Сайт о телевидении

При ЧМ в соответствии с модулирующим сигналом (t) меняется частота синусоидального несущего сигнала, что иллюстрирует рис.11.

Заметим,что
, а соответственно и частота может меняться не только резко, но и плавно.

Для ЧМ существует два параметра, характеризующие интенсивность воздействия модулирующего сигнала на несущий сигнал.

Девиация частоты

f = f max – f 0

или f = f 0 - f min

f - отклонение частоты от центрального значения.

Индекс частотной модуляции .

Это отношение девиации частоты к частоте модулирующего сигнала.

0    несколько десятков или сотен.

Частотный спектр при ЧМ.

Его можно получить на основе ЧС при АМ.

Пусть модулирующий сигнал является последовательностью прямоугольных импульсов, т.е. имеет два уровня.

В модулированном ЧМ – сигнале соответственно будет две частоты
и
- рис.24,б. Его можно представить в виде суммы двух АМ – сигналов рис.24,в,г.

U ЧМ = U АМ1 + U АМ2

Соответственно, спектр этого ЧМ - сигнала S ЧМ можно представить в виде суммы двух спекторов АМ: S ЧМ = S АМ1 + S АМ2

Это показано на рисунке 25.

Рис.25

Спектры двух слагаемых S АМ1 и S АМ2 отличаются разными несущими частотами f 01 и f 02 . Это объяснение приводит к выводам:

Спектры ЧМ шире, чем спектр АМ - сигнала.

Спектр получается «горбатый».

Линии одного спектра S АМ1 могут перекрываться линиями другого спектра S АМ2 .

Из рисунка получаем, что ширина спектра при ЧМ:

В этом выражении – спектр модулирующего сигнала.

f 02 – f 01 = 2f

- девиация частоты, связанная с f 02 и f 01 .

Если также учесть, что:

, то в результате получаем: F ЧМ = 2 F  (1 + )

Вывод: ширина ЧС при ЧМ больше чем ширина ЧС при АМ в (1 + ) раз.

12. Способы импульсной модуляции (им).

При ИМ переносчиком является последовательность импульсов.

Параметры импульсного сигнала - амплитуда (U m), период или частота (Т или f = 1/T), длительность импульса (t u), фаза импульсов ().

В соответствии с этими параметрами различают способы ИМ:

Амплитудно – импульсная модуляция (АИМ) – Um.

Частотно – импульсная мод-ия (ЧИМ)- f.

Широтно–импульсная мод-ия (ШИМ) - t u .

4. Фазо – импульсная модуляция (ФИМ) - .

При АИМ амплитуда является функцией модулирующего сигнала. При ЧИМ функцией модулирующего сигнала является средняя частота (или период) следования импульсов.

При ШИМ функцией модулирующего сигнала является

длительность импульса. При ФИМ функцией модулирующего сигнала является время паузы между соседними импульсами.

Кодо-Импульсная модуляция (КИМ).

Отличие: какому-то одному значению модулирующего сигнала  соответствует несколько импульсов (последовательный код). Последовательный код – двоичное число:

1 – есть импульс,

0 – нет импульса

КИМ – один из ключевых способов передачи информации, применяется для связи между компьютерами (Интернет, модемы и т.д.)

При КИМ увеличивается время передачи сигнала, но обеспечивается высокая достоверность и высокая помехозащищенность.

Комбинированные способы модуляции (км).

Комбинируют, например, непрерывные способы модуляции с импульсными способами модуляции.

При КМ вначале, например, используется импульсный передатчик, а получаемый модулированный сигнал модулирует непрерывный передатчик (в синусоиду).ШИМ – 1 этап модуляции.

Это пример ШИМ-АМ.

Комбинируя разные способы импульсной и непрерывной модуляции можно получить большое количество комбинированных способов. Например, ФИМ-АМ, ШИМ-ЧМ, ЧИМ-ЧМ, и т.д. Применение КМ связано с тем, что требуется приспособить передаваемый сигнал к характеристикам канала связи.

Дата публикации 07.02.2013 01:35

Частота – это одна из характеристик колебаний амплитуды некоторой физической величины относительно ее среднего значения. В физике имеется много видов колебаний различной природы, например, колебания электромагнитного поля. Кроме спонтанных электромагнитных колебаний природного характера, имеются и колебания, возникновение которых задается волей человека для решения определенных задач, вытекающих из потребностей человеческой деятельности. Наиболее часто при помощи колебательных процессов решаются вопросы передачи энергии и/или информации, т.е. осуществляется связь, радиовещание, работа телевидения и т.д.

Процесс передачи информации включает подготовку соответствующего энергетического поля и его модуляцию полезным сигналом и заключается в генерации передатчиком несущей частоты с определенными значениями параметров - амплитудой и частотой. Первый параметр пропорционален энергии поля и определяет дальность передачи, а второй - адресата. На этом этапе мы имеем только сигнал несущей частоты, выполняющей роль «перевозчика» информации.

Информационное содержание энергетического поля привносится в сигнал соответствующим изменением какого-либо его параметра. На практике применяют различные варианты изменения параметров поля – этот процесс и называется модуляцией несущей частоты. При этом применяется изменение амплитуды несущей или девиация частоты несущей. На этапе становления радиосвязи чаще применялась амплитудная модуляция, когда информация содержится в амплитуде сигнала несущей частоты. При этом изменения амплитуды несущей в точности повторяют информационный аналоговый сигнал. Потребитель принимает сигнал по признаку несущей частоты, а затем выделяет демодулятором содержащуюся в нем информацию. На малых частотах, вплоть до коротковолнового диапазона, используют только амплитудную модуляцию. Основным ее недостатком является изменение амплитуды несущей частоты, из-за чего соотношение сигнал – шум, очень важный показатель качества канала связи, снижается.

Кроме амплитудной модуляции, для передачи информации используется и частотная, при которой применяется девиация частоты . Преимущество частотной модуляции – более высокая помехоустойчивость, поэтому в профессиональных системах связи применяют исключительно частотномодулированные сигналы. Пример применения таких сигналов - УКВ радиовещание, телевидение, спецсвязь.

Девиация – это максимальное изменение несущей частоты относительно среднего ее значения. При этом спектр частотно-модулированного колебания несущей зависит от значения амплитуды полезного сигнала, а ее амплитуда не меняется, благодаря чему устойчивость связи изначально значительно выше.

Устройства для модуляции несущей частоты сигналом называются частотными модуляторами. Их роль в процессе передачи радиосигнала - управление генераторами несущей частоты передатчика. Девиация частоты определяет требования к ширине полосы пропускания как передатчика, так и приемника.

Также было показано, что при управлении в соответствии с модулирующим сигналом амплитудой полосового радиосигнала получим различные разновидности амплитудной модуляции при неизменной . В данной статье мы рассмотрим класс сигналов с угловой модуляцией, у которых будет изменятся фаза радиосигнала, а амплитуда остается постоянной.

Полная фаза и мгновенная частота. Сигналы с угловой модуляцией

Для начала вспомним понятие полной фазы радиосигнала

Сигналы, у которых изменяется полная фаза в соответствии с модулирующим сигналом называются сигналами с угловой модуляцией.

Для начала рассмотрим сигналы с фазовой модуляцией (phase modulation PM). У сигналов с PM полная фаза изменяется в соответствии с модулирующим сигналом:

А сам радиосигнал может быть представлен следующим образом:

Где называется индексом частотной модуляции или девиацией частоты, а модулирующий сигнал по модулю не превосходит единицы Тогда полную фазу радиосигнала можно рассчитать как интеграл от мгновенной частоты:

Где - произвольная постоянная интегрирования полной фазы (8). Обратите внимание, что абсолютно не верно подставлять выражение для мгновенной частоты вместо несущей частоты в выражение для полосового сигнала:

(10)

Так как Правильным является выражение (9)!

Девиация частоты и фазы

Поясним смысл девиации частоты и фазы. При PM задается девиация фазы, которая показывает максимальное фазовое отклонение модулированного сигнала относительно несущего колебания при этом при PM отклонение мгновенной частоты от несущей частоты не регулируется, а определяется частотой модулирующего сигнала. При FM задается девиация частоты, то есть максимальное отклонение мгновенной частоты от частоты сигнала вне зависимости от частоты модулирующего сигнала. Отклонения фазы при этом будут такие, какие необходимы для заданной девиации частоты. Рассмотрим вышесказанное на примере однотональной угловой модуляции при , где - частота модулирующего сигнала, - начальная фаза модулирующего сигнала. Заметим, что . Тогда сигнал с фазовой модуляцией:

Тогда сравнивая (11) и (12) учтя что при соответствующих значениях может переходить в косинус, можно сделать вывод, что при однотональной угловой модуляции девиация частоты и фазы связаны соотношением:

(13)

Можно сделать вывод: при FM, когда задана девиация частоты , девиация фазы будет тем больше чем меньше частота модулирующего колебания. И наоборот при PM и фиксированной девиации фазы , девиация частоты будет тем больше, чем больше . Рассмотрим это на примере. Пусть сигнал с FM и задана девиация частоты , частота модулирующего сигнала , тогда девиация фазы при заданных частотах будет равна Теперь уменьшим частоту модулирующего сигнала в 10 раз до , тогда при той же заданной частоте девиации девиация фазы увеличится в 10 раз до значения Таким образом, при фиксированной девиации частоты, девиация фазы увеличивается с уменьшением частоты модулирующего сигнала. Увеличение девиации фазы можно пояснить так: частота сигнала уменьшилась, а требуемое частотное отклонение осталось неизменным и для того чтобы получить тоже частотное отклонение необходимо поворачивать фазу несущего колебания на бОльший угол. Пусть теперь сигнал с PM и уже задана девиация фазы , тогда при получим девиацию частоты , но при увеличении частоты модулирующего сигнала в 10 раз получим увеличение девиации частоты в 10 раз до . Думаю, данный пример понятен. Если остались вопросы по вышесказанному, прошу на форум . Мы же перейдем к схемам формирования сигналов с угловой модуляцией.

Структурные схемы PM и FM модуляторов

Для этого рассмотрим комплексные огибающие сигналов PM и FM и воспользуемся универсальным квадратурным модулятором. Комплексная огибающая сигналов c PM представлена выражением (5), из которого следуют следующие квадратурные составляющие:

(14)

Тогда PM модулятор на базе универсального квадратурного модулятора может быть представлен следующим образом (рисунок 1).

Рисунок 1: Структурная схема PM модулятора

На вход подается модулирующий сигнал, который нормируется по амплитуде, так чтобы амплитуда не превышала единицы. Затем сигнал усиливается в раз, тем самым задается девиация фазы, затем формируется комплексная огибающая согласно выражению (14), и наконец квадратурный модулятор формирует радиосигнал. Усилитель - вынесен на выход, он усиливает радиосигнал до нужного уровня.

Комплексная огибающая FM имеет вид:

,

(15)

(16)

Схема FM модулятора (рисунок 2) очень похожа на схему PM модулятора (рисунок 1):

Рисунок 2: Структурная схема FM модулятора

Отличие схемы FM модулятора от схемы PM заключается в том, что нормированный модулирующий сигнал интегрируется, и усилитель задает не девиацию фазы , а девиацию частоты . Если модулирующий сигнал нормирован по амплитуде тогда формировать PM сигнал можно при помощи FM модулятора, а FM сигнал при помощи PM модулятора, как это показано на рисунке 3.

Рисунок 3: Формирование FM при помощи PM и PM при помощи FM

Рассмотрим формирование FM сигнала при помощи PM модулятора. Входной сигнал нормируется потом интегрируется, затем подается на вход PM модулятора, выделенного желтым на рисунке 1. В качестве девиации фазы в PM модулятор вводится значение девиации частоты и на выходе будет FM сигнал. Теперь рассмотрим формирование PM сигнала при помощи FM модулятора. В FM модуляторе нормированный сигнал интегрируется, однако этого не требуется в PM модуляторе. Поэтому предварительно нормированный модулирующий сигнал дифференцируется. Таким образом, последовательное дифференцирование и интегрирование не изменяют нормированный модулирующий сигнал. В качестве девиации частоты в FM модулятор вводится девиация фазы .

Вектор может делать несколько оборотов (рисунок 4 в).

Рисунок 4: Векторная диаграмма комплексной огибающей PM сигнала

Скорость вращения вектора задается модулирующим сигналом. Векторная диаграмма комплексной огибающей FM сигнала качественно не отличается от векторной диаграммы комплексной огибающей PM сигнала. Отличие заключается в том что максимальный угол поворота вектора равный девиации фазы изменяется в зависимости от частоты входного сигнала согласно выражению (13). При низкочастотном входном сигнале, когда , согласно (13) и вектор комплексной огибающей FM сигнала отклоняется на угол , совершая при этом множество оборотов.

В конце приведем осциллограммы PM и FM сигналов (рисунок 5).

Рисунок 5: Осциллограммы PM и FM сигналов

Из рисунка 5 следует, что максимальная частота несущего колебания при PM будет при максимальной производной модулирующего сигнала (в районе 75 и 175 мкс), а минимальная частота сигнала с PM будет при минимальной отрицательной производной модулирующего сигнала (в районе 25, 125 и 225 мкс). При FM максимальная частота сигнала соответствует максимальному значению модулирующего сигнала (в районе 100 и 200 мкс), а минимальная частота будет при минимальном отрицательном значении модулирующего сигнала (в районе 50 и 150 мкс).

Выводы

Таким образом, мы рассмотрели фазовую PM и частотную FM модуляции, показали их взаимосвязь. Получены выражения для комплексной огибающей PM и FM. Рассмотрены параметры угловой модуляции девиация частоты и фазы и показана их взаимосвязь. Приведены структурные схемы PM и FM модуляторов на базе универсального квадратурного модулятора.

Частота - это одна из характеристик колебаний амплитуды некоторой физической величины относительно ее среднего значения. В физике имеется много различной природы, например, колебания электромагнитного поля. Кроме спонтанных электромагнитных колебаний природного характера, имеются и колебания, возникновение которых задается волей человека для решения определенных задач, вытекающих из потребностей человеческой деятельности. Наиболее часто при помощи колебательных процессов решаются вопросы передачи энергии и/или информации, т.е. осуществляется связь, радиовещание, работа телевидения и т.д.

Процесс включает подготовку соответствующего энергетического поля и его модуляцию полезным сигналом и заключается в генерации передатчиком несущей частоты с определенными значениями параметров - амплитудой и частотой. Первый параметр пропорционален энергии поля и определяет дальность передачи, а второй - адресата. На этом этапе мы имеем только сигнал несущей частоты, выполняющей роль «перевозчика» информации.

Информационное содержание энергетического поля привносится в сигнал соответствующим изменением какого-либо его параметра. На практике применяют различные варианты изменения параметров поля - этот процесс и называется модуляцией несущей частоты. При этом применяется изменение амплитуды несущей или девиация частоты несущей. На этапе становления радиосвязи чаще применялась амплитудная модуляция, когда информация содержится в амплитуде сигнала несущей частоты. При этом изменения амплитуды несущей в точности
повторяют информационный Потребитель принимает сигнал по
признаку несущей частоты, а затем выделяет демодулятором содержащуюся в нем
информацию. На малых частотах, вплоть до коротковолнового диапазона, используют только амплитудную модуляцию. Основным ее недостатком является изменение амплитуды несущей частоты, из-за чего соотношение сигнал - шум, очень важный показатель качества канала связи, снижается.

Кроме для передачи информации используется и частотная, при которой применяется девиация частоты. Преимущество частотной
модуляции - более высокая помехоустойчивость, поэтому в профессиональных
системах связи применяют исключительно частотномодулированные сигналы. Пример применения таких сигналов - УКВ радиовещание, телевидение, спецсвязь.

Девиация - это максимальное изменение несущей частоты относительно среднего ее значения. При этом спектр частотно-модулированного колебания несущей зависит от значения амплитуды полезного сигнала, а ее амплитуда не меняется, благодаря чему устойчивость связи изначально значительно выше.

Устройства для модуляции несущей частоты сигналом называются частотными модуляторами. Их роль в процессе передачи радиосигнала - управление генераторами несущей частоты передатчика. Девиация частоты определяет
требования к ширине как передатчика, так и приемника.

Если индексы модуляции имеют большие значения, то оба параметра, которыми
характеризуется девиация частоты, имеют примерно одинаковые величины. Девиация измеряется в единицах частоты Гц.

(Документ)

Верник С.М., Кушнир Ф.В., Рудницкий В.Б. Повышение точности измерений в технике связи (Документ)

Молчанов В.Н. Помехоустойчивость и эффективность систем связи. Учебное пособие (Документ)

Иванов В.А. Лекции: Измерения на волоконно-оптических системах передачи (Документ)

Лидский Э.А. Задачи трафика в сетях связи (Документ)

Борисов В.А., Быков И.А. и др. Связи с общественностью в политике (Документ)

Иванова Г.М. и др. Теплотехнические измерения и приборы (Документ)

Соловьев Н.Н. Основы измерительной техники проводной связи. Часть 3 (Документ)

Андреев В.А., Бурдин В.А., Баскаков В.С., Воронков А.А. Измерения на ВОЛП (Документ)

Михайлов Н.А. Воздушная навигация. Международные полеты (Документ)

n1.doc

Измерение девиации частоты

Наиболее просто девиацию частоты измерять методом частотно­го детектора. Сущность его состоит в том, что частотно-модулированные колебания преобразуются в амплитудно-модулированные, а затем детектируются амплитудным детектором, в результате чего получается напряжение, пропорциональное напряжению модули­рующей частоты. Это напряжение измеряется пиковым вольтмет­ром, включенным на выходе амплитудного детектора. Как следует из выражения (9.11), шкалу пикового вольтметра можно проградуировать непосредственно в единицах отклонения частоты - кило герцах. Частотно-модулированные колебания преобразуются в колебания низкой частоты частотным детектором (рис. 9.6а ), характеристика

Рис. 9.6. Частотный детектор:

А) схема, б) характеристика

которого u F =  (f) имеет вид S-образиой кривой (рис. 9.60). Детали частотного детектора, и особенности колеба­тельные контуры, должны быть высококачественными, так как ма­лейшее изменение их параметров во времени вызывает значитель­ную погрешность измерении.

Структурная схема прибора для измерения девиации методом частотного детектора приведена на рис. 9.7. Прибор представляет собой, по существу, калиброванный высококачественный приемник частотно-модулированных колебаний с измерительными приборами для непосредственного считывания показаний. Модулированный сигнал преобразуется в промежуточную частоту, усиливается, огра­ничивается и поступает на частотный детектор, выходное напряжение которого пропорционально девиации частоты; результат детектирования

проходит через фильтр нижних частот, усиливается и из­меряется пиковым вольтметром. Шкала последнего проградуирована в единицах девиации -килогерцах. При помощи внутреннего калибратора проверяются частотный детектор и вся измерительная часть прибора. Погрешность измерения составляет ±(5-10)%.
Измерение индекса частотной модуляции

Выражение (9.9) для частотномодулнрованного колебания мож­но представить в спектральной форме

где I 0 (m f ) - функция Бесселя первого рода нулевого порядка от аргумента, равного индексу частотной модуляции m f ; I n (m f ) - то же, n-го порядка, где n - номер боковой частоты в частотно-модулированном колебании.

Графики спектров частотно-модулированных колебаний для неко­торых индексов модуляции приведены на рис. 9.8, а зависимость

функции Бесселя первого рода нулевого порядка; от аргумента m f - на рис. 9.9. Первое слагаемое ф-лы (9.12) представляет собой колебание несущей частоты, амплитуда которого меняется в соответствии с изменением функ­ции Бесселя нулевого порядка и при равенстве индекса модуля­ции m f значениям корней бессе­левой функции обращается в нуль, исчезает из спектра колеба­ний. Это происходит при m f =2,4; 5,52; 8,65; 11,79; 14,93; 18,07 и т.д. На основе этого
явления разрабо­тан метол изменения индекса частотной модуляции, названный методом исчезающей несущей.

Осуществить метод можно двумя способами: с постоянной модулирующей частотой и с постоянной амплитудой напряжения моду­лирующей частоты. Структурные схемы измерений (рис. 9.10) одинаковы для обоих способов.

Рис. 9.10. Структурная схема измерения индекса частотной модуляции методом исчезающей несущей

Определение индекса частотной модуляции генератора (пере­датчика) методом исчезающей несущей с постоянной модулирую­щей частотой заключается в постепенном повышении модулирую­щего, напряжения на входе модулятора и определении на выходе узкополосного приемника моментов исчезновения напряжения несущей частоты.

Полоса пропускания УПЧ приемника должна быть меньше уд­военной модулирующей частоты, иначе невозможно отделить первые боковые частоты. Измерение выполняют так: приемник на­страивают на немодулированную несущую частоту передатчика (рис. 9.8а ) н на индикаторе устанавливают удобное значение отсче­та. Если индикатором является телефон, то второй гетеродин на­страивают на удобный для прослушивания тон (например, 1000Гц). Затем постепенно повышается напряжение U F модулирующей ча­стоты при каком-то постоянном ее значении (например, 3 кГц), по­казание индикатора (звук и телефоне) уменьшается и, наконец, при некоторой величине U F 1 исчезает. Напряжению U F 1 соответствует первый корень бессолевой функции, равный 2/ (см. рис. 9.9), следовательно, m f =f/F==2,4 и девиация f 1 =m f 1 F=2,4 3 = 72 кГц

Продолжая увеличивать напряжение модуляции, находят вто­рое его значение, прикотором снова исчезает показание индикато­ра. Это происходит при напряжении U F 2 , которому соответствует второй корень бесселевой функции, равный 5,52. Отсюда m f 2 =5,52, а девиация f 2 = 5,523 == 16,56 кГц. Результаты измерении сводят в таблицу (табл. 9.1), по данным которой строят график

(модуляционную характеристику), производящий определить все промежуточные значения индекса mf и напряжения U F , а также границу линейного участка, за которым начинаются нелинейные искажения (рис. 9.11).

Для получения меньшей девиации можно понизить модулирую­щую частоту, но при этом ее удвоенное значение не должно быть меньше полосы пропускания приемника. В противном случае на­пряжения боковых частот будут попадать на индикатор п исчезно­вение несущей определить не удастся.

Определение индекса m f частот­ной модуляции при постоянном модулирующем напряжении U F , а значит, и постоянной девиации f заключается в постепенном по­нижении модулирующей частоты (от значения, приблизительно равного половине установленной для данной системы девиации частоты) и фиксировании после­довательного исчезновения несу­щей при прохождении индекса m f через значения корней бессолевой функции при определенной часто­те модуляции F. Например, пони­жаем модулирующую частоту с F=25 кГц и несущая исчезает при F 1 =20 кГц; m f 1 =2,4 и f=2,420=48 кГц. Понижая частоту F дальше, найдем m f =5,52-это произойдет при F 2 ,= f/m f 2 = 48/5,52  8,7 кГц и т. д.

Первый способ является более наглядным, удобным и полезным, поэтому им широко пользуются на практике. Точность его очень ве­лика и тем выше, чем уже полоса пропускания приемника. Этот способ с успехом применяется для первичной настройки передатчи­ков, калибровки генераторов и в других случаях.

ИЗМЕРЕНИЯ ПРИ ИМПУЛЬСНОЙ МОДУЛЯЦИИ

Любой вид импульсной модуляции (рис. 9.12) образуется из опорной последовательности импульсов со строго заданной часто­той следования F. Модуляции подвергаются видеоимпульсы, кото­рые затем получают высокоча­стотное заполнение, преобра­зуются в радиоимпульсы и пе­редаются по кабельным, ра­диорелейным или спутнико­вым линиям связи. В месте приема радиоимпульсы детектируются

Рис. 9.12. Виды импульсной модуля­ции:

а) опорная последовательность им­пульсов, б) модулирующее напряжение,

в) АИМ, г) ЧИМ, д) ВИМ (ФИМ), е) ШИМ, ж) КИМ (ИКМ)
и преобразуются в видеоимпульсы. Измерениям подвер­гаются в основном только видеоимпульсы как на передающим, так и на приемном концах линий связи.

В процессе прохождения импульсов через различные радиотех­нические цепи и устройства, а также по время распространения радиоимпульсов между передающей и приемной антеннами форма их изменяется (искажается). Для определения качества и парамет­ров импульсной модуляции любого вида нужно измерять высоту и длительность импульса, длительность фронта н среза, снижение вершины, положительные и отрицательные выбросы, а в особо от­ветственных случаях - нелинейность фронта и неэкспоненциальность среза. В периодической последовательности импульсов опре­деляется их частота или период следования (повторения), а также скважность или коэффициент заполнения.

Измерение высоты, длительности и частоты повторения импульсов

Импульсные напряжения, меньшие 100 В, преимущественно из­меряют при помощи импульсных осциллографов, которые позво­ляют определить по осциллограмме не только высоту, но и точную форму импульса. При измерении импульсов тока их сначала пре­вращают в импульсы напряжения. Для этого в цепь, по которой пе­редаются импульсы тока, включают вспомогательный резистор, на котором изменяют падение напряжения. Чтобы не нарушался режим цепи и не искажалась форма импульсов,

сопротивление этого резистора должно быть значительно меньше сопротивления цепи. Погрешность измерения составляет 5-10% и зависит от линейности отклонения луча но вертикали и качества фокусировки.

Глубину амплитудной импульсной модуляции (рис. 9.12а ) из­меряют осциллографическим методом при помощи линейной раз­вертки и вычисляют по ф-ле (9.7) применительно к рис, 9.1в .

Импульсы, используемые в технике связи и вещания, бывают разной длительности, поэтому нужно уметь измерять интервалы времени or единиц секунд до долен наносекунд. Измерения вы­полняют в основном осциллографическим методом и методом диск­ретного счета. Осциллографический метод осуществляется спосо­бом калиброванных меток или способом сравнения с периодом, длительность которого известна. При способе калиброванных ме­ток длительность импульса или его (фронта определяется по числу меток па осциллограмме импульса, вырабатываемых калибратором длительности осциллографа. Этот способ пригоден для импульсов любой формы.

Способ сравнения с известным периодом Т применяют при фор­ме импульсов, близкой к прямоугольной, и небольшой скважности, когда на осциллограмме хорошо видны два соседних импульса (рис. 9.13). В этом случае по масштабной сетке измеряют отрезки l 1 = и l 2 =T; полученные данные позволяют вычислить длительность импульса по формуле =(l l \l 2)T- Изме­рение длительности импульсов методом дис­кретного счета изложено в разделе измерений временных интервалов.

Частота повторения импульсов обычно ко­леблется от нескольких десятков герц до де­сятков и сотен мегагерц. Наиболее простым, точным и удобным методом ее измерения яв­ляется метод дискретного счета. При отсутст­вии электронно-счетного частотомера при­меняют метод сравнения, который осуществляют при помощи ос­циллографа. Па вход канала вертикального отклонения подают на­пряжение последовательности импульсов, частоту повторения кото­рых следует измерить, а на вход канала горизонтального отклоне­ния - напряжение от измерительного генератора соответствующей частоты. При этом генератор развертки осциллографа должен быть выключен. Частоту генератора плавно повышают со стороны са­мой низкой частоты до тех пор, пока на экране не возникает устой­чивое изображение одного импульса. Частота генератора при этом равна частоте повторения импульсов. Точность измерения опреде­ляется точностью градуировки частотной шкалы используемого из­мерительного генератора. Последовательность наносекундных импульсов измеряется при помощи стробоскопического осциллографа.

ГЛАВА ТРИНАДЦАТАЯ
АНАЛИЗ СПЕКТРА СИГНАЛОВ

Общие сведения

Спектральная функция сигнала f (t) определяется известным выражением
В реальных условиях функция S (i) измеряется в течение конечного времени Т, поэто­му измеряемый спектр в общем случае является функцией не толь­ко частоты, но и времени измерения:

функция S т (i) называется текущим спектром сигнала. Она име­ет большое значение при разработке методики измерения, в част­ности для определения времени измерения.

Текущий спектр S т (i) связан с функцией спектральной плотности, мощности G () следующим соотношением:

Для конечною интервала времени измерения Т получим так называемый статический или энергетический спектр

Изменение спектральной плотности

импульсных напряжений
Спектральная плотность импульсных напряжений измеряется с помощью анализаторов гармоник и спектра. Анализаторы гармоник предназначаются для измерения амплитуд и частот отдельных гармонических составляющих периодических несинусоидальных сигналов, когда спектр исследуемого сигнала имеет линейчатый характер и относительный интервал между соседними составляющими достаточно велик по сравнению с полосой расфильтровки. В зависимости от способа выделения гармоник различают анализаторы гармоник с резонансными и избирательными контурами и

гереродинные. Наиболее широкое распространение получили гетеродинные анализаторы, принцип работы которых аналогичен принципу

работы селективных вольтметров или избирательных измерителей уровня. Гетеродинные анализаторы отличаются тщательно отгра­дуированной шкалой гетеродина, обеспечивающей заданную по­грешность определения частоты измеряемой гармонии, обычно ± (10 -6  -3), и высокой избирательностью.

Анализаторы спектра предназначаются для визуального наблю­дения спектра исследуемых сигналов. Эти приборы различаются но способу проведения анализа-последовательного, одновременного и смешанною действия; по схемному решению-одноканальные и многоканальные; по типу индикаторного устройства-осциллографические и с самописцем; по диапазону частот-низкочастот­ные, высокочастотные, сверхвысокочастотные, широкодиапазонные;

по способу предварительной обработки исследуемых сигналов - с непосредственным введением сигнала, с предварительной за­писью сигнала на магнитной ленте, со сжатием сигнала во времени, с накоплением сигнала по амплитуде, с использованием дисперси­онных липни задержки. Чаще других при измерениях пользуются анализаторами с последовательным и одновременным анализом.

Анализаторы спектра с последовательным ана­лизом . Анализаторы последовательного действия содержат или перестраивающийся фильтр (рис. 6.34а ) или перестраивающийся гетеродин (рис. 3.34б ). В первом случае исследуемое напряжение через входное устройство поступает на перестраивающийся узкополосный фильтр, настройка которого изменяется, проходя последовательно

весь исследуемый спектр частот. Выходное напряжение фильтра после детектирования фиксируется регистрирующим устройством, чаще всего самописцем. В качестве перестраивающих­ся фильтров обычно применяются двойные Т-образные RС- мосты, включенные в цепь отрицательной обратной связи усилителя (рис. 6.35). Добротность такого фильтра определяется выражением - добротность двойного Т- образного RС- моста: K-коэффициент усиления усилителя без отрицатель­ной обратной связи). Относитель­ная ширина полосы пропускания фильтра 2f/f = 1/Q.

Перестройка частоты f фильтра осуществляется плавным изменением емкостей конденсаторов и сопротивлений резисторов. Ча­сто для этой цели используется двигатель, который одновременно перемещает ленту самописца. На выходе фильтра получаются со­ставляющие спектра (f-f)(f+f), которые по мере изменения резонансной частоты f фильтра будут проходить рабочий диапазон измеряемого спектра (рис. 6.36). В результате детектирования в квадратичном детекторе выходное напряжение перестраивающе­гося фильтра преобразуется в видеоимпульс, напряжение которого пропорционально среднем мощности Р  соответствующего участка спектра в полосе частот 2f; усреднение производится в магнито­электрическом приборе самописца:

Если полоса 2 достаточно узка, чтобы спектральную плот­ность мощности Gт () можно было полагать в ней постоянной, справедливо равенство , или

Значение 2f определяется разрешающей способностью ана­лизатора, равной минимальному расстоянию по оси частот между двумя составляющими спектра, при которой можно выделить от­дельные линии спектра и измерить с заданной погрешностью их уровни.

В СВЧ диапазоне в качестве перестраивающихся фильтров ис­пользуются высокодобротные резонаторы, обычно перестраиваемые вручную. Основным недостатком подобных приборов является срав­нительно низкая разрешающая способность из-за невысокой доброт­ности фильтров.

Анализаторы с перестраивающимися гетеродинами (см. рис. 6.34б ) позволяют получить высокую разрешающую способность за счет применения высокодобротных резонаторов, обычно кварце­вых фильтров, настроенных на постоянную промежуточную частоту f пр, выбираемую достаточно низкой; поэтому применяется двойное и даже тройное преобразование частоты.

Принцип работы подобных анализаторов нетрудно уяснить, рас­сматривая их обобщенную структурную схему (см. рис. 6.34б ). Пусть гетеродин имеет диапазон рабочих частот от t г.мин до t г.макс, резонатор и усилитель промежуточной частоты УПЧ настроены на частоту f пр и необходимо определить спектральную мощность вход­ного сигнала на частотах гармонических составляющих

F 1 , f 2 . . . , f  , . . . , f n

По мере перестройки частоты гетеродина разность между его текущей частотой f г  и частотой -й составляющей спектра в не­который момент окажется равной f пр ±f; при этом получится сле­дующее соотношение частот гетеродина и -й гармоники:
(6.37)

После квадратичного детектора сигнал поступает на регистрирую­щее ycтpoйcтво, показания которого пропорциональны Р  ,.

В качестве примера анализатора с гетеродинным преобразова­нием рассмотрим структурную схему панорамного анализатора (рис. 6.37а).

Исследуемый периодический сигнал сложной формы поступает через входное устройство на смеситель, к которому подводится на­пряжение генератора качающейся частоты ГКЧ. Линейное измене­ние частоты во времени осуществляется модуляцией сигналов ГКЧ напряжением генератора развертки. Вследствие этого отклонение электронного луча по горизонтали пропорционально изменению частоты ГКЧ и горизонтальная ось масштабной сетки является осью частот. На выходе смесителя образуются напряжения комбинаци­онных частот. Составляющие спектра, частоты которых лежат в по­лосе пропускания усилителя промежуточной частоты f пр ±f, усиливаются и после детектирования, и усиления подаются на верти­кально отклоняющие пластины электроннолучевой трубка Таким

образом, отклонение луча в вертикальном направлении пропорци­онально мощности определенной узкой полосы спектра исследуемо­го сигнала (f-f)-(f+f) и удовлетворяет неравенству, анало­гичному (6.37):

где f гкч = f 0 +а t - мгновенная частота генератора качающейся

В некоюрых анализаторах спектра применяются логарифмиче­ские усилители, которые лают возможность наблюдать составляю­щие спектра с большим отношением амплитуд- 100: 1 или 1000: 1. В этих приборах обычно имеются переключатели для перевода из логарифмического режима усиления в линейный. В логарифмиче­ском режиме проводится общая оценка спектра, а линейный режим используется для детального анализа выбранного участка частотного спектра. В анализаторах спектра применяются трубки с по­слесвечением.

Калибратор (рис. 6.37) служит для создания частотных меток на экране. При включении калибратора на экране анализатора, кроме линий исследуемого спектра, появляются линии составляющих спектра калибратора, частота которых известна. В результате на оси частот получают опорные точки известной частоты, что позво­ляет уточнить масштаб оси частот.

Основным недостатком анализаторов последовательного дейст­вия является большая продолжительность анализа. Например, для получения n спектральных линий периодического напряжения ми­нимальное время анализа должно быть равно nТ, где Т-период исследуемого напряжения. При непосредственном введении иссле­дуемого напряжения эти приборы можно использовать для анали­за спектра периодических, в том числе и редко повторяющихся, сиг­налов (радиоимпульсов или видеоимпульсов), когда время анали­за особого значения не имеет.

Спектры одиночных импульсов можно измерять анализатором последовательного действия при их предварительной неискажающей записи. В этом случае появляется возможность неоднократ­ного повторения анализа.

Анализаторы с одновременным анализом . Эти анализаторы позволяют осуществить одновременный анализ спект­ра исследуемого сигнала, т. е. их можно использовать для непо­средственного измерения спектров одиночных импульсов и статистических процессов. Исследуемый сигнал после входного устрой­ства (рис. 6.37б) одновременно подастся на n резонаторов, каждый из которых выделяет узкую полосу частот. После детектирования действующие значения составляющих через коммутирующее устрой­ство попадают на электроннолучевую трубку или самописец. Ана­лизаторы подобного типа предназначаются для работы в области низких частот, обычно не свыше 100кГц.

Типы применяемых резонаторов зависят от частотного диапа­зона прибора. Для инфранизких и низких частот используются из­бирательные RС- цепи, для более высоких-LC- цепи или электро­механические фильтры. Коммутаторы обеспечивают поочередное подключение детекторов к регистрирующему устройству. Если чис­ло каналов невелико, то коммутатор может отсутствовать. В этом случае число регистрирующих устройств должно быть равно числу каналов. Промышленностью выпускаются анализаторы с числом каналов от 8 до 80.

В процессе проведения измерений необходимо учитывать пере­ходные явления, которые приводят к уменьшению разрешающей способности прибора. Степень этого уменьшения определяется па­раметрами анализатора и скоростью (временем) анализа.

Динамическая разрешающая способность анализатора одновре­менного действия изменяется со времени примерно по экспонен­циальному закону. В момент включения (t=0) исследуемого сиг­нала на вход анализатора, состоящего из набора резонаторов с одинаковой добротностью и равноотстоящими резонансными частота­ми, выходное напряжение равно нулю. С течением времени дина­мические резонансные кривые приближаются к статическим, форми­руются седлообразные кривые (рис. 6.38а ), анализатор разделяет составляющие сигнала. Время, в течение которого характеристика анализатора приближается с заданной погрешностью к статической его характеристике, называют временем установления t y . Это вре­мя обратно пропорционально полосе пропускания f ф, т. е.

(6.40)

где В - коэффициент, зависящий от типа резонатора и близкий к единице.

В анализаторах последовательного действия при измерении пе­риодических сигналов переходные процессы возникают вследствие непрерывного изменения возбуждающей резонатор частоты, опре­деляемой скоростью изменения частоты  f генератора качающейся

На рис. 6.38б показаны статическая 1 и динамическая 2 харак­теристики резонатора в виде зависимости квадрата коэффициента передачи резонатора К от параметра обобщенной расстройки: х=2 (- 0)/d 0 . где ( 0 -резонансная частота, d-затухание ре­зонатора). Искажения характеристик резонатора определяются сле­дующими соотношениями:

Скорость последовательного анализа определяется уравнением  посл = f р /t у или с учетом (6.39) и (6.40)
Время анализа в этом случае будет равно

Из уравнений (6.41) и (6.43) следует, что время последовательного, анализа примерно в k раз больше времени, необходимого для одно­временного анализа.

Промежуточная частота выбирается так, чтобы при минималь­ной длительности исследуемого импульса т изображение спектра, получаемое по зеркальному каналу, не накладывалось на спектро­грамму основного канала (рис. 6.39). В большинстве случаев при исследовании спектра ограничиваются измерением основного и трех боковых лепестков спектра. Ширина основного лепестка прямо­угольного импульса равна 2, а боковых лепестков - 1/. Таким об­разом, для устранения возможности перекрытия необходимо, чтобы f пр >4/.


Диапазон качания частоты гетеродина определяется шириной исследуемого спектра. Для измерения основного и трех боковых лепестков диапазон качания должен быть равен (рис.6.39) f г  макс – f г  мин 8. Частоты разверстки определяет число циклов качания частоты гетеродина в секунду. Минимальный период разверстки характеризуется временем последовательного анализа Т посл. При анализе спектра периодических импульсных сигналов период разверстки Т р связан с периодом следования сигналов Т с соотношением T р =mT c T посл, где m- число линий спектра, наблюдаемых на экране трубки.