Lab. Modulacja i detekcja FM cz. 1 (PDF 402 kB)

Wstęp do telekomunikacji – laboratorium
Temat: Modulacja i detekcja FM – ćwiczenie 4 z cyklu 1
Osoby w grupie:
Sprawozdanie wykonał:
Data ćwiczenia:
Data oddania sprawozdania:
Ocena:
Głównym celem ćwiczenia było zapoznanie się ze sposobami modulacji oraz detekcji FM przy użyciu różnych
układów elektronicznych.
1. Ćwiczenie pierwsze polegało na wyznaczeniu charakterystyki przestrajania generatora VCO (Voltage
Controlled Oscillator – Generator Przestrajany Napięciem) wokół częstotliwości nośnej 200 kHz.
W celu wykonania ćwiczenia zestawiono następujące układy i urządzenia:
1. Sterowane źródło napięcia
2. Generator VCO
3. Woltomierz
4. Miernik częstotliwości – Metex MS-9140
Zgodnie z treścią instrukcji dokonano wyznaczenia charakterystyki przestrajania generatora VCO w funkcji
napięcia wejściowego. Na wejście VCO podano napięcia w zakresie –3.5 ÷ 3.4 V. Wynik pomiaru
przedstawiono na wykresie:
częstotliwość [kHz]
600
500
400
300
200
100
5
0
4
7
2
5
4
0
5
2
8
3
-3
,
-3
,
-2
,
-1
,
-1
,
-0
,
0,
1,
1,
2,
2,
3,
0
napięcie [V]
Jak widać charakterystyka przestrajania jest liniowa w zakresie od –3.5 ÷ 3.2 V. Stąd można wyznaczyć zakres
napięcia wejściowego, dla którego zmiany częstotliwość przebiegu wyjściowego będą liniowe. Zakres ten
wynosi –3.2 ÷ 3.2 V. Taki przedział zapewnia dobrą modulację za pomocą sygnału pozbawionego składowej
stałej i z amplitudą ograniczoną do tego przedziału.
Przy wejściu generatora VCO zwartym do masy, czyli dla Uwej = 0, przebieg wyjściowy miał częstotliwość
223 kHz. Stąd wniosek, że w przypadku wykorzystania tego generatora jako modulatora FM, częstotliwość
nośna będzie równa 223 kHz, dewiacja częstotliwości wyniesie ∆f = 93 kHz (dla przyjętego wyżej przedziału).
Przebieg modulujący, który zostanie podany na wejście VCO, powinien mieć ograniczoną amplitudę, tak aby
napięcie wejściowe zawierało się wyznaczonym wyżej przedziale.
2. W punkcie drugim należało podać na wejście VCO sygnał sinusoidalny o częstotliwości 1 kHz i amplitudzie
1V, a następnie zaobserwować na oscyloskopie przebieg wyjściowy FM dla:
a) trzech dowolnych amplitud sygnału modulującego (modulujący i nośna – przebiegi sinusoidalne)
b) dla sinusoidalnego przebiegu informacyjnego i trzech przebiegów nośnych (sinus, trójkąt, prostokąt)
c) trzech rodzajów sygnałów informacyjnych (sinus, trójkąt, prostokąt) i sinusoidalnego przebiegu nośnego
(C) 2004 STUDENT.NET.PL :: Wszelkie prawa zastrzeżone
W celu wykonania ćwiczenia zestawiono następujące urządzenia:
2. Generator VCO
5. Oscyloskop
6. Generator funkcji
AD a): Na wejście VCO podano przebieg sinusoidalny 1kHz o amplitudach (odpowiednio): 0.25 V, 0.4 V,
0.65V. Na ekranie oscyloskopu zaobserwowano następujące przebiegi:
rys. 2
rys. 1
rys. 3
Wszystkie trzy wykresy powstały dla jednolitych
ustawień oscyloskopu: podstawa czasu 1µs/div,
skala napięcia 1V/div.
Rysunek 1 przedstawia przebieg FM pobrany
z wyjścia gen. VCO, gdy na wejście VCO podano
przebieg sinusoidalny o amplitudzie 0.25V. Na
rysunku 2 widać przebieg dla amplitudy sygnału
modulującego równej 0.4 V, a na rysunku 3 dla
amplitudy równej 0.65 V. Obraz na oscyloskopie
zawierał kilka przebiegów nałożonych na siebie.
Zauważalne jest to, iż odstępy pomiędzy
kolejnymi przejściami przez zero zmieniają się,
co świadczy o zmianie częstotliwości przebiegu.
Jest to naturalną konsekwencją tego, iż podany
przebieg wejściowy moduluje częstotliwość
przebiegu wyjściowego VCO. To, jak bardzo ta
częstotliwość zostanie zmodulowana zależy od
amplitudy sygnału modulującego, co można zaobserwować na powyższych wykresach. Dla większych amplitud
mamy większe odchylenia od częstotliwości nośnej.
AD b): Na wejście VCO podano przebieg sinusoidalny 1kHz o amplitudzie 0.45 V. Jako przebiegu nośnego
użyto kolejno przebiegu sinusoidalnego, przebiegu trójkątnego oraz prostokątnego. Parametry oscyloskopu jak
wyżej (1µs/div, 1V/div).
Podobnie jak w przypadku poprzednich wykresów, również tutaj można zauważyć zmienność częstotliwości
przebiegu wyjściowego. Przebieg z nośną sinusoidalną został już opisany wyżej. Przebieg z nośną trójkątną ma
widocznie zmodulowaną częstotliwość. Tak samo prostokąt. Odległości pomiędzy kolejnymi przejściami przez
zero zmieniają się tak jak zmienia się amplituda chwilowa sygnału modulującego, czyli sinusoidy. O ile
obserwacja przebiegu trójkątnego oraz prostokątnego ze zmodulowaną częstotliwością jest ciekawe, o tyle
transmisja takich sygnałów jest nieekonomiczna ze względu na szerokość zajmowanego pasma.
Na poniższych rysunkach ilustrujących zaobserwowane przebiegi pominięto rysunek przebiegu z nośną
sinusoidalną, gdyż jest identyczny z rys. 2.
(C) 2004 STUDENT.NET.PL :: Wszelkie prawa zastrzeżone
rys. 4
rys. 5
AD c): Na wejście VCO podano trzy różne przebiegi informacyjne o częstotliwości 1kHz: sinusoidalny,
trójkątny oraz prostokątny. Przebiegiem nośnym był przebieg sinusoidalny.
rys. 6
rys. 7
Tak jak w punkcie b) pominięto rysunek dla przebiegu sinusoidalnego zmodulowanego sinusoidą, gdyż byłby on
powieleniem rysunku 2.
Kształt sygnału modulującego (informacyjnego) ma bezpośredni wpływ na sposób modulacji częstotliwości
przebiegu wyjściowego, czyli na to, jak zmienia się ona w czasie. Dla sygnału informacyjnego sinusoidalnego
będzie się ona zmieniać sinusoidalnie. Jeżeli podamy przebieg trójkątny, wówczas częstotliwość chwilowa
przebiegu zmodulowanego będzie okresowo rosnąć liniowo do wartości maksymalnej i spadać liniowo do
wartości minimalnej. Przy czym jako częstotliwość minimalną i maksymalną rozumie się odpowiednio
częstotliwość przebiegu wyjściowego uzyskanego w VCO po przestrojeniu go maksymalnym lub minimalnym
napięciem
przebiegu
wejściowego
(o
odpowiednio
ograniczonej
amplitudzie).
Przebieg prostokątny będzie powodował skokową zmianę częstotliwości z maksymalnej na minimalną
z pominięciem częstotliwości pośrednich, gdyż jak wiadomo przebieg ten zmienia swoją amplitudę okresowo
z wartości minimalnej na maksymalną.
Na oscyloskopie przy parametrach 1µs/div, 1V/div uzyskano kilka przebiegów nałożonych na siebie, co nie
utrudnia obserwacji.
3. Punktu trzeciego nie należało wykonywać. Punkt 4, czyli działanie detektora liczącego impulsy, należało
omówić teoretycznie.
(C) 2004 STUDENT.NET.PL :: Wszelkie prawa zastrzeżone
Demodulacji sygnału FM można dokonać poprzez zliczanie impulsów lub przejść przez zero sygnału
sinusoidalnego. Jeżeli sygnał m(t) moduluje falę nośną wolno w porównaniu z częstotliwością nośną fc,
(fm<<fc), to liczba okresów sygnału FM w określonym czasie τ określa chwilową częstotliwość sygnału w tym
czasie. Warunek ten (fm << fc) jest za zwyczaj spełniony w praktyce. Np. częstotliwość radiowego sygnału
dźwiękowego nie przekracza 20 kHz, podczas gdy nośna jest rzędu rzędu 90 MHz. Jeżeli w czasie każdego
okresu sygnału modulowanego w częstotliwości utworzy się impuls o standardowych amplitudzie i szerokości,
to liczba tych impulsów w jednostce czasu jest proporcjonalna do częstotliwości chwilowej przebiegu
modulującego. Oznaczając ilość okresów (de facto impulsów) przez Nc, częstotliwość chwilową można zapisać
jako:
fi =
Nc
= f c + ∆f m (t )
τ
Sposób uzyskiwania impulsów jest następujący: sygnał FM (rys. 8a) przechodzi przez ogranicznik amplitudy
celem wytworzenia modulowanego częstotliwościowo przebiegu prostokątnego (rys. 8b). Następnie dla
zaznaczenia przejścia przez zero przebieg ten jest różniczkowany. Prostowanie sygnału zróżniczkowanego może
być jedno- lub dwupołówkowe. Sygnał uzyskany przy prostowaniu jednopołówkowym (rys. 8c) określa jedynie
przejścia przez zero dla zboczy narastających (okresy fali nośnej). Sygnałem tym można sterować przerzutnik,
którego zadaniem jest regeneracja i ukształtowanie sygnału wyjściowego z prostownika w formie dodatnich
impulsów prostokątnych (rys. 8d).
rys. 8
Taki detektor FM daje na swoim wyjściu napięcie proporcjonalne do liczby impulsów. Umieszczając zamiast
układu całkującego cyfrowy licznik impulsów można uzyskać sygnał zdemodulowany w postaci cyfrowej,
umożliwiającej jego obróbkę np. przy pomocy procesora sygnałowego lub innego układu do cyfrowego
przetwarzania sygnałów.
4. Konkludując można jedynie dodać, iż modulacja FM i detekcja FM są bardzo praktyczne. Pozwalają na lepsze
jakościowo przesyłanie informacji w stosunku do modulacji AM, między innymi ze względu na stałą amplitudę
sygnału. Dowodem na to może być np. to, że obecnie stacje radiowe nadają sygnał FM. A przecież właśnie tam
jakość sygnału (dźwięku) liczy się najbardziej.
(C) 2004 STUDENT.NET.PL :: Wszelkie prawa zastrzeżone