Частотная модуляция

ЛАБОРАТОРНАЯ  РАБОТА

ЧАСТОТНАЯ МОДУЛЯЦИЯ

ДЕМОДУЛЯЦИЯ FM СИГНАЛОВ

Частотная модуляция

Основным недостатком  коммуникационных систем, основанных на амплитудной модуляции (AM), модуляции  с двумя боковыми полосами и подавлением  несущей (DSBSC) модуляции с одной боковой полосой и подавлением несущей (SSB) является чувствительность к электромагнитным помехам, воздействующим на среду передачи сигналов (канал связи). Это обусловлено тем, что помеха изменяет амплитуду передаваемого сигнала, а принцип действия демодулятора основан на восстановлении амплитуды сигнала.

Как следует  из названия, при частотной модуляции (frequency modulation – FM) уровень сигнала  сообщения управляет частотой несущего сигнала, а не его амплитудой. Следовательно, FM демодулятор реагирует на изменение частоты несущей и поэтому является менее чувствительным к изменениям амплитуды и более помехозащищенным, чем АМ демодулятор. В этом смысле применение FM в системах связи более предпочтительно. 

Многие известные  методы формирования FM сигналов основаны на управлении частотой выходного сигнала генератора путем изменения напряжения входного сигнала. Обычно, если входной сигнал равен 0 В, на выходе генератора формируется сигнал собственной (центральной) частоты. Если входное напряжение изменяется в большую или меньшую сторону относительно 0 В, частота выходного сигнала генератора перестраивается вверх или вниз относительно центральной частоты (имеет место девиация частоты). Таким образом, чем больше уровень входного напряжения, тем больше девиация частоты. 

На рисунке 1 показан исходный прямоугольный  сигнал передаваемого сообщения (Message), немодулированная несущая (Unmodulated carrier), а также результирующий FM сигнал (FM signal). 

Вам необходимо знать несколько наиболее важных свойств FMсигнала. Во-первых, он имеет плоскую огибающую, поскольку амплитуда несущей не изменяется. Во-вторых, его период (частота) изменяется под воздействием амплитуды сигнала сообщения. Наконец, изменение сигнала сообщения в большую или меньшую сторону относительно 0 В приводит к изменению частоты несущей вверх или вниз относительно центральной частоты. (Примечание: Можно также разработать такой FM демодулятор, который изменял бы частоту несущего колебания в направлении, противоположном изменению полярности сигнала сообщения).

Следует отметить, что прямоугольная форма сигнала  сообщения помогает нам наглядно показать, каким образом формируется FM сигнал. Рисунок 1 наводит на мысль, что FM сигнал состоит из двух гармоник: у одной частота выше несущей, у другой – ниже. Однако, на самом деле спектральный состав такого сигнала значительно сложнее, чем кажется.

Здесь проявляется  одно из важных отличий FM от других видов  модуляции, рассмотренных ранее. Как  следует из математической модели FM сигнала, его спектр может состоять из множества гармоник, даже если сигнал сообщения имеет синусоидальную форму. В то же время, для этого же сигнала сообщения спектр АМ сигнала состоит из трех гармоник, спектр DSBSC сигнала – из двух гармоник, и, в свою очередь, спектр SSBSC сигнала – всего лишь из одной гармоники. Отсюда не следует, что спектр FM сигнала шире, чем спектр всех этих сигналов для одного и того же сигнала сообщения. Однако практически это действительно так.

Еще одно отличие FM от ранее упомянутых видов модуляции  заключается в том, что мощности АМ, DSBSC и SSBSC сигналов изменяются в зависимости от индекса модуляции, поскольку действующее значение напряжения несущей неизменно, а действующие значения напряжения боковых частотных составляющих пропорциональны индексу модуляции. 

Напротив, при FM в зависимости от индекса модуляции действующие значения напряжений несущей и боковых гармоник FM сигнала изменяются таким образом, что сумма их мощностей  всегда равна мощности немодулированной несущей. Таким образом, мощность FM сигнала постоянна.

Наконец, при  ознакомлении с принципом работы FM модулятора вы можете заметить, что  в системе Emona DATEx имеется генератор, управляемый напряжением (VCO), реализованный  на основе модуля функционального генератора лабораторной станции ELVIS (NI ELVIS Function Generator), который иногда используют для формирования FM сигналов, несмотря на наличие более совершенных методов и средств.

Демодуляция FM сигналов

Известно достаточно много методов и устройств  демодуляции FM сигнала, включая обычный  дискриминатор (slope detector - SD), фазовый дискриминатор (Foster-Seeley discriminator - FSD), детектор отношений (ratio detector - RD), фазовую автоподстройку частоты – ФАПЧ (phase-locked loop – PLL), квадратурный FM демодулятор (quadrature FM demodulator - QFMD) и детектор перехода через ноль (zero-crossing detector - ZCD). Несмотря на то, что система Emona DATEx позволяет реализовать несколько из перечисленных методов, для первоначального ознакомления с принципами FM демодуляции лучше всего подходит детектор перехода через ноль.

Детектор  перехода через ноль

Детектор перехода через ноль ZCD позволяет просто и  эффективно восстанавливать сообщение  из принятого FM сигнала. Блок-схема  демодулятора на основе ZCD приведена  на рисунке 1.

Для обеспечения  надежности и эффективности демодуляции принятого FM сигнала компаратор преобразует его в последовательность прямоугольных импульсов, которые затем поступают на детектор ZCD в качестве сигнала запуска.

Каждый раз, когда последовательность импульсов  после преобразования FM сигнала компаратором пересекает нулевой уровень, детектор генерирует импульс фиксированной длительности. (детектор реагирует только либо на положительный переход через ноль, либо на отрицательный переход через ноль, но не на оба одновременно). Поскольку FM сигнал регулярно пересекает нулевой уровень, то компаратор и детектор эффективно преобразует его в последовательность прямоугольных импульсов фиксированной длительности.

Как показано на рисунке 2, изменению частоты FM сигнала  соответствует изменение частоты последовательности прямоугольных импульсов (по закону изменения уровня модулирующего сигнала сообщения, который имеет прямоугольную форму). Поскольку длительность импульсов фиксированная, изменение частоты возможно только путем изменения промежутка (паузы) между импульсами, и, следовательно, коэффициента заполнения.  На рисунке 2 частота FM сигнала может принимать только два значения, поскольку сигнал сообщения имеет прямоугольную форму.

Из теории рядов  Фурье известно, что последовательность импульсов, подобную изображенной на рис. 2, можно представить суммой гармонических сигналов и постоянной составляющей, причем постоянная составляющая возрастает при увеличении коэффициента заполнения. 

Когда частота FM сигнала попеременно принимает  одно из двух значений (рисунок 2), постоянная составляющая на выходе детектора также образует прямоугольный сигнал с двумя значениями амплитуды. Другими словами, постоянная составляющая сигнала на выходе детектора соответствует исходному прямоугольному сигналу, подверженному FM модуляции на передающей стороне. Изменение постоянной составляющей можно сравнительно просто восстановить с помощью фильтра нижних частот (ФНЧ).

Следует отметить, что описанный выше метод демодуляции  также хорошо подходит для восстановления и гармонических, и речевых сообщений.

Оборудование

• Персональный компьютер с соответствующим установленным программным  обеспечением
• NI ELVIS II плюс соединительные проводники
• Модуль расширения Emona DATEx для выполнения экспериментов
• Два проводника с разъѐмами типа BNC и типа "банан" (2 мм)
• Набор соединительных проводников с разъѐмами типа "банан" (2 мм)

 

ЭКСПЕРИМЕНТ 1 - Частотная модуляция

С помощью функционального  генератора вам предстоит сформировать настоящий FM сигнал. Вначале настройте  генератор таким образом, чтобы он формировал немодулированную несущую известной частоты. Далее пронаблюдайте, каким образом происходит частотная модуляция несущего колебания прямоугольным сигналом, а затем и речевым сигналом. Наконец, вам предстоит пронаблюдать спектр FM сигнала с помощью анализатора спектра (Dynamic Signal Analyzer) лабораторной станции NI ELVIS, а также исследовать распределение мощности между несущей и боковыми спектральными составляющими при различных уровнях модулирующего напряжения.

 

Порядок выполнения

 

Часть A – Частотная модуляция при прямоугольном модулирующем сигнале

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).

13.  Нажмите  на виртуальный элемент управления ON/OFF на программной лицевой панели  функционального генератора, чтобы  включить генератор. 

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

• Waveshape: Sine (Форма сигнала: синусоида)
• Frequency: 20 kHz (Частота: 10 кГц)
• Amplitude: 4Vp-p (Амплитуда: 4 В пиковая)
• DC Offset: 0V (Смещение по постоянному току: 0 В)

15.  Подождите,  пока установится частота выходного  сигнала генератора, а затем сверните  окно программы генератора.

16.  Соберите  схему согласно рисунку 2.

Эту схему можно  представить блок-схемой, приведенной  на рисунке 3. На вход генератора VCO поступает прямоугольный сигнал сообщения частотой 2 кГц с выхода модуля MASTER SIGNALS (Генератор опорных сигналов), а на выходе VCO формируется FM сигнал с несущей частотой 20 кГц.

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

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

• Trigger Source (Источник сигнала запуска) - в положение Immediate (Непрерывно), вместо CH A (Канал A)
• Timebase (Масштаб по оси времени)  –100µs/div  (мкс/дел.)  вместо 500µs/div .

19.  Включите  канал B осциллографа для наблюдения  выходного FM сигнала генератора VCO одновременно с исходным сигналом  сообщения. 

20.  Переведите  переключатель источников сигнала  запуска Trigger Source  в положение CH A (канал А).

Примечание: После  выполнения этого пункта изображение  может исчезнуть с экрана, пока не сделаете следующий шаг.

21.  Установите  виртуальным элементом управления Trigger Level  уровень сигнала запуска  2.5 В путем ввода числа 2.5 в поле редактирования ниже регулятора Trigger Level.

 Примечание: Вы должны увидеть сигнал сообщения  и промодулированный этим сигналом FM сигнал.

Вопрос 1

Почему частота FM сигнала изменяется?

Потому  что изменяется амплитуда модулирующего  сигнала сообщения.

 

Часть B – Генерация FM сигнала, модулированного  речевым сообщением

В предыдущем разделе  был рассмотрен простейший случай FM сигнала с прямоугольным модулирующим сообщением. На самом деле, в коммерческих системах связи, как правило, передаются речь или музыка. При выполнении этой части эксперимента вы будете наблюдать FM сигнал, модулированный речевым сообщением.

22.  Верните  регулятор уровня сигнала запуска  осциллографа Trigger Level на уровень  0 В. 

23.  Отсоедините  проводники от выхода генератора опорных сигналов 2kHz SINE  (синусоидальный сигнал частотой 2 кГц).

24.  Присоедините  их к выходу преобразователя  речевых сигналов SPEECH, как показано  на рисунке 4.

25.  Установите  масштаб осциллографа по оси  времени (Timebase) – 200µs/div  (мкс/дел).

26.  Шумите, говорите  или свистите в микрофон, наблюдая  за экраном осциллографа.