Materiały powielane.
Wersja robocza skryptu z AEiUE– Gliwice 2013
Instrukcja 11
MODULACJA I DEMODULACJA
1.
Cel i zakres ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z podstawowymi rodzajami modulacji i demodulacji,
ich podstawowymi parametrami, zasadą działania układów do modulacji i demodulacji.
Zakres ćwiczenia obejmuje wyznaczenie na podstawie wykonanych pomiarów wybranych
parametrów oraz oscyloskopową obserwację przebiegów procesów modulacji i demodulacji.
2.
Wprowadzenie teoretyczne
Modulacją nazywamy zakodowanie informacji, danej jako sygnał elektryczny, w postaci zmian
parametru innego przebiegu elektrycznego. Pierwszy z nich jest nazywany przebiegiem modulującym,
drugi – sygnałem modulowanym. Celem modulacji jest:
•
przetworzenie informacji w taki sposób, aby była ona odpowiednia do przesłania od źródła do
odbiornika w kanale informacyjnym,
•
umoŜliwienie jednoczesnego i niezaleŜnego przesyłania wielu róŜnych sygnałów,
•
stworzenie warunków do dogodniejszego przesyłania sygnałów np.: aby sygnał był odporny na
zakłócenia,
•
umoŜliwienie poufnego przesyłania sygnałów - utajnianie wiadomości, kodowanie, szyfrowanie.
Wyniku procesu modulacji sygnał uŜyteczny małej częstotliwości (sygnał modulujący) wpływa na
określone parametry sygnału sinusoidalnego wielkiej częstotliwości (sygnału modulowanego). Sygnał
modulowany nazywany jest równieŜ falą nośną. W zaleŜności, który parametr fali nośnej ulega zmianie
rozróŜniamy następujące rodzaje modulacji:
•
modulację amplitudy (AM - Amplitude Modulation), polegającą na przekształceniu sygnału
modulowanego o stałej częstotliwości w taki sposób, Ŝe amplituda otrzymanego sygnału
zmodulowanego jest proporcjonalna do wartości sygnału modulującego,
•
modulację częstotliwości (FM - Frequency Modulation), przy której amplituda sygnału
zmodulowanego jest stała, zaś jego częstotliwość zmienia się wokół częstotliwości sygnału
modulowanego proporcjonalnie do wartości sygnału modulującego,
•
modulację fazy (PM - Phase Modulation), gdy faza sygnału zmodulowanego zmienia się
proporcjonalnie do wartości sygnału modulującego.
Modulację częstotliwości i fazy nazywa się ogólnie modulacją kąta.
2.1.
Modulacja amplitudy AM
W modulacji amplitudy informacja przenoszona jest w amplitudzie sygnału zmodulowanego,
którego ogólna postać wygląda następująco:
( )
( ) 1
( )
n
m
u t
u t
k u t
=
+ ⋅
=
+ ⋅
=
+ ⋅
=
+ ⋅
(11.1)
gdzie:
u
n
(t) – fala nośna,
u
m
(t) – sygnał modulujący,
k
– współczynnik proporcjonalności.
2
Analogowe Elementy i Układy Elektroniki
Materiały powielane.
Wersja robocza skryptu z AEiUE – Gliwice 2013
JeŜeli sygnał nośny opisany jest zaleŜnością:
(
)
( )
cos
n
n
n
n
u t
U
t
=
ω + ϕ
(11.2)
a sygnał modulujący (informacyjny) ma postać:
(
)
( )
cos
m
m
m
m
u t
U
t
=
ω + ϕ
(11.3)
z zachowaniem warunku:
n
m
ω >> ω
(11.4)
oraz przyjmując, Ŝe fazy początkowe obu przebiegów φ
m
= 0 oraz φ
n
= 0 są równe zero, to wyniku
procesu modulacji uzyskamy przebieg zmodulowany opisany zaleŜnością:
( )
(1
cos
) cos
n
m
n
u t
U
m
t
t
=
+
ω
ω
(11.5)
gdzie:
m
n
U
m
U
=
- współczynnik modulacji.
U
n
(t)
U
m
(t)
U(t)
t
t
t
Rys. 11.1 Modulacja amplitudy AM sygnał nośny U
n
(t), sygnał modulujący U
m
(t)
oraz sygnał zmodulowany U(t)
Współczynnik modulacji jest parametrem charakteryzującym modulację amplitudy i równy
stosunkowi amplitudy sygnału modulującego do amplitudy fali nośnej w sygnale zmodulowanym.
Współczynnik modulacji mieści się w zakresie 0…1, dość często podawany jest równieŜ w procentach.
Współczynnik ten moŜna równieŜ obliczyć według następującego wzoru:
A
B
m
A
B
−−−−
====
++++
(11.6)
gdzie:
A
,
B - maksymalną i minimalną wartość obwiedni sygnału zmodulowanego
.
Instrukcja do ćwiczenia – Modulacja i Demodulacja
3
Materiały powielane.
Wersja robocza skryptu z AEiUE – Gliwice 2013
Rys. 11.2 Modulacja amplitudy AM: a)wyznaczenie współczynnika modulacji;
b)przebieg zmodulowany dla współczynnika głębokości modulacji m = 1; c) m > 1
Gdy głębokość modulacji wynosi 1 (rys. 11.2b), to maksymalna wartość chwilowa napięcia osiąga
wartość 2U
n
, a minimalna wartość chwilowa obwiedni maleje do zera. Przemodulowanie pokazano na
rys. 11.2c. Przebieg zmodulowany jest nieciągły i nie moŜna z niego odtworzyć przebiegu
informacyjnego.
Korzystając z twierdzenia kosinusów wzór (11.5) moŜna przekształcić do postaci:
( )
cos
cos(
)
cos(
)
2
2
n
n
n
n
n
m
n
m
mU
mU
u t
U
t
t
t
=
ω +
ω − ω
+
ω + ω
(11.6)
Z zaleŜności tej wynika, Ŝe sygnał zmodulowany moŜna przedstawić jako suma trzech przebiegów
sinusoidalnych: nośnego o częstotliwości ω
n
oraz dwóch przebiegów o częstotliwościach ω
n
-ω
m
i ω
n
+ω
m
.
Na rys. 11.3 przedstawiono widomo harmonicznych sygnału zmodulowanego składa się ono z prąŜka
odpowiadającego fali nośnej oraz sygnału róŜnicowego i sumacyjnego. JeŜeli przebieg modulujący nie
jest pojedynczą sinusoidą – zostaną wtedy wytworzone dwie wstęgi boczne o tej samej szerokości.
Wstęgi boczne odwzorowują sygnał informacyjny i to one przenoszą informację. W takim przypadku
mówimy o modulacji dwuwstęgowej z falą nośną (AM-DSB).
Szerokość pasma zajmowanego przez dwuwstęgowy sygnał zmodulowany amplitudowo jest równa
podwójnej wartości największej częstotliwości sygnału modulującego:
(
)
(
)
2
n
m
n
m
m
B
= ω + ω − ω − ω = ω
(11.7)
n
m
ω + ω
n
m
ω − ω
n
ω
2
n
mU
2
n
mU
n
U
ω
U
min
n
ω + ω
min
n
ω − ω
max
n
ω + ω
max
n
ω − ω
n
ω
ω
n
U
U
Rys. 11.3. Widmo harmonicznych zmodulowanych: a) sygnałem sinusoidalnym;
b) sygnałem zajmującym widmo od ω
min
do ω
max
a)
b)
c)
4
Analogowe Elementy i Układy Elektroniki
Materiały powielane.
Wersja robocza skryptu z AEiUE – Gliwice 2013
Całkowita moc sygnału zmodulowanego wynosi:
2
2
n
n
m
P
P
P
=
+
(11.8)
gdzie:
P
n
– jest mocą fali nośnej,
P
– całkowita moc przebiegu modulowanego przy głębokości modulacji
m.
Z powyŜszego wzoru wynika, ze tylko niewielka część sygnału zmodulowanego niesie informacje
o sygnale modulującym (druga część wzoru). Dlatego modulacja amplitudy jest nieekonomiczna,
ze względu na duŜe straty mocy powodowane przesłaniem fali nośnej. Aby zwiększyć moc niosącą
informację o sygnale modulującym ogranicza się zawartość fali nośnej w sygnale zmodulowanym.
Przypadek taki nazywamy
modulacją dwuwstęgową bez fali nośnej (AM-DSB-SC).
Przebieg zmodulowany bez fali nośnej moŜna jeszcze bardziej uprościć opierając się na
spostrzeŜeniu, Ŝe obie wstęgi niosą identyczną informację. MoŜna więc przesłać tylko jedną wstęgę.
Przypadek taki nazywamy
jednowstęgową modulacją amplitudy (AM-SSB), a bez fali nośnej
(AM-SSB-SC). Jest to najbardziej efektywny rodzaj modulacji amplitudowej, gdyŜ pozwala zarówno na
ograniczenie pasma transmisji jak i ograniczenie przesyłanej mocy.
Rys. 11.4 Modulator amplitudy
Przebieg zmodulowany amplitudowo uzyskuje się przez mnoŜenie analogowe sygnału
modulującego i przebiegu nośnego. Przykładem modulatora amplitudy moŜe być układ
wzmacniacza róŜnicowego ze sterowanym napięciowo źródłem prądowym w obwodzie emitera
(rys. 11.4)
.
PoniewaŜ wzmocnienie wzmacniacza róŜnicowego zaleŜy liniowo od prądu emitera, na
wyjściu uzyskuje się sygnał nośny
U
n
o wartości zaleŜnej od sygnału modulującego
U
m
, czyli
zmodulowany amplitudowo. Obwód rezonansowy stanowiący obciąŜenie tranzystora
T
2
umoŜliwia
uzyskanie w widmie napięcia wyjściowego tylko prąŜków o pulsacjach ω
n
,
ω
n
-ω
m
oraz ω
n
+ω
m
. Tłumiona
jest natomiast częstotliwości przebiegu modulowanego ω
m
.
2.2.
Modulacja częstotliwości FM
Modulacja częstotliwości polega na uzaleŜnieniu częstotliwości fali nośnej od amplitudy sygnału
modulującego, czyli przesyłana informacja zawarta jest w częstotliwości chwilowej sygnału
zmodulowanego (rys. 11.5). Częstotliwość chwilowa przebiegu zmodulowanego będzie, zatem równa:
( )
( )
n
f
m
f t
f
k u t
=
+
=
+
=
+
=
+
(11.9)
gdzie:
f
n
– częstotliwość fali nośnej,
u
m
(t) – sygnał modulujący,
k
f
– współczynnik proporcjonalności.
Instrukcja do ćwiczenia – Modulacja i Demodulacja
5
Materiały powielane.
Wersja robocza skryptu z AEiUE – Gliwice 2013
Rys. 11.5. Modulacja częstotliwości FM: a) sygnał modulujący;
b) sygnał zmodulowany
JeŜeli sygnał fali nośnej jest opisany równaniem (11.1) a sygnał modulujący (11.2) oraz spełniony
jest warunek (11.3) to chwilowa wartość pulsacji fali nośnej jest równa:
( )
cos
cos
n
n
f
m
m
n
m
t
k U
t
t
ω
= ω +
ω = ω + ∆ω
ω
(11.10)
gdzie:
∆ω
- dewiacja pulsacji,
2
f
∆ω
∆ =
π
- dewiacja częstotliwości.
Dewiacja częstotliwości (mówimy równieŜ o dewiacji pulsacji) określa maksymalną wartość
odchylenia częstotliwości chwilowej, czyli amplitudę zmian częstotliwości przebiegu zmodulowanego od
częstotliwości
f
n
przebiegu nośnego. Dewiacja jest proporcjonalna do amplitudy przebiegu modulującego.
Wartość chwilowa kąta fazowego fali nośnej wynosi:
( )
( )
sin
n
n
n
m
m
t
t dt
t
t
∆ω
ϕ
= ω
= ω +
ω
ω
∫
(11.11)
zatem chwilowa wartość przebiegu zmodulowanego wynosi:
( )
cos
sin
n
n
m
m
u t
U
t
t
∆ω
=
ω +
ω
ω
(11.12)
gdzie:
f
m
m
f
m
f
∆ω ∆
=
=
ω
- dewiacja częstotliwości.
Ostatecznie przebieg sygnału z modulacją częstotliwości ma postać:
(
)
( )
cos
sin
n
n
f
m
u t
U
t
m
t
=
ω +
ω
(11.13)
Rozkład widmowy funkcji opisanej powyŜszą zaleŜnością przedstawia częstotliwość nośną
i nieskończoną liczbę wstęg bocznych, o częstotliwościach ω
n
-n ω
m
i ω
n
+n ω
m
, gdzie n =1, 2, ... ∞,
rozmieszczonych symetrycznie względem przebiegu nośnego ω
n
. Amplitudy poszczególnych prąŜków,
proporcjonalne do U
n
, są określone funkcjami Bessela o wartościach zaleŜnych od m
f
i n.
(
)
( )
(
) cos
n
n
f
n
m
n
u t
U
J m
n
t
∞
=−∞
=
ω + ω
∑
(11.14)
gdzie:
J
n
(m
f
) - wartość funkcji Bessela pierwszego rodzaju n-tego rzędu.
6
Analogowe Elementy i Układy Elektroniki
Materiały powielane.
Wersja robocza skryptu z AEiUE – Gliwice 2013
Rys. 11.6 Wykres funkcji Bessela pierwszego rodzaju
PoniewaŜ funkcje Bessela dla n większego lub równego m
f
+1 przyjmują pomijalnie małe wartości,
praktycznie w widmie sygnału zmodulowanego prąŜki boczne wyŜszych harmonicznych sygnału
modulującego mogą być pominięte, bowiem przenoszą znikomo małą energię (rys. 11.7). Pasmo
zajmowane przez zmodulowany sygnał częstotliwości jest znacznie szersze od pasma zajmowanego przez
przebieg zmodulowany amplitudowo, gdyŜ na ogół ∆f > f
m
(czyli m
f
> 1). Ponadto szerokość tego pasma
zaleŜy głównie od dewiacji ∆f, a więc od amplitudy sygnału modulującego. Dlatego teŜ szerokość pasma
częstotliwości zajmowanego przez zmodulowany sygnał częstotliwości ogranicza się do:
(
)
(
)
2
2
1
gr
gr
f
B
f
f
f
m
= ∆ +
=
+
(11.15)
gdzie:
B
– szerokość pasma sygnału modulowanego,
f
gr
– częstotliwość graniczna sygnału modulującego.
Dla m
f
≤ 1 widmo harmonicznych
oprócz poraŜka fali nośnej zawiera po
jednym prąŜku wstęg bocznych, a szerokość
pasma
zajmowanego
przez
sygnał
zmodulowany częstotliwościowo FM jest
taki sam jak dla modulacji amplitudowej
AM–DSB. Taką modulację nazywamy
modulacją wąskopasmową. Modulację, dla
której
m
f
>
1
nazywamy
modulacją
szerokopasmową.
Modulacja częstotliwości moŜe być
przeprowadzona w układzie generatora
przestrajanego
napięciem,
którego
częstotliwość
powinna
się
zmieniać
proporcjonalnie
do
wartości
napięcia
sterującego.
Efekt
taki
uzyskamy,
zmieniając
sygnałem
modulującym
częstotliwość rezonansową obwodu LC
generatora. MoŜna to osiągnąć przez
dołączenie równolegle do obwodu LC
reaktancji pojemnościowej (lub indukcyjnej)
zaleŜnej liniowo od wartości napięcia lub
prądu sygnału modulującego.
Rys. 11.7 Widmo sygnału FM dla m
f
=1, 2 i 5
Instrukcja do ćwiczenia – Modulacja i Demodulacja
7
Materiały powielane.
Wersja robocza skryptu z AEiUE – Gliwice 2013
W najprostszym przypadku do przestrajania obwodu rezonansowego moŜe być zastosowana dioda
pojemnościowa spolaryzowana wstępnie w kierunku zaporowym. Zmiana polaryzacji, wymuszona
sygnałem modulującym spowoduje zmianę pojemności diody, a więc przestrojenie generatora.
Rys.1.8 Generator Colpittsa jako modulator częstotliwości
Na schemacie (rys. 11.8) przedstawiono układ generatora Colpittsa, w którym jedną z dzielonych
pojemności zastąpiono diodą pojemnościową C
5
spolaryzowaną w kierunku zaporowym (w obwodzie:
U
CC
, dławik w.cz. i rezystor R
3
).
Wartość chwilowa napięcia polaryzującego diodę jest sumą
napięcia polaryzacji wstępnej i napięcia modulującego. W zaleŜności od wartości napięcia
modulującego zmienia się pojemność diody, a więc zmienia się równieŜ częstotliwość
generatora. Przy zerowym sygnale modulującym generator wytwarza przebieg nośny
o częstotliwości
ω
n
. Gdy wartość napięcia modulującego rośnie, wzrasta równieŜ pojemność
diody i zmniejsza się wówczas częstotliwość generatora opisana zaleŜnością:
4
5
4
4
1
gr
C
C
L
C
C
ω =
⋅
+
(11.16)
Zamiast diody pojemnościowej do obwodu rezonansowego generatora moŜe być
przyłączony układ, którego impedancja wyjściowa ma charakter czysto reaktancyjny o wartości
zmieniającej się wraz z sygnałem modulującym.
2.3.
Demodulacja AM i FM
Demodulacja jest procesem odwrotnym do modulacji i polega na uzyskiwaniu informacji
z przebiegu zmodulowanego. Proces ten ma miejsce w układach demodulatorów, zwanych równieŜ
detektorami. Istnieją dwie podstawowe metody demodulacji amplitudy:
•
synchroniczna (koherentna) – polega na wymnoŜeniu sygnału zmodulowanego z sygnałem nośnym
odtworzonym w odbiorniku, a następnie produkt mnoŜenia podawany jest na filtr
dolnoprzepustowy o odpowiednio dobranej częstotliwości. Warunkiem prawidłowego odtworzenia
sygnału zmodulowanego jest aby sygnał fali nośnej odtworzony w odbiorniku miał tą sama
pulsacje ω
n
oraz fazę początkową φ
n
.
•
asynchroniczna – polega na wydzieleniu obwiedni sygnału zmodulowanego w układzie zwanym
detektorami obwiedni. Układy te pozwalają na detekcję sygnału bez konieczności synchronizacji ze
źródłem sygnału nośnego.
Przykładem demodulatora amplitudy jest detektor szczytowy przedstawiony na rys. 11.9. Jest to
układ nieliniowy zawierający diodę i dwójnik równoległy RC. W odcinkach czasu, gdy dioda jest
spolaryzowana w kierunku przewodzenia, następuje doładowanie kondensatora do chwilowej szczytowej
wartości sygnału zmodulowanego. W odcinkach czasu, gdy dioda jest spolaryzowana zaporowo,
8
Analogowe Elementy i Układy Elektroniki
Materiały powielane.
Wersja robocza skryptu z AEiUE – Gliwice 2013
kondensator rozładowuje się o niewielką wartość napięcia. JeŜeli stała czasowa ładowania będzie mała
w porównaniu z okresem fali nośnej, a stała czasowa rozładowania dostatecznie duŜa to na wyjściu
detektora powstaje sygnał proporcjonalny do obwiedni sygnału zmodulowanego. Proces śledzenia jest
tym dokładniejszy, im większa jest częstotliwość fali nośnej.
Rys. 11.9 Detektor szczytowy: a) schemat, b)przebieg napięcia zdemodulowanego
Demodulacja przebiegów zmodulowanych częstotliwościowo realizowana jest w trzech etapach.
W pierwszym następuje ograniczenie amplitudy, w celu pozbycia się modulacji amplitudy wynikającej
z zakłóceń i szumów. W drugim etapie, następuję dyskryminacja częstotliwości jest to proces, w którym
sygnał zmodulowany częstotliwościowo FM jest przetwarzany na sygnał zmodulowany amplitudowo.
Dlatego w pierwszym etapie następuje eliminacja pasoŜytniczej modulacji amplitudy. W ostatnim etapie,
następuje wydzielenie informacyjnego za pomocą jednej z metod demodulacji amplitudy.
Funkcję najprostszego dyskryminatora częstotliwości moŜe pełnić np. wzmacniacz selektywny LC
o częstotliwości rezonansowej dobranej tak, aby częstotliwość przebiegu nośnego f
n
wypadała na zboczu
charakterystyki amplitudowej wzmacniacza (rys. 11.10) Przy zmianie częstotliwości sygnału
wejściowego o dewiację ∆f wokół częstotliwości f
n
, na wyjściu wzmacniacza otrzymuje się przebieg o
zmodulowanej amplitudzie zaleŜnej od ∆f.
Rys. 11.10 Charakterystyka obwodu rezonansowego
Przykładem układu realizującego demodulacje częstotliwości jest detektor stosunkowy (rys. 11.11).
Zasada działania tego polega na wytworzeniu dwóch napięć wzajemnie przesuniętych w fazie o wartość
kąta zaleŜną od częstotliwości sygnału wejściowego. Przebieg zmodulowany jest podawany na wejście
selektywnego wzmacniacza-ogranicznika, którego zadaniem jest zapewnienie stałej amplitudy tego
przebiegu. Wzajemnie sprzęŜone indukcyjnie obwody rezonansowe L
1
C
1
i L
2
C
2
, dostrojone są do pulsacji
przebiegu nośnego ω
n
i stanowią właściwy układ dyskryminatora fazy.
Dla częstotliwości sygnału, równej częstotliwości rezonansowej napięcie, u
1
i u
2
są przesunięte
w fazie o kąt 90°. Napięcia węzły X i Y są równe, co do wartości bezwzględnej, lecz przesunięte w fazie
o 180°. Wartość napięcia wyjściowe jest równa zero. JeŜeli częstotliwość przebiegu zmodulowanego
rośnie powyŜej f
n
, to reaktancja obwodu rezonansowego L
2
C
2
przyjmuje charakter indukcyjny
i przesunięcie fazowe napięcia u
2
względem u
1
zwiększa się (przekracza 90°). Wówczas napięcie węźle X
Instrukcja do ćwiczenia – Modulacja i Demodulacja
9
Materiały powielane.
Wersja robocza skryptu z AEiUE – Gliwice 2013
rośnie, a węŜle Y maleje o tą sama wartość. Wskutek czego spadek napięcia na rezystorze R
2
zwiększa
się, podczas gdy na R
3
maleje. Na wyjściu układu otrzymujemy napięcie dodatnie. Gdy częstotliwość
przebiegu zmodulowanego maleje poniŜej f
n
, proces ten zachodzi odwrotnie. Reaktancja obwodu
rezonansowego L
2
C
2
ma charakter pojemnościowy, a więc przesunięcie fazowe między napięciem u
2
a u
1
,
maleje (poniŜej 90°). Na wyjściu otrzymujemy napięcie ujemne. Wartość chwilowa napięcia
wyjściowego jest więc proporcjonalna do częstotliwości sygnału wejściowego.
Rys.11.11 Detektor stosunkowy
3.
Przebieg ćwiczenia
3.1.
Opis stanowiska laboratoryjnego
Stanowisko laboratoryjne do badania układów modulacji i demodulacji słuŜy do pomiaru wpływu
parametrów modulacji na zniekształcenia nieliniowe. Stanowisko laboratoryjne składa się
z poszczególnych modułów, które realizują poszczególne funkcje:
•
moduł składający się z generatora wielkiej częstotliwości, modulatora FM i modulatora AM.
Moduł ten realizuje modulację sygnałów oraz generuje fale nośna o częstotliwości 6,5 MHz,
•
moduły demodulatorów AM oraz FM,
•
moduł generatora wzorcowego 1 kHz i kalibratora do miernika zniekształceń harmonicznych,
•
moduł filtrów górnoprzepustowych o częstotliwości środkowej 1kHz,
•
przetwornik szczytowy wyskalowany dla wartości skutecznej napięcia,
•
miliwoltomierz cyfrowy miernika zniekształceń,
•
miliwoltomierz cyfrowy wraz z dodatkowym przetwornikiem wartości szczytowej napięcia. Moduł
słuŜy jako wskaźnik regulacji napięcia modulującego.
Za pomocą przełączników następuje wybór układu pomiarowego. ObciąŜenie badanych układów
stanowią rezystory wieloobrotowe. Gniazda BNC umoŜliwiają obserwację przebiegów na ekranie
oscyloskopu bez konieczności uŜywania sond pomiarowych. Pozwalają one na zaobserwowanie
przebiegów wielkości w róŜnych punktach układu zasiania.
Moduł generatora wzorcowego, kalibratora zniekształceń, moduł filtrów, moduł przetwornika
szczytowego oraz miliwoltomierz tworzą miernik zniekształceń harmonicznych THD (Total Harmonic
Distortion). Działanie miernika THD oparte jest na zastosowaniu filtru selektywnego dostrojonego do
zadanej częstotliwości. Pomiar zniekształceń THD jest równy stosunkowi sygnału będącego sumą
harmonicznych za wyjątkiem pierwszej harmonicznej do sygnału badanego zwierającego wszystkie
harmoniczne. Współczynnik zniekształceń THD, jest wyraŜony w procentach. Miernik THD umoŜliwia
pomiar zniekształceń jakie występują w procesie modulacji i demodulacji sygnału.
Generator wzorcowy wytwarza sygnał sinusoidalny o częstotliwości 1 kHz. Sygnał ten jest
wykorzystywany jako sygnał modulujący oraz jako sygnał wzorcowy wykorzystywany do kalibracji
miernika zniekształceń.
10
Analogowe Elementy i Układy Elektroniki
Materiały powielane.
Wersja robocza skryptu z AEiUE – Gliwice 2013
Moduł modulatorów składa się z dwóch układów scalonych: generatora sterowanego napięciem
(VCO) typu MC1648 oraz mieszacza zrównowaŜonego UL1042. W zaleŜności od trybu pracy układ
salony MC1648 pełni funkcję modulatora częstotliwości (FM) oraz generatora fali nośnej dla modulacji
amplitudy (AM). Układ scalony UL1042 pełni funkcję modulatora amplitudy (AM), lub teŜ przenosi bez
zmian sygnał zmodulowany częstotliwościowo na wyjściu modułu. Moduł ma dwa wejścia jedno jest
wejściem sygnału dla modulacji amplitudy, drugie dla modulacji częstotliwości. Generator VCO
wytwarza falę nośną potrzebną do modulacji amplitudy (AM) natomiast mieszacz UL1042 moduluje ją za
pomocą sygnału podanego na wejście modulacji amplitudowej. W trybie pracy FM generator VCO
pracuje jako modulator częstotliwości. Sygnał modulujący podawany jest na wejście modulacji
częstotliwościowej. Mieszacz UL1042 nie wykonuje Ŝadnej operacji w wyniku braku sygnału na wyjściu
amplitudowym. Przenosi, więc sygnał z generatora VCO na wyjście. Tryb pracy ustawiany jest za
pomocą przełącznika S4 umieszczonego na płycie czołowej stanowiska. Przełącznik S4 słuŜy do zmiany
trybu pracy (AM/FM).
Przetwornik szczytowy wchodzący w skład miernika zniekształceń jest wyskalowany w wartościach
skutecznych napięcia i połączony z woltomierzem zamieszczonym na płycie czołowej z prawej strony.
Woltomierz wskazuje wartość skuteczną przebiegu zdemodulowanego lub wartość skuteczną
zniekształceń.
3.2.
Wykonanie pomiaru zniekształceń dla modulacji amplitudowej (AM)
Do przeprowadzenia pomiaru zniekształceń naleŜy: i) ustawić przełącznik S3 w pozycji pomiaru
sygnału całkowitego, ii) odczytać wynik i ustawić przełącznik S3 w pozycji pomiary zniekształceń, iii)
w celu dokładniejszych wskazań miliwoltomierza naleŜy przełącznik S2 ustawić w pozycji x10,
a uzyskany pomiar naleŜy podzielić przez 10, iv) zniekształcenia naleŜy obliczyć na podstawie
zaleŜności, która została podana we wprowadzeniu do ćwiczenia, v) na podstawie przeprowadzonej serii
pomiarów naleŜy wykreślić charakterystykę zmian zniekształceń w funkcji głębokości modulacji.
Głębokość modulacji naleŜy obliczyć z zaleŜności podanej we wprowadzeniu do ćwiczenia zakładając, Ŝe
współczynnik proporcjonalności modulator AM k= 0,671 1/V.
3.3.
Obserwacja przebiegów na oscyloskopie modulacji amplitudowej
Za pomocą oscyloskopu naleŜy zaobserwować przebiegi: i) sygnału zmodulowanego amplitudowo
(gniazdo G5), ii) sygnału modulującego, iii) sygnału zdemodulowanego (gniazdo G7). Kształt
przebiegów zniekształceń moŜna zaobserwowana wyjściu G9 przełączając S3 w pozycje pomiaru
zniekształceń.
3.4.
Pomiar głębokości modulacji metodą oscyloskopową
Mierząc za pomocą oscyloskopu wartość maksymalną i minimalną obwiedni sygnału
zmodulowanego naleŜy wyznaczyć głębokość modulacji. Pomiar naleŜy przeprowadzić dla kilku wartości
amplitudy napięcia modulującego.
3.5.
Wykonanie pomiarów zniekształceń dla modulacji częstotliwościowej (FM)
Przełączając przełącznik S4 w pozycję FM naleŜy wykonać serię pomiarów tak jak dla modulacji
amplitudy. Na podstawie przeprowadzonych pomiarów naleŜy wykreślić charakterystykę zmian
zniekształceń w funkcji dewiacji częstotliwości. Czułość modulatora k
f
jest równa 285 1/V.
3.6.
Obserwacja przebiegów na oscyloskopie modulacji częstotliwościowej (FM)
Za pomocą oscyloskopu naleŜy zaobserwować przebiegi: i) sygnału zmodulowanego
częstotliwościowo (gniazdo G5), ii) sygnału modulującego oraz sygnału zdemodulowanego
(gniazdo G7). Kształt przebiegów zniekształceń moŜna zaobserwować na wyjściu G9 przełączając S3
w pozycje pomiaru zniekształceń.
4.
Opracowanie wyników pomiarów
1.
Omówić uzyskane na drodze pomiarowej przebiegi, określić wpływ zmian wartości współczynnika
modulacji na sygnał zmodulowany,
2.
Wykreślić charakterystykę zmian zniekształceń w funkcji głębokości modulacji,
3.
Wyznaczyć głębokość modulacji (współczynnik proporcjonalności modulator AM k= 0,671 1/V,
Instrukcja do ćwiczenia – Modulacja i Demodulacja
11
Materiały powielane.
Wersja robocza skryptu z AEiUE – Gliwice 2013
4.
Wykreślić charakterystykę zmian zniekształceń w funkcji dewiacji częstotliwości (współczynnik
proporcjonalności modulator FM k
f
= 285 1/V).
5.
Pytania kontrolne
1.
Na czym polega modulacja amplitudowa (AM)?
2.
Co to jest głębokość modulacji?
3.
Na czym polegają róŜnice pomiędzy modulacją AM-DSB a modulacją AM-SSB?
4.
Omów zasadę działania modulatora i demodulatora amplitudy.
5.
Na czym polega modulacja częstotliwościowa (FM)?
6.
Co to jest dewiacja częstotliwości?
7.
Omów zasadę działania modulatora i demodulatora przebiegu zmodulowanego częstotliwościowo.
Literatura
1.
Horowitz P., Hill W,: Sztuka elektroniki I, WKŁ, Warszawa 2001.
2.
Hyla M.: Radioelektronika. Wydawnictwo Pol. Śl. Gliwice 2006.
3.
Malzacher S. (red.): Laboratorium Elektroniki II. Skrypt Pol. Śl. Gliwice1996.
4.
Miłek M.(red.): Laboratorium z podstaw elektroniki. Skrypt Pol. Śl. Gliwice 1993.
5.
Miłek M: Elektronika dla elektroników. Skrypt Pol. Śl. Gliwice 1981.
6.
Pióro B., Pióro M.: Podstawy elektroniki. WSiP Warszawa 1997.
7.
Rusek M., Pasierbiński J.: Elementy i układy elektroniczne w pytaniach i odpowiedziach.
WNT Warszawa 1999.
8.
Tietze U., Schenk Ch.: Układy półprzewodnikowe. WNT, Warszawa 1997.