Wydział Elektryczny Data: 19.03.2007 r.

Elektronika i Telekomunikacja

Rok III Semestr VI

Grupa KSS 2

Sekcja 2

Laboratorium Podstaw Telekomunikacji

Ćwiczenie 4:

RADIOFONIA

Skład sekcji:

1. Maciej Kurzeja

2. Damian Gajdecka

3. Michał Janus

4. Krzysztof Majnusz

5. Antoni Kurzeja

6. Jacek Wielicki

Celem niniejszego ćwiczenia jest zapoznanie się z sposobami nadawania sygnałów poprzez fale radiowe ze szczególnym uwzględnieniem modulacji FM, jako aktualnie wiodącej.

Wstęp

Radiofonia, czyli przekazywanie informacji drogą powietrzną za pomocą fal radiowych, w dzisiejszych czasach, mimo dynamicznego rozwoju telewizji i multimediów dostępnych za pomocą sieci internetowej, w dalszym ciągu zajmuje znaczącą pozycję wśród mediów. Kolejne ulepszenia technologii nadawania sygnałów - nie tak rewolucyjne, jak w przypadku telewizji - są na bieżąco wprowadzane, czyniąc z radiofonii medium coraz nowocześniejsze, pomimo jej dość długiej historii.

Modulacja AM

Modulacja AM w dawniejszych czasach dominowała wśród innych modulacji przede wszystkim dzięki prostocie realizacji. Zasada jej działania polega na zmianach amplitudy sygnału nośnego dużej częstotliwości wraz ze zmianą amplitudy sygnału informacyjnego - modulującego. Sygnał zmodulowany charakteryzuje się obwiedniami odpowiadającymi kształtem sygnałowi modulującemu.

W dalszym ciągu ta metoda modulacji jest stosowana dla fal długich, średnich i krótkich, gdzie wciąż nadaje swoje audycje wiele stacji radiowych. Jednakże podstawowa wada tego typu modulacji ujawnia się przy obserwacji widma sygnału zmodulowanego. Widmo takie składa się z prążka fali nośnej oraz dwóch wstęg bocznych odpowiadających częstotliwościom zawartym w sygnale informacyjnym.

Jak łatwo się domyślić, pasmo zajmowane przez sygnał zmodulowany w taki sposób jest bardzo szerokie, co przy odbiorze bez zniekształceń musiałoby ograniczyć liczbę stacji radiowych w znaczny sposób. Z tej przyczyny stosuje się pewne ograniczenia pasma (średnie fale - 9 kHz, krótkie - 5kHz). Wiąże się to jednak z obcięciem wyższych częstotliwości nadawanego sygnału, co w znaczny sposób zmniejsza jakość obieranego dźwięku.

Dodatkowym minusem jest duża energia potrzebna do wypromieniowania fali nośnej, która wykorzystywana jest jedynie do określenia częstotliwości nadawania i nie pełni żadnej innej funkcji. Dodatkowo cały sygnał składa się z dwóch lustrzanych wstęg, z czego tylko jedna jest wykorzystywana. Podjęto więc próby ograniczenia pasma poprzez wytłumienie jednej ze wstęg oraz wytłumieniu fali nośnej, lecz wymaga to bardziej skomplikowanej detekcji sygnałów nadawanych.

Dużą zaletą modulacji AM jest prostota w jej uzyskiwaniu i detekcji. Modulator AM w najprostszej wersji składa się z układu mnożącego, na wejścia którego podaje się falę nośną oraz sygnał informacyjny. Zaś najprostszy detektor składa się z diody odcinającej napięcie sygnału mniejsze od zera (jedną z obwiedni), kondensatora filtrującego wysokie częstotliwości (falę nośną) oraz ewentualnie filtru składowej stałej.

Modulacja FM

Modulacja FM jest to modulacja częstotliwości, która powoduje zmianę częstotliwości fali nośnej wraz ze zmianą chwilowej wartości napięcia sygnału informacyjnego. Odchylenie maksymalne częstotliwości fali nośnej od ustalonej wartości nazywa się dewiacją. Obecnie stosuje się dewiację +/- 75 kHz, a maksymalna szerokość pasma wynosi 200 kHz. Jest to wystarczająco dużo, aby zmieścić częstotliwości akustyczne (15 kHz).

Ten typ modulacji pozwala ograniczyć wpływ zakłóceń na sygnał z racji nie wykorzystywania zmian amplitudy do przekazywania informacji (duży wpływ szumów), lecz zmian częstotliwości, które bardzo trudno jest zakłócić.

Do modulacji i demodulacji FM stosuje się przetworniki napięcie-częstotliwość i częstotliwość-napięcie, co dawniej było trudne do uzyskania.

Modulacja FM jest dziś wiodącym typem modulacji ze względu na niewielką szerokość pasma, jakie jedna stacja zajmuje oraz niską podatność na zakłócenia. Dodatkowym atutem jest możliwość umieszczenia w paśmie, oprócz nadawanego dźwięku, także pewnych dodatkowych informacji, np. RDS mogących ułatwić poszukiwanie wybranej stacji.

Wolną przestrzeń pasma wykorzystano przede wszystkim na generacji sygnału dwukanałowego stereo. Dodano mianowicie w części pasma powyżej częstotliwości akustycznych zmodulowany amplitudowo sygnał różnicowy dwóch kanałów L-R z wytłumioną falą nośną nazywaną podnośną (38 kHz). Te dwie wstęgi modulacji AM służą do przetwarzania nadawanego sygnału mono na dwukanałowy stereo.

Jednakże nie w każdym odbiorniku może być odtwarzany sygnał stereo, więc i o to pomysłodawcy systemu zadbali. Najistotniejszym elementem pasma sygnału informacyjnego jest ton pilotujący 19 kHz. Podczas inicjacji odbioru demodulator powinien najpierw określić czy ten ton jest nadawany i jeśli tak jest to powinien wykorzystać sygnał różnicowy. W demodulatorach mono ton pilotujący nie jest wykrywany więc odtwarzane jest bezpośrednio pasmo do 15 kHz L+R. Samo określanie częstotliwości podnośnej jest również dokonywane dzięki tonowi pilotującemu, którego częstotliwość jest dwukrotnie mniejsza niż podnośnej.

RDS

Radio Data System powstało z powodu zwiększającej się w znacznym tempie liczbie nadających stacji radiowych, co uniemożliwiało ich sprawną identyfikację. Wykorzystano więc dodatkowe miejsce w paśmie kanału FM i stworzono drugą podnośną - trzykrotność tonu pilotującego 57 kHz, która stała się falą nośna sygnału informacyjnego RDS wykorzystującego modulację fazy (popularny typ modulacji dla przesyłania danych cyfrowych).

Informacje w RDS kodowane są w grupach liczących 104 bity. Każda grupa składa się z 4 bloków, a każdy blok składa się z 16-bitowego słowa informacyjnego oraz 10-bitowego słowa kontrolnego. Słowo kontrolne ułatwia synchronizację transmisji oraz identyfikację aktualnie przetwarzanego bloku. Prędkość tego typu kodowania wynosi 1187,5 b/s, zaś przepływ użytecznej informacji odbywa się z prędkością 731 b/s.

Dane zawarte w sygnale RDS zawierają oprócz nazwy nadającej stacji także wiele innych pożytecznych informacji, np. rodzaj nadawanej muzyki, aktualne nadawanie serwisu informacyjnego, czy wiadomości o sytuacji na drogach - TA.

Układ pomiarowy

Układ pomiarowy obejmuje trzy stanowiska. Dwa zaopatrzone są w modulatory FM do nadawania transmisji radiowych w paśmie 87 - 112,5 MHz, komputery oraz oscyloskopy cyfrowe. Jedno zaś w odbiornik radiowy i oscyloskop do obserwacji sygnału FM. Stanowiska są połączone przewodem sygnałowym, zatem nie jest badana transmisja przez fale radiowe bezpośrednio, lecz przez fizyczny przewodnik. Jest to spowodowane prawdopodobnymi zakłóceniami z innych stanowisk, jeżeli transmisja odbywałaby się drogą powietrzną. Sygnały doprowadzane do modulatora są generowane przez karty dźwiękowe komputerów.

Do nadawania sygnałów z poziomu komputera można posłużyć się dowolnym odtwarzaczem muzycznym (np. Winamp) - wówczas odbierana będzie muzyka w odbiorniku radiowym. Możliwe jest też korzystanie z programu Soft Generator.

Program ten umożliwia generowanie wybranych sygnałów, ustalanie ich częstotliwości oraz natężenia. Wszystkie ustawienia są dokonywane dla każdego kanału z osobna. Możliwe jest także zadanie fazy - opóźnienia czasowego dla każdego kanału. Generowane sygnały mogą być bezpośrednio wystawiane na każdy kanał, jak również można wymusić wystawienie ich sumy lub różnicy.

W normalnej pracy w programie powinno się korzystać z trybu L/R. Ważne jest żeby nie zadawać zbyt dużego natężenia generowanych sygnałów, gdyż może to mieć wpływ na poprawne przetwarzanie sygnału w modulatorze FM. Soft Generator umożliwia również obserwację zadawanych sygnałów:

Nadajnik FM podłączany jest dwoma przewodami sygnałowymi do źródła sygnału (w tym wypadku komputera). Oznaczone są one R/L Audio In. Antenę (przewód) podłącza się do gniazda BNC z boku obudowy. Po podłączeniu należy wybrać odpowiednią częstotliwość nadawania posługując się klawiszami `+' i `-`. Ważne jest, aby nie wybierać nadawania z mocą 1 W, gdyż przy bezpośrednim połączeniu poprzez przewód może dojść do uszkodzenia odbiornika.

W stanowisku z nadajnikiem FM możliwe jest oglądanie na oscyloskopie sygnałów zadawanych z karty dźwiękowej komputera, jak i z wyjścia modulatora.

Przebieg ćwiczenia

Stanowisko z nadajnikiem:

1. Należy zapoznać się z możliwościami programu Soft Generator przy różnych sygnałach, wypróbować nadawanie dźwięku przez odtwarzacz muzyczny, mikrofon.

2. Przeprowadzić obserwację przebiegów na oscyloskopie: z karty dźwiękowej - widmo sygnału dźwiękowego, przebiegi generowane przez Soft Generator.

3. Przeprowadzić obserwację sygnału z nadajnika - widmo sygnału FM.

Stanowisko z odbiornikiem:

1. Zaznajomić się z właściwościami odbiornika - pasmo, częstotliwości graniczne.

2. Odebrać sygnał nadawany przez modulator

3. Obserwując widmo odbieranego sygnału zaobserwować częstotliwości nadawania i ich zmiany, określić szerokość pasma nadawania i odstęp sygnału od szumu (w naszych badaniach wynosił ok. 42 dB, czyli amplituda szumów była ok. 125 razy mniejsza niż nadawanego sygnału); wziąć pod uwagę ograniczone możliwości oscyloskopu w zakresie tak dużych częstotliwości.

Literatura:

• Elektronika dla wszystkich 8/96

• Elektronika dla wszystkich 9/2000, 10/2000

• Instrukcja nadajnika UKF

---