Quan sát tín hiệu âm tần, sóng mang và cách truyền thông tin bằng AM, FM qua đồ thị và hoạt động số.
Trình bày được sóng mang, tín hiệu cần truyền và nguyên lí biến điệu; phân biệt AM (biến đổi biên độ) với FM (biến đổi tần số tức thời). Nhận biết phổ AM, băng thông và liên hệ giữa tần số với bước sóng.
Đọc dạng sóng từ đồ thị có trục, đơn vị; thay đổi các tham số trong mô phỏng AM/FM, xác định hai dải biên AM, tính bước sóng radio và thảo luận nhiễu, phân bổ kênh.
Sau bài học: em giải thích được vì sao thông tin nằm trong sự thay đổi có kiểm soát của một đặc trưng sóng mang, không phải trong việc chỉ tăng công suất phát.
Biến điệu là quá trình làm thay đổi một đặc trưng của sóng mang tần số cao theo tín hiệu chứa thông tin. Tín hiệu âm tần (thí dụ điện áp từ micro) và sóng mang cao tần đóng vai trò khác nhau; thiết bị thu phải giải biến điệu để thu hồi thông tin.
Với AM, biên độ tức thời của sóng mang thay đổi theo tín hiệu điều chế. Trong mô hình hình sin một âm tần, đường bao trên của tín hiệu AM có dạng \(A_c[1+\mu\cos(2\pi f_m t)]\), khi \(0\le\mu\le1\); tần số sóng mang trung tâm không đổi.
Biên độ sóng mang bị điều khiển bởi đường bao theo tín hiệu âm tần.
| Kí hiệu | Ý nghĩa | Đơn vị SI |
|---|---|---|
| \(A_c\) | Biên độ sóng mang chưa biến điệu | V (tín hiệu điện áp) |
| \(\mu\) | Hệ số biến điệu biên độ, không thứ nguyên | 1 |
| \(f_m,f_c\) | Tần số âm tần và sóng mang | Hz |
| \(t\) | Thời gian | s |
Điều kiện: Mô hình tín hiệu một âm đơn; \(f_c\gg f_m\), \(0\le\mu\le1\) để không quá biến điệu; tín hiệu lý tưởng không có nhiễu.
Phổ lí tưởng của AM với một âm đơn gồm vạch sóng mang \(f_c\) và hai vạch biên ở \(f_c-f_m\), \(f_c+f_m\). Băng thông tín hiệu là khoảng cách giữa hai vạch biên.
Hai dải biên xuất hiện đối xứng quanh sóng mang. Với tín hiệu thực có băng thông B thì AM hai dải biên cần khoảng 2B.
| Kí hiệu | Ý nghĩa | Đơn vị SI |
|---|---|---|
| \(f_-;f_+\) | Tần số dải biên dưới và trên | Hz |
| \(f_c;f_m\) | Tần số sóng mang, âm tần đơn | Hz |
| \(B_{AM}\) | Độ rộng phổ AM trong mô hình | Hz |
Điều kiện: Chỉ tính trực tiếp 2 f_m cho tín hiệu điều chế đơn tần; phổ thực tế có thể rộng hơn khi tín hiệu có nhiều thành phần.
Với FM, tần số tức thời của sóng mang thay đổi theo tín hiệu đầu vào; biên độ đỉnh gần như không đổi trong mô hình lí tưởng. Nơi các đỉnh sóng sít nhau tương ứng tần số cao hơn; nơi chúng thưa ra tương ứng tần số thấp hơn. Pha của dao động phải biến thiên tương ứng để tạo ra sự thay đổi tần số tức thời.
Tần số tức thời dao động quanh tần số trung tâm; biến điệu một âm đơn có chỉ số \(\beta=\Delta f/f_m\).
| Kí hiệu | Ý nghĩa | Đơn vị SI |
|---|---|---|
| \(f_i(t)\) | Tần số tức thời | Hz |
| \(f_c\) | Tần số trung tâm của sóng mang | Hz |
| \(\Delta f\) | Độ lệch tần cực đại | Hz |
| \(f_m\) | Tần số tín hiệu điều chế | Hz |
Điều kiện: Âm tần hình cosin; \(\Delta f\ge0\); mô hình giữ biên độ đỉnh không đổi; phổ FM có nhiều dải biên, không chỉ hai dải như AM đơn tần.
| Tiêu chí | AM | FM |
|---|---|---|
| Đại lượng biến điệu | Biên độ sóng mang | Tần số tức thời |
| Tác động của nhiễu biên độ | Dễ ảnh hưởng hơn | Có thể hạn chế tốt hơn nhờ bộ thu FM |
| Băng thông | Hẹp hơn trong ứng dụng phát thanh thông thường | Thường rộng hơn |
| Truyền xa | Một số băng sóng có thể truyền rất xa theo điều kiện tầng điện li | VHF thường thiên về truyền trong tầm nhìn vô tuyến |
Sóng vô tuyến và các sóng điện từ khác trong chân không đều truyền với tốc độ \(c\). Trong không khí có thể lấy gần đúng tốc độ như trong chân không cho các phép tính phổ thông.
Tần số càng lớn thì bước sóng càng ngắn khi vận tốc truyền không đổi.
| Kí hiệu | Ý nghĩa | Đơn vị SI |
|---|---|---|
| \(\lambda\) | Bước sóng | m |
| \(c\) | Tốc độ ánh sáng trong chân không | m/s |
| \(f\) | Tần số sóng điện từ | Hz |
Điều kiện: Trong chân không; gần đúng cho sóng vô tuyến truyền trong không khí. Dùng Hz để tính ra mét.
\(\lambda=3{,}00\times10^8/(600\times10^3)=500\,\mathrm{m}\).
Ví dụ 2 · Đài FM 100 MHz:\(\lambda=3{,}00\times10^8/(100\times10^6)=3{,}00\,\mathrm{m}\). Hai đài có dải tần khác nhau nên có bước sóng khác nhau.
\(f_c=100\,\mathrm{kHz}\), \(f_m=4\,\mathrm{kHz}\): hai dải biên tại 96 kHz và 104 kHz, băng thông \(B_{AM}=8\,\mathrm{kHz}\). Kết quả này đúng cho âm đơn lí tưởng, không dùng nguyên xi cho tín hiệu tiếng nói nhiều tần số.
Hãy dự đoán độ cao của sóng hay độ sít các chu kì thay đổi trước khi kéo các thanh trượt. Mọi đồ thị đều hiển thị theo trục thời gian.
Mô hình tín hiệu tần số thấp để quan sát; không phát sóng vô tuyến thật.
Giả thiết: tín hiệu âm tần hình cosin, sóng mang lí tưởng, không nhiễu. Dải 16–40 Hz ở đây là tỉ lệ thời gian mô phỏng, hoàn toàn không phải tần số radio truyền thông; quỹ đạo đường sóng là tín hiệu điện áp theo thời gian, không phải hình dạng sóng đang lan truyền trong không gian.
Biên độ hai dải biên tỉ lệ với μ/2 lần vạch sóng mang trong mô hình AM một âm đơn. Không dùng đồ thị này để coi phổ FM chỉ có ba vạch.
Giá trị minh họa, không xác nhận đài đang phát tại một địa điểm cụ thể.
Không dùng kết quả để thiết kế anten thực tế nếu chưa xét hệ số môi trường, công suất, trở kháng và quy định tần số.
Video bài giảng tham khảo có thể mở trực tiếp trên YouTube (không nhúng iframe, tránh lỗi trình phát 153). Không phát sóng hoặc tự dựng máy phát RF ngoài quy định.
Sáu nhánh kiến thức, bấm để xem lớn hơn; có dạng danh sách thay thế cho thiết bị màn hình nhỏ.
Trong AM, các dao động biên độ ngẫu nhiên dễ làm nhiễu đường bao. Trong FM, thông tin chứa chủ yếu ở dao động tần số tức thời, vì vậy các bộ giới hạn biên độ ở máy thu có thể giúp giảm tác động loại nhiễu này. Nhưng cả hai đều chịu ảnh hưởng của môi trường và thiết bị, không có phương thức “miễn nhiễu” hoàn toàn.
Đối chiếu: Chuyên đề học tập Vật lí 11 – Kết nối tri thức, Bài 4, trang 27–32. Các đồ thị số được HAT xây dựng độc lập để minh họa giả thiết rõ ràng.