mx_metoda_laby

3. Лабораторная работа

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ ПЕРЕДАЧИ СИГНАЛОВ ПРИ ЧАСТОТНОМ УПЛОТНЕНИИ ЛИНИИ

3.1. Теоретическая часть

При частотном разделении каналов возможны следующие методы передачи сигналов: передача сигналов при помощи двух боковых и несущей; одной боковой и несущей; одной боковой полосы частот.

3.1.1. Передача сигналов при помощи двух боковых и несущей

На рис. 3.1 представлена схема системы многоканальной связи с передачей двух боковых с несущей и графики преобразования спектров сигналов. Передатчик каждого канала содержит модулятор М и полосовой фильтр ПФ. Модуляторы соответствующих каналов питаются несущими частотами ω1, ω2, ..., ωn и являются нелинейными электрическими цепями. Рассматривая процесс передачи сигнала на примере одной его гармонической составляющей, напряжение, передаваемое в линию, можно выразить следующим образом.

Если гармоническая составляющая сигнала uΩ = UΩ cos Ωt и несущее напряжение uω = Uω sin ωt, то напряжение в линии

uΩ = (1 + mUΩ cos Ωt) Uω sin ωt = Uω sin ωt + 1/2 m sin (ω – Ω)t +

Это напряжение представляет амплитудно-модулированные колебания, где m – коэффициент модуляции (m ≡ UΩ при данном Uω), которое содержит гармонические колебания несущей и двух боковых частот.

Процесс амплитудной модуляции в любой схеме модулятора(преобразователя) сопровождается искажениями, что приводит к появлению побочных продуктов преобразования, расширяющих спектр. Для устранения этих продуктов на выходе модуляторов включают полосовой фильтр ПФ с полосой пропускания, Δω:

где ΩВ – высшая частота спектра сигнала (см. рис. 3.1).

Полосовые фильтры объединяются в точке О, где образуется суммарный (групповой) сигнал от n – передаваемых сигналов. Спектр

группового сигнала равняется сумме спектров сигналов, получаемых с выходов ПФ.

20

Рис. 3.1. Схема реализации многоканальной системы и график сигналов при передаче двух боковых и несущей

Для независимой передачи всех сигналов необходимо правильно выбрать значения несущих частот. Смежные несущие должны отличаться на величину не менее

где – полоса расфильтровки, необходимая для разделения сигналов полосовыми фильтрами на приемном конце. Число возможных каналов в заданной полосе частот Δω'' определяется по формуле

21

Для увеличения мощности групповой сигнал усиливается групповым усилителем ГУС и передается по линии. В качестве линии может использоваться кабельная, воздушная или радиорелейная линия.

На приемном конце после усиления в точке P осуществляется частотное разделение сигналов при помощи полосовых фильтров, характеристики которых соответствуют фильтрам передачи. В демодуляторе Д происходит преобразование спектра, в результате чего появляются составляющие с частотой исходного сигнала Ω и прочие продукты преобразования. Для выделения полезного сигнала и подавления вредных продуктов служит фильтр нижних частот– ФНЧ с частотой среза, равный ΩВ. Процесс преобразования спектров в тракте приема представлен на рис. 3.2.

Рис. 3.2. Преобразование спектров сигнала в тракте приема

Полезный сигнал следует рассматривать как нижнюю боковую полосу, полученную при преобразовании в демодуляторе. В качестве демодулятора можно использовать простейшие нелинейные цепи.

3.1.2. Передача сигналов при помощи одной боковой и несущей

В этом случае схема системы связи остается такой же, как на рис. 3.1. Процесс формирования сигнала показан на рис. 3.3, а. В индивидуальных модуляторах происходит амплитудная модуляция. В результате этого на их выходе появляется амплитудно-модулированное колебание, содержащее две боковых и

22

несущую. Для выделения одной боковой и несущей и подавления другой боковой полоса пропускания ПФ выбирается следующим образом.

Рис. 3.3. Преобразование спектров сигналов:

а – модулятором передатчика; б – демодулятором приемника

23

Учитывая полосу расфильтровки , общая полоса для организации одного канала равна

А число каналов в заданной полосе Dω¢¢ определяется по формуле

После объединения в точке О отдельных сигналов групповой сигнал усиливается в ГУс, передается по линии, усиливается в пункте приема, а в точке Р происходит разделение сигналов полосовыми фильтрами ПФ. Для демодуляции используются простейшие нелинейные цепи. Процесс преобразования спектра в демодуляторе показан на рис. 3.3, б. Для выделения исходного сигнала и подавления вредных продуктов преобразования на выходе демодулятора включают фильтр нижних частот с частотой среза, равной WВ .

3.1.3. Передача сигналов при помощи одной боковой полосы

Верхняя или нижняя боковая полоса частот полностью определяют исход-

Так как коэффициент модуляции пропорционален UΩ, то амплитуда составляющей боковой частоты также пропорциональна амплитуде сигнала

Uω±W º UW

Для полного определения исходного сигнала по напряжению боковой -со ставляющей, в пункте приема необходимо иметь данные о частоте несущей. Если в пункте приема генерировать “местную” несущую, а боковую получить с линии, то задача получения исходного сигнала может быть решена.

Схема системы связи дана на рис. 3.4, а. Сигнал в полосе (WН ¸ WВ ) поступает на модулятор, где происходит преобразование спектра, а полосовым фильтром выделяется верхняя или нижняя боковая полоса. Полоса пропускания фильтров выбирается следующим образом.

24

а

Рис. 3.4. Схема реализации многоканальной системы и график преобразования спектров сигналов при передаче одной боковой без несущей

25

Учитывая полосу расфильтровки , для организации одного канала необходима полоса

Все сигналы объединяются в точке О, усиливаются и передаются по линии в пункт приема. После усиления происходит частотное разделение сигналов при помощи полосовых фильтров, подключенных к точке Р.

Для демодуляции к демодулятору подводится «местная» несущая с частотой (ω - δω) , где δω – погрешность частоты генератора, т.е. разница между частотой несущих на модуляторе и демодуляторе. Преобразование спектра при демодуляции показано на рис. 3.4, в.

Если δω ¹ 0, то сигнал принимается с искажениями, которые проявляются в том, что все составляющие спектра сдвигаются по оси частот на величинуδω . Эти искажения называют искажениями асинхронизма. Выделение сигнала производится фильтром нижних частот.

Для сохранения достаточного качества телефонной передачи δω не должна превышать (2π × 20), а для неискаженной передачи телеграфных сигналов(2π × 2) – радиана за секунду.

3.1.4. Сравнение методов передачи сигналов

По эффективности использования спектра частот, а значит, и линии связи при организации многоканальных систем лучшим будет метод передачи одной боковой полосы частот. Затем следует метод передачи одной боковой и несущей. Метод передачи двух боковых и несущей дает минимальную эффективность использования линий. Количественные выводы можно сделать из рассмотрения выражений (3.1–3.14).

По эффективности использования групповых усилителей и помехоустойчивости лучшим является метод передачи одной боковой полосы частот. В этом случае весь усиливаемый и передаваемый в линию сигнал имеет полезную информацию. При заданной мощности усилителей полезная мощность боковой в случае передачи в линию тока несущей частоты всегда будет намного меньше полной мощности. Если принять коэффициент модуляции m = 0,5, то мощность боковой составит только 6 % от мощности несущей, поэтому усилитель будет загружен в основном током несущей. Такое снижение полезной передаваемой мощности приводит к уменьшению дальности связи(к укорочению усилительного участка) или ухудшению отношения сигнал-помеха при неизменной дальности.

26

По сложности технической реализации метод передачи боковых и несущей частоты значительно проще, так как преобразование в пункте приема осуществляется простым детектированием и не требуется генератора несущей. Искажения асинхронизма отсутствуют. Однако при создании многоканальных систем возникают трудности в применении групповых усилителей, которые могут перегружаться токами несущих.

Метод передачи одной боковой требует высокостабильных генераторов несущих частот. Трудность создания таких генераторов возрастает с повышением частоты. В проводных линиях связи, где используется сравнительно низкий диапазон, этот метод нашел широкое применение. Системы с передачей несущей используются в радиосвязи и в тех случаях, когда допустима 100%–ная модуляция (передача телеграфных сигналов) или не допускаются искажения асинхронизма (фототелеграф, телевидение).

3.2. Экспериментальная часть

Порядок выполнения работы

1. Изучить схему и конструкцию лабораторной установки. Включить питание генераторов несущих и сигнала(рис. 3.5). Подать питание 12В на усилители ГУС. Включить осциллограф.

Рис. 3.5. Система передачи:

а– боковых и несущей; б – боковых без несущей

2.Исследовать систему связи по методу передачи несущей и двух боковых. Для этого собрать схему (рис. 3.5, а) путем установки перемычек. Подключить на вход канала в качестве сигнала генератор с частотой F = 1000 Гц и уровнем р

=–10 Нп. Подать несущую к преобразователю передачи с частотой f = 14,0 кГц

иуровнем р = +0,5 Нп. Обратить внимание на схему преобразователя балансно-

27

го относительно входного сигнала. Соединить гнезда «линия» оборудования пункта передачи и приема двухпроводным шнуром. Снять последовательно осциллограммы в точках 1 – 1, 2 – 2, 3 – 3, 4 – 4, 5 – 5, 6 – 6 и изобразить их на графиках в одном масштабе времени (все графики один под другим). По графику (4 – 4) приблизительно определить глубину модуляции по формуле

m = U max -U min . U max +U min

На основе анализа процессов преобразования спектра указать основные гармонические составляющие напряжений сигналов во всех точках.

3. Исследовать систему связи по методу передачи одной боковой и несущей. Для этого собрать схему (рис. 3.5, а), установить частоту генератора сигнала F =1000 Гц с уровнем р = – 1,0 Нп, частоту несущей f = 15,0 кГц с уровнем р = + 0,5 Нп. Аналогично пункту 2 заснять осциллограммы во всех точках и изобразить на графиках. Сравнить графики напряжений в одноименных точках, полученные по пунктам 2 и 3. Обратить внимание на уменьшение глубины модуляции в последнем случае и дать объяснение. На основе анализа процессов преобразования спектров указать основные гармонические составляющие напряжений во всех точках.

4. Исследовать систему связи по методу передачи одной боковой полосы частот. Для этого собрать схему(рис. 3.5, б), установить частоту генератора сигнала F = 1000 Гц с уровнем р = –1,0 Нп, частоту несущей f = 16,0 кГц с уровнем р = + 0,5 Нп. Просмотреть осциллограммы во всех точках и зарисовать в виде графиков в одном масштабе времени. На основе характеристики затухания фильтров указать основные гармонические составляющие напряжения во всех точках схемы.

Для проверки влияния асинхронизма на качество передачи телефонных сигналов подключить вместо генератора сигнала к точкам1 – 1 речевой сигнал из радиотрансляционной сети. При помощи телефона прослушать этот сигнал на выходе канала в точках 6 – 6. Плавно меняя частоту генератора несущей демодулятора в пределах ±300 Гц, обратить внимание на появление искажений телефонной передачи.

28

Содержание отчета

1.Привести схемы систем связи и осциллограмм напряжений во всех точках. Все осциллограммы изобразить в одном масштабе времени и указать основные гармонические составляющие.

2.Кратко пояснить значение отдельных элементов схем пункта передачи и приема и определить основные требования к ним.

3.Сделать выводы о преимуществах и недостатках различных методов пере-

дачи.

3.3.Контрольные вопросы

1.Структурная схема способа передачи двух боковых и несущей.

2.Структурная схема способа передачи одной боковой без несущей.

3.Назначение полосового фильтра, включаемого на выходе преобразователя частоты.

4.На какую величину должны отличаться смежные несущие при способе передачи двух боковых и несущей и при способе передачи одной боковой без несущей?

29