1. KOMUNIKAČNÍ PŘIJÍMAČ, DRM SYSTÉM

Transkript

1 SYSTÉM Cíl měření 1) Sestavte systém digitálního rozhlasového vysílání DRM. Prozkoumejte možnosti přijímačů softwarových DReaM a Diorama a přijímače Morphy Richards. 1.1) Pro dvě nastavení systému proveďte měření minimálního odstupu signálu od šumu C/N _min a minimálního výkonu p _min, porovnejte vzájemně výsledky. 1.2) Proveďte kontrolní měření vyhodnocení vícecestného šíření. 1.3) Přijímejte skutečné vysílání rozhlasových stanic DRM. Sledujte především hodnoty bitového toku, použité modulace a SNR přijatého signálu. 2) Nepovinný bod: Zaposlouchejte se do rádiového provozu na různých kmitočtových pásmech. Sledujte vliv nastavení různých druhů analogových provozů (modulací) a různých hodnot šířky pásma mezifrekvenčních filtrů na reprodukci. Přístrojové vybavení pracoviště Komunikační přijímač AOR AR 5000 Přijímač AM/FM/DRM/T-DAB Morphy Richards Vektorový signálový generátor (VSG) Rohde & Schwarz SMU200A Přehledová anténa Diamond (25 MHz 1300 MHz) Drátová anténa (100 khz 30 MHz) Směšovač N Radio Systems DRM konvertor 02 Externí zvuková karta SoundBlaster Creative SB0270 Dva počítače sloužící jako modulátor a přijímač signálu DRM (Software: DreaM a Diorama) K bodu 1) DRM (Digital Radio Mondiale) je standard, který vytvořilo stejnojmenné konsorcium jako digitální náhradu analogového rozhlasového vysílání na dlouhých, středních a krátkých vlnách. Konsorcium DRM je společenství firem, které se zabývají výrobou rozhlasových programů, vysílacích technologií, rozhlasových přijímačů i vysílačů, provozovatelů rádií a výzkumných ústavů. Jejich společným zájmem bylo udržení komerčního rozhlasového vysílání v pásmu AM s kvalitou blízkou vysílání v pásmu VKV. Systém DRM používá modulaci OFDM, signál je přenášen pomocí velkého počtu nosných vln (88 až 458), podobně jako další pozemní (terestriální) systémy DVB-T a T-DAB. Každá dílčí nosná vlna využívá digitální modulaci QAM. Systém je navržen pro kanál s šířkou pásma 9 resp. 10 khz (připouští se též poloviční či dvojnásobná hodnota) a pro přenos nízkých užitečných datových toků (typicky okolo 20 kb/s). Relativně malá náročnost okamžitého zpracování signálu nabízí využití softwarového příjmu (ale i vysílání) v tomto systému. Logické kanály DRM FAC (Fast Access Channel) - kanál obsahující informace potřebné k nalezení služeb a k začátku dekódování. Nese kanálové parametry jako mód robustnosti, šířku pásma DRM signálu, délku prokládání buněk, typ modulace SDC a MSC, počet a typ služeb v logickém kanálu MSC. Oznamuje změnu parametrů. Je vždy modulován 4-QAM, přenosová rychlost je 180 b/s, používá se protichybové zabezpečení pomocí CRC. SDC (Service Description Channel) - kanál uvnitř multiplexu, který nese informace potřebné k dekódování jednotlivých služeb zahrnutých v multiplexu, opakuje se periodicky vždy na začátku superrámce. Nese informace o typu protichybového zabezpečení, sestavení 1/9 ZS ( )

2 VOLUME AM TUNE PHONE RVP LABORATORNÍ CVIČENÍ multiplexu, popis služeb v rámci MSC jako je typ audio kodeku, mono/stereo, alternativní zdroje stejného programu na jiných frekvencích (DRM nebo jiný systém: AM, DAB a FM), geografické informace, jazyk, čas a datum. Je modulován 4-QAM nebo 16-QAM, používá se protichybové zabezpečení pomocí CRC, bitový tok záleží na šířce pásma a typu modulace. MSC (Main Service Channel) kanál multiplexu, který zabírá největší část přenášeného rámce a obsahuje data všech přenášených služeb (zvuk a data). Je modulován 16-QAM nebo 64-QAM, obsahuje maximálně čtyři služby, bitový tok záleží na šířce pásma a módu robustnosti, běžně se pohybuje kolem 20 kb/s. Poznámky k měření Systém DRM Počítač s aplikací DReaM v módu vysílání D 10.7 khz Kom. přijímač AOR AR A E B R&S SMU200A Vector Signal Generator C Směšovač N Radio Systems DRM konvertor 02 F G D Počítač s nainstalovaným Přijímač softwarovým přijímačem Morphy Richards Diorama a DReaM H A: výstup zvukové karty B: vstup IQ složek (modulační signál) C: RF výstup generátoru VSG D: anténní vstup přijímače E: MF výstup kom. přijímače (10.7 MHz) F: vstup směšovače (10.7 MHz) G: výstup směšovače (12 khz) H: vstup zvukové karty Počítač s nainstalovanými přijímači Diorama a DRreaM Obr. 1: Schéma systému DRM Nastavení PC (LAB 436 No 2) s aplikací DReaM v módu vysílání Spusťte DReaM.exe -t (zástupce DReaM-Tx). Vstupní zvuková karta: Settings Sound Card Selection Sound In C-Media. Výstupní zvuková karta: Settings Sound Card Selection Sound Out USB. Zvolte výstup I/Q složek v základním pásmu: IQ (pos); IF 0 Hz. Nastavte odpovídající modulační parametry pro požadované nastavení systému podle bodů 1.1 a 1.2. V kanále MSC je možno přenášet zvukový signál: Audio Enable, na vstup zvukové karty je nutno přivést zvukový signál (též je možno využít rozhlasových stanic vysílajících přes internet). Spusťte modulaci: Start. 2/9 ZS ( )

3 Nastavení VSG Zapnutý VF signál: RF/A Mod On, Aktivovaný IQ modulátor: I/Q Mod On, Internal Baseband I/Q In, Modulační vstup: BB Input Baseband Input Settings Analog Input State On, Auto Level Set (automatické nastavení zesílení signálu IQ složek), Šum pro (bod 1.1): AWGN Additive Noise State On, System Bandwidth podle skutečné šířky DRM signálu odpovídající požadovanému nastavení, C/N = 25 db, Vícecestné šíření (pro bod 1.2): Fading Fading Setting State On, Path Table zobrazí se nastavení jednotlivých cest, k dispozici jsou čtyři banky a v každé v nich pět dílčích cest, pro simulované cesty šíření užívejte vždy pouze jednu dílčí cestu v odlišných bankách, cesty se de/aktivují: State Off/On, volte: Profile Static Path, Path Loss podle požadovaného vzájemného útlumu (db), Basic Delay podle požadovaného vzájemného zpoždění (µs), Kmitočet nosné vlny f c = 2,3 MHz, Hodnota výkonu výstupního signálu např. -60 dbm. Obr. 2: Kopie obrazovky VSG, parametry nastavujte dle textu, obrázek je pouze ilustrativní Nastavení komunikačního přijímače Přijímač japonské firmy AOR slouží jak k profesionálnímu tak k radioamatérskému sledování analogového rádiového provozu na vlnových rozsazích 10 khz MHz s nejrůznějšími druhy provozu (FM, AM, SSB modulace s jedním postranním pásmem, CW kontinuální vlna, použití v telegrafii, ). Každý druh rádiového provozu může vyžadovat jinou šířku pásma, přijímač tedy disponuje bankou nastavitelných MF (mezifrekvenčních) filtrů (viz tab. 2). Pro vyrovnání úrovně zpracovávaných signálů se v přijímačích užívá funkce 3/9 ZS ( )

4 pro automatické nastavení zisku AGC. Pro zvýšení dynamického rozsahu má přijímač na vstupu 10 db předzesilovač a útlumový člen 10 db, jejichž kombinací lze nastavit útlumy 0, 10 a 20 db. Tyto hodnoty lze použít do frekvence 230 MHz, nad tuto frekvenci pouze 0 a 10 db. Zjednodušené blokové schéma přijímače AOR AR5000 je na obr. 3. Další přehled vlastností a funkcí naleznete v manuálu, který bude při měření k dispozici. Vstupní obvody První směšovač 622 MHz Druhý směšovač 10,7 MHz Třetí směšovač 455 khz Demod. signálu NF zesil. a pásmové propusti Přijímač má dva anténní vstupy k prvému je připojen VSG a k druhému přivádíme signál z antén. Nastavování parametrů komunikačního přijímače se provádí malým otočným regulátorem vpravo dole, volba se potvrzuje stiskem tlačítka <ENT>, špatný výběr lze zrušit klávesou <CLR>. Zkontrolujte, příp. nastavte následující: výběr nastavení VFO-A: tlačítko <VFO> stiskněte tolikrát, aby se na displeji zobrazilo VA (tato volba umožní manuální nastavení parametrů přijímače), přijímaný kmitočet: f c = 2300 khz, typ demodulátoru: tlačítko <MODE> AM, anténa první vstup: <ANT> (<FUNC> + <ATT>) 1, atenuátor 0 db: <ATT> 0 db, vypnout automatické AGC: <AGC> (<FUNC> + <STEP>) OFF, zisk: <RF GAIN> (<FUNC> + <6>) manuální nastavení (na displeji nesvítí N-SQL) - regulátorem SQUELCH zvolíme později vhodně zisk přijímače např. podle ukazatele úrovně zpracovávaného signálu zvukovou kartou v programu DReaM (Level cca -15 db ), MF filtr 30 khz: <IF BW> (<FUNC> + <3>) 30 khz, zapnutý MF výstup: <CONFIG> (<FUNC> + <khz>) dále volbou UP/DOWN výstup za MF filtrem: EXT IF 2. hlasitost: otočný prvek AF GAIN ztlumte výstupní NF. signál Směšovač Obr. 3: Zjednodušené blokové schéma komunikačního přijímače AOR AR5000 Napájení je přivedeno z rozšiřujícího rozhraní přijímače AOR5000 na zadní straně. f mf1 = 10,7 MHz ; f mf2 = 12 khz ; B DRM / 2 < f mf2, B DRM / 2 + f mf2 < fvz/2. Filtr předpokládá se vstupní filtr na zvukové kartě. tuner f mf1 MF. směš. f mf2 filtr PC NF. zesil. oscil. Obr. 4: Využití směšovače pro příjem DRM signálu 4/9 ZS ( )

5 Nastavení PC (LAB 436 No 1) s aplikací DReaM v módu příjmu Spusťte DReaM.exe (zástupce DReaM-Rx). Otevřete okno přijímače DRM: View Evaluation Dialog. Přijímač ponechte v běžném nastavení, pouze v případě potřeby proveďte převrácení spektra: Flip Input Spectrum. V případě úspěšného sestavení DRM systému můžete z reproduktorů připojených k PC poslouchat přenášený zvukový signál. Prohlédněte si možnosti měření pomocí programu DReaM. Nastavení PC (LAB 436 No 1) s aplikací Diorama Spusťte MATLAB (minimální požadavek je release 10, na pracovišti je k dispozici verze release 13). Nastavte pracovní adresář: Current Directory C:\MATLAB6p5\work\Diorama. Spusťte skript diorama. Přijímač ponechte v běžném nastavení, pouze v případě potřeby proveďte převrácení spektra: Flip spectrum. V případě úspěšného sestavení DRM systému můžete z reproduktorů připojených k PC poslouchat přenášený zvukový signál. Prohlédněte si možnosti měření pomocí programu Diorama. Nastavení přijímače Morphy Richards Menu/Select Stations Manual tune 2300 khz, Servisní menu: Menu/Select dlouze potvrďte Settings: Show Database (seznam uložených stanic) Stack Status (měření MER, parametry OFDM a zdrojového kódování). K bodu 1.1) Proveďte srovnávací měření odstupu signálu od šumu, minimálního odstupu C/N _min a minimálního výkonu p _min pro dvě nastavení systému. Tab. 1: Dvě nastavení DRM systému Mód robustnosti B B Jmenovitá šířka pásma (nominal BW) [khz] SDC - stavů QAM 4 16 MSC - stavů QAM Úroveň zabezpečení 1 1 Interval prokládání [s] 2 2 Signál z VSG připojte ke komunikačnímu přijímači. Výkon na VSG nastavte na -60 dbm a k užitečnému signálu přidávejte šum. Signál se šíří pouze jedinou cestou (Fading je vypnut). Pomocí programu DReaM měřte hodnoty SNR a pomocí programu Diorama hodnoty FAC MER 1. Začněte od odstupu C/N 25 db a postupně jej snižujte a s přesností na desetinu db určete minimální odstup C/N _min, kdy je ještě možný příjem dat v MSC kanálu pro oba programy. Poté šum vypněte a změřte minimální potřebný výkon p _min na výstupu VSG, pro který je ještě možný příjem dat v MSC kanálu pro oba programy. Regulátor 1 Diorama nezobrazuje přímo SNR, ale modulační chybu MER logického kanálu FAC. MER (Modulation Error Ratio) je ovlivněn všemi rušivými vlivy působícími na signál a vyjadřuje kvalitu DRM signálu. Je-li dominantní vliv šumu, potom platí MER CNR. 5/9 ZS ( )

6 SQUELCH při měření p _min nastavte do levé krajní polohy (po odměření jej vraťte zpět). Pro obě nastavení systému porovnejte změřené hodnoty SNR resp. FAC MER s nastavenými hodnotami C/N na VSG. Signál z VSG připojte k přijímači Morphy Richards a zopakujte měření p _min a C/N _min a srovnejte změřené hodnoty MER s nastavenými hodnotami C/N na VSG. K bodu 1.2) Proveďte kontrolní měření impulsové odezvy při šíření signálu DRM dvěma cestami, pro libovolné nastavení systému. Signál z VSG připojte ke komunikačnímu přijímači. Na VSG nastavte pouze užitečný signál (AWGN je vypnuté) s výkonem -60 dbm a zadávejte útlum a zpoždění signálu v druhé cestě (možno nastavit maximálně 5,24 ms). Měřte alespoň pro dvě kombinace útlumu v rozsahu 0,5 až 30 db a při zpoždění z rozsahu 0,1Tg až 0,9Tg. Pomocí programu DReaM respektive Diorama měřte hodnoty vzájemného útlumu a vzájemného zpoždění, viz obr. 5 hodnoty L 1, L 2 a t jsou odečteny z grafu impulsové odezvy, L 1 je úroveň přímé cesty signálu a L 2 úroveň odraženého signálu (kopie), t je změřený rozdíl doby příchodu signálu a jeho zpožděné kopie. Porovnejte nastavené a změřené hodnoty. amplituda amplituda t Obr. 5: Vzájemný útlum a vzájemné zpoždění t K bodu 1.3) Na komunikačním přijímači zvolte druhý anténní vstup a připojte externí drátovou anténu (označena KV; 100 khz až 30 MHz). Přijímejte signály skutečného vysílání rozhlasových stanic DRM pomocí libovolného software. Při příjmu musíte vhodně nastavovat citlivost přijímače regulátorem SQUELCH. Přehled kmitočtů vysílaných stanic bude k dispozici na pracovišti (aktuální je na stránkách Sledujte především použité modulace, hodnoty bitového toku a SNR přijatého signálu a zapište výsledky pro alespoň tři přijaté stanice. K bodu 2) Ke komunikačnímu přijímači připojte externí anténu, dle potřeby volte přehledovou (označena VKV; 25 MHz až 1300 MHz) či drátovou (označena KV; 100 khz až 30 MHz). Pro níže uvedené požadavky měření vyhledávejte signály různých typů analogových služeb (např. rozhlasové vysílání AM a FM, radioamatérské služby, zvukový doprovod televizního vysílání, řízení leteckého provozu a další komunikační služby). Seznam s kmitočty, použitými modulacemi a doporučenou šířkou MF filtru bude k dispozici při cvičení. Pokud není dán kmitočet služby přesně a znáte pouze kmitočtový rozsah, je třeba užít automatické vyhledávání signálu. Nejprve je důležité vhodně nastavit prahovou úroveň signálu, která rozhoduje o tom, co již považujeme za šum a co by měl být užitečný signál. Chceme-li prohledávat určité pásmo, je vhodné zvolit vyhledávání mezi dvěma mezními frekvencemi. 6/9 ZS ( )

7 Přijímač hledá tak dlouho, dokud nenajde užitečný signál. Poté se hledání zastaví, dokud aktivita neskončí, pokud skončí pokračuje (po dvou sekundách) dále. Pokud bychom chtěli pokračovat v hledání bez ohledu na to, zda aktivita skončila, můžeme použít hlavní nebo vedlejší otočný ovladač. Hledání bude pokračovat ve směru, ve kterém ovladači otočíme. Použít se dají také tlačítka <UP> a <DOWN>. Nastavení při vyhledávání mezi dvěma mezními frekvencemi se provádí: Tab. 2: Hodnoty šířky pásma MF filtrů přijímače AR5000 udané výrobcem Filter khz Total noise bandtwidth khz/db Total skirt bandtwidth khz/db Nastavení komunikačního přijímače hlasitost se nastavuje otočným prvkem AF GAIN, výběr nastavení VFO-A: tlačítko <VFO> stiskněte tolikrát, aby se na displeji zobrazilo VA (tato volba umožní manuální nastavení parametrů přijímače), typ demodulátoru: tlačítko <MODE> např. AM (dále podle požadavků), anténa na druhém vstupu: <ANT> (<FUNC> + <ATT>) 2, atenuátor 10 db: <ATT> 10 db, automatické AGC: <AGC> (<FUNC> + <STEP>) ON nebo FAST, zisk: <RF GAIN> (<FUNC> + <6>) automatické nastavení (na displeji se zobrazí N-SQL ) - otočný regulátor SQUELCH (squelch = umlčení) slouží pro umlčení rušivých signálů; nutno vhodně nastavit při automatickém vyhledávání signálu, MF filtr: <IF BW> (<FUNC> + <3>) např. 220 khz (dále podle požadavků), NF výstup: <AF.SET> (<FUNC> + <MODE>) dále volbou UP/DOWN - dolní propust: A LPF - 12 khz (maximální možná hodnota), - horní propust: A HPF khz (minimální možná hodnota), - deemfáze: DE.ENP - 50 µs. přijímaný kmitočet zvolte podle následujícího textu nebo je možné automatické vyhledávání: do nastavení VFO-A zadejte frekvenci, od které chcete začít hledat, krok přelaďování: <STEP> 5 khz, stiskněte <VFO> pro přepnutí do VFO-B. (Na displeji se zobrazí VB.), regulátor SQUELCH nastavte tak, aby pro libovolný kmitočet z hledaného rozsahu, na kterém není užitečný signál, byl NF výstup umlčen, zadejte frekvenci, do které chcete hledat, typ demodulátoru, anténní vstup, atenuátor, AGC a krok přelaďování nastavte jako pro nastavení VFO-A, hledání spustíte podržením klávesy <VFO> déle než jednu sekundu. Nalaďte libovolnou rozhlasovou stanici v pásmu VKV 87,5-107,5 MHz, která je přenášena pomocí frekvenční modulace. Při demodulaci FM volte všechny možné šířky 7/9 ZS ( )

8 MF filtru a určete nejnižší vhodnou (optimální) hodnotu pro kvalitní a frekvenčně neomezenou reprodukci. Srovnejte tuto hodnotu s vypočítanou šířkou pásma VF signálu v domácí přípravě. Při optimálním MF filtru postupně volte demodulaci AM, LSB, USB a zaznamenejte vliv nesprávného demodulátoru. Pokud se podaří vyhledat signál neveřejné služby využívající FM (doporučujeme hledat v rozsahu 450 až 470 MHz), můžete provést test vhodné šířky pásma MF filtru také pro tuto službu. Nalaďte stanici v pásmu středních vln využívající amplitudovou modulaci (např. na kmitočtu 639 khz). Při demodulaci AM volte všechny možné šířky MF filtru a určete nejnižší vhodnou (optimální) hodnotu pro kvalitní a frekvenčně neomezenou reprodukci. Srovnejte tuto hodnotu s vypočítanou šířkou pásma VF signálu v domácí přípravě. Sledujte vliv zbytečně zvyšované hodnoty šířky MF filtru na nárůst šumu v reprodukci. Při optimálním MF filtru postupně volte demodulaci FM, LSB, USB a zaznamenejte vliv nesprávného demodulátoru. Nevhodnou volbu vysoké hodnoty šířky MF filtru při příjmu stanice na SV můžete ověřit při příjmu slabého signálu stanice na kmitočtu 1044 khz (v sousedství se nachází silnější signál na 1062 khz). Pokud se podaří vyhledat signál neveřejné služby využívající AM (např. kmitočet 122,150 MHz řízení leteckého provozu), můžete provést test vhodné šířky pásma MF filtru také pro tuto službu. Porovnejte jednotlivé signály různých typů služeb (šířka pásma, kvalita reprodukce). Domácí příprava bez vypracované domácí přípravy nebude povoleno zahájení měření V příloze vyhledejte hodnotu skutečné šířky DRM signálu pro nastavení systému podle tab. 1. Pro měření v bodě 1.2 zvolte libovolné nastavení systému a v příloze vyhledejte odpovídající délku ochranného intervalu. Jaké maximální (NF) kmitočty je možno přenášet klasickým analogovým rozhlasovým vysíláním pomocí modulací AM a FM? Určete hodnoty šířky pásma signálů pro AM a FM (u FM uvažujte maximální zdvih 75 khz). Seznam použité literatury [1] Kořínek, M.: Softwarové přijímače digitálního rozhlasu DRM [Diplomová práce], ČVUT, [2] Program Diorama, University of Kaiserslautern [online], [cit ], URL: [3] Dream DRM Receiver [online], [cit ], URL: [4] ETSI: ETSI ES Digital Radio Mondiale (DRM) [norma], v2.2.1, /9 ZS ( )

9 Příloha Parametry OFDM (závislé na módu robustnosti): Mód A B C D 288 x T (24 ms, 256 x T 176 x T 112 x T (9.333 Tu 1/Tu = ( ms) ( ms) ms, Hz) 1/Tu = Hz) Tg/Tu 1/9 1/4 4/11 11/14 Tg 32 x T (2.666 ms) 64 x T (5.333 ms) 64 x T (5.333 ms) 88 x T (7.333 ms) Ts = Tg + Tu ms ms 20 ms ms OFDM symbolů v rámci Rec. ITU-R BS.1615 Planning parameters for digital sound broadcasting at frequencies below 30 MHz Přesné hodnoty BW (khz) signálu DRM (pro typické hodnoty parametrů) Minimální C/N (db) pro typické hodnoty parametrů 9/9 ZS ( )