Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
22
Содержание
|
Введение |
4 |
Лабораторная работа № 1 |
6 |
|
1. Цель работы |
6 |
|
2. Теоретические сведения |
6 |
|
3. Порядок выполнения работы |
12 |
|
4. Требования по оформлению отчета |
15 |
|
5. Контрольные вопросы |
15 |
Лабораторная работа № 2 |
16 |
|
1. Цель работы |
16 |
|
2. Теоретические сведения |
16 |
|
3. Порядок выполнения работы |
22 |
|
4. Требования по оформлению отчета |
24 |
|
5. Контрольные вопросы |
24 |
Список литературы |
24 |
ВВЕДЕНИЕ
Сообщения передаются при помощи сигналов. В простейшем случае сообщение может заключаться в наличии (отсутствии) принятого сигнала. При этом требуется решать задачу обнаружения сигнала. Во многих случаях вид передаваемых сигналов заранее известен и приём сообщения состоит в том, чтобы определить, какой из возможных сигналов был передан. Тогда задача состоит в различении сигналов. Если сигналы отличаются значениями их параметров, которые считаются постоянными в течение некоторого интервала, то необходимо получать оценки параметров сигнала. Сообщение может содержаться в изменениях параметров, т.е. в их мгновенных (локальных) значениях. Тогда для получения сообщения нужно выполнить фильтрацию параметров сигнала. Задача фильтрации, как правило, является более сложной, чем оценивание параметров. Управление информационным параметром сигнала в соответствии с передаваемым сообщением называют модуляцией. В зависимости от вида, функциональной формы и числа параметров сигнала-переносчика и информационного сигнала варьируются свойства различных методов модуляции, а именно, вид и ширина спектра сигнала, устойчивость к воздействию помех и т.д.
Если информационный параметр сигнала-носителя изменяется непрерывно, то методы модуляции являются непрерывными (распространены, например, методы амплитудной, фазовой и частотной непрерывной модуляции гармонического сигнала-переносчика). В качестве сигнала-носителя часто используют периодическую последовательность импульсов, тогда модуляцию называют импульсной. Информационный параметр может принимать счётное число значений, при этом модуляцию называют дискретной. К дискретным видам модуляции относятся амплитудная, частотная и фазовая манипуляции. Если значения параметра закодированы и передаются в цифровой форме, то такие виды модуляции носят название цифровой модуляции. Наиболее распространенным видом цифровой модуляции является импульсно-кодовая модуляция, когда значения сигнала в дискретных точках кодируют в цифровой форме.
В технике цифровой связи методы модуляции (манипуляции) играют весьма значительную роль. Помимо своей основной функции, заключающейся в преобразовании «символ – сигнал», процесс модуляции является составной частью общего процесса согласования сигнала с характеристиками канала, по которому он будет передаваться. Современные методы многопозиционной модуляции в полном соответствии с теоремой Шеннона могут рассматриваться и как способ кодирования данных сообщений в символы канала.
Специфика выбора тех или иных методов модуляции в системах цифровой передачи информации, обусловлена заданностью текущей сетки каналов связи (КС), т.е. использованием уже существующих частотных планов. Например, в телевидении в разных странах доступными являются радиоканалы с полосами частот 6, 7 или 8 МГц. Скорость передачи цифровой информации, передающейся в этих полосах в нормальных условиях составляет 20 Мбит/с и выше. Т.о., удельная скорость передачи должна составлять примерно 4 бит/(с·Гц) в полосе 6 МГц и 3 бит/(с·Гц) в полосе 7 или 8 МГц. Но включение в тракт передачи фильтров, задающих коэффициент скругления спектра 25-35%, а также необходимость повышения скорости передачи данных за счет ввода символов кодовой защиты от ошибок приводит к дополнительному повышению удельной скорости сверх приведенных теоретических значений, что может сказаться на достоверности передачи. Поэтому, при создании КС основными задачами являются разработка методов и математических моделей, определяющих не только оптимальные режимы модуляции-демодуляции с точки зрения повышения скорости, но также достоверности и помехозащищённости передачи.
Если вид информационного сигнала, сигнала-носителя и характеристики линии связи заданы, то основной задачей является оптимальный приём сигналов. Задача оптимального приёма, как правило, сводится к задаче различения сигналов по заданному критерию в условиях помех (задача обнаружения рассматривается как различение смеси сигнала и помехи от помехи, когда сигнал отсутствует). Задачи приёма сообщений подразделяют на два класса - когерентный и некогерентный приём, соответственно при наличии и отсутствии синхронизации в канале передачи информации. Методы когерентного (синхронного) приема, как правило, более просты и надёжны. Методы некогерентного (асинхронного) приёма обеспечивают более высокое быстродействие, однако более сложны в реализации. Теория оптимального приёма сигналов является одним из важнейших разделов статистической радиотехники и теории связи.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1
АМПЛИТУДНАЯ МОДУЛЯЦИЯ АНАЛОГОВЫХ СИГНАЛОВ
1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Изучить принципы амплитудной модуляции цифровых сигналов. Определить параметры, характеризующие амплитудную модуляцию.
2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
2.1. Принцип амплитудной модуляции
Амплитудная модуляция (АМ) исторически была первым видом модуляции, освоенным на практике. В настоящее время АМ применяется в основном только для радиовещания на сравнительно низких частотах (не выше коротких волн) и для передачи изображения в телевизионном вещании. Это обусловлено низким КПД использования энергии модулированных сигналов.
АМ соответствует переносу информации s(t) U(t) при постоянных значениях параметров несущей частоты w и j. АМ – сигнал представляет собой произведение информационной огибающей U(t) и гармонического колебания ее заполнения с более высокими частотами. Форма записи АМ сигнала:
u(t) = U(t)cos(wot+jo), (1)
U(t) = Um[1+Ms(t)], (2)
где Um – постоянная амплитуда несущего колебания при отсутствии входного (модулирующего) сигнала s(t), М – коэффициент амплитудной модуляции
Значение М характеризует глубину амплитудной модуляции. В простейшем случае, если модулирующий сигнал представлен одночастотным гармоническим колебанием с амплитудой Uo, то коэффициент модуляции равен отношению амплитуд модулирующего и несущего колебания М=Uo/Um. Значение М должно находиться в пределах от 0 до 1 для всех гармоник модулирующего сигнала. При значении М<1 форма огибающей несущего колебания полностью повторяет форму модулирующего сигнала s(t), что можно видеть на рис. 1. Малую глубину модуляции для основных гармоник модулирующего сигнала (М<<1) применять нецелесообразно, т.к. при этом мощность передаваемого информационного сигнала будет много меньше мощности несущего колебания, и мощность передатчика используется неэкономично. На рис. 2 приведен пример так называемой глубокой модуляции, при которой значение M стремится к 1 в экстремальных точках функции s(t). При глубокой модуляции используются также понятия относительного коэффициента модуляции вверх: Mв = (Umax - Um)/Um, и модуляции вниз: Mн = (Um - Umin)/Um, которые обычно выражаются в %.
Рис. 1 Рис. 2
Стопроцентная модуляция (М=1) может приводить к искажениям сигналов при перегрузках передатчика, если последний имеет ограниченный динамический диапазон по амплитуде несущих частот или ограниченную мощность передатчика (увеличение амплитуды несущих колебаний в пиковых интервалах сигнала U(t) в два раза требует увеличения мощности передатчика в четыре раза).
При М>1 возникает так называемая перемодуляция, пример которой и спектр приведены на рис. 3 и 4.
Рис. 3 Рис. 4
Форма огибающей при перемодуляции искажается относительно формы модулирующего сигнала и после демодуляции, если применяются ее простейшие методы, информация может искажаться.
2.2. Однотональная модуляция
Простейшая форма модулированного сигнала создается при однотональной амплитудной модуляции – модуляции несущего сигнала гармоническим колебанием с одной частотой W:
u(t) = Um[1+Mcos(Wt)]cos(wot). (3)
Значения начальных фазовых углов несущего и модулирующего колебания здесь и в дальнейшем, если это не имеет принципиального значения, для упрощения получаемых выражений будем принимать равными нулю. С учетом формулы cos(x)cos(y) = (1/2)[cos(x+y)+cos(x-y)] из выражения (3) получаем:
u(t) = Umcos(wot) +(UmM/2)cos[(wo+W)t]+(UmM/2)cos[(wo-W)t]. (4)
Отсюда следует, что модулирующее колебание с частотой W перемещается в область частоты wo и расщепляется на два колебания, симметричные относительно частоты wo, с частотами соответственно (wo+W) - верхняя боковая частота, и (wo-W) - нижняя боковая частота (рис. 4 для сигнала, приведенного на рис. 1). Амплитуды колебаний на боковых частотах равны друг другу, и при 100%-ной модуляции равны половине амплитуды колебаний несущей частоты. Если получить уравнение (4) с учетом начальных фаз несущей и модулирующей частоты, то правило изменения фаз аналогично изменению частоты: начальная фаза модулирующего колебания для верхней боковой частоты складывается с начальной фазой несущей, для нижней – вычитаются из фазы несущей. Физическая ширина спектра модулированного сигнала в два раза больше ширины спектра сигнала модуляции.
2.3. Энергия однотонального АМ-сигнала
Обозначим раздельными индексами (нес- несущая, вб- верхняя боковая, нб- нижняя боковая) составляющие колебания однотонального АМ - сигнала (4) и определим функцию его мгновенной мощности:
u(t) = uнес(t) + uвб(t) + uнб(t).
p(t)=u2нес(t)+u2вб(t)+u2нб(t)+2uнес(t)uвб(t)+2uнес(t)uнб(t)+2uвб(t)uнб(t). (5)
Все взаимные мощности модулированного сигнала при усреднении становятся равными нулю, при этом:
Pu = Рнес + Рвб + Рнб = Um2/2 + (UmM)2/4. (6)
Доля мощности боковых частот в единицах мощности несущей частоты:
(Рвб + Рнб)/Рнес = М2/2, (7)
т.е. не превышает 50% даже при 100%-ной модуляции.
Под полезной мощностью модулированных сигналов понимают мощность, несущую информацию, т.е. в данном случае мощность боковых частот. Коэффициент полезного действия данного типа модуляции определяется отношением мощности боковых частот к общей средней мощности модулированного сигнала:
АМ = (Um2 M2/4) /Pu = M2/(М2+2). (8)
Как видно из рис. 5, даже при М=1 КПД АМ составляет только 33%, а при практическом использовании меньше 20%.
Рис. 5
Для модулированных сигналов применяют также понятие пиковой мощности Pmax. Значение пиковой мощности для однотонального АМ сигнала:
Pmax = Um2 (1+M)2.
2.4. Многотональный модулирующий сигнал.
Сигнал этого типа имеет произвольный спектральный состав. Математическая модель такого сигнала, в том числе непрерывного по частоте, может быть аппроксимирована тригонометрической суммой, в пределе бесконечной:
s(t) =an cos(Wnt+Fn), (9)
где значения амплитуд an и начальных фаз Fn возрастающей последовательности гармоник Wn произвольны. Подставляя (9) в (2) и заменяя произведения M·an парциальными (частичными) коэффициентами модуляции Mn = M·an, получим обобщенное уравнение АМ сигнала и его физического спектра:
u(t) = Um[1+Мncos(Wnt+Fn)]cos(wot+jo). (10)
u(t) = Umcos(wot+jo) + (Um/2) Mncos[(wo+Wn)t+jo +Fn] +
+ (Um/2)Mncos[(wo-Wn)t+jo -Fn]. (11)
На рис. 6 приведен пример амплитудных спектров модулирующего и АМ сигналов при многотональной модуляции.
Рис. 6
Такой сигнал также содержит полосы верхних и нижних боковых частот относительно несущей частоты wo, являющихся прямой и зеркальной масштабными копиями модулирующего сигнала. Соответственно, полная ширина спектра АМ сигнала равна удвоенной ширине спектра модулирующего сигнала.
Как следует из вышеприведенных данных, основная доля мощности АМ – сигнала приходится на несущую частоту. При балансной модуляции производится перемножение двух сигналов – модулирующего и несущего, при котором происходит подавление несущего колебания, соответственно, КПД модуляции становится равным 100%. Так, для однотонального сигнала (без учета начальных фаз колебаний) при U(t) = Mcos(Wt) имеем:
u(t) =(UmM/2){cos[(wo+W)t] +cos[(wo-W)t]}, (12)
т.е. биения двух одинаковых по амплитуде гармонических сигналов с верхней и нижней боковыми частотами. По существу, однотональный модулирующий сигнал переносится на биения двух высоких частот. Пример сигнала с балансной модуляцией приведен на рис. 7.
Рис. 7
Амплитудный спектр сигнала подобен приведенному на рис. 4 с отсутствующей несущей частотой wo. Аналогично, многотональный балансно - модулированный сигнал имеет две симметричные относительно частоты wo группы верхних и нижних боковых колебаний:
u(t)=(Um/2){Mncos[(wo+Wn)t+Fn]+Mncos[(wo+Wn)t-Fn]}. (13)
Физическая сущность подавления несущей частоты заключается в следующем. При переходе огибающей биений U(t) через нуль фаза несущей частоты высокочастотного заполнения скачком изменяется на 1800, поскольку функция косинуса огибающей имеет разные знаки слева и справа от нуля. При этом в достаточно высокодобротной системе (с малыми потерями энергии), настроенной на частоту wo, колебания, возбужденные одним периодом биений, будут гаситься последующим периодом.
Однако балансная модуляция не получила широкого распространения в связи с трудностями, возникающими при демодуляции сигналов. В принципе, синхронное детектирование, как и для АМ, позволяет выполнять демодуляцию без каких-либо проблем, но при условии известной частоты несущей сигнала и точной фазовой синхронизации опорной частоты с несущей. Но во входном сигнале демодулятора при АМ-ПН несущая частота отсутствует, и автоматическая синхронизация становится невозможной. Для снятия этой трудности обычно применяют неполное подавление несущей и оставляют в модулированном сигнале определенный "остаток" несущей (пилот-сигнал), который и используется для фазочастотной автосинхронизации при демодуляции.
2.6. Однополосная амплитудная модуляция
При идентичности информации в группах верхних и нижних боковых частот нет никакой необходимости в их одновременной передаче. Одна из них перед подачей сигнала в канал связи может быть удалена, чем достигается двукратное сокращение полосы занимаемых сигналом частот. Уравнение сигнала с одной боковой полосой (ОБП – сигнал, single side band - SSB) может быть получено непосредственно из 11. Для верхней (знаки '+' во втором слагаемом) или нижней (знаки '-') боковой полосы:
u(t) = Umcos(wot+jo) + (Um/2)Mncos[(wo±Wn)t+jo ±Fn]. (14)
Внешняя форма ОБП – сигнала после удаления одной боковой полосы, пример которой приведен на рис. 8 для однотонального сигнала, сходна с обычным АМ – сигналом, но ее огибающая, как это нетрудно заметить, отличается от огибающей U(t), заданной при модуляции по при М = 1 (показана пунктиром).
Рис. 8
Для демодуляции ОБП - сигнала может использоваться как двухполупериодное, так и синхронное детектирование, со всеми особенностями, присущими этим методам. При однополосной модуляции возможно также подавление несущей частоты (полное или частичное, с оставлением пилот - сигнала), что позволяет полнее использовать мощность передатчика.
Лабораторная работа может быть выполнена в дисплейном классе с использованием специализированного пакета программ для моделирования электронных схем, например, Micro-Cap V.
Чтобы выполнить схему в этом пакете надо ввести компоненты и сделать соответствующие соединения между ними. Компоненты можно брать с инструментальной панели или из специального окна, включить которое командой меню Options - Component Palettes. Так, например, компоненты резистор, индуктивность, емкость и др. находятся в пункте меню Component-Analog Primitives-Passive Components. А транзисторы, операционные усилители - Component-Analog Primitives - Active Devices. Разнообразные источники находятся в Component-Analog Primitives - Waveform Sources. Обязательным элементом схемы является компонент «земля», который может быть найден в пункте меню Component - Analog Primitives – Connectors – Ground. Соединения между элементами в схеме вводятся с помощью инструмента Wire Mode, который может быть включен через меню Options - Mode. Отредактировать компоненты можно с помощью Select Mode, находящегося в пункте меню Options – Mode.
Для диодов, транзисторов, источников питания и некоторых других компонентов необходимо заполнить поле MODEL (выбрать модель источника из имеющихся в окне, если таковых нет, нажать на кнопку Models). Для отображения номеров узлов следует включить режим Node Numbers, который находиться в пункте меню Options – View. Для проведения анализа выбрать пункт меню Analysis – Transient. В открывшемся диалоговом окне заполнить следующие поля: Time Range - время анализа, Maximum Time Step – максимальный шаг по времени. В поле Auto Scale Range поставить галочку - программа автоматически выберет масштаб координатных осей, в поле Р строки поставить цифру, соответствующую номеру графика, на котором будет построена функция, в поле Х Expression поставить условное обозначение независимой переменной (Т - время, F - частота), в поле Y Expression поставить интересующую функцию, например, v(1) - напряжение в узле 1 по отношению к «земле», v(2,3) - напряжение между узлами 2 и 3. Далее необходимо запустить анализ, нажав кнопку Run.
3.1. Описание схемы амплитудного модулятора
Для получения колебания, модулированного по амплитуде, необходимо осуществить перемножение высокочастотного и низкочастотного колебаний. Эта операция осуществляется в модуляторе (перемножителе), который является либо нелинейной системой, либо линейной системой с переменными параметрами.
Выбранный амплитудный модулятор построен на n-p-n транзисторе VT1 с общим эмиттером (рис. 9). В качестве такого транзистора выбираем транзистор 2N1613. На входе схемы действует постоянное смещение, задаваемое батареей G1. Модулирующий сигнал задается генератором синусоидальных колебаний G2, настроенным на частоту 10 кГц. Несущий сигнал задается генератором синусоидальных колебаний G3, настроенным на частоту 200 кГц. В выходной цепи модулятора протекает ток, спектр которого содержит составляющие, среди которых присутствуют несущая и боковые АМ колебания. С помощью полосового фильтра (в данном случае это LC-контур) из всего спектра частот выделяются эти полезные составляющие. LC-контур настроен на частоту несущего сигнала.
Рис. 9 Схема амплитудного модулятора
где: G1 – источник постоянного напряжения; G2 - генератор низкой частоты модулирующего сигнала; G3 – генератор высокой частоты несущего сигнала; VT1 – транзистор n - p – n типа (2N1613); R1 = 100 Ом; R2 = 50 Ом; L1 = 1мГн; C1 = 1 мкФ; C2= 20 нФ.
3.2. Выполнение работы
3.2.1. Собрать схему амплитудного модулятора (см. рис. 9).
3.2.2. Выставить частоту высокочастотного генератора несущей частоты G3 - 200 кГц, 1 В; низкочастотного генератора модулирующего сигнала G2 - 10 кГц. Выставить напряжение питания на G1 - 20 В.
3.2.3. Рассчитать значения емкостей C3, C4 и индуктивности L2 с учетом того, что на них реализован однозвенный полосовой фильтр низких частот (ФНЧ) Параметры элементов фильтра рассчитываются, исходя из требуемой частоты среза F и волнового сопротивления Zв, по формулам:
Волновое сопротивление примем равным 50 ом.
3.2.4. Плавно изменять амплитуду сигнала на генераторе G2 от 5 до 50 В с шагом 5 В. Определить коэффициент модуляции по формуле (6) для каждого значения амплитуды генератора. Зарисовать полученные осциллограммы при изменении амплитуды генератора G2 на каждые 5 В. Определить, при какой величине амплитуды входного сигнала наступает 100 % модуляция. Определить, при какой величине амплитуды входного сигнала наступает перемодуляция.
3.2.5. Выставить амплитуду генератора G2, равную 12 В. Плавно изменять амплитуду на генераторе G3 от 5 В до 0.5 В с шагом 1 В. Определить, при какой величине амплитуды сигнала генератора наступает 100 % модуляция и перемодуляция.
3.2.6. Построить графики зависимости M = f(Uвх1) и M = f(Uвх2), где Uвх1 и Uвх2 – значение амплитуд сигналов соответственно для генераторов G2 и G3.
3.2.7. Зафиксировать частоту генератора G2 равной 12 кГц. Плавно изменять частоту генератора G3 в пределах от 150 кГц до 250 кГц через 10 кГц, зарисовать полученные графики и установить влияние частоты генератора G3 на итоговые осциллограммы.
3.2.8. Зафиксировать частоту генератора G3 равной 180 кГц. Плавно изменять частоту генератора G2 в пределах от 5 кГц до 15 кГц через 2 кГц, зарисовать полученные графики и установить влияние частоты генератора G2 на итоговые осциллограммы.
4. ТРЕБОВАНИЯ ПО ОФОРМЛЕНИЮ ОТЧЕТА
Отчет по лабораторной работе должен содержать:
5. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
5.1. Определение амплитудной модуляции. Каким уравнением описывается АМ сигнал?
5.2. Что называется однотональной АМ?
5.3. Объяснить, почему с точки зрения энергетической характеристики АМ сигнала проявляется неэффективность использования мощности при передаче?
5.4. Записать выражение сложного АМ сигнала.
5.5. Что такое балансная АМ и как она описывается?
5.6. Почему фаза ВЧ заполнения при балансной АМ скачком изменяется на 1800?
5.7. Как зависит коэффициент модуляции от интенсивности управляющего напряжения?
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2
АМПЛИТУДНАЯ МАНИПУЛЯЦИЯ ЦИФРОВЫХ СИГНАЛОВ
1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Изучить принципы амплитудной манипуляции цифровых сигналов. Определить параметры, характеризующие амплитудную манипуляцию.
2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
2.1. Принцип манипуляции
Немодулированный ВЧ сигнал (несущая) сам по себе не несёт никакой информации. Для передачи телефонного сообщения несущую необходимо модулировать, т.е. изменять в такт со звуковым напряжением параметры ВЧ сигнала - амплитуду, частоту или фазу. Для передачи же телеграфного сообщения ВЧ сигнал модулируют в соответствии с кодом Морзе.
Телеграфные сообщения представляют собой цифровую кодированную информацию, т.е. комбинации двоичных сигналов, состоящих из логических «1» и «0». Такого рода модуляцию называют манипуляцией сигналов, а устройство, реализующее данный процесс, как модулятором, так и манипулятором. Кроме того, процесс манипуляции называют также телеграфным режимом работы, соответственно заменяя название амплитудная модуляция на амплитудное манипулирование (АМн) или амплитудное телеграфирование (АТ). Обобщенная схема амплитудного манипулятора выглядит следующим образом (рис.1).
Рис. 1
В зависимости от числа уровней N манипулирующего сигнала различают двухуровневую (двоичную) и многоуровневую манипуляцию. Для многих видов манипуляции, применяемых в цифровых каналах связи (КС), предполагается использование манипулирующих сигналов, отличающихся по структуре от исходного передаваемого сигнала. Для формирования указанных манипулирующих сигналов применяется специальные кодирующие устройства - кодеры модулятора. При демодуляции осуществляется обратное преобразование, т.е. декодирование полученной информации. Перед декодером осуществляется регенерация цифровых посылок.
2.2. Амплитудно-манипулированные сигналы (АМн)
При амплитудной манипуляции информационным параметром является амплитуда сигнала-носителя информации, которая изменяется скачкообразно под действием модулирующего сигнала. Такие сигналы представляют собой последовательности радиоимпульсов, разделенные паузами. Форма огибающей радиоимпульсов в общем случае может быть произвольной, паузы могут отличаться по длительности от радиоимпульсов. На рис. 2 и 3 приведены пример амплитудно-манипулированного сигнала с прямоугольной П - формой огибающей и модуль спектральной плотности сигнала:
u(t) = Umcos(2pfot), (1)
Рис. 2. Рис. 3.
Значит, в частотной области спектр АМн – сигнала образуется сверткой спектра огибающей функции (в данном случае – спектра прямоугольного импульса) со спектром косинусного колебания (дельта - функции на частоте fo). Спектр прямоугольного импульса довольно слабо затухает и простирается неограниченно далеко, а поэтому его использование в качестве огибающей АМн - сигнала не рекомендуется, хотя и является наиболее простым по техническому исполнению.
На рис. 4 приведен пример формы классического АМн сигнала при передаче нескольких символов, каждому из которых соответствует индивидуальная амплитуда несущей частоты при постоянной длительности интервалов посылки. Модуль спектра сигнала приведен на рис. 5 и тоже имеет достаточно большую ширину значимой части спектра вокруг несущей частоты.
Рис. 4. Рис. 5.
Степень искажения сигналов существенно зависит от длительности посылок. Пример искажения вышеприведенного сигнала при ограничении спектра интервалом частот от 40 до 60 кГц приведен на рис. 6.
Рис. 6.
Естественно, что при передаче данных частотный диапазон канала передачи данных ограничивается значимой частью спектра, ширина которого устанавливается по допустимой степени искажения приемных сигналов.
2.3. Демодуляция АМн - сигналов
Демодуляция как АМн сигналов, так и в общем случае АМ сигналов может выполняться несколькими способами. Самый простой способ - двухполупериодное детектирование (вычисление модуля сигнала) с последующим сглаживанием полученных однополярных полупериодов несущей ФНЧ. На рис. 7 приведен пример изменения однотонального АМ сигнала и его физического спектра при детектировании. Параметры представленного сигнала: несущая частота 30 Гц, частота модуляции 3 Гц, коэффициент модуляции М=1.
Как видно из рисунка, при детектировании спектр модулированного сигнала становится однополярным, переходит на основную несущую частоту 2wo и уменьшается по энергии почти в 5 раз. Основная часть энергии (более 4/5) трансформируется в область низких частот и распределяется между постоянной составляющей и выделенной гармоникой сигнала модуляции. Между постоянной составляющей и выделенной гармоникой энергия распределяется в зависимости от значения коэффициента модуляции М. При М=1 энергии равны, при М=0 (в отсутствие сигнала модуляции) вся энергия переходит на постоянную составляющую.
Рис. 7.
Кроме этих составляющих в спектре появляются также 2-я, 3-я и более высокие гармоники детектированного модулированного сигнала, которые не показаны на рисунке. Энергия второй гармоники не превышает 2%, а остальных и вовсе незначительна. Демодуляторы сигнала выделяют после детектирования только низкочастотный информационный сигнал и подавляют все остальные частоты, включая постоянную составляющую. Очевидно также, что в случае перемодуляции сигнала исходный информационный сигнал будет восстанавливаться с ошибкой.
Другой распространенный метод – синхронное детектирование. При синхронном детектировании модулированный сигнал умножается на опорное колебание с частотой несущего колебания. Без учета фазовых углов колебаний:
y(t)= U(t)cos(wot)cos(wot) = ½U(t) + ½U(t)cos(2wot). (2)
Как следует из этого выражения, сигнал разделяется на два слагаемых, первое из которых повторяет исходный модулирующий сигнал, а второе повторяет модулированный сигнал на удвоенной несущей частоте 2wо.
На рис. 8 приведено сопоставление двухполупериодного и синхронного детектирования, которое наглядно показывает практически полное подобие процессов. Но форма новой несущей при синхронном детектировании является чистой гармоникой, в отличие от двухполупериодного детектирования, где новая несущая явно содержит дополнительные гармоники более высоких частот.
Рис. 8.
Физический амплитудный спектр сигналов после демодуляции подобен спектру двухполупериодного детектирования, но однозначно соотносится со спектром входного модулированного сигнала: амплитуды гармоник модулированного сигнала на частоте 2wо в два раза меньше амплитуд входного сигнала, постоянная составляющая равна амплитуде несущей частоты wo и не зависит от глубины модуляции, амплитуда демодулированного сигнала в 2 раза меньше амплитуды исходного модулирующего сигнала. Особенностью синхронного детектирования является полная независимость от глубины модуляции, т.е. коэффициент модуляции сигнала м.б. больше единицы. Но при синхронном детектировании требуется точное совпадение фаз и частот опорного колебания демодулятора и несущей гармоники АМн сигнала.
При сдвиге фазы опорного колебания на Dw относительно несущей частоты выходной сигнал демодулятора оказывается умноженным на косинус фазовой ошибки:
y(t)=U(t)cos(wot)cos(wot-Dj) = ½ U(t)cos(-Dj) + ½ U(t)cos(2wot-Dj), (3)
и амплитуда сигнала занижается, а при Dw=p/2 становится равной нулю. При сдвиге частоты между несущим и опорным колебаниями сигнал демодулятора оказывается умноженным на гармоническое колебание с разностной частотой:
y(t)=U(t)cos(wot)cos(wot-Dw)=½U(t)cos(-Dwt) + ½U(t)cos((2wo-Dw)t), (4)
при этом выходной сигнал демодулятора начинает пульсировать с частотой биений Dw. Для частотной и фазовой синхронизации между несущим и опорным колебаниями в демодуляторах используются следящие системы фазовой автоподстройки опорной частоты.
2.4. Цифровая амплитудно-импульсная модуляция (АИМ)
При импульсной модуляции в качестве сигнала-носителя используется периодическая последовательность видеоимпульсов:
, (5)
где: А0 – амплитуда импульсов, h(x) – функция, описывающая последовательность импульсов, - длительность импульса.
При использовании метода АИМ амплитуда импульсов изменяется в соответствии с информационным сигналом, так что передаваемый сигнал определяется выражением:
. (6)
Временная диаграмма сигнала приведена на рис. 9, где на (а) изображен модулирующий сигнал, на (б) - АИМ сигнал. Спектр АИМ сигнала показан на рис. 10 для случая, когда модулирующий сигнал является узкополосным сигналом со средней частотой Ω.
|
Рис. 9. |
Рис. 10. |
Видно, что частоту повторения импульсов надо выбирать не меньшей 2Ω, чтобы не происходило наложения спектров соседних боковых полос. Если это выполняется, то с помощью ФНЧ можно выделить составляющие модулированного сигнала. Особенностью спектра АИМ сигнала является наличие около частоты = 0 составляющих модулирующего сигнала. Значит, демодуляцию АИМ сигнала можно выполнить ФНЧ без дополнительных преобразований. Фильтр должен пропускать частоты от 0 до , где - максимальная частота в спектре информационного сигнала. Большие интервалы между импульсами используются для размещения импульсов других каналов. Длительность импульсов определяет полосу пропускания каналов. Часто АИМ сигнал используется как модулирующий сигнал для создания ВЧ модулированных колебаний. Вначале формируют АИМ сигнал, затем полученный АИМ видеосигнал используют для модуляции непрерывного ВЧ носителя, имеющего частоту много большую, чем Ω. После таких преобразований спектр сигнала переносится на частоту несущего ВЧ колебания.
Лабораторная работа может быть выполнена в дисплейном классе с использованием специализированного пакета программ для моделирования электронных схем, например, Micro-Cap V.
Чтобы выполнить схему в этом пакете надо ввести компоненты и выполнить соединения между ними. Компоненты можно брать из специального окна, включить которое командой меню Options - Component Palettes. Так, например, компоненты резистор, индуктивность, емкость, диод и стабилитрон находятся в пункте меню Component-Analog Primitives-Passive Components. А транзисторы, операционные усилители - Component-Analog Primitives - Active Devices. Разнообразные источники находятся в Component-Analog Primitives - Waveform Sources. Обязательным элементом схемы является компонент «земля», который находится в пункте меню Component - Analog Primitives - Connectors - Ground. Соединения между элементами в схеме вводятся с помощью инструмента Wire Mode, который включается через меню Options - Mode. Отредактировать компоненты можно с помощью Select Mode, находящегося в пункте меню Options – Mode.
Для диодов, транзисторов, источников питания и некоторых других компонентов необходимо заполнить поле MODEL (выбрать модель источника из имеющихся в окне, если таковых нет, нажать на кнопку Models). Для отображения номеров узлов следует включить режим Node Numbers, который находиться в пункте меню Options - View. Для проведения анализа выбрать пункт меню Analysis - Transient. В открывшемся диалоговом окне заполнить следующие поля: Time Range - время анализа, Maximum Time Step – максимальный шаг по времени. В поле Auto Scale Range поставить галочку - программа будет автоматически выбирать масштаб координатных осей, в поле Р строки поставить цифру, соответствующую номеру графика, на котором будет построена функция, в поле Х Expression поставить условное обозначение независимой переменной (Т – время, F – частота), в поле Y Expression поставить интересующую функцию, например, v(1) – напряжение в узле 1 по отношению к «земле», v(2,3) – напряжение между узлами 2 и 3. Далее необходимо запустить анализ, нажав кнопку Run.
3.1. Описание схемы амплитудного манипулятора
Такой вид модуляции можно осуществить с помощью электронного ключа. В качестве последнего может, например, использоваться операционный усилитель (рис. 11), на один вход которого подается сигнал несущих колебаний, а на другой - цифровой. Модулирующий сигнал задается НЧ генератором импульсных колебаний G1, настроенным на частоту 20 кГц. Несущий сигнал задается ВЧ генератором синусоидальных колебаний G2, настроенным на частоту 200 кГц. В результате на выходе схемы будет получен сигнал, промодулированный по амплитуде цифровым двоичным сигналом, состоящим из нулей и единиц.
Рис. 11. Схема амплитудного манипулятора.
где: G1 - генератор низкой частоты модулирующего импульсного сигнала; G2 – генератор высокой частоты несущего сигнала; R1 = R2 = R3 = 1кОм, DA1 – операционный усилитель LF400C.
3.2. Выполнение работы
3.2.1. Собрать схему амплитудного модулятора (манипулятора) цифровых сообщений (рис. 11).
3.2.2. Выставить для генератора G1 - 20 кГц, 5 В; для генератора G2 - 200 кГц.
3.2.3. Плавно изменять амплитуду на генераторе G2 от 0 до 7 В с шагом 1 В. Зарисовать полученные графики при изменении амплитуды генератора G2 на каждые 1 В. и установить влияние частоты генератора G2 на итоговые осциллограммы.
3.2.4. Зафиксировать частоту генератора G1 равной 20 кГц, 5 В. Плавно изменять частоту генератора G2 в пределах от 20 кГц до 200 кГц через 40 кГц, зарисовать полученные графики и установить влияние частоты генератора G2 на итоговые осциллограммы.
3.2.5. Зафиксировать частоту генератора G2 равной 200 кГц. Плавно изменять период сигнала генератора G1 в пределах от 50 мкс до 100 мкс через 10 мкс, зарисовать полученные графики и установить влияние периода сигнала (а, следовательно, и частоты) генератора G1 на итоговые осциллограммы.
4. ТРЕБОВАНИЯ ПО ОФОРМЛЕНИЮ ОТЧЕТА
Отчет по лабораторной работе должен содержать:
5. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
5.1.Что называется амплитудной манипуляцией?
5.2. От чего зависит ширина частотного спектра канала связи при передаче АМн сигналов, и чем вызвано ее ограничение?
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы: Учебник для вузов. - М.: Высш. шк., 2003. - 462 с.
2. Теория электрической связи: Учебник для вузов/А.Г. Зюко, Д.Д. Кловский, В.И. Коржик, М.В. Назаров;/ Под ред. Д.Д. Кловского – М.: Радио и связь, 1998. - 432 с.
3. Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов: Учеб. пособие для вузов / А.Б. Сергиенко.- СПб.: Питер, 2003. - 608 с.
4. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы/ Учебник для вузов. – М.: Радио и связь,1986. - 512 с.