Модуляція та детектування коливань

Мета роботи: експериментальне дослідження процесів, що відбуваються під час амплітудної модуляції періодичних коливань та детектування амплітудно-модульованого коливання.

 

Теоретичні відомості

 

1. Модуляцією зветься процес зміни параметрів високочастотного (ВЧ) коливання за законом повідомлення, що передається. У випадку, коли за цим законом змінюється амплітуда ВЧ коливання, отримуємо амплітудну модуляцію (АМ).

.

(4.1)

Величина m £ 1 зветься коефіцієнтом (або глибиною) модуляції. Значення f (t) відповідають умові | f (t)|<1. Вираз [1 + mf (t)] називають обвідною високочастотного коливання частоти w_Н, яке має назву носійного коливання. У найпростішому випадку зміни косинусоїдального високочастотного коливання за законом косинуса низької частоти W (частоти модуляції) амплітудно-модульоване (АМ) коливання подається виразом:

(4.2)

Розкриваючи дужки у виразі (4.2), маємо:

(4.3)

Як видно з виразу (4.3), АМ-коливання має верхню та нижню бокові частоти, симетричні відносно частоти носійного коливання, які подають однакову інформацію про параметри низькочастотного коливання. Часову діаграму АМ-коливання (4.2) подано на рис.2.3 за умови m =0.6.

Експериментально коефіцієнт модуляції m визначається за формулою

(4.4)

де та - найбільша та найменша амплітуди носійного коливання за період модулювального (інформаційного) коливання.

Спектр АМ-коливання, у відповідності до виразу (4.3) за умови m =0.6 та w_Н = 20 , має вигляд, поданий на рис.2.4.

2. Детектування є процесом, оберненим до модуляції, під час якого повідомлення, втілене у зміні параметрів високочастотного коливання, перетворюється на електричне коливання, що за формою збігається з переданим повідомленням.

У разі амплітудного детектування результатом є виділення коливання, яке від-творює обвідну АМ коливання.

Відповідність коливань на вході та виході ідеального амплітудного детектора подано на рис.4.1.

Рис.4.1. Детектування АМ-коливання

Спектральні співвідношення для випадку періодичного інформаційного коливання наведені на рис.4.2. З рисунків 4.1 та 4.2 видно, що і обвідна коливання, і обвідна верхньої бокової смуги спектра АМ коливання відтворюються у вихідному коливанні АМ детектора.

З рис.4.2 також видно, що відтворення обвідної на виході детектора буде неспотвореним у разі виконання умови

,

(4.5)

де - найвища частота у спектрі інформаційного коливання, тобто за умови, що спектри інформаційного і модульованого коливань не перекриваються.

Рис.4.2. Перетворення спектра під час детектування АМ-коливання

3. Процеси модуляції та детектування є нелінійними процесами, що відбуваються у пристроях, на виході яких утворюються частотні складові, яких не було на їхніх входах. Такі пристрої мають назву перетворювачів спектра і мають однакову структурну схему, подану на рис.4.3.

Рис.4.3. Структурна схема перетворювача спектра

У випадку модулятора на вхід (входи) нелінійного або параметричного елемента подаються модулювальне та носійне коливання. В результаті перемноження цих коливань на виході елемента утворюються складові з комбінаційними частотами, серед яких, окрім носійної та модулювальної, є верхня та нижня бокові частоти АМ-коливання. Ці корисні складові АМ-спектру виділяються смуговим фільтром, на виході якого формується АМ-коливання.

Якщо нелінійний елемент виконати на транзисторі, а смуговий фільтр – у вигляді паралельного коливального контуру, матимемо АМ модулятор, еквівалентну схему якого подано на рис.4.4. Процеси, що відбуваються у цій схемі, проілюстровані на рис.4.5.
Рис.4.4. Еквівалентна схема АМ модулятора

На рис.4.5,а подано нелінійну вхідну характеристику транзистора та сумарне коливання, одержане за рахунок спільної дії джерел носійного U _нта модулювального U _мод коливань, прикладене між базою та емітером транзистора. рис.4.5,б відображає форму колекторного струму транзистора, у спектрі якого є корисні складові, що утворюють АМ коливання. Ці складові виділяються контуром C _к L _к. Форму коливання на контурі подано на рис.4.5,в.

Рис.4.5. Процеси у АМ модуляторі

У випадку детектора на вхід нелінійного елемента подається АМ коливання. На його виході, за рахунок нелінійного перетворення, утворюються складові з комбінаційними частотами, серед яких є низькочастотні складові спектра інформаційного коливання. Ці складові виділяються фільтром нижніх частот, на виході якого формується інформаційне коливання.

Процеси демодуляції (детектування) АМ коливання, що відбуваються у діодному АМ детекторі, еквівалентну схему якого подано на рис.4.6, наведено на рис.4.7.
Рис.4.6. Еквівалентна схема АМ детектора.
Рис.4.7. Процеси в АМ детекторі

АМ коливання, яке діє на вході детектора, за рахунок однобічної провідності діода викликає в ньому струм, що має форму періодичної послідовності синусоїдальних імпульсів частоти w_Н, амплітуда яких змінюється за законом модуляції. Струм відкритого діода заряджає конденсатор С, який разом з опором навантаження R, утворює фільтр нижніх частот. У проміжки часу, коли діод закритий, відбувається розряд конденсатора С через опір R. У підсумку на опорі R виділяється напруга U _НЧ, за формою подібна до модулюючої функції. Неспотворене виділення обвідної АМ коливання відбудеться за умови

(4.6)

На рис.4.8,а наведено форму U _НЧ у разі виконання умови (4.6), а на рис.4.8,б – за умови . Як видно з рис.4.8,б, якщо ширина смуги прозорості ФНЧ менша за верхню частоту спектра модулювального коливання (), виникають нелінійні спотворення інформаційного коливання.

а	б
Рис.4.8. Фільтрація НЧ коливання у АМ детекторі.

 

Принципова схема макета

 

Принципова схема модулю для вивчення процесів модуляції та детектування наведена на рис.4.9. Модуль складається з транзисторного модулятора на транзисторі Т ₁, діодного детектора на діоді D ₃ і транзисторного детектора на транзисторі Т ₂.

Транзисторний модулятор. В коло бази транзистора подається:

- ВЧ-напруга (0,2…0,6) В, f» 120 кГц від генератора Г4-18А;

- НЧ-напруга (0,1…0,2) В, f» 1 кГц від генератора типу Г3-33;

- напруга зміщення Е _Б для вибору робочої точки від вбудованого джерела.

Також від вбудованого джерела подається напруга для живлення колекторного кола Е _К = -12 В.

Рис.4.9

Для регулювання глибини модуляції в первинну обмотку трансформатора Тр₁ введено потенціометр R ₁. Зміна напруги зміщення Е _Б виконується потенціометром R ₂.

В колекторне коло транзистора Т ₁ включено систему зв’язаних контурів L ₂ C ₆, L ₂ C ₈, яка є навантаженням модулятора.

Тумблер В4 дозволяє підключити гніздо Г1А або до кола бази, або до кола колектора для спостереження форми напруги за допомогою осцилографа.

Діоди D ₁ і D ₂ призначені для захисту схеми від включення неправильної полярності джерел живлення.

Діодний детектор виконано на діоді D ₃. R7 – резистор навантаження детектора, C ₁₀ – ємність фільтра.

За допомогою тумблера В1 діодний детектор підмикається до виходу модулятора. Тумблер В2 вмикає ємність фільтра. Гніздо Г3А призначено для підключення осцилографа.

Транзисторний детектор виконано на транзисторі Т ₂, до виходу модулятора вмикається за допомогою тумблера В1.

В колі бази транзистора Т ₂ є резистор R ₅, за допомогою якого змінюється напруга зміщення на базі та вибирається робоча точка на нелінійній ділянці характеристики.

Тумблер В3 вмикає ємність фільтра до колекторного навантаження. Для спостереження форми напруги призначено гніздо Г4А.

 

Лабораторне завдання

1. Вивчити призначення органів підімкнення та керування лабораторного модулю, наведених на рис.4.9.

2. Зібрати вимірювальний стенд за блок-схемою, поданою на рис.4.10.