Politechnika Warszawska Wydział Elektryczny Laboratorium Teletechniki Skrypt do ćwiczenia T.13 Wytwarzanie sygnałów SSB metodę filtracyjną
1. Wytwarzanie sygnałów SSB metodę filtracyjną Ćwiczenie to ma na celu wyjaśnienie filtracyjnej metody generowania sygnałów SSB używając do tego celu Generatora AM / DSB / SSB. 1.1. Część teoretyczna Podstawy jednowstęgowej modulacji SSB (ang. single sideband SSB) zostały przedstawione na rysunku 1.1. Widmo sygnału SSB, teoretycznie może być otrzymane przez: - usunięcie z sygnału AM w pierwszej kolejności nośnej, w celu wytworzenia widma sygnału DSB (ang. double sideband DSB) pokazanego na rysunku 1.1 (b). - a następnie usunięcie jednej z dwóch wstęg bocznych pokazanych na rysunku 1.1 (c). Przewagą modulacji SSB jest brak częstotliwości nośnej oraz częstotliwości jednej z wstęg bocznych w widmie sygnału SSB, co powoduje, że do komunikacji wymagana jest (w porównaniu z DSB) tylko połowa szerokości pasma częstotliwości, ponieważ jest transmitowana tylko jedna wstęga boczna. Z tego względu SSB oferuje skuteczniejsze wykorzystanie mocy sygnału i oszczędniejsze wykorzystanie dostępnej w mediach szerokości pasma. Niestety korzyści te są okupione większą złożonością urządzeń nadawczych i odbiorczych. NOŚNA a) Widmo AM b) Widmo DSB c) Widmo SSB Rysunek 1.1. Widma różnych modulacji AM. Rysunek 1.2 ilustruje proces, znany jest jako metoda filtracyjna wytwarzania sygnałów SSB. SYGNAŁ WIADOMOŚCI SYGNAŁ DSB FILTR FILTRRF I WZMACNIACZ SYGNAŁ SSB NOŚNA RF FILTR Rysunek 1.2. Wytwarzanie sygnałów SSB z wykorzystaniem metody filtracyjnej. Na rysunku 1.3 pokazano schemat blokowy procesu wytwarzania sygnału SSB w wersji wykorzystywanej w ćwiczeniu laboratoryjnym. Pokazany schemat jest zmodyfikowaną wersją schematu blokowego pokazanego na przednim panelu Generatora AM / DSB / SSB wykorzystywanego w ćwiczeniu.
MIKSER IF 455 khz WZMACNIACZ IF WZMACNIACZ RF SYGNAŁ MIKSER RF SSB FILTR RF 3,9 MHz BFO (450-460 khz) WYBÓR WSTĘGI BOCZNEJ VFO (4.2-4.5 MHz) PRZEMIESZCZENIE CZĘSTOTLIWOŚCI DO CZĘSTOTLIWOŚCI NOŚNEJ Rysunek 1.3. Funkcjonalny diagram blokowy przedstawiający wytworzenie sygnału SSB w ćwiczeniu laboratoryjnym. W powyższym układzie sygnał wiadomości (niosący informację) łączony jest w mikserze IF z sygnałem Oscylatora Dudnieniowego (ang. Beat Frequency Oscillator - BFO). W ten sposób wytwarzany jest sygnał DSB o częstotliwościach położonych w pobliżu częstotliwości BFO. Wybór wstęgi bocznej rozpoczyna się od wyregulowania częstotliwości generatora BFO, pochodzącej z zakresu 450 460 khz. Powoduje to przesunięcie częstotliwości sygnału wiadomości w odpowiednie pasmo przepuszczane przez filtr IF. Ponieważ filtr IF o częstotliwości 455 khz posiada zwężoną 6 khz szerokość pasma i ostry spadek wzmocnienia charakterystyki, efektem przesunięcia częstotliwości (powodowanego przez zmianę częstotliwości BFO) jest wypchnięcie jednej z wstęg bocznych na zewnątrz pasma przenoszenia filtru IF. W ten sposób zostaje wybrana jedna z pożądanych wstęg bocznych. W dalszej kolejności sygnał SSB z filtra RF jest poddany w mikserze RF przesunięciu do częstotliwości nośnej określonej przez przestrajany generator (ang. Variable Frequency Oscillator - VFO). Dla Generatora AM / DSB / SSB, wykorzystywana w ćwiczeniu laboratoryjnym częstotliwość nośna SSB znajduje się w paśmie częstotliwości o długości fali 80 m., zarezerwowanym dla radioamatorów (3.7 4.0 MHz). Końcowymi działaniami wykonywanymi przed transmisją są: filtracja i wzmocnienie sygnału. Sygnał pochodzący z miksera RF, zawierający dwie wstęgi boczne o częstotliwościach leżących w pobliżu częstotliwości fali nośnej, zostaje poddany filtracji w filtrze pasmowo przepustowym o częstotliwości środkowej 3,9 MHz. Działanie miksera RF oraz filtru RF pokazano na rysunku 4. 1 1 2 2 POWIELENIE WSTĘGI, KTÓRA MUSI ZOSTAĆ USUNIĘTA BFO VFO PODANIE NA WEJŚCIE MIKSERA PRĄŻKA SYGNAŁ PRZESUNIĘTY W PAŚMIE CZĘSTOTLIWOŚCI VFO NOŚNA RF (VFO) Rysunek 1.4. Skopiowanie wybranej wstęgi bocznej poprzez mikser RF.
Jak już zostało wspomniane sygnały SSB mogą być wytwarzane przez odfiltrowanie jednej z wstęg bocznych sygnału DSB. Przykład pokazany na rysunku 1.5 wyjaśnia w jaki sposób jest to realizowane. W przykładzie sygnałem wiadomości jest fala sinusoidalna o częstotliwości 2,5 khz, łączona z sygnałem BFO przez mikser IF (rysunek 1.3). Sygnał BFO jest falą sinusoidalną której częstotliwość może być regulowana w zakresie 450 i 460 khz. Sygnał będący na wyjściu miksera składający się z sumy i różnicy częstotliwości dwóch sygnałów wejściowych jest filtrowany przez filtr IF o małej szerokości pasma a następnie przesuwany do częstotliwości nośnej. Na rysunku 1.5 zostały pokazane trzy przypadki ustawienia częstotliwości generatora BFO (452,5; 455,0 i 457,5 khz) oraz wpływ tych ustawień na sygnał wyjściowy. Rysunek 1.5. Wybór wstęgi bocznej poprzez miksowanie z sygnałem BFO. Analiza rysunku 1.5 pokazuje że cała operacja wyboru wstęgi bocznej zasadniczo składa się z przeniesienia zawartości częstotliwości sygnału wiadomości w taki sposób, że tylko jedna wstęga boczna umieszczona jest wewnątrz pasma przenoszenia filtru IF. Gdy częstotliwość BFO została obniżona do wartości 452.5 khz, rysunek 1.5 (a), wstęga została przemieszczona do częstotliwości o wartości 450 khz, leżącej na zewnątrz pasma przenoszenia filtra IF. W tym samym czasie wstęga została umieszczona w centrum pasma przenoszenia filtra IF. Zatem wstęga została silnie stłumiona i tylko wstęga sygnału wiadomości pozostała w sygnale wyjściowym po częstotliwościowym przesunięciu sygnału wiadomości do częstotliwości nośnej (BFO). Na rysunku 1.5 (b), częstotliwość BFO została nastawiona na wartość 455 khz, a ponieważ częstotliwość sygnału wiadomości wynosi 2.5 khz, obie wstęgi boczne znajdują się wewnątrz 6 khz pasma przenoszenia filtra IF. Jeśli sygnał ten poddany jest częstotliwościowemu przesunięciu do częstotliwości nośnej to na wyjściu RF otrzymamy sygnał DSB. Wybór wstęgi przedstawiony jest na rysunku 1.5 (c). Częstotliwość BFO została w tym przypadku nastawiona na wartość 457.5 khz. Powoduje to pojawienie się wstęgi o częstotliwości 460 khz, która leży na zewnątrz pasma przenoszenia filtru IF. Natomiast wstęga znajduje się w centrum pasma przenoszenia, co powoduje, że jedynie ona zostaje w sygnale po opuszczeniu filtra IF. Rysunek 1.6 ilustruje proces wyboru pasm podczas transmisji SSB w przypadku gdy przesyłaniu podlega sygnał wiadomości składający się nie z jednej częstotliwości lecz z całego ich pasma jak np. w przypadku głosu. Proces wyboru jest taki sam, a jedyny problem
powstaje w przypadku gdy wstęgi boczne sygnałów wiadomości są nieodpowiednio umieszczone wewnątrz pasma przenoszenia filtru IF. Jeśli pożądana wstęga boczna nie jest umieszczona prawidłowo, wtedy w sygnale wyjściowym może pojawić się przedstawiona na rysunku 1.7 część drugiej wstęgi bocznej. W rezultacie sygnał wyjściowy będzie zniekształcony i niezrozumiały dla odbiorcy w momencie demodulowania sygnału RF. a) Wybór wstęgi b) Obydwie wstęgi boczne c) Wybór wstęgi Rysunek 1.6. Wybór wstęgi bocznej w przypadku transmisji sygnałów głosowych. Niepożądana część drugiej wstęgi bocznej a) Wybór wstęgi Rysunek 1.7. Przypadek nieprawidłowego umieszczenia wstęgi bocznej wewnątrz pasma przenoszenia filtra RF. Nowe terminy Oscylator dudnieniowy (ang. Beat Frequency Oscillator - BFO) oscylator używany do przesunięcia widma sygnału wiadomości, w ten sposób aby pozycja jednej z wstęg bocznych znalazła się na zewnątrz pasma przenoszenia selektywnego filtru IF. Odwrócenie wstęgi bocznej zjawisko występujące w modulacji SSB gdy odbiornik SSB jest przystosowany do demodulowania przeciwnej wstęgi bocznej w stosunku do tej, która jest transmitowana. Dla przykładu, transmitowana jest wstęga natomiast odbiornik przystosowany jest do demodulowania wstęgi (i na odwrót). SSB typ modulacji w którym usunięta jest częstotliwość nośna i jedna z dwóch wstęg bocznych (wstęga lub ) (ang. Low Sideband ), (ang. Upper Sideband ). Generator przestrajany (ang. Variable Frequency Oscillator - VFO) generator określający częstotliwość nośną sygnału SSB.
1.2. Część praktyczna Opis ćwiczenia Szczególną odmianą modulacji amplitudy jest modulacja jednowstęgowa. Ma ona szereg odmian, których wspólną cechą jest ograniczenie niezbędnego pasma emisji dzięki usunięciu jednej wstęgi bocznej i fali nośnej. Modulację tę oznacza się według skrótu angielskiego SSB (ang. Single Side Band). Drgania w.cz. w przypadku modulacji amplitudy można rozpatrywać jako sumę drgań 2 m w.cz. nośnej i dwóch wstęg bocznych P = P + + P. Przy głębokości modulacji równej 2 ŚR n 100% (m=1) moc fali nośnej wynosi 2/3 całej mocy. Przy mniejszej głębokości modulacji część mocy użytecznej zawartej we wstęgach bocznych jest jeszcze mniejsza. Ponieważ fala nośna nie zawiera informacji, a pobiera główną część mocy dostarczonej, można ją usunąć w nadajniku. Jeszcze lepsze wyniki energetyczne osiąga się przy nadawaniu tylko jednej wstęgi bocznej. W takim przypadku fala nośna musi być odtworzona w odbiorniku przed detekcją. Generator wytwarzający w odbiorniku sygnał o częstotliwości nośnej musi charakteryzować się dużą stałością częstotliwości. Odbierana częstotliwość akustyczna (a więc częstotliwość zawarta w pierwotnym sygnale modulującym nadajnik) będzie odtwarzana wiernie tylko wtedy, gdy w odbiorniku odstęp między częstotliwością generatora dudnieniowego (wytwarzającą częstotliwość nośną) a odbieraną częstotliwością będzie zgodny z odstępem, jaki jest między sygnałem modulującym a falą nośną w nadajniku. Jeżeli np. do wejścia modulatora w nadajniku zostanie doprowadzona częstotliwość 10 khz, a częstotliwość nośna jest równa 818 khz, wówczas otrzymuje się dwie wstęgi o częstotliwościach 828 khz i 808 khz. Nadajnik SSB emituje tylko wstęgę górną, tj. częstotliwość 828 khz. W detektorze odbiornika ta częstotliwość zostanie zmieszana z częstotliwością generatora dudnieniowego, wynoszącą 818 khz, w wyniku czego otrzymuje się na wyjściu sygnał akustyczny o częstotliwości 10 khz. Niedokładność częstotliwości generatora dudnieniowego w odbiorniku np. 820 khz spowoduje, że na wyjściu otrzymamy sygnał nie o częstotliwości wynoszącej 10 khz, a 8 khz. Dla uniknięcia takich zniekształceń wszystkie generatory zarówno w nadajniku, jak i w odbiorniku muszą pracować bardzo stabilnie. Jedną z głównych zalet modulacji jednowstęgowej, w porównaniu z systemem z dwiema wstęgami bocznymi jest dobra łączność na dużych odległościach, ograniczenie szerokości zajmowanego pasma, zmniejszenie mocy nadajnika. Nadajnik jednowstęgowy ma rozmiary, ciężar, pobór mocy i napięcie antenowe znacznie mniejsze niż równoważny mu nadajnik dwuwstęgowy. Przy łączności podczas średnich warunków propagacyjnych nadajnik z jedną wstęgą boczną daje takie same wyniki jak nadajnik z dwiema wstęgami, mający moc znamionową fali nośnej cztery razy większą, a moc szczytową 16 razy większą, co ma szczególne znaczenie w radiokomunikacji ruchomej. Wykonywane ćwiczenie będzie polegało na poznaniu zasady filtracyjnej metody generowania sygnałów używając do tego celu Generatora AM / DSB / SSB. Na Rysunku 1.8 zostały pokazane elementy wykorzystywane w ćwiczeniu. Składają się na nie: - Zasilacz / Dwukanałowy wzmacniacz audio (ang. Power supply / Dual audio amplifier) - Dwukanałowy generator funkcji (ang. Dual function generator) - Licznik częstotliwości (ang. Frequency counter) - Analizator Widma (ang. Spectrum analyzer) - Generator AM / DSB / SSB (ang. AM / DSB / SSB generator) n
- Oscyloskop (ang. Oscilloscope) Analizator Widma Wejście Dwukanałowy Generator Funkcji Wyjście kanału A Wejście audio Wyjście miksera Genarator AM/DSB/SSB Wyjście BFO Wejście Licznik Częstotliwości Rysunek 1.8. Schemat układu prezentującego filtracyjną metody wytwarzania sygnałów SSB.