Подякувати Студентському архіву довільною сумою
Admin
26.02.2023 12:38
Дякуємо, що користуєтесь нашим архівом!
Сигнали та процеси в радіоелектроніці
Інформація про навчальний заклад
ВУЗ:
Національний університет Львівська політехніка
Інститут:
Не вказано
Факультет:
Радіотехніка
Кафедра:
Не вказано
Інформація про роботу
Рік:
2003
Тип роботи:
Методичні вказівки до лабораторної роботи
Предмет:
Радіовимірювання
Частина тексту файла (без зображень, графіків і формул):
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ “ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА”
Кафедра теоретичної радіотехніки і радіовимірювань
ДОСЛІДЖЕННЯ РАДІОСИГНАЛІВ
Методичні вказівки до лабораторної роботи №2
з предметів“Сигнали та процеси в радіоелектроніці”,
“Теорія передачі сигналів”
для студентів базового напряму “Радіотехніка”
ЛЬВІВ 2003
Дослідження радіосигналів. Методичні вказівки до лабораторної роботи №2 з предметів “Сигнали та процеси в радіоелектроніці”, “Теорія передачі сигналів” для студентів базового напряму “Радіотехніка”/ Укладачі: Желяк Р.І, Мелень М.В. -Львів:НУ ЛП, 2003. - 15 с.
Укладачі: Желяк Р.І., доц., канд. техн. наук
Мелень М.В., доц., канд. техн. наук
Рецензенти: Волочій Б.Ю., доц., канд. техн. наук
Бондарєв А.П., доц., канд. техн. наук
Відповідальний за випуск: Надобко О.В., доц., канд.техн.наук.
© Желяк Р.І., Мелень М.В., 2003
1. МЕТА РОБОТИ
Метою роботи є ознайомлення з методиками розрахунку та експеримен-тального визначення спектрів модульованих сигналів з різними видами модуляції.
2. ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ
2.1. Основні поняття про модуляцію. Види модуляції
Аналіз спектральних характеристик сигналів, які утворюються у первинних перетворювачах повідомлень (мікрофоні, телевізійній камері, первинних перетво-рювачах вимірювальних систем тощо) і які є матеріальними носіями інформації, показує, що їх спектральні складові зосереджені в низькочастотному діапазоні, включно з нульовою частотою. Труднощі ефективного випромінювання низько-частотних коливань та значне поглинання їх енергії у навколишньому середовищі при поширенні на значні віддалі не дають змогу безпосередньо передавати їх по радіоканалу. Розв'язання цієї проблеми забезпечується зміщенням низькочастотного спектра повідомлень у діапазон більш високих частот, для яких умови випро-мінювання та поширення є сприятливі. Для цього вибирають регулярне (детермі-новане) високочастотне коливання, яке використовують як переносник низькочас-тотного спектра повідомлень. Це коливання прийнято називати несучим коливанням або переносником. Несуче коливання характеризується відповідними параметрами pі, які визначають його форму та характер зміни в часі:
sнес(t) = f(p1,p2,...pn,t).
Зміна хоча б одного з параметрів pі відповідно до зміни повідомлення надає несучому коливанню властивість переносити в собі інформацію про повідомлення. Згаданий процес зміни одного або кількох параметрів несучого коливання за законом зміни низькочастотного повідомлення називають модуляцією, а саме повідомлення називають модулюючим або керуючим сигналом.
У ролі несучого коливання звичайно використовують періодичні неперервні або імпульсні коливання, які мають дискретний спектр. Найпростішим несучим коливанням є гармонічне коливання:
= .
Це коливання характеризується трьома параметрами: амплітудою Am, по-чатковою фазою 0 та частотою 0.
Імпульсний переносник - періодична послідовність високочастотних імпульсів певної форми. Цю послідовність характеризують амплітудою (висотою), початко-вою фазою (зсувом стосовно вибраного початку відліку), частотою або періодом повторення імпульсів, тривалістю імпульсів, частотою заповнення, а також іншими параметрами форми імпульсу.
В деяких системах використовують так звані шумові переносники, які являють
собою випадковий процес. Роль параметрів переносника відіграють числові характеристики випадкового процесу.
Залежно від того, який з параметрів переносника змінюється відповідно до зміни керуючого (модулюючого) сигналу, розрізняють різні види модуляції. Так, для гармонічного переносника можливі три основні види модуляцїї: амплітудна (АМ), частотна (ЧМ) та фазова (ФМ). У деяких випадках використовують комбінацію перелічених видів модуляції.
Для імпульсного переносника можливі такі види модуляції: амплітудно-ім-пульсна (АІМ), фазо-імпульсна (ФІМ), широтно-імпульсна (ШІМ), частотно-ім-пульсна (ЧІМ), кодоімпульсна (КІМ).
Зауважимо, що зміна одного з параметрів переносника згідно з передаваною інформацією може призводити до одночасної зміни інших параметрів за ішими законами. Наприклад, частотна модуляція гармонічного переносника супроводжу-ється зміною повної фази та навпаки.
2.2. Модуляція неперервного гармонічного коливання
Математична модель неперервного модульованого коливання у випадку гармонічного переносника може бути записана в загальному вигляді:
s(t) = Am(t)cos[], (1)
де Am(t) - функція, що описує закон зміни амплітуди переносника в часі; - фун-
кція, що описує закон зміни повної фази в часі.
Зміна функції Аm(t) повинна бути повільною порівняно з cos, так що за час, протягом якого зміниться на 2, функцію Аm(t) можна вважати сталою. Функцію Am(t) називають обгинаючою, а - повною фазою модульованого коливання. ММ такого коливання інколи записують у вигляді:
, (2)
де та - повільно змінні в часі кутова частота та фаза коливання.
2.2.1. Математичні моделі та основні параметри амплітудно-модульованих сигналів
АМ - сигнал утворюється при зміні амплітуди несучого коливання пропор-ційно до модулюючого сигналу відносно амплітуди немодульованого коливання:
(3)
де Аmo - амплітуда несучого (немодульованого) коливання; k - коефіцієнт пропор-
ційності; u(t) - модулюючий (керуючий) сигнал.
Повна фаза АМ-сигналу змінюється у часі так, як і повна фаза несучого ко-ливання, тобто за лінійним законом:
(4)
де та - кутова частота та початкова фаза несучого коливання.
Отже, ММ АМ-сигналу записуємо у вигляді:
, (5, а)
або з урахуванням (4):
. (5, б)
Із виразів (5, а, б) бачимо, що АМ - сигнал є добутком обгинаючої Аm(t) і високочастотного коливання .
На рис. 1, а зображено приклад модулюючого сигналу u(t), на рис. 1, б – об-гинаючу амплітуди Аm(t), на рис. 1, в АМ-сигнал при , та на рис. 1, г - при .
Із рис. 1. бачимо, що між миттєвими значеннями модулюючого сигналу u(t) та обгинаючої Аm(t) за умови, що існує однозначний пропорційний зв'язок. При невиконанні вказаної умови форма обгинаючої та модулюючого коливання не збігаються (рис. 1, г) - виникає небажане явище спотворення обгина-ючої АМ-сигналу.
У найпростішому випадку однотональної модуляції, коли модулюючий сигнал k(u(t) = U((cos(t+Ф0) є гармонічним коливанням з частотою та початко-вою фазою Ф0, ММ АМ-сигналу можна записати:
. (6)
Відношення М = U(/Amo називають коефіцієнтом модуляції. Його значення можна також визначити на підставі осцилограми АМ-сигналу (рис. 1, в) з формули:
.
Для здійснення модуляції без спотворень треба, щоб коефіцієнт модуляції задовiльняв умову: . При тому амплітуда коливання змінюється у межах від мінімальної величини Amin= Amo(1-M) до максимальної Amax = Amo(1+M).
У більш загальному випадку, коли модулююче коливання складається з N гармонічних складових, тобто
, (7)
MM модульованого коливання (яке називають складномодульованим) за-писуємо у вигляді:
(8)
де величини Mi = Ui/Amo - називають парціальними коефіцієнтами модуляції. Вони характеризують вплив окремих складових багатотонального коливання з частотами 1, 2, ... , N на загальну зміну амплітуди модульованого коливання.
2.4. Основні відомості про спектри модульованих сигналів
Знання структури частотного спектра модульованих сигналів та ширини частотного діапазону, який він займає у лініях передавання чи каналах зв’язку, дозволяє аргументовано визначати характеристики та параметри відповідних апаратних засобів, призначених для реалізації різноманітних операцій над модульованими сигналами (підсилення, зміщення вздовж шкали частот, виділення із завад тощо). Далі коротко розглянемо питання спектрального представлення моду-льованих сигналів.
2.4.1. Спектральне представлення амплітудно-модульованих сигналів
Приведемо ММ АМС (8) для загального випадку багатотонального моду-люючого коливання до вигляду, зручного для спектрального представлення:
. (9)
З виразу (9) бачимо, що до складу спектра АМС входить (2N+1) гармонічних складових.
Перший доданок в (9) - це несуче коливання. Групу із N гармонічних складових з частотами називають верхньою боковою смугою частот, а другу групу з частотами - нижньою боковою смугою частот. Отже, повний спектр АМС складається із несучого коливання та двох смуг, симетричних стосовно несучої частоти .
Наочне представлення про амплітудний спектр АМС дає рис. 2, з якого бачимо, що для одержання структури спектра треба змістити спектр низькочастотного модулюючого сигналу вздовж осі частот вправо на величину , а відтак дзеркально відобразити його відносно вертикальної прямої .
При цьому спектр АМС займає на осі частот смугу частот, починаючи від частоти і закінчуючи частотою , ширина якої дорівнює , де - найвища частота у спектрі модулюючого сигналу.
На підставі (6) неважко переконатись, що у випадку однотональної модуляції спектр АМС складається лише із трьох гармонічних складових:
(10)
Отже, у цьому випадку ширина спектра дорівнює .
Амплітуди бокових складових однакові і дорівнюють . Це означає, що при максимальному значенні коефіцієнта модуляції М=1 вони не можуть перевищувати половини амплітуди несучого коливання.
З (9) та (10) випливає, що при відсутності модуляції (коли М=0) спектр АМ-сигналу має лише оду спектральну складову з частотою .Інші спектральні складо-ві з’являються лише при наявності модуляції (коли М(0). Тому в загальному випадку при поширенні АМ-сигналу в навколишньому просторі поряд з корисними складовими АМ-сигналу додатково випромінюється несуча складова, яка не несе інформацію і містить значну частину потужності АМ-сигналу. Тому з метою підви-щення коефіцієнту корисної дії тракту каналу передавання інформації використо-вують спеціальний вид АМ-сигналу, який називають сигналом з балансною АМ-модуляцією (БАМ). Його отримують з АМ-сигналу шляхом виключення із спектра АМ-сигналу несучої спектральної складової. ММ такого сигналу для випадку складномодульованого сигналу має наступний вигляд:
. (11)
На рис. 3, а, б зображені амплітудні спектральні діаграми АМ та БАМ-сигналів у випадку складномодульованого сигналу.
Інша різновидність сигналів з амплітудною модуляцією полягає в усуненні із спектра АМ-сигналу нижньої, або верхньої смуги бокових спектральних складових. У цьому випадку практична ширина смуги сигналу з односмуговою амплітудною модуляцією (ОАМ-сигнал) зменшується у два рази. У випадку усунення верхньої смуги бокових спектральних складових такий сигнал називають ОАМн-сигналом. При усуненні нижньої смуги бокових спектральних складових такий сигнал назива-
ють ОАМв-сигналом. ММ таких сигналів у випадку складної модуляціїї описується виразами:
; (12)
. (13)
На рис. 3, в, г зображені амплітудні спектральні діаграми ОАМн та ОАМв-сигналів у випадку складномодульованого сигналу.
3. КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ
1. Що називають модуляцією?
2. З якою метою використовують модуляцію?
3. Які сигнали називають амплітудно-модульованими?
4. Які сигнали називають частотно-модульованими?
5. Які сигнали називають фазово-модульованими?
6. Який вигляд має спектр амплітудно-модульованого сигналу при модуляції
гармонічним коливанням?
7. Який вигляд має спектр амплітудно-модульованого сигналу при модуляції
коливанням, спектр якого займає діапазон частот від 0 до Fm Гц?
8. Від якого параметру модулюючого сигналу залежить ширина спектру сигна-
лу з амплітудною модуляцією?
9. Від якого параметру модулюючого сигналу залежить ширина спектру сигна-
лу з кутовою модуляцією?
10. Чим відрізняються спектри ЧМС та ФМС сигналів?
11. Як визначається ширина спектра амплітудно-модульованого коливання?
12. Як визначається ширина спектра сигналів з кутовою модуляцією?
13. Які види АМС сигналів Ви знаєте?
14. Як виглядає спектр одинокого радіоімпульса?
15. Як виглядає спектр періодичної послідовності радіоімпульсів?
16. Від чого залежить ширина спектра періодичної послідовності радіоімпуль-
сів?
17. Від чого залежить ширина спектра одиночного радіоімпульса?
4. РОЗРАХУНКОВЕ ЗАВДАННЯ
На основі теоретичних положень, наведених вище, провести аналіз спектрів заданих викладачем сигналів. Для цього необхідно:
а) з таблиць 1 та 2 вибрати вид та параметри сигналів;
б) записати математичну модель заданих сигналів та якісно зобразити їх осцилограми;
в) розрахувати спектральні характеристики сигналів;
г) одержані результати подати графічно у вигляді спектральних діаграм.
Таблиця 1
№
варіан-та
UН, В
fН,
кГц
(,
кГц
М,
%
№
варіан-та
UН, В
fН,
кГц
(,
кГц
М,
%
1
2
3
4
5
6
7
8
1
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
1
0.9
200
200
210
210
220
220
230
230
5
10
15
5
10
15
5
10
60
50
40
30
20
30
40
50
9
10
11
12
13
14
15
16
0.8
0.7
0.6
0.5
1
0.9
0.8
0.7
240
240
250
250
260
260
270
270
15
5
10
15
5
10
15
5
60
50
40
30
20
30
40
50
Таблиця 2
№
варіан-та
UН, В
fН,
кГц
(н,
град
(,
кГц
((,
град
М
Вид модуля-ції
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
1
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
1
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
1
0.9
0.8
0.7
5
5
6
6
7
7
5
5
6
6
7
7
5
5
6
6
0
45
90
0
45
90
0
45
90
0
45
90
0
45
90
0
3
2
2
1
1
1
3
2
2
1
1
1
3
2
2
1
90
60
45
30
0
90
60
45
30
0
90
60
45
30
0
90
1
1
1
1
0.8
0.8
0.8
0.8
0.6
0.6
0.6
0.6
0.5
0.5
0.5
0.5
БАМ
ОАМВ
ОАМН
ЧМ
БАМ
ОАМВ
ОАМН
ЧМ
БАМ
ОАМВ
ОАМН
ЧМ
БАМ
ОАМВ
ОАМН
ЧМ
5. ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНА ЧАСТИНА
Експериментальна частина передбачає лабораторну перевірку результатів теоретичного аналізу спектрів заданих викладачем сигналів і виконання наступних пунктів:
1) для заданих викладачем параметрів АМ-сигналу при однотональній модуля-ції визначити його спектральні складові.
Для цього згідно рис. 6 з’єднати вихід генератора ГЗ-112 модулюючих коли-вань із входом “Зовнішня модуляція” генератора Г4-18А високочастотних коливань. До виходів “0,1-1V” та “(V” генератора Г4-18А під’єднати відповідно осцилограф та селективний вольтметр В6-1.
Після перевірки викладачем результатів розрахунків і правильності збирання схеми дослідження:
а) ввімкнути живлення вимірювальних приладів;
б) перемикач режимів роботи генератора Г4-18А поставити в положення “Зовнішня модуляція”;
в) відповідними ручками встановити на виході низькочастотного і високо-частотного генераторів коливання заданих частот;
г) ручками “Вихід” та “(V” генератора Г4-18А виставити задану амплітуду несучого коливання;
д) ручками “Уст.М%” генератора Г4-18А та “Амплітуда” генератора ГЗ-112
виставити заданий коефіцієнт глибини модуляції;
е) замалювати з екрана осцилографа у відповідному масштабі форму отримано-
го сигналу та визначити з допомогою селективного вольтметра В6-1 спектральний склад цього сигналу.
2. Для заданих викладачем параметрів сигналів із балансною амплітудною модуляцією (БАМ), односмуговою амплітудною модуляцією (ОАМ), багатото-нальною амплітудною модуляцією і частотною модуляцією (ЧМ) визначити спект-ральні складові та форму відповідного сигналу. Для цього згідно рис. 7 з’єднати синтезатор сигналів, cелективний вольтметр В6-2 та осцилограф.
Після перевірки викладачем результатів розрахунків і правильності збирання схеми дослідження:
а) ввімкнути живлення синтезатора сигналів, селективного вольтметра та осцилографа;
б) перемикачем синтезатора сигналів “Функції” (рис. 8) вибрати гармонічний координатний базис (натиснути кнопку “ФУР’Є”);
в) ручками синтезатора сигналів “АМПЛІТУДА” на відповідних контрольних гніздах Аі виставити розраховані амплітуди спектральних складових (контроль амплітуди проводити вольтметром);
г) ручками синтезатора “ФАЗА” виставити фазу розрахованих гармонічних складових (контроль фази здійснювати осцилографом, засинхронізувавши його відповідним сигналом синтезатора);
д) замалювати з екрана осцилографа у відповідному масштабі форму отри-маного сигналу;
е) з допомогою осцилографа виміряти частоти несучого коливання і обги-наючої та визначити коефіцієнт глибини модуляції одержаного коливання;
є) за допомогою селективного вольтметра В6-2 визначити спектральний склад одержаного сигналу.
Рис.8. Передня панель макету синтезатора сигналів.
6. ЗМІСТ ЗВІТУ
Звіт з лабораторної роботи повинен містити:
1. Результати розрахунків і графіки спектрів заданих сигналів.
2. Форму модулюючих і модульованих сигналів.
3. Таблиці та графіки визначених експериментально спектрів cигналів.
4. Порівняння розрахункових і експериментальних даних.
5. Висновки.
7. ЛІТЕРАТУРА
1. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. - М: Сов. радио, 1977. - 608с.
2. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы. - М.: Высш. шк., 1983. - 539с.
3. Зиновьев А.Л., Филиппов Л.И. Введение в теорию сигналов и цепей. - М.: Высш. шк., 1975. - 264с.
4. Мандзій Б.А., Желяк Р.І. Основи теорії сигналів. Навчальний посібник для студентів вищих навчальних закладів України. /за редакцією д-ра техн. наук проф. Б.А. Мандзія. - Львів.:1994. - 152с.
Навчальне видання
Методичні вказівки до лабораторної роботи № 2 ”Дослідження радіосигналів” з предметів “Сигнали та процеси в радіоелектроніці”, “Теорія передачі сигналів” для студентів базового напряму “Радіотехніка”.
Упорядники: Желяк Р.І., Мелень М.В.
Ділись своїми роботами та отримуй миттєві бонуси!
0%
Оголошення від адміністратора