textarchive.ru

Главная > Методические указания


РЭЛ 5

Министерство общего и профессионального образования Российской федерации

НОВОСИБИРСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Физический факультет

Кафедра радиофизики

Модуляция и демодуляция

Методические указания к лабораторной работе практикума по радиоэлектронике

Новосибирск, 1997

Лабораторная работа посвящена изучению методов модуляции и демодуляции (детектирования) сигналов. В методическом пособии разъясняется принцип работы модулирующих и демодулирующих схем.

В задачу студента входит изучение электронных схем для получения модулированных сигналов и их демодуляции, макетирование и настройка собранных схем.

Составители: Г.И. Кузин, А.Ф. Павлов

Рецензент: О.М. Грехов

Печатается по решению кафедры радиофизики

Оглавление

Введение 3

1. Амплитудная модуляция (АМ) 4

2. Частотная и фазовая модуляция (ЧМ, ФМ) 7

3. Детектирование модулированных колебаний 8

4. Практическая часть 10

5. Контрольные вопросы 13

Приложение. Аналоговый интегральный перемножитель 526ПС1 13

Литература 15

Новосибирский государственный университет, 1997

Введение

Модуляцией в общем случае называется изменение по заданному закону параметров какого-либо регулярного физического процесса. Например, для создания изображения в кинескопе телевизора ток луча изменяется с помощью специального электрода – модулятора.

Модуляция находит применение в измерительной технике. Наиболее прецизионные операционные усилители строятся по схеме МДМ (модулятор-демодулятор), что позволяет улучшить смещение нуля и температурный дрейф на несколько порядков (ОУ типа 140УД13).

В радиотехнике модуляция чаще всего применяется для переноса спектра сигнала. Для передачи сообщений (сигналов) на расстояние используются различные передающие среды и линии связи: эфир, провода и кабели, оптоволокно... Применение модуляции в системах связи диктуется, во первых, необходимостью сопряжения частотных свойств сигнала и линии передачи (невозможно непосредственно передать по эфиру или оптоволокну низкочастотный сигнал, например речь); во-вторых, для передачи по линии связи одновременно нескольких сигналов (пара проводов может обеспечить несколько десятков телефонных переговоров, по эфиру мы получаем множество телевизионных и радиопрограмм). Кроме того, метод модуляции можно выбрать таким образом, чтобы свести к минимуму влияние различных помех и искажений, возникающих в передающей среде.

Процесс модуляции требует участия, по крайней мере, двух величин. Одна из них содержит всю передаваемую информацию и называется модулирующим сигналом, вторая представляет собой высокочастотное несущее колебание, которое модулируется посредством изменения одного или нескольких параметров. В подавляющем большинстве случаев в качестве несущей используется синусоидальное колебание, имеющее три параметра – амплитуду, частоту и фазу. В зависимости от изменяемого параметра различают три основных вида модуляции – амплитудную, частотную и фазовую.

В качестве несущего колебания могут использоваться также различные незатухающие функции, последовательности импульсов и даже шумы. Для последовательности импульсов параметрами модуляции могут быть амплитуда импульсов, длительность, частота следования. Например, в импульсных источниках питания и низкочастотных усилителях мощности для повышения кпд применяется широтно-импульсная модуляция – ШИМ.

Из всего спектра многочисленных видов модуляции практическая часть данной лабораторной работы содержит упражнения только с амплитудной и балансной модуляцией.

1. Амплитудная модуляция (АМ)

Одним из самых простых в технической реализации, а потому самым распространенным видом модуляции является амплитудная. Суть ампли­тудной модуляции состоит в следующем. Амплитуду высокочастотного несущего колебания изменяют по закону модулирующего сигнала следующим образом:

UАМ(t) = U(1 + mcost)cost. (1)

Для простоты в качестве модулирующего сигнала выбран синусоидальный. Величина m (0  m  1) называется коэф­фициентом глубины модуляции,  – частота модулирующего сигнала, – частота несущей. Обычно  << .

На рис. 1 представлены последовательные операции при амплитудной модуляции и демодуляции (детектировании). Сигналы а), б) относятся к передатчику, сигналы в), г) – к приемнику.

Рис. 1. Амплитудная модуляция. а)   несущая; б)   АМ сигнал; в), г)  де­тек­тирование; д) – спектр однотонального АМ сигнала; е)   спектр при сложном модулирующем сигнале

Обычно АМ осу­ществляется путем нелинейного усиления суммы модулирующего колебания и несущей U(t) = Uмод(t) + Uнес(t). Амплитудная характе­ристика нелинейного усилителя в первом приближении может быть пред­ставлена в виде

Uвых(t) = AU(t) + BU(t).

Для гармонического модулирующего сигнала Uмод(t) = Ucost имеем:

Uвых(t) = A(Ucost + Ucost) + B(Ucost + Ucost)2 =

= AUcost + AUcost + BUcos2t + BUcos2t + (2)

2BUUcostcost ,

где U – амплитуда несущей.

Так как  << , то, применяя полосовой фильтр, можно отфильтровать низкочастотные составляющие и гармоники с удвоенной частотой несущей, так что в (2) останутся только два члена, выделенные жирным шрифтом. Вынося cost за скобки, получим формулу (1).

Используя известную формулу для произведения costcost, однотональный АМ сигнал можно представить в виде суперпозиции гармонических колебаний:

UАМ(t) = AUcost + 2BUUcostcost =

= AUcost + BUUcos(   t + BUUcos( + t (3)

с несущей частотой , нижней (   ) и верхней ( + ) боко­выми час­тотами. Спектр однотонального АМ сигнала изображен на рис. 1, д.

Если несущая частота промодулирована не чистым тоном, а сигналом, занима­ющим некоторый спектр (речь, музыка, телевизионный видеосигнал), то с помощью преобразования Фурье можно показать, что обе боковые полосы симметрично отображают этот спектр (рис. 1, е), причем каждая из них содержит всю информацию о модулирующем сигнале и по ней этот сигнал можно восстановить полностью.

Несу­щее колебание никакой информации не несет, и наличие его в модулиро­ванном сигнале с энергетической точки зрения невыгодно. Так, ампли­туда боко­вых частот АМ-сигнала при модуляции чистым тоном составляет m/2, а мощность каждой боковой m2/4. Таким образом, даже при 100% моду­ля­ции (m=1) на обе боковые полосы приходится только половина мощности. Реаль­но, во избежание перемодуля­ции на пиках сигнала и его искажения, величина m не превышает значения ~ 0.3. При этом доля полезного сигнала составляет лишь 5% передаваемой мощности.

Для более эффективного использования мощности передатчика используют амплитудную модуляцию с подавлением несущей, так называемую балансную модуляцию (БМ). При балансной модуляции модулированный сигнал записывается в виде

UБМ(t) = Umcostcos0t = Um/2cos(   t + cos( + t]. (4)

Как видно из (4), спектр БМ-сигнала состоит только из двух боковых гармоник при полном отсутствии несущей. Осциллограмма и спектр БМ сигнала для однотональной модуляции приведены на рис. 2.

Рис. 2. Балансная модуляция: а)   осциллограмма модули­ро­ванного сигнала; б)   спектр однотонального БМ-сигнала

В качестве простого АМ модулятора можно использовать резонансный нелинейный усилитель, одно из схемных решений которого, используемое в данной работе, приведено на рис. 3.

Рис. 3. Амплитудный модулятор и детектор

Работу схемы можно пояснить следующим образом. На вход X2 по­дается высокочастотный сигнал постоянной амплитуды (несущая), и тран­зисторный каскад работает как резонансный усилитель с макси­маль­ным коэф­фи­циентом усиления на частоте . Если на вход X1 подать низкочастотный сигнал достаточно большой амплитуды, то начи­нает сказываться нелинейность усиления транзистора, так что амплитуда высокочастотного колебания на выходе модулятора изменяется в соот­ветствии с формулой (1). Можно сказать, что данный модулятор усиливает несущую, а модулирующий сигнал, смещая рабочую точку транзистора, меняет коэффициент усиления. Одновременно колебательный контур L1,C1 выполняет также функцию полосового фильтра (см. формулу (2)). Разумеется, полоса пропускания резонансного усилителя должна быть достаточной для прохождения всего спектра модулирующего сигнала.

Для реализации балансной модуляции (см. формулу (4)) нужно просто перемножить два сигнала – передаваемый и несущую, что можно сделать с помощью аналоговых перемножителей. Промышленностью выпускается большое число аналоговых перемножите­лей в интегральном исполнении. В настоящей работе для получения модуляции с подавленной несущей используется перемножитель типа 526ПС1. Работа такого перемножителя описана в приложении.

2. Частотная и фазовая модуляция (ЧМ, ФМ)

При частотной и фазовой модуляции полезный сигнал передается при помощи изменения соответственно частоты и фазы несущего колебания при постоянной амплитуде. Некоторая сложность в понимании этих видов модуляции заключается в том, что изменение во времени частоты приводит к изменению закона нарастания фазы и наоборот, поскольку частота и фаза несущего колебания связаны соотношением (t) = d/dt.

Пусть несущее колебание записывается в виде Uнес = Ucos(t + ). При фазовой модуляции полная фаза несущей связана с модулирующим сигналом s(t) зависимостью

(t) = t + ks(t), (5)

где  – частота несущей при отсутствии модулирующего сигнала.

ФМ-колебание запишется в виде

UФМ(t) = Ucos[t + ks(t)]. (6)

При частотной модуляции частота несущей определяется выражением (сравните с (5)):

(t) =  + ks(t). (7)

Поскольку полная фаза связана с мгновенной частотой соотношением

, (8)

ЧМ-колебание можно записать в виде

UЧМ(t). (9)

Вообще ЧМ и ФМ-колебания, которые часто объединяются общим термином угловая модуляция, с точностью до постоянной фазы описываются одним выражением

. (10)

Колебание U(t) можно рассматривать как сигнал, модулированный по фазе сигналом s(t) или модулированный по частоте сигналом d[s(t)]/dt.

Для однотонального ЧМ-сигнала, исходя из (8), полная фаза имеет вид

, (11)

где  – девиация частоты. Величина m = называется индексом однотональной угловой модуляции и представляет собой девиацию фазы.

Таким образом, однотональный ЧМ-сигнал можно записать в виде

UЧМ(t) = Ucos(0t + msint). (12)

Аналитическая формула записи для ФМ аналогична, отличие же состоит в интерпретации индекса m. В случае ЧМ девиация  пропорциональна амплитуде модулирующего сигнала и не зависит от его частоты. В случае же ФМ сам индекс m пропорционален амплитуде модулирующего сигнала, следовательно, девиация  линейно растет с частотой Другими словами, параметрами однотональной угловой модуляции являются m = const для ФМ,  = const для ЧМ. В случае ЧМ индекс модуляции зависит от частоты модулирующего сигнала: m = /.

Спектральный анализ угловой модуляции требует более сложного математического аппарата, чем анализ АМ сигналов. Подробное рассмотрение можно найти в литературе [2], [6].

Наиболее простой способ получения ЧМ/ФМ  включить в коле­бательный контур LC-генератора специальный диод  вари­кап, емкость которого зависит от приложенного к нему напряжения. Модулирующий сигнал меняет это напряжение и, соответственно, частоту и фазу несущей.

3. Детектирование модулированных колебаний

Детектированием называется процесс, обратный модуляции, когда де­тектор выделяет из модулированного колебания модулирующий сигнал. В настоящей работе рассматривается только детекти­ро­ва­ние АМ сигнала. Другие виды детектирования описаны в литературе [2, 6].

Детектирование АМ и БМ-сигналов. Наиболее просто детектирование осуществ­ля­ется при помощи нелинейного элемента, в качестве которого обычно используется диод. На рис. 3 приведена схема амплитудного детектора с удвоением напряжения. Под­робно теория диодного детектора рассмотрена в литературе [16].

Основным недостатком диодного амплитудного детектора является плохая работа на малых сигналах, так как вольтамперная характеристика диода в диапазоне напряжений смещения 0   В сильно нелинейная. Вследствие этого возникают нелинейные искажения сигнала, сужается динамический диапазон.

Этого недостатка лишен синхронный детектор (СД), пред­ставляю­щий собой линейную систему с периодически изменяющимися пара­мет­­рами. Для работы СД требуется сформировать управляющий сигнал, синфазный с несущим коле­банием.

Один из вариантов приведен на рис. 4, а (упрощенная схема). В качестве элементов с пери­одически изменяю­щимися параметрами исполь­зуют­ся диоды. Диоды попарно коммутируются переменным напряжением, когерентным с несущим колебанием, которое подается на вход X2. На практике этот сигнал обычно получают выделением, усилением и ограничением по амплитуде несущего колебания. К зажимам X3 попеременно подключаются противофазные обмотки первого трансформатора (последовательно включенные противофазные обмотки второго трансформатора имеют нулевое реактивное сопротивление). При условии   0 или   низкочастотная составляющая выходного сигнала имеет максимальное значение, а при   /2 равна нулю. Если амплитуда напряжения на входе X2 достаточно велика, то пары диодов либо включены, либо выключены. При этом выходное напряжение СД пропорци­онально амплитуде входного сигнала. Для нормальной работы данного СД трансформаторы должны обладать хорошей симметрией.

Рис. 4. Синхронный детектор

Отметим одну важную характеристику синхронного детектора, изоб­раженного на рис. 4, а. Так как диоды работает в ключевом режиме, то действие переменного напряжения несущей (вход X2) эквивалентно дей­ствию прямоугольного сигнала со скважностью 2 (меандр). Такой сигнал, согласно преобразованию Фурье, представляется в виде суммы бесконеч­ного числа нечетных гармоник, кратных с амплитудами, пропорцио­нальными 1/k, где k = 1, 3, 5, ... Поскольку умножению функций времени соответствует свертка спектров, СД будет уверенно детектировать все частоты k. Рисунок 4, б поясняет этот эффект, который приводит к тому, что такой СД "собирает" шумы, помехи, побочные сигналы. Избавиться от этого недостатка можно применяя полосовой фильтр на входе, который пропускает лишь частоты          , но при перестройке на другую частоту этот фильтр тоже нужно перестраивать.

Другой вариант реализации синхронного детектирования – произвести умножение АМ сигнала на несущее колебание с помощью аналогового перемножителя. Пусть АМ сигнал представлен в форме

UАМ(t) = U(1 + mcost)cost.

Умножая его на cost, на выходе аналогового перемножителя имеем:

(13)

Первый и третий члены этого выражения легко отфильтровываются с помощью разделительной емкости и ФНЧ, и остается только второй член, представляющий полезный сигнал.

При детектировании АМ-сигналов с подавленной несущей устройство приемника существенно усложняется, так как в месте приема необходимо синтезировать синусоиду, когерентную с подавленной несущей.

Детектирование ЧМ и ФМ-сигналов. Для демодуляции ЧМ-сигналов применяются частотные детекторы, состоящие из линейной частотно-зависимой цепи, преобразующей частотную модуляцию в амплитудную, и диодного амплитудного детектора. Частотно-зависимая цепь обычно представляет собой два связанных колебательных контура, настроенных на частоту несущей.

Для детектирования ФМ-сигналов применяются обычные частотные детекторы. Разница состоит в том, что на выходе детектора будем иметь производную по времени от модулирующего сигнала. Если дополнить схему интегрирующей цепочкой, то получим исходный сигнал. Заметим, что этот метод не годится, когда фаза изменяется скачкообразно или есть необходимость сравнения фазы с опорным колебанием. В этом случае применяются специальные фазовые детекторы.

4. Практическая часть

На монтажной плате собра­ны схемы модулятора, детектора и перемножителя.

Просьба не разбирать и не собирать заново эти схемы. Для выполнения работы следует соединять эти схемы между со­бой и с приборами, находя­щи­ми­ся на рабочем столе (генера­торы, ис­точник питания, осцил­ло­граф).

4.1. Амплитудный модуля­тор и диодный детектор. Под­ключите к схеме модулятора (рис. 3) на вход X2 напряжение от генера­тора синусоидаль­ного сигнала амплитудой ~0,05 в. Изменяя частоту генератора в пределах от 130 до 200 кГц, найдите частоту, при которой значение сигнала на выходе будет макси­маль­ным.

Подключите ко вхо­ду X1 модулирующий сигнал часто­той 100  1000 Гц и амплиту­дой 0.1В от второго генератора синусои­даль­ного сигнала. С помощью осциллографа наблюдайте модулированный сигнал в точке "К".

Соберите на макетной плате схему амплитудного детектора по рис. 3. Наблюдайте сигналы в точках "А" и "В" детектора. Установите глубину модуляции m = 50%. Измерьте по осциллографу амплитуду сигнала на выходе детектора и размах изме­нения амплитуды сигнала на входе (ве­ли­чина "M" на рис. 4). Их отно­ше­ние называется коэф­фициентом де­те­кти­рованияkдет. Измерьте kдет в режиме большого ~ 5 В и малого ~ 1.5 В сигнала (имеется в виду максимальный размах напряжения в точке "K"). Срав­ните нелинейные искажения синусоиды на выходе детектора.

Рис. 5. Балансный модулятор

4.2. Балансный модулятор. Подайте на вход U перемножи­теля (рис. 5) сиг­нал от генера­тора синусо­и­­даль­­ного сигнала амплиту­дой 0.05 В, частотой несколько сотен килогерц. Ко входу Uподсое­ди­ните сигнал от второго генера­тора частотой несколько сотен герц, ампли­ту­дой 0.1 В. За­рисуйте полу­ченную балансную модуля­цию. Измените частоту  до значения приблизительно в 510 раз меньше ­. Обратите внимание на фазу несущей в момент перехода через ноль.

4.3. Синхронное детектиро­ва­ние АМ сигнала. Умень­шите  до перво­на­чальной (1001000 Гц) и снова подайте сигналы с часто­той  и  на входы тран­зи­сторного модуля­тора (рис. 3). Вход U пе­ре­мно­жи­теля последо­ва­­тель­но с сопротив­лением 51 кОм соеди­ни­те с выходом модулятора.

Рис. 6. Синхронный детектор

На второй вход пере­мно­­жи­теля подайте несущую частоту  от того же генератора (рис. 6). На выходе полу­чите продетек­тиро­ван­ный сиг­нал. Снова измерьте kдет в режи­ме большого и малого сигнала, как в п. 4.1. Сравните резуль­таты.

Рис. 7. Удвоитель частоты

4.4. Умножитель частоты. На аналоговых перемножителях легко реализуются также широкодиапазонные умножители частоты. Например, для удвоения частоты нужно на оба входа подать один и тот же синусоидальный сигнал Ux = Uy = Ucos(0t), тогда выходное колебание запишется в виде

. (14)

Постоянная составляющая отфильтровывается разделитель­ным конденса­тором и остается удвоенная частота. Такой умно­житель частоты не требует пере­страиваемых резонансных цепей и обладает большим частотным диапазоном.

Подайте сигнал частотой  на оба входа, согласно схеме (рис. 7). Наб­людайте удвоение частоты.

5. Контрольные вопросы

1. Перечислите виды модуляции. Какие параметры несущего колебания связаны с передаваемым сигналом?

2. Какая полоса в частотном диапазоне требуется для качественной передачи музыки (20 Гц  20 кГц) при обычной амплитудной модуляции?

3. От чего зависит распределение мощности в спектре однотонального АМ сигнала?

4. Как будет работать схема детектора, изображенного на рис. 3, если а) диод D2 убрать; б) диод D1 заменить резистором 10 кОм?

5. Объясните принцип работы синх­ронного детектора.

Дополнительные вопросы

6. Придумайте и нарисуйте схему амплитудного модулятора.

7. В чем заключаются сложности устройства приемников при использова­нии АМ сигнала с подавленной несущей?

Приложение. Аналоговый интегральный перемножитель 526ПС1

Упрощенная схема перемножителя показана на рис. 8. В этом перемно­жителе применен метод нормировки токов. Перемножители с нормировкой токов обладают наилучшей совокупностью таких параметров, как линей­ность, широкополосность, температурная стабильность, прямая передача входного сигнала на выход по сравнению с перемножителями на управляе­мых сопротивлениях, с переменной крутизной или логарифмическими. Как правило, они обладают дифференциальным входом, а следовательно, дополнительной схемотехнической универсальностью.

Рис. 8. Аналоговый перемножи­тель 526ПС1 (упрощенная схема)

Выходное напряже­ние опреде­ля­ет­ся формулой

Uвых = Rн(i1 + i3) - Rн(i2 + i4). (П1)

Если оба входных напряжения равны нулю, т.е. Ux = Uy = 0, то все токи одинаковы: i1 = i2 = i3 = i4. В этом случае Uвых = 0.

Если же, например, Uy = 0, а Ux> 0, то токи i1 и i2 увеличатся, а токи i3 и i4 уменьшатся. При малом Ux связи между токами и напряжениями можно представить в виде

(П2)

где Kx  коэффициент пропорциональности. Подставив (П2) в (П1), получим, что и в этом случае Uвых = 0. При Ux = 0 и Uy > 0

(П3)

также Uвых = 0. Если оба напряжения не равны нулю, то

(П4)

Подставив (П4) в (П1), получим Uвых = 4KxKyi0UxUy, то есть выход­ное напряжение пропорционально произведению входных напряжений.

Технические характеристики 526ПС1 (при Rн = 1 кОм, f = 10 МГц)

Напряжение источников питания Uи.п.= 60.6В;

Потребляемый ток Iпот < 5 мА;

Коэффициент подавления сигнала по входу Кос.вх. > 8 дб;

Коэффициент подавления опорного сигнала Кос.оп. > 65 дб;

Верхняя граничная частота fг  40 МГц.

Литература

1. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника. М.: Высшая школа, 1991.

2. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. М.: Радио и связь, 1986.

3. Каяцкас А.А. Основы радиоэлектроники. М.: Высшая школа, 1988.

4. Манаев Е.И. Основы радиоэлектроники. М.: Радио и связь, 1985.

5. Основы радиоэлектроники. Под редакцией Г.Д. Петрухина. М.: Изд во МАИ, 1993.

6. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы. М.: Высш. школа, 1988.

Подписано в печать 26.02.1997

Печать офсетная. Уч.-изд.л. – 1.

Заказ №

Формат 60x84 1/16

Тираж 100 экз.

Редакционно-издательский отдел Новосибирского университета.

Участок оперативной полиграфии НГУ.

630090, Новосибирск, 90, ул. Пирогова, 2.



Скачать документ

Похожие документы:

  1.  - естественные науки (1)

    Учебное пособие
    ... , по спектральной теории сигналов и их генерированию, усилению, преобразованию, модуляции, детектированию, демодуляции и ... 1805933 161. Р26 М 545 Методическиеуказания к лабораторным занятиям по общей медицинской микробиологии / Минобрнауки ...
  2. (ТУСУР) (ТУ) Введение в специальности

    Учебное пособие
    ... Новосибирской ... лабораторныхработ ... Указанное определение уже можно считать зауженным. Фактически, почти все направления радиоэлектроники ... модуляции и демодуляции ... методических пособий и рекомендаций по всем дисциплинам и по всем видам занятий – практикумам ...
  3. Программы кандидатских экзаменов

    Программа-минимум
    ... демодуляции непрерывных сообщений при слабых помехах. Виды модуляции ... радиоэлектроники РАН, УМС по ... M., 1986. Лабораторныйпрактикумпо материаловедению швейного производства ... частях. Новосибирск, ... работы: практикумы ... Гвоздарев Ю.А. Методическиеуказания к ...
  4. (ТУСУР) (ТУ) ВВЕДЕНИЕ В СПЕЦИАЛЬНОСТЬ «СЕРВИС» Учебное пособие 2012

    Учебное пособие
    ... – Томский институт радиоэлектроники и электронной техники ... однополосной модуляцией. ... фильтрация, демодуляция) и ... Л.К. Аверченко. – Новосибирск: Сибирское соглашение, 2002 ... работу студентов, практикумы, в том числе лабораторные ... и методическиеуказанияпо их ...
  5. Інформаційні технології наука техніка технологія освіта здоров’я наукове видання тези доповідей х ix міжнародної науково-практичної конференції

    Документ
    ... для частотної модуляції і демодуляції, частотної ... радиоэлектроники, ... лабораторногопрактикума ... лабораторно-практических работпо ... Новосибирский государственный технический университет, г. Новосибирск ... указанных ... . Предлагаемый методический подход к ...

Другие похожие документы..