Заглавная страница Избранные статьи Случайная статья Познавательные статьи Новые добавления Обратная связь FAQ Написать работу КАТЕГОРИИ: АрхеологияБиология Генетика География Информатика История Логика Маркетинг Математика Менеджмент Механика Педагогика Религия Социология Технологии Физика Философия Финансы Химия Экология ТОП 10 на сайте Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрацииТехника нижней прямой подачи мяча. Франко-прусская война (причины и последствия) Организация работы процедурного кабинета Смысловое и механическое запоминание, их место и роль в усвоении знаний Коммуникативные барьеры и пути их преодоления Обработка изделий медицинского назначения многократного применения Образцы текста публицистического стиля Четыре типа изменения баланса Задачи с ответами для Всероссийской олимпиады по праву Мы поможем в написании ваших работ! ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?
Влияние общества на человека
Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрации Практические работы по географии для 6 класса Организация работы процедурного кабинета Изменения в неживой природе осенью Уборка процедурного кабинета Сольфеджио. Все правила по сольфеджио Балочные системы. Определение реакций опор и моментов защемления |
Получение модулированных колебаний↑ ⇐ ПредыдущаяСтр 5 из 5 Содержание книги Похожие статьи вашей тематики
Поиск на нашем сайте
Проблема передачи информации, содержащейся во многих низкочастотных сигналах, с помощью множества узкополосных каналов передачи информациис разными частотами решается при использовании модулированных сигналов. Модулированный сигнал – это узкополосный сигнал, параметры которого изменяются пропорционально низкочастотному информационному сигналу. Как правило, модулированный сигнал является высокочастотным колебанием. Для получения модулированного сигнала используется гармонический сигнал y(t) = Umcos(wot + j), называемый в этом случае несущим колебанием (несущей частотой). Модуляция несущего колебания по закону передаваемого сообщения является нелинейной операцией и осуществляется в нелинейных устройствах, называемых модуляторами. Амплитудная модуляция При амплитудной модуляции (АМ) амплитуда сигнала изменяется прямо пропорционально низкочастотному информационному сигналу s(t). Сигнал с АМ можно записать следующим образом:
где Umo – начальное значение амплитуды несущей, kAM – коэффициент, зависящий от конструкции амплитудного модулятора. Umo и kAM должны быть такими, чтобы всегда Um(t)≥0. В противном случае возникает перемодуляция.
Для анализа амплитудной модуляции используем простейшее сообщение – гармонический сигнал s(t)=Smcos(Ωt+Ψ). Формула (1) в этом случае примет вид:
где m=kAMSm/Umo – коэффициент амплитудной модуляции. На рис.2 показаны модулированные сигналы с коэффициентами АМ, равными m=0,5 и m=1 соответственно. При стопроцентной амплитудной модуляции (m=1) имеют место максимальные изменения амплитуды модулированного сигнала: амплитуда изменяется от нуля до удвоенного значения. Используя тригонометрическую формулу для произведения косинусов, выражение (2) можно представить в виде формулы (3). Все три слагаемые в правой части формулы (3) – гармонические колебания. Первое слагаемое представляет собой исходное немодулированное колебание (несущую). Второе и третье слагаемые называют, соответственно, верхней и нижней боковыми составляющими:
Обе боковые полосы несут полную информацию о низкочастотном модулирующем сигнале. Поэтому в технике часто используются сигналы с одной боковой полосой. Нужная боковая полоса выделяется с помощью фильтра. Вторая боковая полоса (включая иногда и несущую) подавляется. Сигналы с одной боковой полосой занимают меньшую полосу частот и при прочих равных условиях требуют меньшей мощности передатчика. Для получения однотонального АМ-сигнала к входу модулятора необходимо приложить напряжение
Угловая модуляция При угловой модуляции (angle modulation) в несущем гармоническом колебании u(t) = Umcos(wt+j) значение амплитуды колебаний Um остается постоянным, а информация s(t) переносится либо на частоту w, либо на фазовый угол j. И в том, и в другом случае текущее значение фазового угла гармонического колебания u(t) определяет аргумент y(t) = wt+j, который называют полной фазой колебания. Фазовая модуляция (ФМ, phase modulation – PM).При фазовой модуляции значение фазового угла постоянной несущей частоты колебаний wo пропорционально амплитуде модулирующего сигнала s(t). Соответственно, уравнение ФМ – сигнала определяется выражением:
где k – коэффициент пропорциональности. Пример однотонального ФМ–сигнала приведен на рис. 2. При s(t) = 0, ФМ–сигнал является простым гармоническим колебанием и показан на рисунке функцией uo(t). С увеличением значений s(t) полная фаза колебаний y(t)=wot+k×s(t) нарастает во времени быстрее и опережает линейное нарастание wot. Соответственно, при уменьшении значений s(t) скорость роста полной фазы во времени спадает. В моменты экстремальных значений s(t) абсолютное значение фазового сдвига Dy между ФМ – сигналом и значением wot немодулированного колебания также является максимальным и носит название девиации фазы(вверх Djв = k×smax(t) или вниз Djн = k×smin(t) с учетом знака экстремальных значений модулирующего сигнала).
Частотная модуляция (ЧМ, frequency modulation – FM) характеризуется линейной связью модулирующего сигнала с мгновенной частотой колебаний, при которой мгновенная частота колебаний образуется сложением частоты высокочастотного несущего колебания wo со значением амплитуды модулирующего сигнала с определенным коэффициентом пропорциональности. Частотная и фазовая модуляция взаимосвязаны. Если изменяется начальная фаза колебания, изменяется и мгновенная частота, и наоборот. По этой причине их и объединяют под общим названием угловой модуляции. По форме колебаний с угловой модуляцией невозможно определить, к какому виду модуляции относится данное колебание, к ФМ или ЧМ, а при достаточно гладких функциях s(t) формы сигналов ФМ и ЧМ вообще практически не отличаются.
Импульсная модуляция Импульсная модуляция (ИМ) не является в действительности каким-то особым типом модуляции. Информация может быть представлена с помощью импульса или ряда импульсов. Можно рассматривать в качестве модулируемой величины амплитуду импульса или его ширину, или его положение в последовательности импульсов и т. д. Следовательно, существует большое разнообразие методов импульсной модуляции. Импульсная модуляция может быть использована для передачи как цифровых, так и аналоговых форм сигнала. Когда речь идет о цифровых сигналах, мы имеем дело с логическими уровнями (высоким и низким) и можем модулировать несущую (с помощью AM или ЧМ) рядом импульсов, которые представляют цифровое значение. При использовании импульсных методов для передачи аналоговых сигналов необходимо сначала преобразовать аналоговые данные в импульсную форму. Это преобразование также относится к модуляции, так как аналоговые данные используются для модулирования (изменения) последовательности импульсов или импульсной поднесущей. На рис.3а показана модуляция синусоидальным сигналом последовательности импульсов. Амплитуда каждого импульса в модулированной последовательности зависит от мгновенного значения аналогового сигнала. Синусоидальный сигнал можетбыть восстановлен из последовательности модулированных импульсов путем простой фильтрации. На рис.3б графически показан процесс восстановления первоначального сигнала путем соединения вершин импульсов прямыми линиями. Однако восстановленная на рис.3б форма колебаний не является хорошим воспроизведением первоначального сигнала из-за того, что число импульсов на период аналогового сигнала невелико. При использовании большего числа импульсов, т. е. при большей частоте следования импульсов по сравнению с частотой модулирующего сигнала, может быть достигнуто более качественное воспроизведение. Этот процесс амплитудно-импульсной модуляции (АИМ), относящийся к модуляции поднесущей последовательности импульсов, может быть выполнен путем выборки аналогового сигнала через постоянные интервалы времени импульсами выборки с фиксированной длительностью. Импульсы выборки — это импульсы, амплитуды которых равны величине первоначального аналогового сигнала в момент выборки. Частота выборки (число импульсов в секунду) должна быть, по крайней мере, в два раза большей, чем самая высокая частота аналогового сигнала. Для лучшей воспроизводимости частота выборки обычно устанавливается в 5 раз большей самой высокой частоты модуляции. АИМ является только одним типом импульсной модуляции. Кроме него существуют: ШИМ – широтно-импульсная модуляция (модуляция импульсов по длительности); ЧИМ – частотно-импульсная модуляция; КИМ – кодово-импульсная модуляция. Широтно-импульсная модуляция преобразует уровни выборок напряжений в серии импульсов, длительность которых прямо пропорциональна амплитуде напряжений выборок. Отметим, что амплитуда этих импульсов постоянна; в соответствии с модулирующим сигналом изменяется лишь длительность импульсов. Интервал выборки (интервал между импульсами) также фиксирован. Частотно-импульсная модуляция преобразует уровни выборок напряжений в последовательность импульсов, мгновенная частота которых, или частота повторения, непосредственно связана с величиной напряжений выборок. И здесь амплитуда всех импульсов одинакова, изменяется только их частота. По существу это аналогично обычной частотной модуляции, лишь несущая имеет несинусоидальную форму, как в случае обычной ЧМ; она состоит из последовательности импульсов.
Демодуляция сигналов Демодуляция АМ-сигналов может выполняться несколькими способами. Самый простейший способ – двухполупериодное детектирование (вычисление модуля сигнала) с последующим сглаживанием полученных однополярных импульсов несущей фильтром низких частот. На рис. 4 приведен пример изменения однотонального амплитудно-модулированного сигнала при детектировании. Параметры представленного сигнала: несущая частота 30 Гц, частота модуляции 3 Гц, коэффициент модуляции М=1. Как видно на рисунке, при детектировании модулированного сигнала, он становится однополярным, переходит на основную несущую частоту 2wo и уменьшается по энергии почти в 5 раз. Основная часть энергии (более 4/5) трансформируется в область низких частот и распределяется между постоянной составляющей и выделенной гармоникой сигнала модуляции. Между постоянной составляющей и выделенной гармоникой энергия распределяется в зависимости от значения коэффициента модуляции М. При М = 1 энергии равны, при М = 0 (в отсутствие сигнала модуляции) вся энергия переходит в энергию постоянной составляющей. Кроме этих составляющих появляются также 2-я, 3-я и более высокие гармоники детектированного модулированного сигнала. Энергия второй гармоники не превышает 2%, а остальных и вовсе незначительна.
Демодуляторы сигнала выделяют после детектирования только низкочастотный информационный сигнал и подавляют все остальные частоты, включая постоянную составляющую. Очевидно также, что в случае перемодуляции сигнала исходный информационный сигнал будет восстанавливаться с ошибкой. Другой распространенный метод – синхронное детектирование. При синхронном детектировании модулированный сигнал умножается на опорное колебание с частотой несущего колебания. Без учета фазовых углов колебаний:
Как следует из этого выражения, сигнал разделяется на два слагаемых, первое из которых повторяет исходный модулирующий сигнал, а второе повторяет модулированный сигнал на удвоенной несущей частоте 2wо. На рис.5 приведено визуальное сопоставление двухполупериодного и синхронного детектирования, которое наглядно показывает практически полное подобие процессов. Но форма новой несущей при синхронном детектировании является чистой гармоникой, в отличие от двухполупериодного детектирования, где новая несущая волна явно содержит дополнительные гармоники более высоких частот. Физический смысл амплитуды сигналов после демодуляции подобен спектру двухполупериодного детектирования, но однозначно соотносится со спектром входного модулированного сигнала: амплитуды гармоник модулированного сигнала на частоте 2wо в два раза меньше амплитуд входного сигнала, постоянная составляющая равна амплитуде несущей частоты wo и не зависит от глубины модуляции, амплитуда информационного демодулированного сигнала в 2 раза меньше амплитуды исходного модулирующего сигнала. Замечательной особенностью синхронного детектирования является полная независимость от глубины модуляции, т. е. коэффициент модуляции сигнала может быть больше 1. При сдвиге фазы опорного колебания на Dw относительно несущей частоты, выходной сигнал демодулятора оказывается умноженным на косинус фазовой ошибки:
Амплитуда сигнала снижается, а при Dw=p/2 становится равной нулю. При сдвиге частоты между несущим и опорным колебаниями сигнал демодулятора оказывается умноженным на гармоническое колебание с разностной частотой:
при этом выходной сигнал демодулятора начинает пульсировать (beat – биения) с частотой биений Dw.
Для частотной и фазовой синхронизации между несущим и опорным колебаниями в составе демодуляторов обычно используются следящие системы фазовой автоподстройки опорной частоты. Демодуляция сигналов с угловой модуляцией много сложнее демодуляции АМ сигналов.
Порядок выполнения работы Устройства, выполненные средствами пакета ELECTRONICS WORKBANCH, с амплитудной, частотной и однополосной модуляцией, показаны на рис. 6,7 и 8 соответственно. Процедура работы с пакетом ELECTRONICS WORKBANCH сводится к следующим действиям: - формируется электрическая схема анализируемого устройства с помощью встроенного редактора, для этого нужные компоненты “перетаскиваются” с панели компонентов в рабочую область и соединяются друг с другом с помощью проводников, устанавливаются значения параметров компонентов; - к схеме подключаются необходимые тестовые инструменты: функциональный генератор, вольтметр, амперметр, осциллограф, логический анализатор, пробник и др.; - работа схемы активируется нажатием на виртуальный “выключатель питания”; - результаты анализа, например, осциллограммы периодического процесса или амплитудно-частотная характеристика устройства могут быть сохранены для последующего документирования (оформление отчета). При создании схемы пакет Electronics Workbench позволяет: - выбирать элементы и приборы из библиотек, - перемещать элементы и схемы в любое место рабочего поля, - поворачивать элементы и их группы на углы, кратные 90 градусам, - копировать, вставлять или удалять элементы, фрагменты схем, - изменять цвета проводников, - выделять цветом контура схем, - одновременно подключать несколько измерительных приборов и наблюдать их показания на экране монитора, - присваивать элементам условные обозначения, - изменять параметры элементов. Изменяя настройки приборов можно: - изменять шкалы приборов в зависимости от диапазона измерений, - задавать режим работы прибора, - задавать вид входных воздействий на схему (постоянные или гармонические токи или напряжения, треугольные или прямоугольные импульсы). Устройство с амплитудной модуляцией (рис.6) содержит источник модулирующего низко частотного (НЧ) сигнала Vmod, в качестве которого в реальных устройствах могут быть микрофон, магнитофон и т. п., источник несущего высоко частотного (ВЧ) колебания Vcar, усилитель модулирующего НЧ сигнала А1, нелинейный усилитель – модулятор А2 (перемножитель сигналов) и антенну, представленную на схеме эквивалентным сопротивлением Ranten. Устройство с частотной модуляцией (рис.7) содержит источник ВЧ–модулированного сигнала Vfm, в качестве которого в реальных РПУ могут быть автогенератор с варикапом, автогенераторный преобразователь с частотным выходом т. п., усилитель модулированного сигнала А1 и антенну Ranten.
Устройство с однополосной модуляцией (рис.8) содержит источник модулирующего НЧ сигнала Vmod, в качестве которого в реальных устройствах могут быть микрофон, магнитофон и т. п., источник несущего ВЧ колебания Vcar, усилитель модулирующего НЧ сигнала А1, балансный модулятор А2 (перемножитель сигналов), полосовой фильтр на элементах L1, RL, C1, R1, а также усилитель модулированного ВЧ сигнала А3 и антенну Ranten. В схемах (рис. 6–8) показан также осциллограф, подключенный к антенне. Источники модулирующего и несущего сигналов формируют, соответственно, НЧ и ВЧ колебания вида:
Модулированные ВЧ сигналы при амплитудной, частотной и однополосной модуляции имеют следующие временные представления:
где М – индекс глубины модуляции. При отсутствии амплитудных искажений (в идеальном случае) при амплитудной и частотной модуляции M = k*Umodи при однополосной модуляции Ussb = k*Umod, где k – крутизна модуляционной характеристики. Примеры сигналов с различными видами модуляции представлены на рис. 9–11. Осциллограф , имитируемый программой Workbench, представляет собой аналог двулучевого запоминающего осциллографа и имеет две модификации: простую и расширенную. Расширенная модификация по своим возможностям приближается к лучшим цифровым запоминающим осциллографам. Из-за того, что расширенная модель занимает много места на рабочем поле, рекомендуется начинать исследования простой моделью, а для подробного исследования процессов – использовать расширенную модель. Осциллограф можно подключить к уже включенной схеме или во время работы схемы переставить выводы к другим точкам – изображение на экране осциллографа изменится автоматически. Двойным щелчком мыши по уменьшенному изображению открывается изображение передней панели простой модели осциллографа с кнопками управления, информационными полями и экраном. Для проведения измерений осциллограф нужно настроить, для чего следует задать: 1) расположение осей, по которым откладывается сигнал; 2) нужный масштаб развертки по осям; 3) смещение начала координат по осям; 4) режим работы по входу: закрытый или открытый; 5) режим синхронизации: внутренний или внешний. Настройка осциллографа производится при помощи полей управления, расположенных на панели управления. Панель управления имеет общий для обеих модификаций осциллографа вид и разделена на четыре поля управления: 1) горизонтальной разверткой (Time base); 2) синхронизацией (Trigger); 3) каналом А; 4) каналом В. Поле управления горизонтальной разверткой (масштабом времени) служит для задания масштаба горизонтальной оси осциллографа при наблюдении напряжения на входах каналов А и В в зависимости от времени. Временной масштаб задается в: с/дел, мс/дел, мкс/дел, нс/дел (s/div, ms/div, ms/div, ns/div соответственно). Величина одного деления может быть установлена от 0,1 нс до 1 с. Масштаб может дискретно уменьшаться на один шаг при щелчке мышью на кнопке справа от поля и увеличиваться при щелчке на кнопке. С помощью кнопок, расположенных в поле строки X POS, можно дискретно сдвигать начало осциллограммы по горизонтальной оси. В этом же поле расположены три кнопки: Y / T, А / В, В / А, позволяющие задавать вид зависимости отображаемых сигналов. При нажатии на кнопку Y / T по вертикальной оси откладывается напряжение, по горизонтальной оси –время, при нажатии на кнопки А / В по вертикальной оси откладывается амплитуда напряжения на входе канала А, по горизонтальной оси – канала В и при нажатии на кнопку В / А наоборот. При этом масштаб осей определяется установками соответствующих каналов. В режимах А / В и В / А можно наблюдать частотные и фазовые сдвиги (фигуры Лиссажу), петли гистерезиса, вольтамперные характеристики и т.д. Две нижних части панели осциллографа являются полями управления отображением сигналов, поданных на входы каналов А и В соответственно. Верхнее окно в поле позволяет управлять масштабом оси отображаемого напряжения по вертикальной или горизонтальной оси. Цена деления может дискретно устанавливаться от 10 mV/div до 5 кV/div. Масштаб для каждой оси устанавливается отдельно. Чтобы получить удобное для работы изображение на экране осциллографа перед началом эксперимента, следует установить масштаб, соответствующий ожидаемому напряжению. Ниже расположено поле, которое позволяет дискретно сдвигать ось X вверх или вниз. Для того, чтобы развести изображения от каналов А и В, следует воспользоваться сдвигом по оси Y (Y POS) для одного или двух каналов. Три нижние кнопки реализуют различные режимы работы входа осциллографа по входу. Режим работы осциллографа с закрытым входом устанавливается нажатием на кнопку АС. В этом режиме на вход не пропускается постоянная составляющая сигнала. При нажатии на кнопку DC осциллограф переходит в режим с открытым входом. В этом режиме на вход осциллографа пропускается как постоянная, так и переменная составляющая сигнала. При нажатии на кнопку 0 вход осциллографа соединяется с общим выводом осциллографа, что позволяет определить положение нулевой отметки по оси Y. Верхнее правое поле управления TRIGGER определяет момент начала отображения осциллограммы на экране осциллографа. Кнопки в строке EDGE задают момент запуска осциллограммы по фронту или по срезу импульса на входе синхронизации. Поле LEVEL позволяет задавать уровень, при превышении которого происходит запуск осциллограммы. Значение уровня можно сдвинуть на три деления вниз или вверх. Осциллограф имеет четыре режима синхронизации. 1 Автоматический режим (AUTO) – запуск осциллограммы производится автоматически при подключении осциллографа к схеме или при ее включении. Когда «луч» доходит до конца экрана, осциллограмма снова прописывается с начала экрана (новый экран). 2 Режимы запуска по входу А или В, в которых запускающим сигналом является сигнал, поступающий на соответствующий вход. 3 Режим «Внешний запуск» (EXT – external). В этом случае сигналом запуска является сигнал, подаваемый на вход синхронизации. Нажатие клавиши Expand на панели простой модели открывает окно расширенной модели осциллографа. Панель расширенной модели осциллографа в отличие от простой модели расположена под экраном и дополнена тремя информационными табло, на которые выводятся результаты измерений. Кроме того, непосредственно под экраном находится линейка прокрутки, позволяющая наблюдать любой временной отрезок процесса от момента включения до момента выключения схемы. В сущности, расширенная модель осциллографа это совершенно другой прибор, позволяющий намного удобнее и более точно проводить численный анализ процессов. На экране осциллографа расположены два курсора, обозначаемые 1 и 2, при помощи которых можно измерить мгновенные значения напряжений в любой точке осциллограммы. Для этого следует просто перетащить мышью курсоры за треугольники в их верхней части в требуемое положение. Координаты точек пересечения первого курсора с осциллограммами отображаются на левом табло, координаты второго курсора – на среднем табло. На правом табло отображаются значения разностей между соответствующими координатами первого и второго курсоров. Результаты измерений, полученные при помощи расширенной модели осциллографа, можно записать в файл. Для этого следует нажать кнопку Save (Сохранить) и в диалоговом окне ввести имя файла. Чтобы вернуться к прежнему изображению осциллографа, следует нажать клавишу REDUCE, расположенную в правом нижнем углу. Лицевая панель осциллографа приведена на рисунке Пользуясь пакетом ELECTRONICS WORKBANCH необходимо выполнить следующие этапы: 1. Познакомиться с базовыми схемами устройств с амплитудной, частотной и однополосной модуляцией. 2. Собрать схему устройства с амплитудной модуляцией. Параметры элементов схемы установить в соответствии с рис. 6 и табл. 1.
Таблица 1
3. Снять осциллограммы выходных модулированных ВЧ колебаний. 4. Собрать схему устройства с частотной модуляцией. Параметры элементов схемы установить в соответствии с рис.8 и табл. 2. 5. Снять осциллограммы выходных модулированных ВЧ колебаний.
6. Собрать схему устройства с однотональной модуляцией. Параметры элементов схемы установить в соответствии с рис. 9 и табл. 3. 7. Снять осциллограммы выходных модулированных ВЧ колебаний.
8. Отобразить в отчетах осциллограммы НЧ модулирующих, ВЧ несущих и ВЧ модулированных сигналов для всех видов модуляции и с указанием частот, амплитуд и индексов модуляции сигналов. При этом по осциллографу определить частоту fssb = 1/T выходного сигнала при однополосной модуляции и индекс амплитудной модуляции по формуле: М = (Umax – Umin)/(Umax + Umin).
Таблица 2
Таблица 3
Рис. 12. Осциллограмма сигнала с частотной модуляцией Требования к содержанию отчета 1. Название и цель работы. 2. Схемы. Результаты измерений. 4. Осциллограммы сигналов. Старайтесь подобрать временной шаг и отрезок наблюдения, а также масштабы по оси координат так, чтобы выявились характерные процессы. 6. Необходимые вычисления. 7. Выводы. Контрольные вопросы. 1. Каковы особенности амплитудной модуляции? 2. Каковы особенности частотной модуляции? 3. Каковы особенности однополосной модуляции? 4. Каковы особенности амплитудно-импульсной модуляции? 5. В чем заключается различие между фазовой и частотной модуляцией? 6. Нарисовать осциллограммы сигналов при различных видах модуляции. 7. Как осуществлять измерения с помощью осциллографа?
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Последнее изменение этой страницы: 2016-08-01; просмотров: 1106; Нарушение авторского права страницы; Мы поможем в написании вашей работы! infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 18.191.195.105 (0.012 с.) |