ПЕРЕТВОРЕННЯ ЧАСТОТИ МОДУЛЬОВАНИХ СИГНАЛІВ.. Методичні вказівки до лабораторної роботи з Сигнали та процеси в радіоелектроніці. Робота № 400663

Перехід до торгівельного партнера Binance

ПЕРЕТВОРЕННЯ ЧАСТОТИ МОДУЛЬОВАНИХ СИГНАЛІВ.

Інформація про навчальний заклад

ВУЗ:

Національний університет Львівська політехніка

Інститут:

Не вказано

Факультет:

Не вказано

Кафедра:

Кафедра теоретичної радіотехніки та радіовимірювання (ТРР)

Інформація про роботу

Рік:

2005

Тип роботи:

Методичні вказівки до лабораторної роботи

Предмет:

Сигнали та процеси в радіоелектроніці

Завантажити

Частина тексту файла (без зображень, графіків і формул):

Міністерство освіти і науки України Національний університет “Львівська політехніка” Кафедра теоретичної радіотехніки і радіовимірювань ПЕРЕТВОРЕННЯ ЧАСТОТИ модульованих сигналів Методичні вказівки до лабораторної роботи № 12 з дисципліни “Сигнали та процеси в радіоелектроніці” для студентів базового напряму “Радіотехніка” ЗАТВЕРДЖЕНО на засіданні кафедри “Теоретична радіотехніка та радіовимірювання” Протокол № 7 від 16 березня 2005 р. Львів 2005 Перетворення частоти модульованих сигналів. Методичні вказівки до лабораторної роботи № 12 з дисципліни “Сигнали та процеси в радіоелектроніці” для студентів базового напряму “Радіотехніка” /Упорядники: Желяк Р.І., Мелень М.В.- Львів: НУ ЛП, 2005. - с. 12. Упорядники: 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., 2005 1. МЕТА РОБОТИ Метою роботи є вивчення процесу перетворення частоти модульованих сигналів у нелінійних радіоелектронних колах. 2. ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ У багатьох випадках в радіоелектроніці виникає потреба значного підсилення високочастотних модульованих сигналів, які надходять до споживача інформації по радіоканалу. Таку ситуацію спостерігаємо наприклад в зв’язку, радіомовленні та телебаченні, коли інтенсивність сигналу, що поступає з приймальної антени є надзвичайно мала, а отже з низки причин даний сигнал не може бути демоду-льований (продетектований). Для ефективного підсилення такого сигналу потрібно використовувати багатокаскадні смугові підсилювачі, настроєні на частоту несучого сигналу. Оскільки технічно (технологічно) такі підсилювачі виконати важко, то використовують багатокаскадні смугові підсилювачі з фіксованою настройкою, а спектр сигналу, який потрібно підсилити, переносять по шкалі частот на потрібну частоту без зміни амплітудних і фазових співвідношень між окремими його спектральними складовими. Таке перетворення спектра називають перетворенням частоти. В цьому випадку, якщо усі спектральні складові переміщаються в область більш високих частот, то говорять про перетворення частоти вгору, інакше – про перетворення частоти вниз. Так, наприклад, при прийомі радіостанцій довго-хвильового діапазону використовують перетворення частоти вгору, а для радіо-станцій середньохвильового та більш високочастотного діапазону - перетворення частоти вниз. Для цього вибирають регулярне (детерміноване) допоміжне високочастотне коливання, котре використовують для переносу високочастотного спектра повідомлень. З цiєї причини його називають сигналом гетеродина. Найчастіше в ролі сигналу гетеродина використовують неперервне гармонічне коливання Sгет(t) = Amcos(гt + г). (1) Це коливання визначають три параметри: амплітуда Am, початкова фаза г та частота SYMBOL 119 \f "Symbol" \s 14wг сигналу гетеродина. Розглянемо процес перетворення частоти амплітудно-модульваного сигналу (АМ-сигнал), математичну модель якого (ММ) для випадку однотональної амплітудної модуляції записуємо у вигляді: EMBED Equation.3 (2) Цей сигнал визначають шість параметрів: амплітуда Amн, початкова фаза н та частота SYMBOL 119 \f "Symbol" \s 14wн несучого сигнала, коефіцієнт модуляції М,початкова фаза Ф та частота  модулюючого сигнала. Величину EMBED Equation.3 називають обгинаючою (повільно змін- ною амплітудою) АМ сигналу. У більш загальному випадку, коли модулюючий сигнал складається з N гармонічних складових, тобто EMBED Equation.3 (3) MM модульованого сигналу записуємо у вигляді: EMBED Equation.3 (4) У виразі (4) величини Mi=Ui /Amн називають парціальними (частинними) ко-ефіцієнтами модуляції. Вони характеризують вплив окремих складових багато-тонального модулюючого сигналу з частотами SYMBOL 87 \f "Symbol" \s 14W1, SYMBOL 87 \f "Symbol" \s 14W2, ... , SYMBOL 87 \f "Symbol" \s 14WN на загальну зміну амплітуди модульованого сигналу. АМ-сигнал, описаний виразом (4), називають складно-модульованим. АМ-сигнал (2) є частинним випадком складно-модульованого сигналу при N = 1. Для здійсненя процесу перетворення частоти перемножимо АМ-сигнал на допоміжне коливання сигналу гетеродина: EMBED Equation.3 (5) З виразу (5) випливає що спектр добутку АМ-сигналу на допоміжне коливання гетеродина (рис.1) складається з двох однакових за структурою спектрів АМ- сигналів з новими несучими частотами. При цьому усі спектральні складові початкового АМ-сигналу зменшуються у два рази і отримують однаковий додатковий фазовий зсув. Перший доданок виразу (5) відповідає перетворенню частоти сигналу вгору. Другий доданок виразу (5) відповідає перетворенню частоти сигналу вниз. Отже структурна схема лінійного аналогового пристрою, який здійснює перетворення частоти повинна складатись з перемножувача сигналів і смугового фільтра, який настроєний на одну з комбінаційних частот ( EMBED Equation.3 або EMBED Equation.3 ) результуючого сигналу. Саме цю частоту ( EMBED Equation.3 ) називають проміжною частотою. (рис. 1, б). EMBED Visio.Drawing.4 Рис. 1. Спектр складно-модульованого АМ-сигналу – а) та структурна схема перетворювача частоти – б). Проте простіше процес перетворення частоти можна здійснити в нелінійних колах. У цьому можемо переконатись розглядаючи спектральний склад сигналу на виході нелінійного перетворювача сигналу (НП), амплітудно-передавальна характе-ристика (АПХ) якого описується поліномом 2-го степеня EMBED Equation.3, (6) при дії на вході нелінійного перетворювача суми АМ-сигналу та сигналу гетеродина. У випадку АМ-сигналу з однотональною амплітудною модуляцією отримуємо: EMBED Equation.3, (7) EMBED Equation.3 EMBED Equation.3EMBED Equation.3 EMBED Equation.3 (8) З виразу (8) випливає, що в спектрі сигналу на виході перетворювача крім постійної складової і коливань з кратними частотами вхідних сигналів ( EMBED Equation.3 , EMBED Equation.3 , EMBED Equation.3 ) присутні спектральні складові з комбінаційними частотами ( EMBED Equation.3 ), де EMBED Equation.3 , EMBED Equation.3 , p- цілі числа і EMBED Equation.3 не перевищує степінь полінома, який описує АПХ нелінійного перетворювача. Отже вибираючи смуговим фільтром із спектра сигналу (рис. 2) спектральні складові з частотами EMBED Equation.3 або EMBED Equation.3 (амплітуди цих складових спектра у виразі (8) охоплені фігурними дужками) можемо в нелінійному колі здійснити процес перетворення частоти. Згаданий процес реалізує структурна схема перетворювача частоти, яка зоб-ражена на рис. 3, а. На рис. 3, б показано один з можливих варіантів реалізації перетворювача частоти. EMBED Visio.Drawing.4 Рис.2. Спектральні діаграми сигналу на вході нелінійного перетворювача – а), на виході нелінійного перетворювача – б) та відфільтровані смуговим фільтром – г). (АЧХ смугового фільтра показана штриховою лінією). В зображеній схемі, яку називають резонансним підсилювачем, польовий транзистор виконує функцію нелінійного перетворювача сигналу, а коливальний контур – смугового фільтра. EMBED Visio.Drawing.4 Рис. 3. Cтруктурна схема перетворювача частоти на нелінійному колі – а) та принципова схема перетворювача частоти на польовому транзисторі – б). В схемі перетворювача частоти (рис. 3,б) на затвор польового транзистора подається сума високочастот-ного АМ-сигналу і сигнал гетеродина. При цьому сигнал гетеродина періодично зміщує робочу точку польового транзистора і тим самим змінює крутість АПХ транзистора. Внаслідок цього взаємодія високочастотного АМ-сигналу та напруги гетеродина в нелінійному елементі приводить до виникнення двох АМ-сигналів коливань з іншими несучими частотами, які мають таку ж обгинаючу, яка подавалась на вхід НП. Якщо коливальний контур настроїти на частоту проміжної частоти, то його опір буде значним лише для проміжної частоти та бокових складових, які попадають в смугу пропускання контура. Інші складові, які утворюються на виході польового транзистора будуть знаходитись поза смугою пропускання коливального контура і їх вклад у формування вихідного сигналу буде незначний. Тому на виході резонансного підсилювача (в даному випадку перетворювача частоти) отримуємо АМ-сигнал із зміненою частотою несучого коливання, яка дорівнює проміжній частоті. На рис. 4 зображені часові залежності сигналів (осцилограми), які ілюс-трують процес перетворення частоти. EMBED Visio.Drawing.4 Рис. 4. Часові залежності сигналів в перетворювачі частоти на польовому транзисторі. З виразу (8) випливає, що необхідною умовою здійснення процесу перетво-рення частоти є наявність квадратичної ділянки залежності АПХ нелінійного перетворювача. Іншими словами, робочу точку на АПХ нелінійного перетворювача потрібно вибирати так, щоб коефіцієнт EMBED Equation.3рівняння (6) не дорівнював нулю. Інші коефіцієнти лише створюють побічні спектральні складові. Основною характеристикою перетворювача частоти є характеристика перетво-рення. Під нею розуміють залежність амплідуди сигналу з проміжною частотою на виході перетворювача EMBED Equation.3 від амплітуди напруги гетеродина при сталій амплітуді несучого коливання АМ-сигналу на вході перетворювача частоти EMBED Equation.3 . З рівняння (8) випливає, що у даному випадку вона описується виразом: EMBED Equation.3. (9) В загальному випадку, коли робоча точка в перетворювачі вибрана не на квад-ратичній ділянці АПХ НП, або залежність АПХ НП значно відрізняється від квадратичної, амплітуда коливання проміжної частоти на виході перетворювача буде пропорційною лише в певному діапазоні зміни амплітуди напруги гетеродина. Тому для забезпечення перетворення частоти без спотворень значення амплітуди напруги гетеродина потрібно вибирати на лінійній ділянці характеристики перетворення (рис. 5) так, щоб виконувалась умова EMBED Equation.3 . Рис.5. Характеристика перетво-рення. На закінчення зауважимо, що у ви-падку дії на вході перетворювача частоти складно-модульованого АМ сигналу із-за нерівномірності АЧХ смугового фільтра в смузі пропускання від частоти (див. рис. 2, б) на виході перетворювача частоти вини-кають частотні спотворення АМ сигналу. Причиною цього є порушення співвідно-шень між амплітудами спектральних скла-дових АМ сигналу на вході і виході перетворювача. Ступінь частотних спотво-рень збільшується при зменшені смуги пропускання коливального контура (збіль-шенні добротності EMBED Equation.3 резонансного контура та збільшенні ширини спектра моду-льованого сигналу, який подається на вхід перетворювача). Цікавим також є те, що якщо вибрати частоту сигналу гетеродина рівною частоті несучого сигналу, то при використанні перетворення частоти вниз можемо в перетворювачі частоти здійснити процес демодуляції (детектування) АМ коливання. В цьому випадку замість смугового фільтра потрібно використовувати фільтр низьких частот. Такий процес перетворення спектра називають синхронним детектуванням. Корисною властивістю такого детектора є лінійність характеристики детектування як для слабких, так і сильних АМ-сигналів. 3. КОНТРОЛЬНІ ПИТАННЯ З якою метою застосовують перетворення частоти? Що називають перетворенням частоти? Поясніть принцип здійснення перетворення частоти в лінійному аналоговому пристрої. Яким буде спектр сигналу на виході лінійного аналогового перетворювача при дії на його вході АМ-сигналу і сигналу гетеродина? Поясніть принцип здійснення перетворення частоти модульованих сигналів у нелінійному колі. Зобразіть структурно-функціональну схему лінійних та нелінійних пристроїв, які здійснюють процес перетворення частоти. Яким буде спектр сигналу на виході нелінійного перетворювача при дії на його вході АМ-сигналу і сигналу гетеродина? Що називають характеристикою перетворення? Як вибирають режим роботи перетворювача частоти? Поясніть причину частотних спотворень сигналу на виході перетворювача частоти. За яких умов в перетворювачі частоти можна здійснити детектування АМ-сигналів? Яку перевагу мають синхронні детектори у порівнянні з іншими типами детекторів АМ коливань? 4. РОЗРАХУНКОВЕ ЗАВДАННЯ Апроксимувати задану викладачем АПХ нелінійного перетворювача поліномом третього степеня та визначити коефіцієнти апроксимації а0, а1, а2 і а3.. Розрахувати в загальному вигляді та визначити амплітуди окремих складових спектра сигналу на виході нелінійного перетворювача при дії на його вході сигналу EMBED Equation.3. Значення зміщення U0 та амплітуд коливань EMBED Equation.3 і частот EMBED Equation.3, г та коефіцієнта модуляції М задаються викла-дачем окремо для кожної бригади. Результати розрахунків пподати у вигляді спектральної діаграми. 5. ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНА ЧАСТИНА Експериментальна частина передбачає лабораторну перевірку результатів про-ведених теоретичних розрахунків спектра сигналу на виході нелінійного перетво-рювача при дії на його вході АМ-сигналу при однотональній модуляції та сигналу гетеродина, а також визначення характеристики перетворення. Експериментальні дослідження проводяться на лабораторному макеті “Неліній-не перетворення сигналів”, передня панель якого показана на рис. 6. Для проведення експерименту потрібно: 1. Встановити задане значення постійної складової напруги на вході неліній-ного перетворювачана “НП”. Значення величини напруги контролювати на на вході нелінійного перетворювача “НП” (на клемі КТ1) за допомогою вольтметра постійного струму. 2. Встановити на виході генератора високочастотних коливань задану амплі-туду, частоту та коефіцієнт модуляції АМ сигналу і подати його на вхід UВХ1. Значення параметрів АМ сигналу контролювати на вході нелінійного перетворювача “НП” (на клемі КТ1) за допомогою вольтметра змінного струму та осцилографа. 3. Встановити на виході генератора високочастотних коливань задану ампліту- ду туду і частоту сигналу гетеродина та подати його на вхід UВХ2. Перемикач Рис. 6. Передня панель лабораторного макета “Нелінійне перетворення сигналів”. EMBED Visio.Drawing.6 “S1” поставити в положення “UВХ2”. Значення параметрів сигналу контролю-вати на вході нелінійного перетворювача “НП” (на клемі КТ1) за допомогою вольтметра змінного струму та осцилографа. На час контролю генератор високої частоти від клеми UВХ1 потрібно від’єднати. 4. За допомогою селективного вольтметра виміряти амплітуди спектральних складових сигналу на вході і виході нелінійного перетворювача (клема КТ1 і UВИХ1) та смугового фільтра (клема UВИХ2). Результати вимірювань занести в таблицю 1. Таблиця 1 5. Зняти характеристику перетворення перетворювача частоти. Для цього потрібно під’єднати до клеми UВИХ2 селективний вольтметр, за допомогою потенціометра U0 встановити задане значення постійної складової напруги на вході нелінійного перетворювача “НП” і змінюючи амплітуду напруги гетеродина виміряти амплітуду сигналу проміжної частоти на виході смугового фільтра (клема UВИХ2). Результати вимірювань занести в таблицю 2. Значення величини постійної складової напруги контролюйте на клемі КТ1 за допомогою вольтметра постійного струму. Зміну значення амплітуди напруги гетеродина Uг сповільнюйте в межах нелінійної ділянки характерис- тики. Таблиця 2 6. За результатами вимірювань пункту 5 визначити значення амплітуди напруги гетеродина на вході нелінійного перетворювача “НП”, яке відповідає середи-ні лінійної ділянки характеристики перетворення. 7. За допомогою осцилографа зняти часові залежності (осцилограми) сигналу на вході (клема КТ1) і виході нелінійного перетворювача (клема UВИХ1) та смугового фільтра (клема UВИХ2). 8. Перевести генератор високочастотних сигналів в режим зовнішньої модуля-ції. Змінюючи частоту допоміжного генератора низькочастотних сигналів в діапазоні 20 Гц ... 20 кГц зняти частотну залежність коефіцієнта модуляції АМ коливання на виході перетворювача частоти (смугового фільтра (клема UВИХ2)). Для цього за допомогою осцилографа потрібно визначати макси-мальне і мінімальне значення амплітуди АМ коливання в кожній точці частоти модулюючого сигналу. Результати вимірювань занести в таблицю 3. Таблиця 3 6. ЗМІСТ ЗВІТУ Звіт з лабораторної роботи повинен містити назву і мету лабораторної роботи, схему експерименту, результати розрахункових та експериментальних даних, спектральні та часові діаграми сигналів на вході і виході нелінійного перетворювача та смугового фільтра, порівняння отриманих результатів, висновки. 7. ЛІТЕРАТУРА 1. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. - М.: Советское радио, 1986, с. 252 - 254. 2. Кушнир В.Ф., Ферсман Б.А. Теория нелинейных электрических цепей, 1974, - с. 92 - 102. 3. Андреев В.С. Теория нелинейных электрических цепей. - М.: Радио и связь, 1972, с. 71 - 73. 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.: ЛДКФ “Атлас” 2003. - 152 c. Навчальне видання Методичні вказівки до лабораторної роботи № 12 “Перетворення частоти” з дисципліни “Сигнали та процеси в радіоелектроніці” для студентів базового напряму “Радіотехніка”. Упорядники: Желяк Р.І., Мелень М.В.

Методичні вказівки до лабораторної роботи Сигнали та процеси в радіоелектроніці

01.01.1970 03:01-

Коментарі

Ви не можете залишити коментар. Для цього, будь ласка, або зареєструйтесь.

Ділись своїми роботами та отримуй миттєві бонуси!

Маєш корисні навчальні матеріали, які припадають пилом на твоєму комп'ютері? Розрахункові, лабораторні, практичні чи контрольні роботи — завантажуй їх прямо зараз і одразу отримуй бали на свій рахунок! Заархівуй всі файли в один .zip (до 100 МБ) або завантажуй кожен файл окремо. Внесок у спільноту – це легкий спосіб допомогти іншим та отримати додаткові можливості на сайті. Твої старі роботи можуть приносити тобі нові нагороди!

поділитись