Politechnika Warszawska Wydział Elektryczny Laboratorium Teletechniki Skrypt do ćwiczenia T.9 Wpływ szumu na kluczowanie fazy ()
. Wpływ szumu na kluczowanie fazy () Ćwiczenie ma na celu wyjaśnienie wpływu szumów na proces kluczowania fazy () oraz porównanie odporności na zakłócenia sygnałów z ASK i FSK.. Część teoretyczna Wstęp W binarnym kluczowaniu fazy sinusoidalny przebieg o ustalonej amplitudzie i częstotliwości jest używany do reprezentowania binarnych sygnałów (0 i logicznej). Kiedy sygnał danych zmienia stan, faza sygnału nośnego zmienia się o 80. Jest to równoważne ze zmianą polaryzacji sygnału nośnego. Sygnały reprezentujące oba możliwe stany danych mają właściwie ten sam kształt i amplitudę, ale różnią się polaryzacją. Taki typ sygnałów nazywany jest sygnałem antypodalnym. Sygnały antypodalne zapewniają najlepszą z możliwych wydajność przesyłania danych w warunkach zakłóceń, ponieważ aby uzyskać daną różnicę amplitudy między dwoma stanami sygnału, wymagana jest mniejsza moc transmisji sygnału w porównaniu z innymi sygnałami. Można to wyjaśnić porównując dwa typy sygnałów NRZ, z których jeden jest antypodalny. Na rysunku. został pokazany unipolarny (jednobiegunowy) sygnał NRZ i równoważny, bipolarny (dwubiegunowy) sygnał danych NRZ. Jak można zauważyć na rysunku.a amplituda sygnału unipolarnego wynosi A lub 0 (sygnał ten nie jest antypodalny), a w przypadku równoważnego sygnału bipolarnego A/2. A A/2 0 a) Unipolarny sygnał NRZ (nie antypodalny) Próg +A/2 0 Próg -A/2 b) Bipolarny sygnał NRZ (antypodalny) Rysunek.. Porównanie unipolarnego i bipolarnego sygnału NRZ Jednobiegunowy sygnał może zostać wykryty przez porównanie go z ustalonym progiem leżącym np. w połowie jego amplitudy (A/2). W tym przypadku zakłócenia występujące w sygnale, mające chwilową amplitudę o wartości równej lub większej od A/2 mogą stać się przyczyną powstawania błędów w transmisji. Na rysunku. (b) przedstawiony jest bipolarny sygnał NRZ, którego amplitudy wynoszą: +A/2 i A/2. Jest to sygnał antypodalny. Różnica między tymi amplitudami wynosi A i jest równa amplitudzie sygnału unipolarnego. Z tego też względu wymagany poziom szumów, który może spowodować powstanie błędów w transmisji danych jest taki sam jak dla sygnału unipolarnego. Prawdopodobieństwo wystąpienia błędów w transmisji dla tego sygnału jest również takie samo jak dla sygnału unipolarnego. Sygnał antypodalny ma jednak jedną przewagę nad sygnałem unipolarnym: wymaga mniejszej mocy do transmisji. Wyliczając skuteczną wartość napięcia i mocy dla obu sygnałów mamy: unipolarny sygnał NRZ: U = A/ 2 [.] P = A 2 /(2Z) [.2] 2
bipolarny sygnał NRZ: U = A/2 [.3] P = A 2 /(4Z) gdzie, [.4] A amplituda sygnałów, Z impedancja, U wartość skuteczna napięcia, P moc sygnału. Z powyższych zależności wynika, że sygnał antypodalny wymaga dwa razy mniejszej mocy niż sygnał nieantypodalny, nawet jeśli sygnały te charakteryzują się takim samym prawdopodobieństwem wystąpienia błędów w trakcie transmisji. Gdyby sygnały te miały taką samą moc, większy poziom szumów byłby wymagany do powstania błędów w trakcie transmisji dla sygnałów antypodalnych, co świadczy o lepszej odporności tych sygnałów na zakłócenia. Porównanie to jest prawdziwe dla antypodalnych sygnałów i nieantypodalnych sygnałów ASK. Przy kluczowaniu amplitudy logiczna jest reprezentowana przez sinusoidalną falę nośną o ustalonej amplitudzie A, natomiast 0 logiczne jest reprezentowane przez brak transmisji fali nośnej na czas trwania danego bitu (reprezentującego 0 logiczne). Stosunkowo mała wartość mocy szumów jest wymagana do takiej zamiany amplitudy sygnału, by spowodować błąd w transmisji. Rysunek.2. Teoretyczna wydajność sygnałów ASK,FSK i w zakłóceniach 3
W przypadku amplituda jest stała, a zmianie ulega faza sygnału. Zmiana polaryzacji reprezentuje 0 i logiczną. Błąd transmisji występuje tylko wtedy gdy poziom szumów (chwilowa wartość amplitudy sygnału szumów) będzie w stanie zmienić chwilowo polaryzację otrzymanego sygnału. Dla transmisji wymagany jest więc większy poziom szumów, by wystąpił błąd niż dla ASK. Na rysunku.2 przedstawiono teoretyczną wydajność sygnałów ASK, FSK i w przypadku transmisji danych w obecności zakłóceń, dla średniej mocy tych sygnałów. Z rysunku widać, że sygnały są teoretycznie bardziej odporne na zakłócenia (o 3 db) niż koherentne sygnały ASK i FSK. Oznacza to, że otrzymane prawdopodobieństwo wystąpienia błędów w transmisji jest o połowę mniejsze od prawdopodobieństwa wystąpienia błędów w ASK i FSK. Modemy FSK wykorzystywane w poprzednich ćwiczeniach (4,5,6,7) są typu niekoherentnego. Różnica w stopniu odporności na zakłócenia pomiędzy koherentnymi modemami, a niekoherentnymi FSK wynosi około 4 db. Jednak modemy, ze względu na urządzenia niezbędne do demodulacji są bardziej kosztowne niż modemy innych typów. Modemy ze względu na lepsze parametry (np. mniejsze prawdopodobieństwo wystąpienia błędów) są szeroko stosowane w technice wojskowej i handlu..2 Część praktyczna Opis ćwiczenia Ćwiczenie polega na sprawdzeniu odporności sygnałów na zakłócenia. Na Rysunku.3 zostały pokazane elementy wykorzystywane w ćwiczeniu. Składają się na nie: - Zasilacz/Dwukanałowy Wzmacniacz Audio (ang. Power Supply/ Dual Audio Amplifier) - Dwukanałowy Funkcji ( DFG ang. Dual Function ) - Licznik Częstotliwości (ang. Frequency Counter) - Cyfrowy System Obudowy (ang. Digital System Enclosure)(2) - Sygnału go ( CG ang. Clock ) - Przypadkowego (losowego) Kodu Binarnego ( PRBSG ang. Pseudo-Random Binary Sequence ) - Synchroniczny Audio (ang. Synchronous Audio ) - Przerywacz Sygnału / (ang. Signal Interruptor/Selector) - Modulator - Demodulator - Oscyloskop - Wirtualny Interfejs Aparatury Pomiarowej (ang. Virtual Test Equipment Interface) - Filtr Dolnoprzepustowy (ang. Lowpass Audio Filter)(2) - Woltomierz RMS (ang. True RMS Woltmeter) - RF/ Zakłóceń ( NG ang. RF/Noise ) - Filtr Pomiaru Zakłóceń (Filtr NMF - ang. Noise Measurement Filters) - Miernik Poziomu Błędu Bitowego (ang. Bit Error Rate Indicator) W układzie zakłócenia generowane są przez Szumów. Pasmo zakłóceń jest ograniczane do 3kHz przez Filtr LAF. Talie ograniczenie powoduje, że szerokość pasma sygnału szumów jest w przybliżeniu taka sama jak efektywna szerokość pasma demodulatora. W takim przypadku poziom zakłóceń może być zmierzony bezpośrednio przy użyciu Woltomierza RMS. PRBSG wytwarza sygnał danych, który jest dostarczany do wejścia danych modulatora. W Filtrze Pomiaru Zakłóceń (Filtr NMF - ang. Noise Measurement Filters) zakłócenia dodawane są do sygnału danych pochodzącego z modulatora. Demodulator demoduluje zakłócony sygnał. Miernik 4
Poziomu Błędu Bitowego (ang. Bit Error Rate Indicator) porównuje odzyskany sygnał danych (sygnał ten jest nieznacznie opóźniony) z oryginalnym sygnałem danych i określa liczbę błędów w transmisji, które występują w określonym przedziale czasu. Demodulator działa na zasadzie wstępnej regeneracji sygnału nośnego i następnie porównuje ten sygnał z otrzymanym sygnałem. Odebrany sygnał nośny jest w fazie albo w przeciwfazie do oryginalnego sygnału nośnego ze względu na dwuznaczność. Jeśli odzyskany sygnał nośny jest w przeciw fazie do oryginalnego sygnału nośnego to zrekonstruowany sygnał danych należy odwrócić o 80. Można dokonać tego przy użyciu przycisku INVERT w demodulatorze. Podczas demodulacji Pętla Costasa synchronizuje się do jednej z dwóch faz odebranego sygnału. Nadmierna ilość zakłóceń w odebranym sygnale może spowodować chwilowe rozsynchronizowanie Pętli Costasa. W momencie kiedy Pętla Costasa jest ponownie synchronizowana, może zostać zsynchronizowana do innej fazy sygnału niż poprzednio. W takim przypadku zregenerowany sygnał nośny zmieni fazę, a sygnał danych będzie odwrócony. Niestety, w takim przypadku Miernik Poziomu Błędu Bitowego będzie interpretował cały otrzymany sygnał jako błąd, do momentu gdy sygnał danych nie zostanie ponownie odwrócony. Z tego powodu sygnały na wejściach: testowym i danych odniesienia Miernika Poziomu Błędu Bitowego będą w trakcie ćwiczenia monitorowane na oscyloskopie podczas pomiaru występowania błędów. W momencie kiedy sygnał danych testowych jest odwrócony należy przy pomocy przycisku INVERT, który znajduje się na demodulatorze dokonać inwersji tego sygnału i zignorować następny odczyt z Miernika Poziomu Błędu Bitowego. Poziom zakłóceń wymagany do rozsynchronizowania Pętli Costasa w czasie pracy jest tak wysoki, że w normalnych warunkach eksploatacyjnych problem ten nie występuje. Szumów Szumów Audio Filtr LAF Licznik Częstotliwości Audio Woltomierz RMS Sygnału go B Filtr FDP Demodulator Danych Test Miernik Poziomu Błędu Synchroniczny Audio Danych Modulator Modulatora Fazy Punkty Testowe Sygna odniesienia Dzielnika PRBS PRBSG Opóźniające Opóźniające Wejścia Przerywacz Sygnału/ 2 Oscyloskop Rysunek.3. Schemat układu do obserwowania wpływu zakłóceń na sygnał 5