Máy thu đổi tần: vì sao trung tần vẫn là một ý tưởng bền vững

Máy thu đổi tần là gì?

Máy thu đổi tần, thường gọi là máy thu superheterodyne, là kiến trúc chuyển tín hiệu cao tần cần thu về một tần số trung gian cố định trước khi lọc chọn kênh và giải điều chế. Thay vì chế tạo một bộ lọc rất hẹp phải thay đổi trên toàn dải RF, hệ thống dùng bộ dao động nội và bộ trộn để đưa mọi kênh được chọn về cùng một IF. Các khối IF vì thế có thể tối ưu độ chọn lọc, độ khuếch đại và tính ổn định tại một dải cố định.

Kiến trúc cơ bản gồm anten, bộ lọc tiền chọn, khuếch đại RF nhiễu thấp, bộ trộn, dao động nội, lọc và khuếch đại IF, bộ giải điều chế và khuếch đại băng gốc. Mỗi khối giải quyết một phần riêng của bài toán: tiền chọn hạn chế tín hiệu ngoài băng, LNA cải thiện độ nhạy, bộ trộn dịch tần, IF tạo độ chọn lọc còn bộ giải điều chế khôi phục thông tin âm tần hoặc dữ liệu.

Nguyên lý trộn tần và sự hình thành trung tần

Bộ trộn là phần tử phi tuyến hoặc mạch nhân. Khi tín hiệu RF có tần số fRF được nhân với dao động nội fLO, đầu ra xuất hiện các thành phần tại fRF + fLO và |fRF − fLO| cùng với rò LO, hài và các sản phẩm xuyên điều chế. Bộ lọc IF giữ thành phần đúng với tần số trung gian đã thiết kế. Khi đổi kênh thu, mạch điều khiển thay đổi fLO sao cho hiệu giữa kênh mới và LO vẫn bằng IF.

Một khó khăn quan trọng là tần số ảnh. Hai tần số RF nằm đối xứng quanh LO có thể tạo cùng một IF, nên bộ lọc sau trộn không phân biệt được chúng. Bộ lọc tiền chọn RF phải suy giảm ảnh trước khi tín hiệu vào mixer. IF cao giúp tách ảnh xa hơn nhưng khó tạo lọc kênh rất hẹp; IF thấp thuận lợi cho độ chọn lọc nhưng ảnh gần hơn. Máy thu nhiều lần đổi tần được dùng để cân bằng hai yêu cầu này.

Tín hiệu đi qua chuỗi thu như thế nào?

Từ anten, tín hiệu đi qua mạng phối hợp và bộ lọc tiền chọn để loại phần lớn năng lượng ngoài dải. LNA nâng mức tín hiệu với hệ số nhiễu nhỏ. Mixer trộn RF với LO; lọc IF lấy kênh cần thu rồi các tầng AGC điều chỉnh gain để tránh bão hòa nhưng vẫn khai thác đủ dải động ADC hoặc bộ tách sóng. Sau giải điều chế, lọc băng gốc loại thành phần cao tần còn lại và đưa âm thanh hoặc bit dữ liệu tới khối xử lý.

Trên bàn thí nghiệm, điểm đo nên đặt trước và sau từng chuyển đổi chức năng. Phổ trước mixer cho biết kênh và tín hiệu ảnh; phổ sau mixer thể hiện tổng, hiệu và spurious; phổ sau IF cho thấy băng thông chọn kênh; dạng sóng sau detector cho phép đánh giá méo. Khi vặn tần số LO, người học phải thấy kênh mong muốn dịch vào hoặc ra khỏi passband IF chứ không chỉ thấy nhãn tần số thay đổi.

• RF front-end quyết định độ nhạy, tần số ảnh và khả năng chịu tín hiệu mạnh.
• Mixer thực hiện dịch tần nhưng đồng thời tạo nhiều sản phẩm không mong muốn.
• IF quyết định phần lớn độ chọn lọc kênh và khả năng đo kiểm của máy thu.

Ứng dụng của kiến trúc đổi tần

Superheterodyne được dùng trong máy thu quảng bá AM/FM, máy thông tin vô tuyến, radar, máy thu vệ tinh, thiết bị đo phổ và nhiều bộ thu SDR có front-end tương tự. Các máy phân tích tín hiệu hiện đại vẫn dùng một hoặc nhiều tầng down-converter để đưa dải RF rộng về IF phù hợp với bộ số hóa tốc độ cao. Vì vậy, trung tần không phải một khái niệm lỗi thời mà là cách phân chia hợp lý giữa miền tương tự và miền số.

Biến thể zero-IF đưa tín hiệu thẳng về I/Q quanh 0 Hz, giảm số tầng lọc nhưng phải xử lý lệch DC, mất cân bằng I/Q và rò LO. Low-IF tránh một phần nhiễu DC nhưng vẫn cần khử ảnh số. Việc chọn superheterodyne, low-IF hay direct conversion phụ thuộc dải động, băng thông, công suất, chi phí và khả năng hiệu chuẩn của hệ thống cụ thể.