Politechnika Warszawska Wydział Elektryczny Laboratorium Teletechniki Skrypt do ćwiczenia T.08 Zasady wytwarzania sygnałów zmodulowanych za pomocą modulacji AM
1. Zasady wytwarzania sygnałów zmodulowanych za pomocą modulacji AM Ćwiczenie to ma na celu poznanie zasady opisu sygnału zmodulowanego za pomocą modulacji AM w dziedzinie czasu i częstotliwości z wykorzystaniem do tego celu Generatora AM / DSB / SSB. 1.1. Część teoretyczna Komunikacja za pomocą fal radiowych, odbywająca się na duże odległości wymaga wykonania pewnych działań na sygnale elektrycznym przenoszącym informację, jeszcze przed jego przesyłem. W odbiorze sygnału zmodulowanego stosowane są działania odwrotne mające na celu odzyskanie umieszczonej w nim informacji. W modulacji amplitudy, zmiany amplitudy sygnału niosącego informację przyczyniają się do podobnych zmian amplitudy w fali nośnej. Wytwarzana jest obwiednia modulacji. Gdy sygnałem wiadomości jest sygnał sinusoidalny, widmo częstotliwości modulowanej składa się z trzech składników: z częstotliwości nośnej (f c ), częstotliwości USB (f c + f m ) oraz z częstotliwości LSB (f c f m ). Gdy sygnał niosący informację jest przebiegiem bardziej złożonym, tak jak głos, widmo częstotliwości jest bardziej złożone i składa się z większej ilości częstotliwości składowych. Oznacza to, że szerszy zakres częstotliwości (szerokość pasma częstotliwości) jest niezbędny do transmisji bardziej złożonej informacji. Jako że widmo (zakres) częstotliwości jest ograniczone, duża ilość użytkowników wpływa na ograniczenia szerokości pasma (podstawowego) częstotliwości, odstępów częstotliwości nośnych i mocy wyjściowej. Ograniczenia te wprowadzone są dla różnych grup,oraz użytkowników indywidualnych, w celu uniknięcia wzajemnych zakłóceń w falach radiowych używanych do komunikacji. Rząd i agencje regulacyjne przydzielają częstotliwości i zapewniają przestrzeganie regulacji dla różnych cywilnych i wojskowych systemów komunikacji. W komercyjnym nadawaniu zmodulowanego sygnału za pomocą modulacji AM, które zazwyczaj zajmuje pasmo częstotliwości od 540 khz do 1600 khz, szerokość pasma częstotliwości między stacjami wynosi 10 khz. Sygnał pasma podstawowego AM, który zawiera głos i muzykę jest ograniczony od ok. 100 Hz do 5 khz. Zmiany limitów mocy są uzależnione od pory dnia, pory roku oraz odległości pomiędzy stacjami. W rzeczywistości większość komercyjnych stacji AM wymaga niższej generowanej mocy wyjściowej lub promieniowania po zachodzie słońca. Dzieje się tak ponieważ wieczorna pora dnia jest porą sprzyjającą komunikacji AM. W porze tej fale radiowe przemieszczają się na większe odległości. Opis sposobu wytwarzania sygnału AM Jest wiele sposobów wytwarzania sygnału AM, ale wszystkie z nich muszą pozwalać na zmianę amplitudy sygnału niosącego informację. Rysunek 1.1 przedstawia prosty modulator, który możemy użyć w celu lepszego zrozumienia pojęcia modulacji amplitudy. Rysunek 1.1. Prosty modulator.
Na wejście potencjometru został podany sygnał sinusoidalny o dużej częstotliwości i stałej amplitudzie (nośna). Amplituda U OUT zależy od pozycji suwaka. Jeśli będziemy przemieszczać sinusoidalnie suwak w górę i w dół, otrzymamy przebieg pokazany na rysunku 1.1b. Schemat blokowy przedstawiony na rysunku 1.2 pokazuje sposób wytwarzania sygnału poprzez Generator AM / DSB / SSB. Poziom dc (dla poziomu fali nośnej) jest dodany do sygnału niosącego informację. Sygnał wynikowy wiadomości jest miksowany z częstotliwością nośną w celu przesunięcia częstotliwości sygnału wiadomości w wyższe pasmo, a następnie wzmocniony za pomocą wzmacniacza częstotliwości A 2. Rysunek 1.3 prezentuje przebiegi i widmo częstotliwości dla nośnej o częstotliwości 1100 khz, modulowanej poprzez falę sinusoidalną o częstotliwości 10 khz. POZIOM NOŚNEJ STROJENIE RF WZMOCNIENIE RF NOŚNA (f c ) WYJŚCIE AM / DSB RF A 1 A 2 WEJŚCIE AUDIO (WIADOMOŚĆ) SYGNAŁ AM WIADOMOŚĆ (f m ) Rysunek 1.2. Schemat blokowy przedstawiający układ służący do generowania sygnału AM. Rysunek 1.3. Przebiegi i widma częstotliwości dla sygnału AM z rysunku 1.2. Informacja (wiadomość) zostaje nałożona na sygnał fali nośnej, w wyniku czego powstaje zmodulowany sygnał AM, w którym obwiednia jest dokładną kopią sygnału wiadomości (z
informacją). Na rysunku 1.4b zostały pokazane sygnały AM wytworzone poprzez różne amplitudy i częstotliwości sygnałów wiadomości. Rysunek 1.4. Przebiegi AM dla różnych poziomów amplitud sygnału wiadomości. Na rysunku 1.4b, amplituda sygnału wiadomości zwiększa się w stosunku do amplitudy z rysunku 1.4a. Częstotliwość (f m ) pozostaje ta sama ale obwiednia sygnału AM wykazuje większe szczyty i doliny będące wynikiem zwiększenia amplitudy sygnału wiadomości. Odpowiada to zmianom indeksu modulacji (m). Na rysunku 1.4c, amplituda sygnału wiadomości jest mniejsza. Wynikiem tego są mniejsze zmiany wśród szczytów i dolin sygnału zmodulowanego oraz zmniejszony indeks modulacji. Nowe terminy indeks modulacji (m) stosunek pomiędzy amplitudą sygnału modulującego a amplitudą niezmodulowanej fali nośnej. przemodulowanie określenie używane gdy indeks modulacji jest większy od 1. Co wiąże się z tym, że wartość szczytowa sygnału modulującego jest większa niż wartość szczytowa amplitudy niemodulowanej nośnej. procent modulacji wartość indeksu modulacji wyrażona w procentach. m x 100% współczynnik sprawności nadawania (µ) ułamek całkowitej mocy sygnału zmodulowanego AM jaki zawarty jest w wstęgach bocznych. Przeważnie jest on wyrażany jako wartość procentowa i jest bezpośrednio spokrewniony z indeksem modulacji.
1.2. Część praktyczna Opis ćwiczenia Celem wykonywania ćwiczenia jest poznanie zasady opisu sygnału zmodulowanego AM w dziedzinie czasu i częstotliwości z wykorzystaniem do tego celu Generatora AM / DSB / SSB oraz obserwacja sygnałów o zmodulowanej amplitudzie z wykorzystaniem do tego celu Oscyloskopu i Analizatora Widma. Podczas realizacji ćwiczenia będzie badany wpływ zmiany poziomu amplitudy, częstotliwości i kształtu sygnału modulującego na przebieg sygnału zmodulowanego oraz wpływ jaki wywierają na niego zmiany indeksu modulacji. Na rysunku 1.5 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) - Oscyloskop (ang. Oscilloscope) Dwukanałowy Generator Funkcji Wyjście kanału A Wejście audio Generator AM/DSB/SSB Wyjście AM/DSB/SSB Wejście Licznik Częstotliwości kanał 1 Oscyloskop Rysunek 1.5. Schemat ideowy przedstawiający połączenia pomiędzy urządzeniami wykorzystywanymi w ćwiczeniu.