HABERLEŞME TEORİSİ LABORATUVARI Deney...
Transcript of HABERLEŞME TEORİSİ LABORATUVARI Deney...
DOĞA BİLİMLERİ, MİMARLIK VE MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ
ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ
EEM-0307
2018-2019 Güz Dönemi
HABERLEŞME TEORİSİ
LABORATUVARI
Deney 2
FREKANS MODÜLASYONUNUN
İNCELENMESİ
Deneyi Yapanın Değerlendirme
Adı – Soyadı: Katılım ve Performans (50/100): / 100
Sonuçların Yorumlanması (50/100): / 100
Numarası:
Deney Grubu: RAPOR NOTU: / 100
Deney Tarihi: Değerlendiren:
İmza: İmza:
BURSA TEKNİK ÜNİVERSİTESİ
ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ
2018-2019 GÜZ YARIYILI
EEM-0307 HABERLEŞME TEORİSİ LABORATUVARI
HABERLEŞME SİSTEMLERİ 2
ANALOG HABERLEŞME (FM)
Taşıyıcı sinyalin sinüsoidal olduğu haberleşme sistemidir. Sinüs işareti formül olarak;
)2sin(. FV ya da
)2sin(. FIi ’dır.
Formülde;
- Zamana bağlı değişen ani gerilim (Volt)
V - Gerilim tepe değeri (Volt)
F - Frekans (Hz)
- Faz açısı (Derece)
i - Zamana bağlı değişen ani akım (Amper)
I - Akım tepe değeri (Amper)
Dikkat edilirse eşitlikte V ya da (genlik) , F (frekans) ve (açı) gibi değişen üç parametre
vardır. Modülatör katında bilgi sinyali taşıyıcı sinyalin hangi parametresini değiştiriyor ise, yapılan
modülasyon o parametre adı ile söylenir. Buna göre analog haberleşme modülasyon çeşitleri;
1. Genlik (Amplitude) modülasyonu (GM)
2. Frekans (Frequency) modülasyonu (FM)
3. Faz (Phase) modülasyonu (PM)’dir.
Taşıyıcı sinyal frekansının bilgi sinyaline bağlı değiştirilmesine frekans modülasyonu (FM)
denir. Frekans modülasyonu yapılırken taşıyıcı sinyal, bilgi sinyali ve elde edilen modüleli
sinyallerin tamamı sinüzoidal sinyallerdir.
Bildiğimiz gibi haberleşme sistemlerinde kullanılan sinyallerin en yüksek frekanslısı taşıyıcı
(Fc) sinyaldir. Deney setimizde kullanılan taşıyıcı sinyallerin frekansları osiloskop ekranında rahat
izlenebilmesi için olabildiğince küçük tutulmuştur. Buna rağmen değişken sinyallerin normal
osiloskoplarda görülmesi çok zordur. Bu nedenle deneylerde en az 2x40MHz çift kanallı hafızalı
(storage) osiloskop kullanılması gerekmektedir.
BURSA TEKNİK ÜNİVERSİTESİ
ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ
2018-2019 GÜZ YARIYILI
EEM-0307 HABERLEŞME TEORİSİ LABORATUVARI
HABERLEŞME SİSTEMLERİ 3
DENEY: 2.1 FREKANS MODÜLASYONUNUN İNCELENMESİ
HAZIRLIK BİLGİLERİ
Taşıyıcı sinyal frekansının bilgi sinyaline bağlı değiştirilmesine frekans modülasyonu (FM)
denir. Bir frekans modülatöründeki sinyaller osiloskopta incelenirse Şekil 2.1.1’deki dalga şekilleri
görülür.
Şekil 2.1.1
Taşıyıcı sinyal (Fc) genliği ve frekansı sabit sinüzoidal sinyaldir. Bilgi sinyali (Fm) genliği ve
frekansı belli sınırlar içinde değişen sinüzoidal sinyaldir. Zaman ekseni üzerindeki belli aralıklardaki
frekans modülasyonlu sinyalin değişimini inceleyelim.
“0-A” noktaları arasında bilgi sinyali yoktur. “A” noktasına kadar modüleli sinyal taşıyıcı
sinyalin aynısıdır.
“A-B” noktaları arası bilgi sinyalinin pozitif alternansının yükselme zamanıdır. Modüleli
sinyalin genliği sabit olup frekansı bilgi sinyalinin genliğine bağlı artmaktadır. “B” noktası modüleli
sinyal frekansının taşıyıcı sinyal frekansından en fazla olduğu noktadır.
“B-C” noktaları arası bilgi sinyalinin pozitif alternansının azalma zamanıdır. Modüleli sinyalin
genliği sabit olup, frekansı bilgi sinyalinin genliğine bağlı azalmıştır. “C” noktasında bilgi sinyali
yoktur. Bu noktada modüleli sinyal taşıyıcı sinyalin aynısıdır.
“C-D” noktaları arası bilgi sinyalinin negatif yönde yükselme zamanıdır. Modüleli sinyalin
genliği yine sabit olup, frekansı bilgi sinyalinin genliğine bağlı azalmaktadır. “D” noktası modüleli
sinyal frekansının taşıyıcı sinyal frekansından en az olduğu noktadır.
“D-E” noktaları arası bilgi sinyalinin negatif yönde azalma zamanıdır. Modüleli sinyalin
genliği yine sabit olup frekansı bilgi sinyalinin genliğine bağlı artmaktadır. “E” noktasında bilgi
sinyali yoktur. Bu noktada modüleli sinyal taşıyıcı sinyalin aynısıdır.
BURSA TEKNİK ÜNİVERSİTESİ
ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ
2018-2019 GÜZ YARIYILI
EEM-0307 HABERLEŞME TEORİSİ LABORATUVARI
HABERLEŞME SİSTEMLERİ 4
Özet olarak taşıyıcı sinyalin genliği her zaman sabittir. Bilgi sinyalinin pozitif alternanslarında
taşıyıcı sinyalin frekansı bilgi sinyalinin genliğine bağlı artmıştır. Bu artma bilgi sinyalinin pozitif
tepe değerinde en fazladır. Bilgi sinyalinin negatif alternansında taşıyıcı sinyalin frekansı bilgi
sinyalinin genliğine bağlı azalmıştır. Bu azalma bilgi sinyalinin negatif tepe değerinde en fazladır.
Taşıyıcı sinyalin frekansına merkez frekans denir. Merkez frekansı “FC” (FC=CENTER
FREQUENCY) ile gösterilir. Bilgi sinyalinin taşıyıcı frekansını değiştirmesine frekans sapması
denir. Frekans sapması “ F “ ile gösterilir. Frekans modülasyonlu işaretin frekans spektrumu Şekil
2.1.2’de görülmektedir.
Şekil 2.1.2
Merkez frekansının altındaki F frekans modülasyonlu işaretin frekansının en küçük olduğu
başka sözle bilgi sinyalinin negatif alternansının tepe noktasıdır (PEAK VALUE OF THE
NEGATIVE ALTERNATION OF THE DATA SIGNAL). Merkez frekansının üstündeki F
frekans modülasyonlu işaretin frekansının en büyük olduğu başka sözle bilgi sinyalinin pozitif
alternansının tepe noktasıdır (PEAK VALUE OF THE POSITIVE ALTERNATION OF THE
DATA SIGNAL).
Frekans modülasyonunda çok sayıda yan bant oluşur. Yan bantların etkili olması genliklerine
bağlıdır. Genliği taşıyıcı genliğinin %1’inden küçük olan yan bantlar kullanılmaz. Kullanılan yan
bantların frekans kapsamı frekans modülasyonlu işaretin bant genişliğini belirler. Bant genişliği
formül olarak;
).(2 FmFBG ’dir.
Müzik yayını yapan frekans modülasyonlu radyo vericilerinde (88MHz–108MHz) gerekli bant
genişliği 100KHz’dir.
Frekans modülasyonu birçok yöntemle yapılır. Tüm yöntemlerin esası bir osilatör frekansının
bilgi sinyali ile değiştirilmesidir. Aşağıda çok kullanılan frekans modülasyonu yöntemleri
görülmektedir.
1- Kapasitif mikrofon yöntemi
2- Varikap diyotlu yöntem
3- Gerilim kontrollü osilatör (VCO) yöntemi
BURSA TEKNİK ÜNİVERSİTESİ
ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ
2018-2019 GÜZ YARIYILI
EEM-0307 HABERLEŞME TEORİSİ LABORATUVARI
HABERLEŞME SİSTEMLERİ 5
KAPASİTİF MİKROFON YÖNTEMİ
Frekans modülasyonunun nasıl yapıldığını en kolay anlatan yöntemdir. Kapasitif mikrofonun
özelliği çıkış uçlarında kondansatör özelliği göstermesi ve bu kondansatörün mikrofona gelen ses
dalgalarına göre kapasitesini değiştirmesidir.
Şekil 2.1.3
Şekil 2.1.3’te “L” bobini ve “C” kondansatörü bir osilatörün tank devresidir. Kapasitif
mikrofon tank devresinin kondansatörüne paralel bağlanmıştır. Kapasitif mikrofona gelen ses
dalgaları kapasitif mikrofonun kapasitesini değiştirir. Bu kapasite değişimi osilatör tank devresinin
toplam kapasitesini değiştirir ve buna bağlı osilatörün osilasyon frekansı değişmiş olur. Kapasitif
mikrofona gelen ses dalgaları bilgi sinyalidir. Osilatör frekansının değişimi bilgi sinyalinin genliği
ile doğru orantılıdır.
VARİKAP DİYOTLU YÖNTEM
Varikap diyotlar yüzey birleşmeli silisyum diyotlardır. Varikap diyotların özelliği ters polarma
altında çalışmaları ve uçlarında kondansatör özelliği göstermesidir. Varikap diyotların gösterdikleri
kapasite uçlarına uygulanan gerilim ile ters orantılıdır.
Şekil 2.1.4
Şekil 2.1.4’de seri hartley osilatörünün tank devresi kondansatörüne varikap diyot (VD) ve
kristal mikrofon paralel bağlanmıştır. Varikap diyot ters polarma altındadır. Kristal mikrofona gelen
ses dalgaları kristal mikrofon uçlarında bir elektrik sinyali oluşturur. Bu sinyal gerilimi varikap diyot
uçlarında olduğundan varikap diyotun kapasitesi değişir. Varikap diyotun kapasitesinin değişmesi
tank devresi toplam kapasitesini değiştirir ve buna bağlı osilatörün osilasyon frekansı değişir. Ses
dalgaları yine bilgi sinyalidir. Osilatör frekansının değişimi yine bilgi sinyalinin genliği ile doğru
orantılıdır.
BURSA TEKNİK ÜNİVERSİTESİ
ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ
2018-2019 GÜZ YARIYILI
EEM-0307 HABERLEŞME TEORİSİ LABORATUVARI
HABERLEŞME SİSTEMLERİ 6
GERİLİM KONTROLLÜ OSİLATÖR (VCO) YÖNTEMİ
Gerilim kontrollü osilatörler günümüzde en çok kullanılan osilatörlerdir. Bunun nedeni
montajlarının kolay , çevre elemanlarının az olmasıdır. Gerilim kontrollü osilatörler entegre
devrelerdir. Çıkış işaretleri aynı anda kare, üçgen ve sinüs olan gerilim kontrollü osilatörler vardır.
Şekil 2.1.5 te gerilim kontrollü osilatör (VCO=VOLTAGE CONTROLLED OSCILLATOR) ile
yapılmış frekans modülatörü görülmektedir.
Şekil 2.1.5
IC1=4046 entegresi içinde bir adet VCO ile iki adet faz karşılaştırıcı (PHASE
COMPARATOR) bulunduran entegredir. Şekil 2.1.6 da 4046 nın VCO bölümü ve bu bölümün
terminal bağlantısı görülmektedir.
Şekil 2.1.6
Bilgi sinyali 4046 nın VCO giriş terminaline uygulanmış çıkış işareti VCO çıkış
terminalinden alınmıştır. VCO giriş terminalinde bir sinyal yok iken VCO çıkış ucunda frekansı C1
kondansatörü, R3 direnci ve P1 potansiyometresinin değerleri ile belirlenen kare dalga sinyal oluşur.
Bu sinyal frekans modülatörünün taşıyıcı sinyali (Fc) olarak kullanılır. Bu sinyalin frekansı P1
potansiyometresi ile belli aralıkta ayarlanabilir. Ayarlanan bu frekansa merkez frekansı (Fo) denir.
Devreye bilgi sinyali (Fm) uygulanırsa , bilgi sinyalinin pozitif alternanaslarında VCO nun çıkış
ucundaki sinyalin frekansı artar. Bu artma bilgi sinyalinin genliği ile doğru orantılıdır. Bilgi
sinyalinin negatif alternanslarında VCO nun çıkış ucundaki sinyalin frekansı azalır. Bu azalma yine
bilgi sinyalinin genliği ile doğru orantılıdır.
BURSA TEKNİK ÜNİVERSİTESİ
ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ
2018-2019 GÜZ YARIYILI
EEM-0307 HABERLEŞME TEORİSİ LABORATUVARI
HABERLEŞME SİSTEMLERİ 7
DENEYİN YAPILIŞI
Y-0048/09 modülünü yerine takınız. Devre bağlantılarını Şekil 2.1.7’deki gibi yapınız.
Devreye enerji uygulayınız.
Şekil 2.1.7
Şekil 2.1.7
BURSA TEKNİK ÜNİVERSİTESİ
ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ
2018-2019 GÜZ YARIYILI
EEM-0307 HABERLEŞME TEORİSİ LABORATUVARI
HABERLEŞME SİSTEMLERİ 8
1. Sinüs jeneratörü çıkış işaretinin Frekansını Fm=1KHz, genliğini 500mVpp, ayarlayınız.
Fm IN (TP1) soketinden sinyal girişini ayırınız. CH2 kanalını Fm OUT (TP2) soketine bağlayınız.
Bu anda P1 potansiyometresini Fm OUT (TP2) soketinde 20KHz görünceye kadar ayarlayınız iki
işaretin şekillerini görünüz.
2. Sinüs jeneratörü çıkışını Fm IN (TP1) soketine bağlayınız iki işaretin şekillerini görünüz
ve yorumlayınız.
BURSA TEKNİK ÜNİVERSİTESİ
ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ
2018-2019 GÜZ YARIYILI
EEM-0307 HABERLEŞME TEORİSİ LABORATUVARI
HABERLEŞME SİSTEMLERİ 9
DENEY: 2.2
FREKANS DEMODÜLASYONUNUN İNCELENMESİ
HAZIRLIK BİLGİLERİ
Frekans modüleli bir işarette genlik sabit olup frekans bilgi sinyaline bağlı
değişmektedir. Frekans demodülatörleri girişteki işaretin frekans değişimini lineer (doğrusal)
gerilim değişimine çeviren devrelerdir. Frekans demodülasyonu için iki yöntem kullanılır.
DİSKRİMİNATÖRLÜ YÖNTEM
Frekans modülasyonlu işaretin genlik modülasyonlu işarete çevrilip sonra diyotlu ya da
transistorlu genlik modülatöründen geçirilerek tekrar bilgi sinyalinin elde edildiği devrelerdir.
Şekil 2.2.1
Şekil 2.2.1’de IC1, C1, C2 ve R2 türev alıcı devredir. Frekans modülasyonlu işaretin
türevi alınırsa genlik modülasyonlu işarete dönüşür. IC2, R3 ve R4 eviren yükselteç
devresidir. Eviren yükselteç çıkışında genlik modülasyonlu işaretin genliği yükseltilmiş olarak
elde edilir. D, R5, R6, C4 ve C5 diyotlu genlik demodülatörüdür. Genlik modülasyonlu
işaretin pozitif zarfı algılanarak bilgi sinyali burada tekrar elde edilir. C6 kondansatörü DC
ofset gerilimini sıfırlamak için kullanılmıştır. Diskriminatörlü yöntem pek kullanılmaz.
BURSA TEKNİK ÜNİVERSİTESİ
ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ
2018-2019 GÜZ YARIYILI
EEM-0307 HABERLEŞME TEORİSİ LABORATUVARI
HABERLEŞME SİSTEMLERİ 10
FAZ KİLİTLEMELİ ÇEVRİM YÖNTEMİ
(PLL=PHASE LOCKED LOOP)
Faz kilitlemeli çevrim devresi esas olarak bir geri besleme devresidir. Geri besleme devreleri
çıkış işaretinin bir kısmının tekrar girişe uygulanarak sistemin çalışmasını devamlı kontrol eden
devrelerdir. Faz kilitlemeli, çevrimin yapılabilmesi için temel üç devre gerekir. Bunlar;
1-Faz karşılaştırıcı (PHASE COMPARATOR)
2-Gerilim kontrollü osilatör (VCO=VOLTAGE CONTROLLED OSCILLATOR)
3- Alçak geçiren filtre (LPF=LOW PASS FILTER) dir.
Faz kilitlemeli çevrimin çalışması şekil 2.2.2 de görülen basit blok diyagramla anlaşılabilir.
Şekil 2.2.2
Giriş ucunda bir sinyal yok iken gerilim kontrollü osilatör, çevre elemanlarının belirlediği
frekansta kare dalga sinyal üretir. Bu frekans değerine serbest çalışma frekansı ya da merkez
frekansı (Fo) denir. Bu sinyal faz karşılaştırıcıya uygulanır. Giriş ucuna bir sinyal uygulanınca faz
karşılaştırıcı bu iki sinyali karşılaştırır ve pals dizisinden oluşmuş üçüncü bir sinyal elde eder. Bu
sinyale hata (ERROR) sinyali denir. Hata sinyalinin faz ve frekansını karşılaştırıcıya uygulanan
sinyaller belirler. Frekans modülasyonlu sinyal, gerilim kontrollü osilatörden gelen sinyal ve yeni
oluşan hata sinyali birlikte çıkış ucuna doğru sürülür. Hata sinyali alçak geçiren filtrede doğrultulur
ve amplifikatörde yükseltilir. Doğru akım özellikleri taşıyan bu işarete hata gerilimi (Ve) denir. Hata
gerilimi gerilim kontrollü osilatörün giriş ucuna uygulanır.
Giriş sinyali frekansı azalırsa hata gerilimi, gerilim kontrollü osilatörün frekansını azaltacak
şekilde zorlar. Gerilim kontrollü osilatör frekansı giriş sinyali frekansına yeteri derecede yaklaşınca
faz kilitlemeli çevrim oluşur ve iki işaretin frekansı eşitlenir. Çalışma anında kilitlenme için geçen
zaman çok kısadır.
Giriş sinyali frekansı yükselirse hata gerilimi, gerilim kontrollü osilatörün frekansını
yükseltecek şekilde zorlar. Yine gerilim kontrollü osilatörün giriş sinyali frekansına yeterince
yaklaştığında faz kilitlemeli çevrim gerçekleşir.
Giriş ucundaki frekans modülasyonlu sinyalin frekans değişimi çıkış ucunda alçak geçiren
filtre etkisiyle değeri değişen doğru gerilim şeklinde bir sinyal olarak görülür. Bu sinyal bilgi
sinyalidir. Yeniden elde edilen bilgi sinyali üzerindeki taşıyıcı etkisi çok katlı alçak geçiren filtreler
ile tamamen yok edilir.
Haberleşme sistemlerinde kullanılmak üzere üretilmiş faz kilitlemeli çevrim yöntemi ile
demodülasyon yapan entegreler vardır.
Örnek olarak deney setimizde kullandığımız IC1=4046 entegresi böyle bir entegredir. Şekil
2.2.3 de PLL yöntemi ile FM demodülasyon devresi görülmektedir.
BURSA TEKNİK ÜNİVERSİTESİ
ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ
2018-2019 GÜZ YARIYILI
EEM-0307 HABERLEŞME TEORİSİ LABORATUVARI
HABERLEŞME SİSTEMLERİ 11
Şekil 2.2.3
IC1=4046 entegresi içinde iki adet faz karşılaştırıcı ve bir adet gerilim kontrollü osilatör
bulundurmaktadır. Şekil 2.2.4 te 4046 entegresinin terminal bağlantısı ve iç yapısı görülmektedir.
Şekil 2.2.4
R3,R4 dirençleri P1 potansiyometresi ve C3 kondansatörünün değeri gerilim kontrollü
osilatörün serbest çalışma frekansını belirler. P1 potansiyometresi ile serbest çalışma frekansı belli
aralıkta değiştirilebilir.
IC2=741 entegresi ve çevre elemanları alçak geçiren filtre devresidir. Bu filtre çıkışında “Fm” elde
edilir.
Şekil 2.2.5 te 741 in terminal bağlantısı ve elektronik devre şemalarında kullanılan sembolü
görülmektedir.
Şekil 2.2.5
BURSA TEKNİK ÜNİVERSİTESİ
ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ
2018-2019 GÜZ YARIYILI
EEM-0307 HABERLEŞME TEORİSİ LABORATUVARI
HABERLEŞME SİSTEMLERİ 12
DENEYİN YAPILIŞI
Y-0048/09 modülünü yerine takınız. Devre bağlantılarını Şekil 2.2.6’ daki gibi yapınız.
Devreye enerji veriniz.
Şekil 2.2.6
BURSA TEKNİK ÜNİVERSİTESİ
ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ
2018-2019 GÜZ YARIYILI
EEM-0307 HABERLEŞME TEORİSİ LABORATUVARI
HABERLEŞME SİSTEMLERİ 13
1. Sinüs jeneratörü çıkış işaretinin Frekansını Fm=1KHz, genliğini 500mVpp, ayarlayınız.
Modülatördeki Fm IN (TP1) soketinden sinyal girişini ayırınız. CH2 kanalını modülatörün Fm OUT
(TP2) soketine bağlayınız. Bu anda P1 potansiyometresini TP2 soketinde 20KHz görünceye kadar
ayarlayınız iki işaretin şekillerini görünüz.
2. Sinüs jeneratörü çıkışını Fm IN (TP1) soketine bağlayınız iki işaretin şekillerini görünüz
ve yorumlayınız.
BURSA TEKNİK ÜNİVERSİTESİ
ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ
2018-2019 GÜZ YARIYILI
EEM-0307 HABERLEŞME TEORİSİ LABORATUVARI
HABERLEŞME SİSTEMLERİ 14
3. Osilaskobun CH2 kanalını FM Demodülatörün (TP3) soketine bağlayınız. Demodülatörün
P1 potansiyometresi ile (TP3) soketinde sinüs işareti görünceye kadar ayarlayınız. Yaptığınız işlemi
açıklayınız.
4. Osilaskobun CH2 kanalını demodülatörün Fm OUT (TP4) soketine bağlayınız. İki işareti
aynı anda görünüz ve yorumlayınız.