Краткая теория. Мультиплексирование с разделением частот (FDM) позволяет распределять канал среди множества пользователей

Мультиплексирование с разделением частот (FDM) позволяет распределять канал среди множества пользователей. Напомним, что это достигается путем наложение сообщения на несущий сигнал внутри определенной части радиочастотного спектра, закрепленной за пользователем. Также напомним, что любые аналоговые модуляционные схемы могут быть использованы для передачи цифровых данных аналогичным образом: например, при использовании частотной модуляции, известной как двоичная частотная манипуляция (BFSK или просто FSK).

Одна из причин использования FSK – относительная помехоустойчивость. Напомним, что шум проявляет себя как изменения в амплитуде передаваемого сигнала. Эти изменения могут быть устранены FM/FSK приемниками (по схеме, называемой ограничителем) без ущерба восстановления сообщения.

На рисунке один показано, как выглядит FSK сигнал, совпадающий по частоте с цифровым сигналом, который был использован для его генерации.

Заметьте, что сигнал изменяется между двумя значениями частоты. Частота сигнала, которой соответствует логический ноль цифровой последовательности называется spacefrequency (space – отсутствие сигнала, эквивалент логическому нулю). Частота сигнала, соответствующая логической единице называется markfrequency(mark – наличие сигнала), она обычно выше чем номинальная несущая частота модулятора. Модулятор не выдает сигнал на несущей частоте.

Генерирование FSK может быть осуществлено схемами обычного FM модулятора и осциллятором, управляемым напряжением (voltage-controlledoscillator-VCO). Демодуляция FSK может быть осуществлена обычными FMдемодуляторами, такими как детектор пересечения нуля (ZeroCrossingDetector), упомянутый в лабораторной работе 12) и система фазовой автоподстройки частоты ФАПЧ (PhaseLockedLoop – PLL). Кроме того, если сигнал проходит через избирательный фильтр, то две синусоиды, создающие сигнал, могут быть выделены индивидуально. Рассмотренные по отдельности, каждый сигнал является ASK сигналом.Таком образом данные могут быть восстановлены путем пропускания одного из них через амплитудный детектор (envelopedetector), который рассматривался в лабораторной работе 8.

Экспериментальная часть.

В данной лабораторной работе EmonaDATEx используется для осуществления формирования FSK сигнала с помощью осциллятора, управляемого напряжением. Цифровые данные моделированы с помощью модуля SequenceGenerator. Восстановление данных будет осуществлено с использованием фильтра для выделения одной синусоиды в FSK сигнале и демодуляция будет происходить с использованием детектора огибающей. В завершении, предлагается пронаблюдать искажения демодулированногоFSK сигнала и с использованием компаратора восстановить данные.

Выполнение лабораторной работы займет примерно 40 минут.

Порядок выполнения

Часто 1 – Генерирование FSK сигнала

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

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

31. Установите переключатель ControlMode на DATEx модуле (в правом верхнем углу) для ПК контроля.

32. Убедитесь, что блок NIDataAcquisition выключен.

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

34. Включите выключатель питания на задней панели NIELVIS, затем включите выключатель питания макетной платы на передней панели.

35. Включите ПК и дайте ему загрузиться.

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

37. Запустите программное обеспечение NIELVIS.

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

39. Найдите модуль Генератора Последовательности и установите его переключатель в позицию 00.

40. Переключите ControlMode Функционального генератора так, чтобы он больше не находился в Ручном режиме управления.

41. Запустите виртуальный функциональный генератор.

42. Нажмите на функциональном генераторе кнопку ON/OFF, чтобы включить его.

43. Настройте функциональный генератор следующим образом:

44. Соедините схему, как показано на рисунке 2.

Примечание: Черные провода заземлите

Данное соединение может быть представлено блок-схемой в иллюстрации 3. Модуль Генератора Последовательности используется моделирования цифрового сигнала, а его вывод SYNC используется для получения стабильного изображения осциллографа. Вывод VCO функционального генератора используется для генерирования FSK сигнала.

45. Настройте осциллограф следующим образом:

Trigger Source control - TRIGGER A

46. Активизируйте вход второго канала осциллографа, чтобы наблюдать выходные данные с модуля Генератора Последовательности и сигнал FSK с вывода VCO.

47. Сравните сигналы.

Вопрос 1

Каково название частоты с выхода VCO, которая соответствует логическим единицам цифрового сигнала?

Вопрос 2

Каково название частоты с выхода VCO, которая соответствует логическим нулям цифрового сигнала?

Вопрос 3

Основываясь на исследованиях, проведенных по изучению FSK, ответьте, какая из двух частот более высокая? Ответ обоснуйте.

Часть 2 – Демодуляция FSK сигнала с помощью фильтрации и амплитудного детектора.

Частотная манипуляция по сути является то же частотной модуляций (с цифровым сигналом, вместо аналогового), поэтому для восстановления сигнала можно использовать схему частотной демодуляции. Однако, частотно манипулированный сигнал коммутирует только между двумя частотами, поэтому мы можем использовать метод демодуляции, который не применятся к аналоговым (кодирование речи) частотно модулированным сигналам. Следующая часть лабораторной работы позволит вам выполнить это.

48. Увеличьте выходную частоту функционального генератора до 25 кГц.

49. Cut-offFrequency Adjust модуля Регулируемого ФНЧ (TunableLow-passFilter)поверните по часовой стрелке до упора

50. Ручку Gain модуля Регулируемого фильтра нижних частот (TunableLow-passFilter) поверните по часовой стрелке до упора.

51. Модифицируйте схему соединения, как показано на рисунке 4:

Этапы генерирования и модуляции FSK могут быть представлены на блок-схеме (рис. 5). Модуль Регулируемого ФНЧ используется для выборки двух синусоид FSK сигнала, а блок DIODE and RC LPF (RC ФНЧ) на модуле Utilities – для завершений демодуляции FSK сигнала.

52. Сравните цифровой сигнал и сигнал на выходе фильтра.

Вопрос 4

Какая из двух синусоид FSK сигнала является пропускается фильтром?

Вопрос 5

Как теперь выглядит FSK сигнал после фильтрации?

53. Модифицируйте схему соединения, как показано на рисунке 6:

54. Сравните первоначальный и восстановленный цифровые сигналы.

Вопрос 6

Что может быть использовано для «очистки» восстановленного сигнала?

Часть 3 – Реконструкция восстановленного сигнала с помощью компаратора.

Лабораторная работа 16 показала, что компаратор – полезное устройство для восстановления искаженных цифровых сигналов. Следующая часть лабораторной работы позволит вам использовать компаратор для «очистки» демодулированногоFSK сигнала.

55. Передвиньте переключатель ControlMode положительного вывода Регулируемого Источника Питания положительный выход ControlMode переключая так, чтобы он больше не находился в Ручном положении управления (Manual).

56. Запустите виртуальный Регулируемый Источник Питания (VariablePowerSupplies).

57. Установите его положительный вывод в позицию 0V, нажатием кнопки RESET

58. Модифицируйте схему соединения, как показано на рисунке 7:

Этапы FSK генерирования, демодуляции и восстановления цифрового сигнала могут быть представлены в виде блок-схемы:

59. Сравните сигналы. Если они не совпадают, отрегулируйте положительный вывод Регулируемого Источника Питания, регулируя его Voltage контроль, пока они не станут одинаковыми.

Вопрос 7

Каким образом компаратор изменяет медленно возрастающее напряжение для восстановления цифрового сигнала в резких переходах?

Лабораторная работа 19 – Двоичная фазовая манипуляция (BPSK — binaryphase-shiftkeying)

Краткая теория

Эксперименты в лабораторных работах 17 и 18 продемонстрировали, что схемы аналоговых модуляций АМ и ЧМ могут быть использованы для передачи цифровых сигналов с учетом разделения канала. Поскольку цифровые данные формируют сообщение вместо речи и музыки, предпочтительнее называть данные системы ASK и FSK.

Напомним, что ASK использует “1” и “0” цифровых данных для изменения амплитуды несущего колебания между двумя значениями. FSK использует “1” и “0”, для изменения частоты несущего колебания между двумя значениями. Альтернативой этим двум методам является использование потока данных из последовательности “1” и “0” для смещения фазы несущего колебания на одно из двух значений, нуль или π (180°). Это называется двоичной фазовой манипуляции (BPSK). На рисунке 1 показано, как выглядит сигнал BPSK, совпадающий по времени с цифровым сигналом, который был использован для его генерации.

Обратите внимание, что изменение логического уровня вызывает изменение фазы BPSK сигнала на 180°. Например, когда сигнал движется в направлении положительного пика, изменение логического уровня приводит к его обратному направлению в сторону отрицательного пика (и наоборот).

Возможно, это кажется не понятным, но приглядевшись, вы можете заметить, что чередование «половинок» потока данных BPSK сигнала имеет такую же форму как и сообщение. Это означает, что BPSK по сути является той же DSBSC (модуляция сигнала с двумя боковыми полосами и подавленной несущей) модуляцией. Таким образом, формирование BPSK и восстановление данных могут быть выполнены обычными методами модуляции и демодуляции DSBSC(объясненные в лабораторных работах 6 и 9 соответственно).

При выборе между использованием ASK, FSK и BPSK Вы можете быть удивлены. При всех прочих равных, BPSKявляется самой эффективной с точки зрения ее способности игнорировать шумы а также при данном виде модуляции возникает наименьшее количество ошибок в приемнике. Следующая по помехоустойчивости –FSK, ASK – худшая в этом отношении. В связи с этим, предполагается, Что BPSK является предпочтительной системой. Тем не менее, этот способ не является самым простым в реализации и поэтому в некоторых случаях ASK или FSK могут быть использованы как более легкие в реализации. Действительно, FSKиспользовалась для более дешевых dial-up модемов.

Экспериментальная часть

В данной лабораторной работе Вы будете использовать EmonaDATEx, чтобы генерировать сигнал BPSK, используя Множитель, чтобы осуществить его математическую модель. Цифровые данные для сообщения формируются модулем Генератора Последовательности. Затем вам предстоит восстановить сигнал, используя модуль Множителя, и исследовать искажения. Наконец, Вы будете использовать компаратор для реконструкции сигнала.

Выполнение должно занять примерно 40 минут.

Порядок выполнения

Часть А – Генерирование BPSK сигнала

Сигнал BPSK будет сгенерирован, осуществляя математическую модель для DSBSC модуляции. Для получения дополнительной информации, обратитесь к краткой теории Эксперимента 6.

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

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

62. Установите переключатель ControlMode на DATEx модуле (в правом верхнем углу) для ПК контроля.

63. Убедитесь, что блок NIDataAcquisition выключен.

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

65. Включите выключатель питания на задней панели NIELVIS, затем включите выключатель питания макетной платы на передней панели.

66. Включите ПК и дайте ему загрузиться.

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

68. Запустите программное обеспечение NIELVIS.

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

70. Найдите модуль Генератора Последовательности и установите его переключатель в позицию 00.

71. Соберите схему, как показано на рисунке 2.

Примечание: Черные провода заземлите.

Данное соединение может быть представлено блок-схемой в иллюстрации 3. Модуль Генератора Последовательности используется моделирования цифрового сигнала, а его вывод SYNC используется для получения стабильного изображения осциллографа. Модуль Умножителя используется, чтобы генерировать BPSK сигнал, реализуя его математическую модель.

72. Настройте осциллограф следующим образом:

· Scale control for Channel B - 2V/div

· Input Coupling controls for both channels to DC

· Timebase control - 100Gs/div

· Trigger Source control - TRIGGER A

73. Активизируйте вход второго канала осциллографа, чтобы наблюдать выходные данные с модуля Генератора Последовательности и сигнал BPSK с модуля Множителя.

74. Сравните сигналы.

Вопрос 1

Какая особенность сигнала BPSK предполагает то, что это - сигнал DSBSC? Совет: Если Вы не уверенны, см. краткие теоретические сведения.

Понятно, что что-то происходит, когда модуль вывода последовательности генератора меняет логический уровень, но трудно понять, что именно. Следующие несколько шагов позволят вам разобраться в этом.

75. Соберите схему как показано на рисунке 4.

76. Установите временную ось осциллографа Timebase в положение 10µs/div.

Вопрос 2

Что происходит с BPSK сигналом на логических переходах потока данных?

Дата добавления: 2015-06-04