(am) i częstotliwości (fm
Transkrypt
(am) i częstotliwości (fm
ZESPÓŁ LABORATORIÓW TELEMATYKI TRANSPORTU ZAKŁAD TELEKOMUNIKACJI W TRANSPORCIE WYDZIAŁ TRANSPORTU POLITECHNIKI WARSZAWSKIEJ LABORATORIUM SYSTEMY ŁĄCZNOŚCI W TRANSPORCIE INSTRUKCJA DO ĆWICZENIA NR 1 PODSTAWOWE MODULACJE ANALOGOWE. MODULACJE AMPLITUDY (AM) I CZĘSTOTLIWOŚCI (FM) DO UśYTKU WEWNĘTRZNEGO WARSZAWA 2010 Ćw. nr 1 – Modulacje AM i FM 2010-04-19 1. Cel i zakres ćwiczenia Celem ćwiczenia jest zapoznanie studentów z podstawowymi modulacjami analogowymi: pełną modulacją amplitudową AM, jej odmianą z wytłumioną falą nośną DSB oraz modulacją częstotliwości FM, wykorzystywanymi w prostych systemach radiokomunikacji ruchomej. Zakres ćwiczenia obejmuje identyfikację, obserwację, pomiar oraz rejestrację podstawowych dla tych procesów wielkości i przebiegów. 2. Wprowadzenie Celem kaŜdego systemu telekomunikacyjnego (rys. 2.1) jest dostarczenie informacji ze źródła informacji do odbiorcy, przy czym źródło i odbiorca są fizycznie od siebie odseparowani. W tym celu w nadajniku dokonuje się przekształcenia sygnału informacyjnego do postaci dogodnej do transmisji przez kanał telekomunikacyjny (przewód miedziany, włókno światłowodowe, powietrze). Przekształcenia tego dokonuje się za pomocą procesu modulacji. Proces ten jest stosowany we wszelkich urządzeniach wymagających przesłania pewnej informacji na określoną odległość, a więc w nadajnikach radiowych i telewizyjnych, w łączności telefonicznej i satelitarnej, w urządzeniach telegraficznych, telemetrii czy technice komputerowej. Rys.2.1 Ogólny schemat systemu telekomunikacyjnego Jako sygnał rozumiany jest czynnik będący nośnikiem wiadomości umoŜliwiający przesyłanie jej na określoną odległość albo jej rejestrację. MoŜe on mieć postać umownego znaku (np. rysunku, liter) lub przebiegu wielkości fizycznej, którego co najmniej jeden parametr (amplituda, kształt) zaleŜy od przesyłanej w nim wiadomości. Zakłada się przy tym, Ŝe przebieg wielkości fizycznej to zbiór następujących po sobie kolejno wartości tej samej wielkości fizycznej (np. napięcia elektrycznego, temperatury), a takŜe funkcja określająca zaleŜność tej wielkości od czasu. Z grubsza i ze słyszenia wiemy, Ŝe sygnały dzielimy na analogowe i cyfrowe. Tak naprawdę jednak podstawowy podział to sygnały ciągłe i dyskretne. Istotne jest jednak to, Ŝe Laboratorium systemów łączności w transporcie Zakład Telekomunikacji w Transporcie Wydziału Transportu Politechniki Warszawskiej 2 Ćw. nr 1 – Modulacje AM i FM 2010-04-19 zarówno ciągły, jak i dyskretny moŜe być nie tylko czas obserwacji zmian, ale i ich wartość. To daje aŜ cztery kombinacje (rys. 2.2), gdy wspomniany podział na analogowe i cyfrowe daje zaledwie dwie, gdzie ciągły jest czas i wartość (analogowe) oraz dyskretny czas i wartość (cyfrowe). CZAS Ciągły Dyskretny Ciągła Dyskretna WARTOŚĆ U U t U t U t t Rys. 2.2 Podział sygnałów W sygnałach analogowych wielkość niosąca informację zmienia swoją wartość w sposób ciągły i w dozwolonym przedziale zmian (np. Umin – Umax) liczba jej wartości jest nieograniczona – sygnał jest reprezentowany z nieskończoną dokładnością, jak go zmierzyć, to juŜ inny problem. Sygnałem cyfrowym nazywamy sygnał, którego wielkość (lub wielkości) niosąca informację moŜe (mogą) przyjmować ściśle określoną i skończoną liczbę wartości. Liczba wartości wielkości niosącej informację w najprostszym przypadku moŜe być ograniczona do dwóch i wówczas mamy do czynienia z sygnałem binarnym. Z punktu widzenia systemów telekomunikacyjnych, w zaleŜności od określonej cechy, dokonuje się następującej klasyfikacji sygnałów: 1) Sygnały okresowe i nieokresowe, czyli takie w których da się wyodrębnić pewien stały przedział czasowy, w którym przebieg danego sygnału przyjmuje takie same wartości, oraz sygnały, dla których tej prawidłowości nie ma. 2) Sygnały deterministyczne i stochastyczne Sygnały deterministyczne to takie, dla których nie istnieje niepewność odnośnie ich wartości w określonej chwili czasu - w przeszłości, obecnie, ani w przyszłości. Natomiast w przypadku sygnałów stochastycznych istnieje pewien stopień niepewności co do ich wartości, zanim się pojawią. Laboratorium systemów łączności w transporcie Zakład Telekomunikacji w Transporcie Wydziału Transportu Politechniki Warszawskiej 3 Ćw. nr 1 – Modulacje AM i FM 2010-04-19 3) Sygnały o skończonej energii i skończonej mocy czyli takie, w których całkowita energia lub średnia moc sygnału są większe od zera i mniejsze od nieskończoności. Z powyŜszego wynika, Ŝe sygnał o skończonej energii ma moc czynną równą zeru, a sygnał o skończonej mocy ma nieskończoną energię. W teorii sygnałów, oprócz ich analizy w dziedzinie czasu, rozpatruje się takŜe ich właściwości w dziedzinie częstotliwości czyli bada się charakterystyki widmowe, przy czym przyjmuje się, Ŝe widmo to rozkład wartości określonej wielkości fizycznej w zaleŜności od jej częstotliwości. Powstaje ono w wyniku operacji matematycznej polegającej na rozłoŜeniu sygnału na składowe przebiegi harmoniczne o róŜnych częstotliwościach. W praktyce najczęściej do tego celu wykorzystywana jest transformata Fouriera, określająca zaleŜność między przebiegiem czasowym a widmem częstotliwościowym sygnału. 3. Proces modulacji Modulacja to proces polegający na zmienianiu jednego z parametrów fali nośnej zgodnie ze zmianami sygnału informacyjnego. Sygnał informacyjny jest rozumiany jako róŜnowartościowa funkcja czasu wytwarzana przez źródło informacji, którym moŜe być mowa ludzka, faks czy komputer. Ujmując rzecz bardziej obrazowo, modulacja stanowi przeniesienie sygnału informacyjnego do zakresu częstotliwości o kilka rzędów wielkości wyŜszego od tego sygnału i w związku z tym bardziej dogodnego do transmisji. W wyniku modulacji powstaje sygnał zmodulowany, który zawiera w sobie pierwotny sygnał informacyjny, lecz ma inne parametry fizyczne (w szczególnym przypadku – elektryczne). Technicznie proces modulacji realizowany jest w urządzeniu zwanym modulatorem. Procesem odwrotnym do modulacji, którego celem jest odtworzenie sygnału pierwotnego (modulującego) z sygnału zmodulowanego, jest demodulacja, realizowana w urządzeniu zwanym demodulatorem. Ogólną ideę procesu modulacji przedstawia rys. 3.1 Sygnał modulujący Sygnał zmodulowany Sygnał nośny Rys. 3.1 Ogólny schemat procesu modulacji Laboratorium systemów łączności w transporcie Zakład Telekomunikacji w Transporcie Wydziału Transportu Politechniki Warszawskiej 4 Ćw. nr 1 – Modulacje AM i FM 2010-04-19 Zastosowanie modulacji zapewnia: − wzrost skuteczności przesyłania sygnałów oryginalnych, − dopasowanie widmowe sygnału do charakterystyki przenoszenia kanału, − wzrost sprawności transmisji, − prostsze urządzenia nadawcze dla sygnałów wysokiej częstotliwości (w.cz.), − moŜliwość zwielokrotnienia sygnałów w torze, − uodpornienie na szumy i zakłócenia, − wzrost dokładności przy zastosowaniach w pomiarach i automatyce (sterowaniu) Najbardziej ogólnie, modulacje dzielimy na ciągłe i impulsowe. Modulacje ciągłe, ze względu na charakter fali nośnej, nazywane są równieŜ modulacjami sinusoidalnymi lub harmonicznymi. Natomiast w modulacji impulsowej „falę nośną” stanowi okresowy ciąg impulsów prostokątnych. Ogólny podział modulacji przedstawiono na rys. 3.2 Modulacje Ciągłe Amplitudowe Częstotliwości Impulsowe Kątowe Fazy Analogowe Amplitudy impulsów Szerokości impulsów Cyfrowe PołoŜenia impulsów Gęstości impulsów Rys. 3.2 Podział modulacji W przypadku modulacji ciągłej, w zaleŜności od tego, który z parametrów fali nośnej jest zmieniany w takt sygnału informacyjnego, wyróŜnia się modulację amplitudy (AM) oraz modulacje kąta w postaci modulacji fazy (PM) lub modulacji częstotliwości (FM). Tego typu modulacje znajdują zastosowanie w prostych systemach radiokomunikacyjnych (np. CB Radio, PMR, krótkofalarstwo). 3.1 Modulacja amplitudy (AM) Modulacja amplitudy (ang. Amplitude Modulation) jest najstarszym i najprostszym sposobem modulacji. Stosowana jest ona w systemach radiokomunikacji ruchomej i radiofonii pracujących w zakresie fal długich (30 – 300 kHz), średnich (300 – 3000 kHz) i krótkich (3 – 30 MHz). Laboratorium systemów łączności w transporcie Zakład Telekomunikacji w Transporcie Wydziału Transportu Politechniki Warszawskiej 5 Ćw. nr 1 – Modulacje AM i FM 2010-04-19 Modulacja amplitudy polega na nakładaniu sygnału modulującego fm (rys 3.1.b) na częstotliwość nośną f0 (rys 3.3) w ten sposób, Ŝe w takt zmian napięcia sygnału modulującego zmianie ulega wartość amplitudy sygnału modulowanego, przy czym f0>>fm. Sygnał modulujący moŜna określić zaleŜnością : m(t) = Amcos(2πfmt) (1) gdzie: Am – amplituda sygnału modulującego fm – częstotliwość sygnału modulującego Reprezentację graficzną takiego przebiegu prezentuje rys. 3.3 Rys. 3.3 Sygnał modulujący Podobnie moŜe zostać zapisany sygnał nośny: c(t) = A0cos(2πf0t) (2) gdzie: A0 – amplituda sygnału nośnego, f0 – częstotliwość sygnału nośnego (f0 » fm) W wyniku nakładania sygnału modulującego na sygnał nośny powstaje sygnał zmodulowany w postaci: s(t) = A0[1+kam(t)] cos(2πf0t), (3) który moŜna teŜ zapisać w postaci: s(t) = A0cosω0t + A1f(t)cosω0t (4) Pierwszy składnik reprezentuje falę nośną, natomiast drugi – wstęgi boczne. Ilustrację tego procesu przedstawia rysunek 3.4 Laboratorium systemów łączności w transporcie Zakład Telekomunikacji w Transporcie Wydziału Transportu Politechniki Warszawskiej 6 Ćw. nr 1 – Modulacje AM i FM 2010-04-19 Rys. 3.4 Modulacja amplitudy [6] Podstawowym parametrem charakteryzującym modulację amplitudy jest współczynnik głębokości modulacji. Współczynnik głębokości modulacji µ wyraŜa stosunek zmian amplitudy przebiegu modulującego do amplitudy fali nośnej. Wartość tego współczynnika określa wzór: µ= gdzie Am = k a Am A0 (5) A0 – amplituda fali nośnej [V] Am – amplituda sygnału modulującego [V] ka – współczynnik proporcjonalności przyjmujący wartości z zakresu (0;1) Współczynnik głębokości modulacji często wyraŜany jest w procentach i wyliczany ze wzoru: µ= Am − A0 ⋅ 100% A0 (6) a uzyskana w ten sposób wielkość określana jest mianem sprawności modulacji. W zastosowaniach praktycznych, przy pomiarach oscyloskopowych wykorzystuje się zazwyczaj wzór (7): µ= U max − U min U max + U min (7) gdzie: Umax – maksymalna amplituda zmierzonego przebiegu [V] Umin – minimalna amplituda zmierzonego przebiegu [V] Laboratorium systemów łączności w transporcie Zakład Telekomunikacji w Transporcie Wydziału Transportu Politechniki Warszawskiej 7 Ćw. nr 1 – Modulacje AM i FM 2010-04-19 Współczynnik ten nie powinien przekraczać wartości 1 (100 %), w przeciwnym bowiem wypadku nastąpi przemodulowanie sygnału, co spowoduje zniekształcenie jego obwiedni i problemy z odtworzeniem z niego sygnału informacyjnego w procesie demodulacji. Z praktycznego punktu widzenia przyjmuje się, Ŝe wartość współczynnika głębokości modulacji powinna oscylować w granicach 80%, co zapewnia odpowiednią rezerwę na sygnały o większych chwilowych wartościach amplitudy. Modulacja amplitudy, podobnie jak kaŜda z modulacji analogowych, powoduje przeniesienie widma sygnału modulującego w pobliŜe sygnału nośnego, gdzie dla modulacji AM powstają dwie wstęgi boczne (górna powyŜej f0 i dolna poniŜej f0) będące swoimi zwierciadlanymi odbiciami względem osi symetrii tworzonej przez częstotliwość nośną. KaŜda ze wstęg bocznych zawiera pełną informację o sygnale modulującym, moŜe więc on zostać odtworzony na podstawie tylko jednej z nich. W procesie modulacji amplitudy pojedynczym sygnałem fm wokół częstotliwości nośnej f0 powstają dwa dodatkowe prąŜki o tych samych amplitudach i częstotliwościach f0-fm oraz f0+fm. W systemach radiokomunikacji ruchomej sygnałem modulującym jest zazwyczaj ludzka mowa czyli sygnał akustyczny o określonym paśmie. W przypadku systemów radiowych przyjmuje się, Ŝe to pasmo tworzy przedział <300, 3000 Hz>. W związku z powyŜszym, w rzeczywistych systemach, wokół częstotliwości nośnej powstają dwie odpowiednie wstęgi boczne. Ilustrację powyŜszego stanowi rys.3.5 a) fm b) fs- fm fs fs+ fm f Pasmo modulujące 300 3000 Wstęga dolna fs-3000 Wstęga górna fs-300 fs fs+300 fs+3000 f Rys. 3.5 Widmo sygnału AM ) Jak moŜna wywnioskować rysunku 3.5.b) zmodulowany przebieg AM, w związku z występowaniem wstęg górnej i dolnej, zajmuje dwukrotnie większe pasmo niŜ sam sygnał modulujący. Dokładniej rzecz ujmując, pasmo sygnału AM jest dwukrotnie większe od maksymalnej wartości częstotliwości sygnału informacyjnego. A zatem, uwzględniając szerokość pasma rozmównego określoną wcześniej, oznacza to, Ŝe na transmisję pełnego Laboratorium systemów łączności w transporcie Zakład Telekomunikacji w Transporcie Wydziału Transportu Politechniki Warszawskiej 8 Ćw. nr 1 – Modulacje AM i FM 2010-04-19 sygnału AM potrzeba pasma o szerokości co najmniej 6 kHz. W praktyce, w rzeczywistych systemach radiokomunikacyjnych, odstęp międzykanałowy wynosi nie mniej niŜ 10 kHz, co pozwala uniknąć wzajemnych zakłóceń między sąsiednimi kanałami. Całkowita moc nadajnika AM wypromieniowana przez antenę składa się z mocy fali nośnej oraz mocy dwóch wstęg bocznych. Stosunek mocy wstęg bocznych (P2b) do mocy fali nośnej (Po) wyraŜany jest wzorem (8): P2b µ 2 = P0 2 (8) Z powyŜszego wzoru wynika, Ŝe moc uŜyteczna obu wstęg bocznych wynosi co najwyŜej 1/2 mocy wypromieniowanej (osiągnie maksimum, gdy m = 1). Wówczas nośna stanowi 1/2 mocy wypromieniowanej. Z punktu widzenia wydatku energetycznego transmisja takiego sygnału jest nieefektywna. Jak juŜ wcześniej zauwaŜono, kaŜda wstęga boczna zawiera pełną informację o sygnale modulującym, stąd moŜe zostać on odtworzony na podstawie tylko jednej z nich. Dzięki tej obserwacji powstały modulacje amplitudy eliminujące nadmierne zapotrzebowanie na energię, takie jak modulacja amplitudy z wytłumioną falą nośną DSB czy modulacja jednowstęgowa SSB. Do zalet modulacji AM zalicza się prostotę układową i wąskie pasmo zajmowanych częstotliwości. Natomiast podstawowe wady tego procesu, to niska sprawność i podatność na zakłócenia. Oprócz pełnej modulacji AM, wyróŜnia się następujące jej odmiany: − AM-SC (DSB, DSB-SC) (ang. Amplitude Modulation Suppressed Carrier, Double Side Band) – dwuwstęgowa modulacja amplitudy z wytłumioną falą nośną, − VSB (ang. Vestigial Sideband) – modulacja amplitudy z częściowo tłumioną wstęga boczną (C3F), − SSB-FC (ang. Single Side Band Full Carrier) – jednowstęgowa modulacja amplitudy z falą nośną (H3E), − SSB-RC (ang. Single Side Band Reduced Carrier) – jednowstęgowa modulacja amplitudy z częściowo wytłumioną falą nośną (R3E), − SSB-SC (ang. Single Side Band Suppressed Carrier) – jednowstęgowa modulacja amplitudy z wytłumioną falą nośną (min. 45 dB) – oznaczana często jako SSB (J3E). Laboratorium systemów łączności w transporcie Zakład Telekomunikacji w Transporcie Wydziału Transportu Politechniki Warszawskiej 9 Ćw. nr 1 – Modulacje AM i FM Ostatnia z wymienionych 2010-04-19 modulacji jest najefektywniejsza pod względem energetycznym, gdyŜ do przesłania informacji zmodulowanej SSB-SC wystarczy tylko 25% mocy potrzebnej do przesłania tego samego sygnału zmodulowanego "pełną" modulacją amplitudy i zajmuje węŜsze pasmo, jest jednak najtrudniejsza do realizacji praktycznej. Modulacja SSB stosowana jest w krótkofalarstwie. 3.2 Modulacja FM Modulacja FM (Frequency Modulation) czyli modulacja częstotliwości jest postacią modulacji kąta, przy której częstotliwość chwilowa fi(t) sygnału nośnego zmienia się liniowo wraz z sygnałem informacyjnym zgodnie z zaleŜnością (3), natomiast amplituda pozostaje bez zmian: fi(t) = fs+ kfm(t) (9) gdzie: fs – częstotliwość modulowanej fali nośnej [Hz], kf – czułość częstotliwościowa modulatora (indeks modulacji) [Hz/V], m(t) – sygnał informacyjny [V], t – czas [s] przy czym zaznaczyć naleŜy, Ŝe sygnał informacyjny (modulujący) jest postaci: m(t) = Amcos(2πfmt) (10) gdzie: Am – amplituda sygnału modulującego [V] fm – częstotliwość sygnału modulującego [Hz] W efekcie nakładania sygnału informacyjnego na sygnał nośny powstaje zmodulowany przebieg FM wyraŜany równaniem: t (11) s(t ) = A0 cos 2πf s t + 2πk f ∫ m(t )dt = A0 cos[2πf s t + β sin(2πf m t )]] 0 gdzie: A0 – amplituda fali nośnej [V], β - wskaźnik modulacji [rad] Przykładowy przebieg sygnału FM w powiązaniu z przebiegiem nośnym i sygnałem informacyjnym przedstawia rysunek 3.6. Laboratorium systemów łączności w transporcie Zakład Telekomunikacji w Transporcie Wydziału Transportu Politechniki Warszawskiej 10 Ćw. nr 1 – Modulacje AM i FM 2010-04-19 Rys. 3.6 Sygnał FM uzyskiwany przy modulacji pojedynczym tonem a) fala nośna, b) sinusoidalny sygnał modulujący, c) sygnał zmodulowany częstotliwościowo Zaznaczyć naleŜy, Ŝe rysunek 3.6 przedstawia przypadek najprostszy tzn. sygnał zmodulowany jednym tonem sinusoidalnym, natomiast w rzeczywistych systemach radiokomunikacyjnych sygnałem modulującym jest zazwyczaj pasmo rozmówne, czyli przedział zdefiniowany w rozdziale 3.3.1. Modulację częstotliwości charakteryzują dwa parametry: • dewiacja częstotliwości będąca maksymalnym odchyleniem częstotliwości chwilowej fi(t) sygnału FM od częstotliwości nośnej fs wyraŜona wzorem: ∆f = k f A m , (12) Inaczej mówiąc, dewiacja to róŜnica między najniŜszą i najwyŜszą częstotliwością fali nośnej w trakcie modulacji, a sygnał zmodulowany częstotliwościowo zmienia się w zakresie <fs-∆f; fs+∆f> • wskaźnik modulacji stanowiący stosunek dewiacji częstotliwości ∆f do częstotliwości modulującej fm ∆f β= , (13) fm Ze wzoru (12) wynika, Ŝe dewiacja częstotliwości jest proporcjonalna do amplitudy sygnału modulującego i nie zaleŜy w Ŝaden sposób od jego częstotliwości. Przyjęcie duŜej, w stosunku do maksymalnej częstotliwości modulującej, wartości tego parametru (czyli co za tym idzie takŜe duŜego wskaźnika modulacji) pozwala na ograniczenie zakłóceń częstotliwościowych pojawiających się podczas transmisji przez kanał radiowy, gdyŜ zarówno zakłócenia atmosferyczne, jak i radiowe wpływają głównie na amplitudę sygnału Laboratorium systemów łączności w transporcie Zakład Telekomunikacji w Transporcie Wydziału Transportu Politechniki Warszawskiej 11 Ćw. nr 1 – Modulacje AM i FM 2010-04-19 wielkiej częstotliwości, a nie na jego częstotliwość. Jednak okupione jest to wzrostem zajętości pasma sygnału FM. W zaleŜności od wartości wskaźnika modulacji, wyróŜnia się dwa rodzaje modulacji FM: • wąskopasmową, gdy β jest mniejszy lub równy 1 [rad], • szerokopasmową, gdy β >1 [rad] Dla duŜych wartości wskaźnika modulacji β szerokość pasma transmisyjnego zbliŜa się do pełnego zakresu zmian częstotliwości 2∆f, pozostając nieznacznie od niego większa. Z drugiej strony dla małych wartości wskaźnika modulacji β, widmo sygnału FM ogranicza się efektywnie do częstotliwości nośnej fs i jednej pary częstotliwości bocznych fs± fm, tak, Ŝe szerokość pasma jest bliska 2fm. Do oszacowania szerokości pasma B zajmowanego przez sygnał FM zmodulowany pojedynczym tonem sinusoidalnym fm (rozwaŜania dotyczące modulacji niesinusoidalnej moŜna znaleźć np. w [3]) słuŜy empiryczna Reguła Carsona, wyraŜona wzorem: B = 2 (∆fmax+ fmmax) (14) Z powyŜszego wynika, Ŝe w przypadku modulacji wąskopasmowej o paśmie emisji decyduje wartość częstotliwości przebiegu modulującego, natomiast w przypadku modulacji szerokopasmowej β>>1 pasmo emisji jest w przybliŜeniu równe zakresowi zmian częstotliwości chwilowej (a więc podwojonej dewiacji) Ze wzoru (11) wynika, Ŝe zmodulowany częstotliwościowo sygnał s(t) jest nieliniową funkcją modulującego sygnału m(t), mimo Ŝe częstotliwość chwilowa zmienia się liniowo wraz z sygnałem modulującym. Oznacza to, Ŝe modulacja częstotliwości jest procesem nieliniowym. Powoduje to, Ŝe widmo sygnału FM nie jest w prosty sposób związane z widmem sygnału modulującego. Przebieg zmodulowany częstotliwościowo składa się częstotliwości nośnej i wstęg bocznych, złoŜonych z symetrycznych prąŜków przyległych do częstotliwości nośnej i powtarzających się, w odstępach równych częstotliwości modulującej. Amplituda i liczba występujących par prąŜków, a więc i szerokość zajmowanego pasma zaleŜy od wartości wskaźnika modulacji, a więc zmienia się w zaleŜności od wartości dewiacji lub częstotliwości modulującej. WaŜną cechą sygnału FM jest jego stała obwiednia, równa amplitudzie fali nośnej, gdyŜ jedną z poŜądanych cech modulacji stosowanych w radiokomunikacji ruchomej jest stałość obwiedni sygnału zmodulowanego, wynikająca z konieczności wykorzystywania całej charakterystyki wzmacniacza mocy, równieŜ w jej nieliniowym zakresie. Laboratorium systemów łączności w transporcie Zakład Telekomunikacji w Transporcie Wydziału Transportu Politechniki Warszawskiej 12 Ćw. nr 1 – Modulacje AM i FM 2010-04-19 Modulacja częstotliwości, w porównaniu z modulacją amplitudy wykazuje dwie zasadnicze zalety tzn. stałą moc przebiegu zmodulowanego, niezaleŜną od wskaźnika modulacji oraz mniejszą podatność na zakłócenia atmosferyczne. Natomiast wadą modulacji FM jest mniejszy zasięg niŜ AM oraz zajmowanie szerszego pasma i konieczność stosowania bardziej skomplikowanych układów elektrycznych. Modulacja częstotliwości stosowana jest najczęściej w systemach radiokomunikacji ruchomej i radiofonii pracujących w zakresie fal ultrakrótkich (30 – 300 MHz), które wymagają wysokiej jakości przekazywanej informacji i odporności na zakłócenia. 4. Wykaz wykorzystywanych przyrządów - Multimetr elektroniczny M-3270 (rys. 4.1b), - Komputerowa przystawka oscyloskopowa PSC64i (rys. 4.1d), - Komputer PC z systemem Windows 98/NT/2000/XP, - Moduł zasilacza SO3538-8D, - Moduł generatora funkcyjnego SO5127-2R, - Moduł nadawczy sygnału zmodulowanego AM SO3537-8G, - Moduł odbiornika sygnału zmodulowanego AM SO3537-8X, - komputerowa przystawka oscyloskopowa PSC64i, - komputer PC z systemem Windows XP. Rys. 4.1 Multimetr elektroniczny M-3270 Rys. 4.2 Komputerowa przystawka oscyloskopowa PSC64i Laboratorium systemów łączności w transporcie Zakład Telekomunikacji w Transporcie Wydziału Transportu Politechniki Warszawskiej 13 Ćw. nr 1 – Modulacje AM i FM Rys. 4.3 Moduł zasilacza układu SO3538-8D 2010-04-19 Rys. 4.4 Moduł generatora funkcyjnego SO5127-2R Laboratorium systemów łączności w transporcie Zakład Telekomunikacji w Transporcie Wydziału Transportu Politechniki Warszawskiej 14 Ćw. nr 1 – Modulacje AM i FM 2010-04-19 Rys.4.5 Moduł nadajnika sygnału zmodulowanego amplitudowo Laboratorium systemów łączności w transporcie Zakład Telekomunikacji w Transporcie Wydziału Transportu Politechniki Warszawskiej 15 Ćw. nr 1 – Modulacje AM i FM 2010-04-19 Rys. 4.6 Moduł odbiornika sygnału zmodulowanego amplitudowo Laboratorium systemów łączności w transporcie Zakład Telekomunikacji w Transporcie Wydziału Transportu Politechniki Warszawskiej 16 Ćw. nr 1 – Modulacje AM i FM 2010-04-19 5. Uwagi praktyczne Większość obserwacji i pomiarów dokonywana jest przy wykorzystaniu komputerowej przystawki oscyloskopowej. NaleŜy jednak pamiętać, Ŝe oglądane za pomocą przystawki przebiegi powstają w wyniku procesu próbkowania, przez co obarczone są pewnym błędem. Błąd ten jest zaleŜny od rodzaju (np. okresowy lub nie) i częstotliwości przebiegu. Przy przełączaniu przystawki oscyloskopowej w tryb FFT zwykle naleŜy wyłączyć wyzwalanie OFF. Włączenie wyzwalania ON, wymagane na ogół w trybie DSO, zwykle wymaga korekty poziomu wyzwalania. Jej zaniechanie skutkuje brakiem odświeŜania wykresu przebiegu i prowadzi do błędnych odczytów. Jeśli nie zaznaczono inaczej, podczas oglądania widma sygnału w trybie FFT, zawsze najpierw ustawić podstawową częstotliwość sygnału na środku ekranu. Następnie naleŜy upewnić się, Ŝe oglądamy właściwy fragment widma wykorzystując marker częstotliwości i dopiero przystąpić do pomiarów - szczegóły w instrukcji obsługi przystawki. Oprogramowanie przystawki pozwala na zapisywanie oglądanych przebiegów, zarówno w trybie oscyloskopu DSO, jak i analizatora widma FFT. W starszej wersji oprogramowania nazwy plików nie mogą mieć jednak więcej niŜ 8 znaków, dlatego naleŜy zaplanować wcześniej system nazewnictwa plików, np. pierwszy znak to punkt instrukcji, drugi to seria, a reszta to opis. Pod Ŝadnym pozorem nie naleŜy „upraszczać” ćwiczenia i próbować wykonywać pomiarów/obserwacji jednocześnie z kilku punktów instrukcji. Jest to najszybsza droga do pomyłki w identyfikacji przebiegów, co skutkuje odrzuceniem sprawozdania. Pomimo, Ŝe w instrukcji zawsze uŜywa się określeń typu „połącz”, „zestaw połączenie”, to jest bardzo prawdopodobne, Ŝe dane połączenia będzie juŜ wykonane. Nie naleŜy, więc automatycznie rozłączać tego, co jest połączone – najpierw sprawdzamy istniejące połączenia. W nawiasach klamrowych {} podane są ustawienia podstawowych parametrów przyrządu pomiarowego – odnoszą się do przyrządu powołanego przed nawiasami. Dla uproszczenia i zwiększenia przejrzystości instrukcji wprowadzono poniŜsze symbole, które zostały wykorzystane w tekście.: zapisz przebieg na dysku, pytanie, na które odpowiedź musi znaleźć się w sprawozdaniu, Laboratorium systemów łączności w transporcie Zakład Telekomunikacji w Transporcie Wydziału Transportu Politechniki Warszawskiej 17 Ćw. nr 1 – Modulacje AM i FM 2010-04-19 6. Przebieg ćwiczenia 6.1. Zapoznaj się z budową stanowiska laboratoryjnego. Zidentyfikuj wszystkie przyrządy i moduły pomiarowe. Określ poszczególne bloki funkcjonalne kaŜdego z modułów. 6.2. Do wyjścia 160 kHz oscylatora ‘G’ w module CF-Transmitter 20 kHz podłącz kanał CH1 (kolor Ŝółty) przystawki oscyloskopowej. Ustaw synchronizację przystawki na kanał CH1. Podstawa czasu {T/D = 2 µs/dz; V/D1 = 1 V/dz}. Zapoznaj się z kształtem sygnału i korzystając z markerów częstotliwości charakterystyczne parametry (okres, amplituda). i napięcia zmierz jego Wyłącz synchronizację OFF, przełącz się w tryb analizatora widma i zapoznaj się z charakterystyką widmową badanego przebiegu . Co to za sygnał 6.3. Podłącz oscylator ‘G’ do bloku dzielnika częstotliwości F/N. Do wyjścia dzielnika częstotliwości podłącz kanał CH2 (kolor zielony) przystawki oscyloskopowej. Podstawa czasu {T/D = 20 µs/dz; V/D1 = 1 V/dz}. Zapoznaj się z kształtem sygnału i zmierz jego charakterystyczne parametry (okres, amplituda) sygnału uzyskanego w poprzednim punkcie ? . Jaka jest róŜnica w stosunku do Co to oznacza . Przełącz przystawkę oscyloskopową w tryb FFT i zapoznaj się z charakterystyką widmową kanału CH2. Jaka jest róŜnica w stosunku do charakterystyki widmowej uzyskanej w poprzednim punkcie ? 6.4. Przełącz przystawkę oscyloskopową w tryb oscyloskopu. Kanał CH1 przystawki oscyloskopowej podłącz do wyjścia bloku konwertera sygnału. {T/D = 20 µs/dz; V/D1 = 1 V/dz}. Porównaj sygnały na kanale CH1 i CH2. Zapoznaj się z kształtem sygnału i zmierz jego charakterystyczne parametry (okres, amplituda) Co to oznacza ? Następnie podaj ten sygnał na wejście modulatora AM/DSB . Modulator i demodulator AM 6.5. Do wyjścia 0…20 Vss generatora funkcyjnego SO51227-2R podłącz kanał CH1 przystawki oscyloskopowej {T/D = 0,2 ms/dz; V/D1 = 1 V/dz}. Ustaw sygnał sinusoidalny 2Vpp o częstotliwości 1 kHz (do ustawienia częstotliwości wykorzystaj tryb analizatora widma przystawki oscyloskopowej) zarejestruj przebiegi z obu trybów (oscyloskop i analizator widma) pracy przystawki z odpowiednimi parametrami Laboratorium systemów łączności w transporcie Zakład Telekomunikacji w Transporcie Wydziału Transportu Politechniki Warszawskiej . 18 Ćw. nr 1 – Modulacje AM i FM 2010-04-19 6.6. Sygnał z wyjścia generatora funkcyjnego 0…20 Vss z ustawionym uprzednio sygnałem wyjściowym podaj na wejście filtra pasmowego 300 Hz – 3400 Hz w module CFTransmitter 20 kHz. Kanał CH2 przystawki oscyloskopowej podłącz do wyjścia filtra pasmowego 300 Hz – 3400 Hz. Co róŜni przebieg na wyjściu generatora sygnałowego od przebiegu na wyjściu filtra pasmowego ? 6.7. Sygnał z wyjścia filtra pasmowego podaj na wejście modulatora AM/DSB. Ustaw pracę modulatora w tryb AM. Podłącz kanał pierwszy przystawki oscyloskopowej CH1 w miejsce CH2. Kanał CH2 podłącz do wyjścia modulatora AM/DSB {T/D = 0,2 ms/dz; V/D1 = V/D2 = 1 V/dz}. Wykorzystując markery napięcia określ wartości maksymalne i minimalne napięcia sygnału AM. Na tej podstawie określ współczynnik głębokości modulacji µ. Zmierz częstotliwość sygnału na kanale CH2. Gdzie wcześniej została uzyskana taka częstotliwość i co to oznacza ? Przełącz przystawkę oscyloskopową w tryb FFT. Zapoznaj się z widmem sygnału na kanale CH2. Wykorzystując marker częstotliwości zmierz prąŜek główny i trzy najbliŜsze harmoniczne . 6.8. Zmień na generatorze funkcyjnym wartość napięcia międzyszczytowego na 1 [V] i wykonaj wszystkie czynności z punktu 6.7. Następnie ustaw na generatorze funkcyjnym wartość napięcia na 3VPP i ponownie dokonaj obserwacji i pomiarów jak w punkcie 6.7. Jak zmienia się wartość współczynnika głębokości modulacji? Co to oznacza? Przywróć początkową wartość napięcia na generatorze. 6.9. Sygnał z wyjścia wzmacniacza podaj na wejście odbiornika AM – SSB – DSB. Sygnał z wyjścia wzmacniacza regulowanego podaj na wejście demodulatora AM układu odbiornika. Kanał CH1 przystawki oscyloskopowej podłącz do wejścia demodulatora AM kanał CH2 podłącz do wyjścia demodulatora AM {T/D = 0,2 ms/dz; V/D1 = V/D2 = 1 V/dz}. Co róŜni oba przebiegi, co to oznacza ? 6.10. Podaj sygnał z demodulatora AM na wejście filtra 300 Hz – 3400 Hz. Kanał CH2 podłącz do wyjścia filtra układu odbiornika. Kanał CH1 podłącz do wyjścia generatora sygnałowego 0…20 Vss {T/D = 0,2 ms/dz; V/D1 = 1 V/dz V/D2 = 0,2 V/dz}. Zapoznaj się z kształtem sygnałów i korzystając z markerów częstotliwości i napięcia zmierz charakterystyczne parametry kaŜdego z nich (okres, amplituda). Co róŜni przebiegi i dlaczego ? Laboratorium systemów łączności w transporcie Zakład Telekomunikacji w Transporcie Wydziału Transportu Politechniki Warszawskiej 19 Ćw. nr 1 – Modulacje AM i FM 2010-04-19 Modulator i demodulator DSB 6.11. Przełącz modulator AM w tryb DSB. Kanał CH1 przystawki podłącz do wejścia modulatora DSB. Kanał CH2 do wyjścia modulatora DSB. {T/D = 0,2 ms/dz; V/D1 =1 V/dz V/D2 = 0,5 V/dz}. Jakie widzisz róŜnice w stosunku do sygnału AM uzyskanego w punkcie 6.7 ? widmem kanału CH2. Przełącz przystawkę w tryb analizatora widma. Zapoznaj się z Co się zmieniło w stosunku do sygnału AM ? 6.12. Sygnał z wyjścia modulatora DSB podłącz do wejścia wzmacniacza układu nadajnika. Odłącz sygnał z filtra pasmowego w celu uniknięcia sumowania sygnałów. Sygnał z wejścia wzmacniacza regulowanego odłącz od wejścia demodulatora AM i podaj na wejście do modulatora DSB/SSB. Drugie wejście demodulatora DSB/SSB połącz z wyjściem dzielnika częstotliwości F/N. Kanał CH1 przystawki oscyloskopowej podłącz do wejścia demodulatora SSB/DSB, natomiast kanał CH2 do wyjścia tego modulatora. Zapoznaj się z kształtem sygnałów w dziedzinie czasu i częstotliwości . Jakie są róŜnice w stosunku do przebiegów uzyskanych na wyjściu demodulatora AM ? 6.13. Sygnał z wyjścia demodulatora DSB/SSB podaj na wejście filtru pasmowego układu odbiornika. {T/D = 0,2 ms/dz; V/D1 = 1 V/dz V/D2 = 0,2 V/dz}. Zapoznaj się z kształtem sygnałów i korzystając z markerów częstotliwości i napięcia zmierz charakterystyczne parametry kaŜdego z nich (okres, amplituda). Czy występują jakieś róŜnice w stosunku do demodulowanego sygnału AM ? Modulator i demodulator FM 6.14. Dwa moduły generatorów (SO51227-2R) G1 i G2 połącz w taki sposób, by sygnał z wyjścia VSS generatora pierwszego podać na wejście VCO generatora drugiego. Na generatorze G1 ustaw przebieg sinusoidalny U1 o częstotliwości f1 = 80 Hz i napięciu U1 = 1 do 2 VPP. Na generatorze G2 analogicznie ustaw przebieg sinusoidalny U2 o częstotliwości f2 = 1 kHz i napięciu U2 = 1 do 2 VPP. Kanał CH1 przystawki oscyloskopowej podłącz do wyjścia VSS generatora G1 {T/D = 1 ms/dz; V/D1 = 0,5 V/dz}, kanał CH2 do wyjścia VSS generatora G2 {T/D = 0,2 ms/dz; V/D2 = 0,5 V/dz} Obserwuj na oscyloskopie obydwa przebiegi – zmieniaj częstotliwość f1 w granicach +/- 20 Hz dla uzyskania synchronizacji przebiegów. Zapisz otrzymane przebiegi uzasadnij ich kształt oraz ewentualne zachodzące w nich zmiany Laboratorium systemów łączności w transporcie Zakład Telekomunikacji w Transporcie Wydziału Transportu Politechniki Warszawskiej i . 20 Ćw. nr 1 – Modulacje AM i FM 2010-04-19 6.15. Przełącz przystawkę oscyloskopową na tryb FFT. Za pomocą markerów określ parametry charakterystyczne zmodulowanego przebieg FM (wyjście VSS.generatora G2) oraz pasmo częstotliwości zajmowane przez ten przebieg. 7. Wykonanie sprawozdania W sprawozdaniu nie naleŜy umieszczać podstaw teoretycznych dotyczących wykonanego ćwiczenia ani opisów stanowiska laboratoryjnego. Sprawozdanie musi zawierać wszystkie wyniki pomiarów i wszystkie zarejestrowane przebiegi, prezentowane wg kolejności ich wykonania. KaŜdy wynik i przebieg musi być opatrzony numerem punktu instrukcji wg, którego został zarejestrowany. KaŜdy przebieg musi być opatrzony opisem, wyjaśniającym, co przedstawia i gdzie (miejsce układu pomiarowego) został zarejestrowany. W sprawozdaniu muszą się znaleźć odpowiedzi na wszystkie postawione w instrukcji pytania, ponumerowane wg punktów, w których zostały postawione. Zarówno opisy, jak i odpowiedzi, mają być zwięzłe, ale przedstawione pełnymi zdaniami. Wnioski powinny zawierać podsumowanie przeprowadzonych pomiarów. Szczególny nacisk naleŜy połoŜyć na zaprezentowanie róŜnic i podobieństw pomiędzy wynikami pomiarów i obserwacji w zaleŜności od zmian częstotliwości i poziomów sygnałów nośnej i modulującej. 8. Literatura 1. Haykin S. Systemy telekomunikacyjne, WKiŁ, Warszawa 1998 r. 2. Read R,. Telekomunikacja, WKiŁ, Warszawa 1998 r. 3. Smyczek J., Systemy transmisji informacji t.1. Teoria sygnałów, modulacje analogowe, Wydawnictwo uczelniane Politechniki Koszalińskiej, Koszalin 2003 r. 4. Hyla M., Radioelektronika. Ćwiczenia laboratoryjne, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2006 5. www.wikipedia.pl 6. http://www.noss.yoyo.pl/noss/elektronika/elektronika/pe360/pe360_1.png Laboratorium systemów łączności w transporcie Zakład Telekomunikacji w Transporcie Wydziału Transportu Politechniki Warszawskiej 21