DEMODULACJA AMPLITUDY

Transkrypt

1 SYSTEMY TELEINFORMATYZNE INSTRUKJA DO ĆWIZENIA NR 3 3 LAB TEMAT: DEMODULAJA PLITUDY SYSTEMY TELEINFORMATYZNE

2 I. EL ĆWIZENIA: ele ćwiczenia jest wprowadzenie do zagadnienia deodulacji aplitudy, poznanie podstawowych sposobów deodulacji sygnału zodulowanego aplitudowo oraz zapoznanie się z podstawowyi układai wykorzystywanyi w procesie deodulacji aplitudowej. II. WSTĘP TEORETYZNY: W poprzedni ćwiczeniu przedstawiony został proces odulacji aplitudowej sygnału użytecznego, który uożliwia skuteczne przesłanie inforacji na większe odległości oraz uożliwia przesłanie więcej niż jednego sygnału inforacyjnego w ty say czasie. Aby jednak ożna było ówić o skuteczny przesyłaniu inforacji należy potwierdzić ożliwość odtworzenia sygnału inforacyjnego (odulującego) z sygnału zodulowanego. Jak zostało wykazane w ćwiczeniu poprzedni, w procesie odulacji, sygnał zodulowany aplitudowo f uzyskany został z sygnału inforacyjnego poprzez przesunięcie wszystkich składowych częstotliwości tego sygnału o wartośćω, (czyli o częstotliwość nośną). Zate sygnał inforacyjny ożey odzyskać z powrote z sygnału zodulowanego f poprzez ponowne przesunięcie, ale ty raze w drugi kierunku. Mateatycznie ożey ten proces opisać w następujący sposób: [ f ( t)]cos( ωt) = [ f ( t)cos( ωt)]cosωt = f ( t)cos ωt = f ( t) + f ( t)cos ω t, gdzie: f - sygnał zodulowany aplitudowo, - sygnał inforacyjny (użyteczny). Jak widać z powyższych przekształceń przesunięcia dokonujey poprzez ponowne wynożenie sygnału zodulowanego przez sygnał nośny. Zgodnie z twierdzenie o przesunięciu w dziedzinie częstotliwości, jeśli ponożyy dowolny sygnał H przez sinusoidę to spowoduje to przesunięcie transforaty Fouriera zarówno w kierunku większych jak i niejszych częstotliwości. Tak, więc ponożenie sygnału zodulowanego f przez sygnał nośny cos( ω t) spowoduje przesunięcie sygnału z powrote do zakresu ałej częstotliwości. Jednocześnie taka operacja spowoduje przesunięcie transforaty w prawo na osi częstotliwości od położenia skupionego wokół częstotliwości ω, ale ta część wida oże być łatwo odcięta przez zastosowanie filtru dolnoprzepustowego. Sygnał ( t) występujący na wyjściu filtru dolnoprzepustowego (po odcięciu składowej f ( t)cos ω t ) przedstawia niezniekształconą część sygnału inforacyjnego. Proces odtwarzania sygnału użytecznego z sygnału zodulowanego nazywany jest deodulacją lub inaczej detekcją.. Deodulacja synchroniczna W deodulatorze synchroniczny otrzyany przebieg zodulowany f jest nożony przez sinusoidę o tej saej częstotliwości i fazie, co sinusoida nośna. Rozważy przypadek nożenia sygnału zodulowanego f przez sygnał cosinusoidalny, którego pulsacja różni się o ω, a faza o θ od pożądanych wartości pulsacji i fazy. Po przekształceniach trygonoetrycznych otrzyay następujące zależności: f = f ( t)cos[( ω + ω) t + θ ] = f ( t)cos( ω t)cos[( ω ( t){ cos( ωt + θ ) + cos[(ω + ω) t + θ ]} + ω) t + θ ] =, gdzie

3 f - sygnał zodulowany aplitudowo, - sygnał inforacyjny (użyteczny). Wyżej przedstawiony przebieg jest przebiegie sygnału dochodzącego do wejścia filtru dolnoprzepustowego (zgodnie z opisaną wcześniej zasadą deodulacji sygnału). Sygnał na wyjściu tego filtru będzie określony następujący wzore: Sygnal na wyjsciu filtru (FDP) = ( t) cos( ωt + θ ) Jest to słuszne, ponieważ transforata Fouriera drugiego składnika w poprzedni wyrażeniu będzie skupiona wokół częstotliwości ω i zostanie stłuiona przez filtr dolnoprzepustowy. Jeśli zarówno ω jak i θ są równe zeru, to sygnał wyjściowy z filtru dolnoprzepustowego staje się równy i z deodulatora otrzyujey sygnał pożądany. W rzeczywisty układzie odchyłki te jednak nie zawsze ogą być równe zeru, zate ożna prześledzić, jaki wpływ będą iały te odchyłki na sygnał użyteczny po deodulacji. Jeżeli ω = 0, wtedy sygnał wyjściowy staje się równy: ( t)cos( ωt) ω a zwykle ałą wartość a więc aplituda będzie się wolno zieniać. W przypadku, gdy sygnał użyteczny jest sygnałe akustyczny to zjawisko staje się bardzo dokuczliwe, ponieważ siła głosu zienia się okresowo od zera do wartości aksyalnej i z powrote do zera. Taka wrażliwość deodulatora synchronicznego powoduje, że a on ściśle ograniczone zastosowania. Jeżeli natoiast założyy, że częstotliwość jest bardzo dokładnie dostrojona, czyli: ω = 0, ale sygnał odniesienia jest przesunięty w fazie, to wtedy sygnał wyjściowy przyjuje postać: ( t)cos( θ ) Widziy, że wpływ θ nie jest już tak dokuczliwy jak wpływ ω, ponieważ wartość cos( θ ) jest stała. W przypadku sygnałów akustycznych czynnik ten ożey skopensować poprzez zianę siły głosu, czyli wzocnienia odbiornika. Jednakże wpływ odchylenia fazy oże być równie szkodliwy co wpływ odchylenia częstotliwości. Jeżeli odchylenie fazowe będzie iało na przykład wartość θ = 90 to sygnał staje się zbyt ały i uzyskanie wystarczającego wzocnienia okazuje się nieożliwe. Poważniejsze probley pojawiają się, gdy sygnał jest tak słaby, ze znika w szuie. Sposobe na oinięcie tych probleów jest pozyskanie sygnału nośnego wprost z przebiegu zodulowanego, czyli bezpośrednio z odebranego sygnału.. Detekcja obwiedniowa sygnału Powstaje pytanie czy istnieje prostsza etoda od deodulacji synchronicznej na detekcję sygnału zodulowanego aplitudowo. Analizując sposób powstawania sygnału zodulowanego aplitudowo ożey zauważyć, że aplituda sygnału zodulowanego zienia się w takt sygnału odulującego. Ponieważ częstotliwość sygnału nośnego jest wielokrotnie wyższa, niż aksyalna częstotliwość składowa sygnału inforacyjnego należy przypuszczać, że kształt aplitudy sygnału zodulowanego zienia się znacznie wolniej, niż sinusoidalny przebieg nośny. Dlatego ożna narysować sygnał zodulowany jako obwiednię z zakreskowany obszare wewnętrzny (tzn. ze przebieg nośny aleje na tyle szybko w porównaniu z przebiegie odulujący, że poszczególne cykle sygnału nośnego są na dokładny rysunku nierozróżnialne). 3

4 Poniżej na rysunku przedstawiona została ideowa zasada działania detektora obwiedniowego. Rysunek. Ideowy układ do detekcji obwiedniowej Jeśli sygnał zodulowany aplitudowo przedstawiy jako kształt zrobiony ze sztywnego kawałka drutu to ożna wyobrazić sobie czujnik przesuwający się po górnej krawędzi takiej krzywej. Jeśli czujnik podłączony jest z aortyzatore lub lepkościowy urządzenie tłuiący będzie on w przybliżeniu postępował zgodnie z górną granicą konturu krzywej. Jest to ożliwe, ponieważ aortyzator unieożliwi reagowanie czujnika na szybkie oscylacje przebiegu nośnego. Kontur krzywej będzie bardziej wygładzony, jeśli częstotliwość nośna będzie większa. Ta górna granica krzywej zwana jest obwiednią. Dokładny elektryczny odpowiednik układu przedstawionego powyżej (rys. ) przedstawiony został na rysunku poniżej: Rysunek. Detektor obwiedniowy Rezystor jest analogie tłuiącej lepkiej cieczy (lub aortyzatore). Dioda stanowi analog ogranicznika ruchu czujnika tylko w jedny kierunku, natoiast kondensator reprezentuje asę czujnika. Pierwsze dwa eleenty układu tzn. dioda oraz kondensator stanowią detektor wartości szczytowej. Kondensator ładowany jest do najwyższego napięcia dostarczonego o na wejście takiego układu. Zate na wyjściu kondensatora zawsze będzie panować napięcie dokładnie takie, jak najwyższa wartość napięcia dostarczona na wejście układu. Gdyby nie było rezystora to napięcie to nigdy by nie spadło, ponieważ nie byłoby drogi, przez którą ógłby się rozładować kondensator. Rezystor z kolei stanowi drogę do rozładowywania się kondensatora, więc uożliwia spadek napięcia wyjściowego (napięcia na kondensatorze) wraz ze zniejszanie się napięcia sygnału wejściowego. W przypadku podania na wejście sygnału o wartości niejszej niż wartość poprzednia, (czyli niejszej niż wartość napięcia ustalonego na kondensatorze) napięcie wyjściowe będzie alało wykładniczo w kierunku zera. Przy dużej częstotliwości nośnej sygnał wyjściowy U WY będzie bardziej zbliżony do obwiedni. Ponieważ najkrótszy czas, w który obwiednia oże przejść od aksyalnej wartości do inialnej wynosi: π / ω stała czasowa obwodu R powinna być tego saego rzędu, czyli zwykle około π / 5ω. W praktyce lepiej wybrać stałą trochę niejszą niż większą, ponieważ zbyt duża stała czasowa powoduje całkowite zgubienie pewnych pików sygnału f. Jeżeli jednak stała czasowa jest zbyt ała to sygnał odchyla się od rzeczywistej obwiedni sygnału. Odchylenia te jednak ożna prosto usunąć stosując filtr dolnoprzepustowy. 4

5 III. ZADANIA DO WYKONANIA:. SPÓJNA DETEKJA (SPÓJNA DEMODULAJA) Uruchoić oprograowanie MATLAB, a następnie uruchoić pakiet SIMULINK. Skonstruować układ do testowania deodulacji sygnału zodulowanego aplitudowo jak pokazano na rysunku 3. Out Out MODULAJA PLITUDOWA SYGNALU Sy gnal odulujacy (uzy teczny ) Sy gnal zodulowany aplitudowo Product Przesuwanie w zakresie czestotliwosci butter FDP Sy gnal uzy teczny (po deodulacji) Scope Sygnal odniesienia uzywany w deodulacji spojnej Hold Spectru Scope Hold Spectru Scope Hold Spectru Scope Rysunek 3. Układ do spójnej deodulacji. Dla odulatora (DSB-L) przeprowadzić proces deodulacji spójnej sygnału jednotonowego dobierając tak paraetry odulatora, aby uzyskać prawidłowy sygnał użyteczny po procesie deodulacji. Sprawdzić, jaki wpływ a ziana częstotliwości nośnego sygnału odniesienia używanego w procesie deodulacji na kształt sygnału zdeodulowanego (zieniać częstotliwość w zakresie +/- 0%). Sprawdzić, jaki wpływ a ziana fazy nośnego sygnału odniesienia używanego w procesie deodulacji na kształt sygnału zdeodulowanego (zieniać fazę sygnału z zakresu od 0 0 do 80 0 ). zy zastosowanie nośnego sygnału odniesienia o inny kształcie (prostokąt, trójkąt) w procesie deodulacji również uożliwia poprawną detekcję sygnału użytecznego? Dlaczego? Dobierając odpowiednie paraetry układu deodulatora, przeprowadzić spójną deodulację dla sygnałów zodulowanych aplitudowo: DSB-S, SSB-LSB oraz SSB-USB. Jak zienia się wido sygnałów i przebieg czasowy na poszczególnych etapach procesu (sygnał inforacyjny, odulacja, deodulacja)? Zaobserwować jak zienia się kształt sygnału użytecznego po deodulacji synchronicznej SSB-USB przy zianie częstotliwości nośnego sygnału odniesienia używanego w procesie deodulacji (w zakresie około +/- 0%). Zaobserwować jak zienia się kształt sygnału użytecznego po deodulacji synchronicznej SSB-USB przy zianie fazy nośnego sygnału odniesienia używanego w procesie deodulacji (w zakresie od 0 0 do 80 0 ). 5

6 . DETEKJA Z UWZGLĘDNIENIEM SZUMÓW Skonstruować układ do testowania przesyłu inforacji przy użyciu systeów odulacji (DSB-L) z uwzględnienie szuów jak pokazano na rysunku 4. Out Out MODULAJA PLITUDOWA SYGNALU Sy gnal odulujacy Sy gnal zodulowany Zaklocony sy gnal zodulowany butter Filtr pasowo przepustowy FPP Product butter FDP Sy gnal uzy teczny (po deodulacji) Hold Scope Spectru Scope Sygnal odniesienia uzywany w deodulacji spojnej Szu (zaklocenie) Ograniczenie poziou szuu Hold Spectru Scope Rysunek 4. Układ do spójnej deodulacji (DSB-L) z uwzględnienie szuów Dobrać odpowiedni pozio szuu zakłócającego (tak, aby wpływ szuu był widoczny, ale żeby pozio szuu nie był za duży). Dobrać paraetry układu tak, aby poprawnie wyfiltrować niepotrzebne paso sygnału zakłóconego oraz aby poprawnie przeprowadzić proces deodulacji. Wykreślić przebiegi czasowe na poszczególnych etapach deodulacji. Wykreślić przebiegi wida częstotliwościowego sygnału w trakcie odulacji i po deodulacji. Sygnał odulujący: Sygnał nośny: Współczynnik głębokości odulacjiodulacji: Sygnał sinusoidalny o częstotliwości.5khz Sygnał sinusoidalny o częstotliwości 0kHz 0% 6

7 3. NIESPÓJNA DETEKJA (OBWIEDNIOWA) Skonstruować układ do detekcji obwiedniowej jak pokazano na rysunku 5. Out Out MODULAJA PLITUDOWA SYGNALU Sy gnal odulujacy Sy gnal zodulowany Envelope detector Envelope detector Scope Rysunek 5. Układ do detekcji obwiedniowej Przeprowadzić proces detekcji obwiedniowej dla sygnału zodulowanego aplitudowo -L. Wykreślić przebiegi czasowe układu na poszczególnych etapach deodulacji. Sprawdzić, jaki wpływ na prawidłowy proces deodulacji a współczynnik głębokości odulacji. Skonstruować układ do detekcji obwiedniowej z zasyulowany rzeczywisty obwode R jak pokazano na rysunku poniżej: Out Sy gnal odulujacy Out MODULAJA PLITUDOWA SYGNALU Sy gnal zodulowany 0 Pojenosc kondensatora [F] Input R Output Diode Output Sy gnal po detekcji Przebiegi na popszczegolnych etapach odulacji 0 Wartosc rezystancji [Oh] Envelope Detector Oscyloskop do weryfikacji dzialania detektora Rysunek 6. Układ do detekcji obwiedniowej z zasyulowany rzeczywisty układe R Dobrać paraetry układu oraz wartości: R[Ω] i [F] tak, żeby prawidłowo przeprowadzić proces detekcji obwiedniowej. Dla wybranych paraetrów sygnału odulującego i nośnego, obliczyć stałą czasową układu deodulatora (R[s]) i porównać z najkrótszy czase, w który obwiednia oże przejść do aksyalnej wartości do inialnej ( π / ω [s]). 7

8 4. WNIOSKI Na podstawie przeprowadzonych badań wyciągnąć wnioski ustosunkowujące się do następujących teatów: Podstawowe różnice w budowie poszczególnych rodzajów deodulatorów Różnice w sposobie uzyskiwania sygnału w procesie deodulacji spójnej i obwiedniowej Wady i zalety poszczególnych sposobów deodulacji zy ziana fazy nośnego sygnału odniesienia w procesie deodulacji a taki sa wpływ na kształt przebiegu po deodulacji dla każdego z badanych typów odulacji? Własne uwagi i spostrzeżenia na teat przeprowadzanych syulacji Dodatkowo (na ocenę celującą po spełnieniu wszystkich podstawowych warunków) Znaleźć i bardzo szczegółowo opisać rzeczywiste układy deodulatorów do wszystkich rozpatrywanych w ćwiczeniu sposobów deodulacji (scheat blokowy lub ideowy, scheat elektryczny, gotowe układy scalone realizujące poszczególne funkcje lub sposoby deodulacji itp.) Opisać w skrócie ich wady i zalety oraz zakres zastosowań Zaieścić spis ateriałów źródłowych (literatura, czasopisa, adresy stron www) lub Znaleźć i szczegółowo opisać zasadę działania odbiornika superheterodynowego Opisać w skrócie jego zastosowanie wady i zalety Zbudować działający odel odbiornika superheterodynowego w SIMULINKU Zaieścić spis ateriałów źródłowych (literatura, czasopisa, adresy stron www) Uwaga: W przypadku osób piszących sprawozdanie rozszerzone (na ocenę celującą) zakres ateriału dodatkowego oże być dołączony do sprawozdania w terinie późniejszy, ale nie dłuższy niż tygodzień od ostatecznego terinu oddania podstawowej części sprawozdania. 8

9 IV. SPRAWOZDANIE: W sprawozdaniu należy zaieścić wszystkie zrealizowane w punkcie III zadania. Każde zadanie powinno być zatytułowane i ponuerowane, powinno zawierać rysunek z wykonany w SIMULINKU scheate blokowy układu (z odpowiednii oznaczeniai i koentarzai tekstowyi), wypisane jego paraetry (w osobnej tabeli lub bezpośrednio na układzie w SIMULINKU) oraz przebiegi otrzyane z poszczególnych układów lub na poszczególnych etapach przeprowadzania procesu obliczeniowego. Wszystkie układy uieszczone w sprawozdaniu nie powinny być zaaskowane. W sprawozdaniu z ćwiczenia trzeciego należy uieścić wnioski końcowe dające odpowiedź na pytania zawarte w punkcie III.4 instrukcji i podsuowujące przeprowadzone badania. Ogólne uwagi dotyczące sprawozdania: Strona tytułowa, powinna zawierać: Iiona i nazwiska osób, nuer grupy, nazwę przediotu, tytuł ćwiczenia, nuer ćwiczenia i datę wykonania ćwiczenia, Układ strony powinien być następujący: arginesy 0,5 c z każdej strony, czcionka 0, Wykresy ożliwie ałe, ale czytelne, opisane i uieszczone bezpośrednio pod lub obok układu tak, żeby było wiadoo który przebieg należy do którego układu, Sprawozdanie nie powinno być długie, ale powinno zawierać wszystkie niezbędne inforacje. Uwaga: Sprawozdanie należy przesyłać na pocztę lub wskazany przez prowadzącego serwer FTP w foracie PDF zatytułowane w następujący sposób: NrĆw_Specjalność_NazwiskoIię_NazwiskoIię.pdf na przykład: KowalskiJ_NowakS.pdf _MK_WawelskiS_IksińskiZ.pdf _RM_ZielonyR_StudentP.pdf Sprawozdania oddane w innej forie lub z nieprawidłowy opise nie będą przyjowane! Uwaga: Jeśli ateriał na ocenę celującą nie jest dołączony do sprawozdania w oencie jego wysłania tylko jest dostarczany w terinie późniejszy należy go zatytułować w następujący sposób: na przykład: NrĆw_Specjalność_NazwiskoIię_NazwiskoIię-dodateknaEL.pdf 0 KowalskiJ_NowakS-dodateknaEL.pdf 0_MK_WawelskiS_IksińskiZ-dodateknaEL.pdf 0_RM_ZielonyR_StudentP-dodateknaEL.pdf Dodatki do sprawozdania oddane w innej forie niż pdf lub z nieprawidłowy opise nie będą przyjowane! 9