Úloha A - Měření vlastností digitální modulace 1. Zadání: Modulace 2-ASK Navrhněte zapojení pomocí modulů stavebnice TIMS tak, aby vyhovovalo blokovému schématu modulace ASK. Zapojte navržený obvod. Zobrazte pomocí osciloskopu vstupní datovou posloupnost a výsledný signál modulovaný pomocí ASK. Zakreslete oba tyto signály tak, aby bylo možno pozorovat vztahy jednotlivých stavů v nemodulovaném a modulovaném signálu. Modulace QPSK Navrhněte zapojení pomocí modulů telekomunuikační stavebnice TIMS podle schématu modulace QPSK. Zapojte navržený obvod. Vstupní dibit odebírejte jako kombinaci dvou analogových výstupů (X,Y) z generátoru pseudonáhodných posloupností. Zobrazte pomocí osciloskopu vstupní datovou posloupnost (sečtěte ve vhodném poměru dvě vstupní posloupnosti X, Y) a výsledný signál modulovaný pomocí QPSK a zakreslete oba tyto signály tak, aby bylo možno pozorovat vztahy jednotlivých stavů v nemodulovaném a modulovaném signálu. Změřte fázové posunutí vůči nosné cos(wt) ve 4 jednotlivých vstupních stavech a posuďte odchylky proti předpokládaným hodnotám. Modulace 2-FSK Pomocí modulů TIMS zapojte FSK se spojitou fází (CPFSK Continuous Phase Frequency Shift Keying). Zapojte FSK dle principu této modulace. Frekvence f1 a f2 nastavte v okolí 2 khz. Zobrazte na osciloskopu průběh vstupního a výstupního modulovaného signálu a tyto průběhy zaznamenejte. Změřte kmitočty f1, f2 a fs a jejich hodnoty zaznamenejte. Zvažte možnosti použití FSK modulace v praxi. Uveďte příklad. 2. Vypracování: Seznam zařízení: Stavebnice TIMS s moduly (ADDER, MULTIPLIER, QUADRATURE UTILITIES, SEQUENCE GENERATOR, AUDIO OSCILLATOR, VCO, TUNEABLE LPF, DUAL ANALOG SWITCH) Osciloskop 2.1 Modulace 2-ASK Princip této digitální modulace je takový, že přítomnost nosné na výstupu modulátoru indikuje logickou 1 na vstupu, zatímco absence nosné znamená logickou 0 na vstupu. - 1 -
Václav Dajčar Měření vlastností digitální modulace 16.03.2010 2.1.1 Schéma zapojení a blokové schéma: Na obrázku č.1 je uveden princip, resp. blokové schéma k této modulaci. Na obrázku č. 2 je uvedeno zapojení jednotlivých modulů stavebnice TIMS (byl využit simulační software TutorTIMS freeware). Obrázek č. 1 Obrázek č. 2 2.1.2 Zaznamenaný průběh: Na obrázku č. 3 je znázorněn pomocí osciloskopu získaný průběh datového signálu (na obrázku nahoře) a modulovaného signálu (dole na obrázku). Obrázek č. 3-2-
2.2 Modulace QPSK Symboly 0 a 1 na vstupu modulátoru jsou na jeho výstupu reprezentovány určitou změnou fáze. Základní formou je BPSK (Binary PSK), která využívá následujícího principu: 0 znamená změnu fáze o 0, zatímco 1 mění fázi o 180 oproti stávající fázi signálu (DPSK), nebo oproti referenčnímu signálu (PSK). Vícestavové modulace pouze rozdělí daný interval 360 na příslušný počet podintervalů. Např. pro QPSK jsou dva vstupní bity (tzv. dibit) reprezentovány jedním z těchto fázových posuvů (45, 135, 225, 315 ). Obdobná je situace u 8PSK, s tím rozdílem, že je zakódováván vstupní tribit. 2.2.1 Schéma zapojení a blokové schéma: Na obrázku č.4 je uveden princip, resp. blokové schéma k této modulaci. Na obrázku č. 5 je uvedeno zapojení jednotlivých modulů stavebnice TIMS (byl využit simulační software TutorTIMS freeware). Při měření byl použit modul QUADRATURE UTILITIES, který obsahuje dvě násobičky (modul MULTIPLIER) a sčítačku (ADDER). Obrázek č. 4 Obrázek č. 5-3 -
Václav Dajčar Měření vlastností digitální modulace 16.03.2010 2.2.2 Zaznamenaný průběh: Na obrázku č. 6 je znázorněn pomocí osciloskopu získaný průběh datového signálu (na obrázku dole) a modulovaného signálu (nahoře na obrázku). Obrázek č. 6 2.2.3 Hodnoty fázových posuvů: Frekvence nosných byla 100 khz, délka periody je tedy 10 µs. Na obrázku č. 7 je zachycen jeden z přechodů, kde bylo možné pomocí kurzorů osciloskopu změřit fázi proti referenčnímu signálu (obdobně byl fázový posuv určen i u ostatních přechodů). Hodnoty jsou uvedeny v tabulce č. 1. Binární stav delta-t [µs] Fázový posun [ ] 00 2,0 72 10 4,0 144 01 202 5,6 11 6,6 238 Tabulka č. 1 Obrázek č. 7-4-
2.3 Modulace 2-FSK Jsou dány dvě frekvence f0 a f1, které reprezentují odpovídající binární stavy na vstupu modulátoru. Existují dvě formy této modulace. Při nekoherentní dochází ke skokovým změnám ve fázi výstupního signálu při změně vstupního stavu mezi 0 a 1, oproti tomu koherentní se vyznačuje plynulou změnou fáze výstupního signálu. 2.3.1 Schéma zapojení a blokové schéma: Na obrázku č.8 je uveden princip, resp. blokové schéma k této modulaci. Na obrázku č. 9 (CPFSK - Continuous Phase Frequency Shift Keying) a č.10 (FSK) je uvedeno zapojení jednotlivých modulů stavebnice TIMS. Obrázek č. 8 Obrázek č. 9 Obrázek č. 10-5 -
2.3.2 Zaznamenané průběhy: Na obrázku č. 11 je znázorněn pomocí osciloskopu získaný průběh datového signálu (na obrázku nahoře) a modulovaného signálu (dole na obrázku) modulace FSK a na obrázku č. 12 jsou průběhy datového (dole) a modulovaného (nahoře) signálu modulace CPFSK. Obrázek č. 11 Obrázek č. 12-6 -
2.3.3 Hodnoty kmitočtů: V tabulce č. 2 a č.3 jsou pro oba typy modulace zaznamenány změřené kmitočty frekvencí f1 a f2, které reprezentují jednotlivé binární stavy, a frekvence modulačního signálu fs. Modulace FSK f1 [khz] 1,1 f2 [khz] 2,0 fs [Hz] 133,4 Modulace CPFSK f1 [khz] 83,0 f2 [khz] 132,0 fs [khz] 2,0 Tabulka č. 2 Tabulka č. 3 3. Závěr: V rámci měřícího cvičení byly využity moduly stavebnice TIMS požadovaným způsobem, tzn. byly zapojeny obvody generující jednotlivé modulace, díky čemuž bylo možné na osciloskopu sledovat průběhy jak datových, tak především modulovaných signálů (viz obrázky 3, 6, 7, 11, 12). Užitečným nástrojem byl simulační software TutorTIMS výrobce stavebnice, který umožnil seznámení se s některými z modulů stavebnice a také sestavení dvou úloh (ASK, QPSK) ještě před cvičením. Osobně bych uvítal i rozšířenou verzi uvedeného softwaru, který by obsahoval všechny dostupné moduly stavebnice. U modulace QPSK (bod 2.2) byly pomocí osciloskopu naměřeny fázové posuvy pro jednotlivé binární stavy (viz tabulka č.1), které se od teoretických hodnot (45, 135, 225, 315 ) lišily v řádu desítek stupňů. Příčina takto výrazných odchylek mohla být v ne právě ideálním sestavení modulátoru (stavebnice TIMS slouží pro názornou ukázku, která byla dostatečná, a ne pro praktické využití). U modulace FSK (bod 2.3) byly zapojeny oba typy modulace (FSK, CPFSK). Ze zaznamenaných průběhů nemodulovaného i modulovaného signálu je patrná koherentní (viz obrázek č. 12) i nekoherentní (obrázek č.11) změna fáze. FSK se používá jako velice bezpečná metoda přenosu. Nevýhodou je vyšší cena zařízení, vyšší energetická náročnost a pomalejší datový přenos. Z těchto důvodů se FSK modulace používá pouze výjimečně v systémech s požadavky na vysokou bezpečnost přenosu. Prakticky se FSK modulace například využívá v technologiích pro přenos dat (Motorola CANOPY modulace BFSK) pro zvýšení odolnosti proti rušení. - 7 -