Варіанти завдань

Рис. 1.4. Варіант 1. Автомат включення освітлення

Рис. 1.5. Варіант 2. Автомат включення освітлення

Рис. 1.6. Варіант 3. Автомат відключення електрофону

Рис. 1.7. Варіант 4. Автостоп

Рис. 1.8. Варіант 5. Бігущі вогні з потужними лампами

Рис. 1.9. Варіант 6. Електрофон

Рис. 1.10. Варіант 7. Електромузичний дзвінок на транзисторах

Рис. 1.11. Варіант 8. Генератор звукової частоти

Рис. 1.12. Варіант 9. Імітатор співу птахів

Рис. 1.13. Варіант 10. Мікшер

Рис. 1.14.Варіант 11. Реле часу з фотоекспонометром

Рис. 1.15. Варіант 12. Підсилювач звукової частоти для електрогітари

Контрольні питання.

1. Які системні вимоги для EWB?

2. Як сторити та зберегифайл у ?

3. Які інструменти використовуються для створення схем?

4. Що таке аналізатор і як його використовувати?

5. Як виконати запуск роботи схеми?

6. Для чого використовується осцилограф?

7. Як налаштувати величину необхідного номіналу елемента?

Використана література.

1. Файл справки Electronics workbench 5.12

2. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы. – M. Высш. шк., 1988.

3. Д. Жарников. Радиолюбитель. Ваш компьютер, № 12, 1999.

Лабораторна робота №2.

Тема: Модуляція сигналів.

Мета: Ознайомтися з принципом роботи модуляторів.

Завдання

Зібрати схему модулятора, згідно варіанту (таблиця 1.1), моделювати її роботу, розрахувати параметри схеми. Зробити висновки.

Короткі теоретичні відомості.

Амплітудна модуляція

В даний час АМ застосовується в основному тільки для радіомовлення на порівняно низьких частотах (не вище за короткі хвилі) і для передачі зображення в телевізійному віщанні. Це обумовлено низьким КПД використання енергії модульованих сигналів.

АМ відповідає перенесенню інформації s(t)  U(t) при постійних значеннях параметрів несучої частоти і . АМ - сигнал є твором тієї, що інформаційної огинає U(t) і гармонійного коливання її заповнення з вищими частотами. Форма запису амплітудно-модульованого сигналу:

u(t) = U(t)cos(_ot+_o), (1.1)

U(t) = U_m[1+Ms(t)], (1.2)

де U_m – постійна амплітуда несучого коливання за відсутності вхідного (що модулює) сигналу s(t), М - коефіцієнт амплітудної модуляції.

Значення М характеризує глибину амплітудної модуляції. У простому випадку, якщо модулюючий сигнал представлений одночастотним гармонійним коливанням з амплітудою S_o, то коефіцієнт модуляції рівний відношенню амплітуд модулюючого і несучого коливання М=S_o/U_m. Значення М повинне знаходитися в межах від 0 до 1 для всіх гармонік модулюючого сигналу. При значенні М<1 огинаюча форма, що несе коливання повністю повторює форму модулюючого сигналу s(t), що можна бачити на рис. 1.1 (сигнал s(t) = sin(_st)). Малу глибину модуляції для основних гармонік модулюючого сигналу (М<<1) застосовувати недоцільно, оскільки при цьому потужність інформаційного сигналу буде набагато менше потужності несучого коливання, і потужність передавача використовується неекономічно.

Час

Час

Рис. 1.1. Модульований сигнал Рис. 1.2. Глубока модуляція

На рис. 1.2 приведений приклад так званої глибокої модуляції, при якій значення M прагне до 1 в екстремальних точках функції s(t). При глибокій модуляції використовуються також поняття відносного коефіцієнта модуляції вгору: M_в = (U_max - U_m)/U_m, і модуляції вниз: M_н = (U_m - U_min)/U_m, які звичайно виражаються в %.

Рис. 1.3. Схема амплітудного модулятора, зібраного в EWB 5.0.

Полярна модуляція

Полярна модуляція вирішує конкретну технічну задачу - передачу двох сигналів одночасно, що потрібний, наприклад, в стереовіщання або при передачі стереознімків. Розглянемо це на прикладі стереосигналів.

У системі стереовіщання необхідно передавати два сигнали s₁(t) і s₂(t) одночасно (лівий і правий канали) за умови поєднання з монофонічними приймачами. Для виконання цієї умови створюється спеціальний модулюючий сигнал. Процес створення сигналу пояснюється на рис. 1.4, де як канальні сигнали прийняті моногармонійні сигнали s₁ і s₂.

Рис. 1.4. Полярна модуляція.

Спеціальний модулюючий сигнал формується з двох сигналів - монофонічного і різницевого. Монофонічний сигнал утворюється сумою сигналів в каналах, різницевий - різницею сигналів: s_mono(t) = s₁(t) + s₂(t), s_diff(t)= s₁(t) - s₂(t), що дозволяє відновлювати початкові сигнали каналів: s₁(t) = (s_mono(t)+s_diff(t))/2, s₁(t) = (s_mono(t) - s_diff(t))/2.

Монофонічний сигнал є основним і не змінюється по частоті, що дозволяє приймати його монофонічним приймачам. Для одночасної передачі різницевого сигналу монофонічний сигнал підсумовується з піднесучою частотою _ (subcarrier), яка розташовується за звуковим діапазоном частот монофонічних приймачів (у області ультразвука), і модулюється різницевим сигналом (з установкою коефіцієнта модуляції значенням зсуву А₀):

s(t) = s_mono(t) + (A_o + s_diff(t))·cos(_ot). (1.3)

Одержаний сигнал називають композитним стереосигналом. Саме він використовується як модулюючий сигнал для будь-якого методу модуляції, у тому числі і для кутової модуляції, яка розглядатиметься нижче.

Фазова модуляція

При фазовій модуляції значення фазового кута постійної несучої частоти коливань _пропорційно амплітуді модулюючого сигналу s(t). Відповідно, рівняння ФМ - сигналу визначається виразом:

u(t) = U_m cos[_ot + ks(t)], (1.4)

де k - коефіцієнт пропорційності. Приклад однотонального ФМ - сигналу приведений рис. 1.5.

Рис. 1.5. Фазомодульований сигнал.

При s(t)= 0, ФМ - сигнал є простим гармонійним коливанням і показаний на малюнку функцією u_o(t). Із збільшенням значень s(t) повна фаза коливань (t)=_ot+ks(t) наростає в часі швидше і випереджає лінійне наростання w_ot. Відповідно, при зменшенні значень s(t) швидкість росту повної фази в часі спадає. У моменти екстремальних значень s(t) абсолютне значення фазового зрушення  між ФМ - сигналом і значенням _немодульованого коливання також є максимальним і носить назву девіації фази (уверх _в = ks_max(t), або вниз _н = ks_min(t) з урахуванням знаку екстремальних значень модулюючого сигналу).

Для коливань з кутовою модуляцією застосовується також поняття миттєвої частоти під якою розуміють похідну від повної фази за часом:

ω(t) = (t)/dt = ω_o + k ds(t)/dt. (1.5)

Повна фаза коливань в довільний момент часу може бути визначена інтеграцією миттєвої частоти:

(t) = ω(t) dt, или (t) = ω(t) dt +_o. (1.6)

Рис. 1.6. Схема фазового модулятора, зібраного в EWB 5.0.

Частотна модуляція

Частотна модуляція характеризується лінійним зв'язком модулюючого сигналу з миттєвою частотою коливань, при якій миттєва частота коливань утворюється складанням частоти високочастотного несучого коливання _із значенням амплітуди модулюючого сигналу з певним коефіцієнтом пропорційності:

(t) = _o + ks(t). (1.7)

Відповідно, повна фаза коливань:

tω_o(t) + k s(t) dt, или tω_o(t) + k s(t) dt +_o. (1.8)

Рівняння ЧМ - сигналу:

u(t) = U_m cos(ω_ot+k s(t) dt +_o). (1.9)

Аналогічно ФМ, для характеристики глибини частотної модуляції икористовуються поняття девіації частоти вгору _в = ks_max(t), і вниз _н = ks_min(t).

Частотна і фазова модуляція взаємозв'язані. Якщо змінюється початкова фаза коливання, змінюється і миттєва частота, і навпаки. З цієї причини їх і об'єднують під загальною назвою кутової модуляції. За формою коливань з кутовою модуляцією неможливо визначити, до якого виду модуляції відноситься дане коливання, до ФМ або ЧМ, а при достатньо гладких функціях s(t) форми сигналів ФМ і ЧМ взагалі практично не відрізняються.

Амплітудо-імпульсна модуляція

Амплітудо-імпульсна модуляція (АІМ) полягає в зміні приросту амплітуди імпульсів пропорційно функції сигналу, що управляє, при постійній тривалості імпульсів і періоді їх проходження: U(t) = U_o + k·s(t), _и = const, T = const.

Спектр АІМ розглянемо на прикладі модуляції однотонального сигналу s(t), приведеного на рис. 1.7. Напишемо рівняння модульованого сигналу в наступній формі:

u(t) = (1+M cos t)·f(t), (1.10)

де f(t) - періодична послідовність прямокутних імпульсів з частотою _, яку можна апроксимувати поряд Фурье (без урахування фази):

f(t) = U_o + U_n cos n_ot. (1.11)

Форма спектру, в початковій частині спектрального діапазону, приведена на рис. 1.7. В цілому, спектр нескінченний, що визначається нескінченністю спектру прямокутних імпульсів. Біля кожної гармоніки nw_o спектру прямокутних імпульсів з'являються бічні складові n_o, відповідні спектру моделюючої функції (при багатотональному сигналі - бічні смуги спектрів). При додатковому високочастотному заповненні імпульсів весь спектр зміщується в область високих частот на частоту заповнення.

Рис. 1.7. Амплітудо-імпульсна модуляція та спектр сигналу АІМ

Рис. 1.8. Схема амплітудо-імпульсного модулятора, зібраного в EWB 5.0

Широтно-імпульсна модуляція

ШІМ полягає в управлінні тривалістю імпульсів пропорційно функції сигналу, що управляє, при постійній амплітуді імпульсів і періоді проходження по фронту імпульсів:

(t) = t_o + k·s(t), U = const, T = const. (1.12)

Розглянемо виконання ШІМ в простому варіанті на прикладі гармонійного коливання, приведеного на рис. 1.9.

Рис. 1.9. Широтно-імпульсна модуляція

Передавана крива діськретізіруєтся, при цьому має значення, як інтервал дискретизації, так і кількість рівнів квантування. При передачі даних прямокутні імпульси починаються в моменти дискретних відліків даних, а тривалість імпульсів встановлюється пропорційною значенню відліків, при цьому максимальна тривалість імпульсів не повинна перевищувати інтервалу дискретизації даних. Приклад сформованих імпульсів приведений на мал. 9.4.2 безпосередньо під діськретізірованной гармонікою, при цьому число рівнів квантування гармоніки прийняте рівним 8.

Таблиця 1.1

Варіанти завдань.

Номер варіанта	Текст завдання
1, 7, 13, 19, 25	Амплітудна
2, 8, 14, 20, 26	Полярна
3, 9, 15, 21, 27	Фазова
4, 10, 16, 22, 28	Частотна
5, 11, 17, 23, 29	Амплітудо-імпульсна
6, 12, 18, 24, 30	Широтно-імпульсна

Контрольні питання.

1. Чим відрізняється процес формування АМ - сигналу від перетворення частоти?

2. Як працює амплітудний модулятор.

3. Які є види аналогової модуляції?

4. Види імпульсної модуляції?

5. В чому різниця між полярною і фазовою модуляцією?

6. Опишіть широтно-імпульсну модуляцію.

7. В чому різниця між амплітудною і амплітудо-імпульсною модуляцією?

Використана література.

1. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы Учебник для вузов.- М. Высшая школа, 1988.

2. Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов. – СПб.: Питер, 2003. – 608 с.

3. http://prodav.narod.ru/signals/index.html.