Лабораторная работа №...

Государственный комитет Российской Федерации по рыболовству

Камчатский государственный технический университет

Кафедра радиооборудования судов

СИСТЕМЫ СВЯЗИ

Часть 1

Руководство к лабораторным работам для курсантов специальности 201300 "Техническая эксплуатация

транспортного радиооборудования"

Петропавловск-Камчатский 2003

УДК 621.394.74 ББК 32.811 Д84

Рецензент:

Ю.М. Устинов, доктор технических наук,

профессор кафедры радиооборудования судов КамчатГТУ Дуров А.А.

Д84 Системы связи. Ч. 1. Руководство к лабораторным ра-

ботам для курсантов специальности 201300»Техническая эксплуатация транспортного радиооборудования». – Петро-павловск-Камчатский: КамчатГТУ, 2003. – 62 с.

Руководство к лабораторным работам составлено в соот-

ветствии с программой дисциплины «Системы связи» для курсан-тов специальности 201300 «Техническая эксплуатация транспорт-ного радиооборудования».

Рекомендовано к изданию решением учебно-методического совета КамчатГТУ (протокол 4 от 19 декабря 2003 г.).

В авторской редакции Технический редактор Бабух Е.Е.

Набор текста Дуров А.А. Верстка Дуров А.А., Бабух Е.Е. Оригинал-макет Бабух Е.Е.

Лицензия ИД 02187 от 30.06.00 г. Подписано в печать 26.12.2003 г. Формат 61*86/16.

Гарнитура Times New Roman. Авт. л. 3,46. Уч.-изд. л. 3,52. Усл. печ. л. 4,0. Тираж 25 экз. Заказ 194

Отпечатано полиграфическим участком РИО КамчатГТУ 683003, г. Петропавловск-Камчатский, ул. Ключевская, 35

© КамчатГТУ, 2003 © Дуров А.А.

2

СОДЕРЖАНИЕ

Стр. Правила выполнения лабораторных работ по дисциплине «Системы связи»………………………………..…………………. 4

Общие требования………………………………………4 Инструкция по технике безопасности .……………...4

А. Исследование систем связи с однополосной модуляцией …………..7 Лабораторная работа 1. Исследование фильтрового метода формирования однополосных сигналов…..………. 20 Лабораторная работа 2. Исследование фазокомпенсаци- онного метода формирования однополосных сигналов…...23

Лабораторная работа 3. Исследование способов детектирования однополосных сигналов………… ….… … 29

Лабораторная работа 4. Исследование каналов связи с использованием однополосных сигналов.……………… . ..32

Б. Исследование многоканальных систем связи с частотным разделением каналов .……………………………………………..37

Лабораторная работа 5. Исследование активных RC-фильтров…..…………………………………………….. .39 Лабораторная работа 6. Исследование гребенчатых фильтров.……………………………………………….……...48

Литература………………………………………………….. . 62

3

П Р А В И Л А выполнения лабораторных работ по дисциплине «Системы связи»

ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ

К выполнению лабораторных работ в лаборатории «Систем

связи» допускаются курсанты после ознакомления с правилами техники безопасности при работе с оборудованием, установлен-ным в лаборатории, о чем в журнале по технике безопасности де-лается соответствующая запись.

Работы выполняются в часы, предусмотренные расписанием занятий или самоподготовки по дисциплине «Системы связи». В остальных случаях необходимо согласовать время отработки про-пущенных лабораторных занятий с преподавателем или учебным мастером этой лаборатории.

И Н С Т Р У К Ц И Я

ПО ТЕХНИКЕ БЕЗОПАСНОСТИ при выполнении работ в лаборатории

«Системы связи»

К работе в лаборатории допускаются курсанты, прошедшие инструктаж по технике безопасности на рабочем месте, о чем в журнале делается соответствующая запись.

В процессе лабораторных занятий правила техники безопасно-сти необходимо строго соблюдать. Несоблюдение правил может привести к поражению нарушителя или его напарников электриче-ским током с последствиями, опасными для жизни или здоровья.

Чтобы обезопасить себя и своих товарищей от действия элек-трической энергии, необходимо выполнять следующие правила:

1. Все электрические напряжения свыше 24 В следует считать опасными и поэтому принимать все меры предосторожности.

2. Перед включением приборов необходимо ознакомиться с инструкцией по их эксплуатации.

3. Все работы на электроустановках выполнять бригадами в составе не менее двух человек.

4. Осмотр, замену деталей любого прибора или лабораторной ус-тановки производить только при ВЫКЛЮЧЕННОМ электропитании.

4

5. Запрещается самостоятельно снимать защитные корпуса и экраны с приборов и макетов. При необходимости следует обра-щаться за разрешением к преподавателю или лаборанту.

6. Нельзя оставлять приборы и лабораторные установки включенными без надзора.

7. Работать следует только исправным и предназначенным для этого инструментом.

8. Выключать и включать приборы и установки нужно только штатными выключателями, не рекомендуется отключение прибо-ров выдергиванием вилки из розетки за шнур и включать вилку питания в розетку при включенном тумблере сети прибора.

9. Включение питания лабораторной установки от силового щита выполняется преподавателем или лаборантом. Курсантам это делать категорически ЗАПРЕЩАЕТСЯ.

10. Перед включением лабораторной установки предъявить ее для проверки преподавателю.

11. После выполнения программы лабораторной работы со-общить об этом преподавателю и после получения соответствую-щего разрешения выключить установку и привести ее в исходное состояние для следующего занятия.

Если, несмотря на выполнение основных правил работы с электроустановками, произошел несчастный случай (загорелся прибор или лабораторный макет, ваш товарищ оказался под дей-ствием электрического тока и т. д.), необходимо принять экстрен-ные меры по отключению лабораторной установки от электриче-ской сети. Лучше всего это сделать с помощью выключателя на входном силовом электрическом щите.

Следует поставить в известность о происшествии преподава-теля или лаборанта, и под их руководством приступить к ликви-дации последствий несчастного случая.

Эффективность спасения пострадавшего от электрического тока зависит от того, насколько быстро он будет освобожден от действия тока, а также от того, насколько быстро и квалифициро-ванно оказана первая помощь. Следует помнить, что для оказания действенной помощи имеется всего 5…7 минут.

Оказание помощи пострадавшему необходимо даже в тех случаях, когда у него отсутствует дыхание, сердцебиение, пульс. Решить вопрос о целесообразности или бесполезности мер по оживлению пострадавшего может только врач. До прибытия врача

5

необходимо незамедлительно начать делать искусственное дыха-ние и так называемый непрямой массаж сердца. Наиболее эффек-тивным видом искусственного дыхания является способ «рот в рот», который проводится поочередно с закрытым массажем сердца, как показано на рисунке.

Голова пострадавшего должна быть запрокинута, чтобы гор-

тань была полностью раскрыта, и вдуваемый воздух беспрепятст-венно проходил в легкие. Оказывающий помощь должен набрать полные легкие воздуха и выдуть его в рот пострадавшего, предва-рительно зажав ему нос, чтобы вдыхаемый воздух проник в лег-кие. После вдувания каждой порции воздуха делают четыре мас-сажных движения на сердце.

Непрямой массаж сердца можно прекратить лишь тогда, ко-гда сердце начнет работать самостоятельно.

Во время проведения лабораторной работы может начаться землетрясение. При этом нельзя поддаваться панике, нужно спо-койно, но быстро встать и отойти к внутренней стене в лаборато-рии или коридоре. В наиболее безопасных при землетрясении местах сделаны соответствующие надписи на стене.

ПОМНИТЕ! Добежать из лаборатории до безопасного места вне здания вы можете не успеть!

6

А. ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМ СВЯЗИ С ОДНОПОЛОСНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ

Цель цикла работ

Ознакомление с методами формирования и обработки радио-

сигналов с однополосной модуляцией, их свойствами и основны-ми характеристиками, экспериментальное исследование модуля-торов и детекторов однополосных сигналов и способов формиро-вания каналов связи для передачи сигналов с однополосной моду-ляцией.

Краткие сведения

Модуляцией называется процесс изменения одного или не-скольких параметров радиочастотного колебания в соответствии с изменением параметров модулирующего сигнала. Несущее коле-бание с помощью модуляции образует радиочастотный сигнал. Модулирующий сигнал содержит в себе подлежащую передаче информацию.

В морской подвижной связи в основном используются узко-полосные сигналы (ширина спектра передаваемых частот не пре-вышает 15…20% от значения несущей частоты). Математической моделью такого сигнала является гармонический сигнал:

)cos()( = ⋅ 00ω +ϕtAtS , (А.1)

где А – амплитуда, ϕ (t) = (ω0t + ϕ0) – текущая фаза; ϕ0 – началь-ная фаза; ω0 =2πf0 – круговая частота; f0 - несущая частота.

Из выражения (А.1) следует, что для осуществления модуля-ции возможно изменение амплитуды гармонического колебания, его частоты или фазы, а также комбинации этих параметров. Так при однополосной модуляции одновременно изменяются ампли-туда и фаза гармонического колебания.

Радиосигналы, используемые в системах связи, должны обо-значаться в соответствии с занимаемой ими полосой частот и их классификационной характеристикой.

7

Необходимая ширина полосы частот выражается тремя циф-рами и одной буквой. Буква занимает положение запятой, отде-ляющей целую часть от дробной (в десятичной дроби) и указыва-ет единицу измерения: Н – Гц; К – кГц; М – МГц; G – ГГц (на-пример, 2К40 соответствует ширине спектра 2,4 кГц). Первый знак в обозначении не может быть нулем или буквой К, М, G.

При упрощенном описании класса излучения применяют со-четание трех символов.

Излучения классифицируются и обозначаются в соответст-вии с их основными характеристиками. Основными характери-стиками являются:

• первое обозначение — тип модуляции основной несущей; • второе обозначение — характер сигнала (сигналов), мо-

дулирующего (модулирующих) основную несущую; • третье обозначение — тип передаваемой информации. Модуляция, используемая лишь кратковременно и от случая к

случаю (такая модуляция часто используется для передачи опо-знавания и вызова), может не учитываться при условии, что при этом не увеличивается необходимая ширина полосы.

Первое обозначение — тип модуляции основной несущей. Излучение немодулированной несущей N;

Излучения, при которых основная несущая модулируется по амплитуде (включая случаи, когда поднесущие имеют угловую модуляцию): двухполосная А; однополосная с полной несущей Н; однополосная с ослабленной несущей или с переменным уровнем несущей R; однополосная с подавленной несущей J; с независимыми боковыми полосами В; с частично подавленной одной из боковых полос С;

Излучения, при которых основная несущая имеет угловую модуляцию: частотная модуляция F; фазовая модуляция G; Излучения, при которых основная несущая имеет амплитудную и угловую модуляцию либо одновременно, либо в заранее установленной последовательности D;

8

Импульсные излучения: последовательность немодулированных импульсов Р; последовательность импульсов: модулированных по амплитуде К; модулированных по ширине или длительности L; модулированных по положению или фазе М; при которой несущая имеет угловую модуляцию во время передачи импульсов Q; представляющая сочетание указанных выше способов или производимая другими методами V; Прочие случаи, отличные от указанных выше, при которых излучение состоит из основной несущей, модулированной либо одновременно, либо в заранее установленной последовательности сочетанием двух или более из следующих методов модуляции: амплитудной, угловой, импульсной W; Прочие случаи Х.

Второе обозначение — характер сигнала (сигналов), модули-

рующего (модулирующих) основную несущую. отсутствие модулирующего сигнала О; один канал, содержащий квантованную или цифровую информацию без использования модулирующей поднесущей 1; один канал, содержащий квантованную или цифровую информацию при использовании модулирующей поднесущей 2; один канал с аналоговой информацией 3; два или более каналов, содержащие кван- тованную или цифровую информацию 7; два или более каналов с аналоговой информацией 8; сложная система с одним или несколькими каналами, содержащими квантованную или цифровую информацию, совместно с одним или несколькими каналами, содержащими аналоговую информацию 9; прочие случаи Х.

9

Третье обозначение — тип передаваемой информации. отсутствие передаваемой информации N; телеграфия для слухового приема А; телеграфия для автоматического приема В; факсимиле С; передача данных, телеметрия, телеуправление D; телефония (включая звуковое радиовещание) Е; телевидение (видео) F; сочетание двух или более из следующих выше типов W; прочие случаи X.

При использовании классификационной характеристики, со-держащей 5 символов, четвертое обозначение содержит подроб-ные данные о сигнале, а пятое – характер уплотнения.

Например, запись 2К70J3EJN обозначает следующее: сигнал с шириной спектра 2,7 кГц (2К70) с однополосной модуляцией с подавленной несущей (J) аналоговой (3) телефонии (Е) комерче-ского качества (J) без уплотнения (N).

Рассмотрим способы формирования сигналов с однополосной модуляцией. Для простоты рассмотрим различные способы моду-ляции лишь одной частотой модулирующего сигнала (гармониче-ским колебанием вида tU Ω⋅ cos ).

При амплитудной модуляции несущее гармоническое колеба-ние изменяется по амплитуде модулирующим сигналом (рис. А.1). Мгновенное значение модулированного тока, круговая частота которого ω0, при модуляции частотой Ω записывается:

ttIIi нн 0cos)cos( ωΩ⋅Δ+= , (А.2)

нI – амплитуда тока несущей частоты; нIΔ - максимальное

изменение тока несущей частоты при модуляции.

10

На рис. А.1 до момента времени t1 модуляция отсутствует ( ). 0=Δ нI

Рис. А.1

Выражение (2) можно представить в виде:

),cos(5,0)cos(5,0coscos)cos

000

0

Ω++Ω−+==Ω+=

ωωωω

ннн

н

mItmItIttmIi

(А.3)

где - коэффициент амплитудной модуляции (

0 ≤ m ≤ 1). нн IIm /Δ=

Выражение (А.3) показывает, что при модуляции одной час-тотой Ω спектр амплитудно-модулированного колебания содер-жит несущую частоту Iн cosω0t и две боковые - 0,5mIн cos(ω0+Ω)t и 0,5mIн cos(ω0 - Ω)t, симметрично сдвинутые относительно несу-щей частоты ω0 на частоту Ω вверх и вниз (рис. А.2а). Ширина спектра составляет 2Ω.

На рис.А.2б изображен спектр амплитудно-модулированного сигнала при модуляции двумя частотами Ωн и Ωв. Во время мо-дуляции режим генератора модулированных колебаний изменяет-ся. При отсутствии модуляции (m = 0) излучается только несущая частота, излучаемая мощность определяется:

Aнн RIP ⋅= 2

21

, (А.4)

где RА – сопротивление излучения антенны.

11

Рис. А.2 Амплитуда тока в максимальном режиме:

)1()1(max mIII

IIII нн

нннн +=

Δ+=Δ+= . (А.5)

Мощность в максимальном режиме:

Aн RmIP 22max )1(

21

+= . (А.6)

При m = 1, Рmax = 4 Pн, т.е. мощность в максимальном режиме при 100% модуляции больше мощности в режиме несущей часто-ты в 4 раза.

Мощность одной боковой частоты:

481)5,0(

21 2

222 mPmRIRmIP н

AнAнбок === . (А.7)

Мощность двух боковых частот:

22

2mPP нбок = . (А.8)

При амплитудной модуляции передача информации осуще-ствляется с помощью боковых частот, при этом при m = 1 на долю боковых частот приходится лишь половина мощности несущей и одна восьмая максимальной мощности. Средний коэффициент модуляции при телефонии m ≈ 0,3. В этом случае мощность двух боковых частот составляет примерно 5% от мощности, несущей, а

12

одной - примерно 2,5% от мощности несущей. Это свидетельству-ет об энергетической неэффективности амплитудной модуляции.

Энергетически более выгодной является однополосная моду-ляция, являющаяся разновидностью амплитудной модуляции. Она может быть получена из амплитудной путем выделения одной боковой полосы из спектра амплитудно-модулированного сигнала путем преобразований. На рис. А.3 изображён спектр однополос-но-модулированного сигнала при модуляции двумя частотами Ωн и Ωв , где ω0 – несущая частота.

Рис. А.3 В режиме однополосной модуляции ширина спектра состав-

ляет Ωв - Ωн, что более чем в два раза меньше, чем при амплитуд-ной модуляции. Сужение полосы в два раза эквивалентно улуч-шению отношения сигнал – шум (по напряжению) примерно в

2 раз, а по мощности - в 2 раза. Кроме того, при однополосной модуляции наблюдается

уменьшение селективного замирания (селективный фединг ). В более узком спектре частот явление селективного фединга суще-ствует в меньшей степени, что даёт выигрыш по напряжению сиг-нала тоже примерно в 2 раз, а по мощности - в 2 раза.

Ещё одним выигрышем при однополосной модуляции являет-ся возможность увеличения в радиопередатчике амплитуды боко-вых частот (при амплитудной модуляции они равны 0.5 m Iн) до величины амплитуды несущей частоты. Это соответствует увели-чению тока боковой частоты в два раза и эквивалентно выигрышу по мощности в 4 раза. Таким образом, теоретически общий выиг-рыш по мощности будет 16 - кратным.

В классе излучения J3E передаются сигналы однополосной телефонии с подавленной несущей. Ширина полосы передавае-мых частот Bп , если спектр звуковых частот расположен в полосе 300…3000 Гц, будет равна 2,7 кГц. Сигналы класса J3E с верхней боковой полосой применяются в судовой радиосвязи в СЧ, ВЧ диапазонах.

13

В классе излучения Н3E передаются сигналы однополосной телефонии с полной несущей. Ширина полосы передаваемых час-тот Bп =3 кГц. Сигналы класса Н3E применялись в переходный период от двухполосной телефонии к однополосной телефонии J3E. В настоящее время данный класс излучения разрешен только на частоте 2182 кГц.

Класс излучения J2B используется для передачи цифровых последовательностей УБПЧ и ЦИВ в диапазонах СЧ, ВЧ. В классе излучения J2B используется формирователь однополосного сиг-нала с поднесущей частотой 1700 Гц. Ширина полосы передавае-мых частот при B=100 бод, D=85 Гц составляет 304 Гц.

В классе излучения J3C передаются сигналы одного канала черно-белого факсимиле с однополосной модуляцией несущей аналоговым сигналом. Несущая частота подавлена.

Модуляторы однополосных сигналов

Классы излучений J3E, H3E и J2В относятся к однополосной

модуляции (ОБП), для получения которой в настоящее время ис-пользуется метод многократной балансной модуляции с после-дующей фильтрацией, а при формировании радиосигналов одно-полосной модуляции непосредственно на несущей частоте наи-большее распространение получил фазокомпенсационный метод.

В основу фазокомпенсационного метода формирования од-нополосного сигнала положена фазовая компенсация колебаний нерабочей боковой полосы частот и несущей частоты при сложе-нии в общей нагрузке системы n–фазовых симметричных напря-жений несущей частоты, модулированных такой же системой на-пряжений низкой частоты.

Функциональная схема формирования сигнала ОБП для слу-чая n=2 приведена на рис. А.4. Принцип работы подобного фор-мирователя поясняют следующие соотношения, справедливые при единичных амплитудах сигналов и коэффициентах передачи отдельных блоков равных единице:

UвыхБМ1 =U·sinΩt·sinωt = 0,5U·[cos(ω-Ω)t - cos (ω+Ω)t];

UвыхБМ2 = U·cosΩt·cosωt = 0,5U·[cos(ω-Ω)t +cos (ω+Ω)t];

Uвых = UвыхБМ1 + UвыхБМ2 = U·cos(ω-Ω)t. (А.9)

14

При реализации фазокомпенсационной схемы для полного подавления нерабочей боковой полосы необходимо обеспечить равенство коэффициентов передачи балансных модуляторов БМ1 и БМ2 и поворот фазы колебаний с частотами Ω и ω фазовраща-телях ϕ1 и ϕ2 на 90 градусов во всей полосе рабочих частот.

Рис. А.4

Неидеальность фазочастотных характеристик фазовращате-лей и неравенство коэффициентов передачи балансных модулято-ров существенно ухудшают подавление не рабочей боковой поло-сы частот. Особенно сложным с этой точки зрения является кон-струирование низкочастотного фазовращателя, поскольку он дол-жен обеспечить заданный фазовый сдвиг в широком диапазоне звуковых частот(например, 300…3000 Гц для передатчиков связи морской подвижной службы). Поэтому фазокомпенсационный метод формирования сигнала с ОВП может быть рекомендован для практического использования в тех случаях, когда вопросы уменьшения габаритов оборудования имеют решающее значение, а требования к подавлению ненужных частотных компонентов невелики (не более минус 30… 40дБ).

В судовой аппаратуре радиосвязи ПВ/КВ диапазона обычно используется фильтровой способ формирования однополосного сигнала. Структурная схема модулятора однополосного сигнала фильтровым методом приведена на рис. А.5.

Рис. А.5 15

Однополосный сигнал получают на выходе балансных моду-ляторов (БМ-1, БМ-2). На вход БМ-1 подается опорный сигнал с синтезатора частоты (СЧ) и модулирующий сигнал. Спектр сиг-нала на выходе БМ-1 содержит две боковые полосы с подавлен-ной несущей. Этот сигнал подается на фильтр Ф-1 для выделения верхней боковой полосы. В качестве фильтра обычно использу-ются магнитострикционные электромеханические фильтры (ЭМФ), которые можно применять на частотах до 0,5…1 МГц. На выходе БМ-1 получают однополосный сигнал на вспомогательной поднесущей частоте (500 кГц). Для переноса информации в диа-пазон рабочих частот (1,6…27,5 МГц) на частоту сигнала fc требу-ется частотное преобразование сигнала c помощью второго ба-лансного модулятора БМ-2. Частота, поступающая на вход БМ-2, должна быть равной 1ff c + . Обычно эта частота подается на вход БМ-2 с синтезатора частот (СЧ).

Демодуляция однополосных сигналов

Однополосный сигнал с подавленной несущей (J3E) при мо-дуляции гармоническим колебанием представляет собой гармо-ническое колебание вида:

( ) tAmtu cc )cos(2

Ω+= ω . (А.10)

Амплитудное детектирование такого сигнала даст постоянное напряжение, пропорциональное его амплитуде (mA/2), частотное детектирование – также постоянное напряжение, пропорциональ-ное частоте Ω. На выходе же демодулятора надо иметь перемен-ное напряжение с частотой сообщения (модуляции) Ω. Следова-тельно, детектировать сигнал только одной боковой полосы час-тот нельзя, нужно передавать несущую (Н3Е и R3E) или создавать искусственно в приемнике (J3E) колебания несущей частоты ωс.

Если к амплитудному детектору подвести сумму напряжений опорного колебания и боковой полосы принятого сигнала:

∑=

Σ +Ω+++=n

iiicic tUtUtu

100 ],)cos[()cos()( ϕωϕω

то огибающая суммарного напряжения при условии >> с достаточно высокой точностью может быть представлена выра-жением:

0U iU

16

∑=

+Ω+≈n

iiii tmUU

10 )]cos(1[ ϕ , (А.11)

где mi = Ui /U0 - коэффициент амплитудной модуляции. Эта огибающая обычного АМ-колебания и будет воспроизве-

дена на выходе детектора. Таким образом, демодуляторы однополосных сигналов с по-

давленной несущей строятся на основе балансных смесителей (БС) по схеме синхронного детектора (рис. А.6). Напомним, что на выходе балансного смесителя так же, как и на выходе баланс-ного модулятора, отсутствует несущая частота опорного гетеро-дина (ОГ). Отклонение номинала восстанавливаемой несущей частоты от подавленной несущей частоты однополосного сигнала не должна превышать величины 10 Гц.

При существующей стабильности частоты синтезаторов час-тот (±10 Гц) это условие выполнимо.

Рис. А.6 Однополосный сигнал в современных ПВ/КВ радиостанциях

наиболее часто формируют фильтровым способом. Для эффек-тивного подавления несущей модулятор выполняется по баланс-ной схеме. В ряде радиостанций одни и те же устройства с изби-рательными фильтрами промежуточных частот используются и в передатчике, и в приемнике, модулятор передатчика выполняет функции демодулятора приемника. В качестве примера на рис. А.7 приведена принципиальная схема модулятора/демодулятора радиостанции FS-1562.

17

Рис. А.7

Основу модулятора передатчика и демодулятора сигналов

класса J3E, F1B и J2B приемника составляет балансный смеситель на высокочастотной диодной сборке в интегральном исполнении ND433G.

При переключении радиостанции в режим «передачи» цен-тральный процессор приемопередатчика подключает с помощью аналогового ключа S выход усилителя модулирующих частот к средним точкам катушек индуктивности L5 и L2 смесителя, рабо-тающего в режиме балансного модулятора. Элементы С4, С5 и R10 выполняют функции фильтра нижних частот, ограничивая спектр модулирующего сигнала на уровне 3 кГц.

Напряжение поднесущей частоты 455 кГц поступает на мо-дулятор с коллектора транзистора VT3 согласующего усилителя через трансформаторную связь (L4, L5) от синтезатора частоты.

Вследствие симметричности балансного модулятора колеба-ние поднесущей частоты в спектре выходного сигнала, который выделяется на контуре (L1, С3), сильно подавлено.

Сигнал с выхода модулятора через усилитель на транзисторе VT1 поступает на соответствующий фильтр (каналы формирова-ния телефонного или телексного сигнала), где происходит подав-ление нижней боковой полосы и остатка поднесущей.

При переключении радиостанции в режим «приема» к катуш-ке индуктивности L2 смесителя, работающего в режиме балансно-го демодулятора однополосного сигнала, подключается выходной каскад усилителя второй промежуточной частоты (455 кГц), вы-

18

полненный на биполярном транзисторе VT2. Напряжение частоты 455 кГц, поступающее от синтезатора через транзистор VT3, иг-рает роль восстановленной несущей, необходимой для демодуля-ции сигнала J3E.

Напряжение звуковой частоты снимается со средних точек катушек индуктивности L5 и L2 и через фильтр нижних частот (элементы С4, С5 и R10) передается на УНЧ приемника.

Смеситель симметричный, поэтому он одинаково эффективно осуществляет преобразование сигнала как в режиме модулятора, так и демодулятора.

19

Более подробно с особенностями различных видов модуля-ции и способов их получения и детектирования можно ознако-миться, например, по [1].

Лабораторная работа 1

Исследование фильтрового метода формирования однополосных сигналов

Цель работы

Ознакомление с фильтровым методом формирования радио-

сигналов с однополосной модуляцией, экспериментальное иссле-дование модулятора однополосных сигналов судового передатчи-ка СЧ и ВЧ диапазонов КОРВЕТ-2.

Описание лабораторной установки

Макет с исследуемым модулятором устанавливается в стенд БИС-Р. Питание макета осуществляется от двухполярного источ-ника (+12,6 В и -12,6 В) БП-15. Блок коммутации выполнен на реле с рабочим напряжением 27 В, включение необходимого ре-жима макета осуществляется подключением этого напряжения от источника БП-30 на соответствующие гнезда макета.

Для исследования модуляторов используется испытательный гармонический (синусоидальный) сигнал с выхода измерительно-го генератора частотой 100 кГц. Оценку амплитуды сигнала на входе макета и его выходе можно выполнять с помощью осцилло-графа или вольтметра.

Генератор несущего колебания и испытательного сигнала класса А3Е Г4-18 подключается к гнездам «Вход 2» стенда, а к гнездам «Вход 1» стенда – генератор модулирующего колебания Г3-120. Осциллограф С 1-112 или цифровой вольтметр В7-38 — к контрольным гнездам макета в соответствии с программой иссле-дований.

Схема макета для исследования однополосных сигналов и модуляторов для их формирования приведена на рис.1.1.

Используется модулятор однополосного сигнала радиопере-датчика КОРВЕТ-2, в котором реализуется фильтровой способ формирования однополосного сигнала. Модулирующий сигнал UΩ чрез усилитель А1 подается с генератора Г3-120 на балансный модулятор U1, на второй вход которого поступает высокочастот-ное напряжение несущей Uω с генератора Г4-18. С выхода моду-лятора двухполосный сигнал без несущей через усилитель пода-

20

ется на один из фильтров (Z1 - фильтр верхней боковой полосы ВБП, Z2 – фильтр нижней боковой полосы НБП). На нагрузке производится сложение выбранной боковой полосы с полной не-сущей, поступающей от генератора Г4-18 через блок коммутации (класс излучения H3E), с ослабленной несущей (класс излучения R3E) или с ослабленной более чем на 46 дБ (подавленной) несу-щей (класс излучения J3E). Классы излучения А1А и А3Е в данной работе формируются для исследования с помощью генератора Г4-18 в режиме внешней модуляции напряжением генератора Г3-120, снимаемого с выхода «~» для сигнала класса А3Е или «П» - для испытательного сигнала класса А1А.

Рис. 1.1

Выбор типа модуляции осуществляется подачей напряжения

27 В на соответствующий вход блока коммутации и подключе-ниями генераторов сигналов к гнездам макета.

Рабочее задание

1. Включить лабораторный макет и все контрольно-измерительные приборы и дать им прогреться в течение 15 минут.

2. Установить на выходе генератора Г4-18 испытательный сигнал частотой 100 кГц и напряжением 0,1 В без модуляции и подать его на гнезда Uω макета.

3. Установить на выходе «~» генератора Г3-120 испытатель-ный сигнал частотой 2 кГц и напряжением 0,5 В и подать его на гнезда UΩ макета.

21

4. Осциллограф подключить к выходным гнездам макета. 5. Пронаблюдать на осциллографе и зарисовать в отчет фор-

му сигналов на выходе макета при включении режимов модуля-ции R3E, H3E и J3E для верхней и нижней боковых полос.

6. Установить на генераторе Г4-18 модуляцию испытательно-го сигнала частотой 2 кГц и глубиной 30 % в режиме внешней модуляции от генератора Г3-120 и зарисовать осциллограммы этого сигнала в отчет:

- для класса А3Е модулирующее напряжение снимается с гнезда «~» генератора Г3-120;

- для класса А1А модулирующее напряжение снимается с гнезда «П» генератора Г3-120.

7. Сравнить полученные осциллограммы. Сделать выводы по полученным результатам и записать их в отчет.

Контрольные вопросы

1. Нарисовать векторную диаграмму сигнала класса А1A. 2. Нарисовать векторную диаграмму сигнала класса А3Е. 3. Нарисовать векторную диаграмму сигнала класса R3Е. 4. Нарисовать векторную диаграмму сигнала класса H3Е. 5. Нарисовать векторную диаграмму сигнала класса J3Е. 6. Нарисовать спектральную диаграмму сигнала класса А1A. 7. Нарисовать спектральную диаграмму сигнала класса А3Е. 8. Нарисовать спектральную диаграмму сигнала класса R3Е. 9. Нарисовать спектральную диаграмму сигнала класса H3Е. 10. Нарисовать спектральную диаграмму сигнала класса J3Е. 11. Нарисовать временную эпюру сигнала класса А1A. 12. Нарисовать временную эпюру сигнала класса А3Е. 13. Нарисовать временную эпюру сигнала класса R3Е. 14. Нарисовать временную эпюру сигнала класса H3Е.

22

15. Нарисовать временную эпюру сигнала класса J3Е.


Исследование фазокомпенсационного метода формирования однополосных сигналов


Ознакомление с фазокомпенсационным методом формирова-

ния радиосигналов с однополосной модуляцией, эксперименталь-ное исследование модулятора однополосных сигналов.


Функциональная схема устройства формирования сигнала с

ОБП фазокомпенсационным методом изображена на рис.2.1. Ко-лебание несущей частоты подается с выхода ССЧ с ФАП, а моду-лирующее колебание низкой частоты – со схемы управления того же синтезатора. Лабораторный макет содержит:

- Фазовращатель сигнала несущей частоты ФВ1 с фиксиро-ванным значением угла поворота фазы, равным ϕ1 =π/2;

- Фазовращатель модулирующего сигнала ФВ2 с перемен-ным значением угла поворота фазы, принимающего 10 дискрет-ных значений, определяемых соотношение:

ϕ2 = π/2 + (А14 ∗ 20 + А15 ∗ 21 + А16 ∗ 22 + А17 ∗ 23) ∗ π/256.

Фазовращатель имеет возможность плавной регулировки

сдвига фазы при помощи ручки «Фаза», размещенной на лицевой панели макета;

- Регулируемый усилитель У, коэффициент передачи кото-рого описывается соотношением:

Ку =К ∗ [1 – (A8 ∗ 20 + A9 ∗ 21 + A10 ∗ 22)/ 100].

Рис. 2.1

23

Имеется возможность плавной регулировки Ку с помощью ручки Uмод, расположенной на передней панели макета;

- два идентичных балансных модулятора БМ1 и БМ2; - схему сложения, представляющую собой резистивный

сумматор. Функциональная схема цифрового активного синтезатора с

ФАП и ДПКД в цепи обратной связи, который в данной лабора-торной работе используется как генератор несущего колебания и генератор модулирующего сигнала, приведена на рис.2.2.

Рис. 2.2

В состав синтезатора входят:: - ОКГ, работающий на частоте 1000 кГц; - Делитель частоты Д1 с коэффициентом деления NД1 =

1000; - ИФД типа «выборка-запоминание», который выполнен

на стандартном устройстве выборки - хранения. - ФНЧ, предоставляющий собой интегрирующую RC –

цепь первого порядка. Полоса пропускания ФНЧ может принимать два дискретных значения – 50 и 1000 Гц (кнопка А15 в положении выкл. и вкл. соответственно);

- ГУН, частота выходных колебаний которого в зависимо-сти от поданного управляющего напряжения может при-нимать значения в интервале 1900…2600 кГц. ГУН имеет дополнительный вход для осуществления частотной мо-дуляции с помощью встроенного генератора низкой час-тоты;

- Делитель частоты на два Д2;

24

- Фазовый манипулятор (ФМ), на вход которого подается модулирующая последовательность импульсов с частотой следования 316,25 ГЦ (в этой работе не используется);

- ДПКД, коэффициент деления которого может произволь-но изменяться в пределах от 2000 до 2510 с шагом 1. Из-менение коэффициента деления ДПКД осуществляется с помощью дешифратора устройства управления;

- Устройства управления, включающее дешифратор ко-манд управления ДПКД, перестраиваемый генератор низ-кой частоты для осуществления однополосной модуляции и генератор прямоугольных импульсов со скважностью два для осуществления частотной и фазовой манипуля-ции. Устройство управления позволяет изменять род ра-боты ССЧ в соответствии с табл. 2.1.

Частота выходного сигнала ССЧ определяется выражением

fВых = (А0 ∗ 20 + A1 ∗ 21 +…A7 ∗ 27 + 1000) кГц,

и может изменяться в пределах 1000…1255 кГц с шагом сет-ки 1 кГц,

Таблица 2.1

А14 А15 А8 А9 А10 Режим работы 0 Х Х Х Х Петля ФАПЧ замкнута 1 Х Х Х Х Петля ФАПЧ разомкнута Х 1 Х Х Х Полоса пропускания ФНЧ

ΔF=50 Гц Х 0 Х Х Х Полоса пропускания ФНЧ

ΔF=1000 Гц Х Х 0 0 Х Немодулированные колебания Х Х 0 1 Х Частотная модуляция Х Х 1 0 0 Двухуровневая частотная теле-

графия Х Х 1 1 0 Многоуровневая частотная теле-

графия Х Х 1 0 1 Двухуровневая фазовая телегра-

фия Х Х 1 1 1 Многоуровневая фазовая теле-

графия

25

Частота колебаний генератора низкой частоты, используемо-го для осуществления модуляции, может принимать восемь дис-кретных значений и определяется соотношением

fмод = 2х ∗250 Гц,

где х = (А11∗20+А12∗21+А13∗22). В стенде предусмотрена возможность подключения к выходу

схемы формирования однополосного сигнала внешних измери-тельных приборов.

Лабораторный стенд допускает три режима работы: 1. Режим ручного управления с использованием внешних

измерительных приборов (двухлучевого осциллографа, электрон-носчетного частотомера, анализатора спектра и вольтметра посто-янного тока), подключаемых к соответствующим разъемам.

2. Режим автоматизированного управления и регистрации результатов экспериментальных исследований с помощью ПЭВМ типа IВМ РС. В этом случае наблюдение осциллограмм осущест-вляется с помощью внешнего двухлучевого осциллографа, а спек-трограмм – с помощью анализатора спектра.

3. Режим ручного управления и автоматизированной реги-страции экспериментальных данных с помощью ПЭВМ.

При использовании последних двух режимов инструкция по выполнению работы содержится в программном обеспечении для управления и визуализации экспериментальных исследований (MakeLab 1.0). Для перехода к второму и третьему режимам рабо-ты необходимо подключить выход последовательного порта ПЭВМ (СОМ2) к входу «ЭВМ» на задней панели макета и запус-тить программу MakeLab 1.0. Последовательность дальнейших действий описана в соответствующих разделах программы.


1. Исследовать особенности формирования сигналов с одно-

полосной модуляцией фазокомпенсационным методом. В поле переключателей «тип схемы» нажать кнопку «4».

Пользуясь клавиатурой управления, установить заданную препо-давателем частоту выходных колебаний. На частоте модулирую-щего сигнала 8 кГц произвести балансировку схемы, добиваясь

26

минимизации уровня нерабочей боковой полосы последователь-ной регулировкой ручек «Uмод» и «Фаза» при ϕ2=π⁄ 2 (А14,…, А17 = 0) и Ку = К (А8 = А9 = А10 = 0).

2. С помощью анализатора спектра снять зависимость отно-сительного уровня нерабочей боковой полосы от фазового сдвига в фазовращателе модулирующего сигнала ϕ2 . Изменение ϕ2 осу-ществляется нажатием клавиш А14…А17 (см. описание макета). Построить соответствующую зависимость.

1. С помощью анализатора спектра снять зависимость отно-сительного уровня нерабочей боковой полосы от модуля коэффи-циента передачи Ку (клавиши А8, А9, А10) в одном из каналов тракта формирования сигнала с ОБП при ϕ2 =π⁄ 2. Построить по-лученную зависимость.

27

4. Записать в отчет краткие выводы по полученным результатам.


1. Поясните способ формирования сигнала класса J3Е фазо-компенсационным методом.

2. Поясните способ формирования сигнала класса H3Е фазо-компенсационным методом.

3. Поясните способ формирования сигнала класса R3Е фазо-компенсационным методом.

4. Почему фазокомпенсационный метод формирования сиг-нала класса J3Е сложно применять для широкополосных модули-рующих сигналов?

5. Предложите вариант схемы фазовращателя для несущего колебания и поясните его работу.

6. Предложите вариант схемы фазовращателя для модули-рующего сигнала и поясните его работу.

28


Исследование способов детектирования однополосных сигналов


Ознакомление со способами детектирования радиосигналов с

однополосной модуляцией, экспериментальное исследование синхронного детектора однополосных сигналов.


Макет с исследуемыми детекторами однополосных сигналов (синхронным детектором на аналоговом перемножителе 140МА1, диодным и транзисторным) подключается к стенду БИС-Р. Пита-ние макета осуществляется от двухполярного источника (+12,6 В и -12,6 В) БП-15. Включение необходимого по программе иссле-дований детектора макета осуществляется переключателем «Тип детектора» макета.

Для исследования детекторов используются: • испытательный сигнал А3Е с выхода измерительного ге-

нератора Г4-18; • однополосный сигнал Н3Е с выхода модулятора однопо-

лосных сигналов; • однополосный сигнал J3Е с выхода модулятора однопо-

лосных сигналов. Оценку амплитуды сигнала на входе макета и его выходе

можно выполнять с помощью осциллографа или вольтметра. Форма сигнала на входе и выходе детектора оценивается по ос-циллограммам.

Генератор несущего колебания (Г4-18) и испытательного сигнала подключается к гнездам «Вход сигнала» макета, а к гнез-дам «Выход 1» – осциллограф С1-112.

На рис. 3.1 представлены схемы детектирования однополос-ного сигнала.

29

Блок детекторов содержит 3 отдельных детектора для обработ-ки сигналов с полной несущей (А1А, Н3Е и А3Е), рис. 3.1,а, с ос-лабленной несущей (R3E), рис. 3.1,б, и без несущей (J3E), рис. 3.1,в.

Для детектирова-ния сигналов класса излучения R3E остаток несущей выделяется узкополосным фильт-ром Z3, настроенным на частоту 100 кГц, и через усилитель А6 с регули-руемым коэффициен-том усиления подается на синхронный детек-тор U3.

Детектирование однополосного сигнала осуществляется на син-хронном детекторе U4.

Рис. 3.1

Рабочее задание 1. Включить лабораторный макет и все контрольно-

измерительные приборы и дать им прогреться в течение 15 минут. 2. Установить на выходе генератора Г4-18 испытательный

сигнал частотой 100 кГц и напряжением 10…20 мВ без модуля-ции и подать его на разъем «Вход сигнала» макета.

3. Установить на генераторе Г4-18 модуляцию испытательно-го сигнала частотой 2 кГц и глубиной 30 % в режиме внешней модуляции от генератора Г3-120.

4. Осциллограф подключить к выходному разъему «Выход 1» макета.

30

5. Пронаблюдать на осциллографе и зарисовать в отчет фор-му сигналов на выходе макета для трех типов детекторов.

6. Включить модулятор однополосного сигнала (исследован-ный в лабораторной работе 1. Подключить его выход к разъему «Вход сигнала» макета по исследованию амплитудных детекто-ров.

7. Пронаблюдать на осциллографе и зарисовать в отчет фор-му сигналов на выходе «Вых.1» макета для трех типов детекторов при включении режимов модуляции R3E, H3E и J3E для верхней боковой полосы.

8. Сравнить полученные осциллограммы. Сделать выводы по полученным результатам и записать их в отчет.


1. Поясните способ детектирования сигналов класса J3Е. 2. Поясните способ детектирования сигналов класса H3Е. 3. Поясните способ детектирования сигналов класса R3Е. 4. Почему синхронный детектор сложно применять в радио-

вещательных приемниках? 5. Предложите вариант схемы детектора для детектирования

сигналов класса H3Е и поясните его работу. 6. Предложите вариант схемы детектора для детектирования

сигналов класса R3Е и поясните его работу.

31

7. Предложите вариант схемы детектора для детектирования сигналов класса J3Е и поясните его работу.


Исследование каналов связи с использованием однополосных сигналов

Цель работы Ознакомление с возможностью приема радиосигналов с од-

нополосной модуляцией на приемник сигналов А3Е, эксперимен-тальное исследование искажений сигналов при различии классов излучения и типов демодуляторов приемника.


Работа выполняется на профессиональном судовом приемни-ке ПВ/КВ диапазона EKD-300.

Особенностью этого приемника является возможность неза-висимого включения фильтров с разной полосой пропускания, подключения на выходе линейной части разных типов детекторов (А3Е, R3E, H3E и J3E) и точной настройки с шагом 10 Гц на лю-бую частоту в диапазоне от 100 кГц до 30 МГц.

Примечание: При выполнении настройки приемника необхо-димо помнить, что классы излучения на передней панели прием-ника указаны в соответствии со старым классификатором. Пере-вод классов приведен в табл. 4.1.

Таблица 4.1 Старое обозначение А3 A3H A3A A3J Новое обозначение А3Е H3E R3E J3E

Перед установкой частоты настройки приемника необходимо

нажать клавишу х на тостатуре, а затем набрать цифровое значе-ние настройки (например, 01233,00 кГц). Для возможности плав-ной настройки необходимо дополнительно нажать клавишу ≠ .


1. Включить приемник в режим приема двухполосного сиг-нала (А3Е) с полосой ±3000 Гц и настроиться на прием вещатель-ной радиостанции (например, 01233,00 кГц). С помощью плавной настройки добиться наилучшего приема сигнала.

2. Проверить качество приема этой станции при включении разных комбинаций детекторов (классов сигналов А3Е, R3E, H3E

32

и J3E) и полос пропускания фильтров УПЧ приемника. После ка-ждого переключения с помощью плавной настройки добиться наилучшего приема сигнала.

Свои впечатления и выводы по результатам записать в отчет. 3. Включить приемник в режим приема однополосного сиг-

нала (J3Е) с полосой +2700 Гц и настроиться на прием судовой радиостанции (например, в диапазоне 7500…8500 кГц). С помо-щью плавной настройки добиться наилучшего приема сигнала.

4. Проверить качество приема этой станции при включении разных комбинаций детекторов (классов сигналов А3Е, R3E, H3E и J3E) и полос пропускания фильтров УПЧ приемника. После ка-ждого переключения с помощью плавной настройки добиться наилучшего приема сигнала.

Свои впечатления и выводы по результатам записать в отчет. 5. Включить приемник в режим приема однополосного сиг-

нала с полной несущей (Н3Е) с полосой ±3000 Гц и настроиться на прием судовой радиостанции на частоте вызова и бедствия (2182 кГц). С помощью плавной настройки добиться наилучшего приема сигнала.

6. Проверить качество приема этой станции при включении разных комбинаций детекторов (классов сигналов А3Е, R3E, H3E и J3E) и полос пропускания фильтров УПЧ приемника. После ка-ждого переключения с помощью плавной настройки добиться наилучшего приема сигнала.

Свои впечатления и выводы по результатам записать в отчет.

Методические указания

Управление передатчиком КОРВЕТ-2 Судовой передатчик КОРВЕТ-2 диапазонов ПВ/КВ работает

в интервалах частот 405…526,5; 1606,5…3800; 4000…4650; 6200…6525; 8100…8815; 12230…13200; 16360…17410; 18780…19800; 22000…22855; 25010…25600 кГц и на дополни-тельной частоте 5580 кГц. Установка частоты декадная с шагом 100 Гц. Передатчик обеспечивает работу с классами излучения A1A, H2A, F1B, J3E, H3E, R3E, G1B и J7B.

Управление передатчиком КОРВЕТ-2 может осуществляться с местного (ПМУ) или дистанционного (ПДУ) пультов.

33

При подготовке передатчика к работе необходимо: За 30 мин до начала работы для прогрева термостатов опор-

ного генератора подать сетевое питание на передатчик. На табло должна загореться надпись «Термостат»;

открыть дверцу передатчика и убедиться в том, что сигналь-ные красные лампочки, в том числе «Перегрев ОГ» и «БЧМ», не горят;

при работе на парных дуплексных частотах переключатель установить в положение «Дуплекс», при этом разрешается рабо-тать только на следующих частотах: 4063…4143; 6200…6218,6; 8195…8291,1; 12330…12429; 16460…16587,1; 22000…22 124 кГц;

закрыть дверцу передатчика. Порядок работы: Выбрать для дальнейшей работы ПДУ или ПМУ; 1) нажать кнопку «Питание вкл.» Ответная сигнализация –

подсветка кнопки, на табло гаснет надпись «Термостат» и загора-ется на 2 мин надпись «Ждать». По этой команде включаются все источники блока питания управления, цепи накала ламп выходно-го каскада и вентилятор;

2) установить кнопкой класс излучения. Ответная сигнализа-ция – подсветка нажатой кнопки. При этой команде включаются соответствующие блоки формирования информации возбудителя;

3) установить частоту и нажать кнопку «Настройка». Ответ-ная сигнализация – подсветка установленной частоты и кнопки «Настройка». По этой команде включаются соответствующие це-пи блока реле и возбудителя, а также коммутируются фильтры;

4) после того, как погаснет надпись «Ждать», нажать кнопку «25% Вкл.» или «100% Вкл.». Ответная сигнализация – подсветка нажатой кнопки и на табло загорается надпись «Готов». По этой команде включается анодно-экранный блок питания, и устанавли-вается уровень возбуждения предварительно усилителя;

5) подключение цепей ключа, микротелефона или телеграф-ного аппарата происходит автоматически по сигналу «Готов» в следующем порядке: при нажатой кнопке «А1А» или «Н2А» к пе-редатчику подключается ключ; при нажатой кнопке «JЗE» к пе-редатчику подключается микротелефон; при нажатой кнопке «J7В», «F1В» или «G1В» к передатчику подключается телеграф-ный аппарат;

34

6) чтобы переключить род работы и частоту, необходимо: нажать кнопку «Анод выкл.». Ответная сигнализация - гас-

нет надпись «Готов», подсветка кнопки «25% Вкл.» или «100% Вкл.»; нажать кнопку нужного рода работы, при этом гаснет под-светка кнопки ранее установленного рода работы и загорается подсветка вновь установленного рода работы; установить новую частоту и нажать кнопку «Настройка». Ответная сигнализация – гаснет подсветка прежней и загорается подсветка новой частоты. После окончания настройки загорается подсветка кнопки «На-стройка»; нажать кнопку «25% Вкл.» или «100% Вкл.». Ответная сигнализация – подсветка кнопки, загорается «Готов». При сбросе настройки (гаснет подсветка кнопки «Настройка») повторно на-жать кнопку «Настройка»;

7) при появлении надписи «Непрерывно» или отсутствии от-ветной сигнализации дальнейшие операции не производить. Не-обходимо открыть дверцу передатчика, по сигнальным лампочкам и встроенным приборам установить причину неисправности и устранить ее;

8) для выключения передатчика нажать кнопки «Анод. Выкл.» и «Питание выкл.». Ответная сигнализация – гаснет под-светка на пультах управления, а на табло в течение 4 – 5 мин го-рит надпись «Ждать», а затем загорается надпись «Термостат», после чего можно снять сетевое питание с передатчика.

П Р Е Д У П Р Е Ж Д Е Н И Е. Категорически запрещается снимать напряжение питания с передатчика во время горения сиг-нала «Ждать», так как в это время происходит охлаждение ламп выходного каскада передатчика;

9) для включения автоподатчика сигнала тревоги нажать кнопку «Тревога-2182». Ответная сигнализация – подсвечивается кнопка и на табло загорается надпись «Тревога». На пультах бу-дет подсвечиваться кнопка «100% Вкл.» и отклоняться стрелка прибора. Следует иметь в виду, что при включении автоподатчика автоматически происходит сброс ранее установленной частоты и класса излучения, набирается частота 2182 кГц и передатчик из-лучает радиотелефонный сигнал тревоги;

10) для передачи сообщения голосом, нажать кнопки «НЗЕ» и «100% Вкл», снять трубку микротелефона и нажать тангенту;

11) при снятии с передатчика анодного питания настройку необходимо повторить, для чего предварительно произвести

35

сброс. Повторное нажатие кнопки «Настройка» без предваритель-ного сброса НЕДОПУСТИМО.

Примечание: При выполнении п.п. 4..8 в качестве источника испы-тательного сигнала класса R3E, H3E или J3E можно использовать установленную в лаборатории судовую радиостанцию ПВ/КВ диапазона.


1. На приемники с какими типами детекторов можно при-

нимать сигналы с классом излучения А3E? 2. На приемники с какими типами детекторов можно при-

нимать сигналы с классом излучения Н3E? 3. На приемники с какими типами детекторов можно при-

нимать сигналы с классом излучения R3E? 4. На приемники с какими типами детекторов можно при-

нимать сигналы с классом излучения J3E? 5. Какие сигналы (по классу излучения) можно детектиро-

вать синхронным детектором? 6. Зачем требуется восстановление несущей при приеме

сигналов с классом излучения J3E? 7. Как можно восстановить несущую при приеме сигналов

с классом излучения J3E? 8. Как можно восстановить несущую при приеме сигналов

с классом излучения R3E? 9. Какие особенности необходимо учитывать при разработ-

ке приемника однополосного сигнала?

36

Б. ИССЛЕДОВАНИЕ МНОГОКАНАЛЬНЫХ СИСТЕМ

СВЯЗИ С ЧАСТОТНЫМ РАЗДЕЛЕНИЕМ КАНАЛОВ

Цель цикла работ

Ознакомление с методами частотного разделения каналов в многоканальных системах связи, свойствами и основными харак-теристиками избирательных цепей, экспериментальное исследо-вание фильтров, согласованных со спектральными характеристи-ками канальных сигналов.

Краткие сведения В радиоэлектронике основными аналоговыми преобразова-

ниями сигналов принято считать усиление, перемножение (пе-ренос спектра, модуляция, демодуляция), сравнение, ограниче-ние, выпрямление и частотную фильтрацию сигналов. Эти пре-образования образуют функционально полную систему, позво-ляющую выполнять любую аналоговую обработку сигналов.

Фильтром называют четырехполюсник, предназначенный для выделения из состава подведенного к его входу сложного электрического колебания частотных составляющих, располо-женных в заданной области, и для подавления частотных состав-ляющих, расположенных во всех других областях частот.

Область частот, где фильтр усиливает или мало ослабляет сигнал, называют полосой пропускания, а область частот, где ос-лабление входного электрического колебания велико, - полосой задерживания. Чем больше разница между усилением и ослабле-нием, тем сильнее выражены фильтрующие свойства цепи.

Электрические фильтры применяются для выделения (и пропускания) требуемого сигнала из смеси полезных и мешаю-щих сигналов. Например, при настройке радиоприемника на оп-ределенную станцию с помощью фильтров выделяются сигналы, которые передаются интересующей нас станцией, и подавляются все остальные сигналы. После преобразователя частоты в прием-нике выделяется разностная (или суммарная) частота и подавля-ются составляющие на частоте гетеродина, сигнала и комбинаци-онные частоты ( ± nfс ± mfг), кроме выбранной в качестве проме-жуточной.

37

Помехами, которые необходимо подавить, могут являться собственные шумы предшествующих фильтру электронных устройств, атмосферные шумы, промышленные шумы и т.д.

Если спектр сигнала занимает полосу частот меньше, чем спектр помех, то для выделения сигнала используются фильтры с полосой пропускания, расположение которой согласовано с рас-положением спектра сигнала на оси частот. Если уже спектр по-мехи, то применяют заграждающий (режекторный) фильтр, доби-ваясь совпадения полосы задерживания со спектром помехи.

В зависимости от взаимного расположения полосы пропус-кания и полосы задерживания различают:

- фильтр верхних частот (ФВЧ), имеющий полосу пропус-кания от некоторой частоты ω1 до бесконечности и полосу за-держивания от 0 до ωзад < ω1;

- фильтр нижних частот (ФНЧ), имеющий полосу пропус-кания от 0 до некоторой частоты ω2 и полосу задерживания от некоторой частоты ωзад > ω2 до бесконечности;

- полосовой фильтр (ПФ), имеющий полосу пропускания от частоты ω1 до частоты ω2 и полосу задерживания вне указанного диапазона;

- режекторный (заграждающий) фильтр (РФ) с полосой за-держивания от частоты ω1 до частоты ω2 и полосой пропускания вне указанного диапазона.

Кроме этих четырех основных типов фильтров в радиоэлек-тронных устройствах используются амплитудные (АК) и фазо-вые (ФК) корректоры.

При проектировании фильтров задают границы полосы про-пускания и полосы задерживания, затухание в полосе задержива-ния и коэффициент передачи (усиления) в полосе пропускания, допуск на отклонение характеристики от желаемой. Отклонение АЧХ от желаемой в полосе пропускания называют неравномер-ностью АЧХ. Закон изменения затухания в переходной области обычно не контролируется.

В некоторых случаях задание на проектирование может со-держать дополнительные требования к фазочастотной характе-ристике (ФЧХ) фильтра внутри полосы пропускания.

38

Лабораторная работа N 5 ИССЛЕДОВАНИЕ АКТИВНЫХ RC-ФИЛЬТРОВ


Ознакомление с устройством и принципом работы актив-

ных RC-фильтров, экспериментальная оценка их основных пара-метров и свойств, исследование однозвенных и двухзвенных ак-тивных RC-фильтров на ИМС ОУ К140УД8.

Краткие сведения

При обработке радиотехнических сигналов на сравнительно

низких частотах (менее 100…500 кГц), а также при разработке каскадов радиоэлектронных устройств в интегральном исполне-нии для LC-фильтров требуются индуктивности, имеющие боль-шие габариты, и их нередко заменяют активными RC-фильтрами.

Активные RC-фильтры имеют в своем составе резисторы, конденсаторы и усилительный элемент в виде операционного усилителя. Отсутствие индуктивностей в активных фильтрах по-зволяет выполнять их в интегральной форме. Необходимый фа-зовый сдвиг, моделирующий индуктивность в активных фильт-рах, достигается за счет обратных связей.

Свойства операционного усилителя, применяемого для по-строения активных фильтров, должны быть близки к идеальным (Rвх → ∞, Rвых → 0, Ку → ∞). В этом случае реактивные цепи фильтра будут работать в согласованном с нагрузкой режиме.

На рис. 5.1а представлена схема активного фильтра верхних частот (ФВЧ), который включает в себя инвертирующий ОУ и дифференцирующую цепочку R2C в цепи отрицательной обратной связи, а на рис. 5.1б - частотная характеристика этого фильтра. Резистор R1 ограничивает коэффициент передачи в области высо-ких частот (в полосе прозрачности фильтра) на уровне К = R2 /R1 .

39

а) ФВЧ б) АЧХ ФВЧ

Рис. 5.1.

Схема фильтра нижних частот (ФНЧ) и его частотная харак-теристика приведены на рис. 5.2.

а) ФНЧ б) АЧХ ФНЧ

Рис. 5.2. Если ФНЧ и ФВЧ объединить, то можно получить полосовой

(ПФ) и режекторный (РФ) фильтры, которые без существенных искажений пропускают или задерживают определенную полосу частот, как показано на рис. 5.3 и рис. 5.4.

а) Полосовой фильтр б) АЧХ ПФ

Рис. 5.3

40

а) Режекторный фильтр

б) АЧХ режекторного фильтра

Рис. 5.4 Рассмотренные фильтры являются фильтрами первого поряд-

ка и имеют слабо выраженную характеристику избирательности (коэффициент передачи за пределами полосы пропускания или задержания изменяется только на 6 дБ (в два раза) при изменении частоты сигнала на октаву (в два раза)). Для повышения избира-тельности активных фильтров используют каскадное соединение нескольких одинаковых фильтров или применяют в цепи обратной связи более сложные RC-цепи: двойной Т-мост, мост Вина и др.

На основе использования RC-цепей и ОУ можно синтезиро-вать схемы избирательных усилителей, обладающих способно-стью выделять полезный сигнал, соответствующий заданной час-тоте и полосе частот из всей совокупности сигналов, поступаю-щих на вход усилителя.

В качестве примера на рис. 5.5 приведена схема полосового фильтра демодулятора дискретных сигналов узкополосного бук-вопечатания (УБПЧ) и цифрового избирательного вызова (ЦИВ) приемника судовой радиостанции диапазона ВЧ (КВ) SAILOR.

41

Фильтр построен на 5 операционных усилителях DА1…5, ох-ваченных частотно-зависимыми обратными связями и имеет по-лосу пропускания 100 Гц. Точное значение рабочей частоты (око-ло 3000 Гц) обеспечивается при настройке подбором сопротивле-ния резисторов R4 и R10.

Рис. 5.5

Более подробно об активных фильтрах можно прочитать, на-

пример, в [2, 3].

Описание лабораторной установки Работа выполняется на лабораторном стенде К-32. При вы-

полнении измерений используются следующие контрольно-измерительные приборы:

- генератор сигналов Г 3-120; - осциллограф С 1-112; - цифровой вольтметр В 7-38; - милливольтметр В 3-38. Макет с исследуемым устройством (плата УС9) устанавли-

вается на стенд К-32. Макет содержит три устройства: ФНЧ, ФВЧ и суммирующий усилитель на микросхемах КР140УД8А (опера-ционный усилитель общего применения).

Переменные резисторы R5, R12 и R18 служат для начальной балансировки ОУ, резисторы R11 и R15 позволяют изменять ко-

42

эффициент передачи фильтра в полосе пропускания соответст-венно ФНЧ и ФВЧ.

Составление необходимой для исследования схемы выполня-ется с помощью специальных перемычек. Имеется возможность изменять частоту среза ФВЧ за счет подключения дополнитель-ных конденсаторов С2 и С3 параллельно С4.

Входной сигнал макета поступает на гнездо XS2 с гнезд Вход 1 стенда К-32.


1. Собрать лабораторную установку для исследования

ФНЧ согласно рис.5.6.

Рис. 5.6

Подать на вход активного фильтра нижних частот (гнездо

XS4) испытательный сигнал частотой 100 Гц, амплитудой 500 мВ. Убедиться в работоспособности макета. С помощью рези-

стора R12 выполнить балансировку усилителя, добившись ра-венства нулю постоянного выходного напряжения операционного усилителя.

2. Установить резистор R11 в среднее положение. Уровень входного сигнала установить по отсутствию искажений на выходе фильтра. Выполнить измерения согласно табл. 5.1 и построить частотную характеристику фильтра, контролируя напряжение сигнала на его входе. Частоты измерений выбрать самостоя-тельно по условию построения АЧХ.

3. Повторить программу п.2 для крайнего левого и правого положения регулятора R11. Сделать выводы по полученным ре-зультатам и записать их в отчет.

43

Таблица 5.1 f, Гц 10 10000

Uвх, мВ Uвых, мВ

К= Uвых /Uвх

4. Собрать лабораторную установку для исследования ФВЧ согласно рис.5.7.

Рис. 5.7

Подать на вход активного фильтра верхних частот (гнездо

XS5) испытательный сигнал частотой 100 кГц и амплитудой 500 мВ. Убедиться в работоспособности макета. С помощью резисто-ра R18 выполнить балансировку усилителя, добившись равенства нулю постоянного выходного напряжения операционного усили-теля.

5. Установить резистор R15 в среднее положение. Выполнить измерения согласно табл. 5.2 и построить частотную характери-стику фильтра, поддерживая напряжение сигнала на его входе таким, чтобы отсутствовали заметные искажения на выходе. Час-тоты измерений выбрать самостоятельно по условию построе-ния АЧХ.

Таблица 5.2 f, Гц 10 100000


К= Uвых /Uвх 6. Повторить программу п.5 для крайнего левого и правого

положения регулятора R15. Сделать выводы по полученным ре-зультатам и записать их в отчет.

44

7. Изменить емкость конденсатора, включенного в цепь прямой передачи, подключив с помощью перемычек параллельно конденса-тору С3 конденсаторы С4 и С5. Повторить программу п.5. Сделать выводы по полученным результатам и записать их в отчет.

8. Собрать лабораторную установку для исследования поло-сового фильтра согласно рис.5.8.

Рис. 5.8

Подать на вход полосового активного фильтра (гнездо XS4)

испытательный сигнал частотой 100 Гц и амплитудой 500 мВ. Убедиться в работоспособности макета.

9. Установить резисторы R11 и R15 в среднее положение. Выполнить измерения согласно таблице 5.3 и построить час-

тотную характеристику фильтра.

Таблица 5.3 f, Гц


К= Uвых /Uвх 10. Собрать лабораторную установку для исследования ре-

жекторного фильтра согласно рис.5.9. Установить резисторы R11 и R15 в среднее положение. Проверить балансировку операцион-ных усилителей, при необходимости выполнить балансировку с помощью резисторов R12, R18 и R6.

Подать на вход активного режекторного фильтра (гнезда XS4" и XS5) испытательный сигнал частотой 100 кГц и амплиту-дой 500 мВ. Убедиться в работоспособности макета.

11. Выполнить измерения согласно таблице 5.4 и построить частотную характеристику фильтра. Частоты измерений выбрать самостоятельно по условию построения АЧХ.

45

Примечание: При отсутствии области подавления (режекции) сигнала, добиться ее подбором величины резисторов R11 и R15.

Рис. 5.9

Таблица 5.4

f, Гц Uвх, мВ Uвых, мВ

К= Uвых /Uвх Ваши выводы по результатам лабораторной работы запишите

в отчет. Контрольные вопросы

1. Каково назначение фильтров в радиоэлектронных устрой-

ствах? 2. Дайте характеристику основным типам фильтров. 3. Почему в интегральных усилителях часто используется

активные фильтры? Какие фильтры называют "активными"? 4. Нарисуйте схему и дайте характеристику активному

фильтру нижних частот.

46

5. Нарисуйте схему и дайте характеристику активному фильтру верхних частот.

6. Нарисуйте схему и дайте характеристику активному поло-совому фильтру.

7. Нарисуйте схему и дайте характеристику активному ре-жекторному фильтру.

8. Как можно повысить крутизну склонов АЧХ активного фильтра?

47

9. Поясните понятие "неравномерность частотной характе-ристики" фильтра.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 6

ИССЛЕДОВАНИЕ ГРЕБЕНЧАТЫХ ФИЛЬТРОВ

Цель работы Ознакомление с устройством и принципом работы нерекур-

сивных и рекурсивных гребенчатых фильтров, экспериментальная оценка их основных параметров и частотных характеристик, при-обретение навыков их синтеза и настройки.

Краткие сведения Очень часто в системах связи информация передается с ис-

пользованием различных видов импульсной и цифровой модуля-ции. В этих случаях сигнал представляет собой последователь-ность радио- или видеоимпульсов, отстоящих друг от друга на время, кратное Т.

Спектр такого сигнала является периодическим, со сравни-тельно узкими максимумами на частотах, кратных частоте повто-рения, причем максимумы разделены между собой областями весьма малых значений. Спектр периодической последовательно-сти видеоимпульсов имеет вид гребенки, как показано на рис. 6.1, и поэтому называется гребенчатым.

Рис. 6.1

Свойство гребенчатости характерно для спектров последова-

тельностей видео- и радиоимпульсов с огибающей любой формы, поэтому оптимальные фильтры для любых последовательностей импульсов должны содержать устройство с гребенчатой частот-ной характеристикой. Такое устройство получило название «гре-бенчатый фильтр».

48

Рассмотрим систему, состоящую из линейного четырехполюс-ника с коэффициентом передачи Κ(iω) и «идеальной» линии задерж-ки Т, с выхода которой напряжение U2 вводится обратно в цепь воз-буждения последовательно с входным сигналом U1 (рис. 6.2).

Рис. 6.2

Под идеальной подразумевается линия, в которой время за-

держки Т не зависит от частоты. Коэффициент передачи подобной линии принимается равным е −iωТ . При этом предполагается, что затухание линии учитывается четырехполюсником К(iω), вклю-чающим в себя также и линейное усиление, то есть коэффициент передачи прямой цепи равен К(iω)е−iωТ.

Для коэффициента передачи устройства с обратной связью можно получить следующую формулу:

Τ−

Τ−

−== ω

ω

ωωω i

i

eiKeiK

UUiK )(1

)()(1

20 (6.1)

При достаточно большой величине Т для изменения фазы в

кольце на 1800 требуется относительно малое изменение частоты. Главной особенностью системы с запаздывающей обратной свя-зью является поэтому то, что в достаточно широкой полосе частот обязательно имеются частоты, при которых обратная связь явля-ется отрицательной, и частоты, при которых обратная связь поло-жительна.

Первые из этих частот соответствуют условию ωТ - arg K(iω) = (2k + 1) π, k = 0, 1, 2, 3 …, (6.2,а)

а вторые ⎯

ωΤ - arg K (iω) = 2kπ, k = 0, 1, 3… (6.3,б)

49

Вблизи частот, соответствующих отрицательной обратной связи, модуль коэффициента передачи К(iω) может быть сколь угодно большим. При частотах же, соответствующих положи-тельной обратной связи, для устойчивости системы модуль К(iω) обязательно должен быть меньше единицы. В дальнейшем мы бу-дем исходить из условия, что в интересующей нас полосе частот К(ω) либо вообще не изменяется, либо изменяется слабо. Поэтому условие устойчивости сводится к неравенству

К(ω) < 1,

которое должно выполняться на всех частотах 0<ω<∞.

Считая это условие выполненным, перепишем выражение (6.1) в виде геометрической прогрессии

K0(iω) = Κ(iω)e-iωΤ 1+K(iω)e-iωΤ + [K(iω)]2e-i2ωΤ + … =

=Κ(iω)e-iωΤ + [K(iω)]2e-i2ωΤ + [[K(iω)]3e-i3ωΤ + … (6.3) Соответственно

U2 = U1 Κ(iω)e-iωΤ + U1 [K(iω)]2e-i2ωΤ + … (6.4) Правую часть этого выражения можно трактовать как сумму

комплексных амплитуд напряжений, являющихся результатом последовательных циркуляций в замкнутом кольце обратной свя-зи: слагаемое U1 Κ(iω)e-iωΤ «проходит» один раз через четырехпо-люсник K0(iω) и линию задержки, слагаемое U1 [K(iω)]2e-i2ωΤ про-ходит два раза и т.д.

Найдем амплитудную и фазовую характеристики передаточ-ной функции K0(iω). Для этого подставим:

β = 1; ϕβ = 0; ϕΚ = ϕ − ωΤ.

Здесь через ϕ обозначен аргумент K0(iω), т. е. фазовая харак-

теристика усилителя. Тогда получим

( ) ( )( ) ( ) ( )

,cos21 20

ωωϕωωω

KKKK

+Τ−−= (6.5)

50

( ) ( ) ( )( ) ( ).cos1

sin0 Τ−−

Τ−+Τ−=

ωϕωωϕωωϕωϕ

KKarctg (6.6)

Поведение амплитудной и фазовой характеристик коэффици-

ента передачи К0(iω) существенно зависит от свойств четырехпо-люсника К(iω), входящего в кольцо обратной связи. Некоторые важные для практики случаи рассматрим дальше.

Сначала допустим, что К(iω) = К = const и ϕ(ω) = 0 при 0<ω<∞, т. е. что четырехполюсник составлен из одних лишь оми-ческих сопротивлений. Тогда при частотах, отвечающих первому условию (6.2а), сos ωΤ = - 1 и К0(ω) в соответствии с формулой (6.5) имеет экстремумы типа минимума, а при частотах, отвечаю-щих второму условию (6.2,б), К0(ω) проходит через максимумы.

Таким образом, минимальные значения амплитудной харак-теристики

( )K

KK k +=+

1120 ω (6.7)

а максимальные

( )K

KK k −=

120 ω (6.8)

Частотный интервал между двумя соседними максимумами

(или минимумами), как это ясно из (6.2), при arg K (iω) = 0 равен

;21 Τ=Δ

πω .1

1 Tf =Δ (6.9)

Амплитудно-частотная характеристика четырехполюсника с

задержкой в цепи обратной связи имеет вид «гребенки». Фильтры с такими характеристиками получили название «гребенчатых» фильтров.

Ширина 2Δω0 каждого зубца гребенки, определяемая по ос-лаблению на границах до 0,707 от максимума, может быть найде-на из соотношения

51

( )

( ) ( ),

21

cos211

02

20

020 =Δ−+

−=

Δ±

TKKK

KK

k

k

ωωωω

откуда

( ) .

211

214cos

22

0 KK

KKKT −

−=−−

=Δω (6.10)

При значениях К, близких к единице, cos Δω0Τ так же мало

отличается от единицы и можно записать

( ) .2

11cos2

0KT −

−≈Δω

С другой стороны, разлагая cos Δω0Τ в степенной ряд и учи-

тывая лишь первые два члена ряда (что можно сделать, когда cosΔω0Τ близок к единице), получаем

( ) .!2

1cos2

00

TT ωω Δ−≈Δ

Приравнивая правые части последних двух выражений, нахо-

дим, что Δω0Τ≈1−Κ, а вся «полоса пропускания» одного зубца гребенки

.122 0 TK−

=Δω (6.11)

С приближением К, т.е. коэффициента передачи разомкнуто-

го тракта кольца, к единице, толщина зубцов гребенки очень бы-стро уменьшается. Это свойство гребенчатого фильтра весьма ценно для выделения периодических сигналов из шумов или лю-бых других помех с «размытым» спектром. Если задержка Т равна периоду повторения сигналов, то в зубцы гребенки попадают со-ответствующие компоненты дискретного спектра сигнала и лишь

52

небольшая доля компонентов спектра помехи. Таким образом достигается повышение отношения сигнал/помеха на выходе фильтра по сравнению с таким же отношением на его входе. Сле-дует, однако, отметить, что при введении в кольцо обратной связи усиления, приближающего К к единице, резко снижается запас устойчивости системы и появляется опасность возникновения са-мовозбуждения (паразитной генерации).

Обратимся к рассмотрению фазовой характеристики гребен-чатого фильтра вблизи одной из частот ω2k, соответствующей максимуму амплитудной характеристики, с учетом того, что ϕ = 0, а ωΤ = (ω2k+Δω)Τ = 2kπ+ΔωΤ:

( )( )( ) .

cos1sin220 ΤΔ−

ΤΔ−ΤΔ−−=Δ+

ωωπωωϕ

KKarctgkk

ω (6.12)

Наклон фазовой характеристики определяется производной

( ) .cos21

cos1cos21

cos22

20

KTKTKT

TKKTKTKTT

dd

+Δ−Δ−

−=Δ−+

−Δ−−=

Δ ωω

ωω

ωϕ

(

6.13) В точке Δω = 0, т.е. при ω → ω2k,

( ) .1

1211

200

KT

KKKT

dd

−−=

+−−

−=Δ =Δωωϕ

(6.14′)

Можно заметить, что наклон фазовой характеристики в зуб-

цах гребенки превышает время задержки во столько же раз, во сколько модуль коэффициента передачи Κ0(ω2k) четырехполюсни-ка с обратной связью превышает модуль К коэффициента переда-чи разомкнутого тракта.

Все приведенные выше соотношения были получены при до-пущении о равномерности амплитудно-частотной характеристики Κ(ω). В реальных системах это условие, конечно, не имеет места. Нетрудно, однако, учесть влияние неравномерности характеристи-ки Κ(ω) на форму гребенки. Как правило, в пределах одного зубца

53

изменением Κ(ω) можно пренебрегать. Медленное же изменение

этой характеристики на широких частотных интервалах порядка T1

и более можно учесть подстановкой в формулы значений Κ(ω), соответствующих рассматриваемому участку диапазона.

При этом оказывается, что даже незначительное изменение Κ(ω) приводит к резкому, особенно при Κ(ω)→1, изменению ам-плитуды «зубцов».

Линейная система с положительной обратной связью обладает свойствами, противоположными свойствам отрицательной обрат-ной связи: усугубление неравномерности амплитудной характери-стики и увеличение фазовых сдвигов, присущих четырехполюсни-ку разомкнутого тракта. Имеет место также подчеркивание нели-нейных искажений, возникающих в усилительном элементе кольца.

В заключение рассмотрим свойства коэффициента передачи К0(р) на комплексной плоскости р = σ + iω.

Записывая выражение в операторной форме [Κ(iω) → Κ(p) = Κ , где Κ считаем действительным и постоянным]

( ) pt

pT

KK

pK −

−

−=

10 (6.15)

и приравнивая знаменатель нулю, находим особые точки (полю-сы) функции К0(р):

1- Ke-p

nT = 0, e p

nT = K.

рnT = a ± in2π,

A = 1nK ≈ - (1 – K),

Таким образом,

.21T

inT

Kpnπ

±−

−=

ωωπ

ω deiKtg ti∫+∞

∞−

= )(21)(

54

и подставляя место К0(iω) формулу (6.2), получаем для импульс-ной характеристики четырехполюсника с задержкой Т в цепи об-ратной связи следующее выражение:

[ ]∫∫+∞

∞−

−+∞

∞−

− ++= ...)(21)(

21)( )2(2)( ωω

πωω

πωω deiKdeiKtg TtiTti (6.16)

Первое слагаемое представляет собой импульсную характе-

ристику четырехполюсника К(iω), смещенную во времени на ве-личину Т (в сторону запаздывания).

Второе слагаемое является импульсной характеристикой каскадного соединения двух одинаковых четырехполюсников К(iω) с общим коэффициентом передачи [К(iω)] 2. Величина вре-мени запаздывания в данном случае равна 2Т. Третье слагаемое определяет импульсную характеристику каскадного соединения трех четырехполюсников К(iω) с общей задержкой ЗТ и т.д.

Таким образом, выражение (6.16) определяет импульсную характеристику четырехполюсника с обратной связью в виде на-ложения импульсов, циркулирующих по замкнутому кольцу об-ратной связи, причем каждый последующий импульс пробегает на один четырехполюсник К(iω) больше, чем предыдущий. Как пра-вило, с возрастанием номера циркуляции длительность отдельных импульсных характеристик возрастает. Поэтому если на первых пробегах эти функции при достаточно большой задержке Т не пе-рекрываются во времени, то в дальнейшем такое перекрытие яв-ляется неизбежным.

Отсюда видно, что после n-го пробега длительность им-пульса возрастает в n раз (по сравнению с первым пробегом), а

амплитуда импульса снижается в 1−nAn

раз.

Этот результат можно сформулировать в виде общего прави-ла: сужение полосы пропускания четырехполюсника, входящего в кольцо обратной связи, приводит к убыстрению убывания цирку-лирующих импульсов и увеличению их длительности.

Таким образом, для 0 < t < T напряжение на выходе системы равно нулю, для T < t < 2T это напряжение определяется первым

55

слагаемым, для 2T < t < 3T полное выходное напряжение является суммой первых двух слагаемых, для 3T < t < 4T – суммой трех слагаемых и т.д.

В тех случаях, когда входной сигнал e(t) имеет характер им-пульсов с длительностью, меньшей, чем время задержки Т, при-чем при последовательной циркуляции по кольцу эффект удлине-ния импульсов проявляется незаметно. каждое слагаемое опреде-ляет полное выходное напряжение в соответствующие моменты времени.

Рассмотрим включение гармонической э.д.с. e(t) = E0 sinωt в момент t = 0.

Задавая определенную функцию К(р) и подставляя изображе-ние синусоидальной э.д.с. по формуле

,sin)( 2200

0 pEdtteEpE pt

+== ∫

∞

ωωω

нетрудно найти каждое из слагаемых правой части выражения. По истечении достаточно большого времени на выходе системы ус-тановится напряжение с частотой ω и комплексной амплитудой.

Пусть сигнал на входе гребенчатого фильтра имеет вид пе-риодической последовательности импульсов произвольной фор-мы с периодом повторения Т, равным времени задержки фильтра. Этот случай представляет основной интерес для практики, так как гребенчатый фильтр широко применяется для фильтрации именно периодических сигналов, точнее, «пачки» одинаковых импульсов с постоянными временными интервалами.

Полагая, как и ранее K(iω) = K = const, а также считая линию задержки «идеальной», приходим к следующему очевидному ре-зультату: каждый входной импульс порождает на выходе системы серию импульсов, отстоящих один от другого на время Т и имеющих амплитуды, убывающие по закону К0, К 20, К 30,…

Нетрудно установить, что огибающая выходных импульсов

нарастает по закону )1()1(Ttk

e−−

− , как это и должно быть при им-пульсной характеристике. Таким образом, имеет место накопле-ние сигнала.

56

К этому же результату можно прийти и с помощью спек-трального подхода: разлагая входной сигнал в ряде Фурье и при-меняя в каждой гармонике результаты, полученные в предыдущем пункте для случая включения синусоидальной э.д.с., найдем, что после окончания процесса установления амплитуда каждой из

гармоник на выходе увеличивается в K−1

1 раз. Так как частоты

всех гармоник кратны величине Tπ2

, то фазовые соотношения в

спектре сохраняются и выходные импульсы, совпадая по фазе с

входными, возрастают в K

K−1

раз.

При учете инерционности четырехполюсника К(iω) задача сильно усложняется, так как приходится учитывать не только ос-лабление амплитуды, но и изменение формы импульса при после-довательных циркуляциях по кольцу обратной связи.

Не останавливаясь более подробно на рассмотрении подоб-ных задач, ограничимся приведенными выше рассуждениями, весьма наглядно поясняющими суть процесса накопления в гре-бенчатом фильтре при совпадении периода повторения сигналов с временем задержки в кольце обратной связи.

Для систем с обратной связью без специальных линий за-держки метод расчета, основанный на циклическом обходе замк-нутой системы, по существу является всего лишь формальным приемом.

При сигналах же, коротких по сравнению с временем задерж-ки, использованное в предыдущих параграфах данной главы по-нятие о «циркуляции» сигналов в кольце отображает реальный физический процесс.

Для современной радиоэлектроники особый интерес пред-ставляют «кольца», способные обеспечивать достаточно большое число циркуляций без заметного искажения сигнала. Помимо то-го, что подобная система представляет собой гребенчатый фильтр, она может быть использована в качестве «памяти», т.е. устройст-ва, запасающего информацию.

Чем меньше искажения претерпевает сигнал при пробеге по кольцу, тем меньше разрушается содержащаяся в нем информа-

57

ция и тем, следовательно, большее число циркуляций может быть использовано для запасания информации. Ясно поэтому, что дли-тельность памяти подобного устройства, иногда называемого ре-циркулятором, равна времени задержки Т, умноженному на число неискаженных циркуляций n.

Построение рециркуляторов на большие значения n пробегов сигнала по кольцу эквивалентно одному пробегу того же сигнала через n каскадно соединенных четырехполюсников, каждый из которых содержит все элементы кольца. При этом резко подчер-киваются все дефекты амплитудно- и фазочастотных характери-стик усилителей, используемых в кольце для компенсации весьма большого затухания линии задержки.

Для более отчетливого представления о возникающих труд-ностях полезно напомнить, что при снижении на какой-либо час-тоте амплитудно-частотной характеристики в кольце до К (отно-сительно максимального значения, приравненного единице), не-равномерность тракта, эквивалентного n пробегам, составляет К n.

Так например, при ослаблении всего лишь на 1%, то есть при К = 0,99 и n = 100, ослабление характеристики эквивалентного тракта из 100 четырехполюсников составит 0,99100 ≈ 0,37.

В связи с этим простые рециркуляторы «амплитудного» ти-па пригодны практически для относительно небольшого числа циркуляций, не превышающего нескольких десятков.

Для увеличения памяти используются приемы, основанные на различных преобразованиях входного сигнала.

Общий смысл этих приемов заключается в том, чтобы по возможности ослабить требования к характеристикам кольца.

Более подробно о фильтрах можно прочитать, например, в [8].

Описание лабораторной установки Работа выполняется на лабораторном стенде К-32. При вы-

полнении измерений используются следующие контрольно-измерительные приборы:

- генераторы сигналов Г 4-18 и Г 3-120; - генератор шума;

- осциллограф С 1-112; Макет с исследуемым устройством (плата УС9) устанавли-

вается на стенд К-32. Макет содержит суммирующий усилитель и 58

линию задержки с регулируемым усилителем задержанного сиг-нала. Усилители выполнены на микросхемах КР140УД8А (опе-рационный усилитель общего применения). Схема макета пред-ставлена на рис. 6.3.

Переменные резисторы R6 и R12 служат для начальной ба-лансировки ОУ, резистор R11 позволяет изменять коэффициент передачи усилителя задержанного сигнала.

Рис. 6.3.

Составление необходимой для исследования схемы выпол-

няется с помощью специальных перемычек. Имеется возможность подключать к макету генератор шума.

Входной сигнал для исследований подается на гнездо XS3 макета.


1. Выполнить предварительную настройку усилителей маке-

та, для чего: • произвести балансировку усилителей (резисторы R6 и R12),

добившись равенства нулю постоянного напряжения на вы-ходах усилителей;

59

• соединить перемычкой гнезда XS3 и XS5; • подать на дополнительное гнездо XS3 от генератора Г4-18

испытательный немодулированный сигнал с частотой 300 кГц и напряжением 50 мВ;

• вращением переменного резистора R11 добиться равенства переменных напряжений на выходах усилителей (гнезда XS10 и XS8). 2. Собрать лабораторную установку для исследования нере-

курсивного гребенчатого фильтра согласно рис.6.4 Подать на вход фильтра нижних частот (гнездо XS3) испытательный сигнал частотой 300 кГц, амплитудой 50 мВ.

Рис.6.2.

Плавно меняя частоту испытательного сигнала в обе стороны,

добиться минимума напряжения на выходе фильтра (гнездо XS10). С помощью резисторов R11 выполнить окончательную на-

стройку фильтра, добившись минимально возможного значения переменного напряжения на его выходе.

3. Выполнить измерения согласно табл. 6.1 и построить АЧХ фильтра, поддерживая напряжение сигнала на его входе рав-ным 50 мВ.

60

Таблица 6.1 fc. кГц Uвых, В К=Uвых/Uвх

4. Перенести перемычку с гнезда XS7 в гнездо XS9. Повто-

рить программу п.3. Сделать выводы по полученным результатам и записать их в

отчет. 5. Собрать лабораторную установку для исследования рекур-

сивного фильтра согласно рис.6.5.

Рис. 6.5.

6. Выполнить программу п.2. 7. Выполнить программу п.п. 3 и 4. Ваши выводы по результатам лабораторной работы запиши-

те в отчет.

61

62


1. Каково назначение фильтров в радиоэлектронных устрой-

ствах? 2. Дайте классификацию основных типов фильтров. 3. Какие фильтры называют "гребенчатыми"? 4. Нарисуйте схему и дайте характеристику нерекурсивно-

му (трансверсальному) гребенчатому фильтру. 5. Нарисуйте схему и дайте характеристику рекурсивному

гребенчатому фильтру. 6. Как можно повысить крутизну склонов АЧХ гребенчатого

фильтра? 7. Поясните назначение гребенчатых фильтров в радиотех-

нических системах.

Литература

1. Судовая радиосвязь. /Под ред. Профессора Устинова Ю.М. СПб.: Судостроение, 2002

2. Руководство по радиосвязи для использования в морской подвижной и морской подвижной спутниковой службе. МСЭ: Женева, 1999.

3. Системы радиосвязи./Под ред. Калашникова Н.И..-М.: Ра-дио и связь, 1988.

4. Правила по оборудованию морских судов. Российский Морской Регистр судоходства. – СПб., 1999.

5. Коломбет Е.А. Микроэлектронные средства обработки аналоговых сигналов. - М.: Радио и связь, 1991. - 376 с.

6. Каяцкас А.А. Основы радиоэлектроники. - М.: Высшая школа, 1988.- 464 с.

7. Шило В.Л. Линейные интегральные схемы в радиоэлек-тронной аппаратуре. - М.: Советское радио, 1974.

8. Лезин Ю.С. Оптимальные фильтры и накопители импульс-ных сигналов. - М.: Советское радио, 1963. – 320 с

Лабораторная работа №...

Documents

Transcript of Лабораторная работа №...