Politechnika Warszawska Wydział Elektryczny Laboratorium Teletechniki Skrypt do ćwiczenia T.03 Podstawowe zasady modulacji amlitudy na przykładzie modulacji DSB
1. Podstawowe zasady modulacji amplitudy na przykładzie modulacji dwuwstęgowej DSB. Poznanie mechanizmu wytworzenia modulowanej amplitudowo fali nośnej o wysokiej częstotliwości. Modulacja dwuwstęgowej DSB (ang. Dual Sideband). 1.1. Część teoretyczna Wstęp Zwrot telekomunikacja oznacza wytworzenie, transmisję, odbiór i odtworzenie sygnału. Każda z wymienionych funkcji związana jest z jednym urządzeniem lub elementem, natomiast wszystkie razem składają się na układ telekomunikacyjny. Rysunek 1.1 przedstawia prosty system w którym kanałem komunikacyjnym jest wolna przestrzeń. DOSTARCZENIE SYGNAŁU (np. MIKROFON) NADAJNIK ANTENA ANTENA ODBIORNIK GŁOŚNIK GENEROWANY SYGNAŁ TRANSMISJA KANAŁ KOMUNIKACYJNY ODBIÓR ODTWORZENIE SYGNAŁU Rysunek 1.1. Prosty układ telekomunikacyjny. Telekomunikacja analogowa polega na przesyłaniu sygnałów, zmieniających się stale w ten sam sposób. Możliwe są różne formy zmian ale najpopularniejszymi są modulacja amplitudy i modulacja częstotliwościowe. Jeżeli chodzi o inne rodzaje kanałów komunikacyjnych to najpowszechniej wykorzystywane są: - elektromagnetyczna fala radiowa rozchodząca się w wolnej przestrzeni, - światłowody, - przewody koncentryczne, - pary przewodzących przewodów. Łączność umożliwiająca przesyłanie sygnałów na odległość za pomocą fal elektromagnetycznych nazywa się radiokomunikacją lub łącznością radiową. W skład urządzeń zapewniających łączność radiową wchodzi: - urządzenie nadawcze, które wypromieniowuje w przestrzeń fale elektromagnetyczne (za pośrednictwem anten nadawczych przetwarzających sygnał o wielkiej częstotliwości), - urządzenie odbiorcze, sterowane sygnałem z anteny odbiorczej (w antenie fale elektromagnetyczne wzbudzają siłę elektromotoryczną wielkiej częstotliwości). Dopóki jednak urządzenie nadawcze wytwarza energię wielkiej częstotliwości w sposób ciągły i bez żadnych zmian amplitudy, fazy i częstotliwości, dopóty nie jest przesyłana żadna informacja do urządzenia odbiorczego. Dlatego w urządzeniu nadawczym na sygnał wielkiej częstotliwości (w.cz.) muszą być nałożone odpowiednie sygnały z pożądaną informacją aby była przesłana jakaś informacja do urządzenia odbiorczego. Proces fizyczny, polegający na zmianie pewnych wielkości charakteryzujących dany przebieg okresowo zmienny (którym mogą być np. prądy wielkiej częstotliwości, sygnały akustyczne lub optyczne) zwany przebiegiem nośnym, pod wpływem oddziaływania na niego innego
przebiegu (zwanego modulującym i zawierającym np. pożądaną informację) nazywa się modulacją. W wyniku modulacji uzyskuje się przebieg modulowany. Modulacji dokonuje się tak, aby chwilowa wartość modulowanego parametru przebiegu nośnego była proporcjonalna do chwilowej wartości przebiegu modulującego. Opis modulacji AM Modulacja polega na nałożeniu sygnału modulującego na fale nośną. Informacją tą może być sygnał audio, obraz telewizyjny lub jakakolwiek inna wiadomość. Modulacja polega na przekształceniu wprowadzającym informację do kanałów komunikacyjnych. Modulacja Amplitudy (ang. Amplitude Modulation - AM) Sygnał wytworzony w efekcie modulacji amplitudowej jest sygnałem wysokiej częstotliwości (sygnałem fali nośnej), którego amplituda zmienia się zgodnie ze zmianami amplitudy sygnału modulującego. Rysunki 1.2 (c, d, e) przedstawiają fale nośne o wysokiej częstotliwości zmodulowane poprzez sygnał audio o niskiej częstotliwości. a) sygnał nośnej b) sygnał modulujący c) sygnał o zmodulowanej amplitudzie (20% modulacja) d) 50% modulacja d) 100% modulacja Rysunek 1.2. Fale nośne o wysokiej częstotliwości, zmodulowane amplitudowo przez sygnały audio o niskiej częstotliwości i o różnym procencie modulacji
Indeks modulacji amplitudowej (m) jest wartością liczbową określającą stosunek amplitudy sygnału modulującego, w stosunku do amplitudy sygnału (niezmodulowanej) fali nośnej. Gdy m jest wyrażona w procentach zwykle nazywane jest modulacją procentową. Rysunki 1.2 (c), (d) i (e) pokazują falę nośną modulowaną w różnym procencie. Jeśli częstotliwość fali nośnej f 0, modulowana amplitudowo przez sygnał o częstotliwości f 1, obserwowana jest poprzez Analizator Widma, wtedy na ekranie analizatora można zaobserwować dla dwuwstęgowej modulacji amplitudy DSB (ang. Dual Sideband) dwa prążki co zostało pokazane na rysunku 1.3. Ten typ modulacji wytwarza sygnał wyjściowy składający się z: - sygnału o częstotliwości równej sumie częstotliwości nośnej oraz sygnału modulującego (f 0 + f 1 ), - sygnału o częstotliwości równej różnicy częstotliwości nośnej oraz sygnału modulującego (f 0 - f 1 ), f 0 - f 1 f 0 + f 1 częstotliwość Rysunek 1.3. Widmo sygnału DSB: nośna (f 0 ) modulowana amplitudowo przez sygnał (f 1 ). Terminologia związana z modulacją sygnałów: indeks modulacji amplitudy (m) stosunek amplitudy sygnału modulującego do amplitudy sygnału fali nośnej nośna (sygnał nośny) sygnał wysokiej częstotliwości (w.cz.), który modulowany przez sygnał o niskiej częstotliwości (sygnał wiadomości) odchylenie częstotliwości (w systemie modulacji częstotliwości) maksymalna zmiana częstotliwości ( f) nośnej względem swojej wartości średniej indeks modulacji częstotliwości (m f ) stosunek odchylenia częstotliwości f do częstotliwości sygnału modulującego przy założeniu że jest on sinusoidalny. Często f opisywany jako β =. f m PM modulacja fazy. Metoda modulacji w której amplituda nośnej pozostaje stała, gdy jej faza zmienia się zgodnie z amplitudą sygnału modulującego. przemodulowanie zjawisko występujące w systemie telekomunikacyjnym gdy amplituda modulującego jest większa niż amplituda sygnału nośnego (niezbędna do wykonania 100 % modulacji)
3.2. Część praktyczna Opis ćwiczenia Modulacja amplitudowa (modulacja amplitudy) jest to modulacja, w której chwilowa wartość amplitudy przebiegu modulowanego sygnału nośnego (w.cz.) zmienia się w czasie zgodnie z chwilowymi wartościami sygnału modulującego (którym może być sygnał o małej częstotliwości, taki jak mowa, muzyka). Modulacja amplitudowa jest najczęściej modulacją ciągłą i linearną. Jest ona stosowana między innymi w radiofonii na falach długich, średnich i krótkich. Zaletą modulacji amplitudowej jest prostota układu nadawczego i odbiorczego oraz wąskie pasmo częstotliwości. Wadą natomiast jest mała sprawność oraz wrażliwość na zakłócenia atmosferyczne i przemysłowe. Celem wykonania ćwiczenia jest poznanie cech charakterystycznych modulacji amplitudowej z wykorzystaniem do tego celu Analizatora Widma oraz Oscyloskopu. Na rysunku 1.4 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) - Woltomierz rzeczywistej wartości RMS (ang. True RMS voltmeter) - Analizator Widma (ang. Spectrum analyzer) - Generator RF / szumu (ang. RF noise generator) - Oscyloskop (ang. Oscilloscope) Licznik Częstotliwości Wyjście do pomiaru częstotliwości Dwukanałowy Generator Funkcji Wyjście kanału A Wejście Generator RF / Szumu Wejście kanału A Oscyloskop Woltomierz RMS Wyjście do pomiaru napięcia Rysunek 1.4. Schemat ideowy połączenia urządzeń. Dwukanałowy Generator Funkcji jest urządzeniem, które w tym ćwiczeniu służy do wytworzenia sygnału modulującego. Z wyjścia 50 omowego kanału A OUT(ang. output A) Dwukanałowego Generatora Funkcji, sygnał podawany jest na wejście modulacji amplitudowej (ang. amplitude modulation input) Generatora RF / Szumu, który to z kolei wytwarza sygnał zmodulowany o wysokiej częstotliwości, według otrzymanego sygnału modulującego. Sygnał o zmodulowanej amplitudzie podawany jest z wyjścia RF (ang. RF output) Generatora RF / Szumu na wejście kanału A (ang. channel A) w Oscyloskopie. Za pomocą oscyloskopu możliwa jest obserwacja w dziedzinie czasu sygnału zmodulowanego. W ćwiczeniu używany jest również Licznik Częstotliwości, który służy do odczytu
częstotliwości sygnału modulującego, jak i nośnego, oraz Woltomierz RMS służący do odczytu wartości skutecznej napięcia sygnału modulującego oraz sygnału nośnego.