Наблюдения am и dsbsc сигналов в частотнои области
 Скачать 3.15 Mb.
|
 Факультет «Компьютерных технологий и Кибербезопасности» Кафедра «Радиотехника, электротехника и телекоммуникации» Лабораторная работа №3 На тему: Наблюдения AM и DSBSC сигналов в частотной области По дисциплине: «Основы радиотехнических цепей и сигналов» Выполнили: Азатов. Е Сағатбек. Д Салимбаев. А Сарсенбаев. Т Группа: ССТ-2101 Проверил: лектор Омаров А.Т. Алматы 2023 Предварительное обсуждение Сравнивая две коммуникационные системы, обсуждавшиеся раньше в этом руководстве, заметим, что модуляция DSBSC позволяет существенно сэкономить мощность по сравнению с AM (примерно 66 %), т.к. не передаѐт несущую. Однако обе системы генерируют и передают сумму и разность частот (верхнюю и нижнюю боковые частоты), и поэтому они имеют одинаковую ширину полосы для одного и того же сигнала сообщения. Система с Одной Боковой Частотой и Подавленной Несущей - Single Sideband Suppressed Carrier (SSBSC или просто SSB), как следует из названия, передаѐт только одну боковую частоту. Другими словами, SSB передаѐт либо сумму, либо разность частот, но не обе сразу. Обратите внимание, не имеет значения, какую из боковых частот использовать, потому что каждая из них содержит всю информацию об исходном сигнале. Для передачи только одной боковой частоты, SSB, требуется только половина ширины полосы DSBSC или AM, и это является существенным преимуществом. На рисунке 1 показаны простой сигнал сообщения (Message), немодулированная несущая (Unmodulated carrier) и результат модуляции SSBSC (SSB signal). Если вы внимательно посмотрите, то увидите, что частота промодулированной несущей, отличается и от частоты несущей, и от частоты сигнала сообщения Обычный способ генерации SSB сигнала включает в себя получение DSBSC сигнала, а затем использование фильтра, чтобы отрезать и передать только одну из боковых частот. Этот способ известен как метод фильтрации. Однако две боковые частоты в DSBSC сигнале очень близки по частоте и приходится использовать специализированные фильтры. Такие фильтры могут быть дорогими и не находят широкого применения. Другой метод получения SSB сигнала называется методом фазирования, и он становится всѐ более популярным. Этот метод использует методику разделения фаз, чтобы убрать одну из боковых частот ещѐ на стадии генерации сигнала (вместо того, чтобы фильтровать еѐ после модуляции). В теории телекоммуникаций математическая модель, описывающая данный процесс, имеет следующий вид:  Если вы посмотрите внимательно на уравнение, то заметите, что оно представляет собой сумму двух произведений. Когда сигнал сообщения является простой синусоидой, решением уравнения являются четыре синусоиды. В зависимости от того, сдвигается ли фаза сигнала сообщения на +90° или на -90°, их частоты и сдвиги по фазе различаются:  Независимо от того, сдвинут ли сигнал сообщения по фазе на +90° или на -90°, когда складываются четыре синусоиды, две из них находятся в фазе и, складываясь, дают одну синусоиду (либо несущая + сообщение, либо несущая – сообщение), а две другие имеют противоположные фазы и полностью уничтожаются. Другими словами, такой процесс формирует только сумму или только разность сигналов (а это и есть одна боковая частота). Блок-схема, реализующая SSB модуляцию методом фазирования, показана на рисунке 2.  Так как SSB сигнал не содержит несущей, то он должен быть демодулирован при помощи детектора произведения, таким же способом, как DSBSC сигнал (принцип работы детектора произведения рассматривался в предварительном обсуждении к эксперименту 9). Эксперимент В этом эксперименте вы будете использовать Emona DATEx для того, чтобы, реализуя математическую модель, сгенерировать SSB сигнал методом фазирования. В дальнейшем вы воспользуетесь детектором произведения (с "заимствованной" несущей) для того, чтобы восстановить сигнал сообщения. Вы будете делать это только для сообщения в виде синусоиды (имеется ввиду, что вы не будете методом SSB модулировать и демодулировать речь). Для этого есть реальные причины. Фазовый сдвиг, создаваемый в модуле Phase Shifter (Фазовращатель) DATEx зависит от частоты (т.е., при прочих одинаковых настройках сдвиг фазы различен для разных частот). Нужна схема широкополосного фазовращателя, чтобы обеспечить сдвиг на 90° для всех синусоид в таком сложном сигнале сообщения, как речь. На выполнение эксперимента потребуется около 40 минут Оборудование Персональный компьютер с соответствующим установленным программным обеспечением NI ELVIS I или II плюс соединительные проводники Только для NI ELVIS I: устройство сбора данных типа NI USB-6251 (или 20МГц двухканальный осциллограф) Модуль расширения Emona DATEx для выполнения экспериментов Два проводника с разъѐмами типа BNC и типа "банан" (2 мм) Набор соединительных проводников с разъѐмами типа "банан" (2 мм) Порядок выполнения (* - относится только к NI ELVIS I) Часть A – Генерация SSB сигнала для простого сигнала сообщения 1. Убедитесь, что питание NI ELVIS выключено, выключатель расположен на задней стенке устройства. 2. Осторожно вставьте модуль расширения Emona DATEx в слот NI ELVIS. 3. Установите переключатель Control Mode (режим управления) на модуле DATEx (в верхнем правом углу) в положение “PC CONTROL‟” (Управление от компьютера). 4. * Убедитесь, что модуль ввода-вывода NI DAQ выключен. 5. * Подключите NI ELVIS к модулю ввода-вывода NI DAQ и к персональному компьютеру. Примечание: все эти действия могли быть выполнены ранее. 6. Включите питание NI ELVIS с помощью выключателя, расположенного на задней стенке устройства, затем включите питание макетной платы, выключатель расположен на передней стенке устройства. 7. Включите компьютер и дайте ему загрузиться. 8. * Когда загрузка завершится, включите модуль ввода-вывода NI DAQ. Примечание: Если всѐ пройдет нормально, вы получите визуальный или звуковой сигнал о том, что компьютер обнаружил модуль NI DAQ. 9. Запустите программу NI ELVIS. 10. Запустите программную лицевую панель DATEx и убедитесь, что можете программно управлять панелью DATEx 11. Установите переключатель Control Mode (Режим управления) функционального генератора NI ELVIS в положение, противоположное положению Manual (Ручной). 12. Запустите программу (VI) виртуального прибора Function Generator (Функциональный генератор). 13. Включите функциональный генератор и настройте его виртуальные элементы управления так, чтобы получить выходной сигнал со следующими характеристиками: Waveshape: Sine (Форма сигнала: синусоида) Frequency: 10 kHz exactly (Частота: точно 10 кГц, по цифровому табло) Amplitude: 4Vp-p (Амплитуда: 4 В пиковая) DC Offset: 0V (Смещение по постоянному току: 0 В) 14. Сверните окно программы виртуального функционального генератора. 15. Соберите схему, изображенную на рисунке 3.  Эта схема может быть представлена блок-схемой на рисунке 4 (на следующей странице) и используется для получения двух сигналов сообщения, не совпадающих по фазе.   16. Найдите модуль Phase Shifter (Фазовращатель) на программной лицевой панели DATEx и установите его виртуальный элемент управления Phase Change (Изменение фазы) в положение 180°. 17. Установите виртуальный элемент управления Phase Adjust (Подстройка фазы) модуля Phase Shifter (Фазовращатель) в среднее положение. 18. Запустите программу (VI) виртуального осциллографа NI ELVIS. 19. Настройте осциллограф в соответствии с инструкцией к эксперименту 1 и установите его элемент управления Trigger Source (Источник сигнала запуска) в положение SYNC_OUT. 20. Отрегулируйте элементом управления Timebase масштаб по оси времени осциллографа так, чтобы видеть примерно два периода выходного сигнала модуля Function Generator (Функциональный генератор). 21. Активируйте канал B осциллографа. 22. Убедитесь, что два сигнала сообщения не совпадают по фазе. Примечание: На этом этапе не важно, какова разность фаз двух сигналов. 23. Измените схему соединений, как показано на рисунке 5 на следующей странице.  Эта схема может быть представлена блок-схемой на рисунке 6. Она используется для умножения двух сигналов сообщения на две синусоиды 100 кГц (несущие), которые сдвинуты по фазе друг относительно друга ровно на 90°.  24. Воспользуйтесь осциллографом, чтобы убедиться, что выходной сигнал нижнего умножителя является DSBSC сигналом. Совет: Для этого временно установите элемент управления Channel B Scale (Масштаб в канале B) осциллографа в положение 2 В/дел. 25. Отсоедините вход канала B осциллографа от выхода нижнего модуля умножителя и подключите его к выходу верхнего модуля умножителя. 26. Убедитесь в том, что выходной сигнал верхнего модуля умножителя также является DSBSC сигналом. 27. Найдите модуль Adder (Сумматор) на программной панели DATEx и установите виртуальные элементы управления G и g в среднее положение. 28. Измените схему соединений, как показано на рисунке 7.  Эта схема может быть представлена блок-схемой на рисунке 8 (на следующей странице). Модуль сумматора используется, чтобы сложить два DSBSC сигнала. Соотношение фаз между синусоидами в DSBSC сигналах подразумевает, что две из синусоид (по одной в каждой из боковых полос) усиливают друг друга, а две другие уничтожают друг друга.  Вопрос 1 Выходной сигнал модуля сумматора совсем не похож на сигнал SSB. Каковы две причины, определяющие это? Совет: Если вы не уверены в ответе, одну из причин можно обнаружить, перечитав раздел предварительного обсуждения темы. 1) Разность фаз двух сигналов сообщения, возможно, не равна 90°. 2) Чтобы выходной сигнал модуля сумматора соответствовал ожидаемому, коэффициенты усиления по его обоим входам должны быть равны.  В следующей части эксперимента вы выполните точную настройку схему для того, чтобы перевести ее в режим настоящего SSB модулятора. 29. Деактивируйте вход канала A осциллографа. 30. Отсоедините проводник от входа B модуля Adder (Сумматор). Примечание: Тем самым отключите сигнал, поступающий на вход B модуля сумматора, от выхода всей схемы. 31. Виртуальным элементом управления G модуля Adder (Сумматор) отрегулируйте усиление так, чтобы получить на выходе сигнал с пиковой амплитудой 4 В. Совет: Помните, что вы можете использовать клавиши клавиатуры TAB и клавиши со стрелками для точной настройки элементов управления программной лицевой панели DATEx. 32. Подсоедините обратно вход B модуля сумматора и отсоедините проводник от его входа A. Примечание: Тем самым отключите сигнал, поступающий на вход А модуля сумматора, от выхода всей схемы. 33. Виртуальным элементом управления g модуля Adder (Сумматор) отрегулируйте усиление так, чтобы получить на выходе сигнал с пиковой амплитудой 4 В. 34. Подсоедините обратно вход A модуля сумматора. Коэффициенты усиления по двум входам сумматора теперь примерно равны. Дальше нужно получить правильную разность фаз между сигналами сообщения. 35. Плавно регулируйте влево и вправо виртуальный элемент управления Phase Adjust (Подстройка фазы) модуля Phase Shifter (Фазовращатель) и наблюдайте, как это влияет на огибающие выходного сигнала. Примечание: Для большинства положений виртуального элемента управления Phase Adjust вы получите выходной сигнал, который выглядит как DSBSC сигнал. Однако, если регулировать более аккуратно, то обнаружится, что можно "сгладить" огибающую выходного сигнала. 36. Установите элемент управления Channel B Scale (Масштаб в канале B) осциллографа в положение 500mV/div (500 мВ/дел.). 37. Виртуальным элементом управления Phase Adjust модуля Phase Shifter (Фазовращатель) отрегулируйте фазу так, чтобы сделать огибающую максимально "гладкой". Разность фаз между двумя сигналами сообщения теперь близка к 90°. 38. Попробуйте подстройкой виртуального элемента управления G модуля Adder (Сумматор) сделать огибающую ещѐ более "гладкой". 39. Попробуйте также подстройкой виртуального элемента управления Phase Adjust (Подстройка фазы) модуля Phase Shifter (Фазовращатель) сделать огибающую ещѐ более "гладкой". Теперь огибающие настолько "гладкие", насколько можно добиться этого выравниванием коэффициентов усиления по двум входам модуля сумматора и подгонкой разности фаз между двумя сигналами сообщения к 90°. В этом случае выходной сигнал модуля сумматора является сигналом SSBSC. Вопрос 2 Сколько синусоид содержится в сигнале SSB? Совет: Если вы не уверены в ответе, посмотрите раздел предварительного обсуждения темы. Только одна. Вопрос 3 Какие две частоты содержатся в SSB сигнале при используемых параметрах входных сигналов модулятора? 90 кГц или 110 кГц.  Часть B – Спектральный анализ сигнала SSB Следующая часть эксперимента позволит проанализировать представление SSB сигнала в частотной области, для того чтобы увидеть, что спектральный состав сигнала соответствует вашим ответам на вопросы 2 и 3. 40. Приостановите работу виртуального осциллографа, нажав элемент управления RUN один раз. Примечание: Изображение на экране осциллографа зафиксируется. 41. Запустите программу (VI) виртуального прибора Dynamic Signal Analyzer NI ELVIS (Анализатор спектра). Примечание: Программы виртуальных приборов осцилографа и анализатора спектра не могут быть запущены одновременно. 42. Настройте элементы управления анализатора спектра следующим образом: General (Общие) Sampling (Дискретизация) в положение Run (Пуск)  43. Включите маркеры анализатора спектра, нажав кнопку Маркеры. 44. Совместите маркер M1 с наиболее значимой гармоникой в спектре сигнала и определите еѐ частоту. Вопрос 4 Основываясь на предыдущем измерении, скажите, каково значение боковой частоты генерируемой SSB модулятором? Для разных схем могут быть различные боковые частоты. 45. Совместите M1 с какой-нибудь другой заметной гармоникой, близкой к боковой частоте, и определите еѐ частоту. Примечание: Вы должны обнаружить одну синусоиду с частотой несущей и другую - с частотой второй боковой полосы. Важно отметить, что сигналы эти очень малы по сравнению с наиболее заметной боковой частотой (шкала по оси Y - в децибелах, а это нелинейная единица измерения). Вопрос 5 Назовите две причины наличия небольшой по уровню второй боковой частоты. 1) Разность фаз между двумя сигналами сообщения всѐ ещѐ не равна точно 90°. 2) Коэффициенты усиления по двум входам модуля сумматора всѐ-таки не равны. 46. Порегулируйте виртуальный элемент управления Phase Adjust (Подстройка фазы) модуля Phase Shifter (Фазовращатель) и посмотрите, как это отражается на уровне гармоник несущей и второй боковой поллосы. Примечание: После каждой регулировки дождитесь обновления экрана анализатора спектра. Вопрос 6 Почему изменения положения элемента управления Phase Adjust (Подстройка фазы) модуля Phase Shifter (Фазовращатель) не влияет на уровень несущей в SSBSC сигнале? Разность фаз между двумя несущими фиксирована. Модуль фазовращателя определяет только соотношение фаз двух сигналов сообщения. 47. С помощью упомянутых двух элементов управления добейтесь, чтобы уровень незначащей боковой частоты стал минимальным.  .Часть C – Использование детектора произведения для восстановления сигнала сообщения 48. Закройте программу виртуальный анализатора спектра. 49. Запустите виртуальный осциллограф, щелкнув по элементу управления RUN (Пуск). 50. Заново активируйте вход канала A осциллографа и верните элемент управления Channel B Scale (Масштаб в канале B) в положение 1V/div (1 В/дел.)/ 51. Найдите модуль Tuneable Low-pass Filter (Перестраиваемый ФНЧ) на программной лицевой панели DATEx и установите его виртуальный элемент управления Gain (Усиление) в среднее положение. 52. Поверните виртуальный элемент управления Cut-off Frequency Adjust (Подстройка частоты среза) модуля Tuneable Low-pass Filter (Перестраиваемый ФНЧ) по часовой стрелке до упора. 53. Измените схему соединений в соответствии с рисунком 9.  Измененная схема, показанная на рисунке 9, может быть представлена блок-схемой на рисунке 10. Модули умножителя и перестраиваемого ФНЧ используются для реализации детектора произведения, который демодулирует SSB сигнал, чтобы получить исходный сигнал сообщения.  54. Воспользуйтесь осциллографом, чтобы сравнить исходный и восстановленный сигналы сообщения. Вопрос 7 Как соотносятся исходный и восстановленный сигналы сообщения? Они имеют одинаковую форму.     Вывод: В ходе выполнения данной лабораторной работы мы изучали AM и DSBC сигналы в частотной области, при этом обнаружили, что данные сигналы имеют различную структуру спектра. Мы провели сравнение полос и частот, соответствующих данным сигналам, а также проанализировали спектральный состав при помощи Dynamic Signal Analyzer. |