Демодуляторов АМ и ЧМ сигналов

Цель работы

Изучение принципа действия демодуляторов. Работа демодулятора в условиях помех. Изучение влияния порога на вероятность ошибки при АМ.

Краткая характеристика исследуемых цепей и сигналов

В работе используется универсальный стенд со сменным блоком «МОДУЛЯТОР-ДЕМОДУЛЯТОР», функциональная схема которого приведена на рис. 20.1.

Источником цифрового сигнала является КОДЕР-1, который выдает периодическую последовательность из пяти символов. С помощью тумблеров можно установить любую пятиэлементную кодовую комбинацию, которая индицируется линейкой из пяти светодиодных индикаторов с надписью «ПЕРЕДАНО».

	Рис. 20.1. Функциональная схема сменного блока МОДУЛЯТОР-ДЕМОДУЛЯТОР

В блоке МОДУЛЯТОР происходит модуляция (манипуляция) двоичными символами «высокочастотных» колебаний по амплитуде, частоте или фазе, в зависимости от положения переключателя «ВИД МОДУЛЯЦИИ» – АМ, ЧМ, ФМ или ОФМ. При «нулевом» положении переключателя выход модулятора соединен с его входом (модуляция отсутствует).

Рис. 20.1. Функциональная схема сменного блока модулятор-демодулятор

КАНАЛ связи представляет собой сумматор сигнала с выхода модулятора и шума, генератор которого (ГШ) расположен в блоке ИСТОЧНИКИ СИГНАЛОВ. Внутренний генератор квазибелого шума, имитирующий шум канала связи, работает в той же полосе частот, в которой расположены спектры модулированных сигналов (12–28 кГц).

ДЕМОДУЛЯТОР выполнен по когерентной схеме с двумя ветвями; коммутация видов модуляции – общая с модулятором. В соответствии с этим эталонные сигналы s ₀ и s ₁ и пороговые напряжения в контрольных точках стенда изменяются автоматически при смене вида модуляции.

Знаками (×) на функциональной схеме обозначены аналоговые перемножители сигналов, выполненные на специализированных ИМС. Блоки интеграторов выполнены на операционных усилителях. Электронные ключи (на схеме не показаны) разряжают конденсаторы интеграторов перед началом каждого символа.

Сумматоры (å) предназначены для введения пороговых значений напряжений, зависящих от энергии эталонных сигналов s ₁ и s ₀.

Блок «РУ» – решающее устройство – представляет собой компаратор, т. е. устройство, сравнивающее напряжения на выходах сумматоров. Само «решение», т.е. сигнал «0» или «1», подается на выход демодулятора в момент перед окончанием каждого символа и сохраняется до принятия следующего «решения». Моменты принятия «решения» и последующего разряда конденсаторов в интеграторах задаются специальной логической схемой, управляющей электронными коммутаторами.

Для демодуляции сигналов с ОФМ к схеме демодулятора ФМ добавляются блоки (на схеме не показаны), которые сравнивают предыдущее и последующее решения демодулятора ФМ, что позволяет сделать заключение о скачке фазы (или его отсутствии) в принимаемом символе. При наличии такого скачка на выход демодулятора подается сигнал «1», в противном случае – «0». В сменном блоке предусмотрен тумблер, переключающий начальную фазу (j) опорного колебания (0 или p) – только для ФМ и ОФМ. Для нормальной работы демодулятора тумблер должен быть в нулевом положении.

При амплитудной манипуляции предусмотрена возможность ручной установки порога с целью изучения его влияния на вероятность ошибки в приеме символа. Оценка вероятности ошибки производится в ПК путем подсчета числа ошибок за определенное время анализа. Сами сигналы ошибки (в символе или «букве») формируются в специальном блоке стенда («КОНТРОЛЬ ОШИБОК»), расположенном ниже блока ЦАП. Для визуального контроля ошибок в стенде имеются светодиодные индикаторы.

В качестве измерительных приборов используются двухканальный осциллограф, встроенный вольтметр и ПК, работающий в режиме подсчета ошибок.

Домашнее задание

Изучите основные разделы темы по конспекту лекций и литературе: [3, с. 159–174, 181–191; 4, с. 165–192].

Лабораторное задание

1. Наблюдайте осциллограммы сигналов в различных точках схемы демодулятора при отсутствии шума в канале.

2. Наблюдайте появление ошибок в работе демодулятора при наличии шума в канале. Оцените вероятность ошибки для АМ и ЧМ при фиксированном значении отношения сигнал/шум.

3. Получите зависимость вероятности ошибок при АМ от порогового напряжения.

Методические указания

1. Работа демодулятора в условиях отсутствия помех.

1.1. Собрать схему измерений согласно рис. 20.2. Тумблерами КОДЕРА-1 набрать любую двоичную комбинацию из 5 элементов. Ручку регулятора «ПОРОГ АМ» установить в крайнее левое положение. При этом регулятор выключен и порог устанавливается автоматически при смене вида модуляции. Тумблер фазировки опорного колебания ДЕМОДУЛЯТОРА установить в положение «0». Соединить выход генератора шума (ГШ) в блоке ИСТОЧНИКИ СИГНАЛОВ со входом n (t) КАНАЛА связи. Потенциометр выхода генератора шума – в крайнем левом положении (напряжение шума отсутствует). Вход внешней синхронизации осциллографа соединить с гнездом C2 в блоке ИСТОЧНИКИ, а усилители вертикального отклонения лучей перевести в режим с открытым входом (для пропускания постоянных составляющих исследуемых процессов).

1.2. Кнопкой переключения видов модуляции установить вариант «0», соответствующий сигналу на входе МОДУЛЯТОРА. Снять осциллограмму этого сигнала и, не меняя режим развертки осциллографа, выбрать один из видов модуляции (АМ). Зарисовать осциллограммы в контрольных точках демодулятора:

· на входе демодулятора;

· на выходах перемножителей (в одном масштабе по вертикальной оси);

· на выходах интеграторов (также в одном масштабе);

· на выходе демодулятора.

На всех полученных осциллограммах отметить положение оси времени (т.е. положение нулевого уровня сигнала). Для этого можно зафиксировать положение линии развертки при замыкании входных зажимов осциллографа.

1.3. Повторить п.1.2 для другого вида манипуляции (ЧМ).

2. Работа демодулятора в условиях помех.

2.1. Переключателем ВИД МОДУЛЯЦИИ установить ФМ. Подключить один из входов двухлучевого осциллографа ко входу модулятора, а второй – к выходу демодулятора. Получите неподвижные осциллограммы этих сигналов.

2.2. Плавно увеличивая уровень шума (потенциометром ГШ) добиться появления редких «сбоев» на выходной осциллограмме или на выходном табло ПРИНЯТО.

2.3. С помощью осциллографа измерить установленное отношение сигнал/шум. Для этого, последовательно отключая источник шума, измерить на входе демодулятора размах сигнала (в делениях на экране) – 2 а – (т. е. двойная амплитуда сигнала), а отключая источник сигнала от входа канала и восстановив шумовой сигнал, измерить размах шума (также в делениях) – 6s. Найденное отношение а /s внести в табл. 20.1.

2.4. Переключателем «Вид модуляции» устанавливать последовательно АМ, ЧМ, и ФМ, наблюдая по вспышкам светодиода «ОШИБКА» или по осциллограмме выходного сигнала демодулятора частоту появления ошибок. Результаты наблюдений внести в отчет.

2.5. Не изменяя уровень шума в канале, измерить вероятность ошибки демодулятора в приеме символа за конечное время анализа (т.е. оценку вероятности ошибки). Для этого привести ПК в режим измерения вероятности ошибки (см. ПРИЛОЖЕНИЕ) и установить время анализа 10–30 с. Начиная с ФМ (а затем – ЧМ и АМ), определить число ошибок за время анализа и оценку вероятности ошибки. Полученные данные внести в табл. 20.1.

Таблица 20.1

Оценка вероятности ошибки при а /s = const

Время анализа – … с а /s
Вид модуляции	ФМ	ЧМ	АМ
Число ошибок
Оценка вероятности ошибки

3. Зависимость вероятности ошибки от порогового напряжения в демодуляторе при АМ.

3.1. Переключателем ВИД МОДУЛЯЦИИ установить АМ. Потенциометр выхода генератора шума установить на минимум. С помощью осциллографа, подключенного к выходу нижнего интегратора, измерить размах пилообразного напряжения по вертикали в вольтах – U _max.

3.2. Заготовить табл. 20.2, предусмотреть в ней не менее 5 значений порога U _пор.

Таблица 20.2

Оценка вероятности ошибки в зависимости от порога (для АМ)

Время анализа – …с
U пор				U max /2			U max
Число ошибок
Р ош

3.3. Потенциометром «ПОРОГ АМ» установить значение порога U _max /2 (измеряя напряжение «Е ₁ /2» в контрольной точке демодулятора с помощью вольтметра постоянного напряжения). Увеличить уровень шума в канале до появления редких сбоев. Не меняя уровень шума, измерить оценку вероятности ошибки для этого порога (U _max /2), а затем и для всех остальных значений U _пор. Построить график зависимости Р _ош = j (U _пор).

Отчет

Отчет должен содержать:

1) функциональную схему измерений;

2) осциллограммы, таблицы и графики по всем пунктам измерений;

3) выводы по пп. 2.4 и 3.3.

Контрольные вопросы

1. Каково назначение демодулятора в цифровой системе связи? В чем его основное отличие от демодулятора аналоговой системы?

2. Что такое скалярное произведение сигналов? Как оно используется в алгоритме работы демодулятора?

3. Можно ли в оптимальном демодуляторе применять согласованные фильтры?

4. Что такое «критерий идеального наблюдателя»?

5. Что такое «правило максимума правдоподобия»?

6. Как выбирается порог решающего устройства? Что будет, если его изменить?

7. Каков алгоритм принятия решения в РУ?

8. Объясните назначение каждого блока демодулятора.

9. Как можно рассчитать Р _ош теоретически и измерить экспериментально?

10. Приведите алгоритм оптимального демодулятора и его функциональную схему для АМ.

11. Приведите алгоритм оптимального демодулятора и его функциональную схему для ЧМ.

12. Объясните разницу в помехоустойчивости систем связи с разными видами модуляции.

13. Объясните осциллограммы, полученные в разных контрольных точках демодулятора (для одного из видов модуляции).

Лабораторная работа 21