ГЛАВА II ИЗМЕРВАНЕ ПАРАМЕТРИТЕ НА МОДУЛИРАНИ

В различни области на радиоелектрониката и съобщителната техника широко се използва т. нар. явление модулация, т.е. въздействие на някаква величина върху параметрите на в. ч. трептение:

В зависимост от това кой параметър (U_m, w или ) на трептението се изменя, модулацията може да бъде амплитудна, честотна или фазова. Най-широко приложение са получили амплитудната (АМ) и честотната модулация (ЧМ): първата – в следствие на простата й реализация, а втората – поради голямата й шумоустойчивост.

Ако в.ч. немодулирано напрежение u_w и модулиращо н.ч. напрежение се представят съответно с изразите

(2.2)

и

(2.3)

амплитудно модулираното (u_AM), честотно модулираното (u_ЧМ) и фазово модулираното (u_ФМ) напрежението се записва съответно във вида:

(2.4)

(2.5)

(2.6)

където

Най-важните параметри на модулираните трептения са коефициентите . За тяхното измерване са разработени много методи, някои от които се разглеждат по-нататък.

Амплитудната модулация се дефинира с коефициента на модулация m, който се изразява в проценти. На фиг. 2.1 е показано модулирано в.ч. трептене. В най-общ вид, когато модулиращото напрежение не е симетрично, коефициентът на модулация се дефинира по следния начин:

наречен коефициент на модулация по максимум на обвиващата крива.

наречен коефициент на модулация по минимум на обвиващата крива.

наречен среден коефициент на модулация. При симетрична модулация и

Един от най-бързите и универсални начини за измерване на коефициента на модулация е с помощта на електронен осцилоскоп. Като се подаде модулираното трептене на входа У, върху екрана на осцилоскопа се получават различни фигури, както следва: а) при линейна развивка и синхронизирана честота на развивката с честотата на модулиращото трептение F, при което F > F_разв. (фиг. 2.2а); б) при линейна развивка и отсъствие на синхронизации (фиг. 2.2 б); в) когато модулиращото напрежение е същевременно и напрежение на развивката и между усилвателите по Х и У няма дефазиране (фиг. 2.2 в), а при дефазиране (фиг. 2.2 г); д) когато няма развиващо напрежение (фиг. 2.2 д); е) при кръгова или елиптична развивка (фиг. 2.2 е).

Точността е толкова по-голяма, колкото е по-голямо не изкривеното изображение на осцилограмата и колкото по-добре е фокусиран лъчът. Необходимо е вертикалният усилвател на осцилографа да бъде линеен. Методът е приложим за всички честоти, за които лентата на пропускане на осцилографа допуска това. Когато честотата е по-висока, тъй като в повечето случаи измерваното модулиращо напрежение е за предаватели и е достатъчно високо, то може да се подаде директно на вертикалните отклонителни пластини. Това практически дава възможност да се измерва включително до няколкостотин MHz.

В случай, че напрежението е с ниско ниво, а честотата висока и се разполага с нискочестотен осцилоскоп, АМ може да се измери, като напрежението предварително се детектира в един линеен детектор (фиг. 2.3).


Фиг. 2.3 Измерване на АМ чрез детектиране на напрежението
Върху екрана на осцилоскопа ще се получи обвиващата крива на н.ч. трептене (фиг. 2.3б). Оста Х се фиксира на осцилоскопа от електронния лъч, когато входното напрежение на усилвателя по U_Г се изключи и лъчът се измести така, че да съвпадне с някоя хоризонтална права от мащабната мрежа на осцилоскопа.

След включване напрежението към вход У на осцилоскопа и синхронизиране на развивката се измерват отсечките a и b. От тях по формула 2.10 се изчислява коефициента на амплитудна модулация m.

АМ може да се измери и по редица други методи, някои от които с директно отчитане на m. Един от най-разпространените методи е този с двойната детекция. От фиг. 2.1 се вижда, че средното напрежение U_ср (U_e) е фактически амплитудата на носещото трептене U_в.ч., а са положителната и отрицателната амплитуда на модулиращото н.ч. напрежение (U_н.ч.). Явно е, че колкото U_н.ч. има по-голяма стойност, толкова дълбочината на модулация ще бъде по-голяма. Следователно, ако може да се измери с електронен волтмер U_в.ч. и U_н.ч., коефициентът на модулация ще бъде равен на:

На този принцип е построен измерител (модуломер) с директно отчитане на коефициента на дълбочина на АМ (фиг. 2.4).

Модулираното в.ч. напрежение U₁₂ по индуктивен път се подава на линейния диоден детектор Д₁, натоварен с резисторите R₂ и R₃. За подобряване на детектирането е използван филтърът С₁, R₁, C₂. Стойността на детектираното напрежение U₃₄ се регулира с променливия резистор R₁. Чрез него се установява определена стойност на напрежението U₀ върху резистора R₃ (например ). При тази стойност индикаторът показва максимално отклонение. При това напрежение е градуиран върховият диоден волтметър (диодът Д₂). Напрежението се измерва с магнитоелектрическия индикатор И , включен към резистора R₃. След това индикаторът се включва към резистора R₄ и измерва напрежението , което е пропорционално на коефициента на дълбочина на АМ:

(2.12)

където са коефициенти на пропорционалност и зависят от съотношението между R₂ и R₃.

Резисторът R₅ служи за намаляване на влиянието от превключването на индикатора и върху режима на работа на модуломера. При постоянна стойност на напрежението индикаторът може да се градуира непосредствено в стойности на коефициента m.



Фиг. 2.4 Модуломер
Методът на двойното детектиране се използва както в специалните уреди, служещи за измерване на дълбочината на АМ, така и в модуломерите на генераторите на стандартни сигнали (ГСС).

За измерване на коефициентите m+ и m- при несиметрична АМ в схемата на модуломера се предвижда възможност за превключване на поляритета на модулираното н.ч. напрежение към диода Д₂.

Едно честотно модулирано в.ч. трептение се характеризира с това, че честотата му се изменя пропорционално на моментната стойност на модулиращото н.ч. трептение.

Системите с честотна модулация (ЧМ) се характеризират с висока шумоустойчивост, поради което те се използват за висококачествено радиоразпръскване на у.к.в., за предаване на звуковия съпровод на телевизионната програма. За предаване на телеграфни и фототелеграфни сигнали, в радиорелейните линии за връзка, в някои измерителни генератори и редица измерителни уреди, работещи с периодично изменяща се честота.

Ако ЧМ се извършва с един синусоидален сигнал, изразът на честотно модулираното трептение има вида (2.5), където

е индексът на ЧМ; F – честотата на н.ч. модулиращо трептение; - изменението (отклонението) на високата (носещата) честота при ЧМ – честотната девиация. Следователно моментната стойност на честотата на в.ч. модулирано трептение се определя с израза:

като честотната девиация е пропорционална само на амплитудата U_mf на н.ч. модулиращо трептение и не зависи от неговата честота

Честотата F на н.ч. модулиращо трептение определя скоростта на изменение на моментната стойност на честотната девиация

Където е максималната честотна девиация.

На практика, особено в експлоатационни условия, май-често се измерва честотна девиация , а индексът на ЧМ (mf) при модулация с една честота се изчислява по формулата (2.13). За точни измервания на честотно модулирани трептения – при настройване на радиопредаватели и при калибриране на измервателни устройства – индексът на ЧМ се измерва, а по (2.15) се изчислява честотната девиация.

Измерване на честотна девиация по метода на честотния детектор

Същността на този метод се състои в преобразуване на честотно модулираните трептения в амплитудно модулирани, след което се детектират с амплитуден детектор, в резултат на което се получава напрежение, пропорционално на н.ч. модулиращо напрежение. Съгласно (2.15) амплитудата на това напрежение е пропорционална на честотната девиация , откъдето следва, че скалата на един върхов волтметър, включен в изхода на честотния детектор, може да бъде градуирана непосредствено в единици на (Hz).

На фиг. 2.5 е показана блоковата схема на един измерител на девиация изграден на принципа на честотния детектор. По принцип това е приемник за честотно модулирани сигнали.


Фиг. 2.5 Блокова схема на измерител на девиация работещ на принципа на честотния детектор
Изследваното честотно модулирано трептение посредством входния атенюатор (Вх “а”) се подава на единия вход на смесителя (См), а на втория му вход се подава напрежението на хетеродина (Х). В резултат на това в изхода на смесителя се получава честотно модулирано трептение с междинна честота и със същата честотна девиация, както изследваното.След усилване от междинно-честотния усилвател (МЧУ).

МЧУ се ограничава по амплитуда от амплитудния ограничител (АОг) с цел да се премахне паразитната АМ на входния сигнал, както и евентуално появилата се паразитна АМ в процеса на преобразуването и усилването. По този начин на входа на честотния детектор (ЧД) се подава напрежение с постоянна амплитуда, вследствие на което големината на изходното напрежение няма да се влияе от изменението на амплитудата на входа на устройството и от паразитната АМ. Преобразуването на честотно модулираното напрежение в амплитудно модулирано се извършва в честотния детектор, той може да се разглежда като четириполюсник, чийто коефициент на предаване по напрежение зависи от честотата. За да се извърши преобразуването без изкривявания, необходимо е амплитудно-честотната характеристика на честотния детектор да бъде линейна. Полученото по този начин амплитудно модулирано напрежение се детектира в линейния амплитуден детектор (АД), в резултат на което се получава нискочестотно напрежение. Формата му ще съответства на формат на модулиращото напрежение, а амплитудата му ще бъде пропорционална на честотната девиация .

Напрежението от изхода на амплитудния детектор преминава през нискочестотния филтър (НЧФ), усилва се от нискочестотния усилвател (НЧУ), след което се подава за измерване от върховия електронен волтметър (ЕВ), скалата на който е градуирана в стойности на честотна девиация.

По метода на честотния детектор може да се измерва честотна девиация както при синусоидална, така и при несинусоидална модулация със сравнително висока точност (5 – 10 %). Може също така да се установи и измери и паразитната фазова модулация при амплитудно модулирани сигнали. За целта е необходимо амплитудният ограничител да отстранява изцяло амплитудна модулация. Ако в този случай на изхода на амплитудния детектор се установи наличие на променлива съставка, това е показател за наличие на паразитна фазова модулация.

Целта на упражнението е да запознаят студентите със същността и параметрите на модулираните трептения. Да могат да използват осцилографните методи за измерване на параметрите на модулирани трептения.

В различни области на радиоелектрониката и съобщителната техника широко се използва т. нар. явление модулация, т.е. въздействие на някаква величина върху параметрите на в. ч. трептение:

В зависимост от това кой параметър (А_m, w или ) на трептението се изменя, модулацията може да бъде амплитудна, честотна или фазова. Най-широко приложение са получили амплитудната (АМ) и честотната модулация (ЧМ): първата – в следствие на простата й реализация, а втората – поради голямата й шумоустойчивост.

Ако в.ч. немодулирано трептене а_w и модулиращо н.ч. трептене се представят съответно с изразите

(3.2)

и

(3.3)

амплитудно модулираното (u_AM), честотно модулираното (u_ЧМ) и фазово модулираното (u_ФМ) трептене се записва съответно във вида:

(3.4)

(3.5)

(3.6)

където

Най-важните параметри на модулираните трептения са коефициентите .

При амплитудна модулация високочестотното трептене е модулирано с един нискочестотен модулиращ сигнал със синусоидална форма. Аналитичният израз за записване на модулираното високочестотно напрежение е даден във формула (3.4), където :

а - моментната стойност на напрежението;

- амплитудата на немодулираното напрежение;

Ω - честотата на модулиращото напрежение;

m - е коефициент на дълбочина на амплитудна модулация.

Модулиращият нискочестотен (3.2) и модулирания високочестотен сигнал (3.4) е представено графично на фиг. 3.1.

Като се вземе в предвид изразът:

изразът (3.4) се преобразува в следният вид:

От уравнение (3.8) се вижда, че модулираното високочестотно трептене се съдържа три съставки: първият член представлява честотата на носещото трептене или трептене с основната честота, вторият-трептене с долна странична честота и третият член-трептене с горна странична честота .

Спектралната диаграма има вида, показан на фиг.3.2 когато управляващия сигнал е съставен от множество трептения с честота от ₁ от ₂. Широчината на спектъра се определя чрез горната честота F_АМ=2₂.


Фиг.3.2. Спектрална диаграма на модулиран сигнал
Когато модулираният сигнал е сложен (състои се от множество от трептения с честоти) и се изразява чрез крайна сума от хармоници с максимален брой к, то спектъра му ще се състои от носеща честота и 2странични ленти, показани на фиг.3.3


Фиг.3.3. Спектър на сложен модулиран сигнал

Измерване параметрите при амплитудно модулирани трептения.

Определяне на коефициента на дълбочина на амплитудна модулация

Амплитудната модулация се дефинира с коефициента на модулация m, който се изразява в проценти. На фиг. 3.4 е показано модулирано в.ч. трептене. В най-общ вид, когато модулиращото напрежение не е симетрично, коефициентът на модулация се дефинира по следния начин:

наречен коефициент на модулация по максимум на обвиващата крива.

наречен коефициент на модулация по минимум на обвиващата крива.

наречен среден коефициент на модулация. При симетрична модулация и

Един от най-бързите и универсални начини за измерване на коефициента на модулация е с помощта на електронен осцилоскоп. Като се подаде модулираното трептене на входа У, върху екрана на осцилоскопа се получават различни фигури, както следва: а) при линейна развивка и синхронизирана честота на развивката с честотата на модулиращото трептение F, при което F > F_разв. (фиг. 3.5а); б) при линейна развивка и отсъствие на синхронизации (фиг. 3.5 б); в) когато модулиращото напрежение е същевременно и напрежение на развивката и между усилвателите по Х и У няма дефазиране (фиг. 3.5 в), а при дефазиране (фиг. 3.5 г); д) когато няма развиващо напрежение (фиг. 3.5 д); е) при кръгова или елиптична развивка (фиг. 3.5 е).

При всички тези фигури, като се измерят отсечките a и b, коефициентът на модулацията се определя от израза:

Точността е толкова по-голяма, колкото е по-голямо не изкривеното изображение на осцилограмата и колкото по-добре е фокусиран лъчът. Необходимо е вертикалният усилвател на осцилографа да бъде линеен. Методът е приложим за всички честоти, за които лентата на пропускане на осцилографа допуска това. Когато честотата е по-висока, тъй като в повечето случаи измерваното модулиращо напрежение е за предаватели и е достатъчно високо, то може да се подаде директно на вертикалните отклонителни пластини. Това практически дава възможност да се измерва включително до няколкостотин MHz.

В случай, че напрежението е с ниско ниво, а честотата висока и се разполага с нискочестотен осцилоскоп, АМ може да се измери, като напрежението предварително се детектира в един линеен детектор (фиг. 3.6).



Фиг. 3.6 Измерване на АМ чрез детектиране на напрежението
Върху екрана на осцилоскопа ще се получи обвиващата крива на н.ч. трептене (фиг. 3.5б). Оста Х се фиксира на осцилоскопа от електронния лъч, когато входното напрежение на усилвателя по U_Г се изключи и лъчът се измести така, че да съвпадне с някоя хоризонтална права от мащабната мрежа на осцилоскопа.

След включване напрежението към вход У на осцилоскопа и синхронизиране на развивката се измерват отсечките a и b. От тях по формула 3.12 се изчислява коефициента на амплитудна модулация m.

АМ може да се измери и по редица други методи, някои от които с директно отчитане на m. Един от най-разпространените методи е този с двойната детекция. От фиг. 3.4 се вижда, че средното напрежение U_ср (U_e) е фактически амплитудата на носещото трептене U_в.ч., а са положителната и отрицателната амплитуда на модулиращото н.ч. напрежение (U_н.ч.). Явно е, че колкото U_н.ч. има по-голяма стойност, толкова дълбочината на модулация ще бъде по-голяма. Следователно, ако може да се измери с електронен волтмер U_в.ч. и U_н.ч., коефициентът на модулация ще бъде равен на:

На този принцип е построен измерител (модуломер) с директно отчитане на коефициента на дълбочина на АМ (фиг. 3.7).

Модулираното в.ч. напрежение U₁₂ по индуктивен път се подава на линейния диоден детектор Д₁, натоварен с резисторите R₂ и R₃. За подобряване на детектирането е използван филтърът С₁, R₁, C₂. Стойността на детектираното напрежение U₃₄ се регулира с променливия резистор R₁. Чрез него се установява определена стойност на напрежението U₀ върху резистора R₃ (например ). При тази стойност индикаторът показва максимално отклонение. При това напрежение е градуиран върховият диоден волтметър (диодът Д₂). Напрежението се измерва с магнитоелектрическия индикатор И , включен към резистора R₃. След това индикаторът се включва към резистора R₄ и измерва напрежението , което е пропорционално на коефициента на дълбочина на АМ:

(3.14)

където са коефициенти на пропорционалност и зависят от съотношението между R₂ и R₃.

Резисторът R₅ служи за намаляване на влиянието от превключването на индикатора и върху режима на работа на модуломера. При постоянна стойност на напрежението индикаторът може да се градуира непосредствено в стойности на коефициента m.



Фиг. 3.7 Модуломер
Методът на двойното детектиране се използва както в специалните уреди, служещи за измерване на дълбочината на АМ, така и в модуломерите на генераторите на стандартни сигнали (ГСС).

За измерване на коефициентите m+ и m- при несиметрична АМ в схемата на модуломера се предвижда възможност за превключване на поляритета на модулираното н.ч. напрежение към диода Д₂.