Cíl měření Pro daný komunikační přijímač změřit: 1) citlivost 2) a) charakteristiku AGC b) dobu reakce AGC 3) selektivitu Přístrojové vybavení pracoviště Komunikační přijímač ICOM-IC-R8500 Stereowattmetr (se standardní zátěží 8 Ohm) Generátor Rohde&Schwarz SMY 01 Osciloskop Tektronix TDS 3012B Blokové schéma VF generátor vstupní díl 1 MF 2 MF + banka filtrů 3 MF AGC AM demodulátor NF zesilovač +PP u NF stereowattmetr +zátěž 8 Ohm osciloskop Výstup AGC Obr. 1: Schéma zapojení Úvod Rádiové přijímače umožňují selektivně vybírat a dále zpracovávat zvolený signál ze spektra elektromagnetických vln, zachycovaných přijímací anténou. Nejrozšířenějším typem rádiového přijímače je heterodynní přijímač, jehož základní blokové schéma je na obr. 2. f s Vstupní obvod VF zesilovač f s Směšovač f MF MF zesilovač Demodulátor Koncový stupeň f o Místní oscilátor Obr. 2: Blokové schéma heterodynního přijímače 1/7 LS 2010-11 (16.2.2011)
Úkolem selektivního vstupního obvodu je vybrat ze všech signálů dopadajících na anténu signál žádaný. V následujícím VF zesilovači je tento signál zesílen a současně jsou zde potlačeny zbytky rušivých signálů prošlých vstupním obvodem, zejména signálů ležících daleko od žádaného signálu. Ve směšovači (měniči kmitočtu) je přijímaný signál s kmitočtem f s pomocí signálu místního oscilátoru f o přeměněn na mezifrekvenční signál s kmitočtem f MF, určeným vztahem f MF = f o - f s (f o > f s ). Mění-li se kmitočet přijímaného signálu, mění se zároveň i kmitočet místního oscilátoru a to právě tak, aby byl mezifrekvenční kmitočet stále konstantní. Díky tomu může být mezifrekvenční zesilovač naladěn na fixní kmitočet f MF a zajistit tak velké zesílení a současně i velkou citlivost a selektivitu přijímače. Obsahuje-li přijímač dva nebo více těchto obvodů hovoříme o přijímači s dvojím či trojím směšováním, atd. Za posledním mezifrekvenčním zesilovačem následuje demodulátor, který z modulovaného mezifrekvenčního signálu získá původní modulační signál. Ten je potom zesílen v koncovém nízkofrekvenčním stupni. K proměření dostáváte komunikační přijímač japonské firmy Icom Inc. Jedná se o heterodynní přijímač s trojím směšováním. Technické parametry jsou uvedeny v příloze na straně 7. Tento přijímač slouží k sledování analogového rádiového provozu na vlnových rozsazích 100 khz 2 GHz s nejrůznějšími druhy provozu (FM, AM, SSB modulace s jedním postranním pásmem, CW kontinuální vlna, použití v telegrafii, ). Každý druh rádiového provozu může vyžadovat jinou šířku pásma, přijímač umožňuje zvolit odpovídající MF (mezifrekvenční) filtr a zajistit tak požadovanou selektivitu (viz příloha). Pro vyrovnání úrovně zpracovávaných signálů se využívá funkce pro automatické nastavení zisku AGC. Poznámky k měření Měření budou prováděna podle normy RTCA (Requirements and Technical Concepts for Aviation) pro letecké radiokomunikace, které pracují ve frekvenčním pásmu 117,975 137 MHz (na krajích pásma je ochranné pásmo 12,5 khz, a např. při šířce kanálu 25 khz má nejnižší resp. nejvyšší kanál frekvenci 118 MHz resp. 136,975 MHz). Základní nastavení VF (vysokofrekvenčního) generátoru Frekvence nosné vlny (RF) 130,1 MHz; úroveň (LEVEL) 100 µv; modulace amplitudová (AM), hloubka modulace 30%, modulační frekvence (AF) 1 khz (standardní hodnoty). Nastavení komunikačního přijímače AM modulace: tlačítkem AM AM, BW: 5,5 khz atenuátor: pomocí tlačítek 10dB a 20dB 0 db (displeji se nezobrazuje žádný údaj o útlumu) pro bod 1) a 10 db pro body 2) a 3) - viz postup měření rychlé AGC: tlačítkem AGC AGC-F umlčení nf výstupu deaktivovat: regulátor SQUELCH natočte do krajní polohy vlevo omezení impulsního rušení vyřadit: tlačítkem NB/AFC na displeji nesvítí NB na NF výstup zařadit pásmovou propust: tlačítkem APF zvolte APF (pokud je zvolen typ APF-N, změna se provede dlouhým stiskem tlačítka APF); otočný regulátor APF pro nastavení pásma propustnosti nastavte do střední polohy (odpovídá přibližně okolí 1 khz) frekvence nosné vlny např. 130,1 MHz: 130.1 ENT hlasitost: otočný prvek AF GAIN - prvek nastavte tak, aby byl výstupní výkon 50 mw (odečítá se na stereowattmetru při základním nastavení VF generátoru) Na standardní zátěži je zvolena hodnota 8 Ω. 2/7 LS 2010-11 (16.2.2011)
Ovládání osciloskopu kanál se aktivuje (platí pro zobrazení signálu i další volby v menu) / vypíná: stisknutím CH1, resp. CH2 / OFF automatické nastavení: AUTOSET (pozor ruší některá nastavení, je vhodné jej užít pouze v úplném začátku měření a poté již vstupní dělič a časovou základnu nastavovat ručně) vstupní dělič (pro aktivní kanál): SCALE posun stopy svisle, vodorovně: POSITION, POSITION časová základna (stejná pro oba kanály): SCALE vazba pro vstupní signál stejnosměrná / střídavá, DP filtr zařazen / vyřazen (pro aktivní kanál): VERTICAL MENU Coupling: DC / AC, Bandwidth: 20 MHz / Full zdroj synchronizace, vazba pro synchronizaci: TRIGGER MENU Source: Ch1 / Ch2, Coupling: DC / HF Reject / LF Reject / NOISE Reject (pokud osciloskop ztratí synchronizaci, může zcela přestat zobrazovat signály; pro stabilnější stopu je vhodné při zobrazování signálů s nízkou frekvencí volit HF Reject a naopak pro signály vyšších frekvencí LF Reject; obvykle vyhovuje DC) měření parametrů (pro aktivní kanál) např. frekvence: MEASURE pomocí -morenalistovat a tlačítky na pravé straně u displeje zvolit Frequency; při měření efektivní hodnoty zvolte RMS, pro měření střední hodnoty (stejnosměrné při DC vazbě) zvolte Mean; osciloskop měří správně hodnotu napětí, pokud signál vyplňuje alespoň 1/3 obrazovky; při měření frekvence je potřeba zobrazit více než jednu periodu časový úsek (frekvenci) je možné měřit pomocí vertikálních kurzorů, rozdíl napětí pomocí horizontálních kurzorů: CURSOR V Bars resp. H Bars K bodu 1) Citlivostí rádiového přijímače se obecně rozumí jeho schopnost přijímat slabé signály. Citlivost je určena především zesílením přijímače, mají však na ni podstatný vliv i jeho šumové vlastnosti. Citlivost omezená ziskem (maximální citlivost) charakterizuje zesilovací schopnost přijímače bez ohledu na jeho vlastnosti šumové. Při příjmu slabých signálů, jejichž úroveň je srovnatelná s úrovní šumů jsou však pro kvalitu rozhodující právě tyto šumové vlastnosti, které reprezentuje citlivost omezená šumem (užitečná citlivost). Je to minimální úroveň vstupního signálu se standardní modulací dávající standardní výstupní výkon při zvolené hodnotě poměru signálu k šumu S/N. Standardní výstupní výkon je obvykle udán výrobcem, ostatní veličiny a postupy měření udávají příslušné normy. Všechny normy pro rádiové přijímače s amplitudovou modulací považují za standardní vstupní signál s modulační frekvencí 1 khz a hloubkou modulace 30 %, poměr S/N obvykle záleží na oblasti použití přijímače [pro rozhlasové přijímače je to 26 db (podle normy ČSN IEC 315-3), pro komunikační přijímače 10 db, pro letecké přijímače 6 db]. Měření citlivosti lze provést podle blokového schématu zapojení na obr. 1. Na anténní vstup přijímače je připojen vysokofrekvenční signálový generátor, na výstup je místo reproduktoru připojena standardní umělá zátěž, což je činný odpor s hodnotou shodnou se jmenovitou hodnotou impedance reproduktoru, v našem případě 8 Ω. a) Na signálovém generátoru nastavte frekvenci nosné vlny 130,1 MHz, modulační frekvenci 1 khz, interní amplitudovou modulaci, hloubku modulace 30% a výstupní napětí 100 µv. 3/7 LS 2010-11 (16.2.2011)
b) Na vstupu přijímače vyřaďte atenuátor (přenos 0 db). c) Regulátor hlasitosti přijímače nastavte tak, aby byl výstupní výkon přijímače 50 mw, změřte na osciloskopu efektivní hodnotu užitečného výstupního napětí včetně šumu u NF (signál+šum = S+N) a zapište ji do tabulky 1. Vypočtěte odpovídající hodnotu napětí šumu u N (N) tak, aby odstup (S+N)/N byl 6, 10, resp. 26 db (využijte hodnoty poměru napětí z domácí přípravy) a hodnoty u N poznamenejte do tab. 1. d) Vypněte modulaci. V tomto případě měří osciloskop při dostatečně dlouhém běhu časové základny (200 ms) efektivní hodnotu napětí šumu u N (N) závisející na úrovni vstupního VF signálu (nemodulované nosné vlny) u VF. Snižte velikost vstupního VF signálu tak, aby šumové napětí u N na NF výstupu odpovídalo hodnotě vypočtené pro (S+N)/N 6 db v bodě c). Nenastavujte velikost vstupního VF signálu nižší než 0,45 µv, pro nižší hodnoty již závislost šumového napětí neodpovídá předpokladu. e) Nalezená úroveň vstupního VF napětí u VF udává citlivost přijímače, pokud při zapnutí modulace při této VF úrovni je výstupní výkon přijímače alespoň 10 % standardního výkonu nastaveného v bodě c), tedy 5 mw. f) Stejným postupem změřte citlivost přijímače pro poměr (S+N)/N = 10 db a 26 db. g) Měření zopakujte pro oba krajní kmitočty pásma ale jen pro odstup (S+N)/N = 10 db. Výsledky zapište do tabulek 1 a 2. K bodu 2a) Tabulka 1 f = 130,1 MHz (S+N)/N [db] u NF [mv] u N [mv] citlivost [µv] 6 * 10 26 * pozn.: v případě, že se nepodaří nastavit vypočtenou hodnotu u N pro (S+N)/N 6 db, zaznamenejte hodnotu u N a vypočtěte odpovídající (S+N)/N pro hodnotu citlivosti 0,45 µv Tabulka 2 (S+N)/N = 10 db f [MHz] u NF [mv] u N [mv] citlivost [µv] 130,1 137 117,95 Přijímač musí být schopen zpracovat značný rozsah amplitud přijímaného signálu. Aby přijímal slabé signály, bývá konstruován tak, aby byl velmi citlivý - vstupní signál je velmi zesílen. Avšak v případě silných vstupních signálů by mohlo dojít při takovém zesílení k přesycení obvodů zpracovávajících signál a ke zkreslení signálu a tím ke zhoršení věrnosti reprodukce. Proto bývá ve vhodném místě přijímače umístěn obvod, který nastavuje zisk podle velikosti zpracovávaného signálu a tím zamezuje pro silné vstupní signály zesílení amplitudy nad hodnotu, kterou je možné přijímačem zpracovat (AGC Automatic Gain Control). Charakteristika AGC: Podle normy RTCA by se výstupní výkon neměl měnit o více než 6 db při změně úrovně standardního vstupního signálu v rozsahu od 10 µv do 10 mv. a) Na signálovém generátoru nastavte frekvenci nosné vlny 130,1 MHz, standardní amplitudovou modulaci a výstupní úroveň 10 µv. 4/7 LS 2010-11 (16.2.2011)
b) Na vstup přijímače zařaďte atenuátor 10 db (tlačítko 10dB). c) Regulátor hlasitosti přijímače nastavte tak, aby výstupní výkon nebyl větší než 50 mw v rozsahu vstupního napětí přijímače od 10 µv do 10 mv. Vyhoví, pokud pro vstupní napětí 10 µv nastavíte výstupní výkon 40 mw. d) Pro úrovně vstupního napětí u VF podle tabulky 3 změřte efektivní hodnotu výstupního napětí přijímače u NF a stejnosměrné napětí na výstupu AGC U AGC a hodnoty zaznamenejte do tabulky. e) V závěru vyhodnoťte, zda přijímač vyhovuje normě. Tabulka 3 u VF 10 µv 100 µv 1 mv 10 mv 100 mv 200 mv u NF [mv] U AGC [V] K bodu 2b) Doba reakce AGC: Při skokové změně úrovně standardního vstupního signálu z 200 mv na 10 µv by měl výstupní výkon přijímače dosáhnout během 0,25 s úrovně 3dB pod úrovní výkonu při vstupním napětí 10 µv. a) Na signálovém generátoru ponechte předchozí nastavení frekvence a modulace a nastavte amplitudu výstupního napětí 200mV. b) Na vstup přijímače zařaďte atenuátor 10 db (tlačítko 10dB). c) Na osciloskopu nastavte vhodnou amplitudu a dostatečně pomalou rychlost časové základny (200 ms). d) Připravte si na generátoru změnu amplitudy (místo 200 napište 10), na osciloskopu použijte jednorázovou časovou základnu (SINGLE) a na generátoru stiskněte ihned poté tlačítko µv. e) Odečtěte pomocí vertikálních kurzorů dobu reakce AGC a zapište ji do závěrů měření. K bodu 3) Selektivitou přijímače se obecně rozumí jeho schopnost oddělit žádaný signál od nežádaného. Posuzujeme ji podle tzv. křivky selektivity, představující grafické znázornění závislosti zesílení přijímače (resp. jeho vysokofrekvenčních obvodů) na frekvenční odchylce od rezonanční frekvence (rozladění přijímače). Při měření se využívá reakce obvodu AGC na potlačení přijímaného signálu vlivem rozladění přijímače. Norma RTCA určuje následující metodu měření. a) Na signálovém generátoru vypněte modulaci a nastavte výstupní napětí 10 µv, tato hodnota představuje referenční úroveň (0 db) VF signálu pro měření selektivity. b) Na vstup přijímače zařaďte atenuátor 10 db (tlačítko 10dB). c) Odečtěte na osciloskopu referenční úroveň ss napětí na výstupu AGC. Časovou základnu zvolte 200 ms a měřte střední hodnotu napětí. d) Postupně zvyšujte úroveň výstupního napětí generátoru (vstupního napětí přijímače) podle tabulky 4 a pokaždé rozlaďujte generátor na obě strany od střední frekvence 130,1 MHz s krokem 100 Hz (na generátoru zvolte STEP 100 Hz) tak, abyste opět dosáhli referenční úrovně napětí AGC (v tomto okamžiku se právě kompenzují 5/7 LS 2010-11 (16.2.2011)
navýšení hodnoty vstupního napětí přijímače o a [db] a potlačení signálu vlivem rozladění přijímače o f, resp. f). Odpovídající odchylky frekvence f pro rozladění nad 130,1 MHz a f pro rozladění pod 130,1 MHz zapište do tabulky 4 s přesností 100 Hz. Tabulka 4 U AGCref = a [db] 0 +3 +6 +10 +20 +40 +60 u VF 10 µv f [khz] - f [khz] Domácí příprava bez vypracované domácí přípravy nebude povoleno zahájení měření Doplňte hodnoty napětí u VF do tabulky 4 (0 db odpovídá úrovni 10 µv, ostatní hodnoty budou o a [db] vyšší). Jakému poměru napětí respektive výkonů odpovídají poklesy o 3 db, 6 db, 10 db a 26 db? Vypočítané hodnoty zapište do tabulky 5 a použijte při měření. Tabulka 5 db - 3-6 - 10-26 U x / U 0 P x / P 0 Závěrečné úkoly a otázky vypracují se při, případně na konci měření Zjistěte, zda naměřená citlivost přijímače splňuje údaj výrobce. údaj výrobce: změřeno: vyhodnocení: Vyhodnoťte, zda charakteristika a doba reakce AGC vyhovují požadavkům na letecké přijímače. charakteristika AGC: doba reakce AGC: Vyhodnoťte, propustnou šířku pásma přijímače pro a = 6 db a porovnejte se selektivitou udanou výrobcem. propustná šířka pásma přijímače pro a = 6 db: selektivita: 6/7 LS 2010-11 (16.2.2011)
Příloha vybrané technické parametry z manuálu od výrobce Sensitivity (citlivost): Frequency band (MHz) SSB/CW AM AM-N AM-W FM WFM 0.1-0.49999 1.0 µ V 6.3 µv - - - - 0.5-1.79999 2.0 µ V 13.0 µv - - - - 1.8-1.99999 0.25 µ V 3.2 µv 2.5 µv - - - 2.0-27.99999 0.2 µ V 2.5 µv 2.0 µv - - - 28.0-29.99999 0.2 µ V 2.5 µv 2.0 µv - - - 30.0-999.99999 0.32 µ V 2.5 µv 2.0 µv 3.2 µv 0.5 µv 1.4 µv 1240.0-1300.00000 0.32 µ V 2.5 µv 2.0 µv 3.2 µv 0.5 µ V 2.0 µv Selektivity (selektivita): WFM FM, AM-W FM-N, AM AM-N, SSB, CW More than 150 khz/-6 db More than 12 khz/-6 db More than 5.5 khz/-6 db More than 2.2 khz/-6 db Other parameters (další parametry): Audio output power External speaker connector Frequency Range Europe Mode Frequency stability Below 30 MHz Above 30 MHz Power supply requirement Receive system Intermediate frequencies More than 2.0 W at 10% distortion with an 8Ω load 2-conductor 3.5 mm ( 1 / 8 ")/4-8 Ω 0.10000-1999.99999* 0.10000-87.50000 108.00000-1999.99999* *Specifications guaranteed: 0.1-1000 and 1240-1300 MHz. SSB (USB,LSB), AM (wide, normal, narrow), CW (normal, narrow*), FM (normal, narrow), WFM; *Optional filter required. ±100 Hz (±20 Hz*); *When an optional CR-293 is installed. ± 0.0003 % (±0.00006%*); *When an optional CR-293 is installed. 13.8 V DC ±15% (negative ground) or 117/220/240 VAC (AD-55/A/V) Superheterodyne Frequency band (MHz) 1st 2nd 3rd 0.1-29.99999 48.8 10.7 0.455* 30.0-499.99999 778.7 10.7 0.455* 500.0-1024.99999 266.7 10.7 0.455* Note: Converter system is adopted above 1025 MHz; *Except WFM 7/7 LS 2010-11 (16.2.2011)