621.396.62.(07)

№ 4132

M545

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО

ОБРАЗОВАНИЮ

Технологический институт Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования Кафедра радиоприемных устройств и телевидения «Южный федеральный университет»

Приоритетный национальный проект «Образование»

Методические указания по выполнению лабораторной работы

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИЕМНИКОВ

ДИАПАЗОНА УКВ

Для студентов радиотехнических специальностей дневной и безотрывной форм обучения РТФ Таганрог УДК 621.396.62.(07.07) Составители: В.С. Плаксиенко, Н.Е. Плаксиенко Методические указания по выполнению лабораторной работы “Исследование приемников диапазона УКВ”. – Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2007. – 16 с.

Методические указания содержат краткие теоретические сведения из теории радиоприема, сведения о пакете MICRO CAP, лабораторное задание и методику его выполнения, контрольные вопросы. Предназначены для студентов радиотехнических специальностей, обучающихся по направлению ”Радиотехника” дневной и заочной форм обучения.

Ил. 10. Библиогр.: 2 назв.

Рецензент А.В. Кравец, канд. техн. наук, доцент ТТИ ЮФУ.

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ Целью работы является изучение схем, применяемых в УКВприемниках для построения декодеров стереосигналов, и исследование их основных характеристик в среде MICRO CAP.

2. КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Преимущественное развитие УКВ-приема по сравнению с приемом в диапазонах с амплитудной модуляцией (АМ) объясняется высоким качеством воспроизведения программ в УКВ диапазоне, низким уровнем помех и широким развитием стереофонического вещания.

Структурная схема приемника диапазона УКВ имеет вид, представленный на рис. 2.1.

Гр П УНЧ RC Детектор

УКВ ФСС УПЧ ЧД ВП

ПМК Гр RC Л УНЧ Стереодекодер Рис. 2. Здесь УКВ – модуль, в состав которого входят преселектор и преобразователь частоты;

ФСС – фильтр сосредоточенной селекции;

УПЧ – усилитель промежуточной частоты;

ЧД – частотный детектор;

ВП – схема восстановления поднесущей частоты;

RC – схема коррекции низкочастотных (НЧ) предыскажений;

УНЧ – усилители низкой частоты.

Для передачи программ стереофонического радиовещания используют следующие диапазоны частот: в России УКВ1 – 66… 74 МГц, и УКВ2 – 100... 108 МГц, в Западной Европе – 88... 104 МГц, в Японии – 76...88 МГц, в США – 88... 108 МГц.

Международным консультативным комитетом по радиовещанию (МККР) для стереофонического радиовещания в диапазоне метровых волн (МВ) рекомендованы три системы: отечественная, основанная на принципе полярной модуляции (АМ-ЧМ), американская с пилоттоном, разработанная фирмой "Зенит-Дженерал-Электрик" (АМ-ЧМ), и шведская ЧМ-ЧМ (предложенная значительно позже первых двух).

Для передачи двух раздельных сигналов стереопары используют один радиопередатчик, несущую которого модулируют по частоте сигналом, предварительно сформированным из сигналов стереопары.

Требование совместимости системы стереофонического радиовещания с монофонической является в настоящее время обязательным.

Кроме того, полоса частот радиоканала при стереопередаче не должна существенно расширяться по сравнению с полосой частот, занимаемой монофоническим передатчиком, так как в противном случае уменьшается зона обслуживания.

В диапазоне УКВ-1 используется система стереовещания с полярной модуляцией. При полярной модуляции (ПМ) положительные полупериоды ВЧ-колебания модулированы по амплитуде одним сигналом стереопары, а отрицательные полупериоды – другим (рис. 2.2,а).

Полярно-модулированное колебание (ПМК) несет информацию о двух раздельных сигналах стереопары, каждый из которых можно выделить полярным детектором (рис 2.2,б).

ПМК описывается уравнением где U0 – амплитуда несущей ПМК, – тональные модулирующие колебания (левый и правый сигналы стереопары), bЛ, bП и Л, П – соответственно амплитуды и частоты этих колебаний, модулирующих положительные и отрицательные полупериоды несущего колебания U0 sin0t (рис. 2.2,а).

Для повышения помехозащищенности сигналов Л и П в области верхних частот, где уровень спектральных составляющих существенно меньше, чем на средних частотах, в передатчике введена RС-цепь частотных предыскажений сигналов Л и П стереопары (рис. 2.1), ее постоянная времени составляет = 50 мкс.

ПМК состоит из двух составляющих (частей): низкочастотной (тональной), представляющей собой сумму колебаний UЛ(t)+ UП(t), и высокочастотной (надтональной) части, представляющей собой несущее колебание U0 sin0t, которое модулировано по амплитуде разностью сигналов UЛ(t) – UП(t). Выражение (2.1) можно записать несколько иначе:

Спектр ПМК (рис. 2.2,в) содержит звуковые частоты (ЗЧ), поэтому его невозможно излучать радиопередающей станцией. В системе стереофонического радиовещания с ПМК несущая (рис. 2.3) модулируется по частоте так называемым комплексным стереофоническим сигналом (КСС), спектр которого (рис. 2.4,б) отличается от спектра ПМК (рис. 2.4,а) частичным подавлением уровня поднесущей частоты.

Для повышения помехозащищенности сигналов Л и П в области верхних частот, где уровень спектральных составляющих существенно меньше, чем на средних частотах, в передатчике введена RС-цепь частотных предыскажений сигналов Л и П стереопары (рис. 2.3,б), ее постоянная времени составляет = 50 мкс.

Спектр комплексного стереофонического сигнала (КСС) с учетом действия RС-цепи частотных предыскажений изображен на рис. 2.4,д, где Л' и П' – левый и правый сигналы стереопары после прохождения цепи предыскажений. Стереомодулятор (рис. 2.3) содержит формирователь ПМК и цепь подавления поднесущей. Поднесущая подавляется в 5 раз (= 5), т.е. на 14 дБ. Характеристики этой цепи (рис. 2.4,г) нормированы, чтобы ее восстановление на приемной стороне не вызывало затруднений.

Функция передачи цепи частичного подавления поднесущей равна где х =;

= 2f – текущая круговая частота;

= 1,01859 мс.

Стандартом вместо нормируется величина 2, при Q = 100 получим 2 = 2Q/fпн = 6,4 мс.

Для схемы, изображенной на рис. 2.4,г, имеем = 2Q/ПН;

где Rн – сопротивление нагрузки;

Q и Roe – добротность и эквивалентное сопротивление колебательного контура.

С учетом частичного подавления поднесущей выражение для КСС при тональной модуляции в каналах Л и П имеет вид где mЛ и mП – коэффициенты модуляции положительных и отрицательных полупериодов поднесущей в ПМК. Подавление поднесущей fпн = 31,25 кГц на 14 дБ позволяет уменьшить девиацию частоты передатчика, необходимую для ее передачи до 20 % от максимальной девиации несущей частоты комплексным стереофоническим сигналом (10 кГц из общих 50 кГц девиации частоты несущего колебания), а следовательно, и полосу частот радиоканала.

В радиоприемном тракте (см. рис. 2.1) после прохождения высокочастотного блока ВЧ-ПЧ и частотного детектора ЧД выделенный КСС поступает на стереодекодер СД, в который входят восстановитель поднесущей ВП и детектор ПМК. После детектора ПМК сигналы Л и П проходят RС-цепь компенсации частотных предыскажений, внесенных на стороне передачи. Сигналы Л и П усиливаются в УЗЧ и воспроизводятся акустической системой.

В России в диапазоне УКВ2 – 100–108 МГц применяется система с пилот-тоном, в которой также формируется КСС, спектр которого (рис.2.5,а) тоже содержит две части: низкочастотную, представляющую собой сумму Л+П сигналов стереопары, и надтональную – AMколебание с полностью подавленной поднесущей fпн.

Поднесущая имеет частоту 38 кГц, модуляция ее по амплитуде также осуществляется разностным сигналом S = Л – П.

Для возможности синхронно восстанавливать частоту поднесущей на приемной стороне системы в спектр КСС дополнительно введен пилот-тон с частотой fпт = 19 кГц. Как и в системе с полярной модуляцией, сигналы Л и П подвергаются частотным предыскажениям на стороне передачи с помощью RC-цепи с постоянной времени 50 мкс (страны Европы) и 75 мкс (страны Америки).

Выражение для КСС в системе с пилот-тоном можно представить в виде где kU0 – амплитуда пилот-тона, все остальные обозначения здесь имеют тот же смысл, что в (2.3) и (2.7). В системе с пилот-тоном девиация несущей комплексным стереофоническим сигналом составляет в западно-европейских странах и США ±75 кГц, в России, соответственно, ±50 кГц.

В скандинавских странах и Японии нашла применение система стереовещания ЧМ-ЧМ. В системе ЧМ-ЧМ спектр КСС (рис. 2.5,б) также содержит тональную (М = Л – П) и надтональную части. Отличие от рассмотренных систем заключается в следующем: поднесущая, частота которой fпн=33,5 кГц, модулируется сигналом S = Л – П не по амплитуде, а по частоте. Сигнал S при этом предварительно подвергается компандированию для повышения его помехозащищенности (канал S стереомодулятора содержит сжиматель Сж, а стереодекодер – расширитель D).

В УКВ-приемниках используются различные принципы построения схем стереодекодеров.

В системах с ПМ и ПТ стереодекодеры могут быть построены по схеме с полярным детектором, представленной на рис. 2.2,б. При этом в системе с полярной модуляцией схема ВП обеспечивает восстановление поднесущей частоты, т.е. преобразование КСС в ПМК.

После восстановления поднесущей декодирование может быть реализовано полярным детектором (рис. 2.2,б).

В системе с пилот-тоном для формирования ПМК из КСС необходимо выделить пилот-тон с частотой 19 кГц, затем удвоить частоту до значения поднесущей – 38 кГц и сложить сформированную поднесущую с КСС, в котором необходимо подавить пилот-тон. В результате формируется ПМК с несущей частотой 38 кГц. Эти колебания также можно декодировать полярным детектором.

Стереодекодеры для всех трех систем могут быть построены по принципу предварительного разделения спектра на низкочастотную и надтональную части (рис. 2.6), где Д – детектор, СРП – суммарно-разностный преобразователь (матрица).

При этом выделяются сигналы тональной составляющей (Л + П – с помощью фильтров нижних частот) и надтональной (Л – П – с помощью полосовых фильтров и соответствующих детекторов: амплитудных – в системе с ПМ, синхронных (балансных – рис. 2.7) – в системе с ПТ и частотных – в системе ЧМ-ЧМ.

Сформированные таким образом сигналы подают на суммарноразностную матрицу, на выходе которой получают сигналы левого и правого каналов.

В практической схемотехнике распространение получили стереодекодеры с временным разделением каналов, представленные на рис. 2.8.

Здесь ТШ – триггер Шмитта, ЭК – электронный коммутатор, ФИ – формирователь импульсов.

3. ЛАБОРАТОРНОЕ ЗАДАНИЕ ПО ИССЛЕДОВАНИЮ

ДЕКОДЕРОВ СТЕРЕОСИГНАЛОВ С ПОМОЩЬЮ

ПРОГРАММЫ “MICRO CAP”

3.1. Схема исследования декодеров сигналов с ПМ Откройте файл 2дек (рис. 3.1).

На рис. 3.1 представлены схема формирователя ПМК, состоящая из операционного усилителя Х3 и двух генераторов АМ и Е1, и схемы двух стереодекодеров: с разделением спектров (суммарноразностный) и с полярным детектором.

Рис. 3. В генераторе АМ в виде макроса записано выражение для амплитудно-модулированного колебания (АМК) надтональной части (Л–П):

2*(1+0.5*(0.5*cos(2*3.14*1e3*t)cos(2*3.14*2.5e3*t)))*cos(2*3.14*31.25e3*t).

В генераторе Е1 – макрос тонального колебания Л+П:

1*((0.5*cos(2*3.14*1e3*t)+0.5*cos(2*3.14*2.5e3*t))).

На операционном усилителе Х3 собран сумматор, на выходе которого формируется ПМК.

В соответствии со схемой, представленной на рис. 2.6, суммарноразностный стереодекодер состоит из фильтра нижних частот (ФНЧ) R34, C10, выделяющего тональную часть Л+П, и согласующего операционного усилителя Х4, полосового фильтра, выполненного на транзисторе Q1 и контуре L1, C9, амплитудного детектора, выполненного на операционном усилителе Х1 и диоде D1, сумматора Х5 и вычитающего устройства Х7, фильтров нижних частот R45, R48, C16, C19 и R44, R47, C15, C18.

В соответствии со схемой, представленной на рис. 2.2,б, полярный детектор выполнен на диодах D2, D3.

1. Получите, зарисуйте и проанализируйте временные и спектральные диаграммы на выходе формирователя ПМК (точка 5).

2. Получите, зарисуйте и проанализируйте временные и спектральные диаграммы на выходах суммарно-разностного стереодекодера (точки 36 и 37).

3. Получите, зарисуйте и проанализируйте временные и спектральные диаграммы на выходах полярного детектора (точки 43 и 44).

4. Творческое задание: создайте генератор КСС, для этого синтезируйте, настройте и включите схему подавления поднесущей частоты, зарисуйте диаграммы.

3.3. Схема исследования декодера сигналов с ПТ Откройте файл Дем ПТПМ (рис. 3.2).

На рис. 3.2 представлена схема формирователя и декодера КСС с ПТ. Формирователь состоит из операционного усилителя Х3 и трех генераторов Е1 – Е3, формирующих сигналы в виде макросов. Генератор Е1 – тональный сигнал Л + П:

0.5*sin(2*3.14*1e3*t)+0.5*sin(2*3.14*2.5e3*t)), генератор Е3 надтональный сигнал Л – П:

(0.5*sin(2*3.14*1e3*t)-0.5*sin(2*3.14*2.5e3*t))*sin(2*3.14*38e3*t); и генератор Е4 – сигнал пилот-тона: cos(2*3.14*19e3*t-0.77).).

Декодер содержит схему формирования поднесущей частоты, состоящую из полосового фильтра для выделения пилот-тона частотой 19 кГц (контур Х13) и перемножитель Х14, формирующий поднесущую частоту 38 кГц, сумматор Х8 формирует ПМК. На контуре L1, C2, R33 собрана схема подавления пилот-тона. На диодах D1 и D2 собран полярный детектор, реализующий стереодекодирование.

1. Получите, зарисуйте и проанализируйте временные и спектральные диаграммы на выходе формирователя КСС (точка 4).

2. Получите, зарисуйте и проанализируйте временные и спектральные диаграммы на выходе схемы подавления пилот-тона (точка 3. Получите, зарисуйте и проанализируйте временные и спектральные диаграммы на выходе схемы формирования поднесущей частоты (точка 10).

4. Получите, зарисуйте и проанализируйте временные и спектральные диаграммы на выходах полярного детектора (точки 17 и 22).

Творческое задание:

Создайте схему стереодекодера с разделением спектров.

Зарисуйте диаграммы в характерных точках.

4. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

Цель работы. Схемы исследованных цепей. Результаты по исследованию схем с помощью программы «Micro Cap», полученные в ходе лабораторной работы. Выводы по проделанной работе.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Расскажите, что входит в состав ПМК и КСС в системе ПМК.

2. Расскажите, что входит в состав КСС в системе с пилот-тоном.

3. Спектр сигнала ПМК с частичным подавлением поднесущей.

4. Нарисуйте спектр сигнала КСС с пилот-тоном.

5. Чем отличается спектр ПМК от спектра КСС с пилот-тоном?

6. Объясните причину передачи стереосигнала в виде КСС.

7. Нарисовать схему подавления поднесущей ПМК.

8. Объясните насколько и почему подавляется поднесущая ПМК.

9. Где происходит формирование КСС в стереогенераторах?

10. Для чего вводятся предыскажения при формировании КСС?

11. Для чего вводятся линии задержки в схемах формирования ПМК матричным методом?

12. Что такое переходное затухание между стереоканалами?

1. Плаксиенко В. С. Устройства приема и обработки сигналов:

Учебное пособие. Ч. 5. – Таганрог: Изд-во ТРТУ, 1999. – 108 с.

2. Радиоприемные устройства: Учебник для вузов / Н. Н. Фомин, Н. Н. Буга, В.С. Плаксиенко и др./Под ред. Н.Н. Фомина: 3-е издание, стереотип. – М.: Горячая линия – Телеком, 2007. – 520 с.

ОГЛАВЛЕНИЕ

1. Цель работы…………………………………………...……..…..… 2. Краткие теоретические сведения…………………………..….…. 3. Лабораторное задание по исследованию декодеров с помощью программы “Micro Cap”…………………………..………………. 4. Содержание отчета………………………………………………. Контрольные вопросы……………………………………………… Библиографический список..………………………………………. Плаксиенко Владимир Сергеевич Плаксиенко Нина Евгеньевна Методические указания по выполнению

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИЕМНИКОВ ДИАПАЗОНА УКВ

Для студентов радиотехнических специальностей Ответственный за выпуск Плаксиенко В.С.

Редактор Проценко И.А.

Корректор Чиканенко Л.В.

ЛР №020565 от 23.06. 1997 г. Подписано к печати 31.10 2007 г.

Формат 60х84 1/16. Бумага офсетная.

Печать офсетная. Усл. п.л. – 1. Уч.-изд. л. – 0,9.

Издательство Технологического института Южного федерального университета ГСП 17А, Таганрог, 28, Некрасовский, Типография Технологического института Южного федерального университета ГСП 17А, Таганрог, 28, Энгельса,