Методичні вказівки щодо проведення лабораторної роботи «Дослідження амплітудних модуляторів»

Дисципліна: «Основи теорії кодування та передавання інформації»

МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ ЩОДО ПРОВЕДЕННЯ ЛАБОРАТОРНОЇ РОБОТИ

«Дослідження амплітудних модуляторів»

Ціль роботи:  виконати аналізу сигналу  з  амплітудного модулятора радіотехнічної системи.

Короткі теоретичні відомості

В телекомунікаційних та радіотехнічних системах відбуваються рiзнi перетворення сигналів. Одним з найважливіших перетворень є модуляція. Модуляцією називається процес управління параметрами коливань високої частоти відповідно до закону переданого повідомлення. При модуляції відбувається процес накладення коливання переданого повідомлення на інше коливання, що зветься несучим. Частота несучих коливань повинна бути на один і більше порядків вище частоти модульованого сигналу( див. рисунок 1).

Рисунок 1 -  Модульований сигнал при лінійному розгорненні на екрані осцилографа

Модулятор є однією із складових частин передавальних пристроїв радіозв'язку, радіо- і телемовлення. Тут несучими сигналами  є високочастотні гармонійні коливання, а модульованими сигналами є  коливання звукової частоти і відеосигнали. Модулятори також застосовують в радіолокації, системах кодово-імпульсного зв'язку, телекерування та телеметрії.

В залежності від керованого параметра високочастотного сигналу класифікація методів модуляції можлива за трьома ознаками: амплітудна (АМ), частотна (ЧМ) і фазова (ФМ). Найбільш простим і поширеним способом введення переданого повідомлення (модулюючого сигналу) в високочастотну несе коливання служить амплітудна модуляція.

Амплітудну модуляцію (АМ) можна реалізувати за допомогою пристрою з нелінійною характеристикою, наприклад, операційним підсилювачем з керованим коефіцієнтом підсилення, або за допомогою нелінійного елемента – діода, транзистора  тощо.

Спільна дія модулятора і генератора несучої частоти дозволяє перетворити передані низькочастотні сигнали (повідомлення) в високочастотні коливання, які випромінюються антеною і поширюються у вільному просторі (див. рисунок 2).

Рисунок 2 - Блок-схема АМ-каналу радіозв’язку:

М – мікрофон; ПНЧ – підсилювач НЧ; ГВЧ – генератор ВЧ; ПМ – підсилювач-модулятор; Ф – фільтр М – мікрофон; ПНЧ – підсилювач НЧ; ПМС – підсилювач модульованого сигналу.

Коефіцієнт амплітудної модуляції  - основна характеристика амплітудної модуляції. Коефіцієнт AM може бути вимірюваний за допомогою осцилографа при лінійному або синусоїдальному розгорненні

Коефіцієнт амплітудної модуляції  чисельно дорівнює відношенню різниці між максимальним A_max і мінімальним A_min значеннями амплітуд модульованого сигналу до суми цих значень:m = 100 ⋅ ( A max − A min ) / ( A max + A min ) . {\displaystyle m=100\cdot (A_{\text{max}}-A_{\text{min}})/(A_{\text{max}}+A_{\text{min}}).}

.                                             (1)

Формула (1) справедлива для симетричної амплітудної модуляції.

Коефіцієнт амплітудної модуляції  може бути виміряний також за допомогою аналізатора спектра (див. рисунок 3).

Рисунок 3 - Спектр АМ-сигналу із синусоїдальною модуляцією (S - модульований сигнал)

Коефіцієнт амплітудної модуляції  по спектру  визначається відношенням: 

    чи      ,                                    (2)

де  U_o - значення амплітуди основної спектральної складової;

U₁ - значення амплітуди бічних  спектральних складових.

Фізично коефіцієнт амплітудної модуляції  характеризує глибину амплітудної модуляції  і може змінюватися в межах 0 ≤ m_a ≤ 1.

Для аналізу параметрів модульованих сигналів призначені спеціальні засоби вимірів - вимірники модуляції (вимірники коефіцієнта амплітудної модуляції; вимірники девіації частоти).

В даний час найбільше розповсюдження набули системи з імпульсною кодовою модуляцією (ІКМ), в яких значення сигналу в дискретні моменти часу перетворюються у двійкові цифрові коди.

Порядок виконання роботи

Зберіть у програмі  Multіsіm дослідження амплітудного модулятора згідно рисунка 4.

До бази транзистора Q1 ВЧ-генератора підводиться сигнал несучих коливань частотою f_нес = 200 кГц.  До колектора транзистора підводиться постійна напруга Е_к = 20 В і за допомогою низькочастотного трансформатора модулюючий сигнал з частотою f_мод =10 кГц.

Рисунок 4 - Схеми дослідження сигналів амплітудного аналогового модулятора

Включіть схему й зніміть осцилограми сигналів модулятора (див. рисунок 5).

Рисунок 5 – Осцилограми аналогового модулятора

На нижній осцилограмі показана епюра напруги на колекторі транзистора Q1, що змінюється в процесі модуляції від нуля до пікового значення, а на верхній осцилограмі показаний промодульований високочастотний сигнал на виході генератора (постійна складова напруги в цьому сигналі відсутня).

Виміряйте за допомогою двох курсорів на екрані осцилографа максимальну A_max і мінімальну A_min амплітуди модульованого сигналу.

Обчисліть  коефіцієнт амплітудної модуляції  m_a за допомогою  формули (1). Результати вимірів і розрахунків занесіть у таблицю 1.

Таблиця 1- Розрахунок коефіцієнта амплітудної модуляції m_а

Дослідіть спектр АМ-сигналу із синусоїдальною модуляцією за допомогою аналізатора спектра (див. рисунок 6).

Рисунок 6 – Спектрограма модулятора

За допомогою курсору аналізатора спектра виконайте вимірювання амплітуди основної та бічної спектральних складових. Обчисліть коефіцієнт амплітудної модуляції m_a  за допомогою  формули (2).

Центральна гармоніка U_o не несе ніякої інформації, однак її амплітуда максимальна й не залежить від коефіцієнта амплітудної модуляції (див. рисунок 7).

Рисунок 7 – Розподіл інформації в гармоніках модульованого сигналу

Результати вимірів і розрахунків занесіть у таблицю 1. Порівняйте результати вимірів коефіцієнта амплітудної модуляції різними способами.

Цифрові методи модуляції використовуються для передачі кодованих повідомлень дискретними методами. Їх сутність полягає в тому, що неперервний (аналоговий) сигнал, який передається, дискретизується в часі, квантується за рівнем і одержані відліки перетворюються в кодові комбінації. Одержаною послідовністю кодових сигналів модулюється високочастотний сигнал-переносник. Кожний розряд двійкового числа передається окремо: логічна 1 – імпульсом тривалістю t_i  і амплітудою  A_i, а логічний 0 – відсутністю імпульсу.

Амплітудна модуляція цифрових повідомлень може здійснюватися за допомогою електронного ключа. У якості останнього може, наприклад, використовуватися операційний підсилювач, на один вхід якого подається сигнал несучих коливань, а на іншій - цифровий сигнал (див. рисунок 5).

Зберіть у програмі  Multіsіm дослідження амплітудного модулятора згідно рисунка 5.

Рисунок 5 – Схема  дослідження сигналів амплітудного цифрового модулятора

Включіть схему й зніміть осцилограми сигналів амплітудного цифрового модулятора (див. рисунок 6).

Рисунок 6 – Осцилограми з імпульсною кодовою модуляцією

На виході схеми буде отриманий сигнал, промодульований по амплітуді цифровим двійковим сигналом, що складається з логічних 1 і 0. Осцилограми цих сигналів наведено на рисунку 6 (зверху - цифровий сигнал модуляції, знизу - несуча після модуляції). Частота несучих коливань на один і більше порядків вища частоти модульованого сигналу.

Зміст звіту з лабораторної роботи

1. Назва і ціль роботи.
2. Схеми дослідження сигналів амплітудних модуляторів.
3. Осцилограми досліджень.
4. Формули розрахунків.

2. Таблиця результатів дослідів та розрахунків.

3. Короткий висновок та відповідь на контрольне питання.

Контрольне питання

1. Переваги цифрових методів модуляції ?

Література

1. Фетюхіна Л. В. Теорія інформації та кодування : навч.-метод. посібник/ Л. В.Фетюхіна, О. А. Бутова – Харків: НТУ «ХПІ», 2016.

2.  Іващенко П.В. Основи теорії інформації: навч. посіб. / П.В. Іващенко – Одеса: ОНАЗ ім. О.С. Попова, 2018.