Цифровые виды модуляции в системах связи

Первые две работы этого цикла (№№ 23 и 24) посвящены исследованию процессов передачи аналоговых сигналов по цифровым каналам связи (рис. 43). В них используются аналого-цифровой (АЦП) и цифроаналоговый (ЦАП) преобразователи (рис. 44).

 

«Источник сигналов» позволяет получать 6 вариантов аналоговых сигналов с помощью опциональных кнопок («1», «2», «3», «4», «5» и «6»):

1) константа,

2) нарастающая «пила»,

3) убывающая «пила»,

4) треугольный импульс,

5) колокольный импульс

6) экспоненциальный импульс.

Величина константы (сигнал 1) устанавливается движковым регулятором «Уровень константы» в диапазоне от –1 до +1 В. Для остальных сигналов регулятор «Уровень константы» заменяется регулятором «Длительность сигнала», действующем в диапазоне от 1 до 10 мс. Эти сигналы имеют фиксированный размах 2 В. Выбранный сигнал можно наблюдать на входе АЦП (т. 13, рис. 44).

АЦП имеет регулируемую разрядность N, устанавливаемую опциональными кнопками «4», «5», «6» и «8» и три варианта логики уравновешивания:

1) последовательное,

2) поразрядное,

3) параллельное.

На входе АЦП можно включать / выключать антиэлайсинговый идеальный ФНЧ с АЧХ

,

где F_Д – цикловая частота выборки отсчётов АЦП.

Схема выборки/хранения («СВХ») служит для запоминания аналогового отсчёта сигнала на время его преобразования в цифровой отсчёт.

Компаратор («= =«) осуществляет сравнение аналогового отсчёта сигнала с эталонным напряжением, вырабатываемым цифроаналоговым преобразователем («#/^») в соответствии с установленной в логической схеме «ЛОГИКА» логикой уравновешивания.

ЦАП выполнен в виде делителя напряжения эталонного генератора «Еэт» (декодирующей сетки резисторов типа «R – 2R»). На его выходе (т. 20) формируется один из 2^N уровней напряжения, соответствующий цифровому отсчёту сигнала в двоичной форме на его N входах. Сглаживающий ФНЧ, включённый на выходе делителя эталонного напряжения, аналогичен антиэлайсинговому фильтру в АЦП.

Регистр сдвига «RG –> « служит для преобразования последовательного формата цифровых двоичных отсчётов, поступающих на вход ЦАП, в параллельный формат, необходимый для управления делителем эталонного напряжения.

При активации опции «Соединитель ЦАП с АЦП» осуществляется непосредственное соединения выхода АЦП с последовательным входом ЦАП. В противном случае выход АЦП (т. 18) соединятся со входом кодера канала в передатчике, а вход ЦАП – с выходом декодера приёмника.

Опция «Память» в ЦАП позволяет сохранять на экране осциллографа совокупность осциллограмм в точках подключения, выбранных опциями с их номерами («13», «14», «15», «16», «20»).

 

Работа 23. Передача непрерывных сообщений

По цифровому каналу

 

Работа «Передача непрерывных сообщений по цифровому каналу» предназначена для изучения процесса передачи аналоговых сигналов по цифровому каналу. Она содержит шесть заданий:

1 и 2. Знакомство с осциллограммами сигналов на выходах отдельных ФУ СПНС при использовании 8-разрядного АЦП с логикой поразрядного уравновешивания.

3 и 4. Знакомство с осциллограммами сигналов на выходах отдельных ФУ СПНС при использовании 4-разрядного АЦП с логикой последовательного уравновешивания.

5. Исследование влияния ошибок в цифровом канале на качество передачи аналоговых сигналов.

6. Исследование влияния антиэлайсингового фильтра на качество передачи аналоговых сигналов.

 

Задание 1

В аналого-цифровом преобразователе (АЦП) выключите антиэлайсинговый ФНЧ (на входе схемы выборки-хранения (СВХ)). Установите разрядность АЦП N = 8, тип логики поразрядного уравновешивания «2». Выберите в качестве передаваемого сигнала колокольный импульс (№ 5 от источника сигнала) при его длительности 10 мс. Масштаб развертки осциллографа установите 0 – 7, 5 мс (кнопкой «t x 2»).

Наблюдайте и зафиксируйте осциллограммы и спектрограммы сигналов в разных точках СПНС в следующем порядке по каналам:

1) передаваемый сигнал на входе АЦП (т.13),

2) на выходе СВХ (т.15),

3) на выходе АЦП (т.18),

4) на выходе модулятора (АМ) (т.4).

 

Комментарии и выводы

Для передачи аналоговых сигналов по цифровому каналу их предварительно преобразуют в цифровой поток с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП).

Работа АЦП с поразрядной логикой уравновешивания протекает следующим образом:

1) Преобразуемое аналоговое напряжение подвергается дискретизации в схеме выборки-хранения (СВХ) для хранения отсчетов u_i в течении цикла преобразования (периода цикловых импульсов (ЦИ)).

2) Компаратор сравнивает эти отсчеты с напряжением от генератора образцовых напряжений (ГОН) u_ГОН.

3) В качестве ГОН используется цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) на вход которого подается последовательность кодов от схемы логики поразрядного уравновешивания. Эти коды с помощью ЦАП преобразуются в ступенчатое образцовое напряжение u_ГОН, начинающееся со среднего значения диапазона преобразования АЦП Δ.

На первом такте по реакции компаратора определяется, в какой половине Δ лежит отсчет u_i. Если u_i > u_ГОН, то отсчёт в верхней половине Δ и старший разряд двоичного числового эквивалента отсчета равен 1, иначе – в нижней половине Δ и старший разряд – 0. Для второго такта устанавливается образцовое напряжение, соответствующее середине выявленной половины диапазона (0, 75Δ при u_i > u_ГОН и 0, 25Δ при u_i < u_ГОН).

На каждом последующем такте эта процедура повторяется, и определяются шаг за шагом все N разрядов цифрового значения отсчета u_i, начиная со старшего. Получаемые значения разрядов цифрового отсчета можно сразу выводить на выход АЦП без дополнительной задержки на длительность цикла преобразования, как это имеет место при использовании логики последовательного уравновешивания.

Нетрудно сообразить, что частота следования ТИ должна в N раз превышать частоту ЦИ (N – разрядность АЦП), а шаг квантования в 2^N раз меньше диапазона преобразования АЦП. По этой причине поразрядная логика уравновешивания работает в 2^N / N раз быстрее последовательной.

С выхода АЦП цифровые отсчета сигнала в последовательном формате поступают на вход модулятора (если не используется канальное помехоустойчивое кодирование, как в данном случае) для дальнейшей передачи по каналу связи.

 

Задание 2

В продолжение задания 1 наблюдайте и зафиксируйте осциллограммы и спектрограммы сигналов в разных точках СПНС в следующем порядке по каналам:

1) на выходе демодулятора (входе регистра ЦАП) (т.19),

2) на выходе ЦАП (т.20),

3) на выходе сглаживающего ФНЧ (т.21),

4) передаваемый сигнал на входе АЦП

(для сравнения с принятым) (т.13).

 

Комментарии и выводы

Принятые кодовые последовательности цифровых отсчетов аналогового сигнала с выхода демодулятора поступают в ЦАП для преобразования в исходную аналоговую форму.

Цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) работает следующим образом:

1) Поступающий на его вход код цифрового отсчета с помощью регистра сдвига преобразуется из последовательного формата в параллельный, что приводит к дополнительной задержке сигнала на длительность цикла преобразования (интервал дискретизации).

2) Управляемый этим кодом делитель эталонного напряжения в виде декодирующей сетки резисторов типа «R-2R» формирует на своем выходе напряжения с уровнями пропорциональными значениям кода, т.е. квантованным значениям отсчетов аналогового сигнала. Таким образом, это выходное напряжение приобретает ступенчатую форму цифрового сигнала с 2^N возможными уровнями значений.

3) Окончательное превращение цифрового сигнала в аналоговый достигается с помощью сглаживающего идеального ФНЧ с шириной полосы пропускания в два раза меньше частоты следования цикловых импульсов (частоты дискретизации).

 

Задание 3

В аналого-цифровом преобразователе (АЦП) выключите антиэлайсинговый ФНЧ (на входе схемы выборки-хранения (СВХ)). Установите разрядность АЦП N = 4, тип логики последовательного уравновешивания «1». Выберите в качестве передаваемого сигнала треугольный импульс (№ 4 от источника сигнала) при его длительности 10 мс. Масштаб развертки осциллографа установите 0 – 7, 5 мс (кнопкой «t x 2»).

Наблюдайте и зафиксируйте осциллограммы и спектрограммы сигналов в разных точках СПНС в следующем порядке по каналам:

1) передаваемый сигнал на входе АЦП (т.13),

2) на выходе СВХ (т.15),

3) на выходе АЦП (т.18),

4) на выходе кодера канала (т.3).

 

Комментарии и выводы

Для передачи аналоговых сигналов по цифровому каналу их предварительно преобразуют в цифровой поток с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП).

Работа АЦП с логикой последовательного уравновешивания протекает следующим образом:

1) Преобразуемое аналоговое напряжение подвергается дискретизации в схеме выборки-хранения (СВХ) для хранения отсчетов u_i в течении цикла преобразования (периода цикловых импульсов (ЦИ)).

2) Компаратор сравнивает эти отсчеты с напряжением от генератора образцовых напряжений (ГОН) u_ГОН.

3) В качестве ГОН используется цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) на вход которого подается последовательность нарастающих двоичных чисел от счетчика тактовых импульсов (ТИ) в схеме логики последовательного уравновешивания. Эта последовательность чисел с помощью ЦАП преобразуется в ступенчато нарастающее образцовое напряжение u_ГОН, начинающееся с нижней границы диапазона преобразования АЦП.

Работа счетчика и рост u_ГОН продолжаются пока u_i > u_ГОН. Как только u_ГОН превысит u_i, сменится состояние компаратора из «0» в «1», что приведет к прекращению счета ТИ в счетчике и, соответственно, к прекращению дальнейшего роста u_ГОН. При этом последнее состояние счетчика можно трактовать как цифровое значение отсчета u_i. Зафиксированный в счетчике код переводится из натурального в дополнительный и запоминается в регистре схемы логики. В следующем цикле он выводится в последовательном формате с выхода АЦП на вход кодера канала.

Нетрудно сообразить, что частота следования ТИ должна в 2^N раз превышать частоту ЦИ (N – разрядность АЦП), а шаг квантования в 2^N раз меньше диапазона преобразования АЦП. По этой причине АЦП с последовательной логикой уравновешивания являются самыми медленными. Кроме того имеет место задержка в передаче цифрового отсчета на длительность цикла преобразования (интервал дискретизации).

Полученная в АЦП последовательность цифровых отсчетов подается в канальный кодер для помехоустойчивого кодирования кодом (7, 4) и далее на модулятор.

 

Задание 4

В продолжение задания 3 наблюдайте и зафиксируйте осциллограммы и спектрограммы сигналов в разных точках СПНС в следующем порядке по каналам:

1) на выходе модулятора (АМ) (т.4),

2) на выходе демодулятора (т.10),

3) на выходе ЦАП (т.20),

4) на выходе сглаживающего ФНЧ (т.21).

 

Комментарии и выводы

Принятые кодовые последовательности цифровых отсчетов аналогового сигнала с выхода демодулятора поступают в декодер кода (7, 4), обеспечивающий исправление любых однократных ошибок, и далее в ЦАП для преобразования исправленного цифрового потока в исходную аналоговую форму сигнала. Так как при декодировании требуется преобразование последовательного формата поступающих кодов в параллельный, то возникает задержка декодирования на интервал между соседними кодовыми комбинациями (интервал дискретизации).

Цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) работает следующим образом:

1) Декодированные коды отсчетов сигнала в параллельном формате (для исключения дополнительной задержки на интервал дискретизации) записываются в промежуточный регистр памяти «RG» ЦАП для хранения в течение интервала дискретизации.

2) Управляемый этими кодами делитель эталонного напряжения в виде декодирующей сетки резисторов типа «R-2R» формирует на своем выходе напряжение с уровнями пропорциональными значениям кодов, т.е. квантованным значениям отсчетов передаваемого аналогового сигнала. Таким образом это выходное напряжение приобретает ступенчатую форму цифрового сигнала с 2^N возможными уровнями значений.

3) Окончательное превращение цифрового сигнала в аналоговый достигается с помощью сглаживающего идеального ФНЧ с шириной полосы пропускания в два раза меньше частоты следования цикловых импульсов.

 

Задание 5

Исследуйте влияние ошибок в цифровом канале на качество передачи аналоговых сигналов. Для этого в аналого-цифровом преобразователе (АЦП) выключите антиэлайсинговый ФНЧ (на входе схемы выборки-хранения (СВХ)). Установите разрядность АЦП N = 4, тип логики параллельного уравновешивания «3». Выберите в качестве передаваемого сигнала треугольный импульс (№ 4 от источника сигнала) при его длительности 10 мс. Масштаб развертки осциллографа установите 0 – 7, 5 мс (кнопкой «t x 2»).

Для управляемого ввода вектора ошибок активизируйте пункты меню «Параметры СПДС / Линия связи / Источник ввода ошибок».

Наблюдайте и зафиксируйте осциллограммы и спектрограммы сигналов в разных точках СПНС в следующем порядке по каналам:

1) передаваемый сигнал на входе АЦП (т.13),

2) на выходе сглаживающего ФНЧ

при отсутствии ошибок передачи (т.21),

3) на выходе сглаживающего ФНЧ при любой

однократной ошибке в информационной

части комбинации кода (7, 4) (т.21),

4) на выходе сглаживающего ФНЧ при любых

двукратных ошибках в информационной

части комбинации кода (7, 4) (т.21).

 

Комментарии и выводы

Ошибки при приеме кодовых комбинаций цифровых отсчетов передаваемого аналогового сигнала приводят к изменениям значений отдельных цифровых отсчетов и, следовательно, к искажению формы восстановленного сигнала на выходе ЦАП.

Помехоустойчивое кодирование позволяет существенно снижать вероятность такого рода искажений путем исправления части возникающих ошибок, тем большей, чем мощнее код.

 

Задание 6

Исследуйте влияние антиэлайсингового ФНЧ на точность передачи аналоговых сигналов по цифровому каналу. Для этого установите разрядность АЦП N = 8, тип логики параллельного уравновешивания «3». Выберите в качестве передаваемого сигнала треугольный импульс (№ 4 от источника сигнала) при его длительности 10 мс. Масштаб развертки осциллографа установите 0 – 7, 5 мс (кнопкой «t x 2»).

Наблюдайте и зафиксируйте осциллограммы и спектрограммы сигналов в разных точках СПНС в следующем порядке по каналам:

1) на выходе сглаживающего ФНЧ при

выключении антиэлайсингового ФНЧ (т.21),

2) на выходе сглаживающего ФНЧ при

включении антиэлайсингового ФНЧ (т.21).

После смены треугольного импульса (сигнал № 4) на колокольный (сигнал № 5):

3) на выходе сглаживающего ФНЧ при

выключении антиэлайсингового ФНЧ (т.21),

4) на выходе сглаживающего ФНЧ при

включении антиэлайсингового ФНЧ (т.21).

 

Комментарии и выводы

В процессе аналого-цифрового преобразования осуществляется дискретизация сигнала с частотой следования цикловых импульсов F_ЦИ. В соответствии с теоремой отсчетов (Котельникова) для сохранения возможности точного восстановления сигнала по его отсчетам необходимо выполнение условия F_ЦИ > 2F_В (F_В – максимальная частота спектральных составляющих аналогового сигнала). В противном случае в обогащенном спектре дискретизированного сигнала происходит наложение (элайсинг) повторяющихся «спектральных лепестков», приводящее к искажениям при последующем восстановлении непрерывного сигнала. Для предотвращения этих искажений на входе дискретизатора (СВХ или непосредственно компаратора) искусственно ограничивают ширину спектра аналогового сигнала, включая антиэлайсинговый ФНЧ с шириной полосы пропускания в два раза меньше частоты следования цикловых импульсов (ЦИ).

 

⇐ Предыдущая16171819202122232425Следующая ⇒

Поделиться: