Szám: L103 Mérési útmutató Labor gyakorlat (NGB_TA009_1) laboratóriumi gyakorlathoz Készítette: Szemenyei Balázs BSc hallgató Konzulens: Vári Péter, Soós Károly Győr, 2011. szeptember 7.
A laborgyakorlat célja az analóg amplitúdómoduláció (AM) különböző típusainak vizsgálata. A vizsgálat során a hallgató megismerkedhet az AM jelek előállításával és demodulálásával. Megismeri az oszcilloszkóp alapvető funkcióit. Megvizsgálja a modulált jel idő- és frekvenciatartománybeli alakját. Szükséges eszközök: Emona TIMS 301 Szükséges modulok: 1db audió oszcillátor (AUDIO OSCILLATOR) 1db szorzó (MULTIPLIER) 1db összeadó (ADDER) 1db hasznos egységek (UTILITIES) 1db feszültségvezérelt oszcillátor (VCO) 1db fázistoló (PHASE SHIFTER) 1db kvadratúra fázisosztó (QADRATURE PHASE SPLITTER) 1db hangolható alul áteresztő szűrő (TUNABLE LPF) Agilent 56421A - kétcsatornás oszcilloszkóp
1. Elméleti összefoglaló A telegráf időszakában az információt úgy vitték át, hogy a kisugárzott rádiójelet megszaggatták. Később a rádióhullám (vivő) amplitúdóját változtatták egy moduláló jellel. Ez a moduláló jel például a beszéd. Ezt nevezzük amplitúdó modulációnak (AM). Az átviendő üzenet a vivő burkolójából állítható vissza. Az AM moduláció célja egy időben folytonos jelet lehetőleg torzítás mentesen egy rádiócsatornán átvinni. A modulációs eljárás során az átviendő alapsávi jel spektrumát frekvenciatranszponálás segítségével rádiófrekvenciás (RF) sávba helyezzük. Az AM jel: u AM (t) = [U v + U m cos(ω m t)] cos(ω v t) Ahol: u AM (t) - az AM jel időtartománybeli alakja U m - a moduláló jel amplitúdója U v - a vivő amplitúdója ω m - a moduláló jel körfrekvenciája ω v - a vivő körfrekvenciája Az 1. ábrán látható egy koszinuszos jellel modulált AM jel időtartománybeli képe. Az u m (t) moduláló jel DC és AC komponenst is tartalmaz. Amint látni fogjuk, a DC komponens segítségével változtathatjuk a modulációs mélységet. Az AC komponens maga a moduláló jel, jelöljük m(t)-vel. Szigorúan véve az üzenet: u m (t) = DC + m(t) 3
1. ábra Az AM modulátor blokkvázlata a korábbiakban leírtak szerint: 2. ábra 4
A következő ábrán látható egy 100% modulációs mélységű AM jel időtartománybeli alakja oszcilloszkópon: 3. ábra Modulációs mélység A moduláló jel változtatja a vivő U v amplitúdóját, ahogy az 1. ábrán is láttuk. A modulációs mélység, vagy modulációs együttható határozza meg, hogy a moduláló jel adott amplitúdójához a vivő pillanatnyi amplitúdójának mekkora változása tartozik. A modulációs mélység: U m AM = U Ha a modulációs mélység 100%, a vivőjel amplitúdója szélső esetben nullára csökken. (3. ábra) Ha a modulációs mélység ennél kisebb, a modulált jel burkolója a moduláló jellel egyezik meg, burkoló demodulátorral visszanyerhető. A 4. ábrán látható a modulált és a moduláló jel. Az bal oldali ábrán a modulációs mélység kisebb 1-nél, a középsőn 1, a jobb oldalin pedig nagyobb, mint 1. m AM > 1 esetén (100% fölötti modulációs mélység) jel burkolója nem egyezik meg a vivőt moduláló jellel. Ez a burkoló visszaállításán alapuló demodulátorok esetén torzításhoz vezet. Tehát az üzenet AC komponensének maximális amplitúdója nem lehet nagyobb, mint a DC összetevő értéke, mert az torzítást eredményez. m v 4. ábra 5
A modulációs mélység mérése A modulációs mélységet az AM jel időtartománybeli alakjából egyszerűen meghatározhatjuk. P és Q az 5. ábrán látható amplitúdó értékek. 5. ábra A modulációs mélység mérésére egy másik elterjedt módszer a trapéz-módszer. A előzőleg említett módszer csak abban az esetben alkalmazható a modulációs mélység megállapítására, amennyiben egyetlen szinusz jellel modulált vivőről beszélünk. Például beszéddel modulált AM jel vizsgálatára nem alkalmas. A trapéz-módszerrel bármilyen moduláló jel esetén meghatározhatjuk a modulációs mélységet kétcsatornás oszcilloszkóp segítségével. Ehhez csatlakoztassuk a moduláló jelet a műszer X, a modulált jelet az Y csatornájára, és X-Y módban vizsgáljuk modulációs mélységet. Az 6. ábrán látható P és Q értékekből a korábban látott összefüggés alapján a modulációs mélység egyszerűen meghatározható. 6. ábra 6
Az AM jel spektruma A jelek frekvenciatartománybeli képét spektrumnak nevezzük. Az időtartománybeli jelből Fourier-transzformációval kaphatjuk meg. A szinuszos jellel modulált AM frekvenciatartománybeli alakját a 7. ábrán láthatjuk. A vivőfrekvenciás jel mellett a moduláló jel frekvenciájával megegyező távolságra helyezkednek el a moduláló szinusz jelek. Természetesen a legritkább esetben beszélhetünk szinuszos jellel modulált vivőről, de a szemléltetés szempontjából ez a legcélszerűbb, hiszen szinuszos jelek összességéből egy tetszőleges jel előállítható. 7. ábra Az AM modulációnak több fajtája is létezik pl. a DSB/SC (double side band/suppressed carrier) ami az eredeti kétoldalsávos jellel a vivőt nem viszi át. Ez azért jó, mert ebben az esetben nem kell DC komponenst átvinnünk. AM-SSB (single side band) esetén egy oldalsáv elnyomása azért lehetséges, mert a továbbított információt az egyik oldalsáv teljes egészében tartalmazza. A különböző típusú AM jelek spektrumát a 8. ábra szemlélteti. 7
8. ábra Demodulálás A demodulátor feladata a modulált rádiófrekvenciás jelből visszanyerni az alapsávi (moduláló) jelet. A 9. ábrán látható egy demodulátor felépítése. Ha C kondenzátor nem lenne az áramkörben, a dióda a bemenetre adott AM-DSB jel pozitív félperiódusaiban nyitna, ekkor a kimeneten a dióda nyitófeszültségével (germánium dióda: 0,1-0,2 V) csökkentett bemenő feszültség jelenne meg, míg a negatív félperiódusokban a dióda lezár, és ezekben az időszakokban a kimenő feszültség 0 lenne. Az ennek megfelelő kimenő jelalakot láthatjuk a középső 8
grafikonon. A C kondenzátor azonban a dióda nyitott állapotában feltöltődik, és amennyiben RC időállandó helyesen van beállítva, a dióda lezárt állapotában csak csekély mértékben sül ki. Így az u kimenő feszültség jó közelítéssel követi az AM-DSB jel burkolójának alakját, amely maga a demodulált alapsávi jel (alsó ábra). Az ilyen rendszerű demodulátort burkoló demodulátornak nevezik. 9. ábra Elnyomott vivőjű moduláció esetén nem használhatunk a demoduláláshoz burkoló demodulátort, mert a moduláló jel nem egyezik meg a modulált jel burkolójával. Erre a célra szorzó demodulátort szokás használni. 9
2. Feladatok 2.1. Az AM modulátor összeépítése 10. ábra 1. Kapcsolja össze az AUDIO OSCILLATOR sin(ωt) kimenetét az ADDER modul A bemenetével! 2. Kösse össze a VARIABLE DC modul DC kimenetét az összeadó B bemenetével! 3. Kösse össze az ADDER kimenetét és a MULTIPLIER X bemenetét! 4. Csatlakoztassa a MASTER SIGNALS egység sin(ωt) kimenetét a MULTIPLIER Y bemenetére! 5. Állítson be 1 khz-es moduláló jelet! Ehhez egy kábel segítségével csatlakoztassa a FREQUENCY COUNTER analóg bemenetére az AUDIO OSZCILLATOR sin(ωt) kimenetét! Válassza ki a frekvenciamérőn valamelyik időablakot a tekerőgomb segítségével! Majd az AUDIO OSCILLATOR f tekerőgombjának segítségével állítson be 1 khz-t! 6. Csatlakoztassa a MULTIPLIER kxy kimenetét a PC-BASED INSTRUMENT INPUTS modul CH1 INPUT A1 bemenetére! 7. Egy BNC + -BNC + kábel segítségével kösse a PC-BASED INSTRUMENT INPUTS modul CH1 OUTPUT kimenetét az oszcilloszkóp Y csatornájára! (A panelen a felső kapcsoló legyen A1 állásba állítva.) 10
8. Jelenítse meg az oszcilloszkóp X csatornáján a moduláló jelet! Ehhez csatlakoztassa a AUDIO OSCILLATOR sin(ωt) kimenetét a PC-BASED INSTRUMENT INPUTS modul CH2 INPUT B1 bemenetére! 9. Egy BNC+-BNC+ kábel segítségével kösse a PC-BASED INSTRUMENT INPUTS modul CH2 OUTPUT kimenetét az oszcilloszkóp X csatornájára! (A panelen az alsó kapcsoló legyen B1 állásba állítva.) 10. Állítsa be az oszcilloszkópon, hogy a műszer a 1-s csatornáról vegye a trigger jelet, az Edge gomb, és a 1-s csatorna kiválasztásával. 2.2. Általános AM jel vizsgálata 1. Figyelje meg az alábbi kezelőszervek működését, és a tapasztalatait jegyezze le a jegyzőkönyvbe: ADDER G és g tekerőgombja, VARIABLE DC V tekerőgombja. 2. DC feszültség hozzáadásával állítson be egy tetszőleges modulációs mélységű jelet. 3. Az 5. ábra alapján határozza meg az AM jel modulációs mélységét. Az amplitúdó méréséhez használja az oszcilloszkóp kurzorait (Cursors gomb). 4. Számolja ki a modulációs mélységet, majd írja be a jegyzőkönyvbe. 5. Mentse le az oszcilloszkóp kijelzőjét, és rögzítse a képet a mérési jegyzőkönyvben! 11. ábra 6. Vizsgálja meg a modulációs mélységet a trapéz módszerrel is. Ehhez kapcsolja az oszcilloszkópot XY módba. (Main\Delayed XY) 11
7. Az 6. ábra szerint határozza meg a modulációs mélységet, a számítás módját és eredményét írja be a jegyzőkönyvbe. 8. Mentse le az oszcilloszkóp kijelzőjét, és rögzítse a képet a mérési jegyzőkönyvben! 12. ábra 2.3. 100%-os AM jel vizsgálata 1. DC feszültség hozzáadásával állítson be egy 100% modulációs mélységű jelet! 2. Mentse le az oszcilloszkóp kijelzőjét, és rögzítse a képet a mérési jegyzőkönyvben! 3. Mentse le a trapéz módszer képét is az oszcilloszkópról! 2.4. az AM jel spektrumának vizsgálata 1. A DC feszültség változtatásával állítson be egy tetszőleges modulációs mélységű jelet! 2. Az modulált jel spektrumának megjelenítéséhez nyomja meg az oszcilloszkóp Math gombját! Ekkor automatikusan az FFT funkció lesz kiválasztva. (FFT = Fast Fourier Transformation) 3. Kapcsolja ki az X és az Y csatornán megjelenő jeleket az 1 és a 2 gomb kétszeri megnyomásával! 12
4. A műszeren állítsa be a következő beállításokat: a. Math: FFT b. FFT Sample Rate = 400 ksa/s (az időalap változtatásával állítható) c. Settings Source: 2 Span: 10 khz Center: 100 khz d. More FFT Window Hanning 5. Mentse le az oszcilloszkóp kijelzőjét, és rögzítse a képet a mérési jegyzőkönyvben! 6. Kapcsolja be az oszcilloszkóp Y csatornáját a kettes gomb megnyomásával, így egyszerre látható lesz az idő- és a frekvenciatartománybeli jel. 7. Változtassa a DC szintet, a moduláló jel amplitúdóját és frekvenciáját! Írja le, hogy mit tapasztal! 13. ábra 14. ábra 13
2.5. AM jel demodulálása 15. ábra 1. A modulált jelet (MUTLIPLIER kimenete) csatlakoztassa az UTILITIES modul RECTIFIER bemenetére! 2. A RECTIFIER kimenetét kösse egy TUNABLE LPF egység bemenetére! A szűrő kimenetén megjelenik a demodulált jel. 3. Jelenítse meg a modulált és a demodulált jelet oszcilloszkópon! A műszer kurzorai segítségével mérje meg a demodulált jel frekvenciáját! Mentse le az oszcilloszkóp kijelzőjét, és rögzítse a képet a mérési jegyzőkönyvben! 4. Változtassa a szűrő hangolóinak állását! Mit tapasztal? 2.6. az AM-DSB/SC jel vizsgálata 1. Szüntesse meg a DC szintet, ezzel DSB/SC jelet állított elő. 2. Jelenítse meg a modulált és a moduláló jelet valamint a spektrumképet oszcilloszkópon! Mit lát? Miért? Az AM-DSC/SC előállításának másik módja: 1. Kapcsolja össze az AUDIO OSCILLATOR sin(ωt) kimenetét az MULTIPLIER X bemenetével! 14
2. Figyelje meg a kezelőszervek hatását! Rögzítse a jegyzőkönyvbe, hogy mit tapasztal! 3. Oszcilloszkóp segítségével vizsgálja meg a modulált jel idő- és frekvenciatartománybeli alakját, és rögzítse a képet a mérési jegyzőkönyvben! 16. ábra 2.7. az AM-SSB jel vizsgálata 17. ábra 15
18. ábra 16
1. Építse össze az 18. ábrán látható összeállítást! 2. A fázistoló segítségével állítsa be, hogy a második MULTIPLIER Y bemenetére kapcsolt vivő fázisa 90 fázistolásban legyen az első MULTIPLIER Y bemenetére csatlakoztatotthoz képest! (Ehhez használja az oszcilloszkópot!) (A feladat megoldható PHASE SHIFTER nélkül is. Ekkor a második MULTIPLIER Y bemenetére a MASTER SIGNALS cos(ωt) jelét kapcsoljuk.) 3. Jelenítse meg a moduláló és a modulált jelet az oszcilloszkópon, mentse el az eredményeket, illessze be jegyzőkönyvbe! 4. Vizsgálja meg a jel spektrumát! 5. Változtassa a PHASE SHIFTER hangolását! Milyen változást tapasztal a spektrumban? 17
3. Ellenőrző kérdések 1. Rajzolja le az AM modulátor blokkvázlatát, és néhány mondatban ismertesse a működését! 2. Mi a modulációs mélység? 3. Hogyan mérné a modulációs mélységet AM-DSB jel esetében? 4. Egy időtartománybeli jelalakból hogy kaphatjuk meg a jel frekvenciatartománybeli alakját? 5. Rajzolja le az AM-DSB és DSB/SC jelek idő és frekvenciatartománybeli képét! 6. Rajzolja le az AM-SSB és SSB/SC jelek idő és frekvenciatartománybeli képét! 7. Rajzoljon egy burkoló demodulátort, és ismertesse a működését! 4. Jegyzőkönyv A jegyzőkönyvben szerepelni kell az alábbi adatokat ábrázoló oszcilloszkópról mentett képeknek és a hozzájuk tartozó rövid leírásnak és a feltett kérdésekre adott válaszokat. Mit tapasztal AM-DSB összeállítás esetén az ADDER G és g valamint a VARIABLE DC V kezelőszervek állításakor? Egy tetszőleges modulációs mélységű AM jel idő- és frekvenciatartománybeli alakja, és a modulációs mélység kiszámítása a megismert két féle módszerrel. A 100%-os AM jel időtartománybeli alakja és a trapéz-módszerrel megjelenített képe. Egy tetszőleges modulációs mélységű AM jel demodulált és a moduláló jelnek az összehasonlítása oszcilloszkópon. AM-DSB/SC jel idő- és frekvenciatartománybeli képe. AM-SSB jel idő- és frekvenciatartománybeli képe. 5. Irodalomjegyzék [1.] Dr. Ferenczy Pál - Hírközléselmélet Tankönyvkiadó, 1972 [2.] Dr. Tolnai János - Rádióamatőr vizsgára felkészítő tananyag Puskás Tivadar Távközlési Technikum [3.] Tim Hooper - Communication Systems Modelling with EMONA TIMS Volume A1 Fundamental Analog Experiments [4.] TIMS-301 user manual 18