(am) i częstotliwości (fm

Transkrypt

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
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.
3
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
4
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).
5
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
6
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]
7
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
8
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).
9
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.
10
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
11
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.
12
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
13
Rys. 4.3 Moduł zasilacza układu SO3538-8D
2010-04-19
Rys. 4.4 Moduł generatora funkcyjnego SO5127-2R
14
2010-04-19
Rys.4.5 Moduł nadajnika sygnału zmodulowanego amplitudowo
15
2010-04-19
Rys. 4.6 Moduł odbiornika sygnału zmodulowanego amplitudowo
16
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,
17
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
.
18
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 ?
19
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
i
.
20
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
21

(am) i częstotliwości (fm

Transkrypt

Podobne dokumenty

Kurs Telekomunikacja 8: Modulacja/demodulacja AM/FM

przykładowe pytania

Dekompozycja CPM.

www.divaldi.pl DOSTĘPNE W 2016 ROKU Zwarta konstrukcja

[ CORAB SAT FINDER

instrukcja - Politechnika Warszawska