Курс лекций по электротехнике Курс лекций по теории электрических цепей Магнитные цепи при постоянных токах Трансформатор с ферромагнитным сердечником


Частотная модуляция и детектирование ЧМ-сигналов

1 Цель работы

Экспериментальное исследование физических процессов при частотной модуляции и детектировании ЧМ-сигналов.

 5 Конспект лекций.

3 Предварительная подготовка к работе

Ознакомиться с лабораторным заданием и изучить по указанной выше литературе следующие вопросы:

принцип получения частотной модуляции и её использование в технике связи;

временное, спектральное и векторное представление ЧМ-сигнала при модуляции чистым тоном и сложным сигналом;

девиация частоты, индекс частотной модуляции, узкополосная и широкополосная модуляция;

изменение вида спектра ЧМ-сигнала при изменении амплитуды и частоты модулирующего сигнала;

принцип работы частотного модулятора, статическая модуляционная характеристика, выбор режима работы модулятора для получения неискаженной модуляции;

практические схемы частотного модулятора, прямые и косвенные методы получения ЧМ-сигнала;

принцип детектирования и практические схемы детектора ЧМ-сиг­нала;

сходство и различия между сигналами с частотной и фазовой модуляцией.

Ответить устно на вопросы раздела 4 данной работы.

Рассчитать и построить статическую модуляционную характеристику частотного модулятора fвых = f(Есм), выполненного на основе RC-автогенератора с фазобалансной цепью с характеристикой R = f(U), приведенной в таблице 1.

Таблица 1

U, В

–6

–5,5

–5

–4

–3

–2

–1

 –0,5

0

R, кOм

2,1

2,0

1,9

1,6

1,4

1,22

1,1

1,04

0,96

 Величина емкости С равна 10 нФ. Частота генерации fвых = 1/2pRC.

Выбрать по рассчитанной СМХ параметры рабочего режима модулятора, обеспечивающего наименьшие искажения ЧМ-сигнала: Есм, UmW, девиацию частоты.

Продумать порядок выполнения работы в лаборатории, подготовить необходимые таблицы и графики для каждого пункта лабораторной работы.

4 Вопросы для самостоятельной подготовки

Запишите выражение для частотно-модулированного сигнала для случая модуляции однотональным сигналом, назовите все входящие в него параметры.

Приведите выражение для мгновенной частоты ЧМ-сигнала.

Изобразите временную диаграмму ЧМ-сигнала при однотональной модуляции, покажите минимальное и максимальное значение частоты.

Что такое девиация частоты и индекс модуляции, их связь с параметрами модулирующего сигнала?

Что такое узкополосная частотная модуляция? Изобразите спектр при узкополосной модуляции. Ширина спектра при узкополосной ЧМ.

Что такое широкополосная частотная модуляция? Изобразите спектр при широкополосной частотной модуляции.

Ширина спектра ЧМ-сигнала при широкополосной частотной модуляции, как она зависит от амплитуды и частоты модулирующего сигнала?

Приведите векторную диаграмму для узкополосного ЧМ-сигнала, поясните сходство и различие с АМ-сигналом.

Поясните сущность прямых и косвенных методов получения
ЧМ-сигналов. Приведите простейшую схему частотного модулятора с использованием варикапа.

Статическая модуляционная характеристика частотного модулятора, выбор режима работы модулятора для получения неискаженной модуляции.

В чем особенность детектирования ЧМ-сигналов? Характеристика детектирования.

Приведите схему и характеристику детектирования частотного детектора:

на одном расстроенном контуре;

на двух взаимно расстроенных контурах.

Поясните выбор режима работы детектора.

Преимущества и недостатки частотной модуляции.

Сходство и различия между сигналами с частотной и фазовой модуляцией.

Изложите содержание лабораторного задания к данной работе.

5 Описание лабораторного макета

Исследование процессов частотной модуляции и детектирования
ЧМ-сигнала выполняется на функциональном блоке № 4, схема которого приведена на рисунок 5. Модулятор выполнен на схеме RC-автогенератора с фазобалансной цепью на ИМС с двумя полевыми транзисторами, выполняющих функции управляемых резисторов. Частота генерируемых колебаний определяется величиной напряжения смещения на затворе транзисторов, что изменяет их внутреннее сопротивление исток-сток. Частота генерации может изменяться в пределах от 7 до 16 кГц. Модуляция осуществляется при подаче на вход модулятора модулирующего сигнала от внешнего источника. В схеме предусмотрена возможность cкачкообразного изменения частоты генерируемых колебаний, для чего имеется внутренний генератор напряжения прямоугольной формы, который подключается ко входу модулятора кнопкой "ГПН". Частотный детектор выполнен по схеме дискриминатора с двумя взаимно расстроенными контурами. Постоянная составляющая тока детектора ЧМ-сигнала при различных индексах модуляции наглядно демонстрирует искажения, возникающие в тракте модулятор–детектор при отклонениях от оптимальных режимов работы.

Рисунок 5 – Блок 4

6 Лабораторное задание

Ознакомиться с лабораторной установкой-макетом и используемыми в работе измерительными приборами.

Снять и построить статическую модуляционную характеристику модулятора fвых = f(Eсм). Выбрать параметры рабочего режима модулятора для получения неискаженной модуляции.

Снять и построить характеристику детектирования частотного детектора U0вых = f(fвх).

Получить неискаженную частотную модуляцию на выходе модулятора для узкополосной и широкополосной модуляции.

Получить неискаженный детектированный сигнал на выходе детектора для оптимального режима работы тракта модулятор–детектор. Зарисовать форму и спектр сигнала на выходе детектора при частотной модуляции однотональным низкочастотным сигналом.

7 Порядок выполнения работы

Включить лабораторную установку и измерительные приборы.

Снять и построить статическую модуляционную характеристику частотного модулятора fвых = f(Есм) при изменении напряжения смещения на затворах полевых транзисторов в пределах от – 6 В до 0 В с шагом 0,5 В. Частоту генерируемых колебаний на выходе модулятора можно измерять тремя способами:

с помощью частотомера (прямой метод);

с помощью осциллографа (косвенный метод) – путем измерения периода, который определяется с использованием калиброванной шкалы развертки осциллографа "время/делен" — f = 1/Т, где T – период колебания.

Примечание:

Для повышения точности оценки частоты данным методом целесообразно измерять на экране осциллографа длительность 10 периодов.

с помощью осциллографа по "нулевым" биениям между исследуемым сигналом на выходе модулятора и гармоническим сигналом эталонного генератора. Для этого, с использованием сумматора блока № 1, получается сумма этих сигналов (гнездо 4), которая подается на вход осциллографа. Амплитуды этих сигналов должны быть примерно равны. Изменяя частоту эталонного генератора в диапазоне 5...18 кГц, добиваются получения "нулевых" биений на экране осциллографа. В этом случае частота сигнала на выходе модулятора будет равна частоте эталонного генератора.

По графику СМХ определить параметры рабочего режима модулятора для получения неискаженной модуляции: рабочую точку – в средней части линейного участка и соответствующее ей напряжение смещения, амплитуду модулирующего сигнала, допустимую величину девиации частоты.

Снять и построить характеристику детектирования частотного детектора I0вых = f (fвх). Выполнение данного пункта совмещается с получением СМХ, так как детектор не имеет изолированного входа и, следовательно, отсутствует возможность подачи на его вход сигнала от внешнего генератора. Постоянная составляющая тока детектора измеряется микроамперметром.

Примечание:

С учетом вида кривой характеристики детектирования получить дополнительно к пункту 2 точки, соответствующие экстремумам и переходу через 0. 

 По графику характеристики детектирования оценить допустимую величину девиации частоты и с учетом СМХ уточнить параметры рабочего режима тракта модулятор–детектор, необходимые для следующего пункта.

Получить неискаженный ЧМ-сигнал и осуществить его детектирование для случая однотональной модуляции. Для этого модулирующий сигнал в виде гармонического колебания подается на вход модулятора от внешнего генератора. Частота модулирующего сигнала 1 кГц, амплитуда устанавливается такой, чтобы можно было наблюдать узкополосную и широкополосную модуляцию: наличие в спектре по одной боковой частоте, по 2, 3 и т.д. Зарисовать форму напряжения и спектр на выходе модулятора и на выходе детектора для 3 значений амплитуды модулирующего сигнала.

Исследовать влияние частоты модулирующего сигнала на вид спектра сигнала на выходе частотного модулятора. Для этого при частоте модулирующего сигнала 0,5...1 кГц установить его амплитуду, обеспечивающую индекс частотной модуляции примерно 3. Увеличивать частоту модулирующего сигнала (2, 3, кГц) и наблюдать изменение вида спектра сигнала на выходе модулятора. Зарисовать спектр сигнала на выходе модулятора для трех значений частоты модулирующего сигнала, а также форму и спектр сигнала на выходе детектора.

Примечание:

При выполнении пунктов 4 и 5 убедиться в том, что амплитуда и частота напряжения на выходе частотного детектора зависят от амплитуды и частоты модулирующего сигнала. 

8 Содержание отчета

Отчет должен содержать результаты предварительной подготовки к работе, схемы отдельных измерений для каждого пункта, результаты измерений в виде таблиц, графиков, осциллограмм и спектрограмм с соответствующими заголовками, исходными данными и пояснениями, краткие выводы и оценку результатов.

Преобразование частоты Преобразование частоты. Преобразование спектра в нелинейном шестиполюснике. Прямое преобразование (линейное приближение по сигналу). Дополнительные каналы и интерференционные искажения при преобразовании частоты. Преобразование частоты (нелинейный режим по сигналу). Балансные преобразователи частоты. Принципы цифровой обработки сигналов Представление непрерывных сигналов в дискретной форме. Дискретизация и квантование. Общие представления о цифровой фильтрации дискретных сигналов. Обобщенное дискретное преобразование непрерывных сигналов.
Нелинейные цепи