Politechnika Warszawska

Transkrypt

1 Politechnika Warszawska Wydział Elektryczny Laboratorium Teletechniki Skrypt do ćwiczenia T.14 Kluczowanie częstotliwości ()

2 1. Kluczowanie częstotliwości () Ćwiczenie to ma na celu ułatwienie zrozumienia podstawowych zasad kluczowania częstotliwości (). Ponadto wykonanie tego ćwiczenia pozwala również na zapoznanie się z właściwościami tego typu modulacji w dziedzinie czasu i częstotliwości oraz z wymaganiami dotyczącymi szerokości pasma sygnałów. 1.1 Część teoretyczna Wstęp W modulacji cyfrowej do zmodulowania sygnału nośnego (przebieg sinusoidalny) wymagane jest użycie sygnału modulującego w postaci przebiegu prostokątnego. Przy kluczowaniu amplitudy (ASK) amplituda sygnału nośnego jest zmieniana przyjmując jeden z dwu możliwych poziomów, zgodnie z transmitowanym sygnałem danych. W przypadku kluczowania częstotliwości (), amplituda sygnału nośnego pozostaje bez zmian, natomiast zmiany sygnału danych, powodują występowanie skokowych (pomiędzy dwoma częstotliwościami) zmian częstotliwości sygnału nośnego. Rysunek 1.1 przedstawia sygnały dwóch rodzajów modulacji ASK i. Pokazuje, że przy ASK tylko amplituda sygnału nośnego zmienia się w takt sygnału danych, natomiast przy zmieniana jest jedynie częstotliwość. Amplituda Sygnał danych Amplituda Sygnał ASK Amplituda Sygnał Rysunek 1.1. Sygnał ASK i Kluczowanie częstotliwości ma wiele wspólnego z kluczowaniem amplitudy. W teorii sygnał mógłby być generowany przez nałożenie dwóch sygnałów ASK mających różne częstotliwości nośne. Również widmo sygnału jest podobne do nałożonych widm dwóch sygnałów ASK o różnych częstotliwościach nośnych. Modulacja w przeciwieństwie do ASK jest szeroko stosowana w transmisji danych. Jest to spowodowane wieloma zaletami w tym dużo mniejszą wrażliwością na zakłócenia. Proces kluczowania częstotliwości jest zwykle bardziej odporny na szumy niż kluczowanie amplitudy, chociaż pod tym względem ustępuje procesowi kluczowania fazy (PSK). Złożoność sprzętu do realizacji jest niewielka w porównaniu do skomplikowanych systemów ASK. Ponadto nadaje się bardzo dobrze do równoczesnej transmisji w obu kierunkach, a to pozwala na użycie tego samego pasma częstotliwości, do transmisji danych w obie strony. Wymagana szerokość pasma w przypadku jest nieznacznie większa niż dla ASK.

3 Ten rozdział ma na celu opisanie podstawowych cech, oraz wpływu sygnału szumów na ten rodzaj modulacji. Działanie i właściwości modemów wykorzystujących standard są zaprezentowane w ćwiczeniu 16. Nowe terminy: środkowa (ang. center frequency f ctr ) - częstotliwość w połowie odległości pomiędzy częstotliwością znaczącą górną (f m ) oraz częstotliwością znaczącą dolną (f S ) zmodulowanego sygnału. Odchyłka częstotliwości (ang. frequency deviation f) różnica pomiędzy częstotliwością środkową a częstotliwością znaczącą górną (f m ) lub częstotliwością znaczącą dolną (f S ) sygnału. Szybkość sygnalizacji (modulacji) szybkość zmian stanów znamiennych sygnału mierzona liczbą tych zmian w ciągu jednej sekundy (tzw. body). W przypadku transmisji binarnej szybkość modulacji jest równa szybkości transmisji (przy pominięciu redundancji). Szybkość transmisji (przepływność binarna) szybkość nadawania i odbierania bitów mierzona w bitach na sekundę (bit/s). Redundancja nadmiar, zbędność; w informatyce miara zbędnej informacji w przekazywanych komunikatach lub intencjonalne duplikowanie informacji w celu zabezpieczenia jej podczas komunikacji. Opis modulacji W binarnym kluczowaniu częstotliwości, chwilowa częstotliwość sygnału nośnego zmienia się pomiędzy dwoma wartościami zgodnie z sygnałem danych (sygnał modulujący). Binarna 1 w sygnale danych ustawia częstotliwość sygnału nośnego na częstotliwość znaczącą 1 logicznej (ang. mark frequency) f m. Natomiast binarne 0 sygnału modulującego ustawia częstotliwość sygnału nośnego na częstotliwość znaczącą 0 logicznego (ang. space frequency) f s. Z tego względu częstotliwość sygnału analogowego generowanego przez modem jest przełączana pomiędzy f m i f s zgodnie z sygnałem danych zmieniającym się pomiędzy 1, a 0 logicznym. Dane Idealny sygnał fm fs ASK1 ASK2 Rysunek 1.2. Idealny sygnał

4 Rysunek 1.2 przedstawia sygnał modulujący i idealny sygnał powstający w wyniku modulacji. Jak pokazano, przebieg mógłby być zastąpiony przez nałożenie dwóch sygnałów ASK (ASK 1 i ASK 2 ) o różnych częstotliwościach nośnych. Rysunek 1.3a pokazuje, że sygnał mógłby być wygenerowany przez użycie strumienia danych binarnych służących do przerzucania pomiędzy dwoma różnymi (wcześniej ustalonymi) wartościami częstotliwości. Inna metoda uzyskania sygnału, polega na zmianie częstotliwości sygnału generowanego przez Generator Sterowany Napięciem (VCO). Generator ten jest sterowany cyfrowym sygnałem danych (Rysunek 1.3b). Oscylator fm Sygnał VCO Sygnał Oscylator fs Strumień bitów a) Użycie dwóch oscylatorów Strumień bitów Rysunek 1.3. Generacja sygnałów Właściwości sygnałów w dziedzinie czasu b) Użycie oscylatora sterowanego napięciem (VCO). W dziedzinie czasu sygnał występuje jako przebieg sinusoidalny o stałej amplitudzie, którego częstotliwość zmienia się pomiędzy dwoma wartościami. Sygnał ASK w przeciwieństwie do ma stałą wartość częstotliwości, podczas gdy jego amplituda ulega zmianie pomiędzy dwoma wartościami. Jeśli idealny sygnał byłby wygenerowany przez złożenie dwóch sygnałów ASK (Rysunek 1.2) lub przez użycie VCO (ang. Voltage- Controlled Oscilator) (Rysunek 1.3), to fala nośna mogłaby być zsynchronizowana z danymi, a obie użyte częstotliwości powinny być swoimi harmonicznymi. W przeciwnym razie mógłby powstać niepożądany przebieg przejściowy przechodzący w sygnał, co z kolei mogłoby spowodować powstanie nie pożądanej częstotliwości wchodzącej w skład widma tego sygnału. Większość modemów zawiera obwody do eliminowania przebiegów przejściowych i w ten sposób dostarcza ciągły (nieprzerywalny) kształt fali. Na przykład: jeśli do generacji sygnału użyta jest metoda VCO (Rysunek 1.3(b)), to wejście VCO może mieć ograniczone pasmo w celu zapewnienia łagodnego przejścia z jednej częstotliwości do drugiej. Inna metoda polega na opóźnieniu każdego przejścia częstotliwości sygnału, tak że następuje chwilowe przejście sygnału nośnego przez zero. Ponadto sygnał zwykle jest przepuszczany przez filtr pasmowy przed transmisją w celu wyeliminowania niepożądanych składowych częstotliwości. W binarnym istnieją dwa różne stany znamienne sygnału odpowiadające 1 i 0 binarnemu co powoduje, że szybkość modulacji jest równa szybkości transmisji. Dzieje się tak ponieważ w przypadku modulacji dwustanowej (binarnej) liczba zmian stanów znamiennych sygnału w ciągu jednej sekundy jest równa liczbie bitów przekazywanych w ciągu jednej sekundy.

5 Właściwości sygnałów w dziedzinie częstotliwości Dla ułatwienia poznania właściwości sygnałów w dziedzinie częstotliwości należy zdefiniować pojęcia: częstotliwości środkowej (ang. center frequency f ctr ), oraz odchyłki częstotliwości (ang. frequency deviation f). Jeśli częstotliwości znaczące (górną i dolną) oznaczyć jako: odpowiednio f m i f s, to częstotliwość środkowa f ctr leży w połowie odległości pomiędzy f m i f s. Odchyłka częstotliwości f jest wtedy różnicą pomiędzy częstotliwością środkową f ctr, a f m lub f s. Zostało to zilustrowane na rysunku 1.4. Odchyłka częstotliwości Moc 0 fm fs środkowa fctr Rysunek 1.4. Uproszczone widmo sygnału W czasie modulacji powstaje nie tylko częstotliwość f m i f s, ale również sygnały o różnych częstotliwościach tworzące widmo sygnału. Widmo sygnału jest zależne od użytych częstotliwości i prędkości transmisji. W szczególności stosunek f/r b, gdzie f jest odchyłką częstotliwości a R b jest prędkością transmisji ustala kształt widma. Dla dużych wartości f/r b (większych niż 0,5) widmo jest podobne do dwóch nałożonych widm sygnału ASK przy małej mocy pomiędzy dwoma wierzchołkami. Taka sytuacja została pokazana na rysunku 1.5 (a). Jeśli stosunek f/r b jest mniejszy to moc pomiędzy f m i f s jest większa co zostało pokazane na rysunku 1.5 (b). Rysunek 1.5 wyraźnie ilustruje wpływ stosunku f/r b na widmo sygnału, chociaż pokazany na rysunku sygnał nie był wygenerowany przy użyciu aktualnego modelu ale przy użyciu techniki VCO z rysunku 1.3 (b), a występujące częstotliwości nie są typowe dla komercyjnych modemów. Rysunek 1.6 pokazuje widmo sygnału wygenerowanego przez modem. Mimo, że widmo jest wąskie można zauważyć, że jest nieco podobne do nałożonych na siebie dwóch widm sygnałów ASK. a) b) Moc Moc 0 0 Rysunek 1.5. Wpływ stosunku f/r b na widmo sygnału : a) f/r b =2, b) f/r b =0.25 Ponieważ demodulator wykrywa tylko częstotliwości bliskie f s i f m moc widma pomiędzy tymi dwoma częstotliwościami jest tracona i właściwie szkodliwa dla dokładnej

6 demodulacji. Dlatego stosunek f/r b nie może być zbyt mały i zawsze jest kompromisem między prędkością przesyłu danych, a dostępną szerokością pasma. Po pierwsze zwykle chcemy aby czas trwania bitu był tak mały jak to możliwe, a prędkość przesyłu (transfer danych) tak duża jak to możliwe. W celu szybszego przesyłania danych odchyłka częstotliwości powinna być zwiększona. Ale odchyłka częstotliwości jest zwykle ograniczona przez ograniczenie związane z szerokością pasma przenoszenia. W większości modemów stosunek f/r b wynosi ok. 0,3. c) Efektywna szerokość pasma B>2Rb Moc 0 fm fs Rysunek 1.6. Widmo sygnału (z modemu ) W celu umożliwienia właściwej demodulacji sygnału do odbiornika muszą być transmitowane częstotliwości obu maksimów oraz część widma, w którym one występują. Rysunek 1.6 pokazuje właściwą szerokość pasma sygnału, która jest nieco większa niż częstotliwość podwójnej prędkości transmisji (ang. bit rate). To pasmo jest większe niż dla sygnałów ASK lub PSK, dla których właściwa szerokość pasma jest zbliżona do podwójnej prędkości transmisji. Demodulacja Niekoherentna demodulacja sygnałów jak pokazuje rysunek 1.7 może być wykonana poprzez użycie dwóch filtrów pasmowych dostrojonych do częstotliwości f m i f s. Detektory obwiedni (ang. envelope detector) dokonują zamiany sygnałów wyjściowych filtrów pasmowych na napięcia stałe V a i V b, proporcjonalne do poziomów sygnałów obwiedni. Te dwa stałe napięcia są odejmowane od siebie, a ich różnica V a -V b przesyłana do obwodu decyzyjnego. Kiedy V a -V b jest dodatnie to na wyjściu pojawia się 1 logiczna (sygnał wysoki), a kiedy ujemne to na wyjściu pojawia się 0 logiczne (sygnał niski). Generalnie szerokość pasma filtrów jest zbliżona do wartości prędkości transmisji na jaką modem został zaprojektowany. Sygnał Filtr Pasmowy A (fm) Filtr Pasmowy B (fs) Detektor Obwiedni A Detektor Obwiedni B VA + - VB VA - VB Rysunek 1.7. Niekoherentna demodulacja Obwód Decyzyjny (Próg = 0 V) Wyjście Danych

7 W każdym odbiorniku wadliwe ustawienie progu detekcji może poważnie zakłócić proces demodulacji. W modemach próg detekcji wynosi zero niezależnie od amplitudy fali nośnej, co czyni mniej wrażliwym na zakłócenia niż ASK. Dla sygnału ASK próg detekcji musi być stale zmieniany w taki sposób aby go dostosowywać do poziomu sygnału odbieranego, który zmienia się w czasie, na skutek zakłóceń występujących w kanale. 1.2 Część praktyczna Opis ćwiczenia Ćwiczenie to w początkowej fazie polega na obserwacji procesu generacji oraz odbioru sygnału, przy użyciu modemu. Na Rysunku 1.8 zostały pokazane elementy wykorzystywane w ćwiczeniu. Składają się na nie: - Zasilacz / Wzmacniacz Dwukanałowy (ang. Power Supply/Dual Audio Amplifier) - Dwukanałowy Generator Funkcji (Generator DFG ang. Dual Function Generator) - Licznik Częstotliwości (ang. Frequency Counter) - Analizator Widma (ang. Spectrum Analizer) - Cyfrowy System Obudowy (ang. Digital System Enclosure) - Generator Sygnału Zegarowego (Generator CG ang. Clock Generator) - Generator Przypadkowego Kodu Binarnego (Generator PRBSG ang. Pseudo- Random Binary Sequence Generator) - Przerywacz Sygnału / Selektor (ang. Signal Interruptor/Selector) - Modem - Oscyloskop - Wirtualny Interfejs Aparatury Pomiarowej (ang. Virtual Test Equipment Interface). Generator CG dostarcza sygnał zegarowy do Generatora Przypadkowego Kodu Binarnego, który generuje sygnał danych. Sygnał danych dostarczany jest do modemu. Na panelu modemu są widoczne dwa złącza Test Point; jedno posiada punkty testowe TP1 TP8, a drugie TP9 TP16. Punkty testowe TP1 TP8 są połączone z wejściami Selektora sygnałów w celu umożliwienia wyboru sygnału wizualizowanego na oscyloskopie. Generator Sygnału Zegarowego Wyjście 4 Wejście Zegarowe Wejście Generator PRBSG Wyjście PRBS Licznik Częstotliwości Interfejs Cyfrowy Wejście TTL Wejścia Modem Przerywacz Sygnału/ Selektor Punkty Kontrolne TP1-TP8 Interfejs Liniowy Wejście B Selektor 1 Rysunek 1.8. Schemat systemu do obserwowania właściwości CH-2 Oscyloskop CH-1 Modem składa się głównie z cyfrowego interfejsu, modulatora/demodulatora i interfejsu liniowego, które są pokazane na przednim panelu modemu (Rysunek Ćwiczenie 16 Standardy transmisji ). Cyfrowy interfejs pozwala na wprowadzenie i wyprowadzenie sygnałów przez łącza: TTL lub RS232 I/O. Przycisk SELECT pozwala na wybór jednego z dwóch wspomnianych standardów. W ćwiczeniu przycisk ten jest ustawiony w pozycji wyciśniętej, umożliwiającej wykorzystanie sygnałów TTL. Kiedy wykorzystywane są sygnały TTL do modemu przesyłany jest tylko sygnał danych. W tym przypadku trzy sygnały kontrolne: DTR, RTS i BRTS muszą być ustawione ręcznie poprzez użycie menu

8 rozwijanego, wywołanego prawym klawiszem myszy w momencie kiedy kursor znajduje się na tle modemu (przełączniki S6). W obszarze MODE na panelu przednim modemu znajduje się kolejny przycisk SELECT, który pozwala ustawić jeden z ośmiu różnych typów modemów i trybów pracy. Modemy BELL są przede wszystkim używane w Ameryce Północnej, podczas gdy modemy CCITT są używane w Europie i w większości innych części świata. CCITT jest skrótem od Consultive Committe on International Telegraph and Telephone Międzynarodowy Doradczy Komitet Telegraficzny i Telefoniczny do standaryzacji specyfikacji związanych z komunikacją na świecie. Przycisk LINE służy do ustawienia rodzaju transmisji: dwuprzewodowej lub czteroprzewodowej. Rodzaj modemu i tryb pracy dwu lub czteroprzewodowej będzie wyjaśniony w ćwiczeniu 16. W ramach ćwiczenia zostanie także sprawdzone działanie pętli zwrotnych: analogowej i cyfrowej. Test pętli zwrotnej jest procedurą testującą, w którym sygnały wracają do miejsca pochodzenia. Analogowa pętla zwrotna pozwala sprawdzić pojedynczy modem. Dlatego sygnał z wyjścia modulatora jest doprowadzony do wejścia demodulatora tego samego modemu. Żeby modem demodulował własny sygnał, filtry w demodulatorze muszą być zharmonizowane z częstotliwością użytą do transmisji. Przycisk LOOPBACK ustawia modem w analogowy tryb pętli zwrotnej przez ustawienie modulatora i demodulatora na tą samą częstotliwość. Modem ten musi działać w trybie czteroprzewodowym, a to pociąga za sobą połączenie wejścia trybu czteroprzewodowego z wyjściem trybu czteroprzewodowego. W tym przypadku sygnał danych powinien być identyczny na wyjściu i na wejściu modemu. Używając modemu będzie można obserwować efekty widmowe zmieniając stosunek f/r b, gdzie f jest odchyłką częstotliwości, a R b jest prędkością transmisji danych. Żeby efekt tych zmian był bardziej widoczny sygnał będzie generowany przez użycie Generatora DFG sterowanego napięciem VCO. Pozwala to na użycie innych częstotliwości niż standardowe dla modemu. Jak pokazuje rysunek 1.9 kanał B Generatora DFG generuje sygnał zegarowy, a kanał A generuje sygnał nośny. kanału A jest modulowana przez sygnał danych pochodzący z Generatora Przypadkowego Kodu Binarnego (ang. Pseudo-Random Binary Sequence Generator). Wejście Modulacji Częstotliwości (Kanał A) Dwukanałowy Generator Funkcji Wyjście B Synchronizacja TTL Fala Nośna Sinusoidalna Wyjście A Wejście Analizator Widma X Y Oscyloskop Wyjście PRBS Generator PRBSG Rysunek 1.9. Schemat systemu do obserwowania wpływu stosunku f/r b na widmo sygnału