Главная страница
Навигация по странице:

  • ЛЕКЦИЯ 4. Реализация амплитудной модуляции ПЛАН ЛЕКЦИИ

  • 4.1. Осуществление амплитудной модуляции

  • 4.2. Демодуляция амплитудно-модулируемых сигналов Демодуляция

  • 4.3. Амплитудная манипуляция

  • 4.4. Полярная модуляция

  • ЛЕКЦИЯ 5. Частотная и фазовая модуляции ПЛАН ЛЕКЦИИ

  • 5.1. Частотная модуляция При частотной модуляции

    		•

    Курс лекций по специальности 140306 Электроника и автоматика физических установок


    Скачать 2.3 Mb.
    НазваниеКурс лекций по специальности 140306 Электроника и автоматика физических установок
    Дата24.05.2023
    Размер2.3 Mb.
    Формат файлаpdf
    Имя файлаLekcii_TK_TU.pdf
    ТипКурс лекций
    #1155929
    страница4 из 12
    1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   12

    3.7. Вопросы текущего контроля на лекциях по модулю «Общие
    понятия»
    Вариант №1 1. Место телемеханики в АСУ ТП.
    2. Понятие телемеханики.
    3. Дать определение линии связи.
    4. Виды сигналов и их характеристики.
    5. Основные функции телемеханики.
    6. Дать определение телемеханического канала связи.
    Вариант №2 1. Место телемеханики в АСУ ТП.
    2. Понятие телемеханической системы.
    3. Дать определение канала связи.
    4. Виды сигналов и их характеристики.
    5. Телемеханические сообщения. Характеристики телемеханических сообщений.
    6. Преобразование сигналов: модуляция, кодирование. Дать определение.

    Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №4 «Реализация амплитудной модуляции»
    38
    ЛЕКЦИЯ 4.
    Реализация амплитудной модуляции
    ПЛАН ЛЕКЦИИ
    4.1. Осуществление амплитудной модуляции
    4.2. Демодуляция амплитудно-модулируемых сигналов
    4.3. Амплитудная манипуляция
    4.4. Полярная модуляция
    4.1. Осуществление амплитудной модуляции
    Выражение для амплитудной модуляции:
     


     
    амс
    1
    cos cos
    o
    o
    U
    U
    m
    t
    t


      
     

    (4.1)
    Как следует из этого выражения АМ сигнал образуется перемножением двух колебаний: сообщения и «несущей». В простейшем случае для перемножения можно использовать схему с нелинейным элементом
    (например, с диодом). Вольтамперная характеристика нелинейного элемента выглядит, как представлено на рисунке 4.1 [2].
    I
    U
    см
    1
    Рисунок 4.1 Вольт – амперная характеристика нелинейного элемента

    Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №4 «Реализация амплитудной модуляции»
    39
    Кривая 1 на рисунке 4.1 описывается нелинейной зависимостью:
    2 0
    1 2
    i
    a
    a U
    a U

       
    ,
    (4.2) где I – ток, u – напряжение, a
    0
    , a
    2
    – коэффициенты многочлена.
    Входное напряжение U в общем виде (см. рисунок 4.2):
    c
    n
    U
    U
    U


    ,
    (4.3) где
     
    cos
    c
    U
    U
    t




    – сигнал сообщение, o
    0
    cos(
    )
    n
    U
    U
    t




    – сигнал
    «несущей».
    Полосовой фильтр нэ
    U
    c
    U
    n
    Рисунок 4.2
    Найдѐм выражение для тока:
     
     
     
     
     
    2 2
    0 1
    2 0
    1 2
    0 1
    1
    o
    0 2
    2 2
    2 2
    2
    o
    0 2
    o
    0
    (
    )
    (
    )
    cos cos
    2
    cos cos cos
    c
    n
    c
    n
    i
    a
    a U
    a U
    a
    a
    U
    U
    a
    U
    U
    a
    a U
    t
    a U
    t
    a U
    Cos
    t
    a U
    U
    t
    t
    a U
    t







       

     

     



     

      

     
     

       


     
      


    (4.4)
    Выполнив тригонометрические преобразования, можно получить:


     




     




    2 2
    2 2
    2 0
    o
    1 2
    o
    0 1
    o
    0 2
    2
    o
    2
    o
    0 0
    cos cos 2 2
    2
    cos cos cos 2 2
    a
    a U
    i
    a
    U
    U
    a U
    t
    t
    a U U Cos
    t
    t
    a U
    t
    a U
    a U U
    t
    t
    t















     
     

       
     

       

    (4.5)
    Из выражения (4.5) следует, что I содержит постоянную составляющую, составляющие нижних частот ( ,2 )
     
    , составляющую несущей частоты
    0
    (
    )

    , составляющие двух боковых частот (
    0
      
    и
    0
      
    ) и вторую гармонику несущей частоты.

    Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №4 «Реализация амплитудной модуляции»
    40
    С помощью фильтров ненужные составляющие подавляются. При АМ с
    ДБП выделяются три составляющие
    0 0
    (
    ,
       
    и
    0
    )
      
    , а при однополосной АМ выделяется лишь одна из боковых полос [2].
    На рисунке 4.3 представлена структурная схема простейшего пассивного
    АМ модулятора [2].
    U
    n
    U
    c
    U
    AMC
    с ДБП
    VD
    Рисунок 4.3 Простейший пассивный модулятор
    Модуляторы, в которых осуществляется подавление «несущей» и одной боковой полосы называют балансными [2]. Сигнал U

    , подаваемый через трансформатор
    1
    p
    T
    (см. рисунок 4.4), при отсутствии «несущей» не поступает на трансформатор
    2
    p
    T
    , так как диоды VD1 и VD2 включены встречно. Когда положительная полуволна «несущей» поступает в точку «3» трансформатора
    3
    p
    T
    , ток поступает через диоды, как показано стрелками, и диоды открываются, в результате чего падение напряжения на них уменьшается почти до нуля. Это обеспечивает протекание тока через диоды от сигнала
    U

    Воздействуя на нелинейный элемент, сигнал и «несущая» согласно выражению:
    0 0
    0 0
    0 2
    2 2
    2 2
    0 1
    2 0
    2 2
    1 0
    2 0
    0
    (
    )
    cos cos 2
    (
    )
    2 2
    cos cos(
    )
    cos 2 2
    a
    a U
    i
    a
    U
    U
    a U
    t
    t
    a U U Cos
    t
    t
    a U
    a U
    t
    a U U
    t
    t
    t















     
     
       

     
       

    (4.6)

    Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №4 «Реализация амплитудной модуляции»
    41 будут образовывать ряд колебаний (в том числе «несущую» и две боковых полосы). Так как несущая на фильтр ПФ не поступает, то с выхода трансформатора
    2
    p
    T
    будут сниматься боковые частоты
    0
    (
    )
      
    и
    0
    (
    )
      
    Одна из этих частот с помощью фильтра выделяется (например, верхняя, как на рисунке 4.4), другая подавляется.
    AM
    с ОДБ
    Tp
    1
    Tp
    2
    VD1
    VD2 1
    2 3
    4
    Tp
    3
    U

    o
    ПФ
    U
    Ω
    Рисунок 4.4 Балансный модулятор
    Между плечами балансного модулятора всегда имеется некоторая асимметрия, поэтому несущая частота не компенсируется полностью. Кроме того, на выходе трансформатора
    2
    p
    T
    присутствует частота

    и еѐ гармоники.
    Для избавления от гармоник частоты модуляции применяют специальную схему балансного модулятора, так называемый кольцевой модулятор. В кольцевом модуляторе используется амплитудная модуляция (в некоторых случаях с подавлением «несущей»), которая получается простым перемножением двух сигналов. Это перемножение дает новый сигнал, который содержит частоты, которых нет во входных сигналах, точнее результат перемножения дает сумму и разность частот входных сигналов
    (верхняя и нижняя боковые полосы). Кольцевой модулятор состоит из кольца из четырех диодов (отсюда название «кольцевой модулятор») и пары трансформаторов [2].
    Кольцевой модулятор представленный на рисунке 4.5 состоит из параллельно включенных двух балансных модуляторов на диодах VD1 –

    Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №4 «Реализация амплитудной модуляции»
    42
    VD4. При положительных полуволнах несущего колебания работает только первый модулятор (диоды VD1, VD2 открыты, а диоды VD3, VD4 закрыты), при отрицательных – только второй модулятор (диоды VD3, VD4 открыты, а диоды VD1, VD2 закрыты).
    ПФ
    AM
    с ОДБ
    Tp
    2
    Tp
    1
    U
    Ω
    Tp
    3
    U

    o
    VD1
    VD2
    VD3
    VD4
    в г
    д е
    а б
    Рисунок 4.5 Кольцевой модулятор
    Схемы активных модуляторов на транзисторах представлены на рисунке
    4.6
    С

    o
    С
    Ω
    U
    Ω
    С


    U

    o
    С

    o
    С
    Ω
    С

    U
    Ω
    а)
    б)
    Рисунок 4.6 Примеры схем активных модуляторов

    Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №4 «Реализация амплитудной модуляции»
    43
    При отсутствии напряжений
    0
    U

    и
    U

    через контур в обоих модуляторах протекает постоянный ток. При наличии этих напряжений ток в транзисторе начинает изменяться в такт напряжениям. Для фильтрации ненужных частот и снятия большего напряжения с модулятора в коллекторную цепь включают колебательный контур, который выполняет роль нагрузки и обладает большим сопротивлением на резонансной частоте, равной несущей. Полоса пропускания контура должна быть не меньше удвоенного значения наибольшей из частот модулирующего напряжения.
    В схемах (рисунок «а» и «б») конденсатор C

    предназначен для прохождения переменной составляющей тока коллектора (чтобы она не проходила через источник питания).
    При модуляции по схеме «б» источник напряжения U

    участвует в питании генератора, добавляя свою энергию к подводимой мощности генератора.
    4.2. Демодуляция амплитудно-модулируемых сигналов
    Демодуляция – выделение сообщения из сложного сигнала, называется
    детектированием [2].
    В данном случае детектирование сводится к воздействию АМ на нелинейный элемент. Подставив в уравнение для АМ сигнала:
     


     
    амс
    ωo
    0 1
    cos cos
    U
    U
    U
    m
    t
    t


     
     

    (4.7) в вольтамперную характеристику нелинейного элемента (4.2), получим выражение:

    Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №4 «Реализация амплитудной модуляции»
    44
     


     












    2 2
    2 2
    o o
    0 2
    o
    1 0
    2 2
    o o
    1
    o
    0 1
    0 2
    2 2
    2 2
    o o
    2 0
    2 0
    2 2
    2 2
    o o
    2 0
    2 0
    2 2
    o
    2 1
    cos cos
    2 2
    2
    cos cos cos 2 2
    4
    cos 2 2
    cos 2 8
    2 1
    cos 2
    cos 2 2
    2 2
    cos 2 8
    a U
    m
    U m
    i
    a
    a U m
    t
    a
    t
    U m
    U m
    a U
    t
    a
    t
    a
    t
    U m
    U m
    a
    t
    a
    t
    U
    m
    U m
    a
    t
    a
    t
    U m
    a















     

     
       





     
       
     

       
       




     
       








    0 2
    t
     
    (4.8)
    Из этого выражения следует, что кроме «несущей»
    0
    (
    )

    и двух боковых частот
    0 0
    (
    ,
    )
         
    , из которых состоял сигнал до детектирования, появился ряд частот ВЧ и НЧ, и постоянная составляющая, а также вторая гармоника сообщения.
    Спектр частот в данном случае представлен на рисунке 4.7 [2].
    F
    Ω
    2F
    Ω
    (F

    0
    - F
    Ω
    )
    F

    0
    (F

    0
    + F
    Ω
    )
    (2F

    0
    - 2F
    Ω
    )
    (2F

    0
    - F
    Ω
    )
    (2F

    0
    + F
    Ω
    )
    (2F

    0
    + 2F
    Ω
    )
    2F

    0
    A
    f
    Рисунок 4.7 Спектр частот после нелинейного элемента
    Таким образом, детектирование на нелинейном участке характеристики диода даѐт нелинейные искажения. Во избежание искажений нужен нелинейный элемент с линейно-ломанной вольтамперной характеристикой
    (см. рисунок 4.8) [2]:
    , при
    0 0, при
    0
    a U
    U
    i
    U



     


    (4.9)

    Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №4 «Реализация амплитудной модуляции»
    45
    I
    U
    0
    Рисунок 4.8 Линейно-ломанная вольтамперная характеристика
    В данном случае спектр частот выглядит, как показано на рисунке 4.9
    (необходимо проделать те же действия амс
    U
    i
    a U
      
    )
    F
    Ω
    (2F

    0
    - F
    Ω
    )
    2F

    0
    (2F

    0
    + F
    Ω
    ) (4F

    0
    - F
    Ω
    )
    (4F

    0
    + F
    Ω
    )
    4F

    0
    A
    f
    Рисунок 4.9 Спектр частот после нелинейного элемента с линейно-ломанной вольтамперной характеристикой
    4.2.1. Детектирование АМ с ДБП
    Процесс детектирования состоит из выпрямление АМ сигнала, в результате которого образуются импульсы «несущей» с огибающей, имеющей форму колебаний передаваемого сообщения, и выделение из этих импульсов исходного сигнала путѐм фильтрации ВЧ составляющих спектра импульсов [2].
    В качестве детектора применяют диод (см. рисунок 4.10) с маленьким обратным током. Выпрямление желательно выполнять на линейной части
    ВАХ диода.

    Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №4 «Реализация амплитудной модуляции»
    46
    R
    н
    U
    АМ
    ДБП
    VD
    Рисунок 4.10 Диодный детектор
    Схема реагирует на «огибающую» принятого сигнала (см. рисунок 4.11), образованную положительными и отрицательными полупериодами, в зависимости от включения диода, и поэтому носит название детектора огибающей [2].
    Рисунок 4.11 Детектирование АМ с ДБП:
    1 –
     
    cos
    c
    i
    I
    t




    ; 2 –
     
    o
    0
    cos
    n
    i
    I
    t




    ; 3 –
     
    0
    cos
    c
    i
    I
    t
    I



     
    4.2.2. Детектирование АМ с ОБП
    Для детектирования АМ с ОБП необходимо восстановить «несущую».
    Для этого в приѐмнике устанавливают генератор несущей частоты (см. рисунок 4.12), а обе частоты (принятая боковая и местная «несущая») воздействуют на нелинейный элемент (детектор) [2].

    Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №4 «Реализация амплитудной модуляции»
    47
    Г
    R
    н
    U
    АМ ОБП
    VD
    Рисунок 4.12 Детектор АМ с ОБП
    4.3. Амплитудная манипуляция
    Если передаваемое сообщение представляет собой последовательность прямоугольных импульсов, т.е. является дискретным сообщением, то при образовании сигнала амплитуда переносчика («несущей») принимает всего два значения.
    Такое преобразование называется
    амплитудной
    манипуляцией (см. рисунок 4.13). Иногда амплитудная манипуляция называется дискретной модуляцией [2].
    τ
    t t
    t t
    0
    τ
    τ
    m < 1
    (
    идеальная)
    m = 1
    (
    реальные амплитуды на выходе фильтра)
    радиоимпульс
    U
    с
    U
    ам
    U
    ам
    Рисунок 4.13 Амплитудная манипуляция

    Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №4 «Реализация амплитудной модуляции»
    48
    Спектр частот при амплитудной манипуляции, как и при АМ, содержит кроме «несущей» верхнюю и нижнюю боковые полосы частот.
    Составляющие верхней боковой полосы содержат частоты o
    F
    k

     
    , а составляющие нижней – o
    F
    k

     
    , где
    k
    = 1,2,… – гармоники.
    Амплитуда зависит от m, при m ↓ → энергия ↑. Число гармоник растѐт с ростом скважности. Для амплитудной манипуляции полоса частот определяется выражением:
    2
    pu
    F




    (4.10) где

    – коэффициент формы.
    4.4. Полярная модуляция
    Полярная модуляция является разновидностью амплитудной модуляции.
    Отличием является одновременная передача двух сигналов, как показано на рисунке 4.14 [2].
    U
    t
    1 2
    Рисунок 4.14 Полярная модуляция:
    1 –
     
    1 1
    1
    cos
    U
    U
    t



    ; 2 –
     
    2 2
    2
    cos
    U
    U
    t




    Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №5 «Частотная и фазовая модуляции»
    49
    ЛЕКЦИЯ 5.
    Частотная и фазовая модуляции
    ПЛАН ЛЕКЦИИ
    5.1.
    Частотная модуляция
    5.2.
    Частотная манипуляция
    5.3.
    Демодуляция частотно-модулируемых сигналов
    5.4.
    Фазовая модуляция
    5.5.
    Сравнение методов непрерывной модуляции
    5.6.
    Фазовая манипуляция
    5.7.
    Преимущества и недостатки фазовой манипуляции по сравнению с частотной манипуляцией
    5.8.
    Относительная фазовая манипуляция
    5.9.
    Двукратная непрерывная модуляция
    5.1. Частотная модуляция
    При частотной модуляции (ЧМ) мгновенные значения сигнала сообщения (тока или напряжения) изменяют частоту переносчика
    («несущей»), оставляя неизменной его амплитуду (см. рисунок 5.1):
     
    o ч
    cos
    m
    t
        

    ,
    (5.1) где ч
    m
      
    – коэффициент частотного отклонения, или глубина частотной модуляции;
    
    – девиация угловой частоты, или максимальное отклонение частоты переносчика (в одну сторону) от исходного значения; o

    – среднее значение угловой частоты переносчика.
    Относительное изменение частоты несущей вызванное сообщением называется девиацией.
    Девиация частоты зависит от амплитуды модулирующего сообщения.
    При увеличении амплитуды сообщения частота переносчика F

    o возрастает, при уменьшении (отрицательная полуволна сообщения) – снижается.

    Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №5 «Частотная и фазовая модуляции»
    50
    Uc(t)
    U

    o
    (t)
    t t
    Рисунок 5.1 Временная диаграмма частотной модуляции
    Девиация частоты и индекс модуляции связаны соотношением: дев ч
    F
    m F



    (5.2)
    Полагая, что начальная фаза равна нулю (при t = 0), можно записать уравнение сигнала при частотной модуляции:
     


    чмс o
    o ч
    ( )
    cos sin
    U
    t
    U
    m
    t
    t





     




    (5.3)
    5.1.1. Спектр частот при частотной модуляции
    Спектр частот при ЧМ бесконечно велик, и для точного воспроизведения передаваемого сообщения нужна бесконечно большая ширина полосы.
    Однако боковые частоты высших порядков имеют ничтожную интенсивность и ими можно пренебречь. Полоса частот при ЧМ может быть приближѐнно определена из выражения: max max чм ч
    дев
    2
    (
    1)
    2 (
    )
    F
    F
    m
    F
    F





      

    (5.4)

    Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №5 «Частотная и фазовая модуляции»
    51
    (F

    0
    - F
    Ω
    )
    F

    0
    (F

    0
    + F
    Ω
    )
    (F

    0
    - 2F
    Ω
    )
    f
    A
    (F

    0
    + 2F
    Ω
    )
    а)
    F

    o f
    A
    б)
    F

    o f
    A
    в)
    F

    o
    A
    f г)
    Рисунок 5.2 Спектр частот при частотной модуляции: а – спектр частот ЧМ при m
    ч
    = 1; б – спектр частот ЧМ при m
    ч
    = 2,5; в – спектр частот при m
    ч
    = 4; г – спектр частот ЧМ при m
    ч
    = 5.

    Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №5 «Частотная и фазовая модуляции»
    52
    В телеизмерениях оптимальное значение m
    ч зависит от требуемой точности передачи:

    ТИ с
    1
     
    %

    оптимальный индекс ЧМ опт ч
    5
    m


    ТИ с
    0.1
     
    %

    оптимальный индекс ЧМ опт ч
    15
    m

    5.1.2. Достоинства частотной модуляции
    1.
    Глубина модуляции может быть очень большой.
    2.
    Большая помехоустойчивость.
    5.1.3. Реализация частотной модуляции
    Существуют прямые и косвенные методы реализации частотной модуляции. Наиболее распространѐнным косвенным методом является использование фазового модулятора для изменения фазы колебаний по закону частотной модуляции.
    При прямых методах частота генератора изменяется путѐм изменения индуктивности катушки или ѐмкости конденсатора, подключаемых параллельно катушке или конденсатору колебательного контура генератора.
    Прямые методы, несмотря на простоту, не могут обеспечить достаточной стабильности частоты генератора.
    Модуляторы, выполненные с помощью косвенных методов, обеспечивают значительно большую стабильность частоты генератора. Это обусловлено тем, что частота модуляции осуществляется в одном из промежуточных звеньев схемы, а не в звеньях, непосредственно связанных с контуром генератора. Однако такие модуляторы оказываются значительно более сложными.
    1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   12

    написать администратору сайта