13036

Исследование процессов амплитудной модуляции и детектирования амплитудно-модулированных колебаний

Лабораторная работа

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Лабораторная работа № 11. Цель работы: исследование процессов амплитудной модуляции и детектирования амплитудно-модулированных колебаний; знакомство со схемами простого радио-передающего и радиоприемного устройств. Приборы: 1. Испытательная панель лаб...

Русский

2013-05-07

208 KB

30 чел.

Лабораторная работа № 11.

      Цель работы: исследование процессов амплитудной модуляции и детектирования амплитудно-модулированных колебаний; знакомство со схемами простого радиопереда-ющего и радиоприемного устройств.

       Приборы: 1. Испытательная панель лабораторного стенда.

                          2. Осциллограф.

Теоретическое введение.

        Напомним, что радиотехника – наука об электромагнитных колебаниях ( с частота-ми от 3 Гц до 3000 ГГц) и волнах (длина волн при распространении в вакууме от 100 тыс. км до ОД мм), методах их генерирования, усиления. излучения и приема. Кроме того, эта отрасль техники, осуществляющая применение таких колебаний и волн для передачи ин- формации в радиосвязи, радиовещании, телевидении, радиолокации, радионавигации.

         Рассмотрим структурные схемы передающего и приемного устройств (связных и радиовещательных), показанных на 11.1 и 11.2.

 

            11.1 Структурная схема радиопередающего устройства.

            11.2 Структурная схема радиоприемного устройства.

            На структурной схеме передающего устройства (11.1) показан модулятор, с помо-

щью которого радиочастотное колебание модулируется. Различают три основных вида молуляции: фазовую, частотную и амплитудную.

            В приемном устройстве особую роль играет детектор. Детектированием называ- ют процесс, обратный модуляции. При детектировании радиочастотного модулированно-го колебания выделяется исходное модулирующее колебание.

                Высокочастотные колебания, при помощи которых передается информация, за-ложенная в них при помощи низкочастотных колебаний, получили название несущих ко-лебаний.

Модуляция.

                Модуляция высокочастотного колебания осуществляется в устройствах, кото- рые называются модуляторами. На вход модулятора подается модулируемое (несущее) ко-лебание высокой частоты

                                                                                           (11.1)

и управляющее (модулирующее) колебание

                                                           (11.2)

                   Обычно частота модулируемого колебания  значительно больше частоты  управляющих колебаний  т. е. .

                    На выходе модулятора получают колебание, модулированное по амплитуде, частототе, или фазе, спектр которого отличается от спектра колебания на входе.

Амплитудная модуляция.

                     Как известно, АМ колебание записывается в виде

                              (11.3)   

                     Из выражений (11.1) – (11.3) видно, что для получения колебания, модулиро- ванного по амплитуде, необходимо осуществить перемножение высокочастотного и низ-кочастотного колебаний. Эта операция осуществляется в модуляторе (перемножителе), который является либо нелинейной системой, либо системой с переменными параметра- ми.

                     В выходной цепи модулятора протекает ток, спектр которого содержит соста- вляющие, среди которых присутствует несущее и боковые АМ колебания. С помощью по-лосового фильтра (обычно резонансный контур или система связанных контуров) из всего спектра частот выделяются эти полезные составлявющие.

                      Учитывая, что фильтр выделяет малый участок спектра, расположенный  во-круг несущей, можно заменить выходную цепь модулятора схемой замещения, справели- вой для несущей частоты . Схема замещения (11.3) состоит из генератора тока частоты  с модулированной амплитудой  и внутреннего сопротивления по первой гармо- нике .

                 

         11.3 Схема замещения.

                       При модуляции могут возникать частотные и нелинейные искажения. Часто- тные искажения обусловлены непостоянством амплитудно-частотной и нелинейностью фазочастотной характеристик фильтра в диапазоне частот, занимаемом АМ колебаниями.

Модуляционная характеристика.

                       Модуляционной характеристикой называют зависимость амплитуды выход- ного модулированного напряжения от мгновенного значения модулирующего напряжения .

                       Для модуляции без нелинейных искажений необходимо, чтобы модуляцион-  ная характеристика была линейна. Модуляционная характеристика линейна, если амплитуда первой гармоники тока пропорциональна мгновенному значению модулирую-

щего колебания , где и сопротивление по первой гармонике  посто-

янно: .

                        Когда выходное сопротивление  постоянно или много больше сопроти- вления фильтра, амплитуда напряжения  пропорциональна амплитуде тока . Тог- да модуляционной характеристикой можно считать зависимость амплитуды первой гармо-ники тока  в схеме замещения (11.3) от мгновенного значения модулирующего нап-

ряжения .

Детектирование. Преобразование частоты.

                            Детектированием называют процесс восстановления модулирующего на-

пряжения из модулированных колебаний, т. е. процесс обратный модуляции. В зависимос- ти от вида модуляции напряжение на выходе детектора должно воспроизводить закон из-

менения амплимтуды, частоты или фазы детектируемого сигнала. Детектирование сопро-

вождается преобразованием спектра, которое заключается в создании частот  содержащихся в спектре входного модулированного колебания. Поэтому для детектирова- ния необходимо применять нелинейную систему или линейную систему с переменными параметрами, а также фильтр, выделяющий необходимые частоты спектра.

                             Преобразование частоты представляет собой процесс переноса спектра модулированных колебаний из одной области частот в другую без изменения структуры сигнала. Этот процесс осуществляется в нелинейной системе или линейной с переменны-

ми параметрами.

Детектирование амплитудно-модулированных колебаний.

                             При детектировании АМ колебаний (11.4,а) необходимо получить коле- бания (11.4,б), совпадающие по форме с огибающей АМ колебаний. Иными словами, из спектра АМ колебаний (11.5,а), состоящего из несущей и боковых, сдвинутых относитель-

но несущей  на модулирующие частоты , необходимо получить модулирующие частоты  (11.5,б).

  
      11.4,а) Детектирование АМ колебаний; б) Колебания, совпадающие по форме с огиба-

                 ющей АМ колебаний.

        11.5,а) Спектр АМ колебаний; б) Модулирующие частоты.

                       Любой детектор АМ колебаний содержит элемент, где происходит преобра-

зование спектра, и фильтр нижних частот, который выделяет требуемый спектр. Элемен-

том, в котором осуществляется преобразование спектра, может быть как управляемое (транзистор, триод, пентод), так и неуправляемое (диод) нелинейное сопротивление, или линейное сопротивление, или линейное сопротивление с переменными параметрами.

                      Фильтр нижних частот выделяет все составляющие продетектированного си-

гнала () и не пропускает высокочастотные составляющие.

                      В качестве фильтра нижних частот чаще всего применяется RC-цепочка, па-

раметры которой выбираются так, чтобы выполнялись неравенства:

                                                                                                              (11.4)

                     (11.5)

где -  максимальная частота модулирующего колебания;  - несущая частота.

                  При выполнении неравенства 11.4 частотные искажения отсутствуют. При вы- полнении неравенства 11.5 выходное напряжение не содержит высокочастотной составля- ющей.

                  Зависимость выходного напряжения  от амплитуды высокочастотного нап-

ряжения  на входе детектора называется характеристикой детектирования: .

Диодное детектирование.

                  Детектирование, где преобразующим элементом служит диод называется диод-

ным. Особенностью диодных детекторов является наличие обратной связи, когда напря-

жение смещения на диоде создается за счет продетектированного напряжения.

                 По способу включения различают схемы последовательного и параллельного диодного детектора. Принцип работы обеих схем почти одинаков. Рассмотрим работу по-

следовательной схемы диодного детектора.

                 Последовательная схема диодного детектора применяется в том случае, когда входное напряжение не содержит постоянной составляющей. Последовательная схема де-

тектора (11.6) состоит из диода , включенного последовательно с нагрузкой , которая зашунтирована конденсатором . Продетектированное напряжение  снимается с -цепи.

                   Пусть на последовательный диодный детектор действует немодулированное высокочастотное напряжение . В первый момент, во время положительного по- лупериода входного напряжения диод открыт и через него протекает ток , заряжающий конденсатор  с постоянной времени , где  - сопротивление открытого диода. Когда напряжение на конденсаторе больше мгновенного значения вход- ного напряжения, диод закрыт, ток через диод не проходит, и конденсатор  разряжается током , протекающим через резистор . Постоянная времени разряда .

             11.6 Последовательная схема детектора.

               

                    После окончания переходного процесса в схеме установится режим, при кото- ром среднее значение тока диода  равно среднему значению тока  равно среднему зна- чению тока .

                    Параметры схемы диодного детектора выбираются так, чтобы выполнялось условие . При этом напряжение  почти не содержит высокочастотной сос-

тавляющей. При детектировании напряжения с постоянной амплитудой  считаем пос-

тоянным.

                     Напряжение , приложенное к диоду, складывается из напряжения на входе  и напряжения : . При аппроксимации вольт- амперной характери- стики диода двумя отрезками прямых постоянная составляющая тока:

                                                                                                    (11.6)

где угол , определяется из выражения:

                      .                                                                                              (11.7)

Из равенств (11.6) и (11.7) следует, что:

                                                                                                                    (11.8)

                      Коэффициент передачи диодного детектора , определяемый как отноше-

ние постоянного напряжения  к амплитуде входного высокочастотного напряжения  равен:

                                                                                                              (11.9)

                     Обычно . При этом коэффициент передачи детектора лежит в преде-

лах от 0,9 до 1.

                     Основным недостатком диодного детектора является его сравнительно низ- кое входное сопротивление, шунтирующее резонансный контур, к которому подключает- ся вход детектора. На контуре имеется напряжение только первой гармоники, поэтому из всех гармоник тока, протекающих в детекторе, только первая гармоника отбирает мощ –ность из контура.

Принимающие и передающие устройства.

                        На вход приемника поступает ряд модулированных сигналов передающих станций. Каждая станция имеет свою несущую частоту  (11.7). В радиоприемнике до- лжно осущуствляться выделение и усиление сигнала лишь одной принимаемой станции. В приемниках прямого усиления для перехода с приема одной программы к приему другой необходимо перестраивать резонансные контуры всех резонансных усилителей на несу-щую частоту новой программы. Это усложняет конструкцию входных цепей приемника. Кроме того, на высоких частотах трудно обеспечить усиление и требуемую избиратель- ность резонансных усилителей.

              11.7 Несущие частоты различных станций.

                   Эти недостатки устранены в супергетеродинных приемниках. На входе супер-

гетеродинного приемника после усиления колебания высокой частоты находится блок преобразователя частоты ПЧ (11.8), который состоит из перестраиваемого генератора  гармонических колебаний  и смесителя , в котором смешиваются напряжения гетеродина и входного сигнала, поступающего с антенны. Да-лее располагается усилитель промежуточной частоты УПЧ, состоящий из ряда резонанс-

ных усилителей, настроенных на фиксированную промежуточную частоту. УПЧ выделяет и усиливает только фиксированную полосу частот .

          11.8 Блок преобразователя частоты ПЧ.

                   При приеме программы с несущей частотой , осуществляется преобразова-ние частоты, в результате которого спектр принимаемой программы преобразуется в спектр такого же модулированного колебания, но с несущей частотой, равной промежуто-

чной частоте УПЧ. Для приема другой программы достаточно так изменить частоту гете-

родина , чтобы в полосу пропускания УПЧ попадал преобразованный спектр новой программы. Преобразователи частоты широко применяют также в измерительной техни-

ке.

                  При преобразовании частоты могут возникать частотные и нелинейные иска-

жения. Частотные искажения обусловлены неравномерностью частотной характеристики преобразователя в диапазоне частот, занимаемом спектром преобразованного сигнала. Для их устранения необходимо, чтобы фильтр УПЧ имел постоянный коэффициент усиле-ния в диапазоне частот, занимаемом спектром преобразованного сигнала.

                  Нелинейные искажения при преобразовании АМ сигнала обусловлены появле- нием в спектре преобразованного сигнала лишних частотных составляющих и проявляют- ся в том, что огибающая преобразованного сигнала отличается по форме от огибающей входного сигнала.

                  В смесителе осуществляется преобразование спектра, в результате чего созда- ются новые частоты. Следовательно, смеситель должен быть или нелинейной системой, или линейной системой с переменными параметрами. Возможны два режима работы сме-сителя:

                 1) режим нелинейного преобразования, когда входное напряжение и напряже- ние гетеродина  достаточно велики и необходимо учитывать нелинейность характерис- тики . Смеситель в этом случае является нелинейной системой;

                 2) режим линейного преобразования, когда действует большое напряжение ге- теродина  и малое напряжение входного сигнала .

                 По отношению к малому входному сигналу смеситель может рассматриваться как линейная схема с переменными параметрами. Применяются различные схемы смеси- телей. Ниже рассмотрена схема смесителя на полевом транзисторе (11.9).

                11.9 Схема смесителя на полевом транзисторе.

Контрольные вопросы.

  1.  В чем заключается модуляция гармонического колебания? Какие виды модуляции вы знаете?
  2.  Нарисуйте и поясните схему замещения амплитудного модулятора.
  3.  Что называется модуляциионной характеристикой.
  4.  Что такое детектирование? В каких системах можно осуществить детектирование?
  5.  Каково назначение амплитудного детектора?
  6.  Изобразите схему последовательного диодного детектора и поясните принцип его работы.
  7.  В чем преимущество гетеродинного приемника?
  8.  Смеситель. Режимы его работы.

АСТРАХАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

                       

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №11.

Получение и детектирование амплитудно-модулированного сигнала.

                               

                                                                                                                       Выполнил:

Ашихмина А.И.  

                                                                                                                      Проверил:

                                                                                                                         Гущин А.Н. 

Астрахань 2006

Списки учащихся СОШ №54:

Врач: Ячменева О. А.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

48783. Использование нейронных сетей для определения коммуникативных способностей индивидов 425 KB
  Слышали и про холодильники с выходом в Интернет и про внедрение Microsoft в будущие версии Windows элементов искусственного интеллекта. В подобном развитии области искусственного интеллекта нет ничего необычного. И наконец сети третьей группы являющиеся дальнейшим развитием предыдущих представляют собой уже нейроподобные системы и нацелены они на создание экзотических в настоящее время виртуальных личностей информационных копий человека средой обитания которых является глобальная сеть Интернет. Сейчас в Интернете повсеместно можно...