ΠΑΡΑΔΟΤΕΟ (Π a) ΥΠΗΡΕΣΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟΥ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΥ ΚΑΙ ΑΝΑΛΥΣΗΣ ΕΥΡΥΖΩΝΙΚΩΝ ΔΙΚΤΥΩΝ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ

ΠΑΡΑΔΟΤΕΟ (Π 3.2.2.1a) ΓΙΑ ΤΟ ΥΠΟΕΡΓΟ 2 «ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΥΠΗΡΕΣΙΩΝ ΠΡΟΣΤΙΘΕΜΕΝΗΣ ΑΞΙΑΣ ΕΙΚΟΝΙΚΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΩΝ» ΤΟΥ ΕΡΓΟΥ «ΥΠΗΡΕΣΙΕΣ ΕΙΚΟΝΙΚΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΩΝ ΤΟΥ ΤΕΙ ΑΘΗΝΑΣ» (MIS 304191) ΥΠΗΡΕΣΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟΥ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΥ ΚΑΙ ΑΝΑΛΥΣΗΣ ΕΥΡΥΖΩΝΙΚΩΝ ΔΙΚΤΥΩΝ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ Π3.2.2.1 ΤΡΕΙΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΚΑΙ ΔΥΟ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΕΣ ΜΕΛΕΤΕΣ ΠΕΡΙΠΤΩΣΗΣ ΣΕ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΕΣ (ΜΕΡΟΣ Α) Δρ. ΑΘΑΝΑΣΙΟΣ ΝΑΣΙΟΠΟΥΛΟΣ, ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ ΤΕΙ ΑΘΗΝΑΣ ΑΙΓΑΛΕΩ, ΣΕΠΤΕΜΒΡΙΟΣ 2013

Περιεχόμενα Περίληψη - Σκοπός... 3 Μέρος Α: Βασικά Στοιχεία Θεωρίας... 4 1.Γενικά: Τηλεπικοινωνιακό Σύστημα και η διαδικασία της Διαμόρφωσης... 4 2. Το Βασικό Σήμα... 5 3.Η αναγκαιότητα της Διαμόρφωσης... 9 4.Η πράξη της διαμόρφωσης γενικά... 10 5. Η κλασική Διαμόρφωση Πλάτους (ΑΜ-DSB)... 12 6.Υλοποίηση της Διαμόρφωσης AM-DSB... 16 7. Η διαμόρφωση Διπλής Ζώνης με κατασταλμένο Φέρον: DSBsc... 18 Μέρος Β: Εργαστήριο / Σχεδιασμός... 24 Α. Εργαστηριακή άσκηση 1:... 25 Υλοποίηση της κλασικής Διαμόρφωσης Πλάτους AM-DSB... 25 Β. Εργαστηριακή άσκηση 2:... 31 Υλοποίηση της Διαμόρφωσης Πλάτους με κατασταλμένο φέρον: DSBsc... 31 Γ. Εργαστηριακή άσκηση 3: Αποδιαμόρφωση / Φώραση των AM-DSB και DSBsc.. 35 ΠΑΡΑΔΟΤΕΟ: Π3.2.2.1a 09/2013 2

Περίληψη - Σκοπός Στις εργαστηριακές ασκήσεις που ακολουθούν γίνεται λεπτομερής μελέτη των διαμορφώσεων πλάτους AM DSB (κλασική διαμόρφωση πλάτους) και της διαμόρφωσης DSBsc (διαμόρφωση πλάτους με κατασταλμένο φέρον) και των αποδιαμορφώσεων. Η μελέτη γίνεται με τη βοήθεια του Λογισμικού Σχεδίασης Proteus - Isis 7. Με το συγκεκριμένο λογισμικό σχεδιάζονται οι απαραίτητες κυκλωματικές διατάξεις και με τα διαθέσιμα μέσω του λογισμικού όργανα μέτρησης εξομοιώνονται τα λειτουργικά χαρακτηριστικά των διαδικασιών. Η εύκολη παραμετροποίηση των οργάνων (γεννητριών και οργάνων μέτρησης) επιτρέπουν γρήγορη προσέγγιση όλων των παραμέτρων. Προηγείται μια σύντομη εισαγωγή για την κορυφαία πράξη της Διαμόρφωσης. Διευκρινίζεται αρχικά η αναγκαιότητα της πράξης και παρουσιάζονται συνοπτικά οι βασικές διαδικασίες. Οι διαμορφώσεις πλάτους αναλύονται λεπτομερέστερα και παρουσιάζονται οι βασικές παράμετροι και τα χαρακτηριστικά τόσο στον πεδίο του χρόνου όσο και στο πεδίο των συχνοτήτων. Η υπενθύμιση της θεωρίας κρίνεται απαραίτητη ώστε στις εργαστηριακές ασκήσεις να διευκολυνθεί η πειραματική μελέτη και κατανόηση των βασικών χαρακτηριστικών. Η άσκηση 1 αφιερώνεται στη Διαμόρφωση AM-DSB. Η άσκηση 2 αφιερώνεται στη Διαμόρφωση DSBsc. Η άσκηση 3 αφιερώνεται στη συζυγή πράξη της αποδιαμόρφωσης. Μελετάται και η Φώραση Αναπτύγματος και η Σύμφωνη Αποδιαμόρφωση. ΠΑΡΑΔΟΤΕΟ: Π3.2.2.1a 09/2013 3

Μελέτη των Διαμορφώσεων Πλάτους με τη βοήθεια του λογισμικού Proteus/ ISIS 7 Μέρος Α: Βασικά Στοιχεία Θεωρίας 1.Γενικά: Τηλεπικοινωνιακό Σύστημα και η διαδικασία της Διαμόρφωσης Οι τηλεπικοινωνίες είναι το εργαλείο ή τα εργαλεία, που ικανοποιούν τη ζωτική ανάγκη του ανθρώπου για επικοινωνία. Παλιότερα περιοριζόταν σε ανταλλαγή φωνητικών μηνυμάτων. Σήμερα συνεχώς διευρύνεται και οι προς ανταλλαγή πληροφορίες ποικίλουν στη φύση και το χαρακτήρα τους. Περιοριζόμενοι στις βασικότερες, αναφέρουμε: Τις ακουστικές πληροφορίες, τα φωνητικά ή γενικότερα τα ηχητικά μηνύματα. Τις οπτικές εικόνες ή γενικότερα τα οπτικά (Video) μηνύματα. Τα σήματα δεδομένων μεταξύ υπολογιστών ή μεταξύ αυτόματων μηχανών κ.α. Τα Τηλεπικοινωνιακά Συστήματα ποικίλλουν και διαφοροποιούνται και ως προς το μέσο μετάδοσης. Ενσύρματες επικοινωνίες, ασύρματες επικοινωνίες, οπτικές επικοινωνίες και τέλος τα σύγχρονα τηλεπικοινωνιακά συστήματα είναι συνήθως υβριδικά συστήματα, όπου αξιοποιούνται κατά περίπτωση διαδοχικά όλα τα προηγούμενα μέσα μετάδοσης. Στο σχήμα (1) που ακολουθεί αποδίδεται γενικά ένα τηλεπικοινωνιακό σύστημα. Το προς μετάδοση μήνυμα ή απλά η πληροφορία που προέρχεται από το χρήστη αρχικά συνήθως εκφράζεται από μέγεθος (αναφέρθηκαν ήδη παραδείγματα) που δεν ανήκει στο αλφάβητο της ηλεκτρονικής. Παραδείγματος χάρη τα ηχητικά μηνύματα εκφράζονται από αυξομειώσεις της πίεσης του αέρα, είναι δηλαδή με την ευρεία έννοια μηχανολογικό μέγεθος. Αυτό εξηγεί στο σχήμα τη χρήση ενός αισθητήρα /μετατροπέα (1) στην έξοδο του οποίου το ηλεκτρικό πλέον μέγεθος (τάση ή ρεύμα), το οποίο στη συνέχεια θα αποκαλείται βασικό σήμα ή σήμα της πληροφορίας, αντιπροσωπεύει το αρχικό μήνυμα (στην περίπτωση του ηχητικού μηνύματος ο αισθητήρας είναι το μικρόφωνο). Το βασικό σήμα θα υποστεί επεξεργασία για να προετοιμαστεί στο ταξίδι του στο μέσο. Το μέσο μετάδοσης είναι κοινό για πολλούς χρήστες και το σήμα ΠΑΡΑΔΟΤΕΟ: Π3.2.2.1a 09/2013 4

πρέπει να θωρακιστεί, αφενός ενάντια στο θόρυβο και αφετέρου να συμβιώσει μη χάνοντας την φυσιογνωμία του - με άλλα ομοειδή σήματα που θα συναντήσει ώστε να φθάσει άτρωτο στον προορισμό του. Στο δέκτη αφού θα γίνει η αντίστροφη, σε σχέση με τον πομπό, επεξεργασία για το σήμα ως τελευταίο στάδιο συναντούμε τον αισθητήρα (2) που καλείται να αποδώσει τη φυσιογνωμία του μηνύματος (για ήχητικό σήμα ο αισθητήρας είναι το μεγάφωνο). Σχήμα 1: Η διαδικασία μετάδοσης Η κορυφαία επεξεργασία, στην οποία υπόκειται το σήμα στα αναλογικά συστήματα τηλεπικοινωνιών είναι η Διαδικασία της Διαμόρφωσης. Στα ψηφιακά συστήματα τηλεπικοινωνιών στη διαδικασία της Διαμόρφωσης προηγείται η διαδικασία της Κωδικοποίησης του Σήματος. Η παρούσα άσκηση πραγματεύεται αναλογικά σήματα και περιορίζεται στο κεφάλαιο των Αναλογικών Διαμορφώσεων Πλάτους. Για την πληρέστερη κατανόηση των Διαμορφώσεων παρεμβάλλεται μια σύντομη αναφορά στην έννοια του Σήματος. 2. Το Βασικό Σήμα Βασικά παραδείγματα είναι το ηλεκτρικό σήμα στην έξοδο του μικροφώνου (σχήμα 2α) ή του φωτοκύτταρου της κάμερας (σχήμα 2β). Είναι μεταβαλλόμενα μεγέθη και γι αυτό τα συμβολίζουμε ως συνάρτηση του χρόνου με τον εξής τρόπο: v(t) : μεταβαλλόμενη τάση i(t) : μεταβαλλόμενο ρεύμα s(t) : ο συμβολισμός αυτό θα χρησιμοποιηθεί για το βασικό σήμα στη συνέχεια. ΠΑΡΑΔΟΤΕΟ: Π3.2.2.1a 09/2013 5

Σχήμα 2, (α) και (β). Τα ηλεκτρικά σήματα γενικά χαρακτηρίζονται: Από την ισχύ τους ή απλούστερα την έντασή τους. Είναι το μέγεθος που επιτρέπει να συγκρίνουμε και να εκτιμήσουμε αν ένα σήμα είναι ισχυρότερο ή ασθενέστερο από ένα άλλο αντίστοιχο σήμα. Στα σύνθετα σήματα που έχουν τυχαία μορφή ο ακριβής υπολογισμός της ισχύος δεν είναι πάντοτε εύκολη υπόθεση. Σχήμα 3. Το σήμα (β) παρουσιάζει γρηγορότερους ρυθμούς μεταβολών από το (α) και έχει μεγαλύτερη ένταση Από το ρυθμό με τον οποίο εξελίσσονται στο χρόνο (γρήγορα ή αργά, απότομα ή λιγότερο απότομα, έχουμε πολλές ή λίγες αλλαγές της τιμής του σήματος στη μονάδα του χρόνου;). Ο ακριβής προσδιορισμός των ρυθμών μεταβολής ενός σήματος επίσης δεν είναι πάντοτε εύκολη υπόθεση. Στον παλμογράφο απλώς μπορούμε να συγκρίνουμε αυτούς τους ρυθμούς μεταξύ δύο σημάτων (σχήμα 3). Η παρατήρηση και η ανάλυση του σήματος είναι διττή. Είναι απαραίτητη η γνώση του σήματος και η κυματομορφή του στο χρόνο (η συνάρτηση χρόνου του σήματος s(t)). Βασικό εργαστηριακό εργαλείο για αυτό είναι ο παλμογράφος (σχήμα 4α). ΠΑΡΑΔΟΤΕΟ: Π3.2.2.1a 09/2013 6

Στις τηλεπικοινωνίες είναι ίσως σημαντικότερη η γνώση του σήματος στο χώρο των Συχνοτήτων (ανάλυση Fourier ή φάσμα του σήματος). Αυτό που αποκαλείται φάσμα του σήματος. Το αντίστοιχο εργαστηριακό εργαλείο είναι ο Αναλυτής Φάσματος (σχήμα 4β). Σχήμα 4. Φάσμα ενός σήματος είναι το σύνολο των συχνοτήτων των ημιτονικών σημάτων με συγκεκριμένα πλάτη που πρέπει να προστεθούν, ώστε να δώσουν ως αποτέλεσμα το αρχικό σήμα. Στην ηλεκτρονική και στην Ανάλυση Fourier ως γνωστό το ημιτονικό σήμα λαμβάνεται ως αναφορά. Είναι το σήμα που αν υποστεί την όποια γραμμική διαδικασία διατηρεί την κυματομορφή του και διαθέτει το απλούστερο φάσμα (σχήμα 5γ και 5δ). ΠΑΡΑΔΟΤΕΟ: Π3.2.2.1a 09/2013 7

Σχήμα 5. Παλμογραφική και φασματική εικόνα ενός σήματος. Τυχαίου σήματος (α, β) και Ημιτονικού σήματος (γ,δ) Το φάσμα ενός τυχαίου βασικού σήματος περιλαμβάνει άπειρες φασματικές συνιστώσες και είναι συνεχές μεταξύ δύο ακραίων συχνοτήτων F min και F max, όπως φαίνεται στο σχήμα 4α και 4β. Για παράδειγμα στο ηχητικό σήμα μουσικής F min = 20 Hz και F max = 15 khz. Για σήμα φωνής (τηλεφωνικό σήμα) οι αντίστοιχες συχνότητες είναι 300Hz και 3400 Hz. Τα σήματα Video (που αντιπροσωπεύουν εικόνα) έχουν συχνότητες (0 Hz, 5 MΗz). Η ζώνη συχνοτήτων β = (F min, F max ) καλείται φασματική ζώνη του βασικού σήματος ή βασική φασματική ζώνη. Η ανάλυση Fourier (φασματική ανάλυση) για σήμα με διακριτό φάσμα (όπως φαίνεται στο σχήμα 6) εκφράζεται με το άθροισμα: s(t) = A 1. cos(ω 1 t+φ 1 ) + Α 2. cos(ω 2 t+φ 2 ) + Α 3. gos(ω 3 t+φ 3 ) + Στο συνεχές φάσμα αυτό το διακριτό άθροισμα εξελίσσεται σε ολοκλήρωμα (σχήμα 5β). F 1 F 2 F 3 F 4 F 5 F Σχήμα 6: Διακριτό φάσμα σήματος ΠΑΡΑΔΟΤΕΟ: Π3.2.2.1a 09/2013 8

3.Η αναγκαιότητα της Διαμόρφωσης Το πρόβλημα που τίθεται στις τηλεπικοινωνίες είναι να μεταδοθεί το βασικό σήμα μέσα από το μέσο μετάδοσης στο δέκτη. Ας θυμηθούμε επίσης ότι τα βασικότερα σήματα είναι τα: ακουστικά με φασματική ζώνη (20 Hz, 20 khz). σήματα Video με φασματική ζώνη (0 Hz, 5 MΗz). Το πρόβλημα που τίθεται είναι να στείλουμε το βασικό σήμα που αντιπροσωπεύει ένα φυσικό μήνυμα μακριά σε κάποιο δέκτη. Αν το βασικό σήμα μεταδοθεί απ ευθείας στο διαθέσιμο μέσο μετάδοσης η διαδικασία ονομάζεται μετάδοση βασικής (φασματικής) ζώνης. Η διαδικασία αυτή περιορίζεται σε απλά ενσύρματα μέσα μικρής εμβέλειας. Στις περισσότερες όμως περιπτώσεις και για μετάδοση μακρινών αποστάσεων τα πράγματα δεν είναι απλά. Ιδιαίτερα στην περίπτωση των ασύρματων επικοινωνιών (παράδειγμα η ραδιοφωνία, η κινητή τηλεφωνία, κλπ), το σήμα πρέπει να μετατραπεί σε Ηλεκτρομαγνητικό σήμα. Διερευνώντας το πρόβλημα (θεωρία ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων ) εύκολα συμπεραίνεται ότι το βασικό σήμα δεν είναι μεταδόσιμο. ΟΙ χαμηλές συχνότητες ιδιαίτερα δεν επιτρέπουν την εύκολη προσαρμογή του σήματος μέσω κεραίας με το κενό. Περιοριζόμενοι στον υπολογισμό του μήκους της κεραίας (λ = c. T = c / f, όπου c η ταχύτητα του φωτός, Τ η περίοδος και f η συχνότητα) προκύπτει ότι οι διαφορετικές συχνότητες απαιτούν διαφορετικό μήκος κεραίας όσο μικρότερη είναι η συχνότητα, τόσο μεγαλύτερη κεραία απαιτείται. Για παράδειγμα σήμα του 1 khz, απαιτεί μήκος κεραίaς 300 km. Στα 10kHz απαιτείται κεραία 30km, κοκ. Αντίστοιχα στα 10 MHz το μήκος περιορίζεται στα 300m και σε συχνότητα 100 MHz μόλις 3m. Τίθεται και το πρόβλημα της συμβίωσης των σημάτων όταν αξιοποιούν το ίδιο μέσο μετάδοσης. Σήματα ίδιας φασματικής ζώνης στο ίδιο μέσο δεν μπορούν να αναγνωριστούν και να διαχωριστούν από το δέκτη. Προκύπτει έτσι η αναγκαιότητα το σήμα πριν το ταξίδι του στο τηλεπικοινωνιακό μέσο να αποκτήσει χαρακτηριστικά ανεξαρτησίας, που θα του επιτρέψουν να ταξιδέψει εύκολα και να προστατευθεί από την επίθεση άλλων ίδιων με αυτό σημάτων, που σίγουρα υπάρχουν στο ίδιο μέσο. Μόνον έτσι θα διατηρήσει την δική του φυσιογνωμία και ο δέκτης θα μπορέσει να το διαχωρίσει και να το επεξεργαστεί, ώστε να δώσει στην έξοδο το μήνυμα στον τελικό παραλήπτη. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται διαδικασία διαμόρφωσης. Η διαδικασία της διαμόρφωσης συνίσταται στο εξής: Το βασικό (δηλαδή, το σήμα της πληροφορίας) θα φορτωθεί με κάποιο τρόπο πάνω σε άλλο σήμα πολύ υψηλότερης συχνότητας, το οποίο μεταδίδεται ευκολότερα για να το μεταφέρει έως ΠΑΡΑΔΟΤΕΟ: Π3.2.2.1a 09/2013 9

την είσοδο του δέκτη. Το σήμα υψηλής συχνότητας καλείται φέρον σήμα ή απλούστερα φέρον. Το βασικό σήμα αποκτά έτσι και ένα νέο όνομα: καλείται διαμορφώνον σήμα ή σήμα διαμόρφωσης. Η διαδικασία περιγράφεται στο σχήμα 7. Στο σχήμα χωρίς πολλά σχόλια απεικονίζονται διακριτά το στάδια τόσο στην πλευρά του πομπού όσο και τα συζυγή στάδια, ανάποδη διαδικασία και αποδιαμόρφωση στο δέκτη. Σχήμα 7. 4.Η πράξη της διαμόρφωσης γενικά Η διαδικασία της διαμόρφωσης αποδίδεται ως πράξη στο σχήμα 8. Σχήμα 8. Επί του σχήματος πρωταγωνιστούν: ΠΑΡΑΔΟΤΕΟ: Π3.2.2.1a 09/2013 10

α) Το αρχικά αδιαμόρφωτο φέρον Μ(t), που στα συστήματα αναλογικών διαμορφώσεων δημιουργείται από αρμονικό ταλαντωτή. M(t) = M o. cosφ(t) Για σταθερή κυκλική συχνότητα ω ο και αρχική φάση φ ο γράφεται: M(t) = M o. cos(2πf ο t + φ ο ) Η επιλογή συχνότητας f o είναι: f o >> F max ( F max η μέγιστη συχνότητα του βασικού σήματος) β) Το βασικό σήμα s(t), στην είσοδο του διαμορφωτή. γ) Ο διαμορφωτής που είναι το κύκλωμα για τη διαδικασία της διαμόρφωσης. δ) Ο ενισχυτής εισόδου που ενισχύει το βασικό σήμα (ενισχυτής χαμηλών συχνοτήτων, LF) ε) Ο ενισχυτής μετά τη διαμόρφωση (ενισχυτής υψηλών συχνοτήτων (RF) στ) E(t) το σήμα εξόδου ή διαμορφωμένο φέρον, που μεταφέρει την ισχύ διάδοσης στο τηλεπικοινωνιακό μέσο. Στις αναλογικές διαμορφώσεις δύο διαδικασίες διαμορφώσεων αξιοποιούνται η κάθε μια με πολλές παραλλαγές. - Οι διαμορφώσεις πλάτους (Amplitude Modulations): Η πληροφορία επηρεάζει (φορτώνεται) στο πλάτος του φέροντος. E(t) = Ε o (s(t).cos(ω ο t) (κεντρική συχνότητα φέροντος σταθερή) Από τον τρόπο με τον οποίο το βασικό σήμα s(t) επηρεάζει το πλάτος προκύπτουν παραλλαγές των διαμορφώσεων πλάτους. - Οι διαμορφώσεις γωνίας ή ορίσματος (Angle Modulations): όπου η πληροφορία επηρεάζει (φορτώνεται) στο όρισμα γωνία του φέροντος. E(t) = Ε ο. cos[φ(s(t)] (πλάτος του σήματος σταθερό) Από τον τρόπο με τον οποίο το βασικό σήμα s(t) επηρεάζει το όρισμα προκύπτουν παραλλαγές των διαμορφώσεων γωνίας. ΠΑΡΑΔΟΤΕΟ: Π3.2.2.1a 09/2013 11

5. Η κλασική Διαμόρφωση Πλάτους (ΑΜ-DSB) Στην διαμόρφωση πλάτους το βασικό σήμα s(t) απεικονίζεται (επηρεάζει) στο πλάτος του σήματος Μ(t). Δηλαδή: Ε(t) = [ M o + s(t) ]. sin(ω o. t) (12) Δηλαδή M(t)=0 με την έναρξη της παρατήρησης ( για t = 0). (α) Σχήμα 9: (α) και (β). (β) Τα σχήματα 9 αναφέρονται στην εικόνα σε τριπλό παλμογράφο. Στο πρώτο κανάλι απεικονίζεται το αδιαμόρφωτο φέρον M(t). Στο δεύτερο απεικονίζεται η ΠΑΡΑΔΟΤΕΟ: Π3.2.2.1a 09/2013 12

κυματομορφή του βασικού σήματος και στο τρίτο κανάλι το διαμορφωμένο φέρον E(t Το (α) αναφέρεται στην περίπτωση που το s(t) είναι απλό ημιτονικό σήμα. Το (β) αναφέρεται στην περίπτωση που το s(t) είναι τυχαίο σήμα. Από το σχήμα 9 προκύπτει, ότι για να μην υπάρχει παραμόρφωση στο διαμορφωμένο φέρον, τα πλάτη του βασικού σήματος και του φέροντος πρέπει να σέβονται τη σχέση: S o <= M o. Ο λόγος S o / M o = m (m<=1) ορίζεται ως ποσοστό διαμόρφωσης. Αξιοποιείται για την εκτίμηση διαφόρων μεγεθών και σύγκριση των διαμορφώσεων πλάτους. Με σχετικά εύκολη μαθηματική ανάλυση προκύπτουν τα αντίστοιχα φάσματα, τα οποία απεικονίζονται διαδοχικά για τα σήματα s(t), M(t) και E(t) στον αναλυτή φάσματος, σχήματα 10α και 10β. Σχήμα 10.α Το σχήμα 10α αναφέρεται σε διαμόρφωση με απλό ημιτονικό βασικό σήμα (μονοχρωματικό σήμα): S(t) = S o. sin(ωt) = = S o. sin(2πft) (F η συχνότητα του σήματος) Το σχήμα 10β απεικονίζει το φασματικό αποτέλεσμα της διαμόρφωσης με βασικό σήμα τυχαίο με βασική φασματική ζώνη β= (F min, F max ) ΠΑΡΑΔΟΤΕΟ: Π3.2.2.1a 09/2013 13

Σχήμα 10β. Παρατηρούμε ότι και στις δύο περιπτώσεις η διαμόρφωση πλάτους δημιουργεί εκατέρωθεν της φασματικής συνιστώσας συχνότητας του φέροντος (f o ), η οποία σημειώνεται με κόκκινο, διπλή φασματική ζώνη: Β = 2F max Αυτή η παρατήρηση δίνει στην κλασική ΑΜ ένα νέο επιθετικό προσδιορισμό, ως: Διαμόρφωση ΑΜ-DSB. Η διαμόρφωση με ημιτονικό σήμα προσφέρεται πάντοτε για εύκολη παρατήρηση τόσο στον παλμογράφο όσο και στον αναλυτή φάσματος. Προσφέρεται επίσης για εύκολο προσδιορισμό των ισχύων των σημάτων πριν και μετά τη διαμόρφωση ώστε να εκτιμηθεί η αποτελεσματικότητα της διαμόρφωσης. Διαδοχικά ισχύουν: Η ισχύς του διαμορφωμένου φέροντος είναι το άθροισμα των ισχύων όλων των φασματικών ακτίνων του, δηλαδή: Ρ ολ = Ρ 1 + Ρ 2 + Ρ 3, ΠΑΡΑΔΟΤΕΟ: Π3.2.2.1a 09/2013 14

όπου P o = M o 2 /2R L, η ισχύς της φασματικής ακτίνας του αδιαμόρφωτου φέροντος, υπολογισμένη με αντίσταση φόρτου R L, P 1 = P 2 = (S o /2) 2 /2R L = S o 2 /8R L = m 2 M o 2 /8R L, η ισχύς της κάθε πλευρικής φασματικής ακτίνας. Η ολική ισχύς λοιπόν είναι : P ολ = (Μ ο 2 /2R L ). (1 + m 2 /2) Καθώς η πληροφορία βρίσκεται στις δύο πλάγιες ζώνες, εύκολα καταλαβαίνουμε ότι για τη λήψη παρουσιάζει ενδιαφέρον η ολική ισχύς των δύο πλευρικών φασματικών ακτίνων. Από αυτή την άποψη η πραγματικά ωφέλιμη ισχύς του διαμορφωμένου σήματος είναι: P ωφ = P 1 + P 2 = S o 2 /4R L = m 2 M o 2 /4R L Το λόγο της ωφέλιμης ισχύος ως προς την ολική ισχύ τον ονομάζουμε αποτελεσματικότητα της διαμόρφωσης (D): D = P ωφ /P ολ = m 2 /m 2 +2 Τη μεγαλύτερη αποτελεσματικότητα την έχουμε, όταν m=1, δηλαδή έχουμε διαμόρφωση 100%. Τότε: D = 1/3 Από την Παλμογραφική εικόνα του διαμορφωμένου κατά AM-DSB φέροντος εύκολα μπορεί να εκτιμηθεί το ποσοστό διαμόρφωσης. Πράγματι από το σχήμα 11, προκύπτει: Α = M o + S o = M o (1+m) B = M o + S o = M o (1-m) Σχήμα 11 ΠΑΡΑΔΟΤΕΟ: Π3.2.2.1a 09/2013 15

Από όπου: Α/Β = (1+m)/(1-m) και τελικά: m = (A-B)/(A+B) 6.Υλοποίηση της Διαμόρφωσης AM-DSB Υλοποίηση της Διαμόρφωσης σημαίνει με κάποιο σύστημα (που αποκαλείται Διαμορφωτής) να υλοποιηθεί η σχέση: Ε(t) = [ M o + s(t) ]. sin(ω o. t) Εύκολα διαπιστώνεται ότι τα υποσυστήματα των σχημάτων που ακολουθούν υλοποιούν αυτή τη σχέση. Στο σχήμα (12) ο διαμορφωτής αποτελείται από ένα πολλαπλασιαστή και ένα προσθετή. Θα μπορούσε να θεωρηθεί ως το απλούστερο σύστημα διαμόρφωσης AM-DSB. Σχήμα 12. Ο πολλαπλασιαστής δίνει στην έξοδο πάντοτε ως αποτέλεσμα το γινόμενο των τάσεων στις δύο εισόδους, δηλαδή: V εξ = p. V. x V y Ο συντελεστής πολλαπλασιασμού p μετριέται σε V -1 και χαρακτηρίζει τον πολλαπλασιαστή. Στο σχήμα ο συντελεστής πολλαπλασιασμού είναι p=1 V -1. ΠΑΡΑΔΟΤΕΟ: Π3.2.2.1a 09/2013 16

Σήμερα υπάρχουν ολοκληρωμένα κυκλώματα που λειτουργούν έως μερικά MHz και υλοποιούν απ ευθείας τη διαδικασία του σχήματος 12 (παράδειγμα το MC 1495, MC 1496 της Motorola, ΑD633, AD734 της Analog Devices κ.α.). Eιδική περίπτωση πολλαπλασιαστή είναι ο ισοσταθμισμένος διαμορφωτής δακτυλίου, ο οποίος θα αποτελέσει αντικείμενο άλλης άσκησης. Παραλλαγή της προηγούμενης διάταξης είναι η διάταξη του σχήματος 13. Αξιοποιεί ίδιες διατάξεις αλλά με άλλη δομή. Εύκολα επαληθεύεται ότι προκύπτει διαμόρφωση ΑΜ-DSB. Σχήμα 13 Ένα τρίτο κύκλωμα γραμμικού διαμορφωτή ΑΜ δίνεται στο σχήμα 14. Εδώ καρδιά του διαμορφωτή είναι ένας ενισχυτής του οποίου το κέρδος τάσης ελέγχεται ηλεκτρονικά από τάση ελέγχου. Αν στο ρόλο της τάσης ελέγχου βρεθεί το βασικό σήμα s(t), επιτυγχάνεται διαμόρφωση. Σχήμα 14. Αν υποθέσουμε ότι το κέρδος του ενισχυτή δίνεται από την σχέση G = 1 + s(t) στην έξοδο το φέρον προκύπτει διαμορφωμένο κατά ΑM-DSB. ΠΑΡΑΔΟΤΕΟ: Π3.2.2.1a 09/2013 17

7. Η διαμόρφωση Διπλής Ζώνης με κατασταλμένο Φέρον: DSBsc Η παρατήρηση ότι η αποτελεσματικότητα της κλασικής διαμόρφωσης πλάτους ΑM- DSB είναι μικρή και μόνο μικρό μέρος της συνολικής ισχύος είναι ωφέλιμη (όταν m=1 μόλις τι 1/3 της ολικής ισχύος είναι ωφέλιμη) προβληματίζει. Το μεγαλύτερο μέρος της ισχύος αντιστοιχεί στη φασματική συνιστώσα του φέροντος. Αυτή η παρατήρηση οδηγεί στη σκέψη να μηδενιστεί η φασματική συνιστώσα του φέροντος και η διαμόρφωση να πάρει τη μορφή: E(t) = s(t). sin(ω ο t) Πρόκειται για ένα απλό πολλαπλασιασμό του βασικού σήματος με το ημιτονικό φέρον. Η διαδικασία αυτή υλοποιείται με ένα απλό πολλαπλασιαστή, όπως αυτός που χρησιμοποιήθηκε στα σχήματα 12 και 13. Το παλμογραφικό αποτέλεσμα της διαμόρφωσης, όταν το s(t) είναι ημιτονικό (μονοχρωματικό) φαίνεται στο σχήμα 15. Σχήμα 15. Έχει ενδιαφέρον να παρατηρήσουμε ότι η κυματομορφή του σχήματος 15 προκύπτει από αυτή του σχήματος 11 (της AM-DSB) με μηδενισμό του μεγέθους Μ ο. Ο επιθετικός προσδιορισμός DSBsc (suppressed carrier = κατασταλμένο φέρον) προκύπτει από το γεγονός ότι στο φάσμα του διαμορφωμένου σήματος έχει ΠΑΡΑΔΟΤΕΟ: Π3.2.2.1a 09/2013 18

κατασταλεί (εξαφανιστεί) η φασματική συνιστώσα του φέροντος, όπως αποδίδεται στο πρώτο διάγραμμα του σχήματος 16 για μονοχρωματικό βασικό σήμα και στο δεύτερο διάγραμμα αντίστοιχα για τυχαίο βασικό σήμα s(t). Σχήμα 16. Στην περίπτωση της DSBsc όλη η ισχύς του διαμορφωμένου φέροντος είναι ωφέλιμη. Η αποτελεσματικότητα D=1 αποτελεί το βασικό πλεονέκτημα της διαμόρφωσης αυτή σε σχέση με την κλασική AM-DSB. Μάλιστα επιχειρηθεί σύγκριση ισχύων μεταξύ των δύο διαμορφώσεων AM-DSB και DSBsc με τα φέροντα να έχουν την ίδια δυναμική (δηλαδή το ίδιο E max ) τότε εύκολα επιβεβαιώνεται ότι η διαμόρφωση DSBsc υπερτερεί σαφώς. Αν η διαμόρφωση AM-DSB είναι με ποσοστό 100% τότε η ισχύς της DSBsc είναι τέσσερις φορές μεγαλύτερη. Για ποσοστά διαμόρφωσης μικρότερα του 100% το πλεονέκτημα της DSBsc είναι ακόμα μεγαλύτερο. ΠΑΡΑΔΟΤΕΟ: Π3.2.2.1a 09/2013 19

8. Αποδιαμόρφωση (Φώραση) Η αποδιαμόρφωση είναι η αντίστροφη πράξη της διαμόρφωσης. Στην έξοδο του αποδιαμορφωτή πρέπει να ανακτήσουμε το βασικό σήμα s(t), που αντιπροσωπεύει τη βασική πληροφορία. Απ αυτή την άποψη μπορούμε να ισχυριστούμε ότι το στάδιο της αποδιαμόρφωσης είναι το σημαντικότερο στάδιο του δέκτη. Στην είσοδο του αποδιαμορφωτή φτάνει το διαμορφωμένο φέρον E(t), αν ο δέκτης είναι απλός και δεν διαθέτει στάδιο ενδιάμεσης συχνότητας, ή το διαμορφωμένο σήμα ενδιάμεσης συχνότητας, αν πρόκειται για υπερετερόδυνο δέκτη. Για κάθε μεθοδολογία διαμόρφωσης υπάρχει η αντίστοιχη διαδικασία αποδιαμόρφωσης του σήματος. Συνηθίζεται την αποδιαμόρφωση πλάτους να την ονομάζουμε φώραση. Αποδιαμόρφωση ή φώραση αναπτύγματος Εφαρμόζεται μόνο στην περίπτωση της κλασικής διαμόρφωσης AM-DSB. Σχήμα 17 ΠΑΡΑΔΟΤΕΟ: Π3.2.2.1a 09/2013 20

Η διάταξη και η λειτουργία του αποδίδονται γραφικά στο σχήμα 17. Η δίοδος άγει μόνο κατά τις θετικές ημιπεριόδους του σήματος (ανόρθωση), ενώ το χαμηλοπερατό φίλτρο R-C έχει συχνότητα αποκοπής : f α = 1/2πRC Αν η συχνότητα αποκοπής (f α ) έχει τιμή που επαληθεύει την ανισότητα : F max << f α << f ο (η ίδια σχέση αν υπάρχει υπερετεροδύνωση γίνεται F << f α << f Ι, όπου f Ι είναι η ενδιάμεση συχνότητα, δηλαδή η συχνότητα του φέροντος μετά την αλλαγή συχνότητας. Στην έξοδο διέρχεται μόνο το σήμα χαμηλής συχνότητας (δηλαδή το βασικό σήμα s(t), ενώ το φέρον (ή το ενδιάμεσο φέρον) απορρίπτεται. Η προηγούμενη σχέση εκφράζεται μέσω της σταθεράς χρόνου R. C του φίλτρου. Πράγματι: F max << 1/2πRC << f ο ή 2πF max << RC << 2πf ο Τελικά, αντιστρέφοντας: 1/ω ο << RC << 1/Ω max Σε περίπτωση υπερετεροδύνωσης στην προηγούμενη σχέση το μέγεθος ω ο αντικαθίσταται από ω Ι. Η προηγούμενη σχέση προσδιορίζει την επιλογή των τιμών των στοιχείων R,C. Για την επιλογή ιδιαίτερα του R πρέπει να λαμβάνεται υπόψη και η τιμή της αντίστασης εξόδου R out του ενισχυτή, που προηγείται του φωρατή. Πρέπει να ικανοποιείται η σχέση: R out R/2 Σύμφωνη αποδιαμόρφωση ή σύμφωνη φώραση (coherent demodulation) Ο σύγχρονος η σύμφωνος αποδιαμορφωτής ή φωρατής φαίνεται στο σχήμα 18. Σχήμα 18. Ο σύμφωνος φωρατής ΠΑΡΑΔΟΤΕΟ: Π3.2.2.1a 09/2013 21

Το διαμορφωμένο φέρον πολλαπλασιάζεται με το σήμα ενός τοπικού ταλαντωτή της ίδιας συχνότητας και φάσης με το αρχικό αδιαμόρφωτο φέρον (σύγχρονο ή σύμφωνο σήμα). Αν πρόκειται για απλό δέκτη, χωρίς στάδιο ενδιάμεσης συχνότητας, ο τοπικός ταλαντωτής συγχρονίζεται με το αρχικό φέρον συχνότητας f o. Αν ο δέκτης είναι υπερετερόδυνος, δηλαδή διαθέτει στάδιο ενδιάμεσης συχνότητας, ο τοπικός ταλαντωτής του φωρατή συγχρονίζεται με τον τοπικό ταλαντωτή της ενδιάμεσης συχνότητας. Πράγματι, θεωρώντας το σήμα E(t) διαμορφωμένο κατά AM-DSB, σε απλό δέκτη έχουμε διαδοχικά: E(t) = [E o + s(t)]. cos(ω o t) R(t) = 1. cos(ω ο t) Στην έξοδο του πολλαπλασιαστή έχουμε: V 1 (t) = [E o + s(t)] cos 2 (ω ο t) = E o cos 2 (ω ο t) + s(t) cos 2 (ω ο t) = [E o /2 + s(t)/2] + [E o /2 +s(t)/2] cos(2ω ο t). Από το φίλτρο χαμηλών συχνοτήτων διέρχεται μόνο το σήμα χαμηλής συχνότητας s(t) (ωφέλιμο σήμα), ενώ ο πυκνωτής C αποκόπτει τη συνεχή συνιστώσα της τάσης Ε ο /2. Δηλαδή: V εξ = s(t)/2 Για τη συχνότητα αποκοπής του φίλτρου ισχύει: F < f α << f o. (ο συντελεστής ½ προφανώς είναι άνευ σημασίας και θα μπορούσε να αντισταθμιστεί από το συντελεστή του πολλαπλασιαστή ή το κέρδος του ενισχυτή). Εύκολα μπορεί να επαληθευτεί ότι αν ο τοπικός ταλαντωτής αποδιαμόρφωσης δεν είναι σύγχρονος με το αρχικό φέρον, δηλαδή δεν έχει την ίδια συχνότητα, τότε η αποδιαμόρφωση δεν είναι επιτυχής και το σήμα εξόδου έχει παραμόρφωση. Άρα η συνθήκη απόλυτου συγχρονισμού είναι αναγκαία. Αν υπάρχει διαφορά αρχικής φάσης Δφ μεταξύ φέροντος εισόδου και τοπικού ταλαντωτή πολύ απλά επιβεβαιώνεται ότι για το σήμα στην έξοδο του φωρατή προκύπτει: V εξ = (1/2)s(t)cosΔφ Δηλαδή υπεισέρχεται στο αποτέλεσμα ο συντελεστής απόδοσης: ΙcosΔφΙ < 1 αλλά στο σήμα δεν εμφανίζεται παραμόρφωση. Αν η διαφορά φάσης μένει σταθερή (συμφωνία φάσεων) δεν υπάρχει ουσιαστικό πρόβλημα στην αποδιαμόρφωση. ΠΑΡΑΔΟΤΕΟ: Π3.2.2.1a 09/2013 22

Αν το φέρον ήταν διαμορφωμένο κατά DSBsc τότε: E(t) = s(t). cos(ω o t) Είναι προφανές ότι με τον ίδιο αποδιαμορφωτή προκύπτει αποδιαμόρφωση. Η διερεύνηση που προηγήθηκε ισχύει και στην περίπτωση αυτή. Το ιδανικό αποτέλεσμα επιτυγχάνεται όταν υπάρχει απόλυτος συγχρονισμός μεταξύ του φέροντος στην είσοδο και τοπικού ταλαντωτή του φωρατή. ΠΑΡΑΔΟΤΕΟ: Π3.2.2.1a 09/2013 23

Μέρος Β: Εργαστήριο / Σχεδιασμός ΠΑΡΑΔΟΤΕΟ: Π3.2.2.1a 09/2013 24

Α. Εργαστηριακή άσκηση 1: Υλοποίηση της κλασικής Διαμόρφωσης Πλάτους AM-DSB Με το Σχεδιαστικό Λογισμικό Proteus / ISIS 7 θα σχεδιαστούν τα τρία κυκλώματα που προαναφέρθηκαν στην προηγούμενη παράγραφο και θα διερευνηθούν όλες οι παράμετροι των διαμορφώσεων πλάτους AM-DSB και DSBsc. Το περιβάλλον του σχεδιαστικού προγράμματος διαθέτει όλα τα εξαρτήματα και βιβλιοθήκες με ολοκληρωμένα κυκλώματα τα οποία επιτρέπουν την προσομοίωση όλων των συστημάτων. Διαθέτει επίσης όλων των ειδών τις γεννήτριες, οι οποίες είναι πλήρως παραμετροποιήσιμες καθώς και όλες τις απαραίτητες για τα κυκλώματα πηγές τροφοδοσίας. Για τις ανάγκες τις ανάγκες των μετρήσεων θα αξιοποιηθούν αφενός ο παλμογράφος, ο οποίος διαθέτει τέσσερα (4) κανάλια και διευκολύνει την παρατήρηση και τη σύγκριση όλων των σημάτων και αφετέρου η ανάλυση Fourier για την φασματική επαλήθευση των κυκλωμάτων. Για την εκτέλεση της άσκησης απαιτείται καλή γνώση του σχεδιαστικού λογισμικού. 1. Για την πραγματοποίηση της άσκησης να χρησιμοποιηθούν διαδοχικά τα ολοκληρωμένα AD633 και AD734 της Analog Devices. Πρόκειται για πολλαπλασιαστές που ολοκληρώνουν και άλλες μαθηματικές πράξεις, ο πρώτος με εύρος ζώνης έως 2 MHz και ο δεύτερος με εύρος ζώνης έως 10 MHz. 2. Να αναζητηθούν μέσα από το διαδίκτυο και τον ιστότοπο της Analog τα data sheets των ολοκληρωμένων και να μελετηθεί η χρήση τους ως απλών πολλαπλασιαστών πριν την έναρξη του σχεδιασμού. Ενδεικτικά εδώ αναφέρεται η βασική συνδεσμολογία των ολοκληρωμένων (σχήματα 19 και 20) ΠΑΡΑΔΟΤΕΟ: Π3.2.2.1a 09/2013 25

Σχήμα 19. Σχήμα 20. 3. Να υλοποιηθεί η κυκλωματική διάταξη για το σύστημα από αποδίδεται στο γενικό διάγραμμα του σχήματος 12. Προς διευκόλυνση δίνεται η πλήρης συνδεσμολογία στο σχήμα 21 που ακολουθεί. ΠΑΡΑΔΟΤΕΟ: Π3.2.2.1a 09/2013 26

A B B1 B2 Γεννήτρια Mo+s(t) Ταλαντωτής Φέροντος 1 2 3 4 5 6 7 U1 14 X1 VP 13 X2 D0 U0 W 12 11 U1 Z1 10 U2 Z2 9 Y1 ER 8 Y2 VN AD734 C D Σχήμα 21 Στη διάταξη αντί του προσθετή έχει χρησιμοποιηθεί η γεννήτρια του βασικού σήματος με offset τάσης. Επιλέγεται απλό ημιτονικό σήμα s(t). Οι γεννήτριες επιλέγονται από την παλέτα των γεννητριών του λογισμικού. Για καλή απεικόνιση στον παλμογράφο συστήνονται αρχικά συχνότητες βασικού σήματος 10KHz και φέροντος 1 MHz. Προφανώς ο παλμογράφος χρειάζεται κατάλληλες ρυθμίσεις. Τα πλάτη να επιλεγούν κατάλληλα ώστε να επιτευχθούν διαμορφώσεις με διαφορετικά ποσοστό διαμόρφωσης. Κάθε φορά να σημειώνονται οι τιμές σε πίνακα και να επαληθεύεται με την Παλμογραφική παρατήρηση η θεωρία για τη μέτρηση του ποσοστού διαμόρφωσης. Να πραγματοποιηθούν πολλές μετρήσεις και με επιλογή άλλων συχνοτήτων. 4. Να υλοποιηθεί η διάταξη και με το ολοκληρωμένο AD633. Να χρησιμοποιηθούν αντίστοιχες ρυθμίσεις. 5. Να υλοποιηθεί αντίστοιχα το σύστημα του σχήματος 13. Τα ολοκληρωμένα AD633 και AD734 διαθέτουν ενσωματωμένη λειτουργία προσθετή μέσω του ακροδέκτη (Z), όπως φαίνεται στα σχήματα (19) και (20). ΠΑΡΑΔΟΤΕΟ: Π3.2.2.1a 09/2013 27

Προς διευκόλυνση στο σχήμα (22) δίνεται η αναλυτική συνδεσμολογία με το AD633. Προσοχή στις τιμές πλάτους των σημάτων που θα χρησιμοποιηθούν, λόγω του συντελεστή πολλαπλασιασμού που εισάγει το ολοκληρωμένο. Το βασικό σήμα s(t) επιλέγεται ημιτονικό που αρχικά διευκολύνει την παρατήρηση και τις μετρήσεις. A B Γεννήτρια s(t) B1 Ταλαντωτής φέροντος B2 1 2 3 4 U1 8 X1 VS+ X2 W 7 6 Y1 Z 5 Y2 VS- AD633 SPICEMODEL=AD633 PACKAGE=DIL08 C D Σχήμα 22 6. Να μελετηθούν τα σήματα και φασματικά. Να αξιοποιηθεί προς τούτο το εργαλείο GRAPH FOURIER του σχεδιαστικού. Να βαθμονομηθεί κατάλληλα ώστε τα αποτελέσματα και οι μετρήσεις να είναι εμφανή. 7. Να υλοποιηθεί η διάταξη και με το ολοκληρωμένο AD734. Να χρησιμοποιηθούν αντίστοιχες ρυθμίσεις. 8. Διαμόρφωση AM-DSB με σύνθετο (πολυχρωματικό σήμα) s(t). Στο σχήμα 23 έχει χρησιμοποιηθεί ο τελεστικός ενισχυτής LM358 ως προσθετής απλών ημιτονικών σημάτων για δημιουργία σύνθετου σήματος. Για το διαμορφωτή ως βασικό σήμα χρησιμοποιείται η έξοδος του τελεστικού. Να ρυθμιστούν κατάλληλα οι τιμές των πλατών των σημάτων ώστε να μην έχουμε υπερδιαμόρφωση. Για άνετη Παλμογραφική παρατήρηση για τις ΠΑΡΑΔΟΤΕΟ: Π3.2.2.1a 09/2013 28

γεννήτριες του βασικού σήματος προτείνονται συχνότητες 12KHz, 6kHz και 4 khz. Αντίστοιχα προτείνονται αρχικές ρυθμίσεις για τα πλάτη 2V, 4V 3V. Η συχνότητα του φέροντος προτείνεται στα 500kHz και το πλάτος του 2 V. Σήμα 1 R2 Ταλαντωτής φέροντος 10k Σήμα 2 R3 10k U2:A Σήμα 3 R4 10k 3 2 8 1 A R1 10k 4 LM358 B1 1 2 3 4 U1 8 X1 VS+ X2 W 7 6 Y1 Z 5 Y2 VS- AD633 SPICEMODEL=AD633 PACKAGE=DIL08 U1(VS+) U1(VS-) B C D B2 Σχήμα 23. 9. Να γίνει και φασματική ανάλυση του διαμορφωμένου φέροντος. Το GRAPH FOURIER πρέπει να βαθμονομηθεί κατάλληλα. 10. Για την υλοποίηση κυκλώματος διαμόρφωσης με τη χρήση ενισχυτή ελεγχόμενου κέρδους (Voltage Controlled Amplifier) θα αξιοποιηθεί το ολοκληρωμένο LM13600. Πρόκειται για OTA (Operational Transconductance Amplifier) με τον οποίο πολύ εύκολα υλοποιούμε VCA. Να μελετηθεί το data sheet του ολοκληρωμένου. Η αναλυτική κυκλωματική διάταξη που πρέπει να υλοποιηθεί φαίνεται στο σχήμα 24. ΠΑΡΑΔΟΤΕΟ: Π3.2.2.1a 09/2013 29

Βασικό Σήμα s(t) RV1 1K R2 27k 11 1 2 R1 15k U1:A B1 R3 3 4 5 B2 10k 6 7 8 LM13600 Ταλαντωτής φέροντος R6 10k R5 5k A B C D Σχήμα 24. Το κύκλωμα απαιτεί προσεκτική ρύθμιση των μεγεθών εισόδου. Αρχικά ως βασικό σήμα χρησιμοποιείται ημιτονικό με συχνότητα 10kHz και πλάτος 10 V. Συχνότητα φέροντος 1MHz και πλάτος 2V. 11. Έχει ενδιαφέρον η λειτουργία της διάταξης να διερευνηθεί και για τυχαίο σήμα s(t). Αντί της ημιτονικής γεννήτριας να προστεθεί στη διάταξη το υποσύστημα με τον τελεστικό ενισχυτή του προηγούμενου κυκλώματος. Να ρυθμιστούν κατάλληλα οι τιμές για να μην εμφανιστεί υπερδιαμόρφωση. 12. Προς τεκμηρίωση να τυπωθούν όλα τα παλμογραφήματα. ΠΑΡΑΔΟΤΕΟ: Π3.2.2.1a 09/2013 30

Β. Εργαστηριακή άσκηση 2: Υλοποίηση της Διαμόρφωσης Πλάτους με κατασταλμένο φέρον: DSBsc Θα αξιοποιηθεί και πάλι το Σχεδιαστικό Λογισμικό Proteus / ISIS 7. Το περιβάλλον του σχεδιαστικού προγράμματος διαθέτει όλα τα εξαρτήματα και βιβλιοθήκες με ολοκληρωμένα κυκλώματα τα οποία επιτρέπουν την προσομοίωση όλων των συστημάτων. Διαθέτει επίσης όλων των ειδών τις γεννήτριες, οι οποίες είναι πλήρως παραμετροποιήσιμες καθώς και όλες τις απαραίτητες για τα κυκλώματα πηγές τροφοδοσίας. Για τις ανάγκες τις ανάγκες των μετρήσεων θα αξιοποιηθούν αφενός ο παλμογράφος, ο οποίος διαθέτει τέσσερα (4) κανάλια και διευκολύνει την παρατήρηση και τη σύγκριση όλων των σημάτων και αφετέρου η ανάλυση Fourier για την φασματική επαλήθευση των κυκλωμάτων. Για την εκτέλεση της άσκησης απαιτείται καλή γνώση του σχεδιαστικού λογισμικού. 13. Για την πραγματοποίηση της άσκησης να χρησιμοποιηθούν διαδοχικά τα ολοκληρωμένα AD633 και AD734 της Analog Devices. Πρόκειται για πολλαπλασιαστές που ολοκληρώνουν και άλλες μαθηματικές πράξεις, ο πρώτος με εύρος ζώνης έως 2 MHz και ο δεύτερος με εύρος ζώνης έως 10 MHz. 14. Να αναζητηθούν μέσα από το διαδίκτυο και τον ιστότοπο της Analog τα data sheets των ολοκληρωμένων και να μελετηθεί η χρήση τους ως απλών πολλαπλασιαστών πριν την έναρξη του σχεδιασμού. 15. Ενδεικτικά αναφέρεται η βασική συνδεσμολογία των ολοκληρωμένων. ΠΑΡΑΔΟΤΕΟ: Π3.2.2.1a 09/2013 31

Σχήμα 25 Σχήμα 26 17. Στην άσκηση αυτή τα ολοκληρωμένα θα αξιοποιηθούν αποκλειστικά ως πολλαπλασιαστές. Σε όλες τις συνδεσμολογίες οι ακροδέκτες (Z) (pin 6 για το ολοκληρωμένο AD633 και pin 10 για το ολοκληρωμένο AD734 θα συνδεθούν στη γείωση. 18. Να υλοποιηθεί η διάταξη του σχήματος που ακολουθεί (27). Το βασικό σήμα s(t) επιλέγεται ημιτονικό. Οι γεννήτριες επιλέγονται από την παλέτα των γεννητριών του λογισμικού. 19. Για καλή απεικόνιση στον παλμογράφο συστήνονται αρχικά συχνότητες βασικού σήματος 10KHz και φέροντος 1 MHz. Προφανώς ο παλμογράφος ΠΑΡΑΔΟΤΕΟ: Π3.2.2.1a 09/2013 32

χρειάζεται κατάλληλες ρυθμίσεις. Να πραγματοποιηθούν πολλές μετρήσεις και με επιλογή άλλων συχνοτήτων. Να μελετηθεί το εμφανιζόμενο πήδημα φάσης κάθε φορά που το σήμα s(t) αλλάζει πολικότητα. A U1(VP) B B1 B2 Σήμα s(t) Ταλαντωτής φέροντος 1 2 3 4 5 6 7 U1 14 X1 VP 13 X2 D0 U0 W 12 11 U1 Z1 10 U2 Z2 9 Y1 ER 8 Y2 VN AD734 U1(VN) C D Σχήμα 27 20. Με κατάλληλη ολίσθηση του καναλιού του παλμογράφου με τρόπο που να συμπέσει η κυματομορφή του s(t) με την κυματομορφή του διαμορφωμένου να διαπιστωθεί η ορθότητα της διαμόρφωσης. 21. Αν και ο συντελεστής πολλαπλασιασμού του ολοκληρωμένου είναι γνωστός από το data sheet, να εκτιμηθεί με μετρήσεις από τα παλμογραφήματα. Να γίνουν μετρήσεις του συντελεστή για διάφορες τιμές των σημάτων. 22. Να υλοποιηθεί η διάταξη και με το ολοκληρωμένο AD633. Να γίνουν οι ίδιες μετρήσεις όπως προηγούμενα. 23. Να γίνει διαμόρφωση DSBsc με σύνθετο (πολυχρωματικό) σήμα s(t). Να υλοποιηθεί η διάταξη του σχήματος που ακολουθεί (28). Στη διάταξη αυτή ο τελεστικός ενισχυτής έχει αναλάβει την προσθετική δημιουργία του πολυχρωματικού σήματος. ΠΑΡΑΔΟΤΕΟ: Π3.2.2.1a 09/2013 33

Σήμα 1 R2 Ταλαντωτή φέροντος 10k Σήμα 2 R3 10k Σήμα 3 R4 8 U2:A 10k 3 2 1 A R1 10k 4 LM358 B1 1 2 3 4 U1 8 X1 VS+ X2 W 7 6 Y1 Z 5 Y2 VS- AD633 SPICEMODEL=AD633 PACKAGE=DIL08 U1(VS+) U1(VS-) B C D B2 Σχήμα 28. 24. Να επιλεγούν κατάλληλα οι συχνότητες και τα πλάτη των σημάτων ώστε να διευκολύνεται η Παλμογραφική παρατήρηση του διαμορφωμένου φέροντος. Να εκτιμηθεί προσεκτικά η προκύπτουσα κυματομορφή σε σχέση με αυτή της κλασικής διαμόρφωσης AM-DSB. 25. Με το εργαλείο GRAPH FOYRIER να γίνει παρατήρηση του φάσματος. Να βαθμονομηθεί το εργαλείο και οι συχνότητες να επιλεγούν κατάλληλα για να διευκολυνθεί η παρατήρηση. 26. Με τη χρήση ενισχυτή ελεγχόμενου κέρδους (Voltage Controlled Amplifier) μπορούμε επίσης να υλοποιήσουμε ένα πολλαπλασιαστή. Να μελετηθεί το ολοκληρωμένο LM13600 (πρόκειται για OTA - Operational Transconductance Amplifier) με τη βοήθεια του data sheet του κατασκευαστή. Να υλοποιηθεί με το ολοκληρωμένο αυτό διαμορφωτής DSBsc. Πρόκειται για παραλλαγή του αντίστοιχου κυκλώματος της προηγούμενης άσκησης. 27. Προς τεκμηρίωση να τυπωθούν όλα τα παλμογραφήματα. ΠΑΡΑΔΟΤΕΟ: Π3.2.2.1a 09/2013 34

Γ. Εργαστηριακή άσκηση 3: Αποδιαμόρφωση/Φώραση των Διαμορφώσεων Πλάτους AM-DSB και DSBsc Θα αξιοποιηθεί και πάλι το Σχεδιαστικό Λογισμικό Proteus / ISIS 7. Το περιβάλλον του σχεδιαστικού προγράμματος διαθέτει όλα τα εξαρτήματα και βιβλιοθήκες με ολοκληρωμένα κυκλώματα τα οποία επιτρέπουν την προσομοίωση όλων των συστημάτων. Διαθέτει επίσης όλων των ειδών τις γεννήτριες, οι οποίες είναι πλήρως παραμετροποιήσιμες καθώς και όλες τις απαραίτητες για τα κυκλώματα πηγές τροφοδοσίας. Για τις ανάγκες τις ανάγκες των μετρήσεων θα αξιοποιηθούν αφενός ο παλμογράφος, ο οποίος διαθέτει τέσσερα (4) κανάλια και διευκολύνει την παρατήρηση και τη σύγκριση όλων των σημάτων και αφετέρου η ανάλυση Fourier για την φασματική επαλήθευση των κυκλωμάτων. Για την εκτέλεση της άσκησης απαιτείται καλή γνώση του σχεδιαστικού λογισμικού. 1. Καταρχήν θα μελετηθεί η φώραση αναπτύγματος, με δικτύωμα D-R-C. Πρέπει να υλοποιηθεί κλασική διαμόρφωση πλάτους, όπως φαίνεται στα σχήματα της άσκησης 1 (π. χ. σχήματα 21, 22, 23 ). Το δικτύωμα φωρατής D-R- C απαιτεί στην είσοδό του σήμα με στάθμη η οποία υπερβαίνει το κατώφλι λειτουργίας της διόδου. Για αυτό το λόγο στην έξοδο του διαμορφωτή προστίθεται ενισχυτής με κατάλληλο κέρδος ώστε να επιτυγχάνεται η αποδιαμόρφωση του σήματος χωρίς παραμόρφωση. Προς διευκόλυνση στο σχήμα (29) δίνεται η πλήρης κυκλωματική διάταξη με συγκεκριμένες τιμές. Καλό είναι στα πλαίσια της άσκησης να χρησιμοποιηθούν διάφορες τιμές και να μελετηθούν στον παλμογράφο τεσσάρων καναλιών τα αποτελέσματα. Το φίλτρο R1 - C1 του φωρατή σχεδιάζεται με βάση τις τιμές των συχνοτήτων του φέροντος και της πληροφορίας, βασιζόμενοι στις σχέσεις που δόθηκαν στη θεωρία. Στο σχήμα (29) το σήμα της πληροφορίας είναι μονοχρωματικό. ΠΑΡΑΔΟΤΕΟ: Π3.2.2.1a 09/2013 35

A B GND B1 B2 Γεννήτρια Μο+s(t) Ταλαντωτής φέροντος 1 2 3 4 5 6 7 U1 14 X1 VP 13 X2 D0 U0 W 12 11 U1 Z1 10 U2 Z2 9 Y1 ER 8 Y2 VN AD734 R2 10k 3 2 8 4 U2:A 1 AD8022AS D1 C D 10BQ015 C1 10n R1 1k R4 1k C2 1n R3 100k GND GND GND Σχήμα 29. 2. Το φίλτρο R 4 C 2 είναι ένα δεύτερο στάδιο φίλτρου και έχει προστεθεί για συμπληρωματικό φιλτράρισμα και βελτίωση του αποτελέσματος. Καλό είναι να υπολογιστούν οι συχνότητες αποκοπής των φίλτρων R1 - C1 και R 4 C 2. Να πραγματοποιηθούν και με άλλες τιμές των στοιχείων με γνώμονα τη βελτιστοποίηση του αποτελέσματος στην έξοδο του φωρατή παρατηρώντας το στον παλμογράφο. 3. Να υλοποιηθεί και το κύκλωμα του σχήματος 30. Αναφέρεται σε διαμόρφωση με πολυχρωματικό σήμα (το οποίο δημιουργείται από την άθροιση απλών ημιτονικών σημάτων). Έχει ενδιαφέρον να γίνει παρατήρηση της εξόδου του φωρατή στον παλμογράφο και εκτίμηση της ποιότητας της αποδιαμόρφωσης. Με κατάλληλη ολίσθηση του σήματος διαμόρφωσης πάνω στο σήμα εξόδου του φωρατή είναι εύκολη αυτή η εκτίμηση. ΠΑΡΑΔΟΤΕΟ: Π3.2.2.1a 09/2013 36

Σήμα 1 R2 Ταλαντωτής φέροντος 10k Σήμα 2 R3 10k U2:A Σήμα 3 R4 10k 3 2 8 1 A R1 10k 4 LM358 B1 1 2 3 4 U1 8 X1 VS+ X2 W 7 6 Y1 Z 5 Y2 VS- AD633 SPICEMODEL=AD633 PACKAGE=DIL08 U1(VS+) U1(VS-) B C D B2 GND R5 27k 3 2 8 4 U3:A 1 AD8022AS D1 10BQ015 C1 10n R7 1k R8 1k C2 1n R6 100k GND GND GND Σχήμα 30. 4. Να δοκιμαστεί ο φωρατής αναπτύγματος στην περίπτωση διαμόρφωσης DSBsc. 5. Μελέτη του σύμφωνου φωρατή. Να υλοποιηθεί το κύκλωμα του σχήματος 31, το οποίο περιλαμβάνει στάδιο διαμόρφωσης AM-DSB και στάδιο αποδιαμόρφωσης με Σύμφωνο Φωρατή. ΠΑΡΑΔΟΤΕΟ: Π3.2.2.1a 09/2013 37

A B B1 B2 Γεννήτρια Μο+s(t) Ταλαντωτής φέροντος 1 2 3 4 5 6 7 U1 14 X1 VP 13 X2 D0 U0 W 12 11 U1 Z1 10 U2 Z2 9 Y1 ER 8 Y2 VN AD734 1 2 3 4 5 6 7 U2 X1 X2 U0 U1 U2 Y1 Y2 14 VP 13 D0 W 12 11 Z1 10 Z2 9 ER 8 VN C D R5 1k C2 4.7n AD734 U2(Y1) GND Σχήμα 31. Να μελετηθεί η συμπεριφορά του κυκλώματος για ιδανικό συγχρονισμό του φέροντος με τον τοπικό ταλαντωτή φώρασης και επίσης στις περιπτώσεις που οι συχνότητες (φέροντος - ταλαντωτή) είναι διαφορετικές (διαφέρουν λίγο). Να δοκιμαστεί επίσης η λειτουργία του Σύμφωνου Φωρατή όταν διαφέρουν οι φάσεις φέροντος και τοπικού ταλαντωτή. Το σχήμα 31 αναφέρεται σε σήμα διαμόρφωσης απλό, μονοχρωματικό ώστε να διευκολυνθεί η παρατήρηση. Η συχνότητα αποκοπής του χαμηλοπερατού φίλτρου εξόδου προσδιορίζεται με βάση τις τιμές των συχνοτήτων πληροφορίας και φέροντος. Πρέπει F < f α << f o. ΠΑΡΑΔΟΤΕΟ: Π3.2.2.1a 09/2013 38

6. Να επαναληφθεί η μελέτη του σύμφωνου φωρατή με πολυχρωματικό σήμα πληροφορίας (σχήμα 32). Σήμα 1 R2 Ταλαντωτής φέροντος 10k Σήμα 2 R3 10k U2:A Σήμα 3 R4 10k 3 2 8 1 A R1 10k 4 LM358 B1 B2 1 2 3 4 U1 AD633 SPICEMODEL=AD633 PACKAGE=DIL08 U1(VS+) U1(VS-) 1 2 3 4 U2 B C D 8 X1 VS+ X2 W 7 6 Y1 Z 5 Y2 VS- 8 X1 VS+ X2 W 7 6 Y1 Z 5 Y2 VS- R5 1k C2 4.7n AD633 SPICEMODEL=AD633 PACKAGE=DIL08 U2(Y1) GND Σχήμα 32. 7. Στα προηγούμενα κυκλώματα να γίνουν οι απαραίτητες μετατροπές ώστε η διαμόρφωση να είναι DSBsc (αντιστοιχίσεις με την άσκηση 2). Να συμπληρωθούν τα κυκλώματα με το στάδιο του Σύμφωνου Φωρατή και να μελετηθεί η λειτουργία του και σε αυτή την περίπτωση. Να γίνουν εφαρμογές με μονοχρωματικό και πολυχρωματικό σήμα πληροφορίας. 8. Προς τεκμηρίωση να τυπωθούν όλα τα παλμογραφήματα. ΠΑΡΑΔΟΤΕΟ: Π3.2.2.1a 09/2013 39