Теория электрической связи. Лабораторные работы (90

Из выражения (12) видно, что спектр сигнала ЧТ состоит из несущей частоты (первое слагаемое), верхней боковой полосы (второе слагаемое) и нижней боковой полосы частот (третье слагаемое). Нечётные и чётные боковые частоты подчинятся разным законам и имеют фазы, отличающиеся на 90°.

Амплитуды спектра частот являются функциями индекса чаcтотной манипуляции m.

Для оценки влияния помех на частотно-манипулированный сигнал используют вероятность ошибки в принимаемом сигнале. Вероятность ошибки для когерентного приема частотноманипулированного сигнала можно записать

где a2 = E/N0 (1 – ps) = h2(1- ps), h2 – энергетическое отношение сигнал/шум. На практике при fT> > 1 можно положить ps.

Краткая характеристика исследуемых цепей

исигналов универсального учебного стенда

Вработе используется универсальный стенд со сменным блоком «МОДУЛЯТОР-ДЕМОДУЛЯТОР», функциональная схема которого изображена на рис. 2

Источником цифрового сигнала является «КОДЕР-1», который выдает периодическую последовательность из пяти символов. С помощью тумблеров можно установить любую пятиэлементную кодовую комбинацию, которая индицируется линейкой из пяти светодиодных индикаторов с надписью «ПЕРЕДАНО».

Вблоке «МОДУЛЯТОР» происходит модуляция (манипуляция) двоичными символами «высокочастотных» колебаний по

21

Блок «РУ» – решающее устройство – представляет собой компаратор, т.е. устройство, сравнивающее напряжение на выходах сумматоров. Само «решение», т.е. сигнал «О» или «1», подается на выход демодулятора в момент перед окончанием каждого символа и сохраняет до принятия следующего решения. Моменты принятия решения и последующего разряда конденсаторов в интеграторах задаются специальной логической схемой, управляющей электронными коммутаторами.

Для демодуляции сигналов с ОФТ к схеме демодулятора ФМ добавляются блоки , которые сравнивают предыдущее и последующее решения демодулятора ФМ), что позволяет сделать заключение о скачке фазы (или его отсутствии) в принимаемом символе. При наличии такого скачка на выходе демодулятора подается сигнал «1», в противном случае – «О». В сменном блоке предусмотрены тумблер, переключающий начальную фазу ϕ опорного колебания («0» или «π») – только для ФМ и ОФМ. Для нормальной работы демодулятора тумблер должен быть в нулевом положении.

При амплитудной манипуляции предусмотрена возможность ручной установки порога с целью изучения его влияния на вероятность ошибки в приеме сигналов.

Оценка вероятности ошибки производится персональным компьютером (ПК) путем подсчета числа ошибок за определенное время анализа. Сами сигналы ошибки в «символе» или «букве» формируются в специальном блоке стенда «КОНТРОЛЬ ОШИБОК», расположенном ниже блока «ЦАП». Для визуального контроля ошибок в стенде имеются светодиодные индикаторы.

В качестве измерительных приборов используются двухлучевой осциллограф, вольтметр и ПК, работающий по программе, в режиме подсчета ошибок.

Порядок выполнения работы

1. Работа демодулятора в отсутствие помех.

1.1. Собрать схему измерений согласно рис. 3, тумблерами «КОДЕР-1» набрать любую двоичную комбинацию из 5 элементов. Ручку регулятора «ПОРОГ АМ» установите в крайнее левое положение. При этом регулятор выключен и порог устанавлива-

23

ется автоматически при смене вида модуляции. Тумблер фазировки опорного колебания «ДЕМОДУЛЯТОРА» установить в положение «О». Соединить выход генератора шума «ГШ» в блоке «ИСТОЧНИКИ СИГНАЛОВ» со входом n(t) «КАНАЛА» связи. Потенциометр выхода генератора шума – в крайнем левом положении (напряжение шума отсутствует). Вход внешней синхронизации осциллографа соединить с гнездом «С2» в блоке «ИСТОЧНИКИ», а усилители вертикального отклонения лучей перевести в режим с открытым входом (для пропускания постоянных составляющих исследуемых процессов).

Рис. 3. Функциональная схема измерений

1.2. Кнопкой переключения видов модуляции установить вариант «О», соответствующий сигналу на входе «МОДУЛЯТОРА». Снять осциллограмму этого сигнала и, не меняя режима развертки осциллографа, выбрать один из видов модуляции «ЧМ». Зарисовать осциллограммы в контрольных точках демодулятора:

•на входе демодулятора;

•на входе перемножителей (в одном масштабе по вертикальной оси);

•на выходе интегратора (также в одном масштабе);

•на выходе демодулятора.

На всех полученных осциллограммах отметить положение оси времени (т.е. положение нулевого уровня сигнала). Для этого

24

можно зафиксировать положение линии развертки при замыкании входных зажимов осциллографа.

2. Работа модулятора в условиях помех.

2.1.Переключателем «ВИД МОДУЛЯЦИИ» установить «ЧМ». Подключить один из входов двухлучевого осциллографа ко входу модулятора, а второй – к выходу демодулятора, получим неподвижные осциллограммы этих сигналов.

2.2.Плавно увеличивая уровень шума потенциометром «ГШ», добиться появления редких «сбоев» на выходной осциллограмме или на выходном «ПРИНЯТО».

2.3.С помощью осциллографа измерить установленное отношение сигнал/шум. Для этого последовательно отключая источники шума, измерить на входе демодулятора размах сигнала (в делениях на экране) -2а – (т.е. двойная амплитуда сигнала), а отключая источник сигнала от входа канала и восстановив шумо-

вой сигнал, измерить размах шума (также в делениях) – a/σ. Найденное отношение а/σ внести в таблицу.

3.Работа модулятора ЧМ с внешним источником информа-

ции.

3.1.Ознакомиться с краткой теорией, описывающей формирование, передачу и прием сигналов ЧМ.

3.2.Ознакомиться с описанием приборов, которые используются при выполнении лабораторной работы.

3.3.Ознакомиться с описанием и органами управления на панели универсального стенда.

3.4.На универсальном стенде для модулятора выбрать режим

ЧМ.

3.5.С генератора низких частот ГЗ-112 подать сигнал с частотой f=1 кГц и напряжение Uвых = 10В на вход модулятора.

3.6.Проконтролировать вид сигнала с выхода модулятора на выходе осциллографа и зарисовать наблюдаемые эпюры.

3.7.Провести измерение частот с выходов модулятора S0 и S1.

4.Изучить работу демодулятора ЧМ.

Для этого:

4.1. Соединить выход модулятора со входом канала связи, канал связи соединить с демодулятором.

25

4.2.Произвести измерение частоты в демодуляторе с выходов S0 и S1, полученные результаты сравнить с пунктом 3.7.

4.3.Измерить частоту сигнала на выходе РУ и сравнить со значениями входного сигнала на модуляторе.

5. Провести исследование помехоустойчивости ЧМ сигналов. Для этого:

5.1.С генератора низких частот ГЗ-112 подать сигнал с частотой f=1 кГц и напряжение Uвых = 10 В на вход модулятора.

5.2.Выход модулятора соединить с каналом связи.

5.3.На шумовой вход канала связи подать шум с выхода генератора шума на панели универсального стенда.

5.4.Выход канала связи соединить со входом демодулятора.

5.5.К выходу РУ подключить частотомер Ч3-32.

5.6.Установить отношение сигнал/шум (ОСШ) равным 0.5, время измерения на частотомере 1 секунда.

5.7.Провести измерение числа ошибок (неправильно принятых посылок) с помощью частотомера при заданных ОСШ и времени измерения. Измерение при заданных параметрах выполнить

10 раз.

5.8.Повторить пункт 5.6. для ОСШ, равного 1, 2, 5, 10, и времени измерения 10 секунд.

5.9.Для каждого ОСШ и времени измерения рассчитать среднее число ошибок Nср.

6. Провести расчет вероятности ошибочного приема при использовании ЧМ сигналов по формуле (4) и записать результаты

втаблицу

где N – число переданных импульсов,

Nср – среднее число принятых импульсов.

6.1. Построить графические зависимости вероятности ошибки Рош от значения ОСШ для времени измерения 1,10 секунд.

26

Требования к отчету по лабораторной работе

1.Отчет должен быть правильно оформлен (содержать название лабораторной работы, цель работы, оборудование, краткую теорию, описание хода работы и выводы).

2.В отчете необходимо привести блок-схему лабораторной работы.

3.В отчете должно быть представлено описание хода работы по пунктам, а также графики по всем пунктам измерения.

4.Отчет должен содержать развернутый вывод по работе.

Контрольные вопросы

1.Объяснить принцип формирования ЧМ сигналов.

2.Объяснить принцип действия демодулятора ЧМ сигналов.

3.Дать описание когерентному способу приема сигналов с

ЧМ.

4.Какие бывают способы приема ЧМ и ЧТ сигналов?

5.В чем разница между ЧМ и ЧТ сигналами?

6.Что такое «критерий идеального наблюдателя»?

7.Что такое «правило максимума правдоподобия»?

8.Объясните разницу в помехоустойчивости систем связи с разными видами модуляции.

9.Рассказать о существующих методах приема сигналов ЧМ

ипроизвести их сравнение.

10.Рассказать о принципах действия экспериментальной установки.

Литература

1. Левин, П.И. Системы передачи цифровой информации

/П.И. Левин. – М.: Сов. Радио, 1987.

2.Рожков, И.Т. Методы обработки радиосигналов: учеб. пособие / И.Т. Рожков. – Ярославль, 1987.

3.Рожков, И.Т. Лабораторный практикум по курсу Радиотехнические системы / И.Т. Рожков. – Ярославль, 1992.

4.Гуров, В.С. Передача дискретной информации и телеграфия / В.С. Гуров, Г.А. Емельянов, Н.Н. Етрухин. – М.: Связь, 1969.

27

Лабораторная работа № 3

Исследование работы системы связи с фазовой манипуляцией при воздействии

помех

Цель работы: ознакомится с методами формирования и приема сигнала с фазовой манипуляции и экспериментально исследовать систему связи с ФМ.

Оборудование: стенд универсальный, осциллограф С1-65 А (или аналогичный), генератор сигналов низкочастотный ГЗ-112 (или аналог), милливольтметр переменного напряжения ВЗ-38, частотомер электронно-счетный Ч3-32.

Краткая теория

Для передачи цифровых сигналов по радиолиниям необходимо, чтобы цифровой информационный сигнал каким-то образом модулировал несущую. Одним из распространенных видов манипуляции стала фазовая манипуляция (ФМ). ФМ является разновидностью общего вида модуляции – угловой. Применение ФМ сигналов открывает принципиальные возможности для передачи цифровой информации с требуемой достоверностью при меньших затратах полосы и энергии по сравнению с другими двоичными сигналами.

Идея использования фазовой модуляции для передачи сигналов и ряд практических схем были предложены А.А. Пистелькорсом еще в 1932 – 1933 гг. Суть предложенного способа передачи сигналов заключается в том, что каждой смене полярности двоичной посылки – положительной либо отрицательной или переходу от 1 к 0 либо от 0 к 1 – соответствует изменение фазы несущей частоты, передаваемой в линию. Для простейшего случая этот угол может быть равен 180°.

Таким образом, при ФМ информация о передаваемой цифровой последовательности заложена в фазе сигнала, который на

28

длительности элементарной посылки может принимать лишь одно из двух возможных значений:

s(t)= s1 (t)= S0 sin(ω0t + ϕ1 ), при x=x1

(1)

s(t)= s2 (t)= S0 sin(ω 0t + ϕ 2 ), при x=x2

Для противофазной модуляции ϕ1-ϕ2 =π.

где – ω0 частота несущей, τ0 – длительность элементарной посылки, ϕx – фаза, которая может принимать значения 0, если х = x1

или π, если х = х2.

При передаче двоичной цифровой последовательности фаза является случайной величиной, однозначно связанной со случайной последовательностью передаваемых информационных символов х. На рис. 1 показаны эпюры, поясняющие данный способ передачи.

Рис. 1. Эпюры, поясняющие способ фазовой манипуляции

Известно несколько способов получения ФМ колебаний:

1.Пропускание гармонического колебания через контур с изменяющейся фазовой характеристикой.

2.Использование фазовращательных цепей с переменным сдвигом фазы.

29

Рассмотрим первый способ. При изменении реактивного сопротивления избирательного контура в соответствии с модулирующим колебанием его частотная и фазовая характеристики также изменяются. Осуществляя указанные изменения в усилительном каскаде, расположенном после высокостабильного генератора, можно получить ФМ сигнал с высокой стабильностью несущей частоты. В качестве управляемого сопротивления широко применяют варикапы.

Получение ФМ колебаний с помощью фазовращателей можно рассматривать как разновидность предыдущего способа. Отличие состоит в том, что изменения фазы достигаются изменением импеданса одного из элементов фазовращателя, через который пропускается гармоническое колебание.

Для указанных способов получения ФМ сигналов характерно появление сопутствующей паразитной модуляции нелинейных искажений. Чтобы уменьшить эти нежелательные эффекты, приходится ограничиваться получением ФМ колебаний с малыми индексами, а затем применять умножение частоты для повышения индекса до нужной величины. Структурная схема формирования ФМ сигналов изображена на рис. 2.

Рис. 2. Структурная схема формирования сигнала ФМ

Напряжение несущей частоты с выхода генератора Гн подается на инвертор, с выхода которого снимаются колебания с фазами, сдвинутыми по отношению друг к другу на 180°. Эти колебания поступают на ключи Кл1 и Кл2, управляемые видеоим-

30