Instytut Radioelektroniki Laboratorium Sygnałów i Modulacji. Ćwiczenie laboratoryjne M5 pt.: Badanie stopy błędu transmisji cyfrowej

Transkrypt

1 Instytut Radioelektroniki Laoratorium Sygnałów i Modulacji Ćwiczenie laoratoryjne M5 pt.: Badanie stopy łędu transmisji cyfrowej Cel i przeieg ćwiczenia: Ćwiczenie ma na celu zapoznanie z właściwościami układu transmisji danych przesyłanych z inarną modulacją FSK i PSK w kanale pasmowo-przepustowym z szumem iałym. W ćwiczeniu są wykorzystywane układy modulacji FSK i PSK adane w ćwiczeniu M4. Do detekcji sygnału FSK zastosowano detektor PLL a do detekcji sygnału PSK detektor synchroniczny. Głównym celem ćwiczenia są pomiary itowej stopy łędów sygnałów FSK i PSK w oecności szumu dla różnych parametrów modulacji (szykość transmisji, indeks modulacji) oraz parametrów odiornika (pasmo filtru przed detekcyjnego). Podczas ćwiczenia są oserwowane przeiegi czasowe i widma sygnałów modulujących, zmodulowamych i zdetekowanych oraz wykresy oczkowe. Ćwiczenie jest wykonywane w zespołach -osoowych. Przed ćwiczeniem odywa się 5 minutowy sprawdzian przygotowania się do zajęć. Na zajęcia należy przynieść pracę domową ( praca na zespół). Praca domowa Należy wykonać oliczenia i wykresy BER dla modulacji FSK (nie koherentna, detektor z dyskryminatorem) i PSK w funkcji E /N [db] (w zakresie od -db do 5dB) według zależności podanych w Taeli. Wykresy sporządzić w skali podwójnie logarytmicznej za pomocą programów Matla lu Excel. Przykładowe tematy wejściówek. Podać definicję itowej stopy łędów BER. Od jakich czynników zależy wartość stopy łędów transmisji cyfrowej w kanale radiowym?. Narysować i porównać charakterystyki szumowe inarnych modulacji cyfrowych FSK i PSK. 3. Ojaśnić przeieg typowej charakterystyki szumowej modulacji cyfrowej. 4. Narysować schemat lokowy i ojaśnić działanie detektora PLL sygnału FSK 5. Narysować schemat lokowy i ojaśnić działanie detektora synchronicznego sygnału PSK 6. Ojaśnić różnice między detekcją koherentną i nie koherentną sygnału FSK. Narysować schematy lokowe odpowiednich detektorów. Literatura:. Teoria sygnałów i modulacji, Praca ziorowa pod redakcją. J. Szaatina i K. Radeckiego, Wyd. PW, Warszawa, str S. Haykin, Systemy telekomunikacyjne, tom, Rozdz.8., 8., 8., 8., 8.6, 8.8, S. Hahn, Teoria modulacji i detekcji, Wyd. PW, Warszawa 987, Rozdz. 3.8, 3., 3., Podstawy transmisji cyfrowej, Praca ziorowa pod redakcją A. Dąrowskiego i P. Dymarskiego, Warszawa 999, Rozdz. 4., 5.., F. Xiong, Digital Modulation Techniques, Artech House, London, Chapters 3 and 4. Układ do pomiaru BER Poniżej pokazano schemat lokowy układu do pomiaru BER oraz charakterystyki przenoszenia filtrów DP i PP zastosowanych w detektorach sygnałów FSK i PSK.

2 Schemat lokowy demodulatora FSK/PSK oraz układu do pomiaru BER gen. szumu regulacja poziomu Σ sygnał FSK lu PSK 5-5kHz filtr PP XR PLL filtr:,, lu 3 X filtr DP filtr DP komp komp. FSK PSK komp. łąd fala nośna zegar itowy synchronizacja : 4 dane oryginalne sygnał po filtrze sygnał po demodulacji do PC Widok układu demodulatora FSK/PSK i układu pomiarowego BER WY do oscyloskopu WY do multimetru WY do oscyloskopu CH WY do licznika WE sygnałów FSK/PSK WY do karty pomiarowej w PC regulacja poziomu szumu przełącznik PSK/FSK zmiana pasma filtrów DP

3 db charakterystyki przenoszenia filtru DP charakterystyki przenoszenia filtru DP charakterystyka przenoszenia filtru PP na wejściu detektora

4 Schemat lokowy układu XR firmy Exar pracującego jako detektor FSK Schemat ogólny połączeń układu XR Układ XR zawiera detektor PLL, który działa jako dyskryminator częstotliwości. W stanie ustalonym napięcie na wejściu VCO () jest proporcjonalne do różnicy fazy między sygnałem wejściowym a sygnałem VCO (częstotliwości ou sygnałów są jednakowe). Zmiany częstotliwości generatora VCO nadąża za zmianami częstotliwości sygnału wejściowego. Komparator FSK określa czy częstotliwość VCO jest poniżej lu powyżej częstotliwości środkowej f =(f +f )/. Układ XR zawiera także detektor kwadraturowy, który umożliwia sygnalizację fali nośnej. W układzie laoratoryjnym szerokość pasma filtru pętli (foop filter) która jest skokowo regulowana (trzy stopnie). Dla prawidłowej detekcji szerokość pasma tego filtru powinna yć większa niż filtru danych (data filter). Stałą czasu filtru danych wyznaczają elementy R B, R F oraz C F. Wartość rezystancji R B decyduje o zdolności detektora do detekcji sygnałów o małym przesuwie częstotliwości.

5 s ( t ) = Acos( πf t + Φ CZĘŚĆ I Modulacje inarne FSK i PSK. Modulacja inarna FSK W ogólnym przypadku sygnał zmodulowany FSK ma postać: ), kt t ( k + )T dla " " s( t ) = Acos( πf t + Φ ), kt t ( k + )T, dla " " gdzie Φ i Φ są fazami początkowymi w chwili t=, T jest czasem trwania znaku. Przeieg czasowy sygnału zmodulowanego nie jest ciągły w momencie zmiany nadawanych znaków, ponieważ fazy Φ i Φ nie są takie same. Taki sygnał FSK jest nazywany sygnałem niekoherentnym i może yć generowany np. w wyniku załączania dwóch generatorów na wejście multipleksera (rys.). Sygnał taki musi yć niekoherentnie detekowany., Generator s (t) Multiplexer f i, Φ i Generator s (t) s ( t ) = Acos( πf t + Φ ), Rys. Generacja nie koherentnego sygnału FSK Drugim rodzajem sygnału FSK jest sygnał koherentny, gdzie sygnały s i s mają taką samą fazę Φ w chwili t=. kt t ( k + )T dla " " s( t ) = Acos( πf t + Φ ), kt t ( k + )T, dla " " Taki sygnał może yć wytwarzany w układzie pokazanym na rys.. Syntezer częstotliwości wytwarza dwa sygnały o częstotliwościach f i f, które są zsynchronizowane. Dane inarne są podawane na wejście sterujące multipleksera. Przeieg czasowy danych musi yć zsynchronizowany z przeiegiem nośnym. Syntezer s (t) i s (t) wejście danych a k s (t) s (t) Multiplexer, f i, Φ Rys. Generacja koherentnego sygnału FSK Detekcja koherentnego sygnału FSK może yć koherentna lu nie koherentna. W celu detekcji koherentnej częstotliwości f i f składowych s i s sygnału FSK są tak doierane, ay sygnały te yły ortogonalne tzn. ay ył spełniony warunek: ( k + )T kt wejście danych a k s( t )s( t )dt = Ay ten warunek ył spełniony musi yć spełniona zależność

6 gdzie n i m są liczami całkowitymi. Wówczas częstotliwości f i f wynoszą: π( f + f )T = nπ oraz π( f f )T = f n + m = 4T n m m f =, f f = f = 4T T Ay uzyskać ortogonalne sygnały s i s częstotliwości f i f muszą stanowić całkowitą wielokrotność /4T oraz ich różnica f -f (tzw. przesuw częstotliwości) musi stanowić całkowitą wielokrotność /T. Zatem można zapisać: mπ f =f c + F, f =f c - F, f c =(f +f )/=n/t gdzie f c jest częstotliwością nośną i musi yć całkowitą wielokrotnością /T. Jeżeli przesuw wynosi f -f =/T, to sygnał FSK jest nazywany sygnałem Sunde a. Sygnał Sunde a jest sygnałem z ciągła fazą i jego składowe s i s są ortogonalne. Dla zapewnienia ortogonalności minimalny przesuw częstotliwościami wynosi /T, co jednakże nie gwarantuje ciągłości fazy. Na Rys.3a pokazano przykład przeiegu czasowego sygnału Sunde a, gdzie znakowi odpowiada wyższa częstotliwość a znakowi odpowiada niższa częstotliwość. Ponieważ wartości ou częstotliwości są wielokrotnościami /T to przeieg czasowy posiada ciągłą fazę w momentach zmian częstotliwości. Rys.3 przedstawia przykład sygnału FSK z nieciągłą fazą w chwilach kluczowania częstotliwości. Nieciągłość fazy sygnału zmodulowanego powoduje poszerzenie jego widma. a) ) Rys.3 Przeieg czasowy sygnału FSK a) Sunde a ) z nieciągłą fazą Widmo sygnału Sunde a posiada dwa dyskretne prążki przy częstotliwościach f= f c ±/T. Pasmo wyznaczone przez miejsca zerowe owiedni widma wynosi B =3R. Pasmo, w którym jest zawarte 9% mocy sygnału wynosi B 9,3R. Pasmo, w którym jest zawarte 99% mocy sygnału wynosi B 99,R. W praktyce szerokość pasma transmisji wynosi B T =R. Widmo gęstości mocy sygnału Sunde a wyraża się wzorem: G( f ) = A 4 δ( f,5 T ) + δ( f +,5 T 4 A T ) + π cos 4 f T ( πft ) gdzie f jest odstrojeniem od częstotliwości nośnej.

7 Na Rys 4 pokazano przeieg tego widma w skali liniowej oraz logarytmicznej w funkcji ft. Szerokość pasma między miejscami zerowymi widma wynosi B =3R. db ft ft Rys.4 Widmo sygnału Sunde a a) skala liniowa ) skala logarytmiczna (db) Sygnał FSK z ciągłą fazą (CPFSK) posiada następującą ogólną postać: πka ( t kt k k s ( t ) = Acos( πf ct + + πh ai ), kt t ( k + T i= ) gdzie h jest indeksem modulacji, a k =± jest k-tym item. Logicznemu i odpowiadają inarne dane + i -. Drugi człon we wzorze ( ) reprezentuje liniowe zmiany fazy wymagane przez sygnał. Trzeci człon reprezentuje akumulację fazy. Ponieważ przyrost fazy jest proporcjonalny do t=t-kt, faza jest ciągła w przedziale (kt, (k+)t ). Gdy t=(k+)t, akumulacja fazy jest zwiększona o πha k i gdy czas t dalej iegnie następuje ponownie ciągła zmiana fazy. Dewiacja częstotliwości jest pochodną czasową drugiego członu i wynosi F=h/T. Stąd indeks modulacji: F h = FT = R gdzie R jest itową szykością transmisji, f =f c +h/t, f = f c -h/t. Gdy h= sygnał FSK jest sygnałem Sunde a. Na Rys. 5 pokazano widma sygnałów FSK dla różnych indeksów modulacji h. ) T ft ft ft ft Rys.5 Widmo gęstości mocy sygnału FSK dla różnych indeksów modulacji

8 Szczególną odmianą modulacji CPFSK jest MSK (minimum shift keying), dla której jest zapewniona ciągłość fazy przy minimalnym przesuwie częstotliwości. Gęstość widmowa mocy sygnału MSK wynosi: ( πft ) A 6T cos G( f ) = π 6 f T Sygnał FSK z ciągłą fazą może yć wytworzony w układzie zawierającym generator VCO (LC lu kwarcowy). Pod wpływem sygnału danych inarnych częstotliwość VCO ulega zmianie wokół jego wartości nominalnej, przy czym automatycznie jest zapewniona ciągłość fazy sygnału wyjściowego. Na Rys.6 pokazano schemat lokowy modulatora kwadtraturowego, który może wytworzyć sygnał FSK dowolnego formatu. +/-cos(π ft) cos(πf t) f =f - f f =f + f sin(π ft) + sin(πf t). Detekcja koherentna sygnału FSK Rys.6 Kwadraturowy modulator FSK a) detektor z dwoma korelatorami Schemat lokowy detektora pokazano na Rys. 7. r(t) cos(πf t) cos(πf t) ( k ( k )T + kt dt )T + kt dt l l Σ + - l Rys.7 Schemat lokowy koherentnego detektora FSK z dwoma korelatorami Detektor zawiera dwa korelatory połączone równolegle ze wspólnym wejściem dla sygnału odieranego r(t)=s(t)+n(t), gdzie n(t) jest szumem iałym. Do korelatorów są doprowadzone sygnały odniesienia cos(πf t) i sin(πf t), które muszą yć zsynchronizowane z sygnałem odieranym. Gdy jest nadawany sygnał s (t) wtedy na wyjściu górnego korelatora powstaje sygnał dodatni l > oraz szum. W tym samym czasie na wyjściu dolnego korelatora występuje tylko szum. Wówczas na wyjściu sumatora występuje sygnał l> i układ decyzyjny odczytuje go jako znak. Gdy jest nadawany sygnał s (t) na wyjściu sumatora występuje sygnał l< i układ decyzyjny odczytuje go jako znak. Ponieważ pozom szumu może przekraczać poziom wyzwalania układu decyzyjnego to podczas mogą występować łędy. ) detektor z jednym korelatorem

9 Schemat lokowy detektora pokazano na Rys. 8. Zawiera on jeden korelator, do którego jest doprowadzony sygnał odniesienia h(t) = cos(πf t) - cos(πf t). r(t) ( k )T + kt dt l h(t) = cos(πf t) - cos(πf t) Rys.8 Schemat lokowy koherentnego detektora FSK z jednym korelatorem c) detektor z filtrem dopasowanym Korelator występujący w detektorze pokazanym na Rys.9 może yć zastąpiony przez filtr dopasowany do odpowiedzi impulsowej h(t) = cos(πf t) - cos(πf t) r(t) h(t -t) t=kt l Rys.9 Schemat lokowy koherentnego detektora FSK z filtrem dopasowanym 3. Detekcja nie koherentna sygnału FSK Koherentny sygnał FSK może yć nie koherentnie detekowany w celu uniknięcia układu odtwarzania fali nośnej. Nie koherentny sygnał FSK może yć tylko niekoherentnie detekowany. W ou przypadkach faza sygnału odieranego nie jest znana. Sygnał FSK o nieznanej fazie można przedstawić w następującej postaci: s( t ) = Acos( πf i t + θ ) = Acosθ cos( πfit ) Asinθ sin( πfit ), i =, a) detektor z korelatorami Sygnał FSK o nieznanej fazie zawiera dwie składowe synfazową Acosθ cos(πf i t) oraz kwadraturową Asinθ sin(πf i t). Jest on częściowo skorelowany z przeiegiem cos(πf i t) oraz sin(πf i t). Zatem do detekcji składowych można zastosować dwa korelatory (Rys. ). cos(πf t) r(t) sin(πf t) cos(πf t) ( k ( k ( k ( k + )T dt kt + )T dt kt + )T dt kt + )T dt kt Σ Σ l komparator l jeżeli l >l wyierz jeżeli l <l wyierz sin(πf t) Rys. Schemat lokowy nie koherentnego detektora FSK z korelatorami

10 Przeieg na wyjściu korelatora synfazowego wynosi,5at cosθ, natomiast na wyjściu korelatora kwadraturowego wynosi,5at sinθ. Przeiegi te po przejściu przez układy kwadtratujące są sumowane, przy czym ich suma nie zależy od fazy θ i wynosi,5a T. Komparator porównuje wartości średnie przeiegów l i (i=,). Jeżeli sygnał s i (t) nie jest nadawany to wartość średnia l i wynosi zero. ) detektor z filtrami dopasowanymi Na Rys. pokazano schemat lokowy nie koherentnego detektora FSK z filtrami dopasowanymi. r(t) cosπf (T -t) cosπf (T -t) detektor owiedni detektor owiedni t=kt t=kt l komparator l jeżeli l >l wyierz jeżeli l <l wyierz Rys. Schemat lokowy niekoherentnego detektora FSK z filtrami dopasowanymi. c) detektor z filtrami pasmowymi W celu uproszczenia detektora można zastąpić filtry dopasowane filtrami pasmowymi o częstotliwościach środkowych f oraz f (Rys.). r(t) filtr pasmowy f filtr pasmowy f detektor owiedni detektor owiedni t=kt t=kt l komparator l jeżeli l >l wyierz jeżeli l <l wyierz Rys. Schemat lokowy niekoherentnego detektora FSK z filtrami pasmowymi Pokazane na Rys.8- detektory są odpowiednie w przypadku jednakowego prawdopodoieństwa nadawanych znaków oraz jednakowej energii nadawanych sygnałów. Nie jest konieczne, ay nadawane sygnały yły ortogonalne. d) detektor z dyskryminatorem częstotliwości Na Rys.3 pokazano schemat lokowy prostego detektora sygnału FSK z dyskryminatorem częstotliwości i całkującym układem filtracji. Filtr p.cz. jest wąskopasmowy i ma za zadanie ograniczyć szerokość pasma sygnału odieranego do wartości określonej przez szerokość kanału. Zakłada się, że napięcie na wyjściu dyskryminatora jest proporcjonalne do częstotliwości chwilowej odieranego sygnału. Stała czasu układu całkującego wynosi T. W momentach czasu t=kt wyjście filtru całkującego jest prókowane i iegunowość napięcia decyduje o tym czy zastał nadany znak lu. r(t) filtr p.cz ograni -cznik dyskryminator filtr całk cos(πf L t) Rys.3 Schemat lokowy detektora z dyskryminatorem częstotliwości

11 Typowym układem realizującym dyskryminację częstotliwości jest oecnie układ PLL (Rys.4). s(t) FDP dane Rys.4 Schemat lokowy dyskryminatora częstotliwości PLL Generator VCO jest dokładnie dostrajany do każdej częstotliwości sygnału s(t). W stanie ustalonym różnica fazy między sygnałem s(t) i sygnałem VCO wynosi Modulacja inarna PSK Sygnał zmodulowany PSK można przedstawić w postaci: s( t ) = A cos( πft ) dla "'' s ( t ) = A cos( πf t ) dla " gdzie: A amplituda A VCO E =, E energia sygnału przypadająca na jeden it T Sygnał PSK, podonie jak FSK, posiada stałą owiednię. W ogólności faza sygnału nie jest ciągła w momentach kluczowania. Jeżeli f =mr =m/t, gdzie m jest liczą całkowitą a R jest szykością transmisji oraz zmiana itów jest zsynchronizowana z falą nośną, wtedy faza początkowa w chwili zmiany nadawanych znaków wynosi lu π. Warunek f =mr jest konieczny, ay uzyskać minimum BER. Na Rys.5 pokazano schemat lokowy modulatora PSK " a(t) koder NRZ (t) s(t) Acos(πf t) generator Rys.5 Schemat lokowy modulatora PSK W koderze NRZ ciąg unipolarnych danych a(t) jest zamieniany na ciąg ipolarny (t). Rys.6 Przeiegi czasowe w modulatorze PSK dla f =mr =m/t, m jest liczą całkowitą

12 5. Detekcja sygnału inarnego PSK Na Rys.7 pokazano schemat lokowy detektora PSK z korelatorem r(t) ( k + )T cos(πf t) kt dt CR układ odtwarzania fali nośnej l Rys.7 Schemat lokowy detektora PSK Sygnał odniesienia musi posiadać taką samą częstotliwość i fazę jak sygnał odierany. Zapewnia to układ odtwarzania fali nośnej. Możliwa jest nie koherentna detekcja sygnału BSK nadawanego w układzie różnicowym jako DPSK. Widmo gęstości mocy sygnału PSK wynosi E sin ( ) ( πt f ) S f = ( πt ) f i jest przedstawione na Rys. 8 (f jest odstrojeniem od częstotliwości nośnej). a) ) db ft ft Rys.8 Widmo sygnału PSK a) skala liniowa ) skala logarytmiczan Szerokość pasma B =/T =R., B 9,7R, B 99 R. 6. Charakterystyki szumowe modulacji inarnych FSK i PSK Sygnały zmodulowane transmitowane w kanale radiowym są zniekształcane i zakłócane. Zakłócenia transmisji wynikają z oecności szumu szerokopasmowego, losowych sygnały impulsowych oraz nieliniowej pracy układów wzmacniających. W przypadku wąskopasmowych kanałów występuje prolem interferencji międzysymolowych. Zadaniem odiornika jest rozpoznanie zakłóconych i zniekształconych sygnałów z możliwie najmniejszym prawdopodoieństwem łędu. W odiorniku musi yć zapewniona synchronizacja elementowa/itowa (tzn. znany jest początek i koniec szczeliny czasowej, w której jest nadawany sygnał), zapewniony pomiar odieranego sygnału i ustalony algorytm decyzyjny. Miarą jakości sygnału odtworzonego na wyjściu detektora w odiorniku jest tzw. itowa stopa łędów BER (it error ratio). Jest to stosunek łędnie oderanych itów do całkowitej liczy nadanych itów. Charakterystyka szumowa modulacji cyfrowej jest to przeieg stopy łędów BER w funkcji stosunku energii sygnału do gęstości widmowej mocy szumu E s /N. W Taeli zestawiono zależności opisujące stopę łędów dla sygnałów zmodulowanych FSK i PSK w przypadku gdy:

13 . w kanale występuje szum iały (szum gaussowski),. raku interferencji międzysymolowych (oznacza to, że pasmo przepustowe kanału jest odpowiednio szerokie) 3. szerokość pasma detekcji jest wystarczająca ay że nie powstały zniekształcenia sygnału odieranego 4. są nadawane ortogonalne sygnały o jednakowej energii z jednakowym prawdopodoieństwem występowania znaków 5. zastosowano optymalny algorytm decyzyjny (granica między ziorami wyników pomiaru nadawanych sygnałów na płaszczyźnie sygnałowej jest wyznaczona w taki sposó, że prawdopodoieństwo popełnienia łędu jest najmniejsze) modulacja FSK nie koherentna det. z korelatorami, det. z filtrami pasmowymi FSK nie koherentna det.z dyskryminatorem i filtrem całkującym FSK koherentna PSK koherentna BER E exp N E exp N erfc erfc E N E N Ta. BER dla modulacji inarnych FSK i PSK Na Rys.9a pokazano charakterystyki szumowe modulacji FSK i PSK. Można zauważyć, że nie koherentna FSK wymaga około db większego E /N niż koherentna FSK przy P -4. Nie koherentny detektor FSK jest tańszy, ponieważ nie ma potrzey generacji koherentnego sygnału odniesienia. W praktycznych systemach prawie wszystkie odiorniki FSK zawierają nie koherentny detektor. a) ) E /N (db) Rys.9 a) charakterystyki szumowe modulacji FSK i PSK, ) charakterystyki szumowe modulacji FSK dla detektora z dyskryminatorem częstotliwości z różnymi filtrami p.cz.

14 Między E /N a S/N (stosunek średniej mocy sygnału do średniej mocy szumu) istnieje zależność: E S B = N N R gdzie R jest szykością transmisji (R =/T, T - czas trwania znaku), B jest szerokością pasma detektora, E =ST, N=N B. W praktyce BER wykreśla się w funkcji E /N w celu łatwego porównania różnych charakterystyk. Prawdopodoieństwo łędu na wyjściu detektora z dyskryminatorem częstotliwości zależy istotnie od własności filtru p.cz. Dla przykładu, w przypadku zastosowania filtru Gaussa lu filtru o prostokątnej charakterystyce przenoszenia, do uzyskania BER= -4 najlepszy jest system transmisji sygnału FSK z indeksem modulacji h=,7, ponieważ jest wtedy potrzena najmniejsza energia sygnału (w zakresie BT =,5-3, gdzie B jest zastępczą szerokością pasma szumowego filtru). Dla danego SNR oraz indeksu modulacji istnieje taka wartość B, przy której występuje minimum BER. Można to uzasadnić w następujący sposó. Im większa szerokość pasma B tym większy wpływ szumów i wzrost łędów. Z drugiej strony przy zmniejszeniu pasma poniżej szczególnej wartości wzrastają łędy z powodu wzrostu zniekształceń odieranego sygnału. Stopa łędów zależy od kształtu charakterystyki przenoszenia filtru, indeksu modulacji oraz SNR i w ogólności jej minimum występuje przy szerokości pasma B=/T. Na Rys. 9 pokazano charakterystyki szumowe wąskopasmowego detektora sygnału FSK dla h=,7 oraz BT = zawierającego dyskryminator częstotliwości oraz filtr p.cz. typu Gaussa, Butterworth a -rzędu lu filtr dwuowodowy. Wykresy BER dla detektora z filtrami typu Gaussa i Butterworth a praktycznie pokrywają się. Wykres BER dla nie koherentnej i ortogonalnej FSK okazuje się yć mniej korzystny. Może to wynikać z innej konstrukcji detektora (patrz Rys.9), który zawiera liniowy filtr dopasowany, podczas gdy dyskryminator częstotliwości jest układem nieliniowym. Jeżeli filtr p.cz. jest wystarczająco szeroki tak, że wpływ zniekształceń sygnału jest do pominięcia to dolnopasmowy filtr podetekcyjny może yć aproksymowany przez idealny układ całkujący z czasem całkowania T. W takim układzie BER jest 3dB lepszy niż dla detektora z filtrem dopasowanym (patrz Ta. ) Na Rys. pokazano charakterystyki szumowe modulacji PSK w przypadku a) łędów fazy lokalnego generatora w odiorniku oraz ) łędów przy odtwarzaniu zegara przy założeniu, że łędy mają rozkład gaussowski (σ Φ i σ τ standardowe dewiacje). E /N (db) E /N (db) Rys. Charakterystyki szumowe modulacji PSK w przypadku łędów a) synchronizacji fazy ) zegara

15 7. Podsumowanie Warunkiem wystarczającym dla uzyskania ciągłości fazy sygnału FSK jest ay odstęp f - f ył całkowitą wielokrotnością /T. Jednakże nie jest to niezędne, ponieważ dla modulacji MSK minimalny między kluczowanymi częstotliwościami wynosi /T Stosowanie ortogonalnych sygnałów jest korzystne ze względu na możliwość zwiększenia liczy przesyłanych znaków ez pogorszenia BER (detekcja w równoległych kanałach). Jednocześnie można wydłużyć czas trwania znaku (przy ustalonej R ) przez co poprawi się stosunek S/N na wyjściu detektora. Stosowanie ortogonalnych sygnałów dla modulacji FSK o większej wartościowości niż M= jest oecnie niecelowe, ponieważ znacznie wrasta szerokość pasma takich sygnałów. Warunkiem koniecznym dla uzyskania ortogonalności koherentnej FSK jest, ay odstęp f -f ył całkowitą wielokrotnością /T przy czym wartości częstotliwości f i f muszą yć całkowitą wielokrotnością /4T. Faza nie koherentnego sygnału FSK nie jest ciągła. Dla uzyskania ortogonalności takiego sygnału, odstęp f -f powinien yć całkowitą wielokrotnością /T. Tak więc minimalny odstęp f -f dla nie koherentnej FSK jest dwa razy większy niż dla koherentnej. Detektor koherentny zawiera dwa korelatory (tzw. detektor synchroniczny) lu filtry dopasowane do sygnału oraz układy prókujące. Wymaga on sygnałów odniesienia cos(πf i t), i=, oraz odtworzenia sygnału zegarowego z odieranych sygnałów. Detektor nie koherentny zawiera dwa korelatory i układy kwadratujące lu filtry dopasowane (filtry pasmowe) i detektory owiedni. Nie wymaga się synchronizacji częstotliwości lokalnego generatora z nadawanymi sygnałami. W praktyce stosuje się detekcję nie koherentną, przy której jest tylko wymagana synchronizacja itowa. Zalety modulacji inarnej FSK: Owiednia sygnału FSK jest stała i w związku z tym sygnał zmodulowany nie jest wrażliwy na zmiany amplitudy (wzmocnienia) w kanale transmisyjnym. Sygnał FSK może yć stosowany nieliniowych systemach nadawczo odiorczych. Do detekcji sygnału FSK wystarczy znajomość względnych zmian częstotliwości miedzy nadawanymi znakami i w związku z tym nie jest konieczna wysoka dokładność tych częstotliwości. Wady modulacji inarnej FSK: Efektywność wykorzystania pasma η B =B/R dla FSK jest nieco mniejsza niż dla PSK (za wyjątkiem modulacji MSK). Dla koherentnej FSK η B =,4 it/s/hz a dla PSK η B =,5 it/s/hz, zakładając szerokość pasma B=B. Stopa łędów dla modulacji FSK jest większa niż dla modulacji PSK Do detekcji sygnału PSK jest niezędne odtworzenie w odiorniku fali nośnej. Synchronizacja itowa (lu symolowa) jest potrzena w każdym systemie modulacji cyfrowej. Efektywność wykorzystania modulacji PSK wzrasta ze wzrostem wartościowości modulacji, podczas gdy dla modulacji FSK maleje. W celu zmniejszenia poziomu listków ocznych w widmie modulacji FSK i PSK stosuje się filtrację sygnału danych za pomocą filtrów Gaussa (dla FSK) oraz podniesionego kosinusa (dla PSK).

16 CZĘŚĆ II Oserwacje i pomiary. Pomiar wartości skutecznej napięcia sygnału i szumu. a) Na wyjście J3 demodulatora załączyć miernik wartości skutecznej napięcia (multimetr). Wyrać pomiar napięcia zmiennego poprzez wciśnięcie klawisza U AC. ) Ustawić przełącznik rodzaju sygnału w MODULATORZE w pozycji FSK. Ustawić przełącznik rodzaju sygnału w DEMODULATORZE w pozycji S i zmierzyć poziom sygnału FSK. c) Ustawić przełącznik rodzaju sygnału w MODULATORZE w pozycji PSK i zmierzyć poziom sygnału PSK. (poziomy sygnałów FSK i PSK powinny yć jednakowe) d) Ustawić przełącznik rodzaju sygnału w DEMODULATORZE w pozycji N. Zmierzyć poziom napięcia szumu U sz dla wszystkich położeń przełącznika poziomu szumu tzn. od położenia (minimalny poziom) do położenia (maksymalny poziom). Oliczyć stosunek mocy sygnału do mocy szumu: S U S = log N U SZ Wyniki pomiarów U sz i oliczeń S/N zerać w Taeli. Nr U sz [mv] S/N [db]. Ustawienie parametrów modulatora FSK i układu pomiarowego. Oserwacja wyranych sygnałów w modulatorze i demodulatorze FSK W celu ustawienia parametrów sygnału FSK należy w MODULATORZE: a) Ustawić przełącznik rodzaju sygnału w pozycji FSK. ) Ustawić -szy przełącznik rodzaju sygnału modulującego w pozycji P (fala prostokątna). Ustawić -gi przełącznik rodzaju sygnału modulującego w pozycji PULSE. Wcisnąć klawisz Sygnał oryginalny i oejrzeć przeieg czasowy i widmo sygnału modulującego. Pokrętłem F M ustawić częstotliwość fali prostokątnej F M =khz. c) Ustawić -szy przełącznik rodzaju sygnału modulującego w pozycji L - losowy ciąg zer i jedynek o czasie trwania T=/(F M ) i szykości transmisji R =F M znaków/s. Ustawić -gi przełącznik rodzaju sygnału modulującego w pozycji MARK (nadawanie losowego ciągu jedynek ). Wcisnąć klawisz Wejście. Oejrzeć widmo sygnału zmodulowanego. Odczytać położenie maksimum widma na skali częstotliwości. Ustawić -gi przełącznik rodzaju sygnału modulującego w pozycji SPACE (nadawanie losowego ciągu zer. Wcisnąć klawisz Wejście. Oejrzeć widmo sygnału zmodulowanego. Odczytać położenie minimum widma na skali częstotliwości. Pokrętłem S ustawić przesuw częstotliwości S= F=4kHz (odstęp między częstotliwością nadawania jedynki a częstotliwością nadawania zera ). Oliczyć indeks modulacji FSK: S F k = = R F M

17 d) Ustawić -gi przełącznik rodzaju sygnału modulującego w pozycji PULSE (nadawanie losowego ciągu zer i jedynek ). Wcisnąć klawisz Wejście. Oejrzeć i naszkicować (lu skopiować) widmo sygnału zmodulowanego. Po ustaleniu parametrów sygnału FSK (U S, S, R, k) należy ustalić parametry układu pomiarowego. W tym celu należy w DEMODULATORZE: a) Ustawić przełącznik rodzaju sygnału w pozycji S+N. ) Ustawić przełącznik rodzaju sygnału w pozycji FSK. c) Ustawić przełącznik filtru DP w pozycji (pasmo najszersze). d) Wcisnąć klawisz Demod w menu głównym. Zaoserwować wpływ poziomu szumów na przeieg sygnału na wyjściu demodulatora (po filtrze DP). Naszkicować przykładowy przeieg przy największym S/N. Zaoserwować i ojaśnić wpływ szerokości pasma filtru DP na przeieg sygnału na wyjściu demodulatora..3 Oserwacja przeiegu łędów w funkcji czasu i pomiar stopy łędów sygnału FSK a) Wcisnąć klawisz Wyjście w menu głównym - na ekranie monitora są widoczne trzy wykresy: przeieg sygnału modulującego, zdemodulowanego oraz łędów w funkcji czasu. Zmieniać skokowo poziom szumów od największego do najmniejszego i oserwować pojawianie się łędów. Zmienić pasmo filtru DP i oserwować pojawianie się łędów. Wyjaśnić przyczyny wzrostu łędów przy zwiększaniu poziomu szumów i zmniejszaniu szerokości pasma filtru DP. ) Wcisnąć klawisz Błędy w menu głównym na ekranie monitora jest widoczny przeieg łędów w funkcji czasu oraz licznik łędów. Ustawić przełącznik filtru DP w pozycji (pasmo najszersze). Zmieniać skokowo poziom szumów od największego do najmniejszego i mierzyć liczę łędów. W miarę zmniejszania poziomu szumów należy zwiększać czas zliczania łędów. Wyniki pomiarów zestawić w Taeli. Ustawić przełącznik filtru DP w pozycji 3 (pasmo najwęższe). Zmieniać skokowo poziom szumów od największego do najmniejszego i mierzyć liczę łędów. W miarę zmniejszania poziomu szumów należy zwiększać czas zliczania łędów. Wyniki pomiarów zestawić w Taeli. Nr S/N [db] BER DP BER DP3 Wykonać wykresy BER w funkcji S/N i porównać z wykresem teoretycznym. Ojaśnić przyczyny rozieżności..4 Ustawienie parametrów modulatora PSK i układu pomiarowego. Oserwacja wyranych sygnałów w modulatorze i demodulatorze PSK W celu ustawienia parametrów sygnału PSK należy w MODULATORZE: a) Ustawić przełącznik rodzaju sygnału w pozycji PSK. ) Ustawić -szy przełącznik rodzaju sygnału modulującego w pozycji P (fala prostokątna). Ustawić -gi przełącznik rodzaju sygnału modulującego w pozycji PULSE. Wcisnąć klawisz Sygnał oryginalny i oejrzeć przeieg czasowy i widmo sygnału modulującego. Pokrętłem F M ustawić częstotliwość fali prostokątnej F M =khz.

18 c) Ustawić -szy przełącznik rodzaju sygnału modulującego w pozycji L - losowy ciąg zer i jedynek o czasie trwania T=/(F M ) i szykości transmisji R =F M kznaków/s. d) Wcisnąć klawisz Wejście. Oejrzeć i naszkicować (lu skopiować) widmo sygnału zmodulowanego. Po ustaleniu parametrów sygnału PSK (U S, R ) należy ustalić parametry układu pomiarowego. W tym celu należy w DEMODULATORZE: a) Ustawić przełącznik rodzaju sygnału w pozycji S+N. ) Ustawić przełącznik rodzaju sygnału w pozycji PSK. c) Ustawić przełącznik filtru DP w pozycji (pasmo najszersze). d) Wcisnąć klawisz Demod w menu głównym. Zaoserwować wpływ poziomu szumów na przeieg sygnału na wyjściu demodulatora (po filtrze DP). Naszkicować przykładowy przeieg przy największym S/N. Zaoserwować i ojaśnić wpływ szerokości pasma filtru DP na przeieg sygnału na wyjściu demodulatora..5 Oserwacja przeiegu łędów w funkcji czasu i pomiar stopy łędów sygnału PSK a) Wcisnąć klawisz Wyjście w menu głównym - na ekranie monitora są widoczne trzy wykresy: przeieg sygnału modulującego, zdemodulowanego oraz łędów w funkcji czasu. Zmieniać skokowo poziom szumów od największego do najmniejszego i oserwować pojawianie się łędów. Zmienić pasmo filtru DP i oserwować pojawianie się łędów. Wyjaśnić przyczyny wzrostu łędów przy zwiększaniu poziomu szumów i zmniejszaniu szerokości pasma filtru DP. ) Wcisnąć klawisz Błędy w menu głównym na ekranie monitora jest widoczny przeieg łędów w funkcji czasu oraz licznik łędów. Ustawić przełącznik filtru DP w pozycji (pasmo najszersze). Zmieniać skokowo poziom szumów od największego do najmniejszego i mierzyć liczę łędów. W miarę zmniejszania poziomu szumów należy zwiększać czas zliczania łędów. Wyniki pomiarów zestawić w Taeli 3. Ustawić przełącznik filtru DP w pozycji 3 (pasmo najwęższe). Zmieniać skokowo poziom szumów od największego do najmniejszego i mierzyć liczę łędów. W miarę zmniejszania poziomu szumów należy zwiększać czas zliczania łędów. Wyniki pomiarów zestawić w Taeli 3. Nr S/N [db] BER DP BER DP3 Wykonać wykresy BER w funkcji S/N i porównać z wykresem teoretycznym. Ojaśnić przyczyny rozieżności.