Badanie modulacji i demodulacji AM

Cel ćwiczenia

Kształtowanie umiejętności pomiaru parametrów sygnałów zmodulowanych amplitudowo
z wykorzystaniem oscyloskopu. Analiza widmowa przebiegu zmodulowanego.

Zagadnienia do przygotowania

1. Podstawowe pojęcia modulacji (definicja i równanie): sygnał modulujący,
   sygnał modulowany, sygnał zmodulowany, obwiednia przebiegu zmodulowanego;

2. Parametry modulacji AM: głębokość modulacji i jej wpływ na średnią moc prążków bocznych, współczynnik proporcjonalności;

3. Przebiegi zmodulowane amplitudowo: graficzna interpretacja przebiegu zmodulowanego amplitudowo, pasmo zajmowane przez przebieg z modulacją AM, widmo przebiegu zmodulowanego amplitudo prostym sygnałem
   , zależność amplitudy prążków bocznych od głębokości modulacji, widmo przebiegu
   z modulacją amplitudy, wstęga boczna - modulacja jednowstęgowa i dwuwstęgowa, wpływ liczby wstęg bocznych na zajmowane pasmo sygnału zmodulowanego i ja ilość przesyłanych danych;

4. Analiza wpływu wartości współczynnika modulacji (głębokości modulacji) na kształt przebiegu: graficzna ilustracja wpływu współczynnika modulacji na kształt obwiedni;

5. Metody obserwacji i pomiarów parametrów przebiegów zmodulowanych: analiza
   w dziedzinie czasu przebiegu zmodulowanego za pomocą oscyloskopu, metoda trapezowa analizy parametrów modulacji z wykorzystaniem oscyloskopu z wyłączoną podstawą czasu;

Literatura

Filipkowski A.: Układy elektroniczne analogowe i cyfrowe. WKŁ, Warszawa 2003

Grabowski L.: Pracownia elektroniczna - układy elektroniczne. WSiP, Warszawa 1999

Rydzewski J.: Pomiary oscyloskopowe. WNT, Warszawa 1994

Rydzewski J.: Oscyloskop elektroniczny. WKŁ, Warszawa 1976

Wiadomości wstępne

Przesyłanie na odległość sygnału informacji (najczęściej o częstotliwości akustycznej lub wizyjnej) odbywa się zwykle przy pomocy wyemitowanej w przestrzeń fali elektromagnetycznej dużej częstotliwości, stanowiącej swego rodzaju „nośnik”.
Takie przesyłanie jest zdecydowanie łatwiejsze niż emitowanie sygnału o małej częstotliwości. Stosując różne wartości częstotliwości fali dużej częstotliwości, można przesyłać równocześnie wiele informacji bez ryzyka wzajemnego zakłócania (interferencji jednej w drugą), sprawniej i skuteczniej. Metody takie stosowane są m.in.
w radiokomunikacji i telekomunikacji, a obecnie i teleinformatyce.

Proces nakładania (cechowania) fali elektromagnetycznej wysokiej częstotliwości sygnałem informacji nazywa się modulacją. Przebieg, za pomocą którego przesyła się sygnał informacji nazywa się przebiegiem nośnym lub falą nośną. Sam sygnał informacji nazywany jest sygnałem modulującym, który tworzy obwiednię dla sygnału modulowanego. Modulacji podlegać może albo amplituda fali nośnej (modulacja AM), albo jej częstotliwość kątowa - modulacja kąta (modulacja częstotliwości FM lub modulacja fazy PM). Proces przywracania sygnałowi jego pierwotnej struktury nazywa się demodulacją lub detekcją.

Jeśli w procesie modulacji zmieniana jest amplituda przebiegu nośnego zgodnie
z chwilową amplitudą sygnału modulującego (czyli sygnału informacji), to mamy do czynienia z modulacją amplitudy. Częstotliwość fali nośnej i faza są wówczas stałe.

Jeśli proporcjonalnie do chwilowej wartości amplitudy sygnału informacji jest zmieniana częstotliwość fali nośnej, to mówimy o modulacji fali nośnej; przy czym amplituda fali nośnej i faza są stałe. Rozróżnia się ponadto szereg innych rodzajów modulacji. W telekomunikacji stosuje się szeroko modulację kodowo-impulsową, w jej wyniku powstają ciągi impulsów o zmienianych (modulowanych) parametrach tych impulsów, np. szerokości, amplitudy czy fazy.

Miarą stopnia zmodulowania fali nośnej w modulacji AM jest współczynnik głębokości modulacji m. Wskazuje w jakim stopniu została zmieniona amplituda fali nośnej w stosunku do swojej wartości znamionowej U_n. Im większa amplituda sygnału modulującego, tym większy jest zakres zmian wartości międzyszczytowej obwiedni fali AM, czyli głębokość modulacji. Współczynnik głębokości modulacji przyjmuje wartości
z przedziału
albo procentowo od 0% do 100%, przy czym: m = 0 - brak modulacji,
1 - pełna modulacja (100 %). Gdy m jest bardzo małe, np. mniejsze niż 0,1, to małe zmiany amplitudy obwiedni spowodowane np. szumem mogą stać się znaczące. Gdy natomiast m = 1, to maksymalna wartość chwilowa amplitudy osiąga wartość 2U_n, a minimalna wartość chwilowa maleje do zera. Przy dalszym zwiększaniu sygnału modulującego fala zmodulowana ulega zniekształceniu (rys.1b) i po zdemodulowaniu nie uzyskamy właściwego sygnału informacyjnego. W praktyce należy dążyć do uzyskania sensownej głębokości modulacji. Typowa głębokość modulacji powinna wynosić od 0,2 do 0,8 (czyli 20 - 80 %).

Rys. 1a przedstawia przebieg fali nośnej zmodulowany sygnałem sinusoidalnym.
W rzeczywistości najczęściej moduluje się sygnałem bardziej złożonym, np. akustycznym, posiadającym często bardzo skomplikowany przebieg, decydujący o charakterze dźwięku,
np. barwie, tonie itd. Współczynnik głębokości modulacji i zniekształcenia modulacji można kilkoma sposobami określić na podstawie obrazu oscyloskopowego. Jeżeli do płytek odchylania pionowego (kanał Y) oscyloskopu doprowadzimy sygnał zmodulowany
i skorzystamy z wewnętrznego wyzwalania podstawy czasu, to na ekranie uzyskamy obraz przebiegu zmodulowanego w dziedzinie czasu, jak na Rys. 1a (w części sygnału zmodulowanego).

Współczynnik głębokości modulacji m określamy z zależności:

( 1 )

gdzie : U _max, U _min - wartości międzyszczytowe.

Na podstawie obrazu oscyloskopowego można również określić, amplitudę fali nośnej U_on :

( 2 )

oraz amplitudę sygnału modulującego (obwiedni) U_m :

( 3 )

Zniekształcenia obwiedni ocenia się przez jej bezpośrednią obserwację.

W metodzie drugiej po doprowadzeniu do płytek odchylania pionowego napięcia zmodulowanego, zaś do płytek odchylania poziomego (kanał X) napięcia modulującego (m.cz.), to na ekranie lampy otrzymamy obraz o kształcie trapezu, którego wymiary będą zależne od stosunku amplitud sygnału modulującego i nośnego (Rys. 2). Współczynnik modulacji m określany jest podobnie jak poprzednio z zależności (1) .

Jeśli między sygnałem modulującym a obwiednią w.cz. występuje przesunięcie fazowe lub sygnały są zniekształcone nieliniowo, to jest to widoczne na obrazie
trapezowym (Rys. 2 d i e).

Źródłami błędów pomiarowych metody, dającymi kilkuprocentowy błąd są:

• niedokładności pomiaru odcinków na oscylogramie;

• nieliniowości odchyleń poszczególnych kanałów oscyloskopu;

• pasożytnicze wewnętrzne przesunięcia fazowe.

Pomiary

• w układzie przedstawionym na rys.3 dokonać pomiaru amplitudy fali nośnej, amplitudy fali modulującej i współczynnika głębokości modulacji;

• przyjąć częstotliwość sygnału nośnego f_n i sygnału modulującego f_m zgodnie ze wskazaniami prowadzącego;

• otrzymany na ekranie przebieg zmodulowany należy wykalibrować;

• zmieniając amplitudę sygnału modulującego U om dokonać pomiarów współczynnika modulacji obiema metodami: rozciągu liniowego (z wykorzystaniem lupy czasowej)
  i trapezową, ta ostatnia wymaga pracy X - Y oscyloskopu (wyłączona podstawa czasu). Wyniki pomiarów umieścić w tabeli:

f n = . . . . . . kHz f m = . . . . . kHz Un = . . . . . V
metoda rozciągu liniowego					metoda trapezowa
Lp.	U om	U max	U min	m	U max	U min	m
		V	V	V	%	V	V	%

• dla dwóch wybranych współczynników głębokości modulacji przerysować wykresy napięcia AM i trapezowego;

• zmodulować przebieg nośny sygnałem o kształcie prostokątnym dla m = 100 %, przerysować wykres tego przebiegu;

• wyznaczyć charakterystyki modulatora:

• charakterystykę przejściową modulatora:
  przy
  .
  Na jej podstawie określić zakres pracy liniowej modulatora i zaznaczyć go na charakterystyce;

• charakterystykę częstotliwościową modulatora:
  przy
  . Na jej podstawie wskazać pasmo w jakim musi się znajdować sygnał modulujący, aby modulator był w stanie wpisać go bez zniekształceń w sygnał nośny (obwiednię).

Uwaga

• po wykonaniu badania modulatora dla określonych przez prowadzącego parametrów modulacji należy podłączyć wyjście modulatora z wejściem demodulatora, a na wyjście demodulatora podłączyć oscyloskop (praca w dziedzinie czasu). Zdjąć oscylogram otrzymanego przebiegu i określić poprawność działania demodulatora;

• dla demodulatora określić wpływ stałej czasowej filtra RC na skuteczność detekcji - rozważyć różne przypadki;

• należy przerysować schematy ideowe modulatora i demodulatora AM.

u

t

U _min U _max

Sygnał zmodulowany

obwiednia

U_n

U_m

Rys.2 Oscylogramy obrazu trapezowego przy modulacji amplitudy

a) m < 1, b) m = 1, c) m > 1; d) obraz przy zniekształceniach nieliniowych
w modulatorze, e) obraz przy przesunięciu fazowym między sygnałem

modulującym a obwiednią w.cz.

U_min

U_max

d)

U_min

U_max

e)

a)

c)

b)

t

Sygnał modulujący

U_m

Rys.1 a) fala nośna wielkiej częstotliwości zmodulowana sygnałem

sinusoidalnym (m < 1)

b) sygnał przemodulowany (m > 1)

a)

b)

Osc.

Y X

modulator AM

sygnał modulujący

Rys.3 Układ pomiarowy parametrów modulacji metodą rozciągu liniowego i trapezową

---