Частотная модуляция

 

Часть C – Мощность FM сигнала

Как упоминалось  ранее, мощность FM сигнала остается неизменной независимо от индекса модуляции. Убедиться в этом вам поможет следующий эксперимент.

27.  Отсоедините  вход функционального генератора VCO IN  от выхода модуля Speech (Преобразователь  речевых сигналов).

28.  С помощью  соответствующего регулятора установите  центральную частоту функционального  генератора равной 20 кГц.

29.  Сверните  программную панель управления  функциональным генератором. 

30.  На главной  программной панели управления DATEx найдите модуль Amplifier (Усилитель)  и поверните виртуальный регулятор  Gain (Коэффициент усиления) против  часовой стрелки до упора. 

31.  Соберите  схему в соответствии с рисунком 5.

Блок-схема для  данной схемы приведена на рисунке 6. Если вход VCO соединить c общим проводом, на его выходе будет генерироваться одна гармоника частотой 20 кГц.

32.  Закройте  окно программы осциллографа.

33.  Запустите  программу (VI) NI ELVIS Dynamic Signal Analyzer (Анализатор  спектра).

34.  Настройте  органы управления анализатора  спектра следующим образом: 

General (Общие  настройки)

Sampling (Дискретизация)  в положение Run (Пуск)

Input Settings (Настройки входов)

Source Channel (Канал  источника сигнала) - в положение  Scope CHB (Канал B Осциллографа)

Voltage Range – ±10V (Диапазон напряжений - ±10 В) 

FFT Settings (Настройки  быстрого преобразования Фурье  – БПФ)

Frequency Span (Диапазон частот) – 60,000)

Resolution (Разрешение) – 400)

Window (Окно) – 7 Term B-Harris (Блэкмана-Харриса 7-го порядка)

Triggering (Сигнал запуск)

Triggering (Сигнал запуска) – FGEN SYNC_OUT (Выход SYNC_OUT функционального генератора)

Frequency Display (Режим  отображения спектра)

Units(Масштаб)  – Linear (Линейный)

RMS/Peak(Среднеквадратический/Амплитудный  спектр) – RMS

Scale – Auto (Автомасштабирование) 

Markers (Маркеры)  – OFF  (Отключены)

Averaging (Усреднение)

Mode(Режим) –  RMS (среднеквадратическое значение)

Weighting (Взвешивание) –  Exponential (Экспоненциальное)

# of Averages (выборок для усреднений) – 3

35.  В результате на  экране должна появиться одна  значимая гармоника. 

Примечание: Очень важно  на этом этапе, чтобы масштаб отображения  спектра (Units) был выбран линейным (Linear).

36.  С помощью маркера  M1 измерьте частоту гармоники  и убедитесь в том, что она  соответствует центральной частоте  генератора VCO 20 кГц. 

37.  Слева от измеренного  значения частоты гармоники, отмеченной  маркером, отображается результат измерения квадрата действующего значения напряжения. Запишите это значение в таблицу 1.

Почему анализатор спектра измеряет квадрат действующего значения напряжения? Чтобы ответить на этот вопрос, следует вспомнить, что электрическая мощность может быть вычислена по формуле . Это означает, что мощность пропорциональна квадрату действующего значения напряжения. Из этого следует: квадрат действующего значения гармоники сигнала совпадает с мощностью, выделяемой на единичном сопротивлении.

38.  Измените схему в соответствии с рисунком 7.

Эта схема может  быть представлена блок-схемой, приведенной  на рисунке 8. Поскольку минимальный  коэффициент усиления усилителя (AMPLIFIER) не равен нулю, несущая модулируется сигналом низкого уровня. Это означает, что на экране анализатора спектра будут наблюдаться около четырех боковых полос. Поскольку уровень этих боковых полос намного меньше уровня несущей, их легче наблюдать в логарифмическом масштабе (Значение опции Units временно должно быть выбрано – dB (логарифмический – дБ)).

39.  Если не удается  увидеть 4 слабые боковые гармоники,  верните линейный масштаб отображения  спектра – установите переключатель  Units  в положение Linear. 

40.  С помощью виртуального  регулятора коэффицента усиления GAIN  плавно увеличивайте глубину частотной модуляции до тех пор, пока не будут четко видимы пять боковых полос.

41.  С помощью  маркера определите квадраты  действующих значений напряжений  всех пяти гармоник наблюдаемого  спектра сигнала и занесите их в таблицу 2.

42.  Сложите  измеренные значения и запишите  в таблицу 2.

43.  С помощью  того же регулятора GAIN продолжайте  увеличивать индекс модуляции  до тех пор, пока значение  гармоники несущей FM сигнала не  уменьшится до нуля.

44.  Повторите  действия по п.п. 41 и 42 для шести  значимых гармоник и заполните  таблицу 3.

Вопрос 2

Как соотносятся  суммы гармоник в таблицах 2 и 3 со значением в таблице 1?

Они должны быть приблизительно равны.

Вопрос 3

Что показывают проведенные измерения? Поясните ваш ответ.

Проведенные измерения означают, что мощность FM сигнала неизменна. Поскольку мощность вычисляется по формуле , можно считать, что сумма квадратов действующих  значений гармоник сигнала есть мощность, выделяемая на единичном сопротивлении.

 

Часть D – Полоса частот FM сигнала 

Спектр FM сигнала  может состоять из большого количества боковых гармоник, мощность многих из них по сравнению с мощностью  несущей может быть существенно  более низкой.

Инженерное  решение оценивается по тому, как много гармоник содержится в полосе частот FM сигнала. Существует несколько стандартных методик оценки, одним из общепринятых является критерий, в соответствии с которым в полосу частот входят все боковые гармоники, уровень которых равен или превышает 1% от мощности немодулированной несущей. Этот критерий предполагается использовать в следующем эксперименте по определению полосы частот (ширины спектра) FM сигнала.

45.  С помощью  маркера M1 анализатора спектра  найдите самую низшую гармонику  FM сигнала с уровнем напряжения большим либо равным 1 % от значения, приведенного в таблице 1.  

46.  С помощью  маркера M2 анализатора спектра  найдите самую высшую гармонику  FM сигнала с уровнем напряжения  большим либо равным 1 % от значения, приведенного в таблице 1.

47.  Результат  измерения ширины спектра FM сигнала  df (Гц) определяется как разность  частот, отмеченных маркерами. Его  следует записать в таблицу  4.

Вопрос 4

Вычислите ширину спектра АМ сигнала, если несущая  частота равна 20 кГц, а модулирующая частота 2 кГц.

4 кГц. 

Вопрос 5

Чем отличается спектры FM и АМ сигналов при одинаковых модулирующих сигналах?

Спектр FM сигнала значительно шире, чем  АМ сигнала.

48.  Увеличивайте  коэффициент усиления до положения,  соответствующего ¾ от полной  шкалы регулятора GAIN (вращайте регулятор по часовой стрелке). 

49.  Повторите  п.п. 45-47 и запишите результаты  измерений в таблицу 5.

Вопрос 6

Как связаны  между собой амплитуда сигнала  сообщения и ширина спектра FM сигнала?

При увеличении амплитуды сигнала сообщения спектр FM сигнала расширяется.

 

ЭКСПЕРИМЕНТ 2 - Демодуляция FM сигналов

В этом эксперименте вам необходимо сформировать FM сигнал с помощью генератора с управляемой  частотой (VCO) системы Emona DATEx. Затем вам  нужно будет собрать детектор перехода через ноль и проверить его работоспособность при изменении амплитуды сигнала сообщения.

 

Порядок выполнения

 

Часть A – Подготовка к работе FM модулятора

1.    Убедитесь,  что питание NI ELVIS выключено, выключатель  расположен на задней стенке  устройства.

2.    Осторожно  вставьте модуль расширения Emona DATEx в сокет NI ELVIS.

3.    Установите  переключатель Control Mode (режим управления) на модуле DATEx (в верхнем правом  углу) в положение PC CONTROL (Управление от компьютера).

Примечание: все  эти действия могли быть выполнены ранее.

6.    Включите  питание NI ELVIS, затем включите  питание макетной платы, выключатель  расположен на передней панели  устройства.

7.    Включите  компьютер и дайте ему загрузиться. 

9.    Запустите  программу NI ELVIS по указанию преподавателя.

Примечание: Если программа NI ELVIS запустилась успешно, появится окно “ELVIS – Instrument Launcher” –  окно запуска измерительных приборов.

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)  и включите его. 

13.  Настройте  функциональный генератор с помощью  его виртуальных элементов управления так, чтобы получить выходной сигнал со следующими характеристиками:

• Waveshape: Sine (Форма сигнала: синусоида)
• Frequency: 15 kHz (Частота: 15 кГц)
• Amplitude: 4Vp-p (Амплитуда: 4 В пиковая)
• DC Offset: 0V (Смещение по постоянному току: 0 В)

14.  Сверните  окно программы функционального  генератора.

15.  Переведите  переключатель режима управления Control Mode регулируемого источника  положительного напряжения питания  NI ELVIS Variable Power Supplies в положение, противоположное  положению Manual (Ручной).

16.  Запустите  программу (VI) регулируемого источника  питания Variable Power Supplies.

17.  Поверните  виртуальный регулятор положительного  напряжения Voltage регулируемого источника  положительного напряжения питания  против часовой стрелки до упора.

18.  Сверните  окно программы NI ELVIS Variable Power Supplies (Регулируемые источники питания).

19.  Соберите  схему согласно рисунку 3.

Схема на рисунке 3 может быть представлена блок-схемой, приведенной на рисунке 4. Источник положительного напряжения регулируемого блока питания используется в качестве источника простейшего сигнала сообщения (напряжение постоянного тока), а управляемый генератор (VCO) на основе функционального генератора формирует FM сигнал с несущей частотой 15 кГц.

20.  Запустите программу (VI) виртуального осциллографа NI ELVIS.

21.  Установите  такие же параметры режима  работы осциллографа, как в эксперименте 1 с учетом следующих отличий: 

• Scale (масштаб по напряжению) канала A – 2 В/дел.  вместо  1 В/дел.
• Trigger Source (Источник сигнала запуска) - в положение Immediate (Непрерывно) вместо CH A (Канал A)
• Coupling (Связь с источником сигнала) для обоих каналов - DC (связь по постоянному току - открытый вход)  вместо AC (связь по переменному току - закрытый вход)
• В обоих каналах смещение по вертикали равно нулю

22.  Включите  канал B, чтобы одновременно наблюдать  FM сигнал с выхода генератора VCO и сигнал исходного сообщения  (напряжение постоянного тока).

23.  Настройте  Timebase (Масштаб по оси времени)  таким образом, чтобы на экране осциллографа наблюдались два-три периода FM сигнала.

24.  Изменяйте  положение виртуального регулятора  положительного напряжения VOLTAGE и  наблюдайте за изменением частоты  сигнала на выходе генератора VCO.

Раздел B – Подготовка к работе детектора перехода через ноль ZCD

25.  Найдите  на программной лицевой панели DATEx модуль генератора парных  импульсов TWIN PULSE GENERATOR и поверните  виртуальный регулятор WIDTH (Длительность  импульсов)  против часовой стрелки  до упора. 

26.  Поверните  виртуальный регулятор DELAY (Задержка) модуля TWIN PULSE GENERATOR против часовой стрелки до упора.

27.  Найдите  на программной лицевой панели DATEx модуль регулируемого фильтра  низких частот Tuneable Low-pass Filter и поверните  виртуальный регулятор GAIN (Усиление) по часовой стрелке до упора.

28.  Поверните  виртуальный регулятор Cut-off Frequency Adjust (Частота среза) модуля регулируемого  фильтра низких частот Tuneable Low-pass Filter по часовой стрелке до упора. 

29.  Модифицируйте  схему согласно рисунку 5.

Изменения в  схеме отражены на блок-схеме (рисунок 6). Компаратор в составе модуля UTILITIES (Вспомогательные блоки) служит для  преобразования FM сигнала в  соответствующий  импульсный сигнал прямоугольной формы. На основе генератора парных импульсов, запускаемого по положительному фронту, реализован детектор пересечения нуля ZCD. В качестве оконечного устройства FM демодулятора, которое выделяет изменяющуюся постоянную составляющую на выходе генератора парных импульсов, используются RC фильтр низких частот и перестраиваемый фильтр низких частот.