Εισαγωγή στις Τηλεπικοινωνίες / Εργαστήριο

ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα Εισαγωγή στις Τηλεπικοινωνίες / Εργαστήριο Εργαστηριακή Άσκηση 4: Πειραματική μελέτη συστημάτων διαμόρφωσης συχνότητας (FΜ) Δρ. Ηρακλής Σίμος Τμήμα: Ηλεκτρονικών Μηχανικών Τ.Ε. 1

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

1. Περιεχόμενα 2. Σκοπός Άσκησης...4 3. Περιεχόμενα Ενότητας...4 3.1 Διαμόρφωση FΜ...4 3.2 Εκτέλεση πειραματικού μέρους: Διαμόρφωση FΜ...5 3.2.1 Παραγωγή σήματος FM...5 3.2.2 Μέτρηση απόκλισης συχνότητας...7 3.3 Αποδιαμόρφωση FΜ...8 3.3.1 Εισαγωγή...8 3.4 Εκτέλεση πειραματικού μέρους: Αποδιαμόρφωση FΜ...9 3

2. Σκοπός Άσκησης Στην 4η άσκηση της σειράς γίνεται εξοικείωση των σπουδαστών με τον εργαστηριακό εξοπλισμό των συστημάτων διαμόρφωσης και εξετάζονται βασικές αρχές και λειτουργίες συστημάτων της διαμόρφωσης συχνότητας (FM). Οι στόχοι της άσκησης και τα θέματα τα οποία καλύπτει είναι: Η εφαρμογή των βασικών αρχών της διαμόρφωσης συχνότητας (FM). Πειραματική υλοποίηση/μελέτη συστήματος διαμόρφωσης/αποδιαμόρφωσης FΜ. Η μέτρηση και υπολογισμός βασικών παραμέτρων συστήματος διαμόρφωσης FΜ. 3. Περιεχόμενα Ενότητας Σκοπός Άσκησης Περιεχόμενα Ενότητας Διαμόρφωση FΜ Εκτέλεση πειραματικού μέρους: Διαμόρφωση FΜ Παραγωγή σήματος FM Μέτρηση απόκλισης συχνότητας Αποδιαμόρφωση FΜ Εισαγωγή Εκτέλεση πειραματικού μέρους: Αποδιαμόρφωση FΜ 3.1 Διαμόρφωση FΜ Η μονάδα διαμόρφωσης Feedback 295Α Στην παρούσα άσκηση θα διερευνηθούν τα χαρακτηριστικά ενός συστήματος διαμόρφωσης FΜ το οποίο βασίζεται στην μονάδα διαμόρφωσης Feedback 295Α (σχήμα 4.1). Ο διαμορφωτής παράγει εσωτερικά το φέρον σήμα, δέχεται σαν είσοδο το σήμα πληροφορίας και πραγματοποιεί τη διαμόρφωση FΜ, σύμφωνα με την εξίσωση (3.8) ή στην περίπτωση ημιτονοειδούς σήματος με την (3.12). Λεπτομέρειες για τα σημεία σύνδεσης δίνονται στην παράγραφο 2.2.2. 4

Σχήμα 4.1: Σχηματικό διάγραμμα του ισοσταθμισμένου διαμορφωτή ΑΜ Feedback 295D. 3.2 Εκτέλεση πειραματικού μέρους: Διαμόρφωση FΜ 3.2.1 Παραγωγή σήματος FM 1. Πραγματοποιείστε τις συνδέσεις: - Συνδέστε το σήμα πληροφορίας από την γεννήτρια συχνοτήτων στην είσοδο σήματος του διαμορφωτή (μονάδα 295A: στο σημείο που υποδεικνύεται στο σχήμα 4.1 και στη γη). - Συνδέστε το κανάλι 1 του παλμογράφου στο ίδιο σημείο ώστε να παρατηρείτε το σήμα εισόδου. - Συνδέστε το κανάλι 2 του παλμογράφου στην έξοδο του διαμορφωτή ώστε να παρατηρείτε το διαμορφωμένο σήμα FM. - Συνδέστε το συχνόμετρο σε μια από τις εξόδους του διαμορφωτή. - Ενδεικτικά το σύστημά σας θα πρέπει να έχει περίπου τη μορφή του σχήματος 4.2 (εξαιρέστε την σύνδεση Trigger). 5

Σχήμα 4.2: Σχηματικό διάγραμμα διαμόρφωσης FM με χρήση της μονάδας Feedback 295A. 2. Πραγματοποιείστε τις παρακάτω ρυθμίσεις στην μονάδα 295Α: - Ρυθμίστε τον μεταβλητό εξασθενητή (OUTPUT db) στο 0 db. - Τοποθετήστε τον ρυθμιστή συχνότητας C στην ένδειξη 465 ΚΗz. Προσεγγιστικά η συχνότητα αυτή είναι η «τελεία» που υποδεικνύεται στο σχήμα 4.1. - Ρυθμίστε το κουμπί μεταβλητής ευαισθησίας Β στο μέγιστο. 3. Πραγματοποιείστε τις παρακάτω ρυθμίσεις στην γεννήτρια συχνοτήτων: - Επιλέξτε τετραγωνικό σήμα. - Ρυθμίστε πρώτα το πλάτος του σήματος στα 10 Vpp. - Ρυθμίστε την συχνότητα του σήματος στα 0.1 Hz. 4. Απενεργοποιείστε την γεννήτρια συχνοτήτων χωρίς να αλλάξετε τις ρυθμίσεις. 5. Ενεργοποιείστε την κονσόλα TK 290. 6. Χωρίς να έχετε ενεργοποιήσει την γεννήτρια του σήματος πληροφορίας ποιο σήμα βλέπετε στο κανάλι 2 του παλμογράφου; 7. Χρησιμοποιείστε το συχνόμετρο ώστε να μετρήσετε την συχνότητα του φέροντος και να την ρυθμίσετε ακριβώς στα 465 KHz (μέσω του ρυθμιστή C στην μονάδα 295A). 8. Ενεργοποιείστε τη γεννήτρια συχνοτήτων κρατώντας τις ρυθμίσεις που πραγματοποιήσατε στο βήμα 3. 6

9. Παρατηρήστε το σήμα FM στο κανάλι 2 του παλμογράφου. Γιατί ποιον λόγο αλλάζει η περιοδικά η συχνότητα του; 10. Καταγράψτε τις τιμές που δίνει περιοδικά το συχνόμετρο. Σε ποια χαρακτηριστική παράμετρο του συστήματος FM αντιστοιχούν αυτές οι τιμές; 11. Μειώστε το πλάτος του τετραγωνικού σήματος εισόδου στα 5 Vpp. Τι συμβαίνει στο σήμα εξόδου και ποιες είναι τώρα οι ενδείξεις του συχνόμετρου; 3.2.2 Μέτρηση απόκλισης συχνότητας 12. Επαναφέρατε το πλάτος του σήματος εισόδου στα 10 Vpp. 13. Με τη βοήθεια του ρυθμιστή ευαισθησίας B στην μονάδα 295A, και χρησιμοποιώντας το συχνόμετρο, ρυθμίστε έτσι ώστε η απόκλιση συχνότητας να είναι ± 100 KHz από την συχνότητα του φέροντος (465 KHz). ΠΡΟΣΟΧΗ: Διατηρήστε την ρύθμιση αυτή για όλη την άσκηση. 14. Πόση είναι η μετατόπιση από την συχνότητα του φέροντος ανά 1 V πλάτους σήματος (δηλαδή η τιμή του συντελεστή απόκλισης συχνότητας kf); 15. Ρυθμίστε την συχνότητα του τετραγωνικού σήματος εισόδου στα 100 Hz. 16. Τι συμβαίνει στο σήμα FM; Γιατί δεν έχουν έννοια οι ενδείξεις του συχνόμετρου; Ποια μεγέθη καθορίζουν το πόσο γρήγορα μεταβάλλεται η συχνότητα του σήματος FM; 17. Επιλέξτε στην γεννήτρια σήματος ημιτονικό σήμα και συχνότητα 0.1 Hz. 18. Τι συμβαίνει στο σήμα FM (κανάλι 2 παλμογράφου) σε αυτή την περίπτωση; 19. Αυξήστε την συχνότητα του ημιτονικού σήματος εισόδου στα 100 Hz. Τι παρατηρείτε στο σήμα FM; 20. Χρησιμοποιείστε τις εκφράσεις (3.11), (3.13), (3.17), (3.18) και συμπληρώστε τον παρακάτω πίνακα: 7

Πλάτος σήματος εισόδου (V pp ) 1 2.5 5 7.5 10 Απόκλιση συχνότητας f (khz) Βαθμός διαμόρφωσης (β) Αριθμός ζευγών πλευρικών συχνοτήτων Εύρος ζώνης (KHz) 3.3 Αποδιαμόρφωση FΜ 3.3.1 Εισαγωγή Η αποδιαμόρφωση ενός σήματος FΜ πειραματικά μπορεί να πραγματοποιηθεί εύκολα με δύο διαδοχικά βήματα: Μετατροπή της διαμόρφωσης συχνότητας (FM) σε διαμόρφωση πλάτους (ΑΜ) Αποδιαμόρφωση του σήματος ΑΜ. Για την υλοποίηση του πρώτου βήματος συνήθως χρησιμοποιείται ένας διευκρινιστής (discriminator) ο οποίος μετατρέπει τις μεταβολές συχνότητας σε μεταβολές πλάτους. Η αρχή λειτουργίας φαίνεται στο σχήμα 4.3. Συγκεκριμένα, ας θεωρήσουμε ένα σύστημα με συνάρτηση μεταφοράς H(f) το οποίο έχει μια γραμμική περιοχή με κλίση μεγαλύτερη της μηδενικής (περιοχή με συνεχή γραμμή και κόκκινο χρώμα στο σχήμα 4.3). Αν στην είσοδο του συστήματος εφαρμόσουμε ένα σήμα διαμορφωμένο κατά συχνότητα (FM) και ειδικά στην γραμμική περιοχή του, τότε στην έξοδο του συστήματος οι μεταβολές συχνότητας μετατρέπονται σε μεταβολές πλάτους, δηλαδή στην έξοδο παίρνουμε ένα σήμα διαμορφωμένο κατά πλάτος (AM). Όπως φαίνεται στο σχήμα, όταν χρησιμοποιούμε μια γραμμική περιοχή με κλίση μικρότερη των 90ο τότε στην έξοδο στην μικρή συχνότητα (f1) αντιστοιχεί μικρό πλάτος (V1) ενώ στην μεγάλη συχνότητα (f2) αντιστοιχεί μεγάλο πλάτος (V2), δηλαδή f1 > f2 και V1 > V2. Στην περίπτωση όμως που χρησιμοποιηθεί μια γραμμική περιοχή με κλίση μεγαλύτερη των 90ο όπως αυτή που απεικονίζεται στο σχήμα 4.3 (μπλε συνεχής γραμμή) τότε στην έξοδο παίρνουμε το σήμα με αντιστροφή φάσης: f1 > f2 αλλά V1 < V2. Η περίπτωση αυτή για σήμα ημιτονοειδούς διαμόρφωσης συχνότητας φαίνεται στο σχήμα 4.3β. Σχήμα 4.3: (α) Αρχή λειτουργίας του διευκρινιστή για απόδιαμόρφωση FM. (β) Παράδειγμα μετατροπής FM σε ΑΜ με αντιστροφή φάσης χρησιμοποιώντας σήμα FM διαμορφωμένο ημιτονοειδώς. 8

Η αποδιαμόρφωση του σήματος ΑΜ που προκύπτει από την παραπάνω διαδικασία, πραγματοποιείται κατά τα γνωστά με έναν φωρατή περιβάλλουσας με την χρήση διόδου για ανόρθωση και φίλτρου πυκνωτή αντίστασης για απομάκρυνση των γρήγορων μεταβολών του φέροντος, όπως περιγράφηκε στην άσκηση 2 (παρ. 2.4). Σχήμα 4.4: Σχηματικό διάγραμμα συστήματος διαμόρφωσης/αποδιαμόρφωσης FM. (α) Κύκλωμα διαμόρφωσης. (β) Κύκλωμα αποδιαμόρφωσης με χρήση διευκρινιστή (μονάδα Feedback 295H) και φωρατή περιβάλλουσας (μονάδα Feedback 295C). 3.4 Εκτέλεση πειραματικού μέρους: Αποδιαμόρφωση FΜ Στο μέρος αυτό θα χρησιμοποιηθεί το συντονιζόμενο κύκλωμα 295Η ως διευκρινιστής όπως περιγράφηκε στην παράγραφο 4.4.1. Το κύκλωμα 295Η έχει απόκριση συχνοτήτων παρόμοια με αυτή ενός ζωνοπερατού φίλτρου (δείτε το σχήμα 4.5) και επιπλέον η κεντρική του συχνότητα f0 ρυθμίζεται μέσω του μεταβλητού πυκνωτή πάνω στην μονάδα 295H. 9

21. Χωρίς να αποσυνδέσετε το σύστημα από την προηγούμενη παράγραφο, χρησιμοποιείστε το συντονιζόμενο κύκλωμα 295Η στην έξοδο του διαμορφωτή (μονάδα 295Α) όπως στο σχήμα 4.4α. 22. Πραγματοποιείστε τις παρακάτω ρυθμίσεις στην γεννήτρια συχνοτήτων: - Επιλέξτε τετραγωνικό σήμα. - Ρυθμίστε το πλάτος του σήματος στο 1 Vpp. - Ρυθμίστε την συχνότητα του σήματος στα 200 Hz. 23. Ρυθμίστε τον παλμογράφο ώστε να έχετε σταθερή εικόνα. Στο συντονιζόμενο κύκλωμα 295Η μεταβάλλετε τον περιστρεφόμενο ρυθμιστή από το ένα άκρο στο άλλο και παρατηρήστε τις κυματομορφές στον παλμογράφο. 24. Τι συμβαίνει στην κυματομορφή ειδικά στα δύο άκρα της μεταβολής και στη θέση που αντιστοιχεί στην κεντρική συχνότητα (465 KHz); 25. Πως μπορεί το κύκλωμα αυτό να δώσει στην έξοδο πλάτος ανάλογο της συχνότητας; 26. Ρυθμίστε την κεντρική συχνότητα του συντονιζόμενου κυκλώματος 295Η στην ένδειξη 500 KHz. 27. Πραγματοποιείστε την φώραση του σήματος AM που έχετε συνδέοντας τον φωρατή περιβάλλουσας στην έξοδο του συντονιζόμενου κυκλώματος, ως εξής: - Συνδέστε την έξοδο CT της μονάδας 295H στην άνοδο της διόδου Γερμανίου D1. - Συνδέστε την έξοδο lo της μονάδας 295H στην κάθοδο της διόδου D1 συμπεριλαμβάνοντας την αντίσταση R1 = 100 ΚΩ. - Στην μονάδα 295C συνδέστε παράλληλα στην αντίσταση R1 = 100 ΚΩ τον πυκνωτή C3 = 5 nf. - Συμβουλευτείτε και το σχήμα 4.4β. 10

Σχήμα 4.5: Παράδειγμα μετατροπής FM σε ΑΜ με αντιστροφή φάσης, χρησιμοποιώντας την καμπύλη συντονισμού του κυκλώματος 295Η. 28. Χρησιμοποιείστε το ένα κανάλι του παλμογράφου για παρατηρείτε το σήμα εισόδου στον διαμορφωτή 295Α (σήμα από τη γεννήτρια συχνοτήτων) και το δεύτερο κανάλι για να παρατηρείτε το αποδιαμορφωμένο σήμα (στα άκρα του εκάστοτε πυκνωτή). 29. Παρατηρήστε στον παλμογράφο το σήμα στα άκρα του πυκνωτή C3. Ποιο σήμα είναι αυτό; Παρουσιάζει κάποια παραμόρφωση; Αν ναι είναι αναμενόμενη ή μη; 30. Σε ποια περιοχή της καμπύλης συντονισμού του συντονιζόμενου κυκλώματος 295Η βρίσκεται το σήμα; Δικαιολογείστε την απάντησή σας συγκρίνοντας το σήμα στην είσοδο του διαμορφωτή και το αποδιαμορφωμένο σήμα. Υπόδειξη: η καμπύλη συντονισμού του 295Η δίνεται στο σχήμα 4.5. 31. Παρατηρείστε τι συμβαίνει όταν μεταβάλλετε το συντονισμό του κυκλώματος 295Η από το ένα άκρο στο άλλο. Σχεδιάστε τις αντίστοιχες κυματομορφές εξόδου για συντονισμό προς την αριστερή πλευρά (συχνότητα < 465KHz) και για συντονισμό προς την δεξιά πλευρά (συχνότητα > 465KHz). 32. Τι περιμένετε να συμβεί αν η συχνότητα του φέροντος (fc = 465KHz) γίνει ίδια με την συχνότητα συντονισμού του κυκλώματος 295Η (f0); 33. Πραγματοποιείτε το παραπάνω βήμα Ρυθμίζοντας την συχνότητα του συντονιζόμενου κυκλώματος περίπου στα 465 KHz, και παρατηρήστε το αποδιαμορφωμένο σήμα. Σχεδιάστε τη μορφή του και να δώσετε την εξήγηση με τη βοήθεια του σχήματος 4.5. 11