Điều biến biên độ trong RF: Lý thuyết, Miền thời gian, Miền tần số

"Tần số vô tuyến (RF) là tốc độ dao động của dòng điện hoặc điện áp xoay chiều hoặc của từ trường, điện hoặc điện từ hoặc hệ thống cơ học trong dải tần từ khoảng 20 kHz đến khoảng 300 GHz. -----"

Nội dung

● Điều chế tần số vô tuyến
● Toán
● Miền thời gian

● Miền tần số
● Tần suất tiêu cực

● Tổng kết

Điều chế tần số vô tuyến
Tìm hiểu về cách mã hóa thông tin đơn giản nhất trong dạng sóng mang.

Chúng ta đã thấy rằng điều chế RF chỉ đơn giản là sự điều chỉnh có chủ ý về biên độ, tần số hoặc pha của tín hiệu sóng mang hình sin. Việc sửa đổi này được thực hiện theo một sơ đồ cụ thể được thực hiện bởi người phát và được người nhận hiểu. Điều chế biên độ, tất nhiên là nguồn gốc của thuật ngữ radio AM AM bá thống Thay đổi biên độ của sóng mang theo giá trị tức thời của tín hiệu băng cơ sở.

Toán
Mối quan hệ toán học cho điều chế biên độ rất đơn giản và trực quan: bạn nhân sóng mang với tín hiệu băng cơ sở. Tần số của chính sóng mang không bị thay đổi, nhưng biên độ sẽ thay đổi liên tục theo giá trị dải cơ sở. (Tuy nhiên, như chúng ta sẽ thấy sau này, các biến thể biên độ giới thiệu các đặc tính tần số mới.) Một chi tiết tinh tế ở đây là sự cần thiết phải thay đổi tín hiệu dải tần cơ sở; chúng tôi đã thảo luận điều này trong trang trước. Nếu chúng ta có dạng sóng băng cơ sở khác nhau giữa dòng1 và +1, mối quan hệ toán học có thể được biểu thị như sau:

Xem thêm: >>Sự khác biệt giữa AM và FM Radio là gì?

Trong đó xAM là dạng sóng được điều chế biên độ, xC là sóng mang và xBB là tín hiệu băng cơ sở. Chúng ta có thể tiến thêm một bước nữa nếu chúng ta coi sóng mang là một hình sin vô tận, biên độ không đổi, tần số cố định. Nếu chúng ta giả sử rằng biên độ sóng mang là 1, chúng ta có thể thay thế xC bằng sin (ωCt).

Cho đến nay vẫn tốt, nhưng có một vấn đề với mối quan hệ này: bạn không có quyền kiểm soát đối với cường độ điều chỉnh của điều chế. Nói cách khác, mối quan hệ thay đổi biên độ thay đổi băng tần cơ sở được cố định. 

Ví dụ, chúng ta không thể thiết kế hệ thống sao cho một thay đổi nhỏ trong giá trị băng cơ sở sẽ tạo ra một thay đổi lớn trong biên độ sóng mang. Để giải quyết giới hạn này, chúng tôi giới thiệu m, được gọi là chỉ số điều chế.

Xem thêm: >>Làm thế nào để loại bỏ tiếng ồn trên AM và FM Receiver 

Bây giờ, bằng cách thay đổi m, chúng ta có thể kiểm soát cường độ của hiệu ứng tín hiệu cơ sở trên biên độ sóng mang. Tuy nhiên, lưu ý rằng m được nhân với tín hiệu băng gốc, không phải là dải cơ sở đã dịch chuyển. 

Do đó, nếu xBB kéo dài từ Giàn1 lên +1, bất kỳ giá trị nào của m lớn hơn 1 sẽ khiến (1 + mxBB) mở rộng sang phần âm của trục Y-trục nhưng đây chính xác là những gì chúng tôi đang cố gắng tránh bằng cách dịch chuyển nó trở lên ở nơi đầu tiên Vì vậy, hãy nhớ rằng, nếu chỉ số điều chế được sử dụng, tín hiệu phải được dịch chuyển dựa trên biên độ cực đại của mxBB chứ không phải xBB.

Miền thời gian
Chúng tôi đã xem xét các dạng sóng miền thời gian AM trong trang trước. Đây là âm mưu cuối cùng (baseband màu đỏ, dạng sóng AM màu xanh lam):

Bây giờ hãy xem xét ảnh hưởng của chỉ số điều chế. Đây là một âm mưu tương tự, nhưng lần này tôi đã thay đổi tín hiệu dải tần cơ sở bằng cách thêm 3 thay vì 1 (phạm vi ban đầu vẫn là từ1 đến +1).

Bây giờ chúng tôi sẽ kết hợp một chỉ số điều chế. Biểu đồ sau là với m = 3.

Biên độ của bộ chuyển đổi giờ đây nhạy cảm hơn với giá trị khác nhau của tín hiệu băng cơ sở. Dải cơ sở đã dịch chuyển không nhập phần âm của trục y vì tôi đã chọn phần bù DC theo chỉ số điều chế.

Bạn có thể tự hỏi về điều gì đó: Làm thế nào chúng ta có thể chọn độ lệch DC chính xác mà không cần biết các đặc điểm biên độ chính xác của tín hiệu dải cơ sở? Nói cách khác, làm thế nào chúng ta có thể đảm bảo rằng sự dao động tiêu cực của dạng sóng cơ sở kéo dài chính xác đến không? 

Trả lời: Bạn không cần. Hai ô trước là dạng sóng AM hợp lệ như nhau; tín hiệu băng cơ sở được truyền trung thực trong cả hai trường hợp. Bất kỳ phần bù DC nào còn lại sau khi giải điều chế đều dễ dàng được loại bỏ bằng một tụ điện nối tiếp. (Chương tiếp theo sẽ đề cập đến giải điều chế.)

Xem thêm: >>Sự khác biệt giữa AM và FM là gì?

Miền tần số
Như chúng ta đã thảo luận trước đây, phát triển RF sử dụng rộng rãi phân tích miền tần số. Chúng ta có thể kiểm tra và đánh giá tín hiệu điều chế trong đời thực bằng cách đo nó bằng máy phân tích phổ, nhưng điều này có nghĩa là chúng ta cần biết phổ sẽ trông như thế nào.

Hãy bắt đầu với biểu diễn miền tần số của tín hiệu sóng mang:

Đây chính xác là những gì chúng tôi mong đợi đối với sóng mang không điều chế: một xung đột duy nhất ở 10 MHz. Bây giờ chúng ta hãy nhìn vào phổ của tín hiệu được tạo ra bằng cách điều chỉnh biên độ sóng mang với hình sin 1 MHz tần số không đổi.

Ở đây bạn thấy các đặc điểm tiêu chuẩn của dạng sóng được điều chế biên độ: tín hiệu băng cơ sở đã được dịch chuyển theo tần số của sóng mang. 

Xem thêm: >>RF lọc Khái niệm cơ bản Hướng dẫn 

Bạn cũng có thể nghĩ về điều này khi thêm vào các tần số băng tần cơ sở vào tín hiệu sóng mang, đó thực sự là những gì chúng ta đang làm khi sử dụng điều chế biên độ, tần số sóng mang vẫn còn, như bạn có thể thấy trong các dạng sóng miền thời gian, nhưng sự thay đổi biên độ tạo thành nội dung tần số mới tương ứng với các đặc tính phổ của tín hiệu băng cơ sở.

Nếu chúng ta nhìn kỹ hơn vào phổ được điều chế, chúng ta có thể thấy rằng hai đỉnh mới là 1 MHz (tức là tần số băng cơ sở) ở trên và 1 MHz dưới tần số sóng mang:

(Trong trường hợp bạn đang tự hỏi, tính không đối xứng là một yếu tố của quá trình tính toán; các ô này được tạo bằng dữ liệu thực, với độ phân giải hạn chế. Phổ phổ lý tưởng sẽ là đối xứng.)

>>Quay lại đầu trang

Tần suất tiêu cực
Để tóm tắt, sau đó, điều chế biên độ sẽ dịch phổ dải cơ sở thành một dải tần tập trung xung quanh tần số sóng mang. Mặc dù vậy, có một điều chúng ta cần giải thích: Tại sao lại có hai đỉnh một ở tần số sóng mang cộng với tần số dải tần cơ sở và một tần số khác ở tần số sóng mang trừ đi tần số dải tần cơ sở? 

Câu trả lời trở nên rõ ràng nếu chúng ta chỉ cần nhớ rằng phổ Fourier đối xứng với trục y; mặc dù chúng ta thường chỉ hiển thị các tần số dương, phần âm của trục x chứa các tần số âm tương ứng. 

Các tần số âm này dễ bị bỏ qua khi chúng ta xử lý phổ gốc, nhưng điều cần thiết là bao gồm các tần số âm khi chúng ta dịch chuyển phổ.

Sơ đồ sau đây cần làm rõ tình huống này.

Như bạn có thể thấy, phổ dải cơ sở và phổ sóng mang đối xứng với trục y. Đối với tín hiệu băng cơ sở, điều này dẫn đến một phổ kéo dài liên tục từ phần dương của trục x đến phần âm; đối với người vận chuyển, chúng ta chỉ cần có hai mũi nhọn, một mũi nhọn ở + ωC và một mũi nhọn tại. Và phổ AM, một lần nữa, đối xứng: phổ dải cơ sở được dịch xuất hiện ở phần dương và phần âm của trục x.

>>Quay lạip

Và đây là một điều cần lưu ý: điều chế biên độ làm cho băng thông tăng lên gấp 2 lần. Chúng tôi đo băng thông chỉ sử dụng tần số dương, do đó băng thông băng cơ sở chỉ đơn giản là BWBB (xem sơ đồ bên dưới). Nhưng sau khi dịch toàn bộ phổ (tần số dương và âm), tất cả các tần số ban đầu đều trở nên dương, sao cho băng thông được điều chế là 2BWBB.

Tổng kết
* Điều chế biên độ tương ứng với việc nhân sóng mang với tín hiệu băng cơ sở đã dịch chuyển.

* Chỉ số điều chế có thể được sử dụng để làm cho biên độ sóng mang nhạy hơn (hoặc ít hơn) với các biến đổi trong giá trị của tín hiệu băng cơ sở.

* Trong miền tần số, điều chế biên độ tương ứng với việc dịch phổ dải cơ sở thành một dải bao quanh tần số sóng mang.

* Do phổ dải cơ sở đối xứng với trục y, việc dịch tần số này dẫn đến tăng băng thông lên 2 lần.

>>Quay lạip

Để lại lời nhắn 

Danh sách tin nhắn