 16m, 19m, 25m, 31m, 41m, 49m, 63m và 75m. d. Sóng VHF, UHF: Cũng như phần trên đã nói, sóng VHF và UHF truyền theo đường nhìn thấy được (Los/line of light), do vậy vùng phủ sóng phụ thuộc vào vị trí đặt anten thu và phát. Ta có thể tính toán như sau: hp, ht: chiều cao của anten phát và thu sóng truyền theo đường nhìn thấy. Ta có: dp + dt theo chiều cao của anten phát và thu hp, ht: Với r : là bán kính của quả đất Hình 4.1: Sơ đồ đường truyền sóng: VHF, UHF, SHF, EHF. 40 BÁO CÁO NCKH CÀI ĐẶT TẦN SỐ MÁY PHÁT FM BẰNG BÀN PHÍM Như vậy nếu đưa vào hệ thứ trên bán kính của quả đất, ta có: Bán kính vùng phủ sóng đài phát bằng: hp, ht được đo bằng (m). dp, dt : cự ly truyền (km). Do hiện tượng tán xạ ở tầng đối lưu, cho nên cự ly truyền có thể xa hơn. e. Sóng UHF, SHF, EHF: Cũng như phần trên đã nói, tần số càng cao thì sóng phát xạ từ anten càng có tính định hướng cao, thuận tiện cho kỹ thuật truyền từ một điểm đến một điểm. Từ phần cao dải UHF đến EHF, sóng được gọi chung là sóng vi ba, được phát và thu bằng anten ngắn có gương phản xạ hay phần tử phản xạ. Sau đây là hình vẽ của hai kiểu truyền cơ bản và phổ biến: - Truyền trực tiếp: Lối truyền này là phương pháp truyền từ trạm phát đến trạm thu theo đường nhìn thấy. Hình 4.2: Sóng truyền trực tiếp - Truyền qua trạm tiếp sóng hay trạm lặp: Các trạm lặp có thể đặt trên núi cao, trên tàu bay bay vòng quanh một địa điểm (vị trí) đã quy định hay trên vệ tinh địa tĩnh ở độ cao 35.784km. Hình 4.3: Sóng truyền qua trạm lặp ht2hp2dtdpd +≈+= hp2dp = 41 BÁO CÁO NCKH CÀI ĐẶT TẦN SỐ MÁY PHÁT FM BẰNG BÀN PHÍM Trên đây là phần khảo sát, tìm hiểu và nghiên cứu về sóng mang; môi trường truyền và các đường truyền sóng. Vấn đế phát và thu phải có sự đồng bộ và quá trình này khá phức tạp nếu như muốn hiểu tường tận vấn đề. 4.3. Truyền sóng Radio trong không gian 4.3.1, Khái niệm về sóng Radio Sóng Radio còn được gọi là sóng vô tuyến, nó bao gồm từ dải sóng dài có bước sóng hàng ngàn mét đến dải sóng cực ngắn có bước sóng dưới 10 mét và dải sóng siêu ngắn có bước sóng centimet và milimét. Con ngưới đã dùng sóng vô tuyến để làm sóng mang (carrier) truyền tải qua không gian các dạng tín hiệu khác nhau tùy theo ý muốn. Người ta chia ra làm các loại sóng: sóng dài, sóng trung, sóng ngắn, sóng cực ngắn. Ở dải sóng trung từ 200m - 3000m (1,5MHz ÷ 100KHz), ở dải sóng ngắn từ 10m - 200m (30MHz ÷ 1,5 MHz) chủ yếu dùng để phát thanh. Ở dải sóng cực ngắn dùng cho phát thanh FM, truyền hình, điều khiển và nghiệp dư. Ở dải sóng siêu ngắn (viba), ngày nay được dùng cho mạng lưới viba hỗn hợp chứa nhiều dạng tín hiệu, truyền tải được cả hai chiều. Sóng Radio dược dùng làm sóng mang (carrier) để truyền tải tín hiệu có ích dưới hai dạng điều biên (AM) hay điều tần (FM). Sóng này có dạng hình sin và có tính chu kỳ. Sóng radio mang tính chất sóng điện từ, nó có thể chuyển đổi lẫn nhau trong không gian truyền dẫn từ dạng điện trường sang từ trường và ngược lại. Phần lớn anten đều cho dạng sóng phân cực tuyến tính, ví dụ như anten roi, anten cột hình trụ. Do quá trình truyền lan trong không gian có môi trường không đồng nhất ở tầng điện ly do bụi, mây, ion gây nên hiện tượng tán xạ và khúc xạ sóng truyền, làm thay đổi hướng phân cực, một số phần tử chuyển thành phân cực ngang. Điều quan trọng là ta phải chú ý để khắc phục các tác nhân này. ¾ Các đại lượng liên quan: - Trong trường hợp phát đẳng hướng, công suất trung bình trên mặt cầu được tính: 24 d P P tAV π= 42 BÁO CÁO NCKH CÀI ĐẶT TẦN SỐ MÁY PHÁT FM BẰNG BÀN PHÍM PAV : công suất trung bình trên đơn vị diện tích [W/m2]. Pt : công suất tổng [W]. d : bán kính của mặt cầu (khoảng cách từ trung tâm phát đến điểm thu) (m). - Góc mở hiệu dụng (effective aperture) Ae của anten thu có quan hệ với khả năng thu năng lượng EM (electromagnetive) để cấp cho tải. Xét trường hợp anten thu đặt trong mặt phẳng nhỏ của mặt cầu đẳng hướng thì: π λ 4 2 =eA - Công suất phân phối trên tải: ( ) 22 2 4 d P P tL π λ= Trong đó : f c=λ - Tổn hao trên đường truyền từ trung tâm phát đẳng hướng đến anten thu: L t dB P P L log10= Hoặc LdB = 20log d + 20log f + kd d là cự ly truyền [m], f là tần số sóng mang [MHz]. Kd là hằng số phụ thuộc vào đơn vị tính của d như sau: kd = 32,4 nếu d tính bằng Km. kd = 36,58 nếu d tính bằng miles theo quy chuẩn thông thường. kd = 37,80 nếu d tính bằng miles dùng trong hàng hải. kd = -37,87 nếu d tính bằng feet. kd = -27,55 nếu d tính bằng mét. 43 BÁO CÁO NCKH CÀI ĐẶT TẦN SỐ MÁY PHÁT FM BẰNG BÀN PHÍM ¾ Sơ lược về cấu trúc tầng khí quyển: Lớp khí quyển bao quanh trái đất có bề dày từ (2000 ÷ 3000) km, được cấu tạo chủ yếu bằng khí nitơ, oxy và hơi nước, là môi trường truyền dẫn sóng khá tốt. Nó được phân thành các lớp cơ bản sau đây: - Tầng đối lưu (tropo layer, troposphere) nằm cách mặt đất từ 8 đến 18 km và phân bố tùy theo vĩ độ. Ở miền nhiệt đới, lớp trên của tầng đối lưu ở độ cao từ 16 ÷ 18km, ở vĩ độ ôn đới hạ xuống từ 10 ÷ 12km, còn ở miền hàn đới (hai cực) lại hạ xuống từ 8 ÷ 10km. - Tầng bình lưu (stratosphere) nằm bên trên tầng đối lưu ở độ cao từ 60 ÷ 80 km. Đặc trưng của tầng này là hoàn toàn không có hơi nước. - Tầng ion: (ionsphere) hay tầng điện ly nằm bên trên tầng bình lưu, ở thượng tầng khí quyển. Đặc trưng của tầng này là có nhiều phần tử tích điện, điện tử và ion; được tạo nên là do sự bắn phá các phân tử khí trung hòa của các tia cực tím, tia bức xạ của mặt trời, tia vũ trụ và của hàng chục ngàn dòng sao băng luôn xâm nhập vào bầu khí quyển trong một ngày đêm, đã tạo nên quá trình ion hóa. Mật độ ion ở tầng điện ly luôn biến đổi, theo đó sự truyền lan sóng Radio ở tầng này cũng thay đổi theo. Áp suất, nhiệt độ và độ ẩm sẽ giảm dần theo độ cao của lớp khí quyển. Nếu tăng độ cao lên 1km (kể từ tầng đối lưu) thì nhiệt độ ở lớp dưới giảm 5oC, còn ở lớp trên thì giảm 7oC. 4.3.2, Truyền lan sóng Radio Sóng Radio truyền lan trong không gian và trên mặt đất được mô tả như hình sau: Hình 4.4: Sóng Radio lan truyền trong không gian và mặt đất 44 BÁO CÁO NCKH CÀI ĐẶT TẦN SỐ MÁY PHÁT FM BẰNG BÀN PHÍM Sóng truyền lan trong không gian ở tầng điện ly thường được gọi là sóng trời, truyền lan chủ yếu ở tầng điện ly (hay ion). Sóng truyền lan trên bề mặt trái đất thường được gọi là sóng đất, bao gồm sóng truyền ở phía dưới bề mặt trái đất, các sóng được phản xạ từ bề mặt trái đất, sóng nhiễu xạ ngoài tầm nhìn và sóng khúc xạ ở tầng đối lưu. Trên đường truyền xảy ra hiện tượng sớm pha hay chậm pha do phản xạ sẽ làm thay đổi phân cực và biên độ của chùm sóng tới, gây ra hiện tượng pha đinh và tổn hao năng lượng bức xạ. Hệ số tổn hao được tính bằng: f r S Sn = Sr : mức tín hiệu ở điểm thu bao gồm sóng phản xạ từ mặt đất (ground reflection), theo đường D2 - D3 Sf : năng lượng sóng không gian (free space) truyền trực tiếp theo đường D1, không có phản xạ. Công thức được tính cụ thể như sau: ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛= 1 2 2 D hh Sinn ptλ π . Độ dịch chuyển pha trong quá trình truyền được tính: ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛+=Φ 1 2 D hh S ptλ ππ . Trong quá trình khúc xạ (xảy ra với dải tần VHF) sẽ làm uốn cong phương truyền và hướng theo bề mặt trái đất. Ngưới ta gọi là hiệu ứng bán kính trái đất, biểu thị qua thông số ke và được tính: 0R Rke = - Ro : bán kính trái đất, Ro = 6370 km = 3440 miles. - R : bán kính của mặt cong phương truyền. 45 BÁO CÁO NCKH CÀI ĐẶT TẦN SỐ MÁY PHÁT FM BẰNG BÀN PHÍM Giá trị ke vào khoảng 1,2 ÷ 1,234. Đối với sóng cực ngắn (UHF) mặt cong khúc xạ gần mặt đất hơn nên lấy ke = 4/3 = 1,33 làm giá trị tiêu chuẩn trong tính toán. Ở Việt Nam lại hay dùng khái niệm sóng đất và sóng trời. Sóng đất có ý mô tả sóng truyền trên bề mặt và trong lòng đất; còn sóng trời có ý mô tả các dạng sóng truyền trong không gian. Hình 4.5: Sóng trời Ở vùng không gian gần bề mặt đất, cự ly truyền lan được tăng cường nhờ vào các hiện tượng nhiễu xạ, khúc xạ, và tán xạ. ¾ Sóng nhiễu xạ (diffraction) phát sinh tác dụng khi trên đường truyền sóng gặp các vật cản có kích thước bằng hoặc lớn hơn nhiều lần bước sóng sẽ làm lệch hướng đường truyền. Các vật cản như là các đám mây đá, đồi núi nhấp nhô hay các cao ốc ... Trong quá trình nhiễu xạ năng lượng bức xạ bị tổn hao do bị vật cản hấp thụ. Tổn hao bắt đầu xuất hiện ở dải sóng trung và tăng nhanh tỉ lệ thuận theo tần số (hay giảm theo độ dài bước sóng). Bởi vậy hiện tượng nhiễu xạ xảy ra ở dải sóng dài và phần cuối dải sóng trung, mà không có truyền lan bằng nhiễu xạ ở dải sóng ngắn. Ở dải sóng cực ngắn thì hiện tượng nhiễu xạ lại xuất hiện trên đường truyền nhưng lại bị suy giảm mạnh theo cự ly. ¾ Sóng khúc xạ (refraction): sẽ làm cong quĩ đạo truyền sóng khi sóng truyền từ lớp này qua lớp khác với tốc độ khác nhau. Ví dụ: từ không khí với đất hay với nước; hoặc truyền từ lớp thấp của tầng điện ly đến tầng đối lưu. Mặt khác còn 46 BÁO CÁO NCKH CÀI ĐẶT TẦN SỐ MÁY PHÁT FM BẰNG BÀN PHÍM do tính không đồng nhất của lớp không khí nên làm thay đổi tốc độ truyền từ điểm này đến điểm kia. Hiện tượng khúc xạ bị phụ thuộc nhiều vào điều kiện khí tượng. Nó tham gia vào quá trình truyền lan gần như ở tất cả các dải sóng Radio. Tuy nhiên có tác dụng rõ rệt nhất là ở dải sóng ngắn. ¾ Sóng tán xạ (dicpersion): ở tầng đối lưu sẽ làm thay đổi phương truyền sóng một khoảng cách không định hướng bắt đầu từ sự không đồng nhất của dòng không khí ở lớp trên di chuyển xuống lớp dưới do nhiệt độ khác nhau. Sự không đồng nhất của nhiệt độ, áp suất và độ ẩm biến đổi theo dạng xoáy luôn luôn xảy ra ở tầng đối lưu giữa lớp này với lớp kế bên sẽ làm cho tốc độ truyền sóng ở phần này hay phần kia luôn thay đổi bập bềnh. Truyền lan bằng sóng tán xạ chỉ xảy ra ở dải tần sóng cực ngắn. Tổn hao lớn trên đường truyền quá tầm nhìn, làm méo dạng sóng do các sóng tới điểm thu có pha khác nhau và cũng có vùng lặn sóng. Dải sóng Radio truyền lan được xa phần lớn nhờ phản xạ (reflection) ở tầng điện ly mà chủ yếu bằng sóng khúc xạ (refraction). Tốc độ truyền qua mỗi mặt sóng ở tầng ion (Vi) khác với tốc độ truyền lan trong không khí thông thường; nó phụ thuộc vào độ tập trung của điện tử N (hay là mật độ) và tần số truyền sóng f, theo quan hệ: n c f Nk CV i i = ⎥⎥⎦ ⎤ ⎢⎢⎣ ⎡ − = 2 1 21 ki : là hằng số nhân hay còn gọi là nhân tử. c : là tốc độ ánh sáng c = 3.108 m/s Trong điều kiện nhiệt độ và áp suất tiêu chuẩn thì giá trị n≈1,0003. Cũng do hiện tượng phản xạ và qua nhiều bước sóng nhảy nên nhiều phần tử sóng đến điểm thu theo nhiều hướng với độ dài khác nhau, pha giữa chúng khác nhau sẽ gây hiện tượng giao thoa. Nếu có nhiều bước sóng đồng pha tại điểm thu thì mức tín hiệu được tăng cường, còn khác pha thì mức tín hiệu bị giảm nhỏ. Người ta gọi đó là hiện tượng pha đinh. Thời gian làm suy giảm tín hiệu đến mức không còn nghe được kéo dài từ 1/10 47 BÁO CÁO NCKH CÀI ĐẶT TẦN SỐ MÁY PHÁT FM BẰNG BÀN PHÍM giây đến hàng chục giây hay lớn hơn. Nếu thời gian pha đinh (fading) dưới 5 phút gọi là pha đinh nhanh, thường nghe thấy ở dải sóng ngắn phát thanh và VHF. Còn thời gian pha đinh lớn hơn 5 giây gọi là pha đinh chậm, lấy giá trị trung bình trong ngày đêm. Hiện tượng pha đinh thường xuất hiện vào ban đêm và sáng sớm, ít thấy vào ban ngày. 4.4. Đặc tính của ANTEN - Phiđơ Anten và đường dây phiđơ là hai phần tử đặc biệt quan trọng để đưa năng lượng điện trường từ máy phát bức xạ ra không gian. Đường dây phiđơ được nối từ ngõ ra máy phát đến ngõ vào anten. Nó làm nhiệm vụ truyền năng lượng và phối hợp trở kháng giữa máy phát và anten. Nếu sự phối hợp trở kháng không đúng thì sẽ phát sinh sóng đứng làm tổn hao năng lượng, giảm hiệu suất và còn gây méo dạng sóng truyền. 4.4.1, Các đặc tính của anten a. Hiệu suất anten: được biểu thị bằng tỉ số giữa công suất do anten bức xạ với công suất cung cấp cho anten (bao gồm công suất bức xạ và công suất tổn hao) qua công thức: thpP P += ∑ ∑η Công suất tổn hao (Pth) có thể do sự phối hợp trở kháng giữa dây phiđơ và anten chưa phù hợp, do cấu trúc anten có trở kháng bức xạ chưa thích hợp với bước sóng, do độ dẫn điện ở mặt đất xung quanh anten xấu, đặc biệt là anten trụ dùng cho sóng trung, sóng ngắn ... Để tăng cường độ dẫn điện ở phạm vi quanh anten trụ, người ta đã chôn ở độ sâu từ 0,3m - 0,5m các tấm đồng lá hoặc các dây đồng có đường kính φ = 0,3mm - 0,5mm theo hình rẽ quạt kéo dài từ chân trụ anten trở ra với độ dài ít nhất phải bằng 1/2 bước sóng. b. Điện trở bức xạ: R∑ biểu thị quan hệ giữa công suất bức xạ với dòng điện chạy qua một điểm bất kỳ của anten, được tính theo công thức: 48 BÁO CÁO NCKH CÀI ĐẶT TẦN SỐ MÁY PHÁT FM BẰNG BÀN PHÍM 2 AI P R ∑∑ = Trong đó các đơn vị tính RΣ [Ω], PΣ [W], IA [A], thông thường điện trở bức xạ được tính tại một điểm có giá trị cực đại hay một ngõ nối nào đó, ví dụ như tại ngõ vào. Điện trở bức xạ phụ thuộc vào kích thước anten so với độ dài bước sóng, vào hình dạng cấu trúc và một vài yếu tố khác của anten và được mô tả trên đặc tuyến sau: Hình 4.6: Điện trở bức xạ của chấn tử đối xứng Từ đặc tuyến ta nhận thấy rằng, R∑ của anten sẽ tăng theo bước sóng cho đến khi độ dài của nó bằng một bước sóng (l = λ). c. Tổng trở vào của anten: bao gồm điện trở bức xạ và điện trở tổn hao. Điện trở tổn hao của anten bao gồm các tổn hao năng lượng bức xạ đã nung nóng dây hay cây dẫn và chất cách điện của anten, tổn hao ở mặt đất và hệ thống dây đất gây nên. Nó được tính như sau: RA = R∑ + Rth Nếu tổng trở được tính tại điểm có dòng vào anten thì gọi là tổng trở vào, ký hiệu là ZA hay RA. Điện trở tổn hao phụ thuộc vào dạng cấu trúc anten, dải tần bước sóng. Khi giảm độ dài bước sóng thì điện trở tổn hao cũng giảm theo. Ở dải sóng trung chủ yếu là tổn hao do mặt đất, còn tổn hao do trụ bức xạ và vật liệu cách điện như các sứ không đáng kể. Ở dải sóng ngắn, điện trở tổn hao có thể bỏ qua. d. Đặc tính tần số và dải tần của anten: 49 BÁO CÁO NCKH CÀI ĐẶT TẦN SỐ MÁY PHÁT FM BẰNG BÀN PHÍM Anten coi như một mạch dao động có chọn lọc. Dải tần số làm việc của anten phải đảm bảo được hai tính năng là hiệu suất bức xạ và tính phương hướng. Dải tần làm việc của anten sẽ đảm bảo không làm méo dạng tín hiệu bức xạ và có độ rộng khoảng vài MHz. Muốn tìm độ rộng dải tần phải căn cứ vào đặc tính tần số của anten có các thông số xác định. Hình 4.7: Đặc tính tần số và dải tần của Anten 4.4.2, Ảnh hưởng của mặt đất đối với anten Phần lớn các anten đều bố trí trên mặt đất và chịu ảnh hưởng về độ dài bước sóng mạnh mẽ. Mặt đất dẫn điện tốt ở dải sóng dài hơn 100m sẽ kém hơn khi bước sóng giảm và cách điện hoàn toàn ở sóng cực ngắn. Mặt đất ảnh hưởng đặc biệt với anten chấn tử không đối xứng. Mặt đất cũng ảnh hưởng đặc biệt đến hai thông số là điện trờ bức xạ và tính phương hướng. Nếu bề mặt đất dẫn điện tốt thì nó trở thành gương phản xạ. Dòng điện chạy trong chấn tử đứng sẽ chạy cùng chiều, còn trong chấn tử ngang thì chạy ngược chiều. Do vậy nó làm thay đổi tính hướng búp sóng giá trị điện trở bức xạ. 50 BÁO CÁO NCKH CÀI ĐẶT TẦN SỐ MÁY PHÁT FM BẰNG BÀN PHÍM Chương 5: THIẾT KẾ - THI CÔNG 5.1. Sơ đồ khối 5.1.1, Sơ đồ khối Hình 5.1: Sơ đồ khối máy phát FM 5.1.2, Giới thiệu kết nối các khối 5.1.2.1, Vòng Khóa Pha Đây là hướng dẫn của nhà sản xuất cho về kết nối phần FM VCO 51 BÁO CÁO NCKH CÀI ĐẶT TẦN SỐ MÁY PHÁT FM BẰNG BÀN PHÍM Hình 5.2: Kết nối cho LC72131/M Thạch anh 7.2MHz thì tụ đi theo là 15p Thạch anh 4.5MHz thì tụ đi kèm theo là 12p Các thông số của tụ và điện trở để chỉnh độ nhạy cho thì ta tinh chỉnh nhiều lần trong quá trình thử mạch. Khi cảm thấy thông số hợp lý thi ta chọn như sau: Hình 5.3: Chi tiết khối khoá pha 52 BÁO CÁO NCKH CÀI ĐẶT TẦN SỐ MÁY PHÁT FM BẰNG BÀN PHÍM 5.1.2.2, Phát FM Hình 5.4: Kết nối cho BA1404 ( do nhà sản xuất cho) Hình 5.5: Kết nối cho BA1404 ( theo www.electronics-DIY.com ) Sau khi tìm hiểu kỹ mạch của nhà sản suất, những dạng mạch thực tế và tinh chỉnh nhiều lần đến khi hài lòng thì ta được mạch: 53 BÁO CÁO NCKH CÀI ĐẶT TẦN SỐ MÁY PHÁT FM BẰNG BÀN PHÍM Hình 5.6: Chi tiết khối Phát FM Nguồn cung cấp từ 1 đến 3V. Dòng I =3÷5mA. Thực ra, I từ 3÷5mA nên chọn R=470Ω Thạch anh 38KHz để tạo dao động làm sóng mang phụ và tần số điều khiển 19KHz cùng pha nhau nhưng trễ so với nhau ½ vòng. 5.1.2.3, Khuếch đại và ANTEN phát Sau khi tìm hiểu về Transistor cao tần và các dạng mạch thực tế thì em chọn C3355 làm phần khuếch đại để phát ra công suất nhỏ. 54 BÁO CÁO NCKH CÀI ĐẶT TẦN SỐ MÁY PHÁT FM BẰNG BÀN PHÍM Hình 5.7: Chi tiết khối khuếch đại và ANTEN Cuộn dây 10uH và tụ 1n dùng để lọc nhiễu. Tính toán công suất: Chọn Ic = 20mA, VCE = 10V VCC = 12V Pton hao = IC.VCE = 20mA.10V = 200mW Pnguon = IC.VCC = 20mA.12V = 240mW PT = Pnguon – Pton hao = 240 – 200 = 40mW PdBm = 10logPmW P = 10log40 = 16 dBm Tính toán ANTEN: f = 88-108MHz, chọn tần số trung tâm là 100MHz thì 83.10 / 3 100 c m s m f MHz λ = = = . Chọn 2 λ = 1,5m. Thực tế ta chỉ cần dùng ANT roi dài 30cm. 55 BÁO CÁO NCKH CÀI ĐẶT TẦN SỐ MÁY PHÁT FM BẰNG BÀN PHÍM 5.1.2.4, Điều khiển và hiển thị Hình 5.8: Chi tiết khối điều khiển và hiển thị P2 và các chân 32, 33, 34 của 89C51 dùng để điều khiển LCD hiển thị. P3 và các chân 7,8 dùng để lấy dữ liệu từ bàn phím. P0 dùng để đưa dữ liệu ra vòng khoá pha và đưa dữ liệu cho EEPROM. Pin 5V để nuôi 89C51 khi bị mất điện nên dữ liệu sẽ không bị mất. Khi cấp nguồn thì nguồn sẽ nuôi 89C51, và dùng để sạc Pin. 56 BÁO CÁO NCKH CÀI ĐẶT TẦN SỐ MÁY PHÁT FM BẰNG BÀN PHÍM 5.2. Trình bày kết nối toàn mạch 89C51: P3, P1.6, P1.7 nối với bàn phím. Các chân P2 đưa dữ liệu đến 8 đường địa chỉ 7-14 của LCD Chân 32,33,34 (P0.7, P0.6, P0.5) nối đến chân 6 (cho phép đọc /ghi), 5(đọc/ghi), 4(chọn thanh ghi điều khiển/thanh ghi dữ liệu) của LCD, có điện trở kéo lên nguồn. Chân 35,36(P0.4, P0.3) nối đến chân 5(SDA), 6(SCLK) của 24C04 có điện trở 10K kéo lên nguồn. Các chân chọn địa chỉ 1,2,3 và 4,7 của 24C04 nối mass. Chân 8 của 24C04 nối nguồn 5V. Chân 18,19(XTAL1, XTAL2) nối với thạch anh tạo dao dộng nội (giá trị tụ và thạch anh do nhà sản xuất quy định) Chân 9(RST) nối với mạch tự động Reset RC. Chân 40(VCC) và 20(GND) cấp nguồn 5V và mass. Các chân 37,38,39(P0.2, P0.1, P0.0) nối với các chân 2(CE),3(DI),4(CLK) của LC72131/M, có điện trở kéo lên nguồn. LC72131/M: Các chân 15(VDD) lên nguồn có tụ xuống mass, 19(VSS) nối nguồn và mass. Các chân 1(XIN),20(XOUT) nối với thạch anh và tụ do nhà sản xuất quy định Chân 5(DO) có điện trở kéo lên nguồn và tụ xuống mass. Chân 14(FMIN) nhận tín hiệu FM vào từ BA1404. Chân 16(PD) nối điện trở với chân 17(AIN), nối tiếp với điện trở và tụ đến chân 18(AOUT) lên nguồn đồng thời đưa dữ liệu ra Varicap về BA1404. BA1404: Chân 1(R_IN), 18(L_IN) tín hiệu âm thanh vào 2 kênh trái phải nối với mạch Pre-emphasis. 47Kx1n ≈ 50µs. Chân 2(AF BIAS), 4(OSC BIAS) nối tụ xuống mass. 57 BÁO CÁO NCKH CÀI ĐẶT TẦN SỐ MÁY PHÁT FM BẰNG BÀN PHÍM Chân 3(AF GND), 8(GND) nối mass. Chân 5(XTAL) nối thạch anh 38Kz qua tụ đến chân 6(OUT XTAL). Chân 7(RF OUT) tần số ra nối với mạch khuếch đại. Chân 9(OSC), 10(OSC) nối với tụ và mạch cộng hưởng LC. Chân 12(MOD IN) nối tụ xuống mass và điều chế tín hiệu vào. Chân 13(PILOT), 14(MPX OUT) nối với mạch trộn RC. Chân 15(VCC) nối nguồn 1-3V. I=3÷5mA. Thực ra, I từ 3÷5mA nên chọn R=470Ω. Chân 16(MPX1), 17(MPX2) nối với biến trở lên nguồn để chỉnh balance. Còn các giá trị của điện trở và tụ, ngoài những thông số của nhà sản xuất cho thì trong quá trình làm mạch ta thử và tinh chỉnh nhiều lần. Đồng thời kết hợp tài liệu trên mạng, sách vở và datasheet để có được mạch hoàn chỉnh. 58 BÁO CÁO NCKH CÀI ĐẶT TẦN SỐ MÁY PHÁT FM BẰNG BÀN PHÍM 392 11.059 MHz LC72131/M 3 4 5 6 2 10 13 16 17 18 9 15 8 1 7 11 12 20 14 19 DI CL DO BO1 CE IO1 AMIN PD AIN AOUT BO4 VDD BO3 XIN BO2 IFIN IO2 XOUT FMIN VSS Audio Input 1N5148 1n 38KHz 473 8.2K 392 1n 22K 633p + 22u 10 uH 100n 1n 392 + 10u 3 5v Audio Input 512 15P 5v 10uH 10p AT89C51 9 18 19 20 29 3031 40 1 2 3 4 5 6 7 8 21 22 23 24 25 26 27 28 10 11 12 13 14 15 16 17 39 38 37 36 35 34 33 32 RST XTAL2 XTAL1 G N D PSEN ALE/PROGEA/VPP V C C P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7 P2.0/A8 P2.1/A9 P2.2/A10 P2.3/A11 P2.4/A12 P2.5/A13 P2.6/A14 P2.7/A15 P3.0/RXD P3.1/TXD P3.2/INT0 P3.3/INT1 P3.4/T0 P3.5/T1 P3.6/WR P3.7/RD P0.0/AD0 P0.1/AD1 P0.2/AD2 P0.3/AD3 P0.4/AD4 P0.5/AD5 P0.6/AD6 P0.7/AD7 270p 123 472 7.2 MHz Y1 103 9 1n 473 BA1404 U 1 2 3 4 5 6 7 8 910 11 12 13 14 15 16 17 18 R_IN AFBIAS AFGND OSCBIAS XTAL OUTXTAL OUT GND OSCOSC VREF MOD IN PILOT MPX OUT VCC MPX2 MPX1 L_IN 1n 102 + 2.2u 244 0 1n 183 10uH 5v 101 101 4007 BNC 24c04 3 4 5 6 2 81 7 A2 GNDSDA SCLK A1 VddA0 WP 222 4007 15P 5 103 223 4007 103 432 2 ANT 1n 5v 271 15P 1n 471 103 8 1n 15p 471 LCD 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 5v 15p 33p 7 3.3n + 22u 15v 4 5v 1n + 0.33u C3355 PIN 5V 1n 3.3n 12v 103 15P 1 + 2.2u + 22u 512 5.3. Sơ đồ nguyên lý Hình 5.9: Sơ đồ mạch nguyên lý Nguyên lý hoạt động: Ban đầu khi cấp điện cho toàn mạch và cấp tín hiệu âm thanh cho BA1404 thì tín hiệu ra từ BA1404 là tín hiệu cao tần trong dải tần 88-108Mhz, tín hiệu ra một phần sẽ phát ra ANTEN, một phần sẽ đưa về LC72131/M. Lúc này LC72131/M chưa nhận được tín hiệu điều khiển từ 89C51 nên chưa hoạt động. Do đó mạch phát trong dải tần 88-108MHz. Khi nhập tần số từ bàn phím vào 89C51 thì 89C51 sẽ xử lý để đưa tần số hiển thị trên LCD và đưa dữ liệu sang LC72131/M. Tại đây, LC72131/M so sánh sự sai lệch giữa tín hiệu điều khiển và tín hiệu nhận được từ BA1404 qua chân FMIN sẽ cho tín hiệu ra tại chân PD về BA1404 thông qua varicap, varicap sẽ thay đổi giá trị điện dung thay đổi tần số cộng hưởng sẽ điều chỉnh tần số ra của BA1404 tại chân số 7 59 BÁO CÁO NCKH CÀI ĐẶT TẦN SỐ MÁY PHÁT FM BẰNG BÀN PHÍM (OUT), cứ như vậy cho đến khi sai số giữa tần số ra từ BA1404 và tần số điều khiển từ 89C51 bằng 0 thì LC72131/M sẽ khoá vòng so sánh lại, chân FMIN nhận được một tần số cố định, chân PD cho ra một mức điện áp cố định, varicap không thay đổi điện dung, BA1404 phát tần số ta muốn. Khi bị mất điện hoặc tắt đi rồi mở lại, nếu ta không muốn điều chỉnh tần số phát thì mạch sẽ tự động phát lại tần số trước đó nhờ Pin nuôi 89C51 trong thời gian ngắn. 5.4. Sơ đồ mạch in Hình 5.10: Sơ đồ mạch in 60 BÁO CÁO NCKH CÀI ĐẶT TẦN SỐ MÁY PHÁT FM BẰNG BÀN PHÍM 5.5. Sơ đồ thuật giải 61 BÁO CÁO NCKH CÀI ĐẶT TẦN SỐ MÁY PHÁT FM BẰNG BÀN PHÍM KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI A. KẾT LUẬN Qua đề tài em đã nắm vững hơn những điều đã được học ở trường, ở sách vở và tiếp cận thực tế để có kinh nghiệm hơn. Đề tài đã trình bày khá đầy đủ những vấn đề có liên quan đến máy phát FM. Lĩnh vực cao tần là khá khó đối với sinh viên và tài liệu liên quan cũng không nhiều, các cách tính toán hay các thông số khó chính xác do bị nhiễu. Do vậy mà đề tài này có mặt hạn chế là các thông số tính toán chưa nhiều, lý thuyết chuyên môn chưa sâu. Nhưng đồng thời có ưu điểm là có thể nhập tần số muốn phát bằng bàn phím và theo dõi bằng màn hình LCD nên rất tiện lợi, dễ sử dụng và có khả năng lưu trữ lại tần số đang phát. Đề tài đã hoàn thành đúng thời gian quy định và thi công một máy phát FM có công suất phát cực nhỏ với nhiều ưu điểm thuận lợi để giải quyết những bất tiện cho đơn vị sản xuất thiết bị phát thanh chuyên dụng với giá thành rẻ. B. HƯỚNG PHÁT TRIỂN Lĩnh vực phát thanh mang tính chất quốc gia, có nhiều vấn đề quân sự, xã hội ràng buộc, có liên quan đến cục tần số… nên không thể sử dụng tuỳ tiện. Hướng phát triển đề tài này là nâng cao chất lượng đề tài bằng cách làm cho Máy Phát có thể phát được ở mọi tần số trong dải FM từ 88 – 108MHz một cách chính xác hơn, lọc nhiễu đến mức tối đa, tối ưu kích thước mạch để có thể bán trên thị trường hàng loạt với kích thước nhỏ, gọn, giá cả hợp lý. Đồng thời có thể làm thêm cách nhập tần số bằng 2 nút nhấn lên xuống hoặc điều khiển từ xa để chọn tần số. 62 BÁO CÁO NCKH CÀI ĐẶT TẦN SỐ MÁY PHÁT FM BẰNG BÀN PHÍM TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt: [1] Nguyễn Trung Lập, “Truyền dữ liệu” [2] Kiều Khắc Lâu, “Cơ sở kỹ thuật Siêu cao tần”, Nhà Xuất Bản Giáo Dục - 2006 [3] Nguyễn Hoàng Phương, “Máy phát hình RF”, Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật. [4] Đoàn Việt Trung, KS, “Nghiên cứu và ứng dụng công nghệ phát thanh số tại Việt Nam”, Đài tiếng nói Việt Nam, Hà Nội – 2005. Tiếng Anh: [5] Robert E. Collin, “Antenna and Radiowave Propagation”, McGraw Hill - 1985. Các trang web: [6] www.8052.com [7] www.alldatasheet.com [8] www.biendt.biz [9] www.diendandientu.com [10] www.dientuvietnam.net [11] www.dtvt.org [12] www.ebook.edu.vn [13] www.electronics-DIY.com [14] www.kythuatvien.com 63 BÁO CÁO NCKH CÀI ĐẶT TẦN SỐ MÁY PHÁT FM BẰNG BÀN PHÍM PHỤ LỤC