Phân tích điều chế AM và FM trên máy phân tích tín hiệu: độ sâu điều chế và độ di tần

Bộ đàm FM của đội bảo vệ, máy phát thanh FM của đài địa phương, bộ phát tín hiệu dùng trong phòng hiệu chuẩn: tất cả vẫn dùng điều chế tương tự, và tất cả đều bị kiểm tra bằng hai con số rất cụ thể là độ sâu điều chế AM và độ di tần FM. Phân tích điều chế AM và FM nghe có vẻ là kiến thức cũ, nhưng khi phép đo phải có số để đối chiếu với giới hạn trong tiêu chuẩn, người kỹ sư cần biết mình đang đọc giá trị đỉnh hay giá trị hiệu dụng, bộ lọc nào đang bật, và máy phân tích có đủ độ chính xác hay không. Bài viết đi từ nguyên lý đọc độ sâu điều chế và độ di tần trên phổ, qua phương pháp triệt sóng mang, tới cách dùng ứng dụng giải điều chế tương tự trên máy phân tích tín hiệu Keysight.

Phân tích điều chế AM và FM: đo gì và vì sao vẫn cần

Với AM, đại lượng chính là độ sâu điều chế m, tỉ lệ biên độ đường bao dao động quanh biên độ sóng mang. Với FM, đại lượng chính là độ di tần Δf, độ lệch tần số đỉnh của sóng mang so với tần số trung tâm. Chỉ số điều chế góc là tỉ số giữa độ di tần đỉnh và tần số điều chế, m = Δf/f_m; ghi chú ứng dụng AN 150-1 của Keysight dùng ký hiệu m cho đại lượng này, nhiều giáo trình gọi là β.

Hai con số này quyết định băng thông chiếm dụng, mức nhiễu sang kênh lân cận và chất lượng âm thanh sau giải điều chế. Tiêu chuẩn ETSI EN 300 086 V2.1.2 (2016) cho thiết bị vô tuyến di động mặt đất dùng thoại tương tự, dải 30 MHz – 1 GHz, quy định độ di tần tối đa cho phép là ±2,5 kHz với kênh 12,5 kHz, ±4,0 kHz với kênh 20 kHz và ±5,0 kHz với kênh 25 kHz (mục 7.4.3.1, Bảng 3). Về phổ và băng thông phát xạ nói chung, khuyến nghị ITU-R SM.328 hiện hành là bản SM.328-12 (09/2025). Muốn so với giới hạn, phép đo phải cho ra con số tin cậy được.

Độ sâu điều chế AM: đọc từ biên phổ hay từ miền thời gian

Một sóng mang điều chế AM bằng một âm đơn có hai biên phổ cách sóng mang đúng bằng tần số điều chế. Theo AN 150-1 (tài liệu Keysight 5954-9130, “Spectrum Analysis: Amplitude and Frequency Modulation”), chênh lệch giữa biên phổ và sóng mang là E_SB − E_c = 20·log(m/2) tính bằng dB. Khi m = 100%, mỗi biên phổ thấp hơn sóng mang 6 dB, tức bằng một phần tư công suất sóng mang, và tổng công suất tăng 50% so với sóng mang chưa điều chế.

Cách đọc trên miền tần số mạnh ở độ điều chế nhỏ. Vì máy phân tích phổ có dải động hơn 70 dB, AN 150-1 cho biết đo được độ điều chế thấp tới khoảng 0,06%; ví dụ trong tài liệu: độ sâu 0,86% ứng với biên phổ thấp hơn sóng mang 47,28 dB. Đây là chỗ phép đo bằng máy hiện sóng gần như bó tay.

Với độ điều chế lớn, cách đọc trên miền thời gian trực quan hơn. Đặt máy ở chế độ zero span, thang biên độ tuyến tính, độ sâu điều chế là m = (E_max − E_min)/(E_max + E_min). Dùng marker delta, chỉ cần tỉ số E_min/E_max: tỉ số 0,536 cho m = 30,2%. Cùng màn hình đó còn đọc được tần số điều chế từ chu kỳ đường bao, ví dụ chu kỳ 2,6 ms ứng với khoảng 385 Hz.

Khi biên phổ không đối xứng

Nếu biên phổ trên và dưới lệch nhau, đó là dấu hiệu AM và FM (hoặc PM) cùng tồn tại ở cùng tần số điều chế, tức điều chế ký sinh. AN 150-1 lưu ý máy phân tích phổ không giữ thông tin pha, nên không tách được hai thành phần chỉ bằng cách nhìn phổ. Đây là lý do cần một bộ giải điều chế thật sự, thay vì suy ra từ biên độ các vạch phổ.

Độ di tần FM: hàm Bessel và phương pháp triệt sóng mang

Phổ FM không chỉ có một cặp biên. Biên độ sóng mang và từng cặp biên phổ tuân theo hàm Bessel của chỉ số điều chế. Với m = 3, AN 150-1 cho J₀ = −0,27, J₁ = 0,33, J₂ = 0,48, J₃ = 0,33: sóng mang nhỏ hơn cả cặp biên thứ hai.

Tính chất quan trọng nhất cho đo lường là sóng mang biến mất hoàn toàn khi J₀ = 0. Theo Bảng 1 của AN 150-1, các điểm triệt sóng mang nằm ở chỉ số điều chế 2,40; 5,52; 8,65; 11,79; 14,93; 18,07. Phương pháp triệt sóng mang dựa trên điều đó: giữ tần số điều chế cố định, tăng dần mức điều chế cho tới khi vạch sóng mang chìm xuống nền nhiễu lần đầu tiên, khi đó m = 2,40 và Δf = 2,40 × f_m. Ví dụ của AN 150-1: f_m = 10 kHz, tại điểm triệt thứ nhất suy ra Δf = 24 kHz. Vì AM ký sinh không làm thay đổi điểm triệt của sóng mang, phương pháp này không bị AM đi kèm làm lệch, nên nó được dùng để kiểm chứng máy đo độ di tần.

Băng thông của tín hiệu FM theo AN 150-1 là B = 2Δf + 2f_m = 2f_m(1 + m), công thức cho thoại, bỏ qua các biên phổ nhỏ hơn 10% điện áp sóng mang. Ví dụ phát thanh FM: Δf = 75 kHz, f_m tối đa 15 kHz, m = 5, có 8 cặp biên đáng kể, B = 240 kHz. Khi m nhỏ hơn 0,2 chỉ còn một cặp biên đáng kể và B ≈ 2f_m; khi m lớn hơn 100 thì B ≈ 2Δf.

Giải điều chế tương tự trên máy phân tích tín hiệu Keysight

Đọc phổ và đếm điểm triệt là cách làm tốt để hiểu và kiểm chứng, nhưng không tiện cho kiểm tra hằng ngày. Ứng dụng N9063EM0E Analog Demodulation chạy trên các máy phân tích tín hiệu X-Series dòng B (CXA N9000B, EXA N9010B, MXA N9020B, PXA N9030B, UXA N9040B/N9041B) thực hiện giải điều chế tương tự và hiển thị đồng thời phổ RF, dạng sóng sau giải điều chế, phổ âm tần và bảng chỉ số. Theo tài liệu tổng quan 5992-2853EN, bảng kết quả gồm công suất sóng mang, sai số tần số sóng mang (với PM, FM), độ sâu AM, độ di pha, độ di tần FM, tần số điều chế, SINAD, THD và méo tổng.

Mỗi đại lượng độ sâu hoặc độ di được đọc bằng bốn bộ tách sóng: Peak+, Peak−, (Pk-Pk)/2 và RMS. Chỉ tiêu độ chính xác trong tài liệu áp dụng cho kết quả (Pk-Pk)/2. Đây là chi tiết dễ bỏ qua: khi so với giới hạn tính theo giá trị đỉnh mà lại đọc cột RMS, với điều chế hình sin, giá trị RMS chỉ bằng khoảng 0,707 lần giá trị đỉnh, tức thấp hơn gần 30%.

Ứng dụng có bộ lọc thông cao 20, 50, 300, 400 Hz; bộ lọc thông thấp 300 Hz, 3, 15, 30, 80, 100, 300 kHz; các bộ lọc trọng số CCITT, A-weighted, C-message, CCIR; và bốn hằng số de-emphasis 25, 50, 75, 750 µs. Chế độ phân tích quá độ hỗ trợ các phép đo thời gian bật sóng mang và hành vi tần số khi chuyển trạng thái theo TIA-603, lưu được tới 3,6 triệu mẫu dạng sóng FM sau giải điều chế.

Về độ chính xác, 5992-2853EN công bố cho UXA N9040B ở băng 0 (tới 3,6 GHz), nhiệt độ 20–30 °C: độ sâu AM ±(0,1% số đọc + 0,07%), độ di tần FM ±(0,3% số đọc + 0,1% tần số điều chế) với chỉ số điều chế từ 0,2 tới 1 000, độ di pha ±(0,1% số đọc + 1 mrad), FM dư 1,2 Hz rms và AM dư 0,02% rms. Với các máy khác, số liệu nằm trong sổ tay chỉ tiêu riêng của từng máy; đừng lấy số của UXA áp cho máy khác.

Lưu ý thực hành khi đo độ sâu điều chế và độ di tần

• Độ rộng kênh giải điều chế: tài liệu Keysight nêu băng thông kênh phải đủ rộng để chứa phần năng lượng RF đáng kể, nhưng đặt quá rộng sẽ đưa thêm nhiễu vào kết quả. Dùng công thức B = 2Δf + 2f_m để ước lượng rồi cộng thêm biên an toàn.
• RBW khi đọc phổ: đo tần số điều chế cần RBW nhỏ hơn nhiều so với khoảng cách biên phổ (AN 150-1 dùng 300 Hz cho khoảng cách 8 kHz); đo độ di tần đỉnh-đỉnh trên phổ lại cần RBW lớn hơn nhiều so với f_m, và dùng MAX HOLD đủ lâu.
• Bộ lọc âm tần và de-emphasis thay đổi số đọc. Ghi rõ cấu hình lọc cùng kết quả; hai phòng thí nghiệm dùng bộ lọc khác nhau sẽ ra hai con số khác nhau cho cùng một máy phát.
• Kịch bản thử theo tiêu chuẩn: ETSI EN 300 086 đo độ di tần tối đa với tín hiệu thử cao hơn mức điều chế chuẩn 20 dB, quét tần số điều chế tới 3 kHz (2,55 kHz với kênh 12,5 kHz). Ở 6 kHz, độ di tần không được vượt 30% độ di tần tối đa cho phép.
• Kiểm chứng máy đo: trước một đợt đo quan trọng, dựng một tín hiệu FM từ máy phát chuẩn, chỉnh tới điểm triệt sóng mang thứ nhất và so số đọc Δf với 2,40 × f_m.

Phép đo điều chế thường đi cùng phép đo mặt nạ phổ và công suất kênh lân cận; phần này được trình bày chi tiết trong bài mặt nạ phổ phát và công suất kênh lân cận.

Chọn thiết bị Keysight cho phân tích điều chế AM và FM

• Kiểm tra nhanh, bảo trì hiện trường: máy phân tích phổ cơ bản Keysight N9322C, 9 kHz – 7 GHz. Tuỳ chọn AMA hiển thị công suất sóng mang, tần số điều chế, độ sâu AM hoặc độ di tần FM, SINAD và sai lệch tần số sóng mang; tính năng nghe AM/FM là tiêu chuẩn. Brochure 5991-1166EN không công bố độ chính xác cho phép đo này, nên dùng cho kiểm tra xu hướng hơn là đo đối chiếu giới hạn.
• Dây chuyền và phòng thử nghiệm phổ thông: máy phân tích tín hiệu EXA Keysight N9010B, 10 Hz tới 44 GHz tuỳ tuỳ chọn, băng thông phân tích tiêu chuẩn 25 MHz, tối đa 40 MHz, chạy được N9063EM0E.
• Phòng R&D và hiệu chuẩn máy phát: máy phân tích tín hiệu MXA Keysight N9020B, 10 Hz tới 50 GHz tuỳ tuỳ chọn, băng thông phân tích tới 160 MHz.
• Yêu cầu hiệu năng cao nhất: máy phân tích tín hiệu PXA Keysight N9030B, 2 Hz tới 50 GHz, băng thông phân tích tới 510 MHz, phù hợp khi vừa đo điều chế tương tự vừa phải phân tích tín hiệu số băng rộng trên cùng một máy.

Kết luận

Phân tích điều chế AM và FM xoay quanh hai con số, nhưng mỗi con số có nhiều cách đọc. Độ sâu AM đọc từ biên phổ cho độ nhạy cao ở điều chế nhỏ, đọc trên miền thời gian cho trực quan ở điều chế lớn. Độ di tần FM được kiểm chứng chắc chắn nhất bằng điểm triệt sóng mang của hàm Bessel. Trong kiểm tra thực tế, ứng dụng giải điều chế tương tự trên máy phân tích tín hiệu cho kết quả đầy đủ, miễn là người đo chọn đúng bộ tách sóng, bộ lọc và băng thông kênh.

Mọi chỉ tiêu độ chính xác ở trên chỉ còn ý nghĩa khi máy phân tích đã được hiệu chuẩn. Techmaster Electronics cung cấp dịch vụ hiệu chuẩn máy phân tích phổ, máy phân tích tín hiệu và máy phát tín hiệu theo ISO/IEC 17025. Liên hệ hotline 0908 173 345 để được tư vấn cấu hình đo điều chế và lịch hiệu chuẩn.

Biên soạn bởi Khanh Nguyen — Marketing Manager, Techmaster Electronics JSC.