telekommunikation praktikumsversuch d – frequenzmodulation, … · 2021. 1. 13. · der vco...
Post on 01-Feb-2021
5 Views
Preview:
TRANSCRIPT
-
Praktikum Frequenzmodulation, Simulation
1
Prof. Dr.-Ing. Erwin Riederer
Kommunikationstechnik
Universität der Bundeswehr München
Institut für Funkkommunikation
Telekommunikation Praktikumsversuch D –
Frequenzmodulation, Simulation Stand 06.05.2020
-
Praktikum Frequenzmodulation, Simulation
2
INHALT 1 Einführung ....................................................................................................................................... 3
1.1 Allgemein ................................................................................................................................. 3
1.2 Zweck des Versuchs ................................................................................................................. 4
2 Vorbereitung ................................................................................................................................... 5
2.1 Benötigte Grundlagen ............................................................................................................. 5
2.2 Vorbereitungsfragen ............................................................................................................... 5
3 Durchführung .................................................................................................................................. 6
3.1 Benötigte Geräte/Software ..................................................................................................... 6
3.2 Versuchsdurchführung ............................................................................................................ 6
4 Anhang............................................................................................................................................. 9
4.1 Bessel-Funktionen ................................................................................................................... 9
4.2 Normierter Effektivwert ........................................................................................................ 10
4.3 Allgemeine Hinweise zur Verwendung von labAlive ............................................................. 11
-
Praktikum Frequenzmodulation, Simulation
3
1 EINFÜHRUNG
1.1 Allgemein Bei der Frequenzmodulation (FM) wird die Trägerfrequenz proportional zu einem Quellsignal variiert.
Die Trägeramplitude des FM-Signals bleibt konstant.
Abbildung 1: Von oben: Quellsignal, FM-Sendesignal, Träger
Als Frequenzmodulator kann ein spannungsgesteuerter Oszillator (VCO, Voltage-Controlled
Oscillator) dienen.
Abbildung 2: VCO als Frequenzmodulator
-
Praktikum Frequenzmodulation, Simulation
4
Der VCO schwingt mit einer Frequenz, die durch die Eingangsspannung bestimmt wird.
( ) 0q t V
Liegt kein Quellsignal an wird die Trägerfrequenz Tf ausgegeben.
( ) 1q t V
Liegt die maximale Quellamplitude an, erhöht sich die Frequenz um den maximalen
Frequenzhub Gf .
Abbildung 3: Verschiebung der Trägerfrequenz um ΔfG
Die Modulatorkonstante ist eine i.d.R. feste Eigenschaft des Modulators und beschreibt die
Frequenzänderung des Trägers in Abhängigkeit von der Amplitude des NF-Signals:
Mk V
Hz
Der Frequenzhub ist die maximale Frequenzabweichung.
G G Mf q k
Der Modulationsindex ergibt sich zu:
G
q
f
f
Die benötigte Sendebandbreite sB für eine normale Übertragung beträgt:
2 1 2S q G qB B f B
1.2 Zweck des Versuchs Veranschaulichung der Frequenzmodulation anhand mehrerer Computersimulationen und das Lösen
von Fragen zur Frequenzmodulation.
-
Praktikum Frequenzmodulation, Simulation
5
2 VORBEREITUNG
2.1 Benötigte Grundlagen Vorlesung: „Telekommunikation“, Prof. Dr. –Ing. Riederer
2.2 Vorbereitungsfragen
1. Ein VCO hat eine Modulatorkonstante Mk von 30 /kHz V und gibt ein cosinus-förmiges
Signal mit einer Trägeramplitude von 5V ab. Das zu modulierende cosinus-förmige
Quellensignal besitzt eine Quellenamplitude 1Gq V und eine Frequenz von10kHz .
Berechnen Sie folgende Größen:
a) Sendeleistung SS
b) Maximaler Frequenzhub Gf
c) Phasenhub G
d) Modulationsindex
2. Folgende Daten einer FM-Modulation sind gegeben:
Trägersignal 50Tf MHz
Modulatorkonstante 10 /Mk kHz V
Cosinus-förmiges Quellensignal 10qf kHz
Modulationsindex 2
Bestimmen Sie folgende Größen:
a) Maximaler Frequenzhub Gf
b) Amplitude des Quellensignals Gq
c) Normierter Effektivwert effq
d) Sendebandbreite sB für eine normale Übertragung
e) Modulationsgewinn M
f) Zeichnen Sie mit Hilfe der Besselfunktionen das Spektrum einer Schwingung, die mit
einem Modulationsindex von 2 moduliert ist.
g) Ermitteln Sie anhand der im Anhang befindlichen Besselfunktionen den
Modulationsindex , wenn der Träger das erste Mal verschwindet? Berechnen Sie
hierfür die benötigte Amplitude q̂ .
-
Praktikum Frequenzmodulation, Simulation
6
3 DURCHFÜHRUNG
3.1 Benötigte Geräte/Software Simulatioinssystem labAlive
3.2 Versuchsdurchführung 1. Starten Sie die FM Simulation.
a) Stellen Sie nun die Parameter wie in den Vorbereitungsfragen ein:
Trägersignal 50Tf kHz , ˆ 2s V
Modulatorkonstante 10 /Mk kHz V
Cosinus-förmiges Quellensignal 10qf kHz
Amplitude des Quellensignals damit sich ein Modulationsindex 2 ergibt.
Siehe Vorbereitungsfrage 2 b)
Vergleichen Sie Ihr berechnetes Spektrum (Vorbereitungsfrage 2f) mit der Anzeige im
Spektrumanalysator.
Identifizieren Sie im Spektrum die Seitenfrequenzen, die außerhalb der zuvor
berechneten Systembandbreite liegen.
b) Ändern Sie jetzt die Quellsignalamplitude so, dass der Träger verschwindet.
Wie groß ist nun Gq und der Modulationsindex ?
c) Ändern Sie jetzt die Quellsignalamplitude so, dass die erste Seitenfrequenz
verschwindet.
Wie groß ist nun und der Modulationsindex?
d) Stellen Sie nun jeweils eine konstante Quellensignalamplitude von 0V und 1V ein
(DC). Bestimmen Sie anhand des Spektrums die Modulatorkonstante Mk .
2. Starten Sie die Simulation Frequency modulation audio demo und folgen Sie den
Anweisungen dort.
Abbildung 4: Frequency modulation audio demo
https://www.etti.unibw.de/labalive/experiment/frequencymodulation/https://www.etti.unibw.de/labalive/experiment/fmbasebandaudiodemo/
-
Praktikum Frequenzmodulation, Simulation
7
3. Analysieren Sie folgendes Sendesignal (Modulatorkonstante 10 /Mk kHz V ).
Abbildung 5: FM-Sendesignal in unterschiedlichen Zeitauflösungen
Abbildung 6: Zeichnen Sie das ermittelte Quellensignal ein
Bestimmen Sie folgende Größen (im Rahmen der Ablesegenauigkeit):
a) Maximaler Frequenzhub Gf
b) Trägerfrequenz Tf
c) Quellensignal: Form, qf , Gq
d) Modulationsindex
e) Amplitudenstärkste Seitenfrequenz im Spektrum
-
Praktikum Frequenzmodulation, Simulation
8
4. Zusatzaufgabe
Generieren Sie ein FM Sendesignal. Dieses Signal kann Ihr Praktikumspartner anschließend
demodulieren. Im Präsenzpraktikum können wir es auf einer UKW-Frequenz senden und auf
einem Radioempfänger anhören.
Starten Sie die Simulation:
FM transmitter (1) - modulate audio signal and record transmit signal to file
Abbildung 7: Erzeugen eines FM-Sendesignals
Selektieren Sie ggf. eine eigene Audiodatei im wav-Format (44.1kHz, 16 bit,
Stereo) oder das Mikrofon Line in.
Abbildung 8: Einstellungen für das Quellensignal
Stellen Sie die Amplitude so ein, dass das FM Sendesignal einen maximalen
Frequenzhub von 75Gf kHz hat.
Das Multimeter Messgerät für maximale Amplitude kann hier hilfreich sein:
Abbildung 9: Multimeter
Klicken Sie auf „Start save samples to file“ um die Aufnahme zu starten.
Abbildung 10: Signal logging
Übermitteln Sie das FM Sendesignal als Datei Ihren Praktikumspartner, dieser
kann es mit FM receiver demodulieren und die Audionachricht anhören.
Präsenzpraktikum: Kopieren Sie das generierte Sendesignal als Datei
(fm_gruppe_x.shortc) in den Dropbox Ordner.
Das Sendesignal können wir nun über ein Software Defined Radio senden
und mit einem UKW Empfänger anhören.
https://www.etti.unibw.de/labalive/experiment/fmtransmitterrecordaudiodemo/https://www.etti.unibw.de/labalive/experiment/fmdemod/
-
Praktikum Frequenzmodulation, Simulation
9
4 ANHANG
4.1 Bessel-Funktionen
Abbildung 11: Bessel-Funktionen
-
Praktikum Frequenzmodulation, Simulation
10
4.2 Normierter Effektivwert
123-Regel Signalform PAPR
2
effq PAPR[dB] 2
effq [dB]
Gleichspannung
1 1 0 0
Rechteck
1 1 0 0
Sinus
2 1
2 3,01 -3,01
Dreieck
3 1
3 4,77 -4,77
Sägezahn
3 1
3 4,77 -4,77
Audiosignal (Beispiel)
80 1
80 19 -19
Normierter Effektivwert
ˆ
eff
eff
qq
q
Crest Faktor
1
eff
Cq
Peak-to-average-power ratio (PAPR) 2
2 2
ˆ 1
eff eff
qPAPR
q q
-
Praktikum Frequenzmodulation, Simulation
11
4.3 Allgemeine Hinweise zur Verwendung von labAlive Die Simulation lässt sich mit einem Klick auf den „Launch“-Button starten.
Abbildung 12: Starten der Simulation
Nach dem Start läuft die Simulation mit einer voreingestellten Geschwindigkeit ab. Diese lässt sich
mit der Taste F3 beschleunigen und mit der Taste F2 verlangsamen. Die Taste Pause stoppt den
Ablauf der Simulation.
Die Einstellungen können Sie auch über den Menüpunkt Run vornehmen, sollte keine Pausetaste auf
der Tastatur vorhanden sein.
Abbildung 13: Simulation pausieren über das Menü
Signalform und Parameter des Einganssignals können im Properties-Dialog geändert werden.
Abbildung 14: Einstellungen des Einganssignals
Durch einen Rechtsklick auf eine der Signalleitungen lassen sich verschiedene Messgeräte
auswählen, um das Signal am ausgewählten Punkt zu vermessen und/oder darzustellen.
-
Praktikum Frequenzmodulation, Simulation
12
Abbildung 15: Hinzufügen von Messgeräten
Der Einstellungs-Dialog des jeweiligen Messgeräts kann über das Zahnradsymbol oder einen
Rechtsklick in das Fenster des Messgeräts aufgerufen werden. Es werden anfangs nur die wichtigsten
Einstellungen angezeigt. Durch einen Linksklick auf den Button mit dem nach unten gerichteten Pfeil
lassen sich die restlichen Einstellungen anzeigen. (Hinweis: Oft sind zur Anzeige aller Einstellungen
mehrere Klicks notwendig.)
Abbildung 16: Einstellungen für das gewählte Messgerät
Eine detaillierte Hilfe ist online unter folgender Adresse zu finden:
https://www.etti.unibw.de/labalive/manual/
https://www.etti.unibw.de/labalive/manual/
top related