Лабораторная работа 3
ИССЛЕДОВАНИЕ АМПЛИТУДНО-МОДУЛИРОВАННЫХ СИГНАЛОВ
Учебные цели:
1. Привить умения исследования свойств сигналов.
2. Исследовать свойства АМ сигналов, как материальных носителей информации.
Теоретические основы
В телекоммуникациях модуляция – это процесс изменения периодической формы, т.е. сигнала, цель которого – передача сообщения, так же как и музыкант может моделировать звук музыкального инструмента, изменяя его громкость, длительность и интонацию. Обычно высокочастотный синусоидальный сигнал используется как несущий сигнал. Три ключевых параметра синусоидального сигнала – это амплитуда (громкость), фаза (длительность) и частота (интонация), все, из которых могут быть изменены, в соответствии с низкочастотным информационным сигналом, для получения модулированного сигнала.
Известно, что гармоническое колебание
|
(3.1)
|
характеризуется тремя независимыми параметрами: амплитудой U, циклической частотой ω и фазой φ. Следовательно, модуляцию гармонических колебаний, в принципе, можно осуществить изменением во времени любой из этих трёх величин.
Устройство, выполняющее модуляцию, называют модулятором, а устройство, выполняющее демодуляцию, называют демодулятором (иногда детектором или демодом). Устройство, которое может выполнять обе операции, называется модемом (сокращение этих двух терминов).
Цель цифровой модуляции – это передача цифрового потока бит через аналоговый канал, к примеру, через общую коммутируемую телефонную сеть (где фильтр огранивает частоту диапазона от 300 до 3400 Гц) или ограниченный радиочастотный диапазон.
Цель аналоговой модуляции – это передача аналогового низкочастотного сигнала, к примеру, аудио сигнала и ТВ сигнала, через аналоговый канал, к примеру, ограниченный радиочастотный диапазон или сеть кабельного ТВ.
Аналоговая и цифровая модуляция облегчает мультиплексирование с частотным разделением каналов, где несколько низкочастотных сигналов передаются одновременно через общую физическую среду, используя отдельные низкочастотные каналы.
Цель цифровых методов групповой модуляции (также известных как линейное кодирование) – это передача цифрового потока через низкочастотный канал, как правило, по медным кабелям, таким как последовательная шина или кабели локальных сетей.
Цель импульсных методов модуляции – передача узкополосного аналогового сигнала, к примеру, телефонного вызова через широкополосный низкочастотный канал.
Амплитудной модуляцией (АМ) называют такой вид воздействия на несущее колебание, в результате которого его амплитуда изменяется по закону передаваемого (модулирующего) сигнала.
Первооткрывателем амплитудной модуляции считается американский инженер Р. Фессенден (1906). С 1920 года этот вид модуляции стал основным в радиовещании. Разновидность АМ – с одной боковой полосой – изобрел американский ученый Дж. Р. Карсон (1915). Такой вид АМ отличается почти в два раза меньшей полосой занимаемых каналом связи частот и широко применяется до сих пор в системах многоканальной связи и телевещания. Ещё одна разновидность АМ – полярная модуляция – была разработана С. И. Тетельбаумом (СССР, 1939) и Л. Канном (США, 1961). Суть этого метода заключалась в том, что положительная полуволна несущего колебания модулировалась по амплитуде одним сообщением, а отрицательная – другим. В СССР такой вид модуляции использовался для стереофонического вещания.
Считаем, что модулирующий сигнал
|
(3.2)
|
имеет вид гармонического колебания с частотой Ω, много меньшей частоты несущего колебания ω. В результате модуляции амплитуда напряжения несущего колебания должна изменяться пропорционально напряжению модулирующего сигнала uΏ (рис. 3.1):
|
(3.3)
|
где U – амплитуда напряжения несущего радиочастотного колебания;
ΔU = kUΏ– изменение амплитуды несущего колебания в результате модуляции.
Рис. 3.1. Изменения амплитуды напряжения несущего колебания
Уравнение амплитудно-модулированных колебаний, в этом случае, принимает вид
|
(3.4)
|
По такому же закону будет изменяться и ток iAM при амплитудной модуляции.
Величина, характеризующая отношение изменения амплитуды колебаний к их амплитуде в отсутствии модуляции, называется коэффициентом (глубиной) модуляции.
Из рисунка 3.1 следует, что максимальная амплитуда колебаний
|
(3.5)
|
и минимальная амплитуда
|
(3.6)
|
Как нетрудно видеть из (3.4), в простейшем случае модулированные колебания представляют собой сумму трёх колебаний
|
(3.7)
|
Первое слагаемое представляет собой колебания несущей в отсутствие модуляции, т.е. в режиме молчания. Вторые два слагаемых определяют колебания боковых частот (рис. 3.2, а).
Рис. 3.2. Спектры сигналов при амплитудной модуляции
Если модуляция осуществляется сложным низкочастотным сигналом со спектром от Fmin до Fmax (для речевого сообщения от 300 до 3400 Гц), то спектр полученного АМ-сигнала имеет вид, изображённый на рис. 3.2, б. Занимаемая АМ-сигналом полоса частот ΔF не зависит от m и равна ΔF = 2Fmax.
Возникновение колебаний боковых частот при модуляции приводит к необходимости расширения полосы пропускания контуров передатчика и, соответственно, приёмника. Она должна быть
|
(3.8)
|
где Δfк – полоса пропускания контура; Q – добротность контура; Δf – абсолютная расстройка.
На рисунке 3.2, б спектральные составляющие, соответствующие нижним модулирующим частотам (Fmin), имеют меньшие значения ординат. Это объясняется следующим обстоятельством. У большинства видов сигналов (например, речевых), поступающих на вход передатчика, амплитуды высокочастотных составляющих спектра малы по сравнению с составляющими амплитудами низких и средних частот. Что касается шумов на входе детектора в приёмнике, то их спектральная плотность постоянна в пределах полосы пропускания приёмника. В результате коэффициент модуляции и отношение сигнал-шум на входе детектора приёмника для высоких частот модулирующего сигнала оказываются малыми. Для увеличения отношения сигнал-шум высокочастотные составляющие модулирующего сигнала при передаче подчеркиваются усилением в передатчиках высокочастотных составляющих в большее число раз по сравнению с составляющими низких и средних частот, а при приёме до или после детектора во столько же раз ослабляются. Ослабление высокочастотных составляющих до детектора происходит практически всегда в высокочастотных резонансных цепях приёмника. Необходимо отметить, что искусственное подчеркивание верхних модулирующих частот допустимо, пока оно не приводит к перемодуляции (m > 1).
Входной контроль
Входной контроль проводится в форме письменного опроса. Перечень контрольных вопросов приведён ниже.
1. Приведите пример классификации сигналов, как носителей информации.
2. Что понимается под аналоговыми и дискретными сигналами?
3. Что такое модуляция сигнала? Приведите примеры видов модуляции аналоговых и дискретных сигналов.
4. Особенности акустических сигналов.
5. Особенности электрических сигналов.
6. Особенности электромагнитных сигналов.
7. Приведите определение и выведите уравнение амплитудно-модулированного сигнала.
8. Изобразите АМ сигнал графически. Укажите на графике его основные характеристики.
9. Изобразите спектры АМ сигнала при модуляции гармоническим сигналом и при модуляции речевым сигналом с шириной спектра 0,3…3,4 кГц. Чем определяется ширина спектра таких сигналов?
Порядок выполнения лабораторной работы
Шаг 1. Сначала желательно нарисовать на бумаге структурную схему создаваемой лабораторной установки в традиционном понимании. Это позволит избежать многих ошибок и облегчит процесс создания модели. В качестве источников сигналов необходимо использовать функциональные генераторы, для наблюдения формы сигналов – осциллографы, а для наблюдения спектрального состава сигналов – анализатор спектра.
Для нашего случая структурную схему лабораторной установки можно представить в виде рис. 3.3.
Рис. 3.3. Структурная схема лабораторной установки
Шаг 2. Для добавления генераторов аналоговых сигналов необходимо на окне «Block Diagram» выбрать панель «Functions» → «Signal Processing» → «Waveform Generation» → «Sine Waveform».
Для добавления осциллографов необходимо перейти на окно «Front Panel» → «Controls» → «Modern» → «Graph» → «Waveform Graph».
Для добавления анализатора спектра на окне «Block Diagram» выбрать панель «Functions» → «Signal Processing» → «Spectral analysis» → «Auto Power Spectrum».
Для создания модулятора во вкладке блок диаграмм выбрать «functions»→ «express»→ «arithmetic&comparison»→ «Formula». Модулятор – это виртуальный прибор, в который необходимо добавить два входа для сигналов и один вход для коэффициента модуляции. ВП должен иметь вид как на рис. 3.4.
Рис. 3.4. Создание модулятора с помощью формулы
Прежде чем приступить к работе с созданной моделью, необходимо настроить параметры виртуальных приборов.
Шаг 3. Для изменения параметров входных сигналов необходимо добавить шесть мнемокнопок задающих их: частоту амплитуду и фазу. Для этого следует перейти в окно «Front Panel» → «Controls» → «Modern» → «Numeric» → «Knob». Также необходимо добавить ещё одну мнемокнопку для изменения глубины модуляции.
Шаг 4. Соединить все элементы схемы так, как показано на рис. 3.5.
Рис. 3.5. Схема виртуальной лабораторной установки
Шаг 5. Подать на вход 1 модулятора несущий сигнал с функционального генератора. Зарисовать осциллограмму и записать значение амплитуды Uω в табл. 3.1.
Шаг 6. Подать на вход 2 модулятора модулирующий сигнал со второго генератора. Зарисовать осциллограмму и записать значение амплитуды UΩ в табл. 3.1.
Шаг 7. После запуска программы измерить максимальное Umax и минимальное Umin значения амплитуды АМ сигнала. Зарисовать осциллограмму и записать значения Umax и Umin в табл. 3.1.
Шаг 8. Вычислить значения ΔU и U по формулам
Полученные значения занести в табл. 3.1.
Шаг 9. С помощью мнемокнопки регулятора увеличить амплитуду модулирующего колебания (увеличить глубину модуляции) и повторить выполнение шагов 3 – 5.
3.1. Результаты измерений параметров сигналов
Шаг 10. Импортировать результаты моделирования в графический редактор Paint и сохранить их в формате jpg на съёмном носителе.
Шаг 11. Сделать выводы по выполненной лабораторной работе и записать их в отчёт.
Содержание отчёта по лабораторной работе
1. Название лабораторной работы.
2. Структурная схема лабораторной установки.
3. Скриншот шага 4 – модель лабораторной установки.
4. Таблица 3.1 с осциллограммами сигналов.
5. Выводы по выполненной лабораторной работе.
Контрольные вопросы
1. Как по осциллограмме АМ сигнала определить глубину модуляции?
2. К каким последствиям приводит коэффициент модуляции m>1?
3. Как глубина модуляции влияет на помехоустойчивость АМ сигналов?
4. Как глубина модуляции влияет на спектр АМ сигнала (на примере модуляции гармоническим сигналом)?
5. Как по осциллограмме определить амплитуду напряжения модулирующего сигнала?
6. Как по осциллограмме определить амплитуду напряжения несущего колебания?
7. Как по осциллограмме определить частоту модулирующего сигнала?
8. Как по осциллограмме определить частоту несущего колебания?
9. Как по осциллограмме определить ширину спектра АМ сигнала при модуляции гармоническим колебанием?
|