Radio hoạt động theo nguyên lý nào?

 (lcamtuf.substack.com)
1 điểm bởi GN⁺ 2024-03-26 | 1 bình luận | Chia sẻ qua WhatsApp
  • Radio gửi tín hiệu bằng điện trường xoay chiều do các điện tích dao động qua lại rất nhanh tạo ra, và anten thu nhận tín hiệu này bằng cách được cảm ứng dòng điện cùng tần số
  • Một anten tốt không chỉ là một thanh kim loại đơn giản mà là một cấu trúc cộng hưởng tận dụng bước sóng và phản xạ; dipole nửa bước sóng có trở kháng đầu vào thấp nên có thể cho dòng điện xoay chiều lớn chạy qua
  • AM, FM, PM, QAM mang thông tin bằng cách thay đổi đặc tính của sóng mang, nhưng nếu điều chế quá nhanh thì tín hiệu sẽ sụp đổ, và AM cũng chiếm băng thông
  • Máy thu tạo ra các thành phần chênh lệch tần số bằng cách nhân tín hiệu từ anten với một sóng sin đã chọn, rồi dùng bộ lọc để chỉ lấy tín hiệu mong muốn
  • Máy thu siêu dị tần chuyển tín hiệu mong muốn sang một tần số trung gian (IF) cố định để lọc, giúp xử lý dễ hơn vấn đề ảnh đối xứng trên/dưới phát sinh trong trộn trực tiếp

Anten tạo sóng điện từ từ chuyển động qua lại của điện tích

  • Truyền thông radio được dùng rất rộng rãi trong các thiết bị điện tử hiện đại, nhưng ở mức độ sở thích cá nhân thì có thể khó giải thích điều kiện của một anten tốt hoặc nguyên lý máy thu chọn đúng một tần số cụ thể
  • Có thể hiểu anten một cách trực quan bằng cách hình dung một tụ điện bị tách ra
    • Điện trường giữa hai bản tụ lan ra không gian xung quanh
    • Điện trường tĩnh không truyền tải thông tin, và phần lớn năng lượng lưu trữ cũng có thể được thu hồi bằng cách nối hai bản để cân bằng điện tích
  • Nếu làm cho điện tích dao động qua lại rất nhanh giữa hai bản, mô hình điện trường luân phiên sẽ lan ra ngoài với tốc độ ánh sáng
    • Điện tích dịch chuyển càng nhiều thì cường độ của mỗi sóng càng lớn
    • Số lần chuyển đổi mỗi giây, tức tần số tín hiệu, càng cao thì năng lượng bức xạ cũng càng lớn
  • Chỉ một dạng sóng hoàn toàn đồng đều thì chưa đủ cho truyền thông; có thể mang thông tin bằng cách thay đổi nhẹ các đặc tính như biên độ theo thời gian
  • Việc phát đồng thời ở các tần số khác nhau có thể được phía thu phân biệt, và điều này dẫn tới nguyên lý trộn và lọc ở phần sau

Vì sao dipole nửa bước sóng thực sự hoạt động

  • Cách nối một tụ điện bị tách ra với nguồn tín hiệu điện áp trên thực tế khó tạo hiệu quả lớn
    • Nếu kéo hai bản ra xa, điện dung giảm mạnh và mạch gần như thành hở
    • Muốn tạo đủ chuyển động qua lại của electron thì cần điện áp cao
    • Nếu không có dòng điện đủ mạnh thì năng lượng của sóng bức xạ ra cũng nhỏ
  • Anten dipole nửa bước sóng là cấu trúc gồm hai thanh đồng trục, được kích bằng sóng sin ở chính giữa
    • Mỗi thanh dài đúng 1/4 bước sóng
    • Công thức đổi bước sóng là λ = c / f
    • Ví dụ, nếu f = 200 MHz thì λ xấp xỉ 1,5m, tức khoảng 5 feet
  • Trong dipole nửa bước sóng, độ trễ lan truyền tín hiệu và phản xạ ở đầu dây dẫn kết hợp để tạo cộng hưởng
    • Khi đỉnh của tín hiệu kích đến đầu mỗi thanh λ/4, nó giao thoa tăng cường với phản xạ của đỉnh trước đó
    • Mẫu giao thoa điện áp được tăng cường ở đầu thanh và triệt tiêu gần điểm cấp nguồn
    • Nhờ cấu trúc này, việc cấp dòng điện xoay chiều lớn trở nên dễ hơn, và anten thể hiện trở kháng điện rất thấp đến mức đáng ngạc nhiên
  • Các dipole có chiều dài là bội lẻ của nửa bước sóng như 3/2 λ, 5/2 λ cũng cho hành vi cộng hưởng
    • Ở các bội chẵn như 1 λ, 2 λ cũng có cộng hưởng tương tự, nhưng vị trí sóng dừng lại nằm theo hướng cản trở hơn là hỗ trợ việc kích
    • Các chiều dài khác dù không cộng hưởng hoàn toàn nhưng vẫn có thể đủ gần
  • Anten quá ngắn có thể được cải thiện bằng cuộn cảm nối tiếp
    • Cuộn cảm bổ sung độ trễ dòng điện
    • Đoạn giống lò xo ở chân anten tương ứng với kéo dài điện học
    • Cách này không thể làm anten ngắn tốt ngang anten đúng kích thước thực, nhưng hữu ích khi xử lý trở kháng đầu vào

Anten thu và tính định hướng

  • Điện trường thực tế quanh anten phát có vùng chết dọc theo trục anten
    • Vì trên trục đó điện trường bị giao thoa triệt tiêu
  • Nếu đặt cùng loại anten thu cách xa máy phát, dipole thu sẽ được cảm ứng dòng điện trong mô hình điện trường xoay chiều
    • Một vùng sẽ kéo electron lên phía bản trên, vùng khác sẽ đẩy chúng xuống phía dưới
    • Anten sẽ trải qua dòng điện qua lại giữa hai cực ở tần số hoạt động của máy phát
  • Nếu chiều dài anten thu phù hợp, dòng điện cảm ứng cũng có thể giao thoa tăng cường để tạo biên độ tín hiệu lớn hơn
  • Dipole dài hơn 1/2 bước sóng sẽ có tính định hướng mạnh hơn
    • Chỉ cần lệch góc một chút, hai đầu của dipole dài có thể rơi vào các điện trường đối nghịch nhau
    • Khi đó dòng điện thuần có thể rất nhỏ hoặc bằng không
  • Không phải mọi anten đều là dipole, nhưng nhiều loại hoạt động theo nguyên lý tương tự
    • Monopole là biến thể trong đó một nửa của anten được thay bằng kết nối đất
    • Các hình dạng phức tạp được dùng để duy trì cộng hưởng ở nhiều tần số hoặc tinh chỉnh tính định hướng
    • Mảng anten dùng mô hình giao thoa tăng cường/triệt tiêu của các tín hiệu điều khiển số để linh hoạt hội tụ vào điểm cụ thể

Điều chế chuyển thông tin sang các dải quanh tần số

  • Các kiểu điều chế tiêu biểu là AM và FM
    • AM thay đổi biên độ của sóng mang để mang thông tin
    • FM dịch tần số sóng mang lên xuống
  • Các phương thức cao cấp hơn gồm PM và QAM
    • PM là điều chế pha
    • QAM truyền thông tin một cách vững chắc bằng biên độ tương đối của hai tín hiệu lệch pha 90°
  • Khi đã tách được sóng mang, việc giải điều chế bản thân nó tương đối dễ hiểu
    • AM cũng có thể được giải bằng cách chỉnh lưu sóng sin đã khuếch đại bằng diode rồi cho qua bộ lọc thông thấp để lấy đường bao tần số âm thanh
    • FM và PM dựa vào phase-locked loops để phát hiện sự dịch chuyển
  • Một ràng buộc quan trọng trong điều chế là tốc độ thay đổi của tín hiệu sóng mang phải thấp hơn rất nhiều so với tần số sóng mang
    • Nếu điều chế quá nhanh, nó sẽ phá vỡ sóng mang và biến tín hiệu thành thứ giống nhiễu băng rộng
    • Anten cộng hưởng và các mạch tuning radio truyền thống hoạt động dựa trên giả định rằng gần như không có gì thay đổi trong mỗi chu kỳ
  • Trái với trực giác, mọi kiểu điều chế đều chiếm băng thông tần số
    • AM cũng không phải mẹo không băng thông chỉ bằng cách đổi biên độ của một sóng sin tần số cố định
    • Bất kỳ thay đổi nào lệch khỏi sóng sin lý tưởng đều tạo ra các thành phần tạm thời trong miền tần số
    • Tốc độ thay đổi càng lớn thì quy mô của các thành phần đó càng lớn
    • Khi bắt tín hiệu phát thanh AM địa phương, có thể thấy các thành phần điều chế âm thanh trải ra vài kHz ở cả hai phía của sóng mang
  • Xét theo nghĩa rộng, điều chế là việc chuyển một dải tín hiệu tần số thấp như âm thanh sang một mảnh phổ có kích thước tương tự quanh tần số trung tâm đã chọn
    • Mỗi cách thực hiện có khác nhau, nhưng kết quả cuối cùng đều là sử dụng một dải tần

Máy thu tạo chênh lệch tần số bằng cách nhân tín hiệu

  • Hoạt động cơ bản của gần như mọi máy thu radio là trộn — tức nhân — tín hiệu anten đã khuếch đại với một sóng sin ở tần số được chọn
  • Nếu trong tín hiệu đầu vào có thành phần cùng tần số, kết quả phép nhân sẽ tạo ra một độ lệch DC tỷ lệ với cường độ thành phần đó
    • Các tần số đầu vào khác sẽ có giá trị trung bình tiến gần về 0 trên thang thời gian đủ dài
    • Quá trình này hoạt động rất giống với các phép biến đổi kiểu Fourier, vốn tách tín hiệu phức tạp thành các thành phần tần số riêng lẻ
  • Khi nhân hai sóng sin, sẽ đồng thời xuất hiện thành phần tần số thấp |f1 - f2| và thành phần tần số cao f1 + f2
    • Điều này được suy ra từ công thức cộng góc của cos
    • Hiện tượng tương tự trong âm nhạc còn được biết đến là tần số phách chậm xuất hiện khi phát cùng lúc hai nốt gần nhau
    • Ví dụ, cộng 400Hz và 405Hz sẽ tạo ra nhịp phách 5Hz
  • AM cũng có thể được giải thích từ góc nhìn phép nhân này
    • AM thay đổi biên độ của tín hiệu ở tần số sóng mang a bằng cách nhân nó với một sóng sin chậm hơn ở tần số b
    • Kết quả không thể phân biệt với chồng chập của hai sóng sin đối xứng nằm cách a một khoảng ±b
    • Vì vậy AM cũng dùng băng thông như các kiểu điều chế khác

Siêu dị tần đẩy vấn đề ảnh ra xa hơn

  • Để thu một trạm quanh 10MHz, có thể nghĩ đến cách đơn giản là trộn tín hiệu RF đầu vào với sóng sin 10MHz
    • Tín hiệu 10,00MHz sẽ hạ xuống DC
    • 10,01MHz sẽ tạo ra nhịp phách 10kHz và thành phần 20,01MHz
    • 10,02MHz sẽ tạo ra thành phần 20kHz và 20,02MHz
    • Sau đó có thể dùng bộ lọc thông thấp để chỉ giữ lại các tần số thấp thuộc kiểu điều chế và loại bỏ thành phần f1 + f2 không mong muốn quanh 20MHz
  • Vấn đề của cách đơn giản này phát sinh từ giá trị tuyệt đối trong công thức |f1 - f2|
    • Vì cos(x) và cos(-x) là như nhau, một trạm nằm dưới tần số chuẩn sẽ tạo ảnh không phân biệt được với trạm nằm phía trên
    • Ví dụ, thành phần 9,99MHz và tín hiệu 10,01MHz đều rơi vào 10kHz
  • Máy thu siêu dị tần trộn đầu vào RF với một tần số f thấp hơn tín hiệu cần quan tâm để chuyển tín hiệu đó sang một tần số trung gian (IF) cố định và tương đối thấp
    • Sau đó dùng bộ lọc thông dải tương đối đơn giản để chọn ra các thành phần liên quan
    • Thiết kế này do Edwin Armstrong nghĩ ra vào khoảng năm 1919 và được gọi là superheterodyne
  • Hành vi phản chiếu cơ bản vẫn còn, nhưng có thể điều khiển điểm đối xứng f để đẩy nó ra xa
    • Các ảnh ngẫu nhiên từ những trạm không liên quan sẽ dễ quản lý hơn
    • Có thể thiết kế đáp ứng tần số của anten hẹp hơn để ngay từ đầu ít thu các tần số ở xa
    • Cũng có thể đặt một bộ lọc thô trước mixer
  • Hành vi này của máy thu siêu dị tần cũng có thể được cân nhắc trong việc phân bổ phổ tần radio

Bài viết liên quan

1 bình luận

 
GN⁺ 2024-03-26
Ý kiến trên Hacker News
  • Bài nhập môn của họ [1] cũng thật sự rất hay
    Tôi thích cách tiếp cận lấp khoảng trống bằng những định nghĩa rõ ràng, không dựa vào “phép ví von thủy lực có khiếm khuyết” mà cũng không sa vào phương trình vi phân hay đại số số phức
    Từ rất lâu trước, khi chưa có Facebook và Google còn được xem là một công ty “tốt”, trong mảng điện tử nghiệp dư gần như không có lựa chọn nào ngoài PIC, tôi từng thấy trên mạng một khóa học điện tử rất dài và hoàn chỉnh, bắt đầu từ con số 0 với các khái niệm R/C cơ bản, transistor, nam châm/biến áp, rồi theo trí nhớ của tôi là đi tới cả những chủ đề khá nâng cao như radio
    Nó gồm các trang HTML và hình ảnh thô sơ, và điểm đặc biệt là giải thích được rất nhiều khái niệm tới mức có thể áp dụng vào thiết kế mạch analog thực tế mà không cần giải tích
    Có thể tôi nhớ nhầm, nhưng phong cách HTML có nền hơi vàng, dường như lấy từ một chương trình đào tạo điện tử ứng dụng cũ dành cho kỹ sư điện của Hải quân Mỹ, và có vẻ tập trung nhiều hơn vào mạch analog
    Trước đây tôi đã tải toàn bộ về, nhưng giờ không biết nó ở đâu nữa; có lẽ nằm đâu đó trên ổ đĩa 1GB của chiếc PC Pentium đầu tiên, nên thực tế coi như đã mất. Không biết có ai biết đó là gì không
    [1] https://lcamtuf.substack.com/p/primer-core-concepts-in-elect...
    • Tư liệu NEETS gốc có lẽ là ở đây: http://compatt.com/Tutorials/NEETS/NEETS.html
      Nội dung được cập nhật vào năm 2011
    • Tránh “phép ví von thủy lực có khiếm khuyết” là tốt, nhưng mọi phép ví von rốt cuộc đều có giới hạn. Vì nếu hoàn hảo thì nó không còn là ví von nữa mà đã là chính thứ đó rồi
      Nếu phép ví von thủy lực hoàn hảo, thì điện tử học đơn giản là hoạt động như chất lưu, và ta chỉ cần dạy nó như một phần của cơ học chất lưu. Nhưng thực tế điện tử học không phải là một phần của cơ học chất lưu; chỉ có vài điểm tương đồng có thể dùng cho giáo dục mà thôi
      Cách dạy ban đầu bằng một mô hình không hoàn chỉnh và đơn giản, rồi về sau bổ sung các chi tiết phá vỡ phép ví von đó, là chuyện phổ biến
  • Bài viết này rất xuất sắc, đặc biệt là cách giải thích trực quan vì sao một nửa bước sóng của tín hiệu muốn thu lại trở thành chiều dài anten lý tưởng
    Đoạn nói rằng mọi cách điều chế sóng đều có thể được diễn giải lại thành điều chế tần số cũng rất ấn tượng
    • Đó là lối tư duy cổ điển. Nhìn từ góc độ khác, ta có thể xem đầu vào đơn giản là một chuỗi liên tục các phép đo điện áp, rồi coi đây là bài toán tận dụng tính dư thừa trong dữ liệu có lẫn nhiễu để rút ra tín hiệu hữu ích. Máy thu định nghĩa bằng phần mềm hoạt động như vậy
      Radio analog (AM, FM, v.v.) điều chế tín hiệu rất nhẹ lên một sóng mang khổng lồ. TV analog dùng hình AM và âm thanh FM từng đưa 80% công suất vào sóng mang, và các đài truyền hình UHF analog thường dùng máy phát công suất vài megawatt chỉ để dùng công suất RF thuần át nhiễu
      Máy phát truyền hình số phát khoảng 150KW nhờ hiệu suất điều chế tốt hơn. Các kỹ thuật điều chế hiện đại hiệu quả đến mức điên rồ, và việc điện thoại di động có thể hoạt động thật đáng kinh ngạc
      [1] https://ocw.mit.edu/courses/6-450-principles-of-digital-comm...
  • Từ lâu, khi tôi đến lễ tốt nghiệp EECS của một người bạn ở UCLA, nhà sáng lập Qualcomm có phát biểu rằng động lực khiến ông làm tiến sĩ là sự tò mò và ám ảnh muốn thật sự hiểu radio thực sự hoạt động như thế nào
    Ông nói lý do nhận bằng tiến sĩ rốt cuộc cũng chỉ là vì phải mất chừng ấy thời gian ông mới cảm thấy mình đã hiểu đúng chiếc radio của mình, và ngay cả sau đó đôi khi ông vẫn không chắc chắn. Bài viết này khiến tôi nhớ tới bài phát biểu đó
  • Một tác phẩm kinh điển cũ, dễ hiểu cho độc giả phổ thông về lý thuyết đằng sau “khoa học radio”, là How Radio Signals Work All the Basics plus where to find out more của Jim Sinclair
  • Tim Hunkin đã đăng bản remaster của chương trình TV năm 1987 The Secret Life of the Radio, tái hiện các thí nghiệm khe phóng tia lửa điện và coherer của Hertz và Marconi
    https://www.youtube.com/watch?v=LMxate9gegg
    • Rất khuyến nghị toàn bộ loạt này. Tác phẩm của Hunkin là một kiệt tác
  • Vai trò của tầng điện ly cũng đáng được nhắc tới. Tầng điện ly là phần mang điện của khí quyển, phản xạ sóng radio/điện từ và cho phép liên lạc với phía bên kia Trái Đất
    Tầng điện ly có nhiều lớp và biến đổi khá động theo Mặt Trời cũng như hoạt động của Mặt Trời. Có thể hình dung nó như một lớp vỏ mang điện bao quanh Trái Đất, phản hồi sóng điện từ, và các tính chất của lớp vỏ đó liên tục dao động
    Bão Mặt Trời và cực quang đi kèm là tin xấu cho liên lạc radio. Đây là cách giải thích đã đơn giản hóa rất nhiều
    • Sóng ngắn có độ trễ truyền dẫn thấp hơn nhiều so với cáp quang, nên cũng có thể thiết lập liên lạc liên lục địa bằng radio nhanh hơn so với cáp quang xuyên đại dương
    • Bão Mặt Trời đúng là bất lợi cho liên lạc radio, nhưng ở VHF thì lại thú vị vì có thể xảy ra truyền sóng tán xạ ngược qua cực quang: https://www.electronics-notes.com/articles/ham_radio/amateur...
      Với HF thì chắc chắn không tốt. Nhờ Mặt Trời nổi loạn mấy ngày qua, tôi có dịp làm việc khác vào mỗi tối thay vì nghịch FT8
  • Tôi đã đọc bài này rất thích thú
    Khi bật video Vimeo về sự truyền lan điện trường của anten lưỡng cực ½ λ, tôi đã tìm tai nghe vì nghĩ biết đâu sẽ nghe thấy Dark Side of the Moon, nhưng không có chuyện đó
    Tôi hiểu anten và các đặc tính vật lý, nhưng toán học phía sau xử lý tín hiệu số thì lúc nào cũng khiến tôi thấy choáng ngợp
  • Mục tiêu “cung cấp phần nhập môn về radio mà không dùng thuật ngữ vô tuyến nghiệp dư và toán cao cấp” có vẻ rất hay

Nhưng nếu xuất hiện những câu như “thao tác phản chiếu cơ bản vẫn tồn tại, nhưng thường được quản lý khá tốt. Ảnh gương ngẫu nhiên của các tín hiệu phát không liên quan có thể được giảm thiểu bằng cách chọn IF một cách khôn ngoan, thiết kế ăng-ten có đáp tuyến tần số hẹp, hoặc nếu cần thì đặt bộ lọc thông thấp RF trước bộ trộn”, thì có cảm giác là mục tiêu đã không đạt được

  • Không hẳn vậy. Nếu có vấn đề thì chỉ là mức độ dùng các từ viết tắt IF và RF
    Sẽ tốt hơn nếu viết rõ như “IF (tần số trung gian)” và “RF (tần số vô tuyến)”, rồi gắn liên kết giải thích IF được dùng trong ngữ cảnh nào, nhưng các câu còn lại trông ổn
  • Nếu bạn thích bài này thì cũng nên đọc [1]. Đây là một bài thú vị tập trung vào mối quan hệ giữa radio và suy luận xác suất vào đầu những năm 1900
    https://www.argmin.net/p/the-spirit-of-radio
  • Tôi tò mò liệu có thể làm một máy thu radio FM sơ khai chỉ bằng những linh kiện cơ bản nhất, kiểu Masters of the Air, hay không
    • AM khá dễ, chỉ cần diode và tụ điện cũng có thể đủ, nhưng máy thu FM cần bộ dao động cục bộ, nên cần linh kiện chủ động như transistor và mạch phức tạp hơn
    • Về lý thuyết là có thể. Thu FM cũng tương tự AM, nhưng trước khi chuyển tín hiệu thành âm thanh cần có bộ tách sóng FM
      Nó cần một mạch phức tạp hơn một chút so với diode hay lưỡi dao cạo gỉ và dây kim loại dùng cho AM, nhưng không phải là cực kỳ phức tạp. Có nhiều cách để tách sóng FM, và phần lớn sử dụng pha, tức sự thay đổi tương đối tức thời của tần số, hơn là tần số thực tế
      Kỹ thuật hiện đại là vòng khóa pha, nhưng cũng có thể làm đơn giản hơn nhiều. Các bộ lọc RC, LC, RL thụ động cổ điển tạo ra dịch pha, và nếu lấy chênh lệch giữa hai pha thì về thực chất là giải mã FM. Không nhất thiết cần linh kiện chủ động
      Tuy nhiên nếu chỉ dùng bộ lọc RL thì hiệu suất rất thấp, nên nếu không có dù chỉ một transistor hay đèn chân không, có lẽ bạn phải đứng ngay cạnh máy phát. Dù vậy, với một đài địa phương có tín hiệu mạnh thì một đèn chân không hoặc một transistor là đủ
      Có tụ điện thì sẽ dễ hơn. Có thể cuộn chặt giấy và giấy bạc, hoặc đặt một mảnh kính hay mica giữa các miếng gỗ mỏng. Nên xem mạch tách sóng độ dốc (fig 3, 4) ở đây; bản thân bài viết cũng khá ổn để nhập môn tách sóng FM
      [1] https://wiki.analog.com/university/courses/electronics/elect...
    • Có thể. Tôi đã làm hồi cấp hai và thật sự rất vui