Лабораторна робота 5
назад
Лабораторна робота 5
ДОСЛІДЖЕННЯ
Модуляційні І ДЕМОДУЛЯЦІОННОЙ ХАРАКТЕРИСТИК ГРУПОВОГО ТРАКТА.
5.1. МЕТА ЗАНЯТТЯ
В процесі виконання завдань необхідно вивчити принципи побудови функціональних схем модуляторів і демодуляторів, методи вимірювання їх характеристик і вимоги до них; провести попередні розрахунки за індивідуальними завданнями, замалювати осцилограми і спектрограми сигналів, побудувати характеристики і порівняти розрахункові та експериментальні дані.
5.2. ЗАГАЛЬНІ ПОНЯТІЯЧастотние модулятори Частотні модулятори являють собою пристрої, що забезпечують зв'язок між переданим (модулирующим) сигналом і вихідним сигналом, що змінюються по частоті. Зазвичай в широкосмугових системах зв'язку модуляція здійснюється на проміжній частоті. Найбільш часто використовується проміжна частота 70 МГц, хоча застосовуються і інші частоти.
Мал. 5.1
Основна вимога до таких модуляторів, полягає в дуже високій мірі лінійності модуляционной характеристики. Практично коефіцієнт нелінійних спотворень модулятора повинен лежати в межах 0.01-0.5%. При цьому будуть виконані норми на потужність перехідних шумів, створюваних модемами в багатоканальних системах зв'язку з ЧРК.
Спрощена структурна схема частотного модулятора показана на рис. 5.1. У загальному вигляді частотний модулятор - це генератор (ГУН), частота коливань якого управляється напругою, що подається на вхід модулятора. Найбільш поширений спосіб частотної модуляції полягає у впливі на реактивні елементи коливального контуру, що задає частоту коливань самозбуджується LC генератора.
Зручним сучасним елементом, застосовуються для цих цілей, є варікап (варактор). Варикап є напівпровідниковий діод, ємність p-n переходу якого має сильно виражену залежність від прикладеної напруги. Для роботи в якості керованої ємності використовується зворотна гілка характеристики діода, так як при цьому виходить висока добротність і температурна стабільність елемента.
Мал. 5.2
На рис. 5.2 показана одна з багатьох можливих схем LC генератора, яка може виконувати функції частотного модулятора. Тут транзистор VT1 включений за схемою із загальною базою. Резистори R1, R2 і R3 задають режим транзистора по постійному струму. Позитивний зворотний зв'язок здійснюється за рахунок внутрішньої ємності колектор-емітер транзистора VT1 і ємності С1. Частота генерації визначається параметрами паралельного LC контуру, що складається з індуктивності L1, ємностей варикапов VD1, VD2 і колекторної ємності транзистора. Для зменшення паразитних реактивностей і спрощення схеми контур заземлений по постійному струму. Застосування двох, включених зустрічно, варикапов дозволяє поліпшити форму напруги, що виробляється генератором, наближаючи її до синусоїдальної. Через резистор R4 і дросель Др2 на варикапи подається замикаюча напруга зсуву ЄСМ, яке задає робочу точку варикапов.
Модулююча напруга надходить через розв'язують конденсатор С3. Під впливом напруги, що модулює змінюється ємність варикапов і, отже, частота коливань, що виробляється генератором.
На рис. 5.3 показана типова характеристика високочастотного варикапа. Подібною характеристикою володіють прилади типу КВ-102, КВ-109, КВ-121 і ін.
Відомо, що зв'язок між резонансною частотою контуру і ємністю конденсатора квадратична. Отже, для отримання лінійної частотної модуляції необхідно мати квадратичную залежність ємності і напруги. З малюнка видно, що характеристика варикапа близька до квадратичної залежності. Однак збіг не повне і практично лінійну модуляцію можна отримати тільки на невеликій ділянці характеристики, вибирати при налаштуванні модулятора індивідуально для різних екземплярів варикапов.
Мал. 5.4 ілюструє процес зміни ємності варикапа в залежності від прикладеної напруги. Задовільна лінійність виходить при девіації частоти, що не перевищує 0.5-1.5% від центральної частоти модулятора. Отже, при частоті 70 МГц девіація частоти складе 0,5-0,7 МГц, що явно недостатньо для широкосмугової системи зв'язку.
Тому на практиці набула поширення схема частотного модулятора на биття, спрощена структурна схема якого представлена на рис. 5.5. Тут застосовуються два генератора, керованих напругою, що працюють на частотах в діапазоні 300-400 МГц. Частоти генераторів відрізняються один від одного на величину, рівну проміжній частоті 70 МГц, і вибираються так, щоб продукти перетворення частоти в змішувачі (СМ) не створювали перешкод в смузі частот 50-90 МГц.
Принципові схеми генераторів можуть бути подібні схемою, представленої на рис. 5.2. Варикапи в генераторах включаються в протилежних полярностях, а модулирующие сигнали подаються на обидва генератора синфазно. Завдяки цьому девіація частоти модулятора подвоюється і, крім того, компенсуються нелінійні спотворення по парних гармоніках. Сигнали з виходів обох генераторів проходять на змішувач через лінеарізірующіе пристрої, що зменшують спотворення по непарних гармоніках. Частотні модулятори, виконані за подібними схемами, широко застосовуються в радіорелейного апаратурі. Наприклад, в апаратурі "Схід", "Дружба", "Курс" та ін.
Більш сучасні рішення пов'язані з побудовою модуляторів на інтегральних схемах. При цьому LC генератори НЕ технологічні і тому застосовуються RC генератори. Найбільшого поширення для цих цілей знайшли мультивібратори.
Відомо, що частота коливань, що виробляється мульти-вібратором, може змінюватися в широких межах при зміні постійної часу RC ланцюгів. У літературі розглядаються ряд схемних рішень мультивибраторов, призначених для роботи в якості ГУН. Вельми зручна схема мульти-вібратора показана в спрощеному вигляді на рис. 5.6.
Тут мультивибратор виконаний на комбінації каскадів із загальною базою (VT1) і загальним колектором (VT2). Така комбінація дозволяє найбільшою мірою реалізувати частотні властивості транзисторів, дозволяючи працювати на частотах в сотні МГц. Робочі режими транзисторів задаються за допомогою керованих генераторів струму (I), включених в якості Еміт-терни резисторів. Позитивний зворотний зв'язок здійснюється через конденсатор С2. У колектор транзистора VT2 включений резистор R2, з якого знімається вихідна напруга генератора. При подачі напруги, що модулює на один або обидва генератора струму відбувається зміна режимів транзисторів і, отже, зміна швидкості заряду - розряду конденсатора С2 і, отже, здійснюється частотна модуляція.
Близький до цього принцип використаний при побудові ряду інтегральних схем (531ГГ1, 500ГГ1 і ін.). Принципова схема частотного модулятора на мікросхемі 500ГГ1 показана на рис. 5.7. Там же показана його статична модуляційна характеристика.
З основних вимог, що пред'являються до частотним модулятором для радіорелейних систем зв'язку, можна виділити наступні:
- 1) малі нелінійні спотворення при девіації частоти в кілька мегагерц;
- 2) відсутність паразитного амплітудної модуляції;
- 3) оптимальна крутизна модуляционной характеристики;
- 4) стабільність центральної частоти.
Частотні детектори частотні детектори виконують функції, протилежні функцій модулятора, тобто забезпечують виділення переданої інформації з частотно-модульованого сигналу.
Часто ця операція проводиться в два етапи (рис. 5.8, а). На першому етапі частотно-модульований сигнал перетвориться в амплітудно-модульований, а на другому етапі - здійснюється амплітудне детектування.
Перший етап можна виконати, подаючи ЧС сигнал на частотно-залежний чотириполюсник (ЧЗЧ), з нерівномірною частотною характеристикою. Часто в якості такого чотириполюсника застосовується паралельний резонансний контур. Схема частотного детектора для цього випадку може виглядати як показано на рис. 5.9. У схемі контур засмучений щодо частоти f0 так, щоб ЧС сигнал потрапляв на один з скатів характеристики. Видно, що при зміні частоти вихідна напруга буде змінюватися і, отже, ЧС сигнал отримає і амплітудну модуляцію, з якої корисний вихідний сигнал виділиться амплітудним детектором, утвореним елементами VD1, R1, C2. Однак лінійність подібного пристрою буде невисокою і на практиці застосовується більш досконала схема з двома засмученими контурами (рис. 5.10).
У цій схемі один контур налаштований на частоту нижче f 0 (f 1). а інший симетрично вище (f 2). Сигнали, продетектированного діодами VD1 і VD2, складаються таким чином, щоб результуюча характеристика пристрою вийшла такою, яка показана на рис. 5.11.
Підбираючи частоти f 1 і f 2 і регулюючи добротності контурів за допомогою резисторів R1 і R2 можна домогтися компенсації нелінійних спотворень детектора так, що коефіцієнт нелінійних спотворень не перевищуватиме 0.05-0.1% при девіації частоти 4-5 МГц.
Схема частотного детектора з засмученими контурами сильно реагує на паразитне амплітудну модуляцію і тому перед детектором потрібно встановлювати високоякісні обмежувачі амплітуд.
Сучасне рішення ґрунтується на застосуванні в якості частотних детекторів систем з фазовим автопідстроюванням частоти (ФАПЧ), які отримали дуже широке поширення в інтегральної технології. Узагальнена структурна схема таких пристроїв показана на рис. 5.12. У цій схемі фазовий детектор (ФД) стежить за різницею фаз між приходять ЧС сигналом і сигналом генератора, керованого напругою (ГУН). При розбіжності фаз виробляється напруга підстроювання Гуна, яке і є демодулювати сигналом. Для забезпечення стійкої роботи застосовується фільтр нижніх частот, характеристика якого багато в чому визначає властивості ФАПЧ. Фазовий детектор будується на цифрових схемах типу "виключає АБО".
Мал. 5.15
5.5. МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ
ДО ВИКОНАННЯ РОЗРАХУНКОВОЇ ЧАСТИНИ РОБОТИ Перед виконанням експериментальної частини роботи необхідно провести попередні розрахунки.
1. Провести розрахунки девіації частоти і смуги частот займаної частотно-модульованим сигналом для заданого N (табл. 5.1).
Розрахунки проводяться за такими формулами:
пікова девіація частоти
ефективна девіація частоти
(5.5)
де D f k - девіація частоти на один канал,
середня потужність багатоканального повідомлення
Р ср = р до N. (5.6)
де р к = 50 (32) мкВт,
смуга частот, яку займає ЧС сигналом
, (5.7)
де індекс частотної модуляції
. (5.8)
F 2 - верхня частота групового спектра для заданого числа каналів N. 5.6. МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ
ПО ВИКОНАННЯ ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЇ ЧАСТИНИ РОБОТИ Дослідження частотного модулятора
1. Зібрати структурну схему для зняття осцилограм напруги в частотному модуляторі (рис. 5.16);
а) Встановити частоту сигналу генератора рівною 500 кГц;
б) Встановити рівень вихідної напруги генератора рівним 0;
в) Замалювати осцилограму сигналу на виході частотного модулятора;
г) Встановити амплітуду сигналу на виході генератора рівною 0.1 - 0.2 В;
д) Замалювати осцилограми сигналів на вході і виході частотного модулятора;
2. Зібрати структурну схему для вимірювань модуляционной характеристики (рис. 5.17).
з) При подальше плавне збільшення рівня модулюючого сигналу добийтеся зникнення першої пари бічних частот в спектрі ЧМ сигналу (див. рис. 5.15, г). Значення напруги запишіть в табл. 5.2 (точка 2);
і) Послідовно відзначаючи зникнення несучої і першої пари бічних, при подальше плавне збільшення рівня сигналу, заповніть табл. 5.2;
к) При наявності у модулятора можливості регулювання центральної частоти f 0 виконайте пп. д), ж), з) при значеннях f 0 рівних 68 і 73 Мгц.
л) Користуючись (5.5) і табл. 5.3, визначте для кожної точки відповідне відхилення частоти, вважаючи, що F 2 = 0.5 Мгц, і побудуйте графіки залежності D f від U Ампл. Графіки необхідно будувати в 4 квадрантах, причому, в третьому квадранті величини відкладаються симетрично першому квадранту. Отримані графіки є модуляційні характеристики.
Можливо побудова модуляційних характеристик на комп'ютері за програмою "Модуляционная характеристика";
м) На побудованих характеристиках потрібно визначити центральні частоти модуляції f 0. ширину лінійних ділянок, ширину робочих ділянок, рівних подвоєною пікової девіації частоти, і відповідні амплітудні значення модулюючого сигналу U пік.
3. Отримати і замалювати спектр ЧМ сигналу при передачі багатоканального повідомлення для заданого N. Для цього необхідно зібрати схему вимірів, показану на рис. 5.18.
а. Встановити на приладі ІПП задану кількість каналів (або найближчим можливе значення);
б. Прийняти, що напруга U пік, отримане в п. 2, м) відповідає квазіпіковий значенням багатоканального сигналу. Тоді, відповідне ефективне значення сигналу дорівнюватиме U пік / 3.33 при N> 240;
в. Встановити напругу імітованого багатоканального сигналу з виходу приладу ІПП рівним отриманого значення;
м Користуючись ручкою "НА РОЗПОДІЛ", розташованої на лицьовій панелі спектроаналізатора, отримати повне зображення спектра на екрані;
д. Замалювати спектр, визначити його ширину і порівняти її з отриманим значенням при розрахунках (5.4).
Дослідження частотного детектора Структурна схема для дослідження частотного детектора показана на рис. 5.19.
Дослідження частотного детектора проводиться спільно з підключеним до нього амплітудним обмежувачем. Демодуляціонная характеристика спостерігається на екрані вимірювача АЧХ. Вимірювач АЧХ видає сигнал хитається частоти в смузі 40 - 100 МГц, який і подається на вхід вимірюваного пристрою. Вихідний сигнал, що містить інформацію про АЧХ пристрої, надходить на Осциллографическое частина приладу.
порядок вимірювань
1. Підготувати до роботи вимірювач частотних характеристик (ІЧХ). Для цього необхідно поставити ручки управління в наступні положення: · центральну частоту встановити рівний 70 МГц;
· Рівень вихідної напруги встановити рівним 10-15 дБ;
· Мітки - 10 МГц. 2. Користуючись ручками "Посилення", "Зсув" і "Смуга", домогтися появи на екрані ІЧХ повного зображення характеристики частотного детектора.
3. Замалювати характеристику, відградуйовану вісь частот в мегагерцах.
4. Відзначити на характеристиці центральну частоту і лінійний ділянку.
5. Повторити вимірювання, зменшивши рівень вихідної напруги ІЧХ на 15 - 25 дБ. При цьому необхідно збільшити посилення індикаторного блоку приладу ручкою Y так, щоб розмах характеристики відповідав розмаху, отриманого в попередньому вимірі.