6-5. ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ МОДУЛИРОВАННЫХ СИГНАЛОВ

В радиотехнических устройствах применяются амплитудная, частотная, фазовая, импульсная и комбинированные виды модуляции. В первых трех видах модуляции

амплитуда, частота или фаза синусоидального модулируемого сигнала изменяется по закону изменения модулирующего напряжения. При импульсной модуляции высота, частота повторения, длительность или временное положение видеоимпульсов изменяются в соответствии с изменением модулирующего сигнала низкой частоты. Применяются и другие, более сложные виды модуляции — кодо-импульсная, дельта-модуляция и др.

Сигнал, модулированный по амплитуде, характеризуется коэффициентом модуляции по частоте, — девиацией частоты по фазе, — индексом угловой модуляции Кроме того, все модулированные сигналы характеризуются глубиной модуляции, равной отношению данного коэффициента, девиации или индекса к максимальному значению, принимаемому за 100 %-ную модуляцию. Для оценки модуляции импульсов необходимо измерять параметры импульсов и их последовательностей.

Амплитудная модуляция. Сигнал, модулированный по амплитуде, записывается так:

где амплитуда немодулированного высокочастотного сигнала; несущая частота; модулирующая частота; коэффициент амплитудной модуляции,

( приращение высокочастотного напряжения при модуляции).

Обычно коэффициент модуляции выражается в процентах. При амплитудной модуляции коэффициент модуляции и ее глубина совпадают.

На рис. 6-12, а показан график модулированного сигнала, соответствующий выражению ; из графика следует, что

Формулы и справедливы только для симметричной модуляции. При несимметричной модуляции коэффициент модуляции измеряется раздельно «вверх» и «вниз» (рис. 6-12, б):

Коэффициент амплитудной модуляции измеряют двумя методами: осциллографическим и методом выпрямления (детектирования).

Осциллографический метод, в свою очередь, осуществляют двумя способами: линейной или синусоидальной развертки.

При линейной развертке в канал вертикального отклонения подают высокочастотный модулированный сигнал, частоту развертки устанавливают в 2-3 раза ниже модулирующей частоты и синхронизируют модулирующим напряжением.

Рис. 6-12. Графики модулированного сигнала

На экране осциллографа появляется осциллограмма модулированного сигнала в виде (рис. 6-12, а). Измерив с помощью масштабной сетки максимальное отклонение луча и минимальное согласно формуле (6-9) получаем (в процентах)

В канал вертикального отклонения можно подать выпрямленный (детектированный) сигнал, т. е. напряжение огибающей. Если осциллограф пропускает постоянный ток, то на экране появится осциллограмма вида рис. 6-12, в, по которой также можно определить Размеры измеряют относительно линии развертки.

При синусоидальной развертке, в канал вертикального отклонения подают модулированный сигнал, а в канал горизонтального отклонения — модулирующее напряжение. Верхняя огибающая модулированного сигнала определяется выражением Отклонение по горизонтали Подставляя из последнего выражения в выражение для у, получаем т. е. верхняя огибающая имеет вид прямой линии с наклоном, определяемым значением Аналогично, нижняя огибающая также прямая с наклоном Осциллограмма представляет собой светящуюся плоскость

трапецеидальной формы (рис. 6-13, а). Прямые, ограничивающие плоскость, являются фигурами Лиссажу, получившимися за счет взаимодействия огибающих модулированного сигнала с модулирующим напряжением при отсутствии фазового сдвига между ними. Размеры соответствуют максимальному и минимальному значениям модулирующего напряжения, поэтому вычисляется по формуле (6-11).

Усилители осциллографа или тракт модулирующего напряжения могут внести фазовый сдвиг между огибающими и модулирующим напряжением. При этом прямые примут вид эллипсов (рис. 6-13, б).

Рис. 6-13. Осциллограммы модулированного сигнала при синусоидальной развертке

Коэффициент амплитудной модуляции вычисляется так же, как и раньше, только размеры измеряются между точками касания горизонтальных прямых в местах максимального и минимального отклонений луча. Осциллограмма, изображенная на рис. 6-13, б, свидетельствует о наличии нелинейных искажений.

По виду фигуры, получающейся на экране осциллографа при отсутствии фазового сдвига и искажений, способ синусоидальной развертки частот называют способом трапеции.

Осциллографический метод прост и удобен. Погрешность составляет 5—10%. Измерение коэффициента модуляции можно выполнять только на одной модулирующей частоте в процессе настройки, проверки или профилактики устройств. В рабочих условиях при модуляции многочастотным сигналом можно только наблюдать непрерывно меняющуюся картину модулированного сигнала, но измерить его параметры невозможно.

Метод выпрямления (детектирования) позволяет измерять коэффициент амплитудной модуляции в процессе работы передатчика (генератора). Сущность метода заключается в том, что высокочастотный модулированный сигнал детектируется, в результате чего выделяются

постоянная составляющая, пропорциональная напряжению несущей и составляющая модулирующей частоты (огибающая), амплитуды которой пропорциональны приращению сигнала при модуляции Воспользовавшись формулой можно определить

Приборы, основанные на этом методе, называют модулометрами, или измерителями модуляции. Структурная схема такого прямопоказывающего прибора представляет собой высококачественный супер гетеродинный радиоприемник амплитудно-модулированных сигналов соответствующего диапазона частот (рис. 6-14) и особых пояснений не требует.

Рис. 6-14. Структурная схема измерителя коэффициента амплитудной модуляции

Магнитоэлектрический индикатор, с помощью которого измеряется постоянная составляющая, выделенная детектором пропорциональная напряжению несущей, всегда устанавливается на условную отметку «1», и тогда амплитудный (пиковый) вольтметр с закрытым входом, измеряющий можно градуировать непосредственно в процентах Переключая его вход, можно измерять Для установки напряжений несущей на «1» используют входной атеннюатор а для проверки тракта промежуточной частоты измерителя модуляции — калибровочный генератор

Частотная модуляция. Сигнал, модулированный по частоте синусоидальным напряжением, записывается в таком виде:

где амплитуда напряжения несущей частоты частота модулирующего напряжения; индекс частотной модуляции,

Здесь отклонение высокой частоты при модуляции, или девиация частоты.

Мгновенное значение частоты частотно-модулированного сигнала Девиация частоты пропорциональна амплитуде модулирующего напряжения и не зависит от его частоты:

Частота модулирующего напряжения определяет скорость изменения мгновенного значения девиации где — максимальное значение девиации, нормированное для данной системы связи или вещания. Например, для радиовещания с частотной модуляцией на ультракоротких волнах (УКВ ЧМ) для звукового сопровождения телевизионных программ В практике эксплуатации устройств с ЧМ в рабочих условиях измеряется девиация частоты Индекс модуляции измеряется при контрольно-поверочных и регулировочных работах.

Для измерения девиации существует несколько методов, но практически используется метод частотного детектора. Сущность его состоит в том, что частотно-модулированный сигнал преобразуется в амплитудно-модулированный и детектируется; в результате получается напряжение, пропорциональное напряжению модулирующей частоты. Как следует из выражения (6-14), шкалу амплитудного вольтметра можно градуировать непосредственно в единицах девиации частоты — килогерцах. Приборы, предназначенные для измерения девиации частоты, называются девиометрами.

Девиометр представляет собой высококачественный калиброванный радиоприемник частотно-модулированных сигналов, и его структурная схема подобна схеме модулометра (рис. 6-14). Отличие заключается в том, что после усилителя промежуточной частоты имеется амплитудный ограничитель, а вместо амплитудного детектора используется частотный. Применяют частотные детекторы типа электронно-счетной схемы или на линии задержки. Вследствие общности большинства узлов модулометра и девиометра они часто выпускаются в виде комбинированных приборов для измерения AM и ЧМ сигналов. Погрешность составляет

Выражение для частотно-модулированного сигнала можно представить в спектральной форме:

где функция Бесселя первого рода нулевого порядка аргумента, равного индексу частотной модуляции то же порядка; число боковых полос в частотно-модулированном сигнале.

Рис. 6-15. График функции Бесселя первого рода нулевого порядка

Первое слагаемое в правой части формулы (6-15) представляет собой напряжение несущей частоты; амплитуда его меняется по закону изменения функции Бесселя, кривая которой (рис. 6-15) проходит через нулевые значения. При равенстве индекса модуляции значениям корней Бесселевой функции 2,4; 5,52; 8,65; 11,79; 14,93; 18,07 и так далее напряжение несущей в спектре частотно-модулированного колебания обращается в нуль, исчезает из спектра. На основе этого явления разработан метод измерения индекса частотной модуляции, названный методом исчезающей несущей.

Метод исчезающей несущей реализуется с помощью схемы измерения, приведенной на рис. 6-16. В нее входят: исследуемый генератор (передатчик) с частотной модуляцией; генератор низкой частоты, являющийся источником модулирующих сигналов; высококачественный узкополосный радиоприемник соответствующего диапазона частот; элементы связи между передатчиком и приемником; индикатор напряжения несущей на выходе приемника. Полоса пропускания приемника должна быть меньше удвоенного значения самой низкой модулирующей частоты.

Рис. 6-16. Схема измерения индекса частотной модуляции методом исчезающей несущей

Измерение выполняют так. Радиоприемник сигналов с амплитудной модуляцией настраивают на несущую частоту передатчика при отсутствии модуляции, и на индикаторе И устанавливают показание, близкое к максимальному. Радиоприемник регулируют на минимальную чувствительность. Затем постепенно повышают

напряжение генератора при выбранном значении модулирующей частоты Показание индикатора при этом уменьшается и при некотором значении исчезает. Для точного определения момента исчезновения несущей увеличивают чувствительность приемника до возникновения собственных шумов. Полезно параллельно индикатору включить головные телефоны или громкоговоритель. Уточненному значению соответствует первый корень Бесселевой функции, равный 2,4, следовательно, и девиация частоты

Рис. 6-17. Модуляционная характеристика

Продолжая увеличивать напряжение модуляции, находят второе его значение, при котором снова исчезает показание индикатора. Это происходит при напряжении которому соответствует второй корень Бесселевой функции, равный 5,52. Отсюда а девиация Модулирующую частоту нужно поддерживать постоянной. Результаты измерения удобно свести в таблицу, подобную табл. 6-1 (здесь ). По данным этой таблицы легко построить график, представляющий модуляционную характеристику передатчика. С помощью этого графика можно определить все промежуточные значения индекса и напряжения а также границу линейного участка характеристики, за которым начинаются нелинейные искажения (рис. 6-17). Иногда характеристика не проходит через нуль (начало координат). Это свидетельствует о наличии паразитной частотной модуляции, вызванной собственными шумами в цепях передатчика или пульсациями питающего напряжения.

Точность определения девиации частоты методом исчезающей несущей зависит от погрешности установки частоты генератора модулирующего напряжения и намного превосходит точность измерения с помощью девиометров. Поэтому этот метод широко используется для первичной настройки и регулировки передатчиков, калибровки генераторов и в других случаях.

Импульсная модуляция. В процессе прохождения импульсов через различные цепи и устройства, а также во

время распространения радиоимпульсов между передающей и приемной антеннами форма их изменяется (искажается) и может принимать вид, представленный на рис. 6-18.

Таблица 6-1 (см. скан)

Искажения разделяются на амплитудные — неравномерность вершины импульса выбросы на вершине и в паузе и временные — длительность фронта и среза и связанная с ними длительность импульса на разных уровнях.

Рис. 6-18. Параметры сигналов импульсной формы: а — прямоугольного; б - трапецеидального; в — экспоненциального

В особо ответственных случаях рассматриваются нелинейности фронта и среза и неэкспоненциальность среза 69. Импульсная последовательность характеризуется

частотой повторения, длительностью временных интервалов между соседними импульсами и скважностью или коэффициентом заполнения. Представляет интерес мгновенное значение высоты импульса в заданный момент времени и изменения этого значения под влиянием различных факторов. Иногда интересуются интегральными параметрами — обобщенными длительностью и высотой.

Все параметры импульсов напряжения, кроме интегральных, можно измерять с помощью осциллографа. При измерении импульсов тока их сначала превращают в импульсы напряжения. Для этого в цепь, по которой передаются импульсы тока, включают вспомогательный резистор с небольшим сопротивлением, падение напряжения на котором и измеряют.

Осциллографический метод измерения параметров импульсов получил широкое распространение благодаря своей наглядности. Однако в ряде случаев он не удовлетворяет требованиям точности, быстроты и удобства измерения.

Рис. 6-19. К определению длительности импульса помощью калиброванной развертки

Диапазон временных параметров импульсов простирается от долей наносекунды до единиц секунд. Измерение таких интервалов времени одним универсальным осциллографом невозможно. Для каждого конкретного случая нужно подбирать осциллограф, отвечающий по своим параметрам предстоящему измерению. Измерение длительностей осуществляют с помощью калиброванных меток (см. § 5-5) и калиброванной развертки. Способ калиброванных меток пригоден для измерений импульсов любой формы при любой скважности.

Способ калиброванной развертки применяют, если форма импульсов близка к прямоугольной, а скважность невелика. В этом случае на осциллограмме устанавливают два соседних импульса (рис. 6-19) и по масштабной сетке измеряют на экране осциллографа расстояния и Полученные данные позволяют вычислить длительность импульса и интервал между импульсами где установленное калиброванное значение длительности развертки.

Измерение амплитудных параметров — высоты импульса, выбросов и спада плоской части выполняют с помощью осциллографа по известному калиброванному коэффициенту отклонения по вертикали. Параметры наносекундных

импульсов измеряют с помощью стробоскопических осциллографов.

Погрешность измерения осциллографическим методом составляет 5—10, в лучшем случае Для более точных измерений импульсов выпускаются специализированные приборы, которые по способу отображения полученных результатов измерения делятся на осциллографические и цифровые.

Осциллографические измерители временных и амплитудных параметров отличаются от универсальных осциллографов наличием дополнительных узлов, позволяющих выполнять амплитудные измерения сигнала на любом уровне от 0,1 до 0,9 его высоты через 0,1 и устанавливать произвольно уровень начала и конца измерения с погрешностью

Рис. 6-20. К определению обобщенной длительности и обобщенной высоты импульса

Погрешность измерения временных параметров не превышает что достигается наличием точных калибраторов длительности, стабилизированных кварцевыми резонаторами. Недостатком осциллографических измерителей является сравнительно малая чувствительность.

Цифровые измерители временных интервалов основаны на методе дискретного счета, сущность которого заключается в следующем. Измеряемый временной интервал заполняется стабильными счетными импульсами известной длительности, а их число подсчитывается электронным счетчиком с выдачей результата в цифровой форме. Основными достоинствами цифровых измерителей являются: возможность измерения параметров одиночных импульсов; быстродействие; удобная индикация; вывод результатов измерения в электрическом коде; малая погрешность. Подробно метод дискретного счета рассматривается в гл. 8.

Интегральные параметры измеряются приборами, в которых измеряемая величина преобразуется в пропорциональный ей аналоговый или дискретный сигнал,

Обобщениые высота и длительность равны высоте и длительности эквивалентного импульса прямоугольной формы с равной площадью и энергией. На рис. 6-20 показаны для примера соотношения реальных и обобщенных высоты и длительности треугольного и экспоненциального импульсов. Приборы, измеряющие интегральные параметры, позволяют сравнивать импульсные сигналы с энергетической точки зрения, что иногда бывает единственным критерием.