Создание виртуальной установки.

Цель работы.

Изучение амплитудно-частотных и фазо-частотных искажений, исследование с помощью виртуальной лабораторной установки зависимости искажений от различных параметров фильтра.

 

Краткие теоретические сведения.

Искажения сигнала — несоответствие переданного сигнала передаваемому.

Виды искажений:

Нелинейные искажения.

Искажения, проявляющиеся в появлении в частотном спектре выходного сигнала составляющих, отсутствующих во входном сигнале. Нелинейные искажения представляют собой изменения формы колебаний, проходящих через электрическую цепь (например, через усилитель или трансформатор), вызванные нарушениями пропорциональности между мгновенными значениями напряжения на входе этой цепи и на ее выходе. Это происходит, когда характеристика выходного напряжения нелинейно зависит от входного. Количественно нелинейные искажения оцениваются коэффициентом нелинейных искажений или коэффициентом гармоник. Типовые значения КНИ : 0% — синусоида; 3% — форма, близкая к синусоидальной; 5% — форма, приближенная к синусоидальной (отклонения формы уже заметны на глаз); до 21% — сигнал трапецеидальной или ступенчатой формы; 43% — сигнал прямоугольной формы.

 

Амплитудно-частотные искажения.

Искажения, проявляющиеся в изменении соотношения амплитуд спектральных составляющих сигнала. Показателем степени частотных искажений, возникающих в каком-либо устройстве, служит неравномерность его амплитудно-частотной характеристики, количественным показателем на какой-либо конкретной частоте спектра сигнала является коэффициент частотных искажений.

*Коэффициент частотных искажений — отношение коэффициента передачи на средних частотах к его значению на данной частоте.

 

Фазо-частотные искажения.

Искажения, вызванные нарушением фазовых соотношений между отдельными спектральными составляющими сигнала при передаче по какой-либо цепи.

 

Динамические искажения.

Искажения формы сигнала, возникающие в усилителях (главным образом операционных), из-за ограниченной скорости нарастания выходного напряжения при быстрых изменениях входного напряжения.

 

Перекрёстные искажения (приёмника).

Перекрёстными искажениями в радиоприёмнике называются изменения структуры спектра сигнала на выходе радиоприёмника при действии на его входе сигнала и модулированной помехи, частота которой не совпадает с основным и побочными каналами приёма радиоприёмника

*Коэффициент перекрёстных искажений — отношение отклика, возникающего в результате перекрёстных искажений, к заданному отклику на полезный радиосигнал.

 

Взаимомодуляционные искажения (передатчика).

*Коэффициент взаимомодуляционных искажений — отношение мощности комбинационной составляющей спектра выходного сигнала к мощности несущей радиопередатчика

 

Краевые искажения.

Искажения, вызванные смещением краёв элементов двоичного сигнала относительно их заданного положения.

Создание виртуальной установки.

Для создания лабораторной установки необходимо сначала создать анализатор спектра сигналов (пункты 1-17), затем подключить фильтр. Для этого:

1. Из подменю Graphпалитры Controls(ModernGraph) выбрать графический индикатор (Waveform Graph) для отображения сигнала и перенести его на лицевую панель. Разместить его справа наверху лицевой панели. В появившейся метке можно тут же с клавиатуры ввести название индикатора «Сигнал до фильтрации».

2. Второй графический индикатор для наблюдения амплитудного спектра выбрать анало­гично п. 1. Поместить индикатор на лицевой панели ниже первого инди­катора. Ввести в метку его название «Амплитудный спектр до фильтрации».

3. Третий графический индикатор для наблюдения фазового спектра выбрать анало­гично п. 1. Поместить индикатор на лицевой панели ниже второго инди­катора. Ввести в метку его название «Фазовый спектр до фильтрации».

4. Из подменю Numericпалитры Controls(ModernNumeric)выбрать три вертикальных ползунковых регулятора (Vertical Pointer Slide) для регуляторов «Амплитуда», «Длительность» и «Задержка», разместить их на лицевой панели слева от индикаторов сверху вниз и ввести их названия в метки.

5. Разместив индикаторы и органы управления на лицевой панели, можно пе­рейти к блок-схеме. Чтобы сделать это, надо выбрать в меню Window=> Snow Block Diagram

6. Из подменю Numericпалитры Functions(ProgrammingNumeric)выбрать числовую константу (Numeric Constant) и поместить ее на блок-схеме выше терминалов органов управления. С помощью Меточного инструмента ввести в константу зна­чение 800. Этой константой задается количество точек (отсчетов) для ото­бражения прямоугольного импульса.

7. Из палитры Functionsвыбрать подменю Signal Processing,а из него - Signal Generation.Из этого подменю выбрать гене­ратор прямоугольного импульса (Pulse Pattern.vi) и поместить его на блок-схеме справа от терминалов органов управления.

8. Из подменю Signal Processingвыбрать подменю Spectral Analysis.Из него выбрать вычислитель спектра Amlitude and Phase Spectrum.vi и помести­ть его на блок-схеме между генератором прямоугольного импульса и тер­миналами индикаторов.

9. Из палитры Toolsвыбрать Монтажный инструмент («Катушку»).

10. Подключить числовую константу к терминалу «samples» генератора прямоугольного импульса.

11. Подключить терминал регулятора «Амплитуда» к терминалу генератора Amplitude.

12. Подключить терминал регулятора «Задержка» к терминалу генератора delay.

13. Подключитеь терминал регулятора «Длительность»к терминалу генератора «width».

14. Подключить выходной терминал генератора прямоугольного импульса «Pulse Pattern» к входному терминалу вычислителя спектра.

15. Подключить выходной терминал вычислителя спектра «Amp Spectrum mag» к терминалу индикатора «Амплитудный спектр до фильтрации».

16. Подключить выходной терминал вычислителя спектра «Amp Spectrum Phase» к терминалу индикатора «Фазовый спектр до фильтрации».

17. Подключить терминал индикатора «Сигнал до фильтрации»к проводу, соединяющему выходной терминал генератора и входной терминал вычислителя спектра.

18. После создания анализатора спектра – необходимо вернуться на лицевую панель. Чтобы сделать это, надо выбрать в меню Window=> Snow Front Panel.

19. Необходимо создать ещё 3 графических индикатора с названиями «Сигнал после фильтрации», «Амплитудный спектр после фильтрации», «Фазовый спектр после фильтрации» как это описано в п. 1-3. Разместить их справа на лицевой панели.

20. Графический индикатор для наблюдения амплитудно-частотной характеристики фильтра выбрать аналогично п. 1. Поместить индикатор в правом нижнем углу лицевой панели. Ввести в метку его название «АЧХ фильтра».

21. Аналогично п. 4 выбрать 3 регулятора «Частота дискретизации», «Нижняя граничная частота», «Верхняя граничная частота». Разместить их над индикатором «АЧХ фильтра».

22. Из подменю Numericпалитры Controlsвыберите Numeric Control. Ввести в метку его название «Тип фильтра».

23. Аналогично п.5 перейти к блок-схеме лабораторной установки.

24. Аналогично п.7 выбратьгенератор шума – Bernoulli Noise.vi.

25. Из подменю Signal Processingвыбрать подменю Filters.Из него выбрать фильтр Баттерворта (Butterworth filter (DBL).vi).

26. Необходимо поставить ещё один фильтр Баттерворта. Для этого повторить п.25 ещё раз.

27. Необходимо поставить ещё два вычислителя спектра. Для этого повторить п.8 2 раза.

28. Аналогично п. 9 выберить монтажный инструмент.

29. Подключить терминал «Тип фильтра» к терминалу фильтра Filter Type.

30. Подключить терминал «Частота дискретизации» к терминалу фильтра Sample freq.

31. Подключить терминал «Нижняя частота среза» к терминалу фильтра Low cutoff freq.

32. Подключить терминал «Верхняя частота среза» к терминалу фильтра High cutoff freq.

33. Повторить п. 28-32 для второго фильтра.

34. Подключить терминал фильтра Xк проводу, соединяющему выходной терминал генератора прямоугольного импульса и входной терминал вычислителя спектра.

35. Подключить выходной терминал фильтра «filtered X»к терминалу вычислителя спектра №1, созданному в п.27.

36. Подключить терминал индикатора «Сигнал после фильтрации»к проводу, соединяющему выходной терминал фильтра и входной терминал вычислителя спектра.

37. Подключить выходной терминал вычислителя спектра «Amplitude Spectrum» к терминалу индикатора «Амплитудный спектр после фильтрации».

38. Подключить выходной терминал вычислителя спектра «Phase Spectrum» к терминалу индикатора «Фазовый спектр после фильтрации».

39. Подключить выходной терминал генератора шума к терминалу Xфильтра №2, созданного в п.26.

40. Аналогично п. 35 соединить фильтр №2 с вычислителем спектра №2, созданному в п. 27.

41. Подключить терминал индикатора «АЧХ фильтра» к выходному терминал вычислителя спектра №2 «Amplitude Spectrum».

Примечания.

«Тип фильтра». 0 – ФНЧ, 1 – ФВЧ, 2 – Полосовой, 3 – Режекторный.

Нижняя частота среза не должна превышать половины частоты дискретизации.

Верхняя частота среза (когда она используется) должна быть не меньше нижней частоты среза.

При несоблюдении этих условий фильтр не будет выдавать выходной сигнал.

Рис. 1. Структурная схема установки.

 

 

Рис. 2. Итоговая Front Panel. Прохождение сигнала через канал передачи (имитируется фильтрами различно вида).

 

Задание.

1. Создать структурную схему в среде LabView.

2. Оценить АЧ-искажения при различных параметрах фильтра.

3. Оценить фазовые искажения при различных параметрах фильтра.

4. Зарисовать все полученные осциллограммы.

5. Проанализировать результаты.

Содержание отчета.

1. Краткая теория.

2. Структурная схема.

3. Осциллограммы.

4. Выводы.

 

Контрольные вопросы.

1. Что такое искажения сигнала?

2. Из-за чего возникают фазо-частотные искажения?

3. В чём проявляются амплитудно-частотные искажения?

4. Какие терминалы используются у генератора прямоугольных импульсов и на что они влияют?

5. Какие типы фильтров можно реализовать на базе фильтра Баттерворта?

6. На что влияет изменение нижней частоты среза?

7. В каких режимах работы фильтра используется верхняя частота среза?

8. Какие ограничения накладываются на верхнюю и нижнюю частоты среза?

9. Что такое коэффициент частотных, перекрестных и взаимномодуляционных искажений?

10. Как изменяются АЧ искажения при изменении параметров фильтра?

11. Как изменяются ФЧ искажения при изменении параметров фильтра?