Теория электрической связи. Лабораторные работы (90

пульсами от источника двоичных сигналов (ИДС) «0» и «1». В данный момент времени работает какой-то один из ключей Кл1 или Кл2. Сигналы с ключей поступают на сумматор, где складываются и образуют фазомодулированный сигнал.

Помимо рассмотренных способов, ФМ сигнал можно получить, сформировав сначала колебания с помощью фазоимпульсной модуляции (ФИМ), а затем пропустив полученную последовательность импульсов через узкополосный резонансный усилитель, настроенный на частоту повторения импульсов или на одну из ее гармоник. При таком способе можно получить довольно значительный индекс модуляции и, следовательно, не требуется столь большое умножение частоты, как в предыдущих способах.

Демодуляция ФМ сигналов основана на возможности их различения с помощью фазового детектора (ФД). Операции, которые должен выполнять этот детектор, сходны с операциями, выполняемыми коррелятором оптимального приемника различения двух сигналов. ФД должен осуществлять перемножение колебания, поступающего на его вход, с опорным напряжением и фильтрацию полученного выходного напряжения от высокочастотных составляющих. Блок-схема демодулятора приведена на рис. 3. Такая фильтрация выполняется благодаря частотным свойствам самой нагрузки ФД, которая обычно представляет собой ФНЧ.

Рис. 3. Схема демодулятора ФМ

31

Необходимым условием осуществления демодуляции сигнала ФМ является наличие на приемном конце так называемого когерентного напряжения несущей или опорного колебания, синхронного и синфазного с напряжением немодулированной несущей на передаче. Создание такого когерентного напряжения, фаза которого была бы постоянной, является сложной задачей. Для того чтобы напряжение на выходе ФД зависело только от значения фазы сигнала и опорного напряжения, необходимо, чтобы выполнялось условие: ω0 = ωоп .

Принципиально возможны три способа получения опорного напряжения:

1)от местного генератора, высокая стабильность частоты колебаний которого обеспечивает поддержание синфазности опорного напряжения;

2)с помощью вспомогательных пилот-сигналов, передаваемых непрерывно по этому же частотному каналу или по специальному частотному каналу;

3)непосредственно из принимаемого сигнала информации. Первый способ не обеспечивает необходимой синфазности и

синхронности колебаний, так как фаза и частота любого высокостабильного генератора изменяется под влиянием ряда факторов: изменение температуры окружающей среды, изменение напряжения питания, износ деталей и т.д. Поэтому данный способ оказывается неприемлемым для практической реализации канала с ФМ.

Второй способ получения опорного напряжения также не нашел практического применения, поскольку его реализация приводит к потерям спектра в частотном канале и мощности на передачу пилот-сигналов.

Наибольшее распространение нашли схемы выделения когерентного напряжения непосредственно из принимаемого информационного сигнала. К таким схемам относятся схемы, предложенные Пистелькорсом, Сифоровым, Костасом и др.

К сожалению, устройства деления частоты, используемые в схемах выделения опорного колебания, при кратковременном прекращении приема или от сильной помехи могут произвольно повернуть фазу опорного напряжения на 180°. Это вызовет изме-

32

нение полярности посылок на выходе ФД на обратную, т.е. приведет к обратной работе. Момент фазового скачка не может быть определен. Таким образом, прием станет невозможен, так как все знаки будут приняты неправильно.

Физическое явление двузначности фазы на выходе делителя частоты может быть объявлено тем, что деление может начинаться с любого периода колебаний несущей, а это и приводит к сдвигу фазы на 180°. Из-за отсутствия путей, позволяющих устранить появление «обратной работы» при приеме ФМ сигналов, этот метод приема долгое время не находил применения.

Важно отметить, что сигналы с ФМ обладают хорошей помехоустойчивостью по сравнению другими видами модуляции (в частности, по сравнению с ЧМ и AM).

Считая, что появление положительных и отрицательных элементарных посылок в информационном сигнале равновероятно, можем привести формулу для вероятности ошибочного приема ФМ сигналов:

где Ф( ) – функция интеграл вероятности, Е – энергия сигнала, No

– спектральная плотность шума.

Отметим, формула (3) реализована лишь при условии, что опорные сигналы для информационных сигналов известны на приемной стороне с точностью до начальной фазы. На практике опорные сигналы чаще формируются из принятого колебания, которое подвержено воздействию помех в канале передачи, и поэтому могут отличаться от истинных сигналов информационные сигналы. Это приводит к понижению помехоустойчивости приема сигналов ФМ.

Порядок выполнения лабораторной работы

1.Ознакомиться с краткой теорией, описывающей формирование, передачу и приём сигналов с ФМ.

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

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

4.Изучить принцип действия модулятора ФМ. Для этого:

33

4.1.Собрать рабочее место.

4.2.На универсальном стенде для модулятора выбрать режим

ФМ.

4.3. С генератора низких частот ГЗ-112 подать сигнал с час-

тотой f = 1 кГц и напряжением Uвыхг= 10 В на вход модулятора. 4.4. Проконтролировать вид сигнала с выхода модулятора на

экране осциллографа и зарисовать наблюдаемые эпюры.

4.5. Провести измерение частот с выходов модулятора S0 и

S1. 5. Изучить работу демодулятора ФМ. Для этого:

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

5.2.Провести измерение частоты в демодуляторе с выходов S0 и S1, полученные результаты сравнить с пунктом 4.5.

5.3.Проконтролировать эпюры напряжений на выходе РУ. Измерить частоту сигнала на выходе РУ и сравнить со значением входного сигнала на модуляторе.

6. Провести исследование помехоустойчивости ФМ сигналов. Для этого:

6.1.С генератора низких частот ГЗ-112 подать сигнал с частотой f = 1 кГц и напряжением Uвыхг = 10 В на вход модулятора.

6.2.Выход модулятора соединить с каналом связи. На шумовой вход канала связи подать шум с выхода генератора шума на панели универсального стенда.

6.3.Выход канала связи соединить с входом демодулятора. К выходу РУ подключить частотомер Ч3-32.

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

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

10 раз.

6.6.Повторить пункт 6.5. для ОСШ, равного 1, 2, 5, 10 и времени измерения 10 секунд.

6.7.Для каждого ОСШ и времени измерения рассчитать среднее число ошибок Ncp.

6.8.Провести расчёт вероятности ошибочного приёма при использовании ФМ сигналов по формуле:

34

где N – число переданных посылок;

Ncр – среднее число принятых посылок.

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

Требования к отчёту

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

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

3.В отчёте должны быть представлены экспериментальные результаты (по пунктам).

4.Отчёт должен содержать развернутый вывод по выполненной работе.

Контрольные вопросы

1.Назвать основные методы формирования ФМ сигналов.

2.Рассказать о непрерывном методе формирования.

3.Назвать основные черты импульсного метода формирова-

ния.

4.Объяснить принцип действия модулятора ФМ сигналов.

5.Объяснить принцип действия демодулятора ФМ сигналов.

6.Рассказать о способах получения опорного сигнала в демодуляторах ФМ.

7.Дать описание когерентному способу приёма сигналов с

ФМ.

8.Раскрыть понятие «обратная работа» при приёме сигнала ФМ ирассказать, чем она вызывается.

9.Какие бывают способы приёма ФМ сигналов?

10.Рассказать о некогерентном способе приёма сигналов с

ФМ.

11.Провести сравнение двух методов приёма ФМ сигналов.

35

Литература

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

2.Финк, Л.Н. Теория передачи дискретных сообщений

/Л.Н. Финк. – М., Сов. радио, 1970. – 727 с.

3.Тихонов, В.И. Статистическая радиотехника / В.И. Тихонов. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Радио и связь, 1982. – 624 с.

Лабораторная работа № 4

Исследование влияния шумовой помехи на физическую модель модема амплитудно-манипулированных сигналов

Цель работы: изучить принцип действия демодулятора АМ, работу демодулятора в условиях помех, влияние порога на вероятность ошибки при амплитудной манипуляции различных сигналов.

Оборудование: универсальный обучающий стенд, персональный компьютер ПК, двухканальный осциллограф С1-65, вольтметр, генератор Г3-112.

Краткая теория

В работе используется универсальный стенд со сменным блоком «МОДУЛЯТОР-ДЕМОДУЛЯТОР», функциональная схема которого приведена на рис. 1.

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».

36

Рис. 1. Функциональная схема сменного блока «МОДУЛЯТОР-ДЕМОДУЛЯТОР»

В блоке «МОДУЛЯТОР» происходит модуляция (манипуляция) двоичными символами «высокочастотных» колебаний по амплитуде, частоте или фазе, в зависимости от положения переключателя «ВИД МОДУЛЯЦИИ» – AM, ЧМ, ФМ или ОФМ. При «нулевом» положении переключателя выход модулятора соединен с его входом (модуляцияотсутствует).

«КАНАЛ» связи представляет собой сумматор сигнала с выхода модулятора и шума, генератор которого (ГШ) расположен в блоке «ИСТОЧНИКИ СИГНАЛОВ». Внутренний генератор квазибелого шума, имитирующий шум канала связи, работает в той же полосе частот, в которойрасположеныспектрымодулированных сигналов

(12 – 28 кГц).

«ДЕМОДУЛЯТОР» выполнен по когерентной схеме с двумя ветвями; коммутация видов модуляции – общая с модулятором. В соответствии с этим эталонные сигналы S0 и S1 и пороговые напряжения в контрольных точках стенда изменяются автоматически при смене вида модуляции. Знаками «X» на функциональной схеме обозначены аналоговые перемножители сигналов, выполненные на специализированныхИМС.

Знаками «X» на функциональной схеме обозначены аналоговые перемножители сигналов, выполненные на специализированных ИМС. Блоки интеграторов выполнены на операционных усилителях. Электронные ключи (на схеме не показаны) разряжают конденсаторы интеграторовперед началом каждого символа.

37

Сумматоры « » предназначены для введения пороговых значений напряжений, зависящихотэнергииэталонныхсигналовS0 иS1.

Блок «РУ» – решающее устройство – представляет собой компаратор, т.е. устройство, сравнивающее напряжения на выходах сумматоров. Само «решение», т.е. сигнал «0» или «1», подается на выход демодулятора в момент перед окончанием каждого символа и сохраняется до принятия следующего «решения». Моменты принятия «решения» и последующего разряда конденсаторов в интеграторах задаются специальной логической схемой, управляющей электронными коммутаторами.

При амплитудной манипуляции предусмотрена возможность ручной установки порога с целью изучения его влияния на вероятность ошибки в приеме символа. Оценка вероятности ошибки производится в 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 двухканальный осциллограф, встроенный вольтметр и ПК, работающий в режиме подсчета ошибок.

Порядок выполнения лабораторной работы

1. Работа демодулятора в условиях отсутствия помех. 1.1. Собрать схему измерений согласно рис. 2.

Рис. 2. Функциональная схема измерений

1.2. Тумблерами «КОДЕРА-1» набрать любую двоичную комбинацию из 5 элементов.

38

1.3.Ручку регулятора «ПОРОГ AM» установить в крайнее левое положение. При этом регулятор выключен, и порог устанавливается автоматически при смене вида модуляции.

1.4.Тумблер фазировки опорного колебания «ДЕМОДУЛЯТОРА» установить в положение «0». Соединить выход генератора шума «ГШ» в блоке «ИСТОЧНИКИ СИГНАЛОВ» со входом n(t) «КАНАЛА» связи.

1.5.Потенциометр выхода генератора шума – в крайнем левом положении (напряжение шума отсутствует).

1.6.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).

1.7.Кнопкой переключения видов модуляции установить вариант «0», соответствующий сигналу на входе «МОДУЛЯТОРА».

1.8.Получить осциллограмму этого сигнала и, не меняя режима развертки осциллографа, выбрать вид модуляции «АМ».

1.9.Зарисовать осциллограммы в контрольных точках демодулятора:

а) на входе демодулятора; б) на выходах перемножителей (в одном масштабе по верти-

кали); в) на выходах интеграторов (также в одном масштабе);

г) на выходе демодулятора.

На всех полученных осциллограммах отметить положение оси времени (т.е. положение нулевого уровня сигнала). Для этого можно зафиксировать положение линии развертки при замыкании входных зажимов осциллографа.

2.Работа демодулятора в условиях помех.

2.1.Подключить один из входов двухлучевого осциллографа к входу модулятора, а второй– к выходу демодулятора. Получите неподвижныеосциллограммы этих сигналов.

2.2.Плавно увеличивая уровень шума (потенциометром «ГШ") добиться появления редких «сбоев» на выходной осциллограмме илинавыходном табло «ПРИНЯТО».

39

2.3. С помощью осциллографа измерить установленное отношение сигнал/шум. Для этого, последовательно отключая источник 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 шумовой сигнал, измерить размах шума (также в делениях) – 6σ. Найденное отношение а/σ внести в табл. 1.

2.4.При AM наблюдать по вспышкам светодиода «ОШИБКА» или по осциллограмме выходного сигнала демодулятора частоту появления ошибок. Результаты наблюдений внести в отчет.

2.5.Не изменяя уровень шума в канале, измерить вероятность ошибкидемодулятора в приеме символа за конечное время анализа (т.е. оценку вероятности ошибки). Для этого привести ПК в режим измерения вероятности ошибки и установить время анализа

10 – 30 с.

2.6.Определить число ошибок за время анализа и оценку вероятности ошибки. Полученные данные внести в табл. 1, при

а/σ = const.

Таблица 1

Время анализа – ... а/σ

3. Зависимость вероятности ошибки от порогового напряжения в демодуляторе при AM.

3.1. Переключателем «ВИД МОДУЛЯЦИИ» установить AM. Потенциометр выхода генератора шума установить на минимум. С помощью осциллографа, подключенного к выходу нижнего интегратора, измерить размах пилообразного напряжения по вертикали в вольтах – Umax.

Провести измерения не менее чем для 5 значений порога

Unop.

40