Εισαγωγή στις Τηλεπικοινωνίες / Εργαστήριο

Transcript

1 ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα Εισαγωγή στις Τηλεπικοινωνίες / Εργαστήριο Εργαστηριακή Άσκηση 3: Εισαγωγή στη διαμόρφωση συχνότητας (FΜ) Προσομοίωση σε Η/Υ Δρ. Ηρακλής Σίμος Τμήμα: Ηλεκτρονικών Μηχανικών Τ.Ε.

2 Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς. Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους. 2

3 1. Περιεχόμενα 2. Σκοπός Άσκησης Περιεχόμενα Ενότητας Προσομοίωση συστήματος διαμόρφωσης/αποδιαμόρφωσης FΜ Διαμόρφωση FΜ... 4 Α. Παρατήρηση των σημάτων στο πεδίο του χρόνου..5 Β. Παρατήρηση των σημάτων στο πεδίο των συχνοτήτων...7 3

4 2. Σκοπός Άσκησης Στην παρούσα άσκηση γίνεται εξοικείωση των σπουδαστών με τις βασικές έννοιες της διαμόρφωσης συχνότητας (FM). Οι στόχοι της άσκησης και τα θέματα τα οποία καλύπτει είναι: Η απόκτηση βασικών εννοιών της διαδικασίας διαμόρφωσης συχνότητας (FM). Ο υπολογισμός βασικών παραμέτρων συστήματος διαμόρφωσης FΜ. Η εξέταση διαφόρων παραλλαγών του συστήματος διαμόρφωσης FΜ. Θεωρητική μελέτη συστήματος διαμόρφωσης/αποδιαμόρφωσης FΜ με προσομοίωση. 3. Περιεχόμενα Ενότητας Σκοπός Άσκησης Περιεχόμενα Ενότητας Προσομοίωση συστήματος διαμόρφωσης/αποδιαμόρφωσης FΜ Διαμόρφωση FΜ Α. Παρατήρηση των σημάτων στο πεδίο του χρόνου Β. Παρατήρηση των σημάτων στο πεδίο των συχνοτήτων 3.1 Προσομοίωση συστήματος διαμόρφωσης/αποδιαμόρφωσης FΜ Διαμόρφωση FΜ Το σύστημα διαμόρφωσης/αποδιαμόρφωσης FM σε μορφή μπλοκ διαγράμματος δίνεται στο σχήμα 3.5. Ο πομπός (TRANSMITTER) αποτελείται από το σήμα βασικής ζώνης (baseband signal) το οποίο στην περίπτωσή αυτή είναι ημιτονοειδές. Ο διαμορφωτής (FM modulator) δέχεται το σήμα εισόδου, παράγει εσωτερικά το φέρον σήμα, και στην έξοδό του δίνει το διαμορφωμένο σήμα FM. 4

5 B-FFT Input signal spectrum scope FM B-FFT FM spectrum scope Sine Wave FM Modulator Input scope Σχήμα 3.5: Σχηματικό διάγραμμα συστήματος διαμόρφωσης FM. Θεωρώντας έκφραση: ημιτονικό σήμα m(t) στην είσοδο, η διαμόρφωση περιγράφεται από την Στον πίνακα 3.1 δίνονται οι σημαντικότερες παράμετροι του συστήματος: Baseband signal Σήμα βασικής ζώνης Σύμβολο στην εξίσωση (3.19) Amplitude (V) Πλάτος Πλάτος σήματος, Am (V) Frequency (rad/s) Συχνότητα Συχνότητα σήματος, fm (Hz) FM modulator Διαμορφωτής DSB FM Αντιστοιχία με την (3.10) Carrier frequency (Hz) Συχνότητα φέροντος σήματος Συχνότητα φέροντος, fc (Hz) Frequency deviation (Hz) Συντελεστής απόκλισης συχνότητας Συντελεστής απόκλισης συχνότητας, kf (Hz) Πίνακας 3.1: Παράμετροι συστήματος διαμόρφωσης/αποδιαμόρφωσης FM. Α. Παρατήρηση των σημάτων στο πεδίο του χρόνου 1. Θέσατε τον συνολικό χρόνο προσομοίωσης: - Simulation stop time = 3 ms. 2. Θέσατε στις παραμέτρους του σήματος βασικής ζώνης (στον πομπό) τις παρακάτω τιμές: - Amplitude = 1 V. - Frequency = 1 khz. 5

6 3. Θέσατε στις παραμέτρους του διαμορφωτή FM modulator τις παρακάτω τιμές: - Carrier frequency = 20 khz. - Frequency deviation = 10 khz. 4. Εκτελέστε την προσομοίωση και παρατηρήστε στον παλμογράφο Input scope τα διαγράμματα που προκύπτουν για το σήμα εισόδου και για το διαμορφωμένο σήμα (αν είναι απαραίτητο πραγματοποιείστε μεγέθυνση). 5. Αναγνωρίσατε τις παραπάνω τιμές στην μαθηματική περιγραφή του σήματος FM όπως αυτό δίνεται από την εξίσωση του διαμορφωμένου σήματος FM: και υπολογίστε την απόκλιση συχνότητας f και το δείκτη διαμόρφωσης β. ΠΡΟΣΟΧΗ: Μην συγχέετε τον συντελεστή απόκλισης συχνότητας k f με την απόκλιση συχνότητας f. 6. Επαναλάβατε το βήμα 4 ρυθμίζοντας στο διαμορφωτή FM: - Frequency deviation = 5 khz. 7. Τι συμβαίνει στο διαμορφωμένο σήμα FΜ με την μείωση του συντελεστή απόκλισης συχνότητας k f ; 8. Επαναλάβατε το βήμα 4 ρυθμίζοντας στο σήμα βασικής ζώνης: - Amplitude = 2 V. 9. Τι παρατηρείτε στο διαμορφωμένο σήμα FΜ σε σχέση με το προηγούμενο βήμα; 6

7 10. Διατηρώντας τη ρύθμιση k f = 5 KHz στον διαμορφωτή, υπολογίστε την απόκλιση συχνότητας ( f) και το βαθμό διαμόρφωσης (β) για τις παρακάτω τιμές του πλάτους του σήματος (Amplitude) και συμπληρώστε τον παρακάτω πίνακα: Amplitude (V) Απόκλιση συχνότητας f (khz) Βαθμός διαμόρφωσης (β) 11. Ποιος ο ρόλος του πλάτους του σήματος εισόδου στη διαδικασία της διαμόρφωσης FM; Για βοήθεια συμβουλευτείτε τα αποτελέσματα του πίνακα και των αντίστοιχων διαγραμμάτων που προέκυψαν στην προσομοίωση. Β. Παρατήρηση των σημάτων στο πεδίο των συχνοτήτων 12. Στα διαγράμματα φάσματος input signal spectrum scope και FM spectrum scope ενεργοποιείστε την επιλογή open scope at start of simulation στο μενού Display Properties. 13. Ρυθμίστε τις παραμέτρους όπως στα βήματα 1-3 στις παρακάτω τιμές. - Simulation stop time = 20 ms. - Amplitude = 1 V. - Frequency = 5 khz. - Frequency deviation = 5 khz. - Carrier frequency = 30 khz. 14. Εκτελέστε την προσομοίωση και παρατηρήστε τα σήματα στο πεδίο των συχνοτήτων (spectrum scope). - Προσδιορίστε το φέρον σήμα, τις πλευρικές ζώνες καθώς και τις συχνότητές τους. - Υπολογίστε τον βαθμό διαμόρφωσης β για τις παραπάνω ρυθμίσεις. Με ποιο γνωστό σήμα μοιάζει το σήμα FM για την τιμή αυτή του β; 15. Εκτελέστε την προσομοίωση για τις παρακάτω τιμές του πλάτους του σήματος (Amplitude) και συμπληρώστε τον παρακάτω πίνακα. Το εύρος ζώνη να υπολογιστεί με βάση το κανόνα του Carson, εξίσωση (3.18). 7

8 Amplitude (V) Απόκλιση συχνότητας f (khz) Βαθμός διαμόρφωσης (β) Αριθμός ζευγών πλευρικών συχνοτήτων Εύρος ζώνης (KHz) 16. Περιγράψτε συνοπτικά τι παρατηρείτε στο φάσμα FM με την αύξηση του πλάτους. Τι συμβαίνει στη συνιστώσα συχνότητα που αντιστοιχεί στο φέρον; 17. Ρυθμίστε τις παραμέτρους του συστήματος όπως στο βήμα Εκτελέστε την προσομοίωση για τις παρακάτω τιμές του συντελεστή απόκλισης συχνότητας (Frequency deviation kf ) και συμπληρώστε τον πίνακα: Frequency deviation k f (KHz) Απόκλιση συχνότητας f (khz) Βαθμός διαμόρφωσης (β) Αριθμός ζευγών πλευρικών συχνοτήτων Εύρος ζώνης (KHz) 19. Περιγράψτε συνοπτικά την επίδραση του συντελεστή απόκλισης kf στο φάσμα FM. 20. Επαναφέρατε τις παραμέτρους του συστήματος όπως στο βήμα 13 και ρυθμίστε στο σήμα βασικής ζώνης: - Amplitude = 2 V. 8

9 21. Εκτελέστε την προσομοίωση για τις παρακάτω τιμές της συχνότητας του σήματος (Frequency) παρατηρήστε τα φάσματα και συμπληρώστε τον πίνακα: Frequency (KHz) Απόκλιση συχνότητας f (khz) Βαθμός διαμόρφωσης (β) Αριθμός ζευγών πλευρικών συχνοτήτων Εύρος ζώνης (KHz) 22. Πως επηρεάζεται το εύρος ζώνης με την συχνότητα του σήματος; 9