 |
Краткие теоретические сведения.
|
|
|
|
В любой системе связи необходимо позволять совместное использование канала связи несколькими пользователями для эффективного распределения ресурсов. Давно известный метод разделения "радиоволн" в различных системах телекоммуникаций позволяет каждому пользователю эксклюзивный и непрерывный доступ к несущей частоте, на которой передается его информация (с применением амплитудной (AM) или частной (FM) модуляции). Этот методу известен как частотное уплотнение (Frequency division multiplexing - FDM), и он наверняка знаком вам, даже если вы не знаете этого названия.
Другой метод коллективного использования канала называется временным уплотнением (Time division multiplexing - ТDМ), и заключается в поочередном выделении пользователям эксклюзивного доступа ко всему спектру канала (или только несущей, когда временное уплотнение используется одновременно с частотным), но на очень короткий промежуток времени (много меньше секунды). Если предоставление коротких интервалов времени эксклюзивного доступа происходит достаточно часто, всем пользователям кажется, будто они имеют непрерывный доступ к каналу.
Временное уплотнение прекрасно подходит для цифровых систем связи. Поэтому, раз в системах телекоммуникаций используется импульсно-кодовая модуляция (РСМ), было естественно объединить эти два метода. Комбинация РСМ-ТDМ широко распространена, и, используемая в системе с несколькими узлами, носит название множественный доступ с временным разделением каналов (Time division multiple Аccess - ТDМА)
Чтобы разобраться, как это работает, давайте вкратце вспомним ИКМ -кодирование и декодирование. Вспомните, что ИКМ - кодер дискретизирует аналоговые сигналы и преобразует их в двоичный код. Далее двоичные числа последовательно передаются в виде кадров, которые обычно содержат добавочный бит (или биты) для кадровой синхронизации. ИКМ-декодер использует информацию о кадровой синхронизации, чтобы определить начало каждого нового кадра, после чего преобразует двоичные коды на входе в соответствующие значения напряжения (или тока). На выходе ИКМ - декодера получаем "ступенчатую" ("дискретизированную") версию оригинального сообщения, которая, если вы помните, состоит из копии сообщения плюс побочные составляющие. Чтобы восстановить сигнал, побочные составляющие необходимо отфильтровать.
|
|
|
Превратить ИКМ - систему в систему PCM-TDM относительно легко (по крайней мере, легко это описать). Если считать ИКМ - кадры временными промежутками, когда возможен ввод данных, то эти промежутки можно разделить между двумя или более пользователями, вместо того, чтобы предоставлять их только одному. Если пользователей два, то каждый из них получает доступ поочередно, к временному промежутку каждого второго кадра. Очевидно, если пользователей три, у каждого будет доступ к каждому третьему кадру, и так далее.
Хотя идея довольно проста, но за ее реализацию приходится платить. Если тактовая частота системы остается прежней, при разделении кадров между двумя пользователями каждому придется дискретизировать аналоговый входной сигнал с меньшей частотой, чем когда в системе только один пользователь. Подумайте, в самом деле, если пользователь имеет доступ ко всем кадрам, он может дискретизировать аналоговый входной сигнал с определенной частотой. Однако нет смысла проделывать это с той же частотой, если пользователь имеет доступ только к каждому второму кадру или еще реже. Важно отметить, что дискретизация на меньших частотах вызывает риск наложения спектра.
Порядок выполнения работа.
|
|
|
Настройка ИКМ кодера.
До начала экспериментов по временному уплотнению сигналов с использованием импульсно-кодовой модуляции необходимо собрать одноканальную систему ИКМ – кодирования - декодирования.
8.1.2. Убедитесь, что питание NI ELVIS выключено, выключатель расположен на задней стенке устройства.
8.1.3. Осторожно вставьте модуль расширения Emona FOTEx в NI ELVIS.
8.1.4. Вставьте крепежные винты для фиксации модуля Emona FOTEx в NI ELVIS II.
Примечание: Для предотвращения повреждения FOTEx эти действия должны выполняться при выключенном питании.
8.1.5. Подключите NI ELVIS II к ПК при помощи кабеля USB.
Примечание: Это может быть уже сделано.
8.1.6. Включите питание NI ELVIS II, выключатель расположен на задней стенке устройства, затем включите питание макетной платы, этот выключатель расположен в правом верхнем углу рядом с индикатором питания.
8.1.7. Включите компьютер и дайте ему загрузиться.
8.1.8. Запустите программу NI ELVISmx.
8.1.9. Установите переключатель режимов Mode ИМК - декодера в положение РСМ.
8.1.10. Соберите схему, показанную на рисунке 1.
Выполненные соединения можно представить блок-схемой, изображенной на рисунке 2. Сигнал с выхода 2 kHz SINE генератора опорных сигналов (Master Signals) подает аналоговый сигнал сообщения на вход ИКМ - кодера. ИКМ -кодер преобразует сообщение в цифровой ИКМ - сигнал, который ИКМ-декодер далее преобразует в дискретизированную версию оригинального сигнала. ФНЧ с частотой среза 3 кГц испольузется, как восстанавливающий фильтр (также известный как антиалиазинговый фильтр) для восстановления исходного сообщения из выходного сигнала ИКМ - декодера.
| PCM Encoding - ИКМ кодирование: Master Signals - генератор опорных сигналов, Message To СИ 0 - сообщение к каналу О, IN - вход сигнала сообщения, CLK - вход синхронизации, PCM Decoding - ИКМ декодирование: PCM data - ИКМ сообщение, CLK - сигнал битовой синхронизации с ИКМ кодера. Reconstruction - восстановление: 3 kHz LPF - ФНЧ с частотой среза 3 кГц, Recovered message То СН 1 - восстановленное сообщение к каналу 1 |
8.1.11. Запустите ВП осциллографа NI ELVIS II.
8.1.12. Настройте осциллограф в соответствии с инструкцией, приведенной в лабораторной работе № 4 (стр.35).
8.1.13. Установите настройку Timebase (Масштаб по оси времени)таким образом, чтобы видеть на экране примерно два цикла сообщения.
|
|
|
8.1.14. Активируйте канал 1 осциллографа, чтобы наблюдать восстановленное фильтром сообщение.
Примечание: Вы должны увидеть копию оригинального сигнала, скорее всего, сдвинутую по фазе.
Попросите преподавателя проверить результаты вашей работы, прежде чем продолжить эксперимент.
8.2. Реализация полностью двухканальной системы PCM-TDM.
Модули ИКМ-кодер и ИКМ-декодер Emona FOTEx разработаны с возможностью работы в режиме PCM-TDM. В этой части эксперимента вы подключите к собранной системе второй аналоговый сигнал и активируете режим PCM-TDM модулей, чтобы смоделировать простую телекоммуникационную систему множественного доступа с временным разделением каналов (ТОМА).
8.2.1. Запустите виртуальный прибор NI ELVIS II Function Generator (Генератор функций).
8.2.2. Настройте функциональный генератор с помощью виртуальных элементов управления для получения сигнала со следующими параметрами:
▪ Wave shape (Форма сигнала): Sine (Синусоидальная)
▪ Frequency (Частота): 500 Гц
▪ Amplitude (Пиковая амплитуда): 4В
▪ DC Offset (Смещение по постоянному току): 0В
8.2.3. Измените схему, как показано на рисунке 3.
8.2.4. Установите переключатель режимов Mode ИКМ-кодера в положение TDM.
8.2.5. Выполненные соединения можно представить блок-схемой, изображенной на рисунке 4. Синусоида частотой 2 кГц (Сообщение 1) поступает с генератора опорных сигналов на вход 1 (INPUT1) ИКМ - кодера, а синусоида частотой 500 Гц (Сообщение 2) поступает с генератора функций на вход 2 (INPUT 2) ИКМ - кодера. ФНЧ с частотой среза 1 кГц используется для восстановления исходного сообщения на выходе 2 (OUTPUT 2) ИКМ - декодера. Теперь система кодирует, передает, декодирует и восстанавливает вместо одного два аналоговых сигнала с использованием метода PCM-TDM.
PCM Encoding - ИКМ кодирование: Function Generator - генератор функций,
Message-1 To CH 0 - сообщение 1 к каналу 0, IN 1 - вход сигнала сообщения 1, IN 2 - вход сигнала сообщения 2, CLK - вход синхронизации, РСМ Decoding - ИКМ декодирование: РСМ data - ИКМ сообщение, PCM-TDM data - данные PCM-TDM, CLK - сигнал битовой синхронизации Reconstruction - восстановление: 1 kHz LPF - ФНЧ с частотой среза 1 кГц, Recovered message-1 То CH 1 - восстановленное сообщение 1 к каналу 1, Recovered message-2 - восстановленное сообщение 2
|
|
|
8.2.6. Убедитесь, что система все еще кодирует, декодирует и восстанавливает Сообщение 1.
Примечание: Вы увидите, что восстановленное Сообщение 1 теперь слегка искажено. Пока не обращайте на это внимания.
8.2.7. Измените подключение осциллографа, как показано на рисунке 5.
Выполненные соединения можно представить блок-схемой, изображенной на рисунке 6.
| PCM Encoding - ИКМ кодирование: Message-2 To CH 0 - сообщение 2 к каналу О, IN 1 - вход сигнала сообщения 1, IN 2 - вход сигнала сообщения 2, CLK - вход синхронизации? PCM Decoding - ИКМ декодирование: PCM data - ИКМ сообщение, РСМ-ТDМ data - данные РСМ-ТDМ, CLK - сигнал битовой синхронизации, Reconstruction - восстановление: Recovered message-1 То СИ 1 - восстановленное сообщение 1, Recovered message-2 - восстановленное сообщение 2 к каналу 1 |
8.2.8. Установите элемент управления осциллографа Timebase (Масштаб по
оси времени) в положение 500 мкс/дел.
8.2.9. Сравните оригинальное Сообщение 2 с его восстановленной версией.
Примечание: За исключением сдвига фаз, сигналы должны быть одинаковы.
Теперь давайте убедимся на слух, что на самом деле эти два сигнала различны.
Попросите преподавателя проверить результаты вашей работы, прежде чем продолжить эксперимент.
8.2.10. Измените схему в соответствии с рисунком 7.
8.2.11. Поверните виртуальный регулятор Gain коэффициента усиления усилителя Amplifier до упора против часовой стрелки, чтобы уменьшить усиление сигнала до минимума.
Не надевая наушников, подключите их в соответствующий разъем модуля усилителя.
8.2.12. Наденьте наушники.
8.2.13. Вращайте виртуальный регулятор коэффициента усиления Gain до тех пор, пока не добьетесь приемлемой слышимости восстановленного сообщения 2.
8.2.14. Переключите вход модуля усилителя с выхода ФНЧ 1 кГц на выход ФНЧ 3 кГц и прослушайте Сообщение 1.
Примечание: Теперь вы слушаете восстановленное Сообщение 1, и оно должно звучать на более высокой частоте.
Попросите преподавателя проверить результаты вашей работы, прежде чем продолжить эксперимент.
8.3. Временное уплотнение и частота дискретизации.
Как было упомянуто в предварительном обсуждении, временное уплотнение всегда подразумевает уменьшение частоты дискретизации ИКМ -системы. Например, при прочих равных условиях, частота дискретизации в двухканальной системе PCM-TDM будет в два раза меньше, чем в одноканальной РСМ - системе. Далее вы наглядно изучите эту особенность.
|
|
|
8.3.1. Установите переключатель режимов Mode ИКМ - кодера в позицию РСМ.
Примечание: это превратит РСМ - систему в одноканальную с частотой дискретизации 12500 Отсчетов/с.
8.3.2. Изменить подключение осциллографа, как показано на рисунке 8.
8.3.3. Установите элемент управления осциллографа Timebase (Масштаб по оси времени) в положение 100 мкс/дел.
Примечание: Теперь вы должны видеть оригинальное Сообщение 1 и его восстановленную копию.8.
8.3.4. Верните переключатель режимов Mode ИКМ-кодера в положение ТDМ.
Примечание: Это превратит систему PCM-TDM в двухканальную с частотой дискретизации 6250 Отсчетов/с.
Примечание 2: Обратите внимание, что восстановленная версия Сообщения 1 теперь искажена.
Совет: Если вы не уверены, как это сделать, прочитайте краткие теоретические сведения к лабораторной работе № 8.
8.3.5. Изменить подключение осциллографа, как показано на рисунке 9.
Выполненные соединения можно представить блок-схемой, изображенной на
рисунке 10.
| PCM Encoding - ИКМ кодирование: Message-1 To CH 0 - сообщение 1 к каналу 0, IN 1 - вход сигнала сообщения 1, IN 2 - вход сигнала сообщения 2, CLK - вход синхронизации, РСМ Decoding - ИКМ декодирование: РСМ data - ИКМ сообщение, PCM-TDM data - данные PCM-TDM, CLK - сигнал битовой синхронизации, "Stepped" message-1 То CH 1 - "Ступенчатое" сообщение 1 к каналу 1, Reconstruction - восстановление: Recovered message-1 - восстановленное сообщение 1, Recovered message-2 - восстановленное сообщение 2 |
8.3.6. Остановите осциллограф, щелчком по кнопке Stop (Стоп).
8.3.7. Запустите ВП Анализатора динамических сигналов NI ELVIS II.
8.3.8. Установите следующие настройки анализатора сигналов:
| Input Settings (Настройки входов) ▪ ▪ Source Channel (Канал источника сигнала) - в положение Scope CHI (Канал 1 Осциллографа) FFT Settings (Настройки быстрого преобразования Фурье - БПФ) ▪ Frequency Span (Диапазон частот) - 10,000 ▪ Resolution (Разрешение) - 400 • Window (Окно) - 7 Term В-Наrris (Блэкмана-Харриса 7-го порядка) Triggering (Запуск) ▪ Туре (Тип) - Edge (По фронту) Frequency Display (Режим отображения) ▪ Units (Масштаб) - dB (Логарифмический -дБ) | ▪ Scale - Auto (Автомасштабирование) ▪ Mode (Режим) - RMS (Среднеквадратический) ▪Voltage Range - ±10V (Диапазон напряжений - ±10 В) Averaging (Усиление) ▪ Mode (Режим) - RMS (средеквадратическое значение) ▪ Weighting (взвешивание) – Exponential (Экспоненциальное) ▪ # of Averages (выборок для усреднения)- 3 Cursor Settings (Настройки курсоров) ▪ Cursors On (курсоры включены) снимите флажок (пока) |
8.3.8. Воспользуйтесь курсорами, чтобы подтвердить ваш ответ на контрольный вопрос 1.
Попросите преподавателя проверить результаты вашей работы, прежде чем продолжить эксперимент.
Совет: Если вы не уверены, используйте анализатор спектра для изучения спектрального состава сигнала на выходе восстанавливающего фильтра.
Попросите преподавателя проверить результаты вашей работы, прежде чем завершить эксперимент.
9. Контрольные вопросы.
9.1. Какой модуль FOTEx осуществляет временное мультиплексирование цифровых данных?
9.2. Какой модуль FOTEx демультиплексирует цифровые данные?
9.3.Лишь по одному проводнику передаются данные с временным мультиплексированием. Попросите преподавателя подойти и покажите ему (ей) этот проводник.
9.4. Рассчитайте частоту побочной составляющей с самой низкой частотой на выходе ИКМ - декодера.
9.5. Объясните, как эта побочная составляющая вызывает наблюдаемое вами во временной области искажение.
9.6. Назовите три способа, позволяющих уменьшить это искажение, не отключая режим ТDМ ИКМ - кодера и ИКМ - декодера.
Лабораторная работа № 10
Линейное кодирование и восстановление сигнала битовой синхронизации
Цель работы.
1.1. Исследование временных диаграмм линейных кодов.
1.2. Исследование спектральных составляющих линейных кодов.
1.3. Исследование сигналов битовой синхронизации в линейных кодах.
1.4. Исследование восстановления сигналов битовой синхронизации в Emona FOTEx.
Литература.
2.1. Бэрри Дункан. Emona FOTEx. Руководство к лабораторному практикуму. Эксперименты с современными волоконно-оптическими системами связи для NITMELVIS I и II. - Австралия, 2009 (Перевод на русский язык: учебный центр «Центр технологий National Instruments» НГТУ Российский филиал корпорации National Instruments).
Подготовка к работе.
Подготовить бланк отчета.
3.1.1. Номер и наименование работы.
3.1.2. Цель и задачи работы.
3.1.3. Основное оборудование.
3.1.4. Схемы подключения приборов и модулей.
3.1.5. Таблицы с результатами измерений и временные диаграммы сигналов.
3.1.6. Выводы по результатам выполнения работы.
3.1.7. Ответить на контрольные вопросы.
3.2. Ответить на вопросы для допуска к работе.
3.2.1.Поясните принцип временного разделения каналов.
3.2.2. Назначение электронных ключей на передаче и приеме.
3.2.3. Назначение ФНЧ на передаче и приеме.
3.2.4. Теорема Котельникова (Найквиста).
3.2.5. Назначение генераторного оборудования.
3.2.6. Назначение передатчиков и приемников синхросигналов.
Основное оборудование.
4.1. Персональный компьютер с соответствующим установленным программным обеспечением
4.2. NI ELVIS II с USB-кабелем и блоком питания.
4.3. Модуль расширения Emona FOTEx для выполнения экспериментов.
4.4. Два проводника с разъёмами BNC - "банан" (2 мм).
4.5. Набор соединительных проводников с разъёмами типа "банан" (2 мм).
4.6. Стереонаушники.
Задание.
5.1. Изучить краткие теоретические сведения.
5.2. Исследовать временные диаграммы линейных кодов.
1.2. Исследовать спектральный состав линейных кодов.
1.3. Исследование сигналов битовой синхронизации в линейных кодах.
1.4. Исследование восстановления сигналов битовой синхронизации в Emona FOTEx.
Меры безопасности.
6.1. Соблюдайте меры безопасности при работе на ПК.
6.2. Соблюдайте меры безопасности при работе с оборудованием под напряжением питания 220В.
|
|
|
