LABORATORIUM URZĄDZEŃ NADAWCZYCH

Temat ćwiczenia: Emisja F1 i jej własności. Badanie przystawki nadawczej emisji F1.

1. Wprowadzenie

Emisja F1 jest to emisja fali nośnej zmodulowanej częstotliwościowo telegraficznym sygnałem dwutonowym. Stąd inna nazwa tego typu modulacji : kluczowanie z przesuwem częstotliwości ( ang. Frequency Shift Keying - FSK ).

Dla przedstawienia właściwości tego typu emisji wygodnie jest posłużyć się jej widmem. Widmo zostanie określone przy dwóch dodatkowych założeniach, upraszczających w dopuszczalnym zakresie kształt przebiegu FSK. Założenia te są następujące :

- nośna jest zmodulowana przebiegiem prostokątnym o wypełnieniu ½,

- jeżeli sygnał modulujący przybiera wartość A, to emitowana jest częstotliwość f₁ , gdy wartość B, to

emitowana jest częstotliwość f_{2 .}

W związku z powyższym sygnał FSK można przedstawić w postaci sumy dwóch przebiegów sinusoidalnych o częstotliwościach f₁ i f₂ , zmodulowanych w amplitudzie falą prostokątną o wypełnieniu ½ i odpowiednio przesuniętych w fazie. Sposób tworzenia takiego modelu przebiegu FSK przedstawiono na rysunku 1.

Rys. 1 Przebieg FSK złożony z dwóch kluczowanych przebiegów ASK - f₁(t) i f₂(t)

W oparciu o powyższe rozważania można napisać wyrażenie analityczne, opisujące przebieg FSK (wyprowadzenie dostępne na wykładach i w literaturze pominięto) :

sin ( π ∆f/ f_m ) ∆f ∞ sin (∆f/ f_m - l ) π/2

f_FSK(t) = sin 2π f_o t + ∑ x

π ∆f/ f_m 2π f_m l = 1 (∆f/ f_m ) ² - l ²

x [ sin 2π (f_o + l f _m ) t + ( - 1) ^l sin 2π (f_o - l f _m ) t ]

gdzie : f_m - częstotliwość przebiegu modulującego ,

∆f - odstęp częstotliwości charakterystycznych ( f₁ - f ₂ )

f _o - częstotliwość nośna (środkowa) ½ ( f₁ + f ₂ ) .

Na rysunku 2 przedstawiono widmo sygnału FSK dla czterech wartości parametru ∆f/ f_m ( wskaźnika dewiacji ) , przy czym zmianę tego parametru uzyskiwano poprzez zmianę częstotliwości modulującej przy stałej wartości ∆f . Z rysunku widać, że w widmie sygnału znacznymi wartościami amplitud odznaczają się prążki odpowiadające składowym leżącym w pobliżu częstotliwości charakterystycznych. Widać również, że efekt skupienia się widma wokół częstotliwości charakterystycznych potęguje się przy wzroście wartości parametru ∆f/ f_m , a w przypadku granicznym, gdy częstotliwość f_m zmierza do zera ( kluczowanie nieskończenie powolne ), widmo przyjmuje postać wyłącznie dwóch prążków.

∆f/ f_m = 2,5

∆f/ f_m = 12,5

∆f/ f_m = 31,25

∆f/ f_m = ∞

f ₁ f ₂

Rys . 2 . Rozkład widma sygnału modulacji FSK przy różnych wartościach wskaźnika dewiacji - ∆f/ f_m .

Proporcje wysokości prążków w widmie mają charakter poglądowy.

2 . Formowanie emisji F1 .

Najprostszą metodą uzyskania emisji FSK jest zmiana parametrów obwodu generatora sterującego wzmacniaczem końcowym nadajnika. Dokonać tego można przez zmianę pojemności bądź indukcyjności obwodu LC generatora. Najważniejsze wady tej metody to : niestałość częstotliwości wyjściowej, niestacjonarność procesu narastania drgań oraz brak ciągłości fazy przebiegu w momencie przełączania. Wady te powodują zniekształcenie znaku telegraficznego oraz poszerzenie widma sygnału emitowanego.

Inną metodą pracy z emisją F1 jest sterowanie nadajnika z dwóch generatorów, różniących się o ∆f wartością generowanych częstotliwości, które przełączane są sygnałem modulującym. Częstotliwości generowane i ich różnica są tu wystarczająco stabilne, w dalszym ciągu jednak występuje nieciągłość fazy w momencie zmiany stanu sygnału kluczującego.

W nadajnikach, w których nie przewidziano emisji FSK a jest do dyspozycji emisja J3E - jednowstęgowa modulacja amplitudy (dawne oznaczenie A3J), możliwość pracy dalekopisowej uzyskano drogą pośrednią. Do otrzymania przebiegu FSK wykorzystano metodę kluczowania częstotliwości akustycznych - TSK ( Ton Shift Keying ). Polega ona na kluczowaniu sygnałem telegraficznym dwóch częstotliwości akustycznych, w wyniku czego otrzymuje się sygnał FSK na częstotliwości akustycznej. Sygnał ten jest następnie użyty do modulacji jednowstęgowej w nadajniku SSB. Istotą takiej realizacji modulacji F1 jest dobranie akustycznych częstotliwości kluczowanych tak, aby powstające widmo sygnału FSK mogło być przesyłane przez tor akustyczny (foniczny) nadajnika. W systemach radiokomunikacji morskiej przyjęto kluczowanie częstotliwości akustycznych wokół wartości 1700 Hz (lub 1500 Hz) z dewiacją 85 Hz, co przy szybkości telegrafowania 100 Bd pozwala na transmisję w paśmie ok. 300 Hz przy dopuszczalnym poziomie zniekształcenia znaku telegraficznego. Sygnał ten bez kłopotu jest przenoszony przez tor akustyczny nadajnika (0,3 do 3 kHz). W celu zminimalizowania negatywnego wpływu nieciągłości fazy przy kluczowaniu częstotliwości akustycznych , kluczowaniu poddaje się częstotliwości wysokie, które następnie są dzielone do wartości znamionowych (akustycznych), przyjętych dla danego zastosowania emisji telegraficznej.

W praktyce, opisany proces wstępnego kluczowania częstotliwości realizowany jest w przystawce telegraficznej, współpracującej z dalekopisem i nadajnikiem radiokomunikacyjnym. Przykładem takiego rozwiązania jest przystawka emisji F1, typu 2842 produkcji ZR „Unimor” , przeznaczona do współpracy ze okrętowym nadajnikiem „MEWA” i dalekopisem.

Podstawowe dane techniczne przystawki:

częstotliwości akustyczne 1615 Hz +/- 3 Hz

1828 Hz +/- 3 Hz

przesuw częstotliwości ( ∆f ) 170 Hz +/- 3%

nominalny poziom wyjściowy 100 mV / 600 Ω +/- 6 dB

stałość poziomu wyjściowego +/- 1 dB

maksymalna szybkość telegrafowania 100 bodów ( Bd )

zniekształcenie znaku telegraficznego 10 %

wejście stałoprądowe 40 mA

zasilanie 220V +/- 10 % , 50 Hz +/- 5 %

Zasada działania przystawki dalekopisowej.

Schemat logiczny działania przystawki emisji F1, typu 2842 został przedstawiony na rysunku 3.

1700 ⁺ /_- 85 Hz

100 mV / 600Ω

Rys. 3 Schemat blokowy przystawki dalekopisowej typu 2842, f-my Unimor

Jak pokazano na rysunku, sygnał z wejścia stałoprądowego (kluczujący) przez blok UD (dopasowujący) steruje układem przełączającym (UP). Układ ten, w takt sygnału wejściowego, przełącza częstotliwości z dwóch generatorów kwarcowych, o wartościach 1828 kHz i 1615 kHz. Następnie przebiegi te podawane są do dzielnika dzielącego przez 1024. Z wyjścia dzielnika sygnał podawany jest na wejście filtru środkowoprzepustowego. Na wyjściu filtru otrzymujemy sygnał F1 uformowany w zakresie częstotliwości akustycznych, o parametrach jak pokazano na rysunku 3. Sygnał w tej postaci podaje się na wejście modulujące nadajnika „Mewa”. Przy sterowaniu z przedstawionej przystawki nadajnik pracuje z modulacją J3E i formuje na wyjściu sygnał F1 przesunięty o 1700 Hz „w górę” względem nośnej.

3. Zadania pomiarowe

1. Zmierzyć obie częstotliwości wyjściowe z przystawki F1.

2. Połączyć przystawkę ze wzbudnikiem i pomierzyć częstotliwości wyjściowe ze wzbudnika

3. Połączyć wyjście wzbudnika z analizatorem widma, określić na ekranie analizatora miejsce występowania prążków widma sygnału (nośnej i dwóch prążków składowych)

4. Do wejścia przystawki dołączyć sygnał kluczujący (z generatora przebiegu prostokątnego). Obserwować zmiany kształtu widma i określić jego parametry dla różnych wartości częstotliwości sygnału kluczującego.

5. Zanotować zmierzone wartości częstotliwości oraz zarejestrować (naszkicować) kształt widma dla wartości częstotliwości kluczujących podanych przez prowadzącego.

4. Opracowanie wyników

1. Wyjaśnić metodę formowania emisji F1 badaną w ćwiczeniu

2. Określić przesuw częstotliwości i częstotliwość środkową przystawki i wzbudnika. Porównać wyniki.

3. Narysować „na czysto” zaobserwowane widma przebiegów, zaznaczyć i objaśnić ich charakterystyczne właściwości (odstęp prążków składowych, szerokość zajmowanego pasma, rozkład amplitud składowych, miejsce występowania nośnej)

4. Ocenić jakość formowanego sygnału F1, porównując widmo pomierzone z odtworzonym widmem idealnym, korzystając z szablonu normy CCIR dostępnego w laboratorium (L. 2)

Uwaga! Opracowanie ćwiczenia (sprawozdanie) należy przygotować własnoręcznie na papierze formatu A4. W przypadku zamieszczania w sprawozdaniu zdjęć przebiegów z oscyloskopu należy dopilnować, aby były one poprawne technicznie i uzupełnione o odpowiedni układ współrzędnych!

5. Pytania kontrolne

1. Scharakteryzować główne cechy emisji F1

2. Omówić i wyjaśnić zachowanie się widma emisji F1 przy zmianach parametrów modulacji (częstotliwości kluczującej)

3. Omówić i scharakteryzować metody otrzymywania emisji F1.

6. Literatura

1. L. Knoch, T. Ekiert : „Modulacja i detekcja” - podręcznik

2. A. Górski : „Okrętowe systemy i urządzenia nadawcze” - podręcznik

3. Notatki z wykładów !!

4. Instrukcja techniczna przystawki F-2842 produkcji ZR „Unimor”

/

/

1828 kHz

1615 kHz

Gk₂

Gk₁

f₂(t)

t

f₁(t)

t

t

f_FSK(t)

f

f

f

f

f_o

f_o

f_o

f_o

40 mA

UD

UP

: 1024

---