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