instrukcja - Politechnika Warszawska

Politechnika Warszawska
Wydział Elektryczny
Laboratorium Teletechniki
Skrypt do ćwiczenia T.04
Podstawowe zasady modulacji częstotliwościowej (FM)
1. Podstawowe zasady modulacji częstotliwościowej (FM)
Poznanie zasady wytwarzania modulowanej częstotliwościowo fali nośnej.
1.1. Część teoretyczna
Modulacja częstotliwościowa (modulacja częstotliwości) jest to modulacja, w której
amplituda sygnału wielkiej częstotliwości (w.cz.) pozostaje stała, natomiast zmienia się (pod
wpływem
sygnału
modulującego)
częstotliwość
sygnału
nośnego
wielkiej
częstotliwości(w.cz.).
Jeżeli sygnał modulujący, które powoduje modulację częstotliwości sygnału fali
nośnej, nie występuje to, częstotliwość fali nośnej powraca do swojej początkowej wartości,
zwanej częstotliwością środkową i pozostaje niezmieniona, aż do ponownego pojawienia się
napięcia modulującego.
Podczas modulacji częstotliwościowej (FM – Frequency Modulation):
- im większa jest wartość amplitudy sygnału modulującego, tym większa jest zmiana
sygnału nośnego wielkiej częstotliwości (w.cz.) w stosunku do częstotliwości
środkowej f0 tego sygnału (amplituda sygnału modulującego określa wartość zmiany
częstotliwości sygnału nośnego w.cz.),
- im częstotliwość sygnału modulującego jest większa, tym większa jest liczba zmian
częstotliwości sygnału w.cz. przypadająca na sekundę.
Wartość, o którą zmienia się częstotliwość zmodulowana od częstotliwości fali nośnej,
nazywa się dewiacją (odchyleniem) częstotliwości ∆f. Znamionowa dewiacja w odbiorniku
radiofonicznym jest równa ∆f =50 kHz.
Przy modulacji częstotliwościowej częstotliwość wypromieniowana przez nadajnik
zmienia się w granicach
f0 ± ∆f
Wielkością charakterystyczną dla modulacji częstotliwościowej jest tzw. wskaźnik
modulacji częstotliwościowej mf, który równa się ilorazowi największej dopuszczalnej
dewiacji częstotliwości ∆fmax przez częstotliwość modulującą fm. (np. akustyczną)
∆f
m f = max
fm
W radiofonii FM, gdzie przyjęto dewiację częstotliwości ∆f = 50 kHz i maksymalną
częstotliwość modulującą fm. = 15 kHz, wskaźnik ten ma wartość
50
m f = = 3,3
15
Przy modulacji częstotliwości zmiany sygnału zmodulowanego wielkiej częstotliwości są
przyczyną tego, że każdy okres przebiegu zmiennego wielkiej częstotliwości nie jest
przebiegiem czysto sinusoidalnym (gdyż każdy następujący okres ma nieco większą lub nieco
mniejszą częstotliwość niż poprzedni). Przy modulacji FM powstaje w związku z tym
(zamiast jednej pary częstotliwości bocznych jak w przypadku modulacji AM) duża liczba
częstotliwości bocznych. W praktyce brane są pod uwagę tylko te częstotliwości, w których
amplituda nie jest mniejsza niż 1% amplitudy fali nośnej.
1.2. Część praktyczna
Opis ćwiczenia
Modulacja częstotliwości jest specyficzną formą modulacji kątowej; inną formą
modulacji kątowej jest modulacja fazy.
Modulacja częstotliwości jest procesem, w którym częstotliwość fali nośnej zmieniana
jest zgodnie ze zmianami sygnału modulującego. Rysunek 1.1 przedstawia jak wygląda fala
nośna zmodulowana na ekranie oscyloskopu.
Niska częstotliwość sygnału modulującego powoduje powolne zmiany częstotliwości fali
nośnej, a wysoka częstotliwość sygnału modulującego powoduje szybkie zmiany
częstotliwości fali nośnej. Z tego względu zmiany amplitudy sygnału modulującego wpływają
na maksimum i minimum odchylenia fali nośnej w taki sposób, że wyższa amplituda
powoduje większe odchylenie częstotliwości.
Rysunek 1.1. Fala nośna modulowana częstotliwościowo.
Jeśli sygnał zmodulowany częstotliwościowo zostanie poddany analizie w dziedzinie
częstotliwości, za pomocą Analizatora Widma, otrzymany zostanie układ prążków pokazany
na rysunku 1.2. W przypadku modulacji sygnałem sinusoidalnym o częstotliwości fm, widmo
sygnału sygnału zmodulowanego zawiera nieskończoną liczbę prążków, umieszczonych w
odległości fm, 2fm, 3fm itd. od częstotliwości nośnej fc. Należy podkreślić, że amplitudy tych
prążków zmieniają się wraz z indeksem modulacji. Tak jak i w modulacji amplitudy, widmo
jest symetryczne względem częstotliwości nośnej.
Rysunek 1.2. Widmo sygnału modulowanego częstotliwościowo.
Celem wykonania ćwiczenia jest poznanie zasady wytworzenia modulowanej
częstotliwościowo fali nośnej z wykorzystaniem do tego celu Analizatora Widma oraz
Oscyloskopu. Na rysunku 1.3 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)
Woltomierz rzeczywistej wartości RMS (ang. True RMS voltmeter)
Analizator Widma (ang. Spectrum analyzer)
Oscyloskop (ang. Oscilloscope)
Dwukanałowy
Generator
Funkcji
Wyjście
sygnału
Pomiar RMS
napięcia
Wejście
Licznik
Częstotliwości
Wejście
Analizator
Widma
Wejście
kanau A
Oscyloskop
Woltomierz
RMS
Rysunek 1.3. Schemat ideowy przedstawiający połączenia pomiędzy urządzeniami
wykorzystywanymi w ćwiczeniu.
Dwukanałowy Generator Funkcji jest urządzeniem, które w tym ćwiczeniu służy do
wytworzenia sygnału zmodululowanego. Z wyjścia kanału A (ang. output A) Dwukanałowego
Generatora Funkcji, sygnał podawany jest na wejście Analizatora Widma w celu obserwacji
widma sygnału w dziedzinie częstotliwości oraz na wejście Oscyloskopu w celu obserwacji
sygnału w dziedzinie czasu. W ćwiczeniu został także użyty Licznik Częstotliwości w celu
wykonania prawidłowych nastawień wartości częstotliwości oraz Woltomierz RMS
wykorzystywany do pomiaru skutecznej wartości napięcia