instrukcja - Politechnika Warszawska

Politechnika Warszawska
Wydział Elektryczny
Laboratorium Teletechniki
Skrypt do ćwiczenia T.13
Wytwarzanie sygnałów SSB metodę filtracyjną
1. Wytwarzanie sygnałów SSB metodę filtracyjną
Ćwiczenie to ma na celu wyjaśnienie filtracyjnej metody generowania sygnałów SSB
używając do tego celu Generatora AM / DSB / SSB.
1.1. Część teoretyczna
Podstawy jednowstęgowej modulacji SSB (ang. single sideband – SSB) zostały
przedstawione na rysunku 1.1. Widmo sygnału SSB, teoretycznie może być otrzymane przez:
- usunięcie z sygnału AM w pierwszej kolejności nośnej, w celu wytworzenia widma
sygnału DSB (ang. double sideband – DSB) pokazanego na rysunku 1.1 (b).
- a następnie usunięcie jednej z dwóch wstęg bocznych pokazanych na rysunku 1.1 (c).
Przewagą modulacji SSB jest brak częstotliwości nośnej oraz częstotliwości jednej z wstęg
bocznych w widmie sygnału SSB, co powoduje, że do komunikacji wymagana jest
(w porównaniu z DSB) tylko połowa szerokości pasma częstotliwości, ponieważ jest
transmitowana tylko jedna wstęga boczna. Z tego względu SSB oferuje skuteczniejsze
wykorzystanie mocy sygnału i oszczędniejsze wykorzystanie dostępnej w mediach szerokości
pasma. Niestety korzyści te są okupione większą złożonością urządzeń nadawczych
i odbiorczych.
NOŚNA
LSB
USB
LSB
USB
fC
fC
a) Widmo AM
b) Widmo DSB
USB
LSB
fC
fC
c) Widmo SSB
Rysunek 1.1. Widma różnych modulacji AM.
Rysunek 1.2 ilustruje proces, znany jest jako metoda filtracyjna wytwarzania sygnałów SSB.
SYGNAŁ
WIADOMOŚCI
SYGNAŁ
DSB
FILTR
LSB
SYGNAŁ
SSB
FILTRRF
I WZMACNIACZ
FILTR
USB
NOŚNA RF
Rysunek 1.2. Wytwarzanie sygnałów SSB z wykorzystaniem metody filtracyjnej.
Na rysunku 1.3 pokazano schemat blokowy procesu wytwarzania sygnału SSB w wersji
wykorzystywanej w ćwiczeniu laboratoryjnym. Pokazany schemat jest zmodyfikowaną
wersją schematu blokowego pokazanego na przednim panelu Generatora AM / DSB / SSB
wykorzystywanego w ćwiczeniu.
WZMACNIACZ IF
WZMACNIACZ RF
MIKSER RF
MIKSER IF
FILTR IF
FILTR RF
455 kHz
3,9 MHz
SYGNAŁ
SSB
PRZEMIESZCZENIE
CZĘSTOTLIWOŚCI DO
CZĘSTOTLIWOŚCI NOŚNEJ
WYBÓR
WSTĘGI BOCZNEJ
VFO
(4.2 - 4.5 MHz)
BFO
(450 - 460 kHz)
Rysunek 1.3. Funkcjonalny diagram blokowy przedstawiający wytworzenie sygnału SSB w ćwiczeniu
laboratoryjnym.
W powyższym układzie sygnał wiadomości (niosący informację) łączony jest w
mikserze IF z sygnałem Oscylatora Dudnieniowego (ang. Beat Frequency Oscillator - BFO).
W ten sposób wytwarzany jest sygnał DSB o częstotliwościach położonych w pobliżu
częstotliwości BFO. Wybór wstęgi bocznej rozpoczyna się od wyregulowania częstotliwości
generatora BFO, pochodzącej z zakresu 450 – 460 kHz. Powoduje to przesunięcie
częstotliwości sygnału wiadomości w odpowiednie pasmo przepuszczane przez filtr IF.
Ponieważ filtr IF o częstotliwości 455 kHz posiada zwężoną 6 kHz szerokość pasma i ostry
spadek wzmocnienia charakterystyki, efektem przesunięcia częstotliwości (powodowanego
przez zmianę częstotliwości BFO) jest „wypchnięcie” jednej z wstęg bocznych na zewnątrz
pasma przenoszenia filtru IF. W ten sposób zostaje wybrana jedna z pożądanych wstęg
bocznych. W dalszej kolejności sygnał SSB z filtra RF jest poddany w mikserze RF
przesunięciu do częstotliwości nośnej określonej przez przestrajany generator (ang. Variable
Frequency Oscillator - VFO). Dla Generatora AM / DSB / SSB, wykorzystywana w
ćwiczeniu laboratoryjnym częstotliwość nośna SSB znajduje się w paśmie częstotliwości o
długości fali 80 m., zarezerwowanym dla radioamatorów (3.7 – 4.0 MHz). Końcowymi
działaniami wykonywanymi przed transmisją są: filtracja i wzmocnienie sygnału. Sygnał
pochodzący z miksera RF, zawierający dwie wstęgi boczne o częstotliwościach leżących w
pobliżu częstotliwości fali nośnej, zostaje poddany filtracji w filtrze pasmowo przepustowym
o częstotliwości środkowej 3,9 MHz. Działanie miksera RF oraz filtru RF pokazano na
rysunku 4.
LSB 1
LSB 2
USB 1
BFO
USB 2
POWIELENIE WSTĘGI LSB,
KTÓRA MUSI ZOSTAĆ
USUNIĘTA
VFO
PODANIE NA WEJŚCIE
MIKSERA PRĄŻKA LSB
SYGNAŁ PRZESUNIĘTY
W PAŚMIE CZĘSTOTLIWOŚCI
VFO
NOŚNA RF (VFO)
Rysunek 1.4. Skopiowanie wybranej wstęgi bocznej poprzez mikser RF.
Jak już zostało wspomniane sygnały SSB mogą być wytwarzane przez odfiltrowanie
jednej z wstęg bocznych sygnału DSB. Przykład pokazany na rysunku 1.5 wyjaśnia w jaki
sposób jest to realizowane. W przykładzie sygnałem wiadomości jest fala sinusoidalna o
częstotliwości 2,5 kHz, łączona z sygnałem BFO przez mikser IF (rysunek 1.3). Sygnał BFO
jest falą sinusoidalną której częstotliwość może być regulowana w zakresie 450 i 460 kHz.
Sygnał będący na wyjściu miksera składający się z sumy i różnicy częstotliwości dwóch
sygnałów wejściowych jest filtrowany przez filtr IF o małej szerokości pasma a następnie
przesuwany do częstotliwości nośnej. Na rysunku 1.5 zostały pokazane trzy przypadki
ustawienia częstotliwości generatora BFO (452,5; 455,0 i 457,5 kHz) oraz wpływ tych
ustawień na sygnał wyjściowy.
Rysunek 1.5. Wybór wstęgi bocznej poprzez miksowanie z sygnałem BFO.
Analiza rysunku 1.5 pokazuje że cała operacja wyboru wstęgi bocznej zasadniczo składa się z
przeniesienia zawartości częstotliwości sygnału wiadomości w taki sposób, że tylko jedna
wstęga boczna umieszczona jest wewnątrz pasma przenoszenia filtru IF. Gdy częstotliwość
BFO została obniżona do wartości 452.5 kHz, rysunek 1.5 (a), wstęga LSB została
przemieszczona do częstotliwości o wartości 450 kHz, leżącej na zewnątrz pasma
przenoszenia filtra IF. W tym samym czasie wstęga USB została umieszczona w centrum
pasma przenoszenia filtra IF. Zatem wstęga LSB została silnie stłumiona i tylko wstęga USB
sygnału wiadomości pozostała w sygnale wyjściowym po częstotliwościowym przesunięciu
sygnału wiadomości do częstotliwości nośnej (BFO).
Na rysunku 1.5 (b), częstotliwość BFO została nastawiona na wartość 455 kHz, a
ponieważ częstotliwość sygnału wiadomości wynosi 2.5 kHz, obie wstęgi boczne znajdują się
wewnątrz 6 kHz pasma przenoszenia filtra IF. Jeśli sygnał ten poddany jest
częstotliwościowemu przesunięciu do częstotliwości nośnej to na wyjściu RF otrzymamy
sygnał DSB.
Wybór wstęgi LSB przedstawiony jest na rysunku 1.5 (c). Częstotliwość BFO została
w tym przypadku nastawiona na wartość 457.5 kHz. Powoduje to pojawienie się wstęgi USB
o częstotliwości 460 kHz, która leży na zewnątrz pasma przenoszenia filtru IF. Natomiast
wstęga LSB znajduje się w centrum pasma przenoszenia, co powoduje, że jedynie ona zostaje
w sygnale po opuszczeniu filtra IF.
Rysunek 1.6 ilustruje proces wyboru pasm podczas transmisji SSB w przypadku gdy
przesyłaniu podlega sygnał wiadomości składający się nie z jednej częstotliwości lecz z
całego ich pasma jak np. w przypadku głosu. Proces wyboru jest taki sam, a jedyny problem
powstaje w przypadku gdy wstęgi boczne sygnałów wiadomości są nieodpowiednio
umieszczone wewnątrz pasma przenoszenia filtru IF. Jeśli pożądana wstęga boczna nie jest
umieszczona prawidłowo, wtedy w sygnale wyjściowym może pojawić się przedstawiona na
rysunku 1.7 część drugiej wstęgi bocznej. W rezultacie sygnał wyjściowy będzie
zniekształcony
i niezrozumiały dla odbiorcy w momencie demodulowania
sygnału RF.
FILTR IF
FILTR IF
LSB
USB
a) Wybór wstęgi USB
LSB
FILTR IF
USB
LSB
b) Obydwie wstęgi boczne
USB
c) Wybór wstęgi LSB
Rysunek 1.6. Wybór wstęgi bocznej w przypadku transmisji sygnałów głosowych.
FILTR IF
LSB
USB
Niepożądana część
drugiej wstęgi
bocznej
a) Wybór wstęgi USB
Rysunek 1.7. Przypadek nieprawidłowego umieszczenia wstęgi bocznej wewnątrz pasma przenoszenia filtra RF.
Nowe terminy
Oscylator dudnieniowy (ang. Beat Frequency Oscillator - BFO) – oscylator używany do
przesunięcia widma sygnału wiadomości, w ten sposób aby pozycja jednej z wstęg bocznych
znalazła się na zewnątrz pasma przenoszenia selektywnego filtru IF.
Odwrócenie wstęgi bocznej – zjawisko występujące w modulacji SSB gdy odbiornik SSB
jest przystosowany do demodulowania przeciwnej wstęgi bocznej w stosunku do tej, która
jest transmitowana. Dla przykładu, transmitowana jest wstęga USB natomiast odbiornik
przystosowany jest do demodulowania wstęgi LSB (i na odwrót).
SSB – typ modulacji w którym usunięta jest częstotliwość nośna i jedna z dwóch wstęg
bocznych (wstęga LSB lub USB) (ang. Low Sideband – LSB), (ang. Upper Sideband – USB).
Generator przestrajany (ang. Variable Frequency Oscillator - VFO) – generator określający
częstotliwość nośną sygnału SSB.
1.2. Część praktyczna
Opis ćwiczenia
Szczególną odmianą modulacji amplitudy jest modulacja jednowstęgowa. Ma ona
szereg odmian, których wspólną cechą jest ograniczenie niezbędnego pasma emisji dzięki
usunięciu jednej wstęgi bocznej i fali nośnej. Modulację tę oznacza się według skrótu
angielskiego SSB (ang. Single Side Band).
Drgania w.cz. w przypadku modulacji amplitudy można rozpatrywać jako sumę drgań
m2
+ Pn . Przy głębokości modulacji równej
w.cz. nośnej i dwóch wstęg bocznych PŚR = Pn +
2
100% (m=1) moc fali nośnej wynosi 2/3 całej mocy. Przy mniejszej głębokości modulacji
część mocy użytecznej zawartej we wstęgach bocznych jest jeszcze mniejsza. Ponieważ fala
nośna nie zawiera informacji, a pobiera główną część mocy dostarczonej, można ją usunąć w
nadajniku. Jeszcze lepsze wyniki energetyczne osiąga się przy nadawaniu tylko jednej wstęgi
bocznej. W takim przypadku fala nośna musi być odtworzona w odbiorniku przed detekcją.
Generator wytwarzający w odbiorniku sygnał o częstotliwości nośnej musi
charakteryzować się dużą stałością częstotliwości.
Odbierana częstotliwość akustyczna (a więc częstotliwość zawarta w pierwotnym sygnale
modulującym nadajnik) będzie odtwarzana wiernie tylko wtedy, gdy w odbiorniku odstęp
między częstotliwością generatora dudnieniowego (wytwarzającą częstotliwość nośną)
a odbieraną częstotliwością będzie zgodny z odstępem, jaki jest między sygnałem
modulującym a falą nośną w nadajniku. Jeżeli np. do wejścia modulatora w nadajniku
zostanie doprowadzona częstotliwość 10 kHz, a częstotliwość nośna jest równa 818 kHz,
wówczas otrzymuje się dwie wstęgi o częstotliwościach 828 kHz i 808 kHz. Nadajnik SSB
emituje tylko wstęgę górną, tj. częstotliwość 828 kHz. W detektorze odbiornika ta
częstotliwość zostanie zmieszana z częstotliwością generatora dudnieniowego, wynoszącą
818 kHz, w wyniku czego otrzymuje się na wyjściu sygnał akustyczny o częstotliwości 10
kHz. Niedokładność częstotliwości generatora dudnieniowego w odbiorniku np. 820 kHz
spowoduje, że na wyjściu otrzymamy sygnał nie o częstotliwości wynoszącej 10 kHz, a 8
kHz. Dla uniknięcia takich zniekształceń wszystkie generatory zarówno w nadajniku, jak i w
odbiorniku muszą pracować bardzo stabilnie.
Jedną z głównych zalet modulacji jednowstęgowej, w porównaniu z systemem z dwiema
wstęgami bocznymi jest dobra łączność na dużych odległościach, ograniczenie szerokości
zajmowanego pasma, zmniejszenie mocy nadajnika. Nadajnik jednowstęgowy ma rozmiary,
ciężar, pobór mocy i napięcie antenowe znacznie mniejsze niż równoważny mu nadajnik
dwuwstęgowy. Przy łączności podczas średnich warunków propagacyjnych nadajnik z jedną
wstęgą boczną daje takie same wyniki jak nadajnik z dwiema wstęgami, mający moc
znamionową fali nośnej cztery razy większą, a moc szczytową 16 razy większą, co ma
szczególne znaczenie w radiokomunikacji ruchomej.
Wykonywane ćwiczenie będzie polegało na poznaniu zasady filtracyjnej metody
generowania sygnałów używając do tego celu Generatora AM / DSB / SSB.
Na Rysunku 1.8 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)
- Analizator Widma (ang. Spectrum analyzer)
- Generator AM / DSB / SSB (ang. AM / DSB / SSB generator)
- Oscyloskop (ang. Oscilloscope)
Analizator
Widma
Wejście
Dwukanałowy
Generator
Funkcji
Wyjście
miksera
Wyjście
kanału A
Wejście
audio
Genarator
AM/DSB/SSB
Wyjście
BFO
Wejście
Licznik
Częstotliwości
Rysunek 1.8. Schemat układu prezentującego filtracyjną metody wytwarzania sygnałów SSB.