ZESPÓŁ LABORATORIÓW TELEMATYKI TRANSPORTU ZAKŁAD TELEKOMUNIKACJI W TRANSPORCIE WYDZIAŁ TRANSPORTU POLITECHNIKI WARSZAWSKIEJ LABORATORIUM SYSTEMÓW TELETRANSMISYJNYCH INSTRUKCJA DO ĆWICZENIA NR 5 Modulacja z kluczowaniem amplitudy ASK i częstotliwości FSK TwT WT PW, DO UŻYTKU WEWNĘTRZNEGO Warszawa 2016
1. Cel i zakres ćwiczenia Celem ćwiczenia jest prezentacja procesu modulacji z kluczowaniem amplitudy ASK ze szczególnym uwzględnieniem przebiegu kształtowania sygnału zmodulowanego oraz wpływ, jaki wywierają na niego zmiany sygnału modulującego. Zakres ćwiczenia obejmuje identyfikację, obserwację, pomiar oraz rejestrację podstawowych dla procesu modulacji z kluczowaniem amplitudy ASK zjawisk i przebiegów, a w szczególności: - sygnał modulujący (kształt, parametry), - sygnał zmodulowanego (kształt, budowa, parametry), - zależności czasowe i amplitudowe między sygnałem modulującym a zmodulowanym, - zakres pracy modulatora ASK, - demodulacja sygnału ASK (kształt, jakość, przesunięcie, przyczyny zniekształcenia). 2. Wykaz wykorzystanych przyrządów - multimetr elektroniczny (rys. 2.1), - generator funkcyjny DF1641A z funkcją pomiaru częstotliwości (rys. 2.2), - komputerowa przystawka oscyloskopowa PCSU1000 (rys. 2.3), - komputerowa przystawka generatora, 2 szt., PCSG1000 (rys. 2.4), - komputer PC z systemem Windows 10, - moduł zasilacza i podwójnego generatora KL-92001 (rys. 2.5), - moduł modulatora i demodulatora ASK KL-94005 (rys. 2.6), - moduł modulatora i demodulatora FSK KL-94003 (rys. 2.11). 3. Schemat blokowy i funkcjonalny stanowiska laboratoryjnego Został przedstawiony na rys. 3.1. Wykorzystane w nim skróty i oznaczenia zostały wyjaśnione w p. 4 instrukcji. 1
Rys. 2.1 Multimetr elektroniczny Rys. 2.2 Generator funkcyjny DF1641A z funkcją pomiaru częstotliwości 2
Rys. 2.3 Komputerowa przystawka oscyloskopowa PCSU1000 Rys. 2.4 Komputerowa przystawka generatora, PCSG1000 3
Rys. 2.5 Moduł zasilacza i podwójnego generatora KL-92001 4
Rys. 2.6 Moduł modulatora i demodulatora ASK KL-94005 5
230 V AC 0 15 V DC V DC Gen. modulujący Gm Gen. nośnej Gn 100 Zakres Funkcja 1k 10k 200k Częstotliwość Amplituda Zasilacz ZS V Tłumik -20dB 0dB Wyj. TTL Wyj. funkcji KL-92001 100 V Zakres Funkcja 1k 10k 200k Częstotliwość Amplituda V Tłumik -20dB 0dB Wej. odchylania Wyj. funkcji Regulowane napięcie stałe GND +5V -12V -5V +12V Zasilające napięcie stałe Modulator / Demodulator ASK VD Signal In VC Carrier In VR In PLL In KL-94005 VR1 Układ pętli fazowej PLL VR4 GND +5V -12V -5V +12V VT Out Filtr d.p. VCO out In 1 In 2 VLP Out VR3 Modulator Modulator Detektor obwiedni Komparator Filtr pasmowy VR2 VR5 Vx Out Vo Out VLO Out Rys. 2.7 Schemat blokowy i funkcjonalny stanowiska laboratoryjnego ASK 6
Rys. 2.8 Schematy ideowe modułu KL-94005 7
Rys. 2.8 Schemat ideowy modulatora ASK Rys. 2.9 Schemat ideowy niekoherentnego demodulatora ASK 8
Rys. 2.10 Schemat ideowy koherentnego demodulatora ASK 9
Rys. 2.11 Moduł modulatora i demodulatora FSK KL-94003 10
230 V AC 0 15 V DC V DC Gen. modulujący Gm Gen. nośnej Gn 100 Zakres Funkcja 1k 10k 200k Częstotliwość Amplituda Zasilacz ZS V Tłumik -20dB 0dB Wyj. TTL Wyj. funkcji KL-92001 100 V Zakres Funkcja 1k 10k 200k Częstotliwość Amplituda V Tłumik -20dB 0dB Wej. odchylania Wyj. funkcji Regulowane napięcie stałe GND +5V -12V -5V +12V Zasilające napięcie stałe Modulator FSK Demodulator FSK I/P T1 I/P KL-94003 VR1 VR2 Układ dopasowania GND +5V -12V -5V +12V ua741 ua741 VR1 Detektor fazy LM565 VCO Wzmacniacz NE566 O/P ua741 O/P Rys. 2.12 Schemat blokowy i funkcjonalny stanowiska laboratoryjnego FSK 11
Rys. 2.13 Schemat ideowy modulatora FSK Rys. 2.14 Schemat blokowy układu pętli fazowej PLL 12
Rys. 2.15 Schemat ideowy demodulatora FSK 4. Wykaz użytych skrótów i oznaczeń Dla zwiększenia przejrzystości instrukcji wprowadzono poniższe skróty, które zostały wykorzystane w tekście oraz schematach blokowych. Dotyczą one wykorzystywanych przyrządów oraz ustawień dokonywanych w sprzęcie pomiarowym i modułach laboratoryjnych. Dla ich lepszego wyróżnienia skróty w tekście pisane są czcionką pogrubioną. ZS G - zasilacz, - generator, Gm - generator częstotliwości modulującej, Gz - generator zewnętrzny, OSC - oscyloskop, PO - komputerowa przystawka oscyloskopowa, MCZ - miernik częstotliwości, We - wejście (+ ewentualnie numer lub oznaczenie wejścia), Wy - wyjście (+ ewentualnie numer lub oznaczenie wyjścia), CH - kanał (+ ewentualnie numer lub oznaczenie kanału OSC lub PO), DSO - podgląd oscyloskopu Y(t) (zwykle dotyczy PO), 13
FFT - podgląd analizatora widma Y(f) (zwykle dotyczy PO), V/D - volt na działkę (zwykle dotyczy OSC lub PO), T/D - czasu na działkę (zwykle dotyczy OSC lub PO), TRG - wyzwalanie (zwykle dotyczy OSC lub PO), ON - włączone (zwykle dotyczy TRG lub CH dla OSC lub PO), OFF - wyłączone (zwykle dotyczy TRG lub CH dla OSC lub PO), FR xn - zakres pasma (zwykle dotyczy PO w trybie FFT), - powiększenie N razy (1, 2, 4 lub 8 razy, zwykle dotyczy PO w trybie FFT) oraz dodatkowo: f m f n V pp - częstotliwość sygnału modulującego [Hz], - częstotliwość sygnału nośnego [Hz], - napięcie międzyszczytowe [V], - zapisz przebieg na dysku, - pytanie, na które odpowiedź musi znaleźć się w sprawozdaniu, 5. Uwagi praktyczne Większość obserwacji i pomiarów dokonywana jest przy wykorzystaniu komputerowej przystawki oscyloskopowej PO. Podczas wykonywania pomiarów i obserwacji przy wykorzystaniu tylko jednego kanału najwygodniej jest używać kanału pierwszego CH1. Przy przełączaniu przystawki oscyloskopowej w tryb FFT zwykle należy wyłączyć wyzwalanie OFF. Włączenie wyzwalania ON, wymagane na ogół w trybie DSO, zwykle wymaga korekty poziomu wyzwalania. Jej zaniechanie skutkuje brakiem odświeżania wykresu przebiegu i prowadzi do błędnych odczytów. Jeśli nie zaznaczono inaczej, podczas oglądania widma sygnału w trybie FFT, zawsze najpierw ustawiaj podstawową częstotliwość sygnału na środku ekranu. Upewnij się, że oglądasz właściwy fragment widma wykorzystując marker częstotliwości i dopiero przystępuj do pomiarów. Oprogramowanie PO pozwala na zapisywanie oglądanych przebiegów, zarówno w trybie DSO jak i FFT. Nazwy plików nie mogą mieć jednak więcej niż 8 znaków, dlatego należy zaplanować wcześniej system nazewnictwa plików, np. pierwszy znak to punkt instrukcji, drugi to seria, a reszta to opis. 14
Miernik częstotliwości MCZ i oscyloskop OSC najwygodniej jest podłączyć do wspólnych końcówek pomiarowych. W chwilach, kiedy nie są one bezpośrednio wykorzystywane do pomiarów, najlepiej jest je podłączyć do wyjścia generatora częstotliwości modulującej Gm. W ten sposób można na bieżąco kontrolować poziom sygnału modulującego oraz jego częstotliwość. Podczas przestrajania generatora (zmiany częstotliwości) zmianie ulega także poziom sygnału wyjściowego zawsze najpierw należy ustawić częstotliwość, a dopiero później amplitudę. Dla szybszej identyfikacji końcówek kabli pomiarowych wprowadzono rozróżnienie kabli kolorami. Podłącz do PO kabel żółty do kanału pierwszego CH1, a kabel zielony na do kanału drugiego CH2. Takie podłączenie odpowiada kolorom przebiegów na ekranie komputera. Pod żadnym pozorem nie należy upraszczać ćwiczenia i próbować wykonywać pomiarów jednocześnie z kilku punktów instrukcji. Jest to najszybsza droga do pomyłki w identyfikacji przebiegów, co skutkuje odrzuceniem sprawozdania. W nawiasach klamrowych {} podane są ustawienia podstawowych parametrów przyrządu pomiarowego odnoszą się do przyrządu powołanego przed nawiasami. 6. Przebieg ćwiczenia Modulator ASK (OOK - On Off Keyed) 6.1 Zapoznaj się z budową stanowiska laboratoryjnego. Zidentyfikuj wszystkie przyrządy i moduły pomiarowe. Określ poszczególne bloki funkcjonalne modułów pomiarowych. 6.2 Podłącz do przystawki oscyloskopowej PO kabel żółty do kanału pierwszego CH1, a kabel zielony do kanału drugiego CH2. Takie podłączenie odpowiada kolorom przebiegów na ekranie komputera. 6.3 Zlokalizuj w module KL-94005 układ modulatora ASK, zbudowany na układzie U1. Usuń w całym module wszystkie zwory. 6.4 Na generatorze modulującym Gm ustaw sygnał modulujący TTL o częstotliwości 1 khz. Podaj ten sygnał na wejście VD Signal In modulatora ASK. 6.5 W to samo miejsce podłącz kanał pierwszy CH1 (kabel żółty) przystawki PO. Ustaw poziom wyzwalania, by zapewnić odświeżanie przebiegu. {tryb DSO; T/D = 0,5 ms; CH1 V/D = 2 V/dz; CH2 V/D = 1 V/dz; wyzwalanie ON CH1}. 15
6.6 Na generatorze nośnym Gz ustaw sygnał nośny sinusoidalny o częstotliwości 500 khz i napięciu 4 Vpp. Podaj ten sygnał na wejście VC Carrier In modulatora ASK. 6.7 Podaj na kanał drugi CH2 (kabel zielony) sygnał z wyjścia VT Out modulatora ASK. {tryb DSO; T/D = 0,5 ms; CH1 V/D = 2 V/dz; CH2 V/D = 0,5 V/dz; wyzwalanie ON CH1} Powoli i delikatnie wyreguluj ustawienie potencjometru VR1 w taki sposób, by na wyjściu VT Out modulatora ASK ustawić sygnał o minimalnej amplitudzie i szumach. Zapoznaj się z kształtem przebiegów, zmieniając wartość podstawy czasu T/D do wartości pozwalającej na identyfikację sygnału zmodulowanego (na ekranie ma być widoczna pulsująca zmiana przebiegu modulującego). Ustaw wartość podstawy czasu T/D = 2 s. Włącz markery częstotliwości i napięcia. Zatrzymaj odświeżanie przebiegu klawiszem Single. Przesuń przebieg w taki sposób, by na środku ekranu znalazło się zbocze opadające sygnału modulującego. Zmierz częstotliwości i amplitudy sygnału odpowiadającego stanowi niskiemu (logiczne 0) i wysokiemu (logiczne 1) sygnału TTL (modulującego). Za każdym razem zapisuj przebieg z ustawionymi markerami. Jaka jest zależność między sygnałem modulującym a zmodulowanym ASK? Jak działa modulator ASK? 6.8 Włącz odświeżanie przebiegu. Wyłącz OFF wyzwalanie. Przełącz przystawkę oscyloskopową PO w tryb FFT. Włącz kanał drugi CH2. Włącz markery częstotliwości i napięcia. {FR = 0,8 MHz; x1} Wykorzystując marker częstotliwości upewnij się, że oglądasz właściwy fragment widma marker ma wskazywać tą samą częstotliwość, co miernik częstotliwości MCZ. Popatrz na widmo sygnału. Jaka jest charakterystyka widmowa sygnału ASK? Modulator ASK 6.9 Powtórz pomiary i obserwacje od p. 6.4 do 6.8 dla sygnału modulującego 10 khz. Wcześniej wyreguluj ustawienie potencjometru VR1 w taki sposób, by na wyjściu VT Out modulatora ASK ustawić sygnał o maksymalnej amplitudzie. Jaka jest różnica w modulacji ASK OOF i ASK? Jaka jest różnica w widmie obydwu sygnałów? Modulator FSK 6.10 Zapoznaj się z budową stanowiska laboratoryjnego. Zidentyfikuj wszystkie przyrządy i moduły pomiarowe. Określ poszczególne bloki funkcjonalne modułów pomiarowych. 6.11 Podłącz do przystawki oscyloskopowej PO kabel żółty do kanału pierwszego CH1, a kabel zielony do kanału drugiego CH2. Takie podłączenie odpowiada kolorom przebiegów na ekranie komputera. 16
6.12 Do wejścia A miernika częstotliwości MCZ podłącz kabel czerwony. 6.13 Zlokalizuj w module KL-94003 układ modulatora FSK, zbudowany na układzie NE566. Wejście I/P modulatora FSK połącz z wyjściem napięcia stałego 5 V DC zasilacza ZS. 6.14 Podłącz miernik częstotliwości MCZ do punktu T1 (pin nr 3 układu NE566) modulatora FSK. Ustaw wartość tłumika na A-AAT = x20. Z uwagi na małe wartości częstotliwości i wymaganą precyzję ustawienia korzystaj z funkcji pomiaru okresu, a nie częstotliwości. {GATE TIME = 0,01s; A. PERI} W to samo miejsce podłącz kanał pierwszy CH1 (kabel żółty) przystawki oscyloskopowej PO {tryb DSO; T/D = 0,2 ms; V/D = 2 V/dz; wyzwalanie ON CH1}. Ustaw poziom wyzwalania, by zapewnić odświeżanie przebiegu. Delikatnie i powoli wyreguluj ustawienie potencjometru VR2, w taki sposób, by w punkcie T1 modulatora uzyskać przebieg o częstotliwości 1070 Hz (czyli 934,58 s). Zapoznaj się z kształtem przebiegu. 6.15 Podaj na kanał pierwszy CH1 sygnał z wyjścia O/P modulatora FSK. Zapoznaj się z kształtem przebiegu. Wyłącz wyzwalanie. Przełącz przystawkę oscyloskopową PO w tryb FFT. Włącz markery częstotliwości i napięcia. {FR = 4 khz; x4} Wykorzystując marker częstotliwości upewnij się, że oglądasz właściwy fragment widma marker ma wskazywać tą samą częstotliwość, co miernik częstotliwości MCZ. Popatrz na widmo sygnału. Jaka jest jego charakterystyka widmowa? 6.16 Przełącz przystawkę oscyloskopową PO w tryb DSO. Włącz kanał pierwszy CH1 i na nim włącz wyzwalanie ON CH1. Na kanał drugi CH2 podaj sygnał z punktu T1 modulatora FSK. {tryb DSO; T/D = 0,5 ms; CH1 V/D = 2 V/dz; CH2 V/D = 2 V/dz; wyzwalanie ON CH1} Przesuń sygnał kanału drugiego CH2 w taki sposób, by jego dowolny charakterystyczny punkt pokrył się z przebiegiem na kanale pierwszym CH1. Przy pomocy markerów częstotliwości określ częstotliwość sygnału w punkcie T1 i na wyjściu O/P modulatora FSK. Jaki jest pomiędzy związek pomiędzy tymi sygnałami? Jaki proces zachodzi w części układu modulatora FSK pomiędzy punktem T1 a wyjściem O/P? 6.17 Wyłącz kanał drugi CH2. Wejście I/P modulatora FSK połącz z wyjściem masy GND zasilacza ZS. Przełącz przystawkę oscyloskopową PO w tryb DSO. Włącz kanał pierwszy CH1 i na nim włącz wyzwalanie ON CH1. {tryb DSO; T/D = 0,2 ms; CH1 V/D = 2 V/dz; wyzwalanie ON CH1} Ponownie podaj na niego sygnał z punktu T1 modulatora FSK. Delikatnie i powoli wyreguluj ustawienie potencjometru VR1 (nie zmieniaj ustawienia potencjometru VR2!!!), w taki sposób, by w punkcie T1 modulatora uzyskać przebieg o częstotliwości 1270 Hz (czyli 787 s). Zapoznaj się z 17
kształtem przebiegu. 6.18 Podaj na kanał pierwszy CH1 sygnał z wyjścia O/P modulatora FSK. Zapoznaj się z kształtem przebiegu. Wyłącz wyzwalanie. Przełącz przystawkę oscyloskopową PO w tryb FFT. Włącz markery częstotliwości i napięcia. {FR = 4 khz; x4} Wykorzystując marker częstotliwości upewnij się, że oglądasz właściwy fragment widma marker ma wskazywać tą samą częstotliwość, co miernik częstotliwości MCZ. Ustaw główny prążek na środku ekranu. Popatrz na widmo sygnału. Jaka jest jego charakterystyka widmowa? Nie zmieniając żadnych innych ustawień połącz z powrotem wejście I/P modulatora FSK z wyjściem napięcia stałego 5 V DC zasilacza ZS. Jaka jest różnica w widmie sygnału wyjściowego modulatora FSK dla dwóch różnych wartości napięcia stałego na wejściu I/P? Jaki parametr decyduje o zmianie w sygnale wyjściowym? 6.19 Odłącz napięcie stałe od wejścia I/P modulatora FSK. Podłącz do wyjścia TTL generatora (lewy w module KL-92001) częstotliwości modulującej Gm miernik częstotliwości MCZ w funkcji pomiaru okresu. Wyłącz tłumik. {GATE TIME = 0,01s; A. PERI; A-AAT = x1} Ustaw sygnał modulujący o częstotliwości f m = 200 Hz, czyli 5000 s. Podaj ten sygnał na wejście I/P modulatora FSK oraz na kanał drugi CH2 przystawki oscyloskopowej PO. Przełącz przystawkę oscyloskopową PO w tryb DSO. Włącz kanał drugi CH2 ustaw na nim wyzwalanie. 6.20 Na kanał pierwszy CH1 przystawki oscyloskopowej PO podaj sygnał z punktu T1 modulatora FSK. {tryb DSO; T/D = 0,5 ms; CH1 V/D = 2 V/dz; CH2 V/D = 2 V/dz; wyzwalanie ON CH2} Klikając na klawisz Single zatrzymaj odświeżanie przebiegu w taki sposób, by zbocze narastające lub opadające impulsu TTL na kanale drugim CH2 wypadło możliwie jak najbliżej środka ekranu. Wykorzystaj markery okresu i określ częstotliwość sygnału FSK w punkcie T1 dla poziomu niskiego (logiczne 0) i wysokiego (logiczna 1) wejściowego sygnału TTL. Jakie są te częstotliwości? Jaki jest ich związek z pomiarami i ustawieniami dokonanymi podczas podawania na wejście I/P modulatora napięcia stałego? 6.21 Przełącz kanał pierwszy CH1 na wyjście O/P modulatora FSK. {tryb DSO; T/D = 0,5 ms; CH1 V/D = 2 V/dz; CH2 V/D = 2 V/dz; wyzwalanie ON CH2} ponownie klikając na klawisz Single zatrzymaj odświeżanie przebiegu w taki sposób, by zbocze narastające lub opadające impulsu TTL na kanale drugim CH2 wypadło możliwie jak najbliżej środka ekranu. Wykorzystaj markery okresu i określ częstotliwość sygnału FSK na wyjściu O/P modulatora FSK dla poziomu niskiego (logiczne 0) i wysokiego (logiczna 1) wejściowego sygnału TTL pomiaru można dokonać jedynie dla impulsów mieszczących się w czasie trwania określonego stanu! Jakie są te 18
częstotliwości? Jaki jest ich związek z pomiarami i ustawieniami dokonanymi podczas podawania na wejście I/P modulatora napięcia stałego? Jak działa układ modulatora FSK? 6.22 Powtórz pomiary od p. 6.10 do p. 6.12 dla sygnału modulującego o częstotliwości f m = 400 Hz, czyli 2500 s. {tryb DSO; T/D = 0,2 ms; CH1 V/D = 2 V/dz; wyzwalanie ON CH1} Dlaczego określenie częstotliwości odpowiadających poszczególnym stanom logicznym jest tutaj trudniejsze niż poprzednio? 6.23 Zwiększaj częstotliwość sygnału modulującego aż określenie częstotliwości odpowiadających poszczególnym stanom logicznym przestanie być możliwe. Kiedy modulator FSK działa poprawnie, a kiedy nie? Jaka jest wartość częstotliwości granicznej? 7. Wykonanie sprawozdania Nie należy umieszczać w sprawozdaniu podstaw teoretycznych, ani opisów stanowiska laboratoryjnego. Sprawozdanie musi zawierać wszystkie wyniki pomiarów i wszystkie zarejestrowane przebiegi, prezentowane wg kolejności ich wykonania. Każdy wynik i przebieg musi być opatrzony numerem punktu instrukcji wg, którego został zarejestrowany. Każdy przebieg musi być opatrzony opisem, wyjaśniającym, co przedstawia i gdzie (miejsce układu pomiarowego) został zarejestrowany. W sprawozdaniu muszą się znaleźć odpowiedzi na wszystkie postawione w instrukcji pytania, ponumerowane wg punktów, w których zostały postawione. Zarówno opisy, jak i odpowiedzi, mają być zwięzłe, ale przedstawione pełnymi zdaniami. Wnioski powinny zawierać podsumowanie przeprowadzonych pomiarów. Szczególny nacisk należy położyć na zaprezentowanie różnic i podobieństw pomiędzy wynikami pomiarów i obserwacji w zależności od zmian częstotliwości sygnałów na wejściu modulatora ASK. 19
8. Literatura Wesołowski K., Podstawy cyfrowych systemów telekomunikacyjnych, WKŁ 2003, Read R., Telekomunikacja, WKŁ 2000, Dąbrowski A., Dymarski P., Podstawy transmisji cyfrowej, PW 2004, Haykin S., Systemy telekomunikacyjne, WKiŁ 2004. 20