MM_dlya_LR

Uк1 = f(uзи=) при f=fp, Uώ0=const, UΩ=0.

1.1.Переключатель S1 поставить в положение 1. Подключить генератор к гнездам "uώ0", а второй канал осциллографа GOS-630FS к гнездам "uвых1". Установить выходное напряжение генератора 1В. Плавно изменяя частоту генератора в пределах 100-300 кГц определить резонансную частоту fр колебательного контура LкCк по максимуму амплитуды выходных колебаний. В дальнейшем на гнезда "uώ0" подавать колебания именно этой частоты.

1.2. Изменяя напряжение смещения регулировочной ручкой "Регулировка Eсм" от крайнего левого положения до крайнего правого замерить с помощью осциллографа и записать в таблицу амплитуды напряжения Uк1, соответствующие оцифрованным положениям ручки.

1.3.Построить график зависимости Uк1=f(uзи=), используя данные таблицы 1. Отметить значение uзи= и положение ручки "Регулировка Eсм", соответствующее середине линейного участка статической модуляционной характеристики. В дальнейшем ручку "Регулировка Eсм" держать в этом положении.

2. Определение динамической модуляционной характеристики M=f(UΩ) при гармонической форме модулирующего колебания и частоте F=1кГц.

2.1.Установить амплитуду несущего колебания Uώ0 равной 0,5-1В.

2.2.Подключить к гнездам "uΩ" генератор GRG-450. Установит на гнездах "uΩ" напряжение гармонической формы с частотой F=1 кГц.

2.3.Изменяя амплитуду модулирующего напряжения UΩ в пределах 0.5-2В, снять зависимость M=f(UΩ). Амплитуду UΩ контролировать каналом 1 осциллографа, а "М" рассчитывать в соответствии с указаниями рис.1. Данные свести в таблицу.

UΩ, В

А

В

М

2.3. Построить график динамической модуляционной характеристики.

3. Исследование преобразования сигналов при амплитудной модуляции

Получить на выходе модулятора тонально амплитудно-модулированное колебание с коэффициентом модуляции М=40-50% при Uώ=2В., UΩ=3В, f= fр, F=3 кГц. 3.1.Зарисовать временные диаграммы:

-входных напряжений модулятора "uώ0"и "uΩ",

-напряжения, пропорционального току полевого транзистора, -амплитудно-модулированного колебания (АМК).

Последние два сигнала снимаются с гнезд "uвых1" при положениях переключателя S1 соответственно "1" и "2".

Исследование амплитудного детектирования

В качестве источника АМК использовать выходные колебания амплитудного модулятора, снимаемые с гнезд "uвых1" при положении переключателя S1 "1". Установить на выходе амплитудного модулятора АМК с параметрами Uώ0=1.5В., М=40-50%, F=1кГц.

Выход амплитудного модулятора соединить с входом амплитудного детектора (гнезда

"uвх2").

4. Определение влияния емкости фильтра детектора Cф на качество детектирования

4.1.Подключить канал 2 осциллографа к гнездам "uвых2".

Зарисовать временные диаграммы напряжения на выходе детектора (гнезда " uвых2") для трех значений емкости Cф: Cф1, Cф2 и Cф3. Указать оптимальный вариант емкости, при котором форма выходного напряжения детектора близка к форме входного напряжения амплитудного модулятора "uΩ". Отметить недостатки выходного напряжения детектора для двух других значений емкости.

5. Определение характеристики детектирования uвых = f(Uω)

5.1.Подключить генератор к гнездам "uвх2". Установить на выходе генератора напряжение гармоническое напряжение с частотой f= fр. К выходу детектора подключить вольтметр.

5.2.Изменяя Uω в пределах от 0.1В до 0.5В с шагом в 0.1В, а затем от 1В до 5В с шагом в 1В и фиксируя вольтметром uвых снять детекторную характеристику. Результаты измерений занести в таблицу. По полученным данным построить график детекторной характеристики. Указать на нем области квадратичного и линейного детектирования.

Отчет по работе

Отчет должен содержать:

1.Расчеты, графики, полученные при выполнении домашнего задания.

2.Результаты экспериментальных исследований в виде таблиц и графиков.

3.Временные диаграммы в различных точках исследуемых схем, согласованные во времени и по напряжению.

4.Выводы по работе.

Контрольные вопросы

1.Поясните физические процессы при амплитудной модуляции смещением на полевом транзисторе.

2.Почему peжим работы полевого транзистора для получения АМ должен быть нелинейным.

З. Что такое коэффициент модуляции от чего он зависит.

4.Дать определение статической модуляционной характеристики.

5.Как выбрать рабочую точку активного элемента в модуляторе.

6.Рассказать о преобразовании спектра при детектировании АМ-сигнала.

7.Рассказать о преобразовании спектра при получении АМ-сигнала.

8.Какую роль играет колебательный контур в АМ - модуляторе. 9.Что называется детектированием? В каких цепях оно возможно?

10.Рассказать о процессах, происходящих при детектировании.

11.Что называется детекторной характеристикой? Какой вид она имеет? 12.Какие режимы AМ - детекторов вы знаете? От чего зависит вид режима?

Лабораторная работа №9

Цель работы: углубление и закрепление теоретических положений, определяющих методы преобразования аналогового сигнала в цифровой сигнал. Развитие навыков имитационного моделирования сигналов в системах передачи информации.

Краткие теоретические сведения

Основные методы преобразования аналоговых сигналов в цифровые были разработаны в 20 веке и приобрели большое значение в связи с глобальным переходом от аналоговых систем и сетей связи и вещания к цифровым. По традиции эти преобразования называются модуляцией, хотя таковыми они не являются, так как не используют сигналноситель. К ним относятся импульсно-кодовая модуляция (ИКМ), дельта-модуляция (ДМ) и дифференциальная ИКМ (ДИКМ).

Импульсно-кодовая модуляция была изобретена английским инженером А. Ривсом в 1938 году, дельта-модуляция несколько позже, учеными разных стран независимо друг от друга: Е. Делорейном, С. ван Миеро, Б. Дерьявичем (Франция, 1946 г.), Л.А. Коробковым (СССР, 1948 г.), Ф. де Яджером, К. Катлером (США, 1948 г.), ДИКМ - К. Катлером (США, 1952 г.).

По способу преобразования аналогового сигнала в цифровой наиболее простой из них является линейная дельта-модуляция с постоянным шагом.

При ДМ аналоговый сигнал подвергается дискретизации во времени, но кодируется не квантованное значение аналогового сигнала, а знак приращения данного отсчета по отношению к предыдущему за тактовый интервал.

Представляя собой предельный случай импульсно-кодовой модуляции, дельтамодуляция использует только один разряд для квантования разности соседних отсчетов с постоянным шагом: на каждом интервале дискретизации передается либо - 1, если разность отсчетов U < , либо + 1, если U , где - выбранный шаг квантования. Постоянный шаг квантования требует высокой частоты дискретизации исходного аналогового сигнала (малого интервала дискретизации T) для предотвращения перегрузок кодера (который часто называют модулятором) по крутизне.

Такой способ формирования цифрового сигнала называется классической дельтамодуляцией в отличие от других ее разновидностей.

Обычно шаг квантования выбирается исходя из статистических характеристик передаваемых сигналов для предсказания последующего значения отсчета сигнала, зная предыдущийU (kT) U ((k 1)T ) . В частности, величина может изменяться по линейному, экспоненциальному и другим законам, обеспечивающим требуемую точность передачи информации.

Дельта-модуляция используется для преобразования речевых сигналов, сигналов проводного вещания, видео изображений и основана на существовании зависимости (корреляции) между отсчетами этих сигналов.

Применение дельта-модуляции является перспективным благодаря следующим особенностям:

устройства кодирования и декодирования сигналов характеризуются более простыми, чем при ИКМ, схемными решениями, что важно с точки зрения их надежности и стоимости;

дельта-модулированные сигналы по сравнению с сигналами ИКМ имеют большую устойчивость к сбою символов в каналах передачи информации, поскольку «вес»

каждого символа ограничен лишь значением . Вследствие этого помехоустойчивость систем связи с ДМ несколько выше, чем при ИКМ;

в системах связи с ДМ предъявляются менее жесткие требования к работе системы синхронизации.

Основной недостаток ДМ состоит в том, что при быстрых изменениях аналогового сигнала дельта-кодер не успевает отслеживать изменения его уровня, вследствие чего возникает так называемая "перегрузка по крутизне".

Существует большое число разновидностей ДМ, в которых используются различные способы устранения этого вида искажений.

В работе рассматривается линейная дельта-модуляция (ЛДМ), которая характеризуется простотой технической реализации (используются всего два уровня квантования) и возможностью снижения плотности потока передаваемых данных.

Подготовка к выполнению лабораторной работы

Для выполнения лабораторной работы необходимо:

1)Создать рабочую папку, в названии которой должна быть указана фамилии и номер бригады студентов, выполняющих работу.

2)Скопировать из папки Source в рабочую папку файлы ЛДМ1.slx и ЛДМ2.slx.

3)Создать в рабочей папке документ MS Word, в котором будут храниться осциллограммы.

4)Получить у преподавателя исходное звуковое сообщение и поместить его в рабочую папку.

5)Открыть рабочую папку в качестве текущей (Current folder) в адресной строке

Matlab.

Моделирование работы линейного дельта-модулятора

Структурная схема тракта «кодер-декодер» дельта-модулированного сигнала показана на рисунке 1.

Рис.1. Структурная схема тракта «кодер-декодер» дельта-модулированного сигнала

Структурная схема тракта содержит блоки устройств, обеспечивающих моделирование и исследование процесса линейной дельта-модуляции аналогового сигнала. Для того чтобы увидеть «содержимое» блоков, нужно дважды щелкнуть по блоку левой кнопкой мыши либо, нажав правую кнопку мыши, выбрать в ниспадающем меню позицию «Look under mask».

Блок аналогового сообщения содержит ряд устройств, показанных на рисунке 2.

Рис.2. Устройства, входящие в блок аналогового сообщения Генератор периодической последовательности импульсов формирует в моменты

времени 0; 0,005; 0,010; 0,015; 0,02; 0,025; 0,3 с прямоугольные импульсы положительной и отрицательной полярности 1 1 -1 -1 1 1, которые периодически повторяются с периодом

0,03 с.

В результате прохождения последовательности импульсов через низкочастотный фильтр Баттерворта пятого порядка с частотой среза 400 Гц на его выходе действует аналоговый сигнал с различной крутизной нарастания амплитуды, что позволяет использовать его для тестирования тракта «кодер-декодер».

Чтобы не вызвать перегрузку следующего блока – устройства выборки-хранения (УВХ), тестовый сигнал подается на усилитель с коэффициентом усиления 0,8 для снижения уровня всплесков в области повышенной крутизны сигнала.

Блок УВХ в этой схеме выполняет функцию квантователя, обеспечивая взятие отсчетов тестового сигнала с частотой 8 кГц и удерживая их уровень постоянным в течение периода следования. Таким образом, сигнал на его выходе представляет собой ступенчатую функцию времени.

Квантованный сигнал поступает на вход кодера, структурная схема которого приведена на рисунке 3. В цепь обратной связи кодера включен местный декодер (демодулятор).

Рис.3. Структурная схема кодера

Местный декодер отличается от декодера, показанного на рисунке 4, тем, что не содержит блок преобразования униполярных импульсов в биполярные и усилитель с коэффициентом усиления 0,1.

Рис.4. Схема декодера

формируется выходная двоичная последовательность импульсов, которыми представляется знак разности между входным сигналом и сигналом обратной связи.

Процесс ДМ является линейным, потому что местный декодер, то есть интегратор, является линейным устройством (под местным декодером далее понимается схема, включенная в цепи обратной связи модулятора. На выходе кодера формируется выходная

рабочей папке заранее созданный файл MS Word и вставить изображение с помощью комбинации клавиш Ctrl+V.

Рис.7. Пример показаний осциллографа

Моделирование работы линейного дельта-модулятора при воздействии звукового сигнала

В этой модели вместо тестового сигнала используется речевой сигнал, записанный заранее. Структурная схема лабораторной установки показана на рисунке 7. Качество системы ЛДМ оценивается по среднеквадратическому отклонению восстановленного сигнала от исходного, а также «на слух».

Для начала работы нужно открыть файл ЛДМ2.slx.

Рис.7. Структурная схема лабораторной установки

1) Подготовка исходного сигнала. Исходное звуковое сообщение находится в рабочей папке. Сообщение необходимо импортировать (кнопка Import Data → звуковой файл → кнопка Finish) в рабочее пространство Matlab и извлечь дискретные значения из структуры сигнала с помощью команды:

x=data;

Затем дискретные значения сигнала нормируются по отношению к максимальному значению:

xn=x/max(abs(x));

Частота дискретизации сигнала 48000 Гц. Для обеспечения качества работы линейного дельта-модулятора частота дискретизации устанавливается равной частоте шага вычисляющего алгоритма – 59344 Гц.

y=resample(xn,59344,48000);

Подготавливается массив отсчетов времени:

t=0:1/59344:(length(y)-1)/59344; t=t';

2)Формируется двумерный массив входных данных: signal=[t y];

3)Настраивается режим моделирования, как то показано на рисунке 8:

Рис. 8. Пример настройки режима моделирования

4) Включается режим моделирования. Результаты моделирования отображаются на экране осциллографа, рисунок 9. Восстановленный сигнал также сохраняется.

Рис.9. Пример показаний осциллографа

На рисунке 9 показаны исходный (верхний) и восстановленный (нижний) сигналы. Совпадение сигналов требуется оценить как визуально, так и количественно - по значению среднеквадратического отклонения восстановленного сигнала от исходного. Необходимо обратить внимание на уровень шума восстановленного сигнала, который характеризуется жирной черной полосой на осциллограмме.

Осциллограммы необходимо сохранить. Для этого: нажать комбинацию клавиш Alt+PrtSc, затем открыть в рабочей папке заранее созданный файл MS Word и вставить изображение с помощью комбинации клавиш Ctrl+V.

На рисунке 10 показан фрагмент исходного и восстановленного сигналов. Выделяется ступенчатый характер восстановленного сигнала. Белым цветом показано среднеквадратическое отклонение восстановленного сигнала от исходного.

Рис.11. График восстановленного сигнала

Восстановленный сигнал требуется сохранить. Для прослушивания сигнала нужно:

-вернуть к исходной частоту дискретизации: sig_sound=resample(values,48000,59344);

-команда озвучивания файла: wavplay(sig_sound,48000)

-команды сохранения восстановленного сигнала в wav файл: filename=’vosst_signal.wav’; audiowrite(filename,sig_sound,48000).

Сравнивая восстановленный сигнал с исходным, можно сделать вывод, что

разборчивость речи не ухудшилась, но сохраняется определенный уровень фонового шума.

Отчет по работе

Отчет по работе составляется по мере выполнения работы. Он должен состоять из разделов соответствующих разделам работы и включать сведения о содержании исследований, полученные результаты. Их оценки и объяснения.

Примерный план отчета:

наименование работы;

наименование разделов и их содержание;

структурные схемы лабораторной установки, кодера, декодера и алгоритмы их работы;

осциллограммы исходного и восстановленного сигналов, отражающие исследования с оценками результатов.

выводы и пояснения.

Контрольные вопросы:

в каком случае фильтр Калмана-Бьюси совпадает с фильтром КолмогороваВинера;

назначение формирующего фильтра в схеме оптимальной фильтрации;

чем сигнал на выходе формирующего фильтра отличается от сигнала на его входе при коэффициенте усиления a=0, a=1;

в чем заключается принцип линейной дельта-модуляции;

область применения линейной дельта-модуляции.