SZÉCHENYI ISTVÁN EGYETEM MŰSZAKI TUDOMÁNYI KAR TÁVKÖZLÉSI TANSZÉK Mérési útmutató Laboratóriumi gyakorlatok 1. FM rádióadás készítése és vétele Győr, 2015. február 4.
Feltételek, célok Alapok: Amplitúdómoduláció, frekvenciamoduláció, fázismoduláció, feszültségvezérelt oszcillátor, komparátor ismerete, oszcilloszkóp kezelésének alapismerete. Komparátor, nullátmenet, modulációs index, löket fogalmának ismerete, löket, modulációs index és moduláló jel kapcsolatának ismerete [1]. Fogalmak, képletek elmélete a gyakorlat beugró kérdései között szerepelnek. Cél: FM elméleti alapok áttekintése, FM moduláció létrehozása adott paraméterekkel, zajos csatorna létrehozása, tesztjelre, zenére gyakorolt hatás megfigyelése vevővel. TIMS gyakorlórendszer megismerése. Akár saját telefonról játszott zenével is elvégezhető ez a vizsgálat. FM moduláció A frekvenciamoduláció az analóg modulációs eljárások családjába tartozik. A moduláló jel pillanatnyi kitérésének függvényében a modulátor a vivőjel frekvenciáját változtatja. Ha éppen nincs moduláló jel, vagy ebben a pillanatban null-átmenetben van a jel, akkor az eredeti vivőfrekvencia jelenik meg a kimeneten. A moduláló hullám nullától való távolodása közben egy adott mennyiség, a modulációs index, és annak kiszámítási módja alapján ez a frekvenciaérték csökken, vagy nő. A moduláló jel, hang, zene maximális kitérésekor (dob, erős hang által keltett nagy amplitúdó) megjelenő pillanatnyi modulált frekvenciaérték a vivőfrekvenciától éppen a löket által jelentett frekvenciaérték távolságban van, tehát a vivőfrekvenciától való maximális frekvencia-eltérés a löket (negatívban és pozitív irányban is azonos érték) 1
Az amplitúdómodulációval ellentétben úgynevezett konstans burkolós modulációs eljárás, amely igen előnyös tulajdonság, az ilyen modulációval előállított rádiójel amplitúdója nem változik, az alkalmazott erősítő teljesítménykarakterisztikáján egy pontot jelent, így akár nemlineáris erősítőt is alkalmazhatunk alakhű jelátvitel mellett, amelyből pedig logikusan következik hogy sokkal effektívebb energiafelhasználás szempontjából, lineáris erősítőt követelő modulációkkal szemben. Rádiófrekvenciás spektrumban értelmezett tulajdonságai révén nagyságrendekkel jobb a zajtűrése az AM-hoz képest. Mennél nagyobb a modulációs index, annál több összetevő jelenik meg, emelkedik ki a zajból a Bessel függvénynek megfelelően, a löket, így a jel sávszélessége is nagyobb, és ezek a Bessel összetevők megosztják egymás között az átvinni kívánt információ terhét. 2
FM adó összeállítás 1. Vivőfrekvencia beállítása A kábelek színeit és hosszát úgy válassza meg, hogy a végeredményül kapott gubanc könnyedén átlátható legyen! Használható floppy lemez legyen a keze ügyében, formázva, üresen! A készülő képek fájlneveit (00.tif, 01.tif) írja egy papírra, lássa el saját magát segítő megjegyzésekkel! (melyik feladathoz készült, milyen jelenséget lehet vele magyarázni) Összesen 1 slotra, modulra lesz szüksége a TIMS-ben, a modulátor létrehozásához! Ügyeljen a modul helyes becsúsztatására! FM modulációs adó létrehozásához mindössze egyetlen modul, a feszültségvezérelt oszcillátor szükséges. A VCO kapcsolója legyen HI állásban! A felső potméter majd a löket beállítására használatos, az alsó pedig a vivőfrekvencia beállítására. A VCO modult úgy helyezze el, hogy a jobb oldalon még elférjen 7 modul! A VCO kimenetén sin(ωt) legyen 100 khz! Bemenetén legyen 0V! A beállításra 4 módszer alkalmazható, egy oszcilloszkópos mérési eljárás kötelező: a. Használhatja a TIMS alapvető frekvenciamérőjét, az kijelzett érték legyen 100,00 +- 0,03 khz! A VCO kimenetét vezesse a frekvenciamérőre! b. Használhatja a 100 khz CARRIER vivőjelet a TIMS alapmoduljáról. Ezt a jelet vezesse az oszcilloszkóp egyik bemenetére, a VCO kimenetét pedig a másik bemenetre, XY üzemmódban pedig addig állítsa a VCO alsó potméterét, hogy az ábra ne mozogjon, csak egy álló kört, oválist vagy átlót lásson. Ez nem fog sikerülni, de meg lehet közelíteni az állapotot! Main/delayed -> XY, a vertikális állítógombokkal helyezze középre az ábrát. Utility -> Print configuration -> Print to -> Disk 3
Utility -> Print configuration -> Format ->.TIF Quick Print gomb segítségével készítsen floppyra képet! c. A VCO kimenetét vezesse az oszcilloszkóp egyik bemenetére, majd MAIN üzemmódban mérje a frekvenciát, miközben a VCO alsó potméterét tekeri! Készítsen floppyra képet! (Quick Print) Main/Delayed -> Main Quick meas -> Source 1 -> Select Freq -> Measure Freq d. A VCO kimenetét vezesse az oszcilloszkóp 1-es bementére, majd frekvenciaspektrumban állítsa a szinuszjelet jelentő diszkrét frekvenciatüskét az előre 100 khz-re állított markervonalra a VCO potméterével! Math -> FFT -> Settings -> Source 1 -> Span 200 khz -> Center 100 khz -> Horizontal knob (Bal nagy időtekerentyű) 400 ksa/s szimbólumsebességig állítva. Cursor -> X1 100 khz Készítsen floppyra képet! (Quick Print) 2. Modulációs index beállítása Tesztüzem alkalmával egy tesztjellel állítsa be a 17,5-ös modulációs indexet! 2 khz-es tesztjel áll rendelkezésére a TIMS MASTER SIGNAL alapmoduljának 2 khz MESSAGE kimenetéről, a frekvenciamérőtől balra. Az [1] irodalomból az otthoni felkészülés alatt megtanult modulációs index képletének segítségével számolja ki a 2 khz-es modulálójelhez tartozó löketet! A VCO felső potméterével határozza meg, hogy mekkora frekvenciaeltérés jöjjön létre adott bemenetre válaszul. A VCO felső potméterének tekerésével állítsa be a kiszámolt löketet: 4
A 2 khz-es tesztjelet a VCO bemenetére (Vin), az oszcilloszkópra a VCO kimenetét vezesse, majd az oszcilloszkóp automatikus frekvenciamérésével határozza meg a pillanatnyilag elért frekvencialöketet a következőképpen: Az oszcilloszkóp 1-es bemenetére az FM jel kerüljön, a 2-es bemenetre a tesztjel. A Main/Delayed gomb alatt az üzemmódot állítsa MAIN-re! Az EDGE gomb megnyomásával a triggert állítsa be az 2-es bemenetre, így a kép rögzül a tesztjel nullátmeneténél. A triggerszintet a jobb oldali LEVEL gombbal tudja állítani! A triggerszint legyen 0V! Így most egymás felett látja mindkét csatorna jelét. Jól látható hogy a moduláló jel teljes kitéréseknél a modulált jel minimum és maximum frekvenciákat ér el. Válassza ki a moduláló jel maximum-, vagy minimumhelyet, közelítsen rá időtartományban, hogy a modulált jelből 2 periódus látsszon (Ahogy az alábbi ábrákon látható)! A bal felső potméter segítségével válassza meg az időszeletet, és automatikus frekvenciaméréssel mérje a frekvenciát miközben a VCO felső potméterét tekeri. Main/Delayed -> Main Quick meas -> Source 1 -> Select Freq -> Measure Freq Készítsen floppyra képet! (Quick Print) 5
A 2 khz modulálójelhez tartozó löketet tehát meghatározta, ezen keresztül a modulációs index fixen 17,5 marad. Eltérő moduláló frekvenciákon természetesen a löket is változik, ahogy majd a hangmoduláció (zene) hatására láthatóvá válik. 16 khz moduláló frekvencia 17,5 modulációs indexxel 560 khz-es sávszélességet eredményez, azonban ez speciális eset, erre a gyakorlatra megválasztott érték. A valódi mono FM rádiók (87 108 MHz) sávszélessége 150 khz, tehát a löket 75 khz a legnagyobb moduláló frekvencia pillanatában (16 khz). [3] Az oszcilloszkóp bemenetén vizsgált FM modulált jelből készítsen FFT spektrumképet, a korábban leírt FFT megjelenítési módszer szerint! Fontos, hogy a SOURCE érték az a bemenet legyen, amelyen az FM jel érkezik az oszcilloszkópra. Math -> FFT -> Settings -> Source 1,2 -> Span 200 khz -> Center 100 khz -> Horizontal knob (Bal nagy időtekerentyű) 400 ksa/s szimbólumsebességig állítva. Cursor -> X1 100 khz 6
3. Bemeneti hang szintjének beállítása A frekvenciamodulációs index, más néven a modulációs tényező függ a moduláló hang maximális amplitúdójától, ezért fontos, hogy a lejátszandó műsorhang dinamikája a teszthang amplitúdóján belül maradjon (hogy ne igényeljen még nagyobb sávszélességet), de azért használja ki a rendelkezésre álló tartományt (jobb a zajtűrés). Ehhez válasszon ki egy dinamikus zenét, akár internetről, akár a telefonjáról, és a mellékelt jack banán kábellel csatlakoztassa a kiválasztott eszközt (telefont, számítógépet) a TIMS egyik buffer erősítőjére. A BUFFER AMPLIFIERS modulon az A vagy B a bemenetek, a ka vagy kb a kimenetek. A hangot az erősítő kimenetéről elvezetheti a BNC kimeneteken keresztül a PC BASED INSTRUMENTS modulon keresztül a hangszóró kábelre. A1 -> BNC. A mellékelt BNC-jack kábel segítségével a hangszóróra vezetheti ezt a hangot, hogy a zenét figyelhesse, miközben vizsgál. Az erősítő kimenetét, valamint a 2 khz-es tesztjelet vezesse oszcilloszkópra, és a Quick Meas segítségével mérje mindkét csatornán jelenlevő jelek peak-to-peak feszültségét, (V Pk- Pk)! A V/osztás mindkét csatornán legyen azonos értékű! 7
Quick meas -> Source 1 -> Select Vpp -> Measure Vpp -> Source 2 -> Select Vpp -> Measure Vpp Az időtartományt állítsa 50 ms-ra! A lejátszott zene legdinamikusabb részénél figyelje a két jelet. Ha a zene nagydinamikás kitörés túllő a tesztjel amplitúdójánál, az erősítő potméterével szabályozza vissza. Ha nem éri el ez a csúcs a tesztjel amplitúdóját, akkor erősítsen a hangjelen! Figyelje a mért értékeket [Vpp]! Ha közel megegyeznek (ahogy az alábbi képen a mért értékek is mutatják), készítsen képet a floppyra! A tesztjelet szűntesse húzza ki, a buffer erősítőről a hangjelet vezesse be a modulátorára! Az oszcilloszkóp egyik bemenetére vezesse a buffer erősítő kimenetéről a hangjelet, a másikra az FM modulált jelet, figyelje meg a frekvenciaváltozást a hangjel hatására, nagy időtartományban, legalább 5 ms ban. Készítsen képet a floppylemezre! Az oszcilloszkóp bemenetén vizsgált FM modulált jelből készítsen FFT spektrumképet a floppylemezre, a korábban leírt FFT megjelenítési módszer szerint! Fontos, hogy a SOURCE érték az a bemenet legyen, amelyen az FM jel érkezik az oszcilloszkópra. Math -> FFT -> Settings -> Source 1,2 -> Span 200 khz -> Center 100 khz -> Horizontal knob (Bal nagy időtekerentyű) 400 ksa/s szimbólumsebességig állítva. Cursor -> X1 100 khz 8
4. FM vevő építése A leggyakrabban alkalmazott FM modulátor és demodulátorok mindig tartalmaznak PLL-t, fáziszárt hurkot. Ennek előállítása azonban hosszadalmas, és nem áll rendelkezésre annyi modul sem. Ezért egy egyszerű, az FM modulált adásból négyszögjel impulzusokat létrehozó demodulátort fog építeni. Ezek a négyszögjelek olyan gyakorisággal jelennek meg a kimeneten, ahogy az FM modulált jelen nullátmenetet észlel a demodulátor. Mivel a nullátmenet jellemzi az FM jel frekvenciáját, annak változását, ez időben változó kitöltési tényezőjű impulzusokat eredményez a kimeneten, amely teljesítményingadozást, változó hang amplitúdót jelent. A nullátmenet impulzusdemodulátor lelke a komparátor és az impulzusgenerátor. NOISE GENERATOR, 100 khz CHANNEL FILTER, UTILITIES, TWIN PULSE GENERATOR, TUNEABLE LPF modulokra lesz szükség. A NOISE GENERATORt tegye a VCO mellé, egy hely kihagyásával. A zajgenerátor feladata lesz a csatorna zajos mivoltát modellezni. Ne kössön semmit rá. A 100 khz CHANNEL FILTER egy szűrő, a vevőkészülék bemeneti szűrője lesz. A szűrő bemenetére tehát az FM jel kerül. A potméter legyen az 1-es állásban. Az 1-es állás az átmenet, a 2-es állás 135 khz aluláteresztő, a 3-as állás 85-125 khz sáváteresztő szűrő. A komparátor (COMPARATOR) észleli a nullátmenetet, amelynek felfutó élére az impulzusgenerátor létrehoz egy potméterrel szabályozható szélességű impulzust. Ahhoz hogy a komparátor észlelhesse a nullátmenetet, referenciafeszültségre van szüksége, tehát földre kell kötni az UTILITIES modul REF bemenetét. A COMPARATOR bal oldali bemenetére a szűrő kimenetéről érkező FM jelet kell kötni, jobb oldali kimenetét pedig az impulzusgenerátor TWIN PULSE GENERATOR CLK bemenetére. A TWIN PULSE GENERATOR modul WIDTH potmétere legyen letekerve. Az impulzusgenerátor kimenetét egy alul-áteresztő hangolható hangfrekvenciás szűrőre vezesse, TUNEABLE LPF modul bal alsó csatlakozójára. A TUNE potméter legyen teljesen feltekerve, a GAIN potméter pedig középtájra. Ezzel a GAIN potméterrel lehet majd erősíteni a kimeneti hangot. A TUNEABLE LPF kimenetét egy banán-bnc átalakítóra kösse, a PC BASED INSTRUMENT INPUTS alapmodulon. A BNC kimenetre kösse rá a BNC-jack átalakítót, amellyel a hangot vezesse a hangszóróra. 9
Ha van a modulátoron hangbemenet, azt hallania kell a hangszórón. Állítsa be a hangszóró hangerejét, hogy hallgató legyen a zene. 10
5. Feladatok a) Vezesse az oszcilloszkópra a modulátor bemenetét, és a demodulátor kimenetét, tehát a TUNEABLE LPF kimenetét! Hasonlítsa össze a két hanghullámot! Készítsen képet a floppy lemezre! b) Állítson be a NOISE GENERATOR modulon +14 db zajt, és egy banándugós vezetékkel vezesse a 100 khz CHANNEL FILTER bemenetére (a modulátor kimenetét ne húzza ki belőle)! Figyelje meg, mi történik a hanghullámokkal! Készítsen képet a floppy lemezre! c) Állítsa a CHANNEL FILTER potméterét a 2, majd a 3 állásba. Készítsen képet! d) Az oszcilloszkóp bemenetén csak a CHANNEL FILTER kimenete legyen, és FFT üzemmódban jelenítse meg a jelet! Ismételje meg a b) és c) feladatokat így is! Állítsa vissza szűrőt 1-es állásba. A NOISE GENERATOR instabil, ha túl nagy zajt szolgáltat, meg kell pöccinteni a potméterét! e) Magyarázza meg, miért javul a demodulált hang az aluláteresztő szűrő (2-es állás, 135 khz) bekapcsolásakor, az 1-es álláshoz (sima átmenet) képest! Az oszcilloszkóp 1-es csatornán legyen az FM modulált jel, FFT üzemmódban megjelenítve, a 2-es csatornán a demodulált hangjel időtartományban megjelenítve, vonjon le következtetést a két jelenség között! Készítsen képet is! f) Magyarázza meg miért romlik le a hang a sáváteresztő szűrő (3-as állás, 85 125 khz) bekapcsolásakor (a 2-es álláshoz képest)! Az oszcilloszkóp 1-es csatornán legyen az FM modulált jel, FFT üzemmódban megjelenítve, a 2-es csatornán a demodulált hangjel időtartományban megjelenítve, vonjon le következtetést a két jelenség között (érdemes kapcsolgatni a szűrőállapotokat)! Készítsen képet is! g) Fogalmazza meg, mi történik az FM jellel a modulátorban, demodulátorban a hangszóróig! h) Mentse a floppy lemezről a képeket a számítógép segítségével pendrive-ra, vagy töltse fel az email fiókjába, tárhelyére! A képekből és válaszokból készítsen.pdf dokumentumot, és azt küldje el osztályozásra a liszimate@gmail.com email címre! Irodalomjegyzék [1] http://wiki.ham.hu/index.php/löket [2] http://en.wikipedia.org/wiki/frequency_modulation [3] http://www.frekvencia.hu/modpl.htm 11