Краткая теория. Ограничение полосы пропускания и восстановление цифровых сигналов

Ограничение полосы пропускания и восстановление цифровых сигналов

Лабораторная работа 16

В классической модели коммуникаций, сведения (сообщение) двигаются от передатчика к приемнику по каналу. Количество передаваемой информации может быть использовано для канала, включающего: металлические конструкции (такие как «витая пара» или коаксиальный кабель), оптическое волокно и воздушное пространство (что люди обычно называют «радиоволнами»).

Независимо от используемой среды, все каналы имеют полосу пропускания. То есть, среда определяет частотный диапазон сигнала, для относительно устойчивого к различным воздействиям прохождения, в то время как частота за пределами данного диапазона затухает. Таким образом, канал действует как фильтр.

Этот процесс имеет важные последствия. Напомним, что модулированный сигнал при аналоговой модуляции (такой как АМ) состоит из множества синусоид. Если полоса пропускания среды не достаточна широка, то одни колебания затухают, другие могут быть вовсе потеряны. В обоих случаях это приводит к тому, что демодуляция сигнала (восстановление сообщения) воспроизведет не точную копию первоначального сигнала.

Аналогичным образом, напомни, что цифровые сигналы также состоят из множества синусоидальных колебаний (называемых основной синусоидой и гармониками). Опять же, если полоса пропускания среды не достаточно широка, некоторые их них затухают и/или теряются и это может привести к изменению формы сигнала.

Для иллюстрации последнего момента рисунок 1 показывает, что случается, если все кроме первых двух синусоид удалены. Как вы можете видеть, сигнал искажен.

Ситуацию усугубляет и то, что канал как фильтр, в котором сдвиги фаз между синусоидами отличаются. Опять же, иллюстрация на рисунке 2 показывает сигнал, который был изображен на рисунке 1, с разницей лишь в том, что здесь первые две синусоиды сдвинуты по фазе на 40 °.

Вообразите, как же сложно цифровому приемнику (ИКМ декодеру) будет распознать логический уровень сигнала, изображенного на рисунке 2. Некоторые, а возможно и большинство из них, будут неправильно понимать и формировать ложное напряжение. Делать восстановление сообщения искаженным, с шумом, что очевидно есть проблема!

Экспериментальная часть

Выполнение должно занять приблизительно 50 минут + 20 минут

Порядок выполнения

Часть А – Влияние ограничения полосы пропускания на PCM декодирование

Как уже упоминалось, ограничение полосы пропускания в канале может искажать сигналы. Данная часть лабораторной работы демонстрирует это с помощью системы передачи PCM.

148. Убедитесь в том, что выключатель на задней панели NIELVIS не горит (выключен).

149. Аккуратно вставьте экспериментальный подключаемый модуль EmonaDATEx в учебную платформу NIELVIS.

150. Установите выключатель способа контроляControlMode на Контроль ПК (PCControl).

151. Убедитесь, что блок NIDataAcquisition выключен.

152. Подсоедините NIELVIS к NIDataAcquisition (DAQ) и подключите к ПК.

153. Включите выключатель питания на задней панели NIELVIS, затем включите выключатель питания макетной платы (PrototypingBoardPower) на передней панели.

154. Включите ПК и дайте ему загрузиться.

155. После завершения процесса загрузки, включите DAQ и следите за оповещением ПК о том, что ПК его распознал.

156. Запустите программное обеспечение NIELVIS.

157. Запустите программное обеспечение Передней панели (SortFrontPanelSFP) и убедитесь в контроле над DATEx.

158. Передвиньте выключатель Функционального генератора ControlMode так, чтобы он больше не находился в Ручном положении управления (Manual).

159. Запустите виртуальный Функциональный генератор.

160. Включите Функциональный генератор, нажатием ON/OFF.

161. Настройте Функциональный Генератор, используя мягкие средства его контроля выходных характеристик следующим образом:

· Waveshape: Sine (форма волны);

· Frequency: 20 kHz exactly (частота);

· Amplitude: 4Vp-p (амплитуда);

· DCOffset: 0V (смещение постоянной составляющей).

162. Минимизируйте Функциональный генератор/

163. Соедините, как показано на рисунке 3:

Данное соединения может быть представлено блок-схемой, изображенной на рисунке 4. Модуль ИКМ кодера конвертирует выходной сигнал Функционального генератора в цифровой сигнал, который ИКМ декодер возвращает в дискретную версию исходного сигнала. Важно, что провода, которые соединяют ИКМ кодер и ИКМ декодер являются каналом системы связи.

17. Запустите виртуальный осциллограф NIELVISOscilloscope.

18. Осциллограф настройте в соответствии с настройками по умолчанию (лабораторная работа 1) со следующими изменениями

19. Активируйте вход второго канала осциллографа для исследования выходных значений ИКМ декодера.

Примечание: Если данная настройка работает правильно, вы должны видеть 20 Гц синусоиду сообщения и ее дискретный вариант на выходе модуля ИКМ кодера.

20. Ручку Gain модуля Регулируемого фильтра нижних частот (TunableLow-passFilter) поверните приблизительно в среднее положение (вполоборота).

21. Cut-offFrequency Adjust модуля Регулируемого ФНЧ (TunableLow-passFilter)поверните приблизительно в среднее положение.

22. Соберите следующую схему, представленную на рисунке 5:

Эта схема может быть представлена блок-схемой, представленной на рисунке 6. Модуль Регулируемого фильтра нижних частот формирует полосу пропускания канала.

23. Cut-frequency Adjust модуля Регулируемого фильтра нижних частот (TunableLow-passFilter) медленноповерните против часовой стрелки.

Подсказка: Для точной настройки вы можете использовать на клавиатуре TAB и указательные клавиши.

24. Остановите момент, когда выход модуля ИКМ Декодера будет содержать внезапную ошибку.

Вопрос 1

Какова причина этих ошибок?

Вопрос 2

Если бы это была система передачи речи, на что походили бы данные ошибки при восстановлении сообщения?

25. Уменьшите полосу пропускания канала для последующего наблюдения за эффектом сжатия полосы пропускания канала на выходе модуля ИКМ декодера.

Вы только что видели то, что ограничение полосы сделало с дискретным сигналом в области времени, теперь посмотрим, что происходит в частотной области.

26. Теперь увеличьте полосу пропускания канала до того момента, пока выход ИКМ декодера не перестанет содержать ошибки.

27. Приостановите работу виртуального осциллографа нажатием кнопки RUN.

28. Запустите виртуальный Динамический Анализатор Спектров.

29. Настройте его следующим образом:

30. Активируйте маркеры Анализатора нажатием кнопки Markers.

31. С помощью маркера М1 изучите частоту синусоиды, которая составляет дискретный сигнал.

32. Используйте маркер М1 для определения синусоиды в дискретном сигнале, частота которого совпадает с частотой исходного сигнала сообщения.

33. Уменьшите полосу пропускания канала так, чтобы выход модуля ИКМ декодера содержал внезапные ошибки и исследуйте спектральную характеристику сигнала.

Подсказка: используйте нижний дисплей Анализатора, который поможет установить уровень ошибок.

34. Уменьшите полосу пропускания канала так, до эффекта сжатия полосы пропускания и исследуйте спектральную характеристику сигнала.

Вопрос 3

Изображение Анализатора теперь должно быть более «затуманенное», чем было до этого. Что это говорит о спектральном составе выходного сигнала ИКМ декодера?

Вопрос 4

Эти дополнительные синусоиды раздаются как шум. Почему Управляемый ФНЧ не удаляет их?

Дата добавления: 2015-06-04