Оформлення звіту та висновки по роботі

Стр 1 из 7Следующая ⇒

Міністерство освіти і науки України

Вінницький національний технічний університет

Методичні вказівки

до лабораторних робіт

з курсу

“Кінцеві пристрої абонентського доступу”

для студентів напрямку 6.050903 – “Телекомунікації”

Затверджено

на засіданні кафедри ТКСТБ

протокол № ___ від _______ 2014 р.

Вінниця – 2014

Лабораторна робота №1

«Дослідження QPSR-модулятора»

Мета виконання лабораторно-практичної роботи – вивчення алгоритму роботи та структурної схеми QPSR-модулятора, принципу формування кодувальної послідовності та синфазної і квадратурної компонент фазо- модульованого сигналу.

Теоретичні відомості

Розрізняють два типи фазової модуляції: власне фазову і відносну фазову модуляцію. При фазовій модуляції (Phase Shift Key, PSK) для передачі логічних нулів і одиниць використовують сигнали однієї і тієї ж частоти і амплітуди, але зміщені відносно один одного по фазі. Наприклад, логічний нуль передається синфазним сигналом, а логічна одиниця - сигналом, зрушеним за фазою на 180°.

Якщо зміна фази може приймати всього два значення, то говорять про двійкову фазову модуляцію (Binary Phase Shift Key, BPSK). Математично сигнал, що відповідає логічному нулю, можна представити як

а сигнал, що відповідає логічній одиниці, - як

Тоді модульований сигнал можна записати у вигляді:

де V(t) - керуючий сигнал, що приймає значення +1 і -1. Причому значення сигналу +1 відповідає логічному нулю, а значення сигналу -1 - логічній одиниці.

Зміна фази може мати і більше двох значень, наприклад чотири (0, 90, 180 і 270°). У цьому випадку говорять про так звану квадратурну фазову модуляцію (Quadrature Phase ShiftKey, QPSK).

Щоб зрозуміти походження цього терміна, розглянемо загальний вигляд сигналу, модульованого по фазі:

З урахуванням найпростіших тригонометричних співвідношень дану формулу нескладно привести до вигляду:

З отриманого виразу видно, що вихідний сигнал можна представити у вигляді суми двох гармонійних складових, зміщених одна відносно одної по фазі на 90°, оскільки

У передавачі, що виконує модуляцію, одна з цих складових є синфазною сигналу генератора, а друга знаходиться в квадратурі по відношенню до цього сигналу (звідси - квадратурна модуляція). Синфазна складова позначається як I (In Phase), а квадратурна - як Q (Quadrature).

Початковий сигнал нескладно перетворити, але попередньо зауважимо, що буде зручним, якщо надати ВЧ-сигналу початкову фазу . У цьому випадку завжди будуть наявними і синфазна і квадратурна компоненти і, більше того, для квадратурної фазової модуляції вони будуть по модулю однаковими (фази 45, 135, 225, 315 (-45) градусів).

Отже,

Якщо ввести позначення: , , то отримаємо такий вигляд сигналу:

;

Коефіцієнти d_і та d_q є кодувальними сигналами. Вони можуть приймати значення +1 і -1, якщо враховувати реальні значення фази . Співвідношення між зсувом фази і кодувальними сигналами наведено в табл. 1.

Таблиця 1. Співвідношення між зсувом фази і кодуючими сигналами

0° +1 +1

90° +1 -1

180° -1 -1

270° -1 +1

Фаза d_і d_q

При реалізації квадратурної фазової модуляції вхідний потік біт перетворюється в кодувальну послідовність {dk} так, що логічному нулю відповідає кодувальний біт +1, а логічній одиниці - кодувальний біт -1. Після цього кодувальний потік розділяється на парні і непарні біти. Парні біти надходять в I-канал, а непарні - в Q-канал. Причому тривалість кожного кодувального імпульсу di та dq в два рази більша тривалості початкового імпульсу dk (елементів вхідної цифрової послідовності). Нижче, рис.1, наведена часова діаграма роботи QPSK-модулятора.

Рис. 1 - Квадратурна фазова модуляція QPSK

Рис. 2 - Реалізація квадратурної фазової модуляції

Кодувальні біти d_і модулюють по фазі сигнал

а біти d_q модулюють ортогональний сигнал (зміщений по фазі на 90 °), тобто

Після цього обидва сигнали додаються і утворюється модульований сигнал.

У наведеній вище схемі квадратурної фазової модуляції фаза результуючого сигналу може змінюватися тільки кожні 2T секунд. Відмінною особливістю квадратурної фазової модуляції є наявність чотирьох дискретних станів сигналу, що відповідають різним фазам. Це дозволяє закодувати в одному дискретному стані послідовність двох інформаційних біт (так званий дібіт). Дійсно, послідовність двох біт може мати лише чотири різні комбінації: 00, 01, 10 і 11. Отже, рівно в два рази підвищується і швидкість передачі даних, тобто бодова швидкість в два рази менша бітової (1 Бод = 2 біт / с).

Враховуючи, що кодувальному біту +1 відповідає логічний нуль, а кодувальному біту -1 - логічна одиниця, і, беручи до уваги відповідність між фазою сигналу і значеннями d_і та d_q, отримаємо таблицю відповідності між вхідними дібітами і фазами модульованого сигналу.

Таблиця 2. Відповідності між вхідними дібітами і фазами модульованого сигналу

Фаза сигнала d_і d_q Вхідний дібіт

Сигнала di dq Входной дибит

0° +1 +1 00

90° +1 -1 01

180° -1 -1 11

270° -1 +1 10

Рис.3 - Векторна діаграма стану

Можливі дискретні стани сигналу прийнято зображати на векторній діаграмі стану або на площині сигнального сузір'я. При використанні векторної діаграми стану кожному значенню сигналу ставиться у відповідність вектор, довжина якого - це умовна амплітуда сигналу, а кут повороту вектора відносно горизонтальної осі - це фаза сигналу. Тобто векторна діаграма - це не що інше, як зображення векторів стану в полярній системі координат. Приклади діаграм стану для двійкової та квадратурної фазової модуляцій показані на рис.3.

Більш широке поширення одержав спосіб відображення різних станів сигналу на сигнальному сузір'ї. Сигнальне сузір'я - це декартова система координат, по осі абсцис якої відкладаються значення кодувального сигналу d_і (вісь I), а по осі ординат - значення кодуючого сигналу d_q (вісь Q). У разі двійкової фазової модуляції площина вироджується в пряму, вздовж якої відкладаються значення кодувального сигналу dk. В цьому випадку на сигнальному сузір'ї розташовуються всього дві точки, що відповідають значенням кодуючих бітів 1 і -1. Ці дві точки відповідають усім можливим станам сигналу. У разі QPSK-модуляції сигнальне сузір'я складається вже з чотирьох точок з координатами (1, 1), (1, -1), (-1, 1), (-1, -1). Ці чотири точки відповідають чотирьом можливим дібітам і утворюють сукупність усіх можливих станів сигналу.

Рис. 4 - Сигнальне сузір'я для BPSK-і QPSK-модуляцій

Незважаючи на уявну простоту методу фазової модуляції йому притаманні деякі недоліки, пов'язані з труднощами технічної реалізації. Один з недоліків пов'язаний з тим, що в разі квадратурної фазової модуляції при одночасній зміні символів в обох каналах модулятора (з +1, -1 на -1, +1 або з +1, +1 на -1, -1) в сигналі QPSK відбувається стрибок фази на 180°. Такі стрибки фази, що мають місце і при звичайній двофазній модуляції, викликають паразитну амплітудну модуляцію обвідної сигналу. В результаті цього при проходженні сигналу через вузькосмуговий фільтр виникають провали обвідної до нуля. Такі зміни сигналу небажані, оскільки приводять до збільшення енергії бічних смуг і перешкод в каналі зв'язку.

Для того щоб уникнути цього небажаного явища, вдаються до так званої квадратурної фазової модуляції зі зсувом (Offset QPSK, OQPSK). При такому типі модуляції формування сигналу в квадратурній схемі відбувається так само, як і в модуляторі QPSK, за винятком того, що кодувальні біти в Q-каналі мають часову затримку на тривалість одного елемента Т. Зміна фази при такому зміщенні кодувальних потоків визначається лише одним елементом послідовності, а не двома. В результаті скачки фази на 180° відсутні, оскільки кожний елемент послідовності, що поступає на вхід модулятора синфазного чи квадратурного каналу, може викликати зміну фази на 0, 90 або 270° (-90°).

Іншим, більш серйозним недоліком фазової модуляції є та обставина, що при декодуванні сигналу приймач повинен визначати абсолютне значення фази сигналу, оскільки у фазовій модуляції інформація кодується саме абсолютним значенням фази сигналу. Для цього необхідно, щоб приймач мав інформацію про «еталонний» синфазний сигнал передавача. Тоді шляхом порівняння прийнятого сигналу з еталонним можна визначати абсолютний зсув фази. Отже, необхідно якимось способом синхронізувати сигнал передавача з еталонним сигналом приймача (з цієї причини фазова модуляція отримала назву синхронної). Реалізація синхронної передачі досить складна, тому більш широке поширення набув різновид фазової модуляції, так звана відносна фазова модуляція (Differential Phase Shift Keying, DPSK). При відносній фазовій модуляції (або відносної фазової маніпуляції) кодування інформації відбувається за рахунок зсуву фази по відношенню до попереднього стану сигналу. Фактично приймач повинен вловлювати не абсолютне значення фази прийнятого сигналу, а лише зміну цієї фази. Тобто інформація кодується зміною фази. Природно, така модуляція вже не є синхронною і простіше реалізується. У всьому іншому DPSK-модуляція не відрізняється від PSK-модуляції.

Для технічної реалізації DPSK-модуляції вхідний потік інформаційних бітів спочатку перетворюється, а потім піддається звичайній фазової модуляції. Якщо необхідно, щоб скачки по фазі відбувалися при появі логічного нуля, то перетворення вихідної послідовності зводиться до наступного: при появі нуля відбувається перетворення сигналу на інверсний, а при появі одиниці сигнал не змінюється.

На рис. 5 наведена фазова обвідна QPSK-сигналу та векторні діаграми фазо-модульованого сигналу. Алгоритм побудови наступний.

Спочатку вхідний цифровий сигнал ділиться на дібіти. Важливо зазначити, що підрахунок цифрових позицій починається з нуля (парне число), потім 1, 2, 3 і т.д. Отже, для нижченаведеного цифрового сигналу парними є сигнали: 0, 1, 0, 0, 1, 0, 1, 1 – виділені жирним шрифтом, інші непарні. Нижчий графік – кодувальна послідовність, яка далі перетворена на дві послідовності d_і та d_q. Парні сигнали визначають знак d_і (+1 або -1) на інтервалі дібіта 2Т, а непарні сигнали – знак d_q (також +1 або -1) також на цьому ж інтервалі існування дібіта. Користуючись системою координат для QPSK-модуляції (див. рис. 4) і отриманими значеннями кодувальних сигналів, які визначають значення синфазної та квадратурної компонент (див. рис. 5), можна побудувати фазову обвідну та векторні діаграми для дібітів фазомодульованого сигналу.

0 0 1 1 0 1 0 0 1 0 0 1 1 1 1 0

Рис. 5: Фазова обвідна QPSK сигналу

Зміст лабораторної роботи

2.1. Вивчення математичних залежностей та принципу роботи QPSK-модулятора як двоканального пристрою формування і об’єднання синфазної та квадратурної компонент фазомодульованого сигналу.

2.2. Вивчення алгоритму формування кодувальних послідовностей і їх впливу на фазу синфазної та квадратурної компонент.

2.3. Побудова високочастотних сигналів в І-каналі та Q-каналі на інтервалах існування кодувальних послідовностей.

2.4. Побудова і аналіз фазової обвідної QPSK-сигналу.

2.5. Побудова векторних діаграм для дібітів фазомодульованого сигналу з їх прив’язкою до фазової обвідної.

Порядок виконання роботи

3.1. Користуючись даними вказівками, конспектом лекцій та іншими джерелами, вивчити математичні залежності та принцип роботи QPSK-модулятора як двоканального пристрою формування і об’єднання синфазної та квадратурної компонент фазомодульованого сигналу.

3.2. Представити десяткове число «NNN» в двійковій системі числення (числа до 10-ти повинні записуватися відповідно 01, 02, 03 …).

Примітка. 1. Число N – це дві останні цифри номера залікової книжки одного з членів бригади.

2. Часова діаграма повинна бути побудована для отриманого у п. 3.2 цифрового сигналу.

3.3. Визначити і представити графічно для отриманого у п.3.2 цифрового сигналу кодувальні послідовності для синфазної і квадратурної компонент фазомодульованого сигналу.

3.4. Побудувати високочастотні сигнали в І-каналі та Q-каналі на інтервалах існування кодувальних послідовностей.

3.5. Побудувати фазову обвідну QPSK-сигналу.

3.6. Побудувати векторні діаграми для дібітів фазомодульованого сигналу з їх прив’язкою до фазової обвідної.

Оформлення звіту та висновки по роботі

4.1. Звіт по роботі повинен містити структурну схему QPSK-модулятора та його сигнальне сузір’я.

4.2. Переведення десяткового числа «NNN» в двійкове число.

4.3. Часові діаграми роботи QPSK-модулятора у такій послідовності:

- цифровий сигнал, отриманий у п. 4.2;

- кодувальний сигнал, побудований по алгоритму: логічний «0» перетворюється в +1 кодувального сигналу, логічна «1» - в мінус 1 кодувального сигналу;

- кодувальні послідовності для синфазної і квадратурної компонент фазомодульованого сигналу;

- високочастотні сигнали в І-каналі та Q-каналі на інтервалах існування кодувальних послідовностей;

- фазова обвідна QPSK-сигналу;

- векторні діаграми для дібітів фазомодульованого сигналу з їх прив’язкою до фазової обвідної.

4.4. Визначення значень стрибків фази на границях дібітів та аналіз їх впливу на форму результуючого сигналу.

Контрольні запитання

5.1. Як співвідносяться символьна швидкість та швидкість передачі інформації при використанні QPSK-модуляції?

5.2. Яка кількість бітів переноситься одним символом при ВPSK-і QPSK-модуляції?

5.3. Пояснити зв’язок між кількістю бітів, яку переносить один символ, і кількістю потрібних значень фаз фазомодульованого сигналу.

5.4. З використанням аналітичних залежностей пояснити роботу QPSK-модулятора як двоканального пристрою формування і об’єднання синфазної та квадратурної компонент фазомодульованого сигналу.

5.5. Чому завадостійкість ВPSK-модуляції вища, ніж QPSK-модуляції?

5.6. Пояснити причини виникнення стрибків фази та алгоритм роботи фазового модулятора зі зсувом.

5.7. У чому полягає принцип відносної фазової маніпуляції?

Література

1. Бакланов И. Г. NGN: принципы построения и организации / под ред. Ю.Н.Чернышова. – М. Эко-Трендз. 2008. – 400 с.

2. В.М.Вишневский, А.И.Ляхов, С.Л.Портной, И.В.Шахнович - Широкополосные беспроводные сети передачи информации. Москва. Техносфера. – 2005. – 592 с.

3. Бакланов И. Г. Технологии ADSL/ADSL2+: теория и практика применения. – М.: Метротек, 2007 – 384 с.

4.xDSL. Однорог П. М., Котенко М. О., Михайленко Є. В., Омецінська О. Б. під редакцією Катка В. Б. – 2005.

Лабораторна робота №2

«Вивчення характеристик, конструкції та принципу роботи мікрофонів»

Мета виконання лабораторної роботи – вивчення характеристик, конст-рукції та принципу роботи вугільного, електростатичних, електродинамічних, магнітодинамічних, магнітних та п’єзоелектричних мікрофонів розмовного тракту телефонного апарата.

Теоретичні відомості

Мікрофон - це пристрій для перетворення акустичних коливань повітряного середовища в електричні сигнали.

Будь-який мікрофон складається з двох систем: акустико-механічної та механоелектричної. Принцип дії та побудову деяких видів мікрофонів наведено на рис.1.

Першим отримав поширення вугільний мікрофон. Дія його грунтується на зміні опору між зернами вугільного порошку при зміні тиску на їх сукупність.

Рис. 1. Побудова мікрофонів:

а - вугільного; б - электромагнітного; в – електродинамічного котушкового;

г - електродинамічного стрічкового; д - конденсаторного;

е – п’єзоелектричного

Вугільний мікрофон працює наступним чином. При дії звукового тиску на його діафрагму 1 вона починає коливатися. В такт з цими коливаннями змінюється і сила стиснення зерен вугільного порошку 2, у зв'язку з чим змінюється опір між електродами 3 і 4, а при постійній електричній напрузі змінюється і струм через мікрофон. Якщо, скажімо, підключити мікрофон до первинної обмотки трансформатора Т, то на затискачах його вторинної обмотки буде виникати змінна напруга, форма амплітуди якої буде відображати форму зміни кривої звукового тиску, що діє на мембрану мікрофона. Основна перевага вугільного мікрофона - висока чутливість (від 100 мВ/Па), що дозволяє використовувати його без проміжних підсилювачів. Недоліки - нестабільність роботи і шум через те, що корисний електричний сигнал виробляється при розриві і відновленні контактів між окремими зернами порошку, велика нерівномірність частотної характеристики і значні нелінійні спотворення.

Після вугільного мікрофона з'явився електромагнітний мікрофон, який працює таким чином, рис.1б. Перед полюсами (полюсними наконечниками) 2 магніту 3 розташовують феромагнітну діафрагму 1 або скріплений з нею якір. При коливаннях діафрагми під впливом на неї звукового тиску змінюється магнітний опір системи, а отже, і магнітний потік через витки обмотки, намотаної на магнітопровід цієї системи. Завдяки цьому на затискачах обмотки виникає змінна напруга звукової частоти, що є вихідним сигналом мікрофона.
Електромагнітний мікрофон стабільний у роботі. Проте йому властиві вузький частотний діапазон, велика нерівномірність частотної характеристики і значні нелінійні спотворення.

На противагу електромагнітному мікрофону надзвичайно широке поширення для цілей озвучення, звукопідсилення отримав електродинамічний мікрофон у своїх двох модифікаціях - котушкової і стрічкової.

Принцип дії електродинамічного котушкового мікрофона полягає в наступному. У кільцевому зазорі 1 магнітної системи, що має постійний магніт 2, є рухома котушка 3, скріплена з діафрагмою 4. При впливі на останню звукового тиску вона разом з рухомою котушкою починає коливатися. У силу цього в витках котушки, які перетинають магнітні силові лінії, виникає напруга, що є вихідним сигналом мікрофона. Котушковий електродинамічний мікрофон стабільний, має досить широкий частотний діапазон, порівняно невелику нерівномірність частотної характеристики.

Побудова стрічкового електродинамічного мікрофона дещо відрізняється від котушкової модифікації. Тут магнітна система мікрофона складається з постійного магніту 1 і полюсних наконечників 2, між якими натягнута легка (зазвичай алюміній), тонка (близько 2 мкм) стрічка 3. При впливі на обидві її сторони звукового тиску виникає сила, під дією якої стрічка починає коливатися, перетинаючи при цьому магнітні силові лінії, внаслідок чого на її кінцях розвивається напруга.

Оскільки опір стрічки дуже малий, то для зменшення падіння напруги на з'єднувальних провідниках напруга, що розвивається на кінцях стрічки подається на первинну обмотку підвищувального трансформатора, розміщеного безпосередньо поблизу стрічки. Напруга на затискачах вторинної обмотки трансформатора є вихідною напругою мікрофона. Частотний діапазон цього мікрофона досить широкий, а нерівномірність частотної характеристики невелика.
    Для електроакустичних трактів високої якості найбільшого поширення в даний час отримав конденсаторний мікрофон. Принципово він працює наступним чином. Жорстко натягнута мембрана 1 під дією звукового тиску може коливатися відносно нерухомого електрода 2, будучи разом з ним обкладками електричного конденсатора. Цей конденсатор включається в електричне коло послідовно з джерелом постійного струму Е і активним навантажувальним опором R. При коливаннях мембрани ємність конденсатора змінюється з частотою впливу на мембрану звукового тиску, у зв'язку з чим в електричному колі з'являється змінний струм тієї ж частоти і на навантажувальному опорі виникає спад напруги, що є вихідним сигналом мікрофона:

,

де Q – заряд конденсатора, С – ємність конденсатора.

Навантажувальний опір повинен бути великим, щоб падіння напруги на ньому не зменшувалося суттєво на низьких частотах, де опір ємності конденсатора дуже великий і експлуатація такого мікрофона була б неможлива через порівняно невеликий опір мікрофонних ліній і навантаження. З цієї причини майже в усіх сучасних конденсаторних мікрофонах передбачені конструктивно пов'язані з самим мікрофоном підсилювачі, що мають малий коефіцієнт посилення (порядку 1), високий вхідний і низький вихідний опори.
Конденсаторні мікрофони мають найвищі якісні показники: широкий частотний діапазон, малу нерівномірність частотної характеристики, низькі нелінійні та перехідні спотворення, високу чутливість і низький рівень шумів.

Електретні мікрофони, по суті, ті ж конденсаторні, але постійна напруга для них забезпечується не звичайним джерелом, а електричним зарядом мембрани або нерухомого електрода, матеріали яких відрізняються тим, що здатні зберігати цей заряд тривалий час. Електретний мікрофон є достатньо чутливим (біля 10 мВ/Па), але потребує надзвичайно високого опору ізоляції, щоб уникнути витоку заряду.

Деяке поширення отримали мікрофони п'єзоелектричні. Їх дія базується на тому, що звуковий тиск впливає безпосередньо або через діафрагму 1 і скріплений з нею стрижень 2 на п'єзоелектричний елемент 3. При деформації останнього на його обкладках внаслідок п'єзоелектричного ефекту виникає напруга, що є вихідним сигналом мікрофона. Чутливість п’єзоелектричного мікрофону достатньо висока (біля 10 мВ/Па). Частотна характеристика нерівномірна. У ній присутні піки, обумовлені резонансними ефектами. Але спеціально створений корпус, який амортизує ці резонансні піки, може суттєво покращити частотну характеристику перетворювача.

Телефонний капсуль є електромагнітним перетворювачем. Він складається з електромагніту (обмотка та осердя) і залізної пластинки. Під дією струму, який надходить з лінії, в телефоні виробляється електромагнітна енергія, яка приводить в дію металеву пластину. Рух цієї пластини породжує звук. Для зменшення спотворень акустичного сигналу в електромагніт вводиться постійне підмагнічування осердя.

Зміст лабораторної роботи

         2.1. Вивчення принципу роботи мікрофонів:

- вугільного;

- електростатичних (конденсаторного та електретного);

- електродинамічного;

- магнітодинамічного;

- п’єзоелектричного

та електромагнітного телефону.

     2.2. Вивчення побудови та принципу роботи мікрофону та телефону, які використовуються в закріпленому за бригадою телефонному апараті.

     2.3. Порівняльний аналіз основних параметрів закріпленого мікрофона з іншими мікрофонами.

Порядок виконання роботи

     3.1. Користуючись даними вказівками, конспектом лекцій та іншими джерелами [1, 2], вивчити принцип роботи різних типів (див. п. 2.1) мікрофонів та телефону.

     3.2. На закріпленому за бригадою телефонному апараті визначити:

- кола з’єднання мікрофону та телефону в схемі розмовного тракту;

- тип мікрофону та телефону;

- особливості конструкції та принципів роботи мікрофону та телефону.

     3.3. Виконати розрахунки граничних значень струмів через вугільний мікрофон для нижченаведених умов і обґрунтувати найефективніші варіанти опорів:

     А) - початковий опір мікрофона 400 Ом;

          - коефіцієнт зміни опору при звуковому тиску р= 12 %;

          - опір лінії 1000 Ом.

     Б) - початковий опір мікрофона 400 Ом;

          - коефіцієнт зміни опору при звуковому тиску р= 12 %;

          - опір лінії 400 Ом.

     В) - початковий опір мікрофона 1000 Ом;

          - коефіцієнт зміни опору при звуковому тиску р= 12 %;

          - опір лінії 1000 Ом.

     Г) - початковий опір мікрофона 1000 Ом;

          - коефіцієнт зміни опору при звуковому тиску р= 12 %;

          - опір лінії 400 Ом.

Примітки. 1) Прийняти для всіх варіантів опори дроселів по 500 Ом.

        2) Напруга батареї 60 В.

        3) Задані опори лінії є сумарними значеннями обох

                  провідників абонентських ліній.

Дата добавления: 2018-04-05; просмотров: 270; Мы поможем в написании вашей работы!
Поделиться с друзьями:

12 3 4 5 6 7 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!