Вредоносное ПО (malware) - это назойливые или опасные программы,...
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.
Другим распространенным типом модуляции, применяемым в радиосвязи, является частотная модуляция (ЧМ), при которой частота несущей изменяется в соответствии с модулирующим сигналом (рис. 15.1).
Рис. 15.1. Частотная модуляция.
Обратите внимание, что амплитуда несущей остается постоянной, а частота изменяется.
Девиация частоты
Девиация частоты есть степень изменения частоты несущей при изменении уровня сигнала на 1 В. Девиация частоты измеряется в килогерцах на вольт (кГц/В). Предположим, например, что несущая с частотой 1000 кГц должна быть промодулирована сигналом в виде меандра с амплитудой 5 В (рис. 15.2). Предположим также, что девиация частоты равна 10 кГц/В. Тогда во временном интервале от А до В частота несущей увеличится на 5 · 10 = 50 кГц (произведение амплитуды сигнала на девиацию частоты) и станет равной 1000 кГц + 50 кГц = 1050 кГц. Во временном интервале от В до С частота несущей изменится на ту же величину, а именно на 5 · 10 = 50 кГц, но на этот раз в отрицательную сторону с уменьшением частоты несущей до 1000 – 50 = 950 кГц.
Рис. 15.2.
Максимальная девиация
Изменение частоты несущей при изменении уровня сигнала должно быть ограничено некоторой максимальной величиной, превышение которой недопустимо. Эта величина называется максимальной девиацией. Например, при ЧМ-передачах радиостанции Би-би-си используется девиация частоты 15 кГц/В и максимальная девиация 75 кГц. Максимальная величина модулирующего сигнала определяется максимальной допустимой девиацией.
Максимальная девиация ±75
Максимальный сигнал = -------------- = -- = ±5 В
Девиация частоты 15
или, другими словами, 5 В в положительную или отрицательную область.
Боковые частоты и ширина полосы
Если несущая промодулирована по частоте гармоническим сигналом, образуется неограниченное число боковых частот. Амплитуды боковых Компонент постепенно уменьшаются по мере отдаления частоты этих компонент от частоты несущей.
Таким образом, для размещения всех боковых частот ширина полосы частот ЧМ-системы должна быть бесконечной. На практике малые по амплитуде боковые компоненты ЧМ-сигнала могут быть отброшены без внесения каких-либо заметных искажений. Например, ЧМ-передачи радиостанции Би-би-си ведутся с использованием полосы частот шириной 250 кГц.
Сравнение AM - и ЧМ-систем модуляции
Амплитудная Частотная
модуляция модуляция
1. Амплитуда несущей Изменяется вместе Остается
С сигналом постоянной
2. Боковые частоты Две для каждой Бесконечное
Частоты в спектре число
Сигнала
3. Ширина занимаемой 9 кГц 250 кГц полосы частот
4. Диапазон частот ДВ, СВ. KB УКВ
Преимущества частотной модуляции
Радиовещание с использованием ЧМ имеет следующие преимущества по сравнению с АМ-передачей программ.
1. В системе с ЧМ обеспечивается лучшее качество звучания. Это связано с большой шириной полосы частот ЧМ-сигнала, охватывающей гораздо большее число гармоник.
2. При ЧМ-передаче достигается очень низкий уровень шума. Шум - это нежелательные сигналы, которые появляются на выходе обычно в форме изменения амплитуды несущей. В ЧМ-системе эти сигналы легко устраняются путем двустороннего ограничения амплитуды несущей. Информация, которую несет изменяющаяся частота, при этом полностью сохраняется.
В этом видео рассказывается о частотной модуляции:
deviatio - отклонение) - наибольшее отклонение мгновенной частоты модулированного радиосигнала при частотной модуляции от значения его несущей частоты . Эта величина равна половине полосы качания, то есть разности максимальной и минимальной мгновенных частот. При больших индексах модуляции полоса качания и ширина спектра ЧМ-сигнала приблизительно равны. Единицей девиации частоты является герц (Hz , Гц ), а также кратные ему единицы.
Другие величины, характеризующие ЧМ
- Индекс частотной модуляции - отношение девиации частоты к частоте модулирующего сигнала.
Метрологические аспекты
Измерения
- Для измерения девиации частоты используются девиометры , существует также косвенный метод измерения - с помощью функций Бесселя , обеспечивающий высокую точность.
- Эталонными мерами девиации частоты являются специальные поверочные установки - калибраторы измерителей девиации частоты (установка РЭЕДЧ-1).
Эталоны
- Государственный специальный эталон единицы девиации частоты ГЭТ 166-2004 - находится во ВНИИФТРИ .
Напишите отзыв о статье "Девиация частоты"
Литература
- Справочник по теоретическим основам радиоэлектроники. - Под. ред. Б. Х. Кривицкого. В 2-х т. - М: Энергия, .
Ссылки
См. также
Отрывок, характеризующий Девиация частоты
– Теперь я всё поняла. Я знаю, чьи это интриги. Я знаю, – говорила княжна.– Hе в том дело, моя душа.
– Это ваша protegee, [любимица,] ваша милая княгиня Друбецкая, Анна Михайловна, которую я не желала бы иметь горничной, эту мерзкую, гадкую женщину.
– Ne perdons point de temps. [Не будем терять время.]
– Ax, не говорите! Прошлую зиму она втерлась сюда и такие гадости, такие скверности наговорила графу на всех нас, особенно Sophie, – я повторить не могу, – что граф сделался болен и две недели не хотел нас видеть. В это время, я знаю, что он написал эту гадкую, мерзкую бумагу; но я думала, что эта бумага ничего не значит.
– Nous у voila, [В этом то и дело.] отчего же ты прежде ничего не сказала мне?
– В мозаиковом портфеле, который он держит под подушкой. Теперь я знаю, – сказала княжна, не отвечая. – Да, ежели есть за мной грех, большой грех, то это ненависть к этой мерзавке, – почти прокричала княжна, совершенно изменившись. – И зачем она втирается сюда? Но я ей выскажу всё, всё. Придет время!
В то время как такие разговоры происходили в приемной и в княжниной комнатах, карета с Пьером (за которым было послано) и с Анной Михайловной (которая нашла нужным ехать с ним) въезжала во двор графа Безухого. Когда колеса кареты мягко зазвучали по соломе, настланной под окнами, Анна Михайловна, обратившись к своему спутнику с утешительными словами, убедилась в том, что он спит в углу кареты, и разбудила его. Очнувшись, Пьер за Анною Михайловной вышел из кареты и тут только подумал о том свидании с умирающим отцом, которое его ожидало. Он заметил, что они подъехали не к парадному, а к заднему подъезду. В то время как он сходил с подножки, два человека в мещанской одежде торопливо отбежали от подъезда в тень стены. Приостановившись, Пьер разглядел в тени дома с обеих сторон еще несколько таких же людей. Но ни Анна Михайловна, ни лакей, ни кучер, которые не могли не видеть этих людей, не обратили на них внимания. Стало быть, это так нужно, решил сам с собой Пьер и прошел за Анною Михайловной. Анна Михайловна поспешными шагами шла вверх по слабо освещенной узкой каменной лестнице, подзывая отстававшего за ней Пьера, который, хотя и не понимал, для чего ему надо было вообще итти к графу, и еще меньше, зачем ему надо было итти по задней лестнице, но, судя по уверенности и поспешности Анны Михайловны, решил про себя, что это было необходимо нужно. На половине лестницы чуть не сбили их с ног какие то люди с ведрами, которые, стуча сапогами, сбегали им навстречу. Люди эти прижались к стене, чтобы пропустить Пьера с Анной Михайловной, и не показали ни малейшего удивления при виде их.
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 радиосигналаСигналы, 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:
(4) |
Где называется индексом фазовой модуляции или девиацией фазы, а модулирующий сигнал по модулю не превосходит единицы
Тогда комплексная огибающая PM сигнала имеет вид:
Теперь рассмотрим сигнал с частотной модуляцией (frequency modulation FM). В отличии от PM при частотной модуляции происходит изменение мгновенной частоты радиосигнала:
(7) |
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.(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 = 5,523 == 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=2,420=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 2f/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 2f; 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 2f 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.