Системы связи. Часть I: Руководство к лабораторным работам

Государственный комитет Российской Федерации по рыболовству Камчатский государственный технический университет

Кафедра радиооборудования судов

СИСТЕМЫ СВЯЗИ Часть 1 Руководство к лабораторным работам для курсантов специальности 201300 "Техническая эксплуатация транспортного радиооборудования"

Петропавловск-Камчатский 2003

УДК 621.394.74 ББК 32.811 Д84 Рецензент: Ю.М. Устинов, доктор технических наук, профессор кафедры радиооборудования судов КамчатГТУ Дуров А.А. Д84

Системы связи. Ч. 1. Руководство к лабораторным работам для курсантов специальности 201300»Техническая эксплуатация транспортного радиооборудования». – Петропавловск-Камчатский: КамчатГТУ, 2003. – 62 с. Руководство к лабораторным работам составлено в соответствии с программой дисциплины «Системы связи» для курсантов специальности 201300 «Техническая эксплуатация транспортного радиооборудования». Рекомендовано к изданию решением учебно-методического совета КамчатГТУ (протокол № 4 от 19 декабря 2003 г.).

В авторской редакции Технический редактор Бабух Е.Е. Набор текста Дуров А.А. Верстка Дуров А.А., Бабух Е.Е. Оригинал-макет Бабух Е.Е. Лицензия ИД № 02187 от 30.06.00 г. Подписано в печать 26.12.2003 г. Формат 61*86/16. Гарнитура Times New Roman. Авт. л. 3,46. Уч.-изд. л. 3,52. Усл. печ. л. 4,0. Тираж 25 экз. Заказ № 194 Отпечатано полиграфическим участком РИО КамчатГТУ 683003, г. Петропавловск-Камчатский, ул. Ключевская, 35

© КамчатГТУ, 2003 © Дуров А.А.

2

СОДЕРЖАНИЕ Стр. Правила выполнения лабораторных работ по дисциплине «Системы связи»………………………………..…………………. 4 Общие требования………………………………………4 Инструкция по технике безопасности .……………...4 А. Исследование систем связи с однополосной модуляцией …………..7 Лабораторная работа № 1. Исследование фильтрового

метода формирования однополосных сигналов…..………. 20 Лабораторная работа № 2. Исследование фазокомпенсационного метода формирования однополосных сигналов…...23 Лабораторная работа № 3. Исследование способов детектирования однополосных сигналов………… ….… … 29 Лабораторная работа № 4. Исследование каналов связи с использованием однополосных сигналов.……………… . ..32 Б. Исследование многоканальных систем связи с частотным разделением каналов .……………………………………………..37 Лабораторная работа № 5. Исследование активных RC-фильтров…..…………………………………………….. .39 Лабораторная работа № 6. Исследование гребенчатых фильтров.……………………………………………….……...48 Литература………………………………………………….. . 62

3

ПРАВИЛА выполнения лабораторных работ по дисциплине «Системы связи» ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ К выполнению лабораторных работ в лаборатории «Систем связи» допускаются курсанты после ознакомления с правилами техники безопасности при работе с оборудованием, установленным в лаборатории, о чем в журнале по технике безопасности делается соответствующая запись. Работы выполняются в часы, предусмотренные расписанием занятий или самоподготовки по дисциплине «Системы связи». В остальных случаях необходимо согласовать время отработки пропущенных лабораторных занятий с преподавателем или учебным мастером этой лаборатории. ИНСТРУКЦИЯ ПО ТЕХНИКЕ БЕЗОПАСНОСТИ при выполнении работ в лаборатории «Системы связи» К работе в лаборатории допускаются курсанты, прошедшие инструктаж по технике безопасности на рабочем месте, о чем в журнале делается соответствующая запись. В процессе лабораторных занятий правила техники безопасности необходимо строго соблюдать. Несоблюдение правил может привести к поражению нарушителя или его напарников электрическим током с последствиями, опасными для жизни или здоровья. Чтобы обезопасить себя и своих товарищей от действия электрической энергии, необходимо выполнять следующие правила: 1. Все электрические напряжения свыше 24 В следует считать опасными и поэтому принимать все меры предосторожности. 2. Перед включением приборов необходимо ознакомиться с инструкцией по их эксплуатации. 3. Все работы на электроустановках выполнять бригадами в составе не менее двух человек. 4. Осмотр, замену деталей любого прибора или лабораторной установки производить только при ВЫКЛЮЧЕННОМ электропитании. 4

5. Запрещается самостоятельно снимать защитные корпуса и экраны с приборов и макетов. При необходимости следует обращаться за разрешением к преподавателю или лаборанту. 6. Нельзя оставлять приборы и лабораторные установки включенными без надзора. 7. Работать следует только исправным и предназначенным для этого инструментом. 8. Выключать и включать приборы и установки нужно только штатными выключателями, не рекомендуется отключение приборов выдергиванием вилки из розетки за шнур и включать вилку питания в розетку при включенном тумблере сети прибора. 9. Включение питания лабораторной установки от силового щита выполняется преподавателем или лаборантом. Курсантам это делать категорически ЗАПРЕЩАЕТСЯ. 10. Перед включением лабораторной установки предъявить ее для проверки преподавателю. 11. После выполнения программы лабораторной работы сообщить об этом преподавателю и после получения соответствующего разрешения выключить установку и привести ее в исходное состояние для следующего занятия. Если, несмотря на выполнение основных правил работы с электроустановками, произошел несчастный случай (загорелся прибор или лабораторный макет, ваш товарищ оказался под действием электрического тока и т. д.), необходимо принять экстренные меры по отключению лабораторной установки от электрической сети. Лучше всего это сделать с помощью выключателя на входном силовом электрическом щите. Следует поставить в известность о происшествии преподавателя или лаборанта, и под их руководством приступить к ликвидации последствий несчастного случая. Эффективность спасения пострадавшего от электрического тока зависит от того, насколько быстро он будет освобожден от действия тока, а также от того, насколько быстро и квалифицированно оказана первая помощь. Следует помнить, что для оказания действенной помощи имеется всего 5…7 минут. Оказание помощи пострадавшему необходимо даже в тех случаях, когда у него отсутствует дыхание, сердцебиение, пульс. Решить вопрос о целесообразности или бесполезности мер по оживлению пострадавшего может только врач. До прибытия врача 5

необходимо незамедлительно начать делать искусственное дыхание и так называемый непрямой массаж сердца. Наиболее эффективным видом искусственного дыхания является способ «рот в рот», который проводится поочередно с закрытым массажем сердца, как показано на рисунке.

Голова пострадавшего должна быть запрокинута, чтобы гортань была полностью раскрыта, и вдуваемый воздух беспрепятственно проходил в легкие. Оказывающий помощь должен набрать полные легкие воздуха и выдуть его в рот пострадавшего, предварительно зажав ему нос, чтобы вдыхаемый воздух проник в легкие. После вдувания каждой порции воздуха делают четыре массажных движения на сердце. Непрямой массаж сердца можно прекратить лишь тогда, когда сердце начнет работать самостоятельно. Во время проведения лабораторной работы может начаться землетрясение. При этом нельзя поддаваться панике, нужно спокойно, но быстро встать и отойти к внутренней стене в лаборатории или коридоре. В наиболее безопасных при землетрясении местах сделаны соответствующие надписи на стене. ПОМНИТЕ! Добежать из лаборатории до безопасного места вне здания вы можете не успеть!

6

А. ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМ СВЯЗИ С ОДНОПОЛОСНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ

Цель цикла работ Ознакомление с методами формирования и обработки радиосигналов с однополосной модуляцией, их свойствами и основными характеристиками, экспериментальное исследование модуляторов и детекторов однополосных сигналов и способов формирования каналов связи для передачи сигналов с однополосной модуляцией.

Краткие сведения Модуляцией называется процесс изменения одного или нескольких параметров радиочастотного колебания в соответствии с изменением параметров модулирующего сигнала. Несущее колебание с помощью модуляции образует радиочастотный сигнал. Модулирующий сигнал содержит в себе подлежащую передаче информацию. В морской подвижной связи в основном используются узкополосные сигналы (ширина спектра передаваемых частот не превышает 15…20% от значения несущей частоты). Математической моделью такого сигнала является гармонический сигнал:

S (t ) = A ⋅ cos(ω 0t + ϕ 0 ) ,

(А.1)

где А – амплитуда, ϕ (t) = (ω0t + ϕ0) – текущая фаза; ϕ0 – начальная фаза; ω0 =2πf0 – круговая частота; f0 - несущая частота. Из выражения (А.1) следует, что для осуществления модуляции возможно изменение амплитуды гармонического колебания, его частоты или фазы, а также комбинации этих параметров. Так при однополосной модуляции одновременно изменяются амплитуда и фаза гармонического колебания. Радиосигналы, используемые в системах связи, должны обозначаться в соответствии с занимаемой ими полосой частот и их классификационной характеристикой. 7

Необходимая ширина полосы частот выражается тремя цифрами и одной буквой. Буква занимает положение запятой, отделяющей целую часть от дробной (в десятичной дроби) и указывает единицу измерения: Н – Гц; К – кГц; М – МГц; G – ГГц (например, 2К40 соответствует ширине спектра 2,4 кГц). Первый знак в обозначении не может быть нулем или буквой К, М, G. При упрощенном описании класса излучения применяют сочетание трех символов. Излучения классифицируются и обозначаются в соответствии с их основными характеристиками. Основными характеристиками являются: • первое обозначение — тип модуляции основной несущей; • второе обозначение — характер сигнала (сигналов), модулирующего (модулирующих) основную несущую; • третье обозначение — тип передаваемой информации. Модуляция, используемая лишь кратковременно и от случая к случаю (такая модуляция часто используется для передачи опознавания и вызова), может не учитываться при условии, что при этом не увеличивается необходимая ширина полосы. Первое обозначение — тип модуляции основной несущей. Излучение немодулированной несущей N; Излучения, при которых основная несущая модулируется по амплитуде (включая случаи, когда поднесущие имеют угловую модуляцию): двухполосная А; однополосная с полной несущей Н; однополосная с ослабленной несущей или с переменным уровнем несущей R; однополосная с подавленной несущей J; с независимыми боковыми полосами В; с частично подавленной одной из боковых полос С; Излучения, при которых основная несущая имеет угловую модуляцию: частотная модуляция F; фазовая модуляция G; Излучения, при которых основная несущая имеет амплитудную и угловую модуляцию либо одновременно, либо в заранее установленной последовательности D; 8

Импульсные излучения: последовательность немодулированных импульсов последовательность импульсов: модулированных по амплитуде модулированных по ширине или длительности модулированных по положению или фазе при которой несущая имеет угловую модуляцию во время передачи импульсов представляющая сочетание указанных выше способов или производимая другими методами Прочие случаи, отличные от указанных выше, при которых излучение состоит из основной несущей, модулированной либо одновременно, либо в заранее установленной последовательности сочетанием двух или более из следующих методов модуляции: амплитудной, угловой, импульсной Прочие случаи

Р; К; L; М; Q; V;

W; Х.

Второе обозначение — характер сигнала (сигналов), модулирующего (модулирующих) основную несущую. отсутствие модулирующего сигнала О; один канал, содержащий квантованную или цифровую информацию без использования модулирующей поднесущей 1; один канал, содержащий квантованную или цифровую информацию при использовании модулирующей поднесущей 2; один канал с аналоговой информацией 3; два или более каналов, содержащие квантованную или цифровую информацию 7; два или более каналов с аналоговой информацией 8; сложная система с одним или несколькими каналами, содержащими квантованную или цифровую информацию, совместно с одним или несколькими каналами, содержащими аналоговую информацию 9; прочие случаи Х. 9

Третье обозначение — тип передаваемой информации. отсутствие передаваемой информации N; телеграфия для слухового приема А; телеграфия для автоматического приема В; факсимиле С; передача данных, телеметрия, телеуправление D; телефония (включая звуковое радиовещание) Е; телевидение (видео) F; сочетание двух или более из следующих выше типов W; прочие случаи X. При использовании классификационной характеристики, содержащей 5 символов, четвертое обозначение содержит подробные данные о сигнале, а пятое – характер уплотнения. Например, запись 2К70J3EJN обозначает следующее: сигнал с шириной спектра 2,7 кГц (2К70) с однополосной модуляцией с подавленной несущей (J) аналоговой (3) телефонии (Е) комерческого качества (J) без уплотнения (N). Рассмотрим способы формирования сигналов с однополосной модуляцией. Для простоты рассмотрим различные способы модуляции лишь одной частотой модулирующего сигнала (гармоническим колебанием вида U ⋅ cos Ωt ). При амплитудной модуляции несущее гармоническое колебание изменяется по амплитуде модулирующим сигналом (рис. А.1). Мгновенное значение модулированного тока, круговая частота которого ω0, при модуляции частотой Ω записывается:

i = ( I н + ΔI н ⋅ cos Ωt ) cos ω 0t ,

(А.2)

I н – амплитуда тока несущей частоты; ΔI н - максимальное изменение тока несущей частоты при модуляции. На рис. А.1 до момента времени t1 модуляция отсутствует ( ΔI н = 0 ).

10

Рис. А.1 Выражение (2) можно представить в виде:

i = I н + m cos Ωt ) cos ω 0 t = = I н cos ω 0 t + 0,5mI н cos(ω 0 − Ω)t + 0,5mI н cos(ω 0 + Ω),

(А.3)

где m = ΔI н / I н - коэффициент амплитудной модуляции

(

0 ≤ m ≤ 1). Выражение (А.3) показывает, что при модуляции одной частотой Ω спектр амплитудно-модулированного колебания содержит несущую частоту Iн cosω0t и две боковые - 0,5mIн cos(ω0+Ω)t и 0,5mIн cos(ω0 - Ω)t, симметрично сдвинутые относительно несущей частоты ω0 на частоту Ω вверх и вниз (рис. А.2а). Ширина спектра составляет 2Ω. На рис.А.2б изображен спектр амплитудно-модулированного сигнала при модуляции двумя частотами Ωн и Ωв. Во время модуляции режим генератора модулированных колебаний изменяется. При отсутствии модуляции (m = 0) излучается только несущая частота, излучаемая мощность определяется:

Pн =

1 2 I н ⋅ RA , 2

где RА – сопротивление излучения антенны. 11

(А.4)

Рис. А.2 Амплитуда тока в максимальном режиме:

I max = I н + ΔI н = I н (1 +

ΔI н ) = I н (1 + m) . Iн

(А.5)

Мощность в максимальном режиме:

Pmax =

1 2 I н (1 + m) 2 R A . 2

(А.6)

При m = 1, Рmax = 4 Pн, т.е. мощность в максимальном режиме при 100% модуляции больше мощности в режиме несущей частоты в 4 раза. Мощность одной боковой частоты:

Pбок =

P m2 1 1 . (0,5mI н ) 2 R A = I н2 R A m 2 = н 2 8 4

(А.7)

Мощность двух боковых частот:

2 Pбок

Pн m 2 = . 2

(А.8)

При амплитудной модуляции передача информации осуществляется с помощью боковых частот, при этом при m = 1 на долю боковых частот приходится лишь половина мощности несущей и одна восьмая максимальной мощности. Средний коэффициент модуляции при телефонии m ≈ 0,3. В этом случае мощность двух боковых частот составляет примерно 5% от мощности, несущей, а 12

одной - примерно 2,5% от мощности несущей. Это свидетельствует об энергетической неэффективности амплитудной модуляции. Энергетически более выгодной является однополосная модуляция, являющаяся разновидностью амплитудной модуляции. Она может быть получена из амплитудной путем выделения одной боковой полосы из спектра амплитудно-модулированного сигнала путем преобразований. На рис. А.3 изображён спектр однополосно-модулированного сигнала при модуляции двумя частотами Ωн и Ωв , где ω0 – несущая частота.

Рис. А.3 В режиме однополосной модуляции ширина спектра составляет Ωв - Ωн, что более чем в два раза меньше, чем при амплитудной модуляции. Сужение полосы в два раза эквивалентно улучшению отношения сигнал – шум (по напряжению) примерно в

2 раз, а по мощности - в 2 раза. Кроме того, при однополосной модуляции наблюдается уменьшение селективного замирания (селективный фединг ). В более узком спектре частот явление селективного фединга существует в меньшей степени, что даёт выигрыш по напряжению сигнала тоже примерно в 2 раз, а по мощности - в 2 раза. Ещё одним выигрышем при однополосной модуляции является возможность увеличения в радиопередатчике амплитуды боковых частот (при амплитудной модуляции они равны 0.5 m Iн) до величины амплитуды несущей частоты. Это соответствует увеличению тока боковой частоты в два раза и эквивалентно выигрышу по мощности в 4 раза. Таким образом, теоретически общий выигрыш по мощности будет 16 - кратным. В классе излучения J3E передаются сигналы однополосной телефонии с подавленной несущей. Ширина полосы передаваемых частот Bп , если спектр звуковых частот расположен в полосе 300…3000 Гц, будет равна 2,7 кГц. Сигналы класса J3E с верхней боковой полосой применяются в судовой радиосвязи в СЧ, ВЧ диапазонах. 13

В классе излучения Н3E передаются сигналы однополосной телефонии с полной несущей. Ширина полосы передаваемых частот Bп =3 кГц. Сигналы класса Н3E применялись в переходный период от двухполосной телефонии к однополосной телефонии J3E. В настоящее время данный класс излучения разрешен только на частоте 2182 кГц. Класс излучения J2B используется для передачи цифровых последовательностей УБПЧ и ЦИВ в диапазонах СЧ, ВЧ. В классе излучения J2B используется формирователь однополосного сигнала с поднесущей частотой 1700 Гц. Ширина полосы передаваемых частот при B=100 бод, D=85 Гц составляет 304 Гц. В классе излучения J3C передаются сигналы одного канала черно-белого факсимиле с однополосной модуляцией несущей аналоговым сигналом. Несущая частота подавлена. Модуляторы однополосных сигналов Классы излучений J3E, H3E и J2В относятся к однополосной модуляции (ОБП), для получения которой в настоящее время используется метод многократной балансной модуляции с последующей фильтрацией, а при формировании радиосигналов однополосной модуляции непосредственно на несущей частоте наибольшее распространение получил фазокомпенсационный метод. В основу фазокомпенсационного метода формирования однополосного сигнала положена фазовая компенсация колебаний нерабочей боковой полосы частот и несущей частоты при сложении в общей нагрузке системы n–фазовых симметричных напряжений несущей частоты, модулированных такой же системой напряжений низкой частоты. Функциональная схема формирования сигнала ОБП для случая n=2 приведена на рис. А.4. Принцип работы подобного формирователя поясняют следующие соотношения, справедливые при единичных амплитудах сигналов и коэффициентах передачи отдельных блоков равных единице: UвыхБМ1 =U·sinΩt·sinωt = 0,5U·[cos(ω-Ω)t - cos (ω+Ω)t]; UвыхБМ2 = U·cosΩt·cosωt = 0,5U·[cos(ω-Ω)t +cos (ω+Ω)t]; Uвых = UвыхБМ1 + UвыхБМ2 = U·cos(ω-Ω)t. 14

(А.9)

При реализации фазокомпенсационной схемы для полного подавления нерабочей боковой полосы необходимо обеспечить равенство коэффициентов передачи балансных модуляторов БМ1 и БМ2 и поворот фазы колебаний с частотами Ω и ω фазовращателях ϕ1 и ϕ2 на 90 градусов во всей полосе рабочих частот.

Рис. А.4 Неидеальность фазочастотных характеристик фазовращателей и неравенство коэффициентов передачи балансных модуляторов существенно ухудшают подавление не рабочей боковой полосы частот. Особенно сложным с этой точки зрения является конструирование низкочастотного фазовращателя, поскольку он должен обеспечить заданный фазовый сдвиг в широком диапазоне звуковых частот(например, 300…3000 Гц для передатчиков связи морской подвижной службы). Поэтому фазокомпенсационный метод формирования сигнала с ОВП может быть рекомендован для практического использования в тех случаях, когда вопросы уменьшения габаритов оборудования имеют решающее значение, а требования к подавлению ненужных частотных компонентов невелики (не более минус 30… 40дБ). В судовой аппаратуре радиосвязи ПВ/КВ диапазона обычно используется фильтровой способ формирования однополосного сигнала. Структурная схема модулятора однополосного сигнала фильтровым методом приведена на рис. А.5.

Рис. А.5 15

Однополосный сигнал получают на выходе балансных модуляторов (БМ-1, БМ-2). На вход БМ-1 подается опорный сигнал с синтезатора частоты (СЧ) и модулирующий сигнал. Спектр сигнала на выходе БМ-1 содержит две боковые полосы с подавленной несущей. Этот сигнал подается на фильтр Ф-1 для выделения верхней боковой полосы. В качестве фильтра обычно используются магнитострикционные электромеханические фильтры (ЭМФ), которые можно применять на частотах до 0,5…1 МГц. На выходе БМ-1 получают однополосный сигнал на вспомогательной поднесущей частоте (500 кГц). Для переноса информации в диапазон рабочих частот (1,6…27,5 МГц) на частоту сигнала fc требуется частотное преобразование сигнала c помощью второго балансного модулятора БМ-2. Частота, поступающая на вход БМ-2, должна быть равной f c + f 1 . Обычно эта частота подается на вход БМ-2 с синтезатора частот (СЧ). Демодуляция однополосных сигналов Однополосный сигнал с подавленной несущей (J3E) при модуляции гармоническим колебанием представляет собой гармоническое колебание вида:

u c (t ) = m

A cos(ω c + Ω)t . 2

(А.10)

Амплитудное детектирование такого сигнала даст постоянное напряжение, пропорциональное его амплитуде (mA/2), частотное детектирование – также постоянное напряжение, пропорциональное частоте Ω. На выходе же демодулятора надо иметь переменное напряжение с частотой сообщения (модуляции) Ω. Следовательно, детектировать сигнал только одной боковой полосы частот нельзя, нужно передавать несущую (Н3Е и R3E) или создавать искусственно в приемнике (J3E) колебания несущей частоты ωс. Если к амплитудному детектору подвести сумму напряжений опорного колебания и боковой полосы принятого сигнала: n

u Σ (t ) = U 0 cos(ω c t + ϕ 0 ) + ∑ U i cos[(ω c + Ω i )t + ϕ i ], i =1

то огибающая суммарного напряжения при условии U 0 >> U i с достаточно высокой точностью может быть представлена выражением: 16

n

U ≈ U 0 [1 + ∑ mi cos(Ω i t + ϕ i )] ,

(А.11)

i =1

где mi = Ui /U0 - коэффициент амплитудной модуляции. Эта огибающая обычного АМ-колебания и будет воспроизведена на выходе детектора. Таким образом, демодуляторы однополосных сигналов с подавленной несущей строятся на основе балансных смесителей (БС) по схеме синхронного детектора (рис. А.6). Напомним, что на выходе балансного смесителя так же, как и на выходе балансного модулятора, отсутствует несущая частота опорного гетеродина (ОГ). Отклонение номинала восстанавливаемой несущей частоты от подавленной несущей частоты однополосного сигнала не должна превышать величины 10 Гц. При существующей стабильности частоты синтезаторов частот (±10 Гц) это условие выполнимо.

Рис. А.6 Однополосный сигнал в современных ПВ/КВ радиостанциях наиболее часто формируют фильтровым способом. Для эффективного подавления несущей модулятор выполняется по балансной схеме. В ряде радиостанций одни и те же устройства с избирательными фильтрами промежуточных частот используются и в передатчике, и в приемнике, модулятор передатчика выполняет функции демодулятора приемника. В качестве примера на рис. А.7 приведена принципиальная схема модулятора/демодулятора радиостанции FS-1562.

17

Рис. А.7 Основу модулятора передатчика и демодулятора сигналов класса J3E, F1B и J2B приемника составляет балансный смеситель на высокочастотной диодной сборке в интегральном исполнении ND433G. При переключении радиостанции в режим «передачи» центральный процессор приемопередатчика подключает с помощью аналогового ключа S выход усилителя модулирующих частот к средним точкам катушек индуктивности L5 и L2 смесителя, работающего в режиме балансного модулятора. Элементы С4, С5 и R10 выполняют функции фильтра нижних частот, ограничивая спектр модулирующего сигнала на уровне 3 кГц. Напряжение поднесущей частоты 455 кГц поступает на модулятор с коллектора транзистора VT3 согласующего усилителя через трансформаторную связь (L4, L5) от синтезатора частоты. Вследствие симметричности балансного модулятора колебание поднесущей частоты в спектре выходного сигнала, который выделяется на контуре (L1, С3), сильно подавлено. Сигнал с выхода модулятора через усилитель на транзисторе VT1 поступает на соответствующий фильтр (каналы формирования телефонного или телексного сигнала), где происходит подавление нижней боковой полосы и остатка поднесущей. При переключении радиостанции в режим «приема» к катушке индуктивности L2 смесителя, работающего в режиме балансного демодулятора однополосного сигнала, подключается выходной каскад усилителя второй промежуточной частоты (455 кГц), вы18

полненный на биполярном транзисторе VT2. Напряжение частоты 455 кГц, поступающее от синтезатора через транзистор VT3, играет роль восстановленной несущей, необходимой для демодуляции сигнала J3E. Напряжение звуковой частоты снимается со средних точек катушек индуктивности L5 и L2 и через фильтр нижних частот (элементы С4, С5 и R10) передается на УНЧ приемника. Смеситель симметричный, поэтому он одинаково эффективно осуществляет преобразование сигнала как в режиме модулятора, так и демодулятора. Более подробно с особенностями различных видов модуляции и способов их получения и детектирования можно ознакомиться, например, по [1].

19

Лабораторная работа № 1 Исследование фильтрового метода формирования однополосных сигналов Цель работы Ознакомление с фильтровым методом формирования радиосигналов с однополосной модуляцией, экспериментальное исследование модулятора однополосных сигналов судового передатчика СЧ и ВЧ диапазонов КОРВЕТ-2. Описание лабораторной установки Макет с исследуемым модулятором устанавливается в стенд БИС-Р. Питание макета осуществляется от двухполярного источника (+12,6 В и -12,6 В) БП-15. Блок коммутации выполнен на реле с рабочим напряжением 27 В, включение необходимого режима макета осуществляется подключением этого напряжения от источника БП-30 на соответствующие гнезда макета. Для исследования модуляторов используется испытательный гармонический (синусоидальный) сигнал с выхода измерительного генератора частотой 100 кГц. Оценку амплитуды сигнала на входе макета и его выходе можно выполнять с помощью осциллографа или вольтметра. Генератор несущего колебания и испытательного сигнала класса А3Е Г4-18 подключается к гнездам «Вход 2» стенда, а к гнездам «Вход 1» стенда – генератор модулирующего колебания Г3-120. Осциллограф С 1-112 или цифровой вольтметр В7-38 — к контрольным гнездам макета в соответствии с программой исследований. Схема макета для исследования однополосных сигналов и модуляторов для их формирования приведена на рис.1.1. Используется модулятор однополосного сигнала радиопередатчика КОРВЕТ-2, в котором реализуется фильтровой способ формирования однополосного сигнала. Модулирующий сигнал UΩ чрез усилитель А1 подается с генератора Г3-120 на балансный модулятор U1, на второй вход которого поступает высокочастотное напряжение несущей Uω с генератора Г4-18. С выхода модулятора двухполосный сигнал без несущей через усилитель пода20

ется на один из фильтров (Z1 - фильтр верхней боковой полосы ВБП, Z2 – фильтр нижней боковой полосы НБП). На нагрузке производится сложение выбранной боковой полосы с полной несущей, поступающей от генератора Г4-18 через блок коммутации (класс излучения H3E), с ослабленной несущей (класс излучения R3E) или с ослабленной более чем на 46 дБ (подавленной) несущей (класс излучения J3E). Классы излучения А1А и А3Е в данной работе формируются для исследования с помощью генератора Г418 в режиме внешней модуляции напряжением генератора Г3-120, снимаемого с выхода «~» для сигнала класса А3Е или «П» - для испытательного сигнала класса А1А.

Рис. 1.1 Выбор типа модуляции осуществляется подачей напряжения 27 В на соответствующий вход блока коммутации и подключениями генераторов сигналов к гнездам макета. Рабочее задание

1. Включить лабораторный макет и все контрольноизмерительные приборы и дать им прогреться в течение 15 минут. 2. Установить на выходе генератора Г4-18 испытательный сигнал частотой 100 кГц и напряжением 0,1 В без модуляции и подать его на гнезда Uω макета. 3. Установить на выходе «~» генератора Г3-120 испытательный сигнал частотой 2 кГц и напряжением 0,5 В и подать его на гнезда UΩ макета. 21

4. Осциллограф подключить к выходным гнездам макета. 5. Пронаблюдать на осциллографе и зарисовать в отчет форму сигналов на выходе макета при включении режимов модуляции R3E, H3E и J3E для верхней и нижней боковых полос. 6. Установить на генераторе Г4-18 модуляцию испытательного сигнала частотой 2 кГц и глубиной 30 % в режиме внешней модуляции от генератора Г3-120 и зарисовать осциллограммы этого сигнала в отчет: - для класса А3Е модулирующее напряжение снимается с гнезда «~» генератора Г3-120; - для класса А1А модулирующее напряжение снимается с гнезда «П» генератора Г3-120. 7. Сравнить полученные осциллограммы. Сделать выводы по полученным результатам и записать их в отчет. Контрольные вопросы

1. Нарисовать векторную диаграмму сигнала класса А1A. 2. Нарисовать векторную диаграмму сигнала класса А3Е. 3. Нарисовать векторную диаграмму сигнала класса R3Е. 4. Нарисовать векторную диаграмму сигнала класса H3Е. 5. Нарисовать векторную диаграмму сигнала класса J3Е. 6. Нарисовать спектральную диаграмму сигнала класса А1A. 7. Нарисовать спектральную диаграмму сигнала класса А3Е. 8. Нарисовать спектральную диаграмму сигнала класса R3Е. 9. Нарисовать спектральную диаграмму сигнала класса H3Е. 10. Нарисовать спектральную диаграмму сигнала класса J3Е. 11. Нарисовать временную эпюру сигнала класса А1A. 12. Нарисовать временную эпюру сигнала класса А3Е. 13. Нарисовать временную эпюру сигнала класса R3Е. 14. Нарисовать временную эпюру сигнала класса H3Е. 15. Нарисовать временную эпюру сигнала класса J3Е.

22

Лабораторная работа № 2 Исследование фазокомпенсационного метода формирования однополосных сигналов Цель работы Ознакомление с фазокомпенсационным методом формирования радиосигналов с однополосной модуляцией, экспериментальное исследование модулятора однополосных сигналов. Описание лабораторной установки Функциональная схема устройства формирования сигнала с ОБП фазокомпенсационным методом изображена на рис.2.1. Колебание несущей частоты подается с выхода ССЧ с ФАП, а модулирующее колебание низкой частоты – со схемы управления того же синтезатора. Лабораторный макет содержит: - Фазовращатель сигнала несущей частоты ФВ1 с фиксированным значением угла поворота фазы, равным ϕ1 =π/2; - Фазовращатель модулирующего сигнала ФВ2 с переменным значением угла поворота фазы, принимающего 10 дискретных значений, определяемых соотношение:

ϕ2 = π/2 + (А14 ∗ 20 + А15 ∗ 21 + А16 ∗ 22 + А17 ∗ 23) ∗ π/256. Фазовращатель имеет возможность плавной регулировки сдвига фазы при помощи ручки «Фаза», размещенной на лицевой панели макета; - Регулируемый усилитель У, коэффициент передачи которого описывается соотношением: Ку =К ∗ [1 – (A8 ∗ 20 + A9 ∗ 21 + A10 ∗ 22)/ 100].

Рис. 2.1 23

Имеется возможность плавной регулировки Ку с помощью ручки Uмод, расположенной на передней панели макета; - два идентичных балансных модулятора БМ1 и БМ2; - схему сложения, представляющую собой резистивный сумматор. Функциональная схема цифрового активного синтезатора с ФАП и ДПКД в цепи обратной связи, который в данной лабораторной работе используется как генератор несущего колебания и генератор модулирующего сигнала, приведена на рис.2.2.

Рис. 2.2 В состав синтезатора входят:: - ОКГ, работающий на частоте 1000 кГц; - Делитель частоты Д1 с коэффициентом деления NД1 = 1000; - ИФД типа «выборка-запоминание», который выполнен на стандартном устройстве выборки - хранения. - ФНЧ, предоставляющий собой интегрирующую RC – цепь первого порядка. Полоса пропускания ФНЧ может принимать два дискретных значения – 50 и 1000 Гц (кнопка А15 в положении выкл. и вкл. соответственно); - ГУН, частота выходных колебаний которого в зависимости от поданного управляющего напряжения может принимать значения в интервале 1900…2600 кГц. ГУН имеет дополнительный вход для осуществления частотной модуляции с помощью встроенного генератора низкой частоты; - Делитель частоты на два Д2; 24

-

-

Фазовый манипулятор (ФМ), на вход которого подается модулирующая последовательность импульсов с частотой следования 316,25 ГЦ (в этой работе не используется); ДПКД, коэффициент деления которого может произвольно изменяться в пределах от 2000 до 2510 с шагом 1. Изменение коэффициента деления ДПКД осуществляется с помощью дешифратора устройства управления; Устройства управления, включающее дешифратор команд управления ДПКД, перестраиваемый генератор низкой частоты для осуществления однополосной модуляции и генератор прямоугольных импульсов со скважностью два для осуществления частотной и фазовой манипуляции. Устройство управления позволяет изменять род работы ССЧ в соответствии с табл. 2.1.

Частота выходного сигнала ССЧ определяется выражением fВых = (А0 ∗ 20 + A1 ∗ 21 +…A7 ∗ 27 + 1000) кГц, и может изменяться в пределах 1000…1255 кГц с шагом сетки 1 кГц, Таблица 2.1 А14 0 1 Х

А15 Х Х 1

А8 Х Х Х

А9 Х Х Х

А10 Х Х Х

Х

0

Х

Х

Х

Х Х Х

Х Х Х

0 0 1

0 1 0

Х Х 0

Х

Х

1

1

0

Х

Х

1

0

1

Х

Х

1

1

1

Режим работы Петля ФАПЧ замкнута Петля ФАПЧ разомкнута Полоса пропускания ФНЧ ΔF=50 Гц Полоса пропускания ФНЧ ΔF=1000 Гц Немодулированные колебания Частотная модуляция Двухуровневая частотная телеграфия Многоуровневая частотная телеграфия Двухуровневая фазовая телеграфия Многоуровневая фазовая телеграфия

25

Частота колебаний генератора низкой частоты, используемого для осуществления модуляции, может принимать восемь дискретных значений и определяется соотношением fмод = 2х ∗250 Гц, где х = (А11∗20+А12∗21+А13∗22). В стенде предусмотрена возможность подключения к выходу схемы формирования однополосного сигнала внешних измерительных приборов. Лабораторный стенд допускает три режима работы: 1. Режим ручного управления с использованием внешних измерительных приборов (двухлучевого осциллографа, электронносчетного частотомера, анализатора спектра и вольтметра постоянного тока), подключаемых к соответствующим разъемам. 2. Режим автоматизированного управления и регистрации результатов экспериментальных исследований с помощью ПЭВМ типа IВМ РС. В этом случае наблюдение осциллограмм осуществляется с помощью внешнего двухлучевого осциллографа, а спектрограмм – с помощью анализатора спектра. 3. Режим ручного управления и автоматизированной регистрации экспериментальных данных с помощью ПЭВМ. При использовании последних двух режимов инструкция по выполнению работы содержится в программном обеспечении для управления и визуализации экспериментальных исследований (MakeLab 1.0). Для перехода к второму и третьему режимам работы необходимо подключить выход последовательного порта ПЭВМ (СОМ2) к входу «ЭВМ» на задней панели макета и запустить программу MakeLab 1.0. Последовательность дальнейших действий описана в соответствующих разделах программы. Рабочее задание 1. Исследовать особенности формирования сигналов с однополосной модуляцией фазокомпенсационным методом. В поле переключателей «тип схемы» нажать кнопку «4». Пользуясь клавиатурой управления, установить заданную преподавателем частоту выходных колебаний. На частоте модулирующего сигнала 8 кГц произвести балансировку схемы, добиваясь 26

минимизации уровня нерабочей боковой полосы последовательной регулировкой ручек «Uмод» и «Фаза» при ϕ2=π⁄ 2 (А14,…, А17 = 0) и Ку = К (А8 = А9 = А10 = 0). 2. С помощью анализатора спектра снять зависимость относительного уровня нерабочей боковой полосы от фазового сдвига в фазовращателе модулирующего сигнала ϕ2 . Изменение ϕ2 осуществляется нажатием клавиш А14…А17 (см. описание макета). Построить соответствующую зависимость. 1. С помощью анализатора спектра снять зависимость относительного уровня нерабочей боковой полосы от модуля коэффициента передачи Ку (клавиши А8, А9, А10) в одном из каналов тракта формирования сигнала с ОБП при ϕ2 =π⁄ 2. Построить полученную зависимость. 4. Записать в отчет краткие выводы по полученным результатам.

27

Контрольные вопросы

1. Поясните способ формирования сигнала класса J3Е фазокомпенсационным методом. 2. Поясните способ формирования сигнала класса H3Е фазокомпенсационным методом. 3. Поясните способ формирования сигнала класса R3Е фазокомпенсационным методом. 4. Почему фазокомпенсационный метод формирования сигнала класса J3Е сложно применять для широкополосных модулирующих сигналов? 5. Предложите вариант схемы фазовращателя для несущего колебания и поясните его работу. 6. Предложите вариант схемы фазовращателя для модулирующего сигнала и поясните его работу.

28

Лабораторная работа № 3 Исследование способов детектирования однополосных сигналов Цель работы Ознакомление со способами детектирования радиосигналов с однополосной модуляцией, экспериментальное исследование синхронного детектора однополосных сигналов. Описание лабораторной установки Макет с исследуемыми детекторами однополосных сигналов (синхронным детектором на аналоговом перемножителе 140МА1, диодным и транзисторным) подключается к стенду БИС-Р. Питание макета осуществляется от двухполярного источника (+12,6 В и -12,6 В) БП-15. Включение необходимого по программе исследований детектора макета осуществляется переключателем «Тип детектора» макета. Для исследования детекторов используются: • испытательный сигнал А3Е с выхода измерительного генератора Г4-18; • однополосный сигнал Н3Е с выхода модулятора однополосных сигналов; • однополосный сигнал J3Е с выхода модулятора однополосных сигналов. Оценку амплитуды сигнала на входе макета и его выходе можно выполнять с помощью осциллографа или вольтметра. Форма сигнала на входе и выходе детектора оценивается по осциллограммам. Генератор несущего колебания (Г4-18) и испытательного сигнала подключается к гнездам «Вход сигнала» макета, а к гнездам «Выход 1» – осциллограф С1-112. На рис. 3.1 представлены схемы детектирования однополосного сигнала.

29

Блок детекторов содержит 3 отдельных детектора для обработки сигналов с полной несущей (А1А, Н3Е и А3Е), рис. 3.1,а, с ослабленной несущей (R3E), рис. 3.1,б, и без несущей (J3E), рис. 3.1,в. Для детектирования сигналов класса излучения R3E остаток несущей выделяется узкополосным фильтром Z3, настроенным на частоту 100 кГц, и через усилитель А6 с регулируемым коэффициентом усиления подается на синхронный детектор U3. Детектирование однополосного сигнала осуществляется на синхронном детекторе U4.

Рис. 3.1

Рабочее задание 1. Включить лабораторный макет и все контрольноизмерительные приборы и дать им прогреться в течение 15 минут. 2. Установить на выходе генератора Г4-18 испытательный сигнал частотой 100 кГц и напряжением 10…20 мВ без модуляции и подать его на разъем «Вход сигнала» макета. 3. Установить на генераторе Г4-18 модуляцию испытательного сигнала частотой 2 кГц и глубиной 30 % в режиме внешней модуляции от генератора Г3-120. 4. Осциллограф подключить к выходному разъему «Выход 1» макета. 30

5. Пронаблюдать на осциллографе и зарисовать в отчет форму сигналов на выходе макета для трех типов детекторов. 6. Включить модулятор однополосного сигнала (исследованный в лабораторной работе №1. Подключить его выход к разъему «Вход сигнала» макета по исследованию амплитудных детекторов. 7. Пронаблюдать на осциллографе и зарисовать в отчет форму сигналов на выходе «Вых.1» макета для трех типов детекторов при включении режимов модуляции R3E, H3E и J3E для верхней боковой полосы. 8. Сравнить полученные осциллограммы. Сделать выводы по полученным результатам и записать их в отчет. Контрольные вопросы

1. Поясните способ детектирования сигналов класса J3Е. 2. Поясните способ детектирования сигналов класса H3Е. 3. Поясните способ детектирования сигналов класса R3Е. 4. Почему синхронный детектор сложно применять в радиовещательных приемниках? 5. Предложите вариант схемы детектора для детектирования сигналов класса H3Е и поясните его работу. 6. Предложите вариант схемы детектора для детектирования сигналов класса R3Е и поясните его работу. 7. Предложите вариант схемы детектора для детектирования сигналов класса J3Е и поясните его работу.

31

Лабораторная работа № 4 Исследование каналов связи с использованием однополосных сигналов Цель работы Ознакомление с возможностью приема радиосигналов с однополосной модуляцией на приемник сигналов А3Е, экспериментальное исследование искажений сигналов при различии классов излучения и типов демодуляторов приемника. Описание лабораторной установки Работа выполняется на профессиональном судовом приемнике ПВ/КВ диапазона EKD-300. Особенностью этого приемника является возможность независимого включения фильтров с разной полосой пропускания, подключения на выходе линейной части разных типов детекторов (А3Е, R3E, H3E и J3E) и точной настройки с шагом 10 Гц на любую частоту в диапазоне от 100 кГц до 30 МГц. Примечание: При выполнении настройки приемника необходимо помнить, что классы излучения на передней панели приемника указаны в соответствии со старым классификатором. Перевод классов приведен в табл. 4.1. Таблица 4.1 Старое обозначение Новое обозначение

А3 А3Е

A3H H3E

A3A R3E

A3J J3E

Перед установкой частоты настройки приемника необходимо нажать клавишу х на тостатуре, а затем набрать цифровое значение настройки (например, 01233,00 кГц). Для возможности плавной настройки необходимо дополнительно нажать клавишу ≠ . Рабочее задание 1. Включить приемник в режим приема двухполосного сигнала (А3Е) с полосой ±3000 Гц и настроиться на прием вещательной радиостанции (например, 01233,00 кГц). С помощью плавной настройки добиться наилучшего приема сигнала. 2. Проверить качество приема этой станции при включении разных комбинаций детекторов (классов сигналов А3Е, R3E, H3E 32

и J3E) и полос пропускания фильтров УПЧ приемника. После каждого переключения с помощью плавной настройки добиться наилучшего приема сигнала. Свои впечатления и выводы по результатам записать в отчет. 3. Включить приемник в режим приема однополосного сигнала (J3Е) с полосой +2700 Гц и настроиться на прием судовой радиостанции (например, в диапазоне 7500…8500 кГц). С помощью плавной настройки добиться наилучшего приема сигнала. 4. Проверить качество приема этой станции при включении разных комбинаций детекторов (классов сигналов А3Е, R3E, H3E и J3E) и полос пропускания фильтров УПЧ приемника. После каждого переключения с помощью плавной настройки добиться наилучшего приема сигнала. Свои впечатления и выводы по результатам записать в отчет. 5. Включить приемник в режим приема однополосного сигнала с полной несущей (Н3Е) с полосой ±3000 Гц и настроиться на прием судовой радиостанции на частоте вызова и бедствия (2182 кГц). С помощью плавной настройки добиться наилучшего приема сигнала. 6. Проверить качество приема этой станции при включении разных комбинаций детекторов (классов сигналов А3Е, R3E, H3E и J3E) и полос пропускания фильтров УПЧ приемника. После каждого переключения с помощью плавной настройки добиться наилучшего приема сигнала. Свои впечатления и выводы по результатам записать в отчет. Методические указания

Управление передатчиком КОРВЕТ-2 Судовой передатчик КОРВЕТ-2 диапазонов ПВ/КВ работает в интервалах частот 405…526,5; 1606,5…3800; 4000…4650; 6200…6525; 8100…8815; 12230…13200; 16360…17410; 18780…19800; 22000…22855; 25010…25600 кГц и на дополнительной частоте 5580 кГц. Установка частоты декадная с шагом 100 Гц. Передатчик обеспечивает работу с классами излучения A1A, H2A, F1B, J3E, H3E, R3E, G1B и J7B. Управление передатчиком КОРВЕТ-2 может осуществляться с местного (ПМУ) или дистанционного (ПДУ) пультов. 33

При подготовке передатчика к работе необходимо: За 30 мин до начала работы для прогрева термостатов опорного генератора подать сетевое питание на передатчик. На табло должна загореться надпись «Термостат»; открыть дверцу передатчика и убедиться в том, что сигнальные красные лампочки, в том числе «Перегрев ОГ» и «БЧМ», не горят; при работе на парных дуплексных частотах переключатель установить в положение «Дуплекс», при этом разрешается работать только на следующих частотах: 4063…4143; 6200…6218,6; 8195…8291,1; 12330…12429; 16460…16587,1; 22000…22 124 кГц; закрыть дверцу передатчика. Порядок работы: Выбрать для дальнейшей работы ПДУ или ПМУ; 1) нажать кнопку «Питание вкл.» Ответная сигнализация – подсветка кнопки, на табло гаснет надпись «Термостат» и загорается на 2 мин надпись «Ждать». По этой команде включаются все источники блока питания управления, цепи накала ламп выходного каскада и вентилятор; 2) установить кнопкой класс излучения. Ответная сигнализация – подсветка нажатой кнопки. При этой команде включаются соответствующие блоки формирования информации возбудителя; 3) установить частоту и нажать кнопку «Настройка». Ответная сигнализация – подсветка установленной частоты и кнопки «Настройка». По этой команде включаются соответствующие цепи блока реле и возбудителя, а также коммутируются фильтры; 4) после того, как погаснет надпись «Ждать», нажать кнопку «25% Вкл.» или «100% Вкл.». Ответная сигнализация – подсветка нажатой кнопки и на табло загорается надпись «Готов». По этой команде включается анодно-экранный блок питания, и устанавливается уровень возбуждения предварительно усилителя; 5) подключение цепей ключа, микротелефона или телеграфного аппарата происходит автоматически по сигналу «Готов» в следующем порядке: при нажатой кнопке «А1А» или «Н2А» к передатчику подключается ключ; при нажатой кнопке «JЗE» к передатчику подключается микротелефон; при нажатой кнопке «J7В», «F1В» или «G1В» к передатчику подключается телеграфный аппарат; 34

6) чтобы переключить род работы и частоту, необходимо: нажать кнопку «Анод выкл.». Ответная сигнализация - гаснет надпись «Готов», подсветка кнопки «25% Вкл.» или «100% Вкл.»; нажать кнопку нужного рода работы, при этом гаснет подсветка кнопки ранее установленного рода работы и загорается подсветка вновь установленного рода работы; установить новую частоту и нажать кнопку «Настройка». Ответная сигнализация – гаснет подсветка прежней и загорается подсветка новой частоты. После окончания настройки загорается подсветка кнопки «Настройка»; нажать кнопку «25% Вкл.» или «100% Вкл.». Ответная сигнализация – подсветка кнопки, загорается «Готов». При сбросе настройки (гаснет подсветка кнопки «Настройка») повторно нажать кнопку «Настройка»; 7) при появлении надписи «Непрерывно» или отсутствии ответной сигнализации дальнейшие операции не производить. Необходимо открыть дверцу передатчика, по сигнальным лампочкам и встроенным приборам установить причину неисправности и устранить ее; 8) для выключения передатчика нажать кнопки «Анод. Выкл.» и «Питание выкл.». Ответная сигнализация – гаснет подсветка на пультах управления, а на табло в течение 4 – 5 мин горит надпись «Ждать», а затем загорается надпись «Термостат», после чего можно снять сетевое питание с передатчика. П Р Е Д У П Р Е Ж Д Е Н И Е. Категорически запрещается снимать напряжение питания с передатчика во время горения сигнала «Ждать», так как в это время происходит охлаждение ламп выходного каскада передатчика; 9) для включения автоподатчика сигнала тревоги нажать кнопку «Тревога-2182». Ответная сигнализация – подсвечивается кнопка и на табло загорается надпись «Тревога». На пультах будет подсвечиваться кнопка «100% Вкл.» и отклоняться стрелка прибора. Следует иметь в виду, что при включении автоподатчика автоматически происходит сброс ранее установленной частоты и класса излучения, набирается частота 2182 кГц и передатчик излучает радиотелефонный сигнал тревоги; 10) для передачи сообщения голосом, нажать кнопки «НЗЕ» и «100% Вкл», снять трубку микротелефона и нажать тангенту; 11) при снятии с передатчика анодного питания настройку необходимо повторить, для чего предварительно произвести 35

сброс. Повторное нажатие кнопки «Настройка» без предварительного сброса НЕДОПУСТИМО. Примечание: При выполнении п.п. 4..8 в качестве источника испытательного сигнала класса R3E, H3E или J3E можно использовать

установленную в лаборатории судовую радиостанцию ПВ/КВ диапазона. Контрольные вопросы

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.

На приемники с какими типами детекторов можно принимать сигналы с классом излучения А3E? На приемники с какими типами детекторов можно принимать сигналы с классом излучения Н3E? На приемники с какими типами детекторов можно принимать сигналы с классом излучения R3E? На приемники с какими типами детекторов можно принимать сигналы с классом излучения J3E? Какие сигналы (по классу излучения) можно детектировать синхронным детектором? Зачем требуется восстановление несущей при приеме сигналов с классом излучения J3E? Как можно восстановить несущую при приеме сигналов с классом излучения J3E? Как можно восстановить несущую при приеме сигналов с классом излучения R3E? Какие особенности необходимо учитывать при разработке приемника однополосного сигнала?

36

Б. ИССЛЕДОВАНИЕ МНОГОКАНАЛЬНЫХ СИСТЕМ СВЯЗИ С ЧАСТОТНЫМ РАЗДЕЛЕНИЕМ КАНАЛОВ Цель цикла работ Ознакомление с методами частотного разделения каналов в многоканальных системах связи, свойствами и основными характеристиками избирательных цепей, экспериментальное исследование фильтров, согласованных со спектральными характеристиками канальных сигналов. Краткие сведения В радиоэлектронике основными аналоговыми преобразованиями сигналов принято считать усиление, перемножение (перенос спектра, модуляция, демодуляция), сравнение, ограничение, выпрямление и частотную фильтрацию сигналов. Эти преобразования образуют функционально полную систему, позволяющую выполнять любую аналоговую обработку сигналов. Фильтром называют четырехполюсник, предназначенный для выделения из состава подведенного к его входу сложного электрического колебания частотных составляющих, расположенных в заданной области, и для подавления частотных составляющих, расположенных во всех других областях частот. Область частот, где фильтр усиливает или мало ослабляет сигнал, называют полосой пропускания, а область частот, где ослабление входного электрического колебания велико, - полосой задерживания. Чем больше разница между усилением и ослаблением, тем сильнее выражены фильтрующие свойства цепи. Электрические фильтры применяются для выделения (и пропускания) требуемого сигнала из смеси полезных и мешающих сигналов. Например, при настройке радиоприемника на определенную станцию с помощью фильтров выделяются сигналы, которые передаются интересующей нас станцией, и подавляются все остальные сигналы. После преобразователя частоты в приемнике выделяется разностная (или суммарная) частота и подавляются составляющие на частоте гетеродина, сигнала и комбинационные частоты ( ± nfс ± mfг), кроме выбранной в качестве промежуточной. 37

Помехами, которые необходимо подавить, могут являться собственные шумы предшествующих фильтру электронных устройств, атмосферные шумы, промышленные шумы и т.д. Если спектр сигнала занимает полосу частот меньше, чем спектр помех, то для выделения сигнала используются фильтры с полосой пропускания, расположение которой согласовано с расположением спектра сигнала на оси частот. Если уже спектр помехи, то применяют заграждающий (режекторный) фильтр, добиваясь совпадения полосы задерживания со спектром помехи. В зависимости от взаимного расположения полосы пропускания и полосы задерживания различают: - фильтр верхних частот (ФВЧ), имеющий полосу пропускания от некоторой частоты ω1 до бесконечности и полосу задерживания от 0 до ωзад < ω1; - фильтр нижних частот (ФНЧ), имеющий полосу пропускания от 0 до некоторой частоты ω2 и полосу задерживания от некоторой частоты ωзад > ω2 до бесконечности; - полосовой фильтр (ПФ), имеющий полосу пропускания от частоты ω1 до частоты ω2 и полосу задерживания вне указанного диапазона; - режекторный (заграждающий) фильтр (РФ) с полосой задерживания от частоты ω1 до частоты ω2 и полосой пропускания вне указанного диапазона. Кроме этих четырех основных типов фильтров в радиоэлектронных устройствах используются амплитудные (АК) и фазовые (ФК) корректоры. При проектировании фильтров задают границы полосы пропускания и полосы задерживания, затухание в полосе задерживания и коэффициент передачи (усиления) в полосе пропускания, допуск на отклонение характеристики от желаемой. Отклонение АЧХ от желаемой в полосе пропускания называют неравномерностью АЧХ. Закон изменения затухания в переходной области обычно не контролируется. В некоторых случаях задание на проектирование может содержать дополнительные требования к фазочастотной характеристике (ФЧХ) фильтра внутри полосы пропускания.

38

Лабораторная работа N 5 ИССЛЕДОВАНИЕ АКТИВНЫХ RC-ФИЛЬТРОВ Цель работы Ознакомление с устройством и принципом работы активных RC-фильтров, экспериментальная оценка их основных параметров и свойств, исследование однозвенных и двухзвенных активных RC-фильтров на ИМС ОУ К140УД8. Краткие сведения При обработке радиотехнических сигналов на сравнительно низких частотах (менее 100…500 кГц), а также при разработке каскадов радиоэлектронных устройств в интегральном исполнении для LC-фильтров требуются индуктивности, имеющие большие габариты, и их нередко заменяют активными RC-фильтрами. Активные RC-фильтры имеют в своем составе резисторы, конденсаторы и усилительный элемент в виде операционного усилителя. Отсутствие индуктивностей в активных фильтрах позволяет выполнять их в интегральной форме. Необходимый фазовый сдвиг, моделирующий индуктивность в активных фильтрах, достигается за счет обратных связей. Свойства операционного усилителя, применяемого для построения активных фильтров, должны быть близки к идеальным (Rвх → ∞, Rвых → 0, Ку → ∞). В этом случае реактивные цепи фильтра будут работать в согласованном с нагрузкой режиме. На рис. 5.1а представлена схема активного фильтра верхних частот (ФВЧ), который включает в себя инвертирующий ОУ и дифференцирующую цепочку R2C в цепи отрицательной обратной связи, а на рис. 5.1б - частотная характеристика этого фильтра. Резистор R1 ограничивает коэффициент передачи в области высоких частот (в полосе прозрачности фильтра) на уровне К = R2 /R1 .

39

а) ФВЧ

б) АЧХ ФВЧ Рис. 5.1.

Схема фильтра нижних частот (ФНЧ) и его частотная характеристика приведены на рис. 5.2.

а) ФНЧ

б) АЧХ ФНЧ Рис. 5.2.

Если ФНЧ и ФВЧ объединить, то можно получить полосовой (ПФ) и режекторный (РФ) фильтры, которые без существенных искажений пропускают или задерживают определенную полосу частот, как показано на рис. 5.3 и рис. 5.4.

а) Полосовой фильтр

б) АЧХ ПФ Рис. 5.3 40

а) Режекторный фильтр

б) АЧХ режекторного фильтра Рис. 5.4 Рассмотренные фильтры являются фильтрами первого порядка и имеют слабо выраженную характеристику избирательности (коэффициент передачи за пределами полосы пропускания или задержания изменяется только на 6 дБ (в два раза) при изменении частоты сигнала на октаву (в два раза)). Для повышения избирательности активных фильтров используют каскадное соединение нескольких одинаковых фильтров или применяют в цепи обратной связи более сложные RC-цепи: двойной Т-мост, мост Вина и др. На основе использования RC-цепей и ОУ можно синтезировать схемы избирательных усилителей, обладающих способностью выделять полезный сигнал, соответствующий заданной частоте и полосе частот из всей совокупности сигналов, поступающих на вход усилителя. В качестве примера на рис. 5.5 приведена схема полосового фильтра демодулятора дискретных сигналов узкополосного буквопечатания (УБПЧ) и цифрового избирательного вызова (ЦИВ) приемника судовой радиостанции диапазона ВЧ (КВ) SAILOR. 41

Фильтр построен на 5 операционных усилителях DА1…5, охваченных частотно-зависимыми обратными связями и имеет полосу пропускания 100 Гц. Точное значение рабочей частоты (около 3000 Гц) обеспечивается при настройке подбором сопротивления резисторов R4 и R10.

Рис. 5.5 Более подробно об активных фильтрах можно прочитать, например, в [2, 3]. Описание лабораторной установки Работа выполняется на лабораторном стенде К-32. При выполнении измерений используются следующие контрольноизмерительные приборы: - генератор сигналов Г 3-120; - осциллограф С 1-112; - цифровой вольтметр В 7-38; - милливольтметр В 3-38. Макет с исследуемым устройством (плата УС9) устанавливается на стенд К-32. Макет содержит три устройства: ФНЧ, ФВЧ и суммирующий усилитель на микросхемах КР140УД8А (операционный усилитель общего применения). Переменные резисторы R5, R12 и R18 служат для начальной балансировки ОУ, резисторы R11 и R15 позволяют изменять ко42

эффициент передачи фильтра в полосе пропускания соответственно ФНЧ и ФВЧ. Составление необходимой для исследования схемы выполняется с помощью специальных перемычек. Имеется возможность изменять частоту среза ФВЧ за счет подключения дополнительных конденсаторов С2 и С3 параллельно С4. Входной сигнал макета поступает на гнездо XS2 с гнезд Вход 1 стенда К-32. Рабочее задание 1. Собрать лабораторную ФНЧ согласно рис.5.6.

установку

для

исследования

Рис. 5.6 Подать на вход активного фильтра нижних частот (гнездо XS4) испытательный сигнал частотой 100 Гц, амплитудой 500 мВ. Убедиться в работоспособности макета. С помощью резистора R12 выполнить балансировку усилителя, добившись равенства нулю постоянного выходного напряжения операционного усилителя. 2. Установить резистор R11 в среднее положение. Уровень входного сигнала установить по отсутствию искажений на выходе фильтра. Выполнить измерения согласно табл. 5.1 и построить частотную характеристику фильтра, контролируя напряжение сигнала на его входе. Частоты измерений выбрать самостоятельно по условию построения АЧХ. 3. Повторить программу п.2 для крайнего левого и правого положения регулятора R11. Сделать выводы по полученным результатам и записать их в отчет. 43

Таблица 5.1 f, Гц Uвх, мВ Uвых, мВ К= Uвых /Uвх

10

10000

4. Собрать лабораторную установку для исследования ФВЧ согласно рис.5.7.

Рис. 5.7 Подать на вход активного фильтра верхних частот (гнездо XS5) испытательный сигнал частотой 100 кГц и амплитудой 500 мВ. Убедиться в работоспособности макета. С помощью резистора R18 выполнить балансировку усилителя, добившись равенства нулю постоянного выходного напряжения операционного усилителя. 5. Установить резистор R15 в среднее положение. Выполнить измерения согласно табл. 5.2 и построить частотную характеристику фильтра, поддерживая напряжение сигнала на его входе таким, чтобы отсутствовали заметные искажения на выходе. Частоты измерений выбрать самостоятельно по условию построения АЧХ. Таблица 5.2 f, Гц Uвх, мВ Uвых, мВ К= Uвых /Uвх

10

100000

6. Повторить программу п.5 для крайнего левого и правого положения регулятора R15. Сделать выводы по полученным результатам и записать их в отчет. 44

7. Изменить емкость конденсатора, включенного в цепь прямой передачи, подключив с помощью перемычек параллельно конденсатору С3 конденсаторы С4 и С5. Повторить программу п.5. Сделать выводы по полученным результатам и записать их в отчет. 8. Собрать лабораторную установку для исследования полосового фильтра согласно рис.5.8.

Рис. 5.8 Подать на вход полосового активного фильтра (гнездо XS4) испытательный сигнал частотой 100 Гц и амплитудой 500 мВ. Убедиться в работоспособности макета. 9. Установить резисторы R11 и R15 в среднее положение. Выполнить измерения согласно таблице 5.3 и построить частотную характеристику фильтра. Таблица 5.3 f, Гц Uвх, мВ Uвых, мВ К= Uвых /Uвх

10. Собрать лабораторную установку для исследования режекторного фильтра согласно рис.5.9. Установить резисторы R11 и R15 в среднее положение. Проверить балансировку операционных усилителей, при необходимости выполнить балансировку с помощью резисторов R12, R18 и R6. Подать на вход активного режекторного фильтра (гнезда XS4" и XS5) испытательный сигнал частотой 100 кГц и амплитудой 500 мВ. Убедиться в работоспособности макета. 11. Выполнить измерения согласно таблице 5.4 и построить частотную характеристику фильтра. Частоты измерений выбрать самостоятельно по условию построения АЧХ. 45

Примечание: При отсутствии области подавления (режекции) сигнала, добиться ее подбором величины резисторов R11 и R15.

Рис. 5.9 Таблица 5.4 f, Гц Uвх, мВ Uвых, мВ К= Uвых /Uвх

Ваши выводы по результатам лабораторной работы запишите в отчет. Контрольные вопросы 1. Каково назначение фильтров в радиоэлектронных устройствах? 2. Дайте характеристику основным типам фильтров. 3. Почему в интегральных усилителях часто используется активные фильтры? Какие фильтры называют "активными"? 4. Нарисуйте схему и дайте характеристику активному фильтру нижних частот. 46

5. Нарисуйте схему и дайте характеристику активному фильтру верхних частот. 6. Нарисуйте схему и дайте характеристику активному полосовому фильтру. 7. Нарисуйте схему и дайте характеристику активному режекторному фильтру. 8. Как можно повысить крутизну склонов АЧХ активного фильтра? 9. Поясните понятие "неравномерность частотной характеристики" фильтра.

47

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6

ИССЛЕДОВАНИЕ ГРЕБЕНЧАТЫХ ФИЛЬТРОВ Цель работы Ознакомление с устройством и принципом работы нерекурсивных и рекурсивных гребенчатых фильтров, экспериментальная оценка их основных параметров и частотных характеристик, приобретение навыков их синтеза и настройки. Краткие сведения Очень часто в системах связи информация передается с использованием различных видов импульсной и цифровой модуляции. В этих случаях сигнал представляет собой последовательность радио- или видеоимпульсов, отстоящих друг от друга на время, кратное Т. Спектр такого сигнала является периодическим, со сравнительно узкими максимумами на частотах, кратных частоте повторения, причем максимумы разделены между собой областями весьма малых значений. Спектр периодической последовательности видеоимпульсов имеет вид гребенки, как показано на рис. 6.1, и поэтому называется гребенчатым.

Рис. 6.1 Свойство гребенчатости характерно для спектров последовательностей видео- и радиоимпульсов с огибающей любой формы, поэтому оптимальные фильтры для любых последовательностей импульсов должны содержать устройство с гребенчатой частотной характеристикой. Такое устройство получило название «гребенчатый фильтр». 48

Рассмотрим систему, состоящую из линейного четырехполюсника с коэффициентом передачи Κ(iω) и «идеальной» линии задержки Т, с выхода которой напряжение U2 вводится обратно в цепь возбуждения последовательно с входным сигналом U1 (рис. 6.2).

Рис. 6.2 Под идеальной подразумевается линия, в которой время задержки Т не зависит от частоты. Коэффициент передачи подобной линии принимается равным е −iωТ . При этом предполагается, что затухание линии учитывается четырехполюсником К(iω), включающим в себя также и линейное усиление, то есть коэффициент передачи прямой цепи равен К(iω)е−iωТ. Для коэффициента передачи устройства с обратной связью можно получить следующую формулу:

K 0 (iω ) =

U2 K (iω )e − iωΤ = U1 1 − K (iω )e − iωΤ

(6.1)

При достаточно большой величине Т для изменения фазы в кольце на 1800 требуется относительно малое изменение частоты. Главной особенностью системы с запаздывающей обратной связью является поэтому то, что в достаточно широкой полосе частот обязательно имеются частоты, при которых обратная связь является отрицательной, и частоты, при которых обратная связь положительна. Первые из этих частот соответствуют условию

ωТ - arg K(iω) = (2k + 1) π,

k = 0, 1, 2, 3 …,

(6.2,а)

k = 0, 1, 3…

(6.3,б)

а вторые ⎯

ωΤ - arg K (iω) = 2kπ, 49

Вблизи частот, соответствующих отрицательной обратной связи, модуль коэффициента передачи К(iω) может быть сколь угодно большим. При частотах же, соответствующих положительной обратной связи, для устойчивости системы модуль К(iω) обязательно должен быть меньше единицы. В дальнейшем мы будем исходить из условия, что в интересующей нас полосе частот К(ω) либо вообще не изменяется, либо изменяется слабо. Поэтому условие устойчивости сводится к неравенству К(ω) < 1, которое должно выполняться на всех частотах 0