instrukcja - Politechnika Warszawska

Politechnika Warszawska
Wydział Elektryczny
Laboratorium Teletechniki
Skrypt do ćwiczenia T.03
Podstawowe zasady modulacji amlitudy na przykładzie
modulacji DSB
1. Podstawowe zasady modulacji amplitudy na przykładzie modulacji
dwuwstęgowej DSB.
Poznanie mechanizmu wytworzenia modulowanej amplitudowo fali nośnej o wysokiej
częstotliwości . Modulacja dwuwstęgowej DSB (ang. Dual Sideband).
1.1. Część teoretyczna
Wstęp
Zwrot telekomunikacja oznacza wytworzenie, transmisję, odbiór i odtworzenie sygnału.
Każda z wymienionych funkcji związana jest z jednym urządzeniem lub elementem,
natomiast wszystkie razem składają się na układ telekomunikacyjny.
Rysunek 1.1 przedstawia prosty system w którym kanałem komunikacyjnym jest wolna
przestrzeń.
DOSTARCZENIE
SYGNAŁU
(np. MIKROFON)
GENEROWANY
SYGNAŁ
NADAJNIK
TRANSMISJA
ANTENA
ANTENA
KANAŁ KOMUNIKACYJNY
ODBIORNIK
ODBIÓR
GŁOŚNIK
ODTWORZENIE
SYGNAŁU
Rysunek 1.1. Prosty układ telekomunikacyjny.
Telekomunikacja analogowa polega na przesyłaniu sygnałów, zmieniających się stale w
ten sam sposób. Możliwe są różne formy zmian ale najpopularniejszymi są modulacja
amplitudy i modulacja częstotliwościowe. Jeżeli chodzi o inne rodzaje kanałów
komunikacyjnych to najpowszechniej wykorzystywane są:
- elektromagnetyczna fala radiowa rozchodząca się w wolnej przestrzeni,
- światłowody,
- przewody koncentryczne,
- pary przewodzących przewodów.
Łączność umożliwiająca przesyłanie sygnałów na odległość za pomocą fal
elektromagnetycznych nazywa się radiokomunikacją lub łącznością radiową.
W skład urządzeń zapewniających łączność radiową wchodzi:
- urządzenie nadawcze, które wypromieniowuje w przestrzeń fale elektromagnetyczne
(za pośrednictwem anten nadawczych przetwarzających sygnał o wielkiej
częstotliwości),
- urządzenie odbiorcze, sterowane sygnałem z anteny odbiorczej (w antenie fale
elektromagnetyczne wzbudzają siłę elektromotoryczną wielkiej częstotliwości).
Dopóki jednak urządzenie nadawcze wytwarza energię wielkiej częstotliwości w sposób
ciągły i bez żadnych zmian amplitudy, fazy i częstotliwości, dopóty nie jest przesyłana żadna
informacja do urządzenia odbiorczego. Dlatego w urządzeniu nadawczym na sygnał wielkiej
częstotliwości (w.cz.) muszą być nałożone odpowiednie sygnały z pożądaną informacją aby
była przesłana jakaś informacja do urządzenia odbiorczego.
Proces fizyczny, polegający na zmianie pewnych wielkości charakteryzujących dany przebieg
okresowo zmienny (którym mogą być np. prądy wielkiej częstotliwości, sygnały akustyczne
lub optyczne) zwany przebiegiem nośnym, pod wpływem oddziaływania na niego innego
przebiegu (zwanego modulującym i zawierającym np. pożądaną informację) nazywa się
modulacją.
W wyniku modulacji uzyskuje się przebieg modulowany.
Modulacji dokonuje się tak, aby chwilowa wartość modulowanego parametru przebiegu
nośnego była proporcjonalna do chwilowej wartości przebiegu modulującego.
Opis modulacji AM
Modulacja polega na nałożeniu sygnału modulującego na fale nośną. Informacją tą
może być sygnał audio, obraz telewizyjny lub jakakolwiek inna wiadomość. Modulacja
polega na przekształceniu wprowadzającym informację do kanałów komunikacyjnych.
Modulacja Amplitudy (ang. Amplitude Modulation - AM)
Sygnał wytworzony w efekcie modulacji amplitudowej jest sygnałem wysokiej częstotliwości
(sygnałem fali nośnej), którego amplituda zmienia się zgodnie ze zmianami amplitudy
sygnału modulującego.
Rysunki 1.2 (c, d, e) przedstawiają fale nośne o wysokiej częstotliwości zmodulowane
poprzez sygnał audio o niskiej częstotliwości.
a) sygnał nośnej
c) sygnał o zmodulowanej amplitudzie
(20% modulacja)
b) sygnał modulujący
d) 50% modulacja
d) 100% modulacja
Rysunek 1.2. Fale nośne o wysokiej częstotliwości, zmodulowane amplitudowo przez sygnały audio o niskiej
częstotliwości i o różnym procencie modulacji
Indeks modulacji amplitudowej (m) jest wartością liczbową określającą stosunek amplitudy
sygnału modulującego, w stosunku do amplitudy sygnału (niezmodulowanej) fali nośnej. Gdy
m jest wyrażona w procentach zwykle nazywane jest modulacją procentową.
Rysunki 1.2 (c), (d) i (e) pokazują falę nośną modulowaną w różnym procencie.
Jeśli częstotliwość fali nośnej f0, modulowana amplitudowo przez sygnał o częstotliwości f1,
obserwowana jest poprzez Analizator Widma, wtedy na ekranie analizatora można
zaobserwować dla dwuwstęgowej modulacji amplitudy DSB (ang. Dual Sideband) dwa
prążki co zostało pokazane na rysunku 1.3.
Ten typ modulacji wytwarza sygnał wyjściowy składający się z:
- sygnału o częstotliwości równej sumie częstotliwości nośnej oraz sygnału modulującego
(f0 + f1),
- sygnału o częstotliwości równej różnicy częstotliwości nośnej oraz sygnału
modulującego (f0 - f1),
f0 - f1
f0 + f1
częstotliwość
Rysunek 1.3. Widmo sygnału DSB: nośna (f0) modulowana amplitudowo przez sygnał (f1).
Terminologia związana z modulacją sygnałów:
indeks modulacji amplitudy (m) – stosunek amplitudy sygnału modulującego do amplitudy
sygnału fali nośnej
nośna (sygnał nośny) – sygnał wysokiej częstotliwości (w.cz.), który modulowany przez
sygnał o niskiej częstotliwości (sygnał wiadomości)
odchylenie częstotliwości – (w systemie modulacji częstotliwości) maksymalna zmiana
częstotliwości (∆f) nośnej względem swojej wartości średniej
indeks modulacji częstotliwości (mf) – stosunek odchylenia częstotliwości ∆f do
częstotliwości sygnału modulującego przy założeniu że jest on sinusoidalny. Często
∆f
opisywany jako β =
.
fm
PM – modulacja fazy. Metoda modulacji w której amplituda nośnej pozostaje stała, gdy jej
faza zmienia się zgodnie z amplitudą sygnału modulującego.
przemodulowanie – zjawisko występujące w systemie telekomunikacyjnym gdy amplituda
modulującego jest większa niż amplituda sygnału nośnego (niezbędna do wykonania 100 %
modulacji)
3.2. Część praktyczna
Opis ćwiczenia
Modulacja amplitudowa (modulacja amplitudy) jest to modulacja, w której chwilowa
wartość amplitudy przebiegu modulowanego sygnału nośnego (w.cz.) zmienia się w czasie
zgodnie z chwilowymi wartościami sygnału modulującego (którym może być sygnał o małej
częstotliwości, taki jak mowa, muzyka). Modulacja amplitudowa jest najczęściej modulacją
ciągłą i linearną. Jest ona stosowana między innymi w radiofonii na falach długich, średnich
i krótkich. Zaletą modulacji amplitudowej jest prostota układu nadawczego i odbiorczego
oraz wąskie pasmo częstotliwości. Wadą natomiast jest mała sprawność oraz wrażliwość na
zakłócenia atmosferyczne i przemysłowe. Celem wykonania ćwiczenia jest poznanie cech
charakterystycznych modulacji amplitudowej z wykorzystaniem do tego celu Analizatora
Widma oraz Oscyloskopu. Na rysunku 1.4 zostały pokazane elementy wykorzystywane
w ćwiczeniu. Składają się na nie:
-
Zasilacz / Dwukanałowy wzmacniacz audio (ang. Power supply / Dual audio amplifier)
Dwukanałowy generator funkcji (ang. Dual function generator)
Licznik częstotliwości (ang. Frequency counter)
Woltomierz rzeczywistej wartości RMS (ang. True RMS voltmeter)
Analizator Widma (ang. Spectrum analyzer)
Generator RF / szumu (ang. RF noise generator)
Oscyloskop (ang. Oscilloscope)
Licznik
Częstotliwości
Dwukanałowy
Generator
Funkcji
Wyjście
kanału A
Wejście
Wyjście do
pomiaru
częstotliwości
Wejście
kanału A
Generator RF /
Szumu
Woltomierz
RMS
Oscyloskop
Wyjście do
pomiaru
napięcia
Rysunek 1.4. Schemat ideowy połączenia urządzeń.
Dwukanałowy Generator Funkcji jest urządzeniem, które w tym ćwiczeniu służy do
wytworzenia sygnału modulującego. Z wyjścia 50 omowego kanału A OUT(ang. output A)
Dwukanałowego Generatora Funkcji, sygnał podawany jest na wejście modulacji
amplitudowej (ang. amplitude modulation input) Generatora RF / Szumu, który to z kolei
wytwarza sygnał zmodulowany o wysokiej częstotliwości, według otrzymanego sygnału
modulującego. Sygnał o zmodulowanej amplitudzie podawany jest z wyjścia RF (ang. RF
output) Generatora RF / Szumu na wejście kanału A (ang. channel A) w Oscyloskopie. Za
pomocą oscyloskopu możliwa jest obserwacja w dziedzinie czasu sygnału zmodulowanego.
W ćwiczeniu używany jest również Licznik Częstotliwości, który służy do odczytu
częstotliwości sygnału modulującego, jak i nośnego, oraz Woltomierz RMS służący do
odczytu wartości skutecznej napięcia sygnału modulującego oraz sygnału nośnego.