Модуляция и детектирование электромагнитных колебаний

Лабораторная работа

Модуляция и детектирование

электромагнитных колебаний.

Цель работы: Углубить представления о принципах радиосвязи, провести экспериментальные наблюдения процессов модуляции и детектирования.

Оборудование: Учебно-лабораторный стенд по теме работы.

Ход работы.

Работа выполняется на стенде, содержащим четыре блока: блок питания, генератор незатухающих колебаний высокой частоты, модулятор и демодулятор (детектор) наблюдения производят при помощи электронного осциллографа.

Часть 1. Модуляция.

Процесс управления высокочастотными колебаниями при передаче речи, музыки или телевизионных сигналов называется модуляцией. Переменный ток в антенне передатчика называется током несущей частоты, его зависимость от времени выражается через уравнение , где J_m₀ – амплитуда тока; ω₀ – частота тока; - фаза тока.

Передаваемый сигнал может воздействовать на одну из этих величин, в соответствии с этим различают амплитудную (АМ), частотную (ЧМ) и фазовую (ФМ) модуляцию.

Амплитудная модуляция. Она наиболее часто применяется при передаче сигналов звуковой частоты. Амплитуда тока высокой частоты J_m₀ изменяется под воздействием звуковых колебаний, как это показано на рисунке

Рис.1.

Как видно из рисунка 1, несущая частота остается неизменной, а амплитуда изменяется в такт со звуком. Для количественной оценки применяют коэффициент модуляции, равный отношению прироста амплитуды ΔJ_m тока несущей частоты к амплитуде тока до модуляции: %. Нормальной работе соответствует коэффициент модуляции от 30 до 80 %.

Процесс амплитудной модуляции не является простым сложением двух колебаний, он значительно сложнее. Состав модулированного колебания можно представить как сумму нескольких высокочастотных колебаний с разными частотами и амплитудами. В простейшем случае, когда низкочастотное модулирующее колебание имеет частоту F и синусоидальную форму, модулирование (результирующее колебание) содержит три составляющих: несущую частоту f ; колебание (f + F) и колебание (f - F). Если звук содержит множество частот (музыка, оркестр), то это приводит к расширению полосы частот. Так например, при передаче звука речи (ΔF ≈ 3000 Гц) полоса частот передатчика достигает 6кГц, для высококачественной передачи музыки (частота до 15кГц) спектр частот расширяется до 30кГц.

Схема амплитудной модуляции.

Амплитудная модуляция осуществляется в одном из каскадов передатчика (рис. 2 ) Высокую (несущую) частоту вырабатывает генератор незатухающих колебаний, собранный на базе транзистора по трехточечной схеме. Его колебательный контур состоит из катушки индуктивности L_ги конденсатораС_г. Меняя индуктивность перемещением сердечника в катушке, можно изменять частоту генерации в пределах 15 – 25кГц. Электропитание схемы генератора осуществляется от источника постоянного тока 10 – 12В. В цепи питания генератора располагается вторичная обмотка трансформатора Т_р2, а на его первичную обмотку подается низкочастотное модулирующее напряжение с трансформатора Т_р1. Резистор R₃ выполняет роль регулятора глубины модуляции, поскольку он определяет величину переменного напряжения на первичной, а, следовательно, и на вторичной обмотке трансформатора Т_р2. В свою очередь напряжение вторичной обмотки (≈ 15 В) снимается с вторичной обмотки сетевого трансформатора Т_р1. Это же напряжение выпрямляется мостовой полупроводниковой схемой, его пульсации сглаживаются фильтром на основе резистора и двух конденсаторов, и в качестве питания подается на генератор несущей частоты.

Задание 1.1. Наблюдение формы и частоты колебаний.

Подключите вход осциллографа к клеммам генератора В и О при отсутствии напряжения на трансформаторе Т_р2 (ползунок реостата R₃ в нижнем положении) пронаблюдайте форму и измерьте частоту колебаний в генераторе.

Проверьте соответствует ли она формуле (параметры контура L и С указаны на схеме). Ответ зарисуйте, запишите и объясните.

Задание 1.2. Наблюдение модуляции колебаний.

Подайте на вход осциллографа напряжение точек В и О, при помощи реостата R₃ меняйте напряжение модуляции. Для двух–трёх напряжений зарисуйте вид модулированных колебания и рассчитайте для каждого случая коэффициент модуляции.

Часть 2. Детектирование.

Детектор является одним из главных элементов любого приемника ЭМВ. Его назначение - преобразовать высоко частотные колебания в колебания низкой модулирующей частоты, т. е. отделить конечную информацию от несущей частоты.

Для осуществления процесса детектирования применяют диоды – устройства, обладающие односторонней проводимостью. Это могут быть вакуумные ламповые, но чаще - полупроводниковые диоды.

Схема детекторной ступени с полупроводниковым диодом выделена на рисунке 2. Работает она следующим образом. Модулированные колебания высокой частоты поступают в цепь, содержащую диод D₁, благодаря чему ток в ней существует только в течении одного полупериода напряжения. Ток имеет импульсную форму и содержит в себе постоянную составляющую J_пост, переменную составляющую высокой частоты J_выс и переменную составляющую низкой (звуковой) частоты J_низ.

Нагрузкой ступени является сопротивление R (0,1 – 0,5МОм). Параллельно этому сопротивлению включен конденсатор С₁, имеющий емкость 100 – 200пФ. Для токов высокой частоты он имеет малое сопротивление , поэтому на нагрузочном сопротивлении R выделяется только постоянное напряжение и напряжение звуковой частоты. Через конденсатор С₂ (0,1 – 0,5 мкФ) на усилитель подается только низкочастотное переменное напряжение. Все эти преобразования иллюстрирует рисунок