Основы цифровой обработки сигналов

– Установите орган управления Slope (фронт или срез) в положение «\» (срез). Выбор режима запуска по срезу означает, что развертка осциллографа запускается, когда сигнал кадровой синхронизации FS изменяется c высокого уровня на низкий. Отличие режима запуска по срезу «\» от режима запуска по фронту «/» можно заметить, изменяя положение органа управления Slope. Не забудьте убедиться в том, что после этих манипуляций снова установлен запуск по срезу.

Рис. 31. PCM Encoder – ИКМ-кодер, In – вход сигнала сообщения, CLK – вход синхронизации, Function Generator – функциональный генератор, FS To Ch.

A – сигнал кадровой синхронизации к каналу 0, PCM data – ИКМ закодированное сообщение, PCM clock To Ch. B – синхроимпульсы ИКМ к каналу 1

Установите масштаб по оси времени 100 мкс/дел. Импульс кадровой синхронизации (FS) должен занимать одно деление по горизонтали. При необходимости подстройте частоту выходного сигнала функционального генератора. В этом режиме каждый бит последовательных данных занимает одно деление по горизонтальной оси.

Включите канал 1 осциллографа нажатием кнопки Enabled в поле Channel 1 Settings для наблюдения сигналов битовой (CLK) и кадровой (FS) синхронизации. Настройте осциллограф так, чтобы осциллограммы не перекрывались.

Подключите канал 1 осциллографа к выходу модуля PCM Encoder (ИКМ-кодер), как показано на рис. 32. Пунктирной линией показаны соединения, которые уже есть (см. рис. 30).

31

GND

Рис. 32

Эту схему можно представить блок-схемой, приведенной на рис. 33. На экране осциллографа должны быть видны 10 бит данных, поступающих с выхода ИКМ-кодера. Первые 8 бит слева относятся к первому кадру сообщения, а оставшиеся 2 бита – к следующему. Скопируйте полученную осциллограмму сигнала в отчет по работе.

Рис. 33. In – вход сигнала сообщения, CLK – вход синхронизации, FS To Ch. A – бит кадровой синхронизации к каналу 0, PCM data To Ch. B – ИКМ сообщение к каналу 1

ИКМ-кодирование постоянного напряжения с изменяемым уровнем

Ранее с помощью ИКМ-кодера вы преобразовывали постоянное напряжение в ИКМ-сигнал. Теперь проанализируйте, что происходит при ИКМ-кодировании изменяющегося напряжения.

32

Отключите отображение в канале осциллографа № 1.

Запустите программу управления регулируемыми источниками питания «Variable Power Supplies» (VPS). Установите выходное напряжение обоих источников питания 0 В щелчком по кнопке RESET (Сброс).

Внесите изменения в схему, как показано на рис. 34. Эту схему можно представить блок-схемой, изображенной на рис. 35.

Рис. 34

Регулируемые источники питания используются для изменения напряжение на входе ИКМ-кодера. Стабильное изображение на экране осциллографа обеспечивается внешним сигналом запуска.

Рис. 35. Variable Power Supplies – регулируемые источники питания, Variable DC To Ch.A – регулируемое напряжение постоянного тока к каналу 0, In – вход сигнала сообщения, CLK – вход синхронизации, FS To Trig. – импульс FS - ко входу запуска, PCM data To Ch. B – ИКМ сообщение к каналу 1

33

Установите переключатель источников сигнала запуска осциллогра-

фа Trigger/Source в положение TRIG (Запуск).

Установите элемент управления Channel 0 Scale (Масштаб по напряжению канала 0) в положение 500 мВ/дел.

Активируйте (enabled) канал 1 осциллографа, чтобы одновременно наблюдать входное напряжение постоянного тока и выходной сигнал ИКМ-кодера.

Определите значение двоичного кода на выходе ИКМ-кодера. Первые восемь отметок по горизонтали на экране осциллографа соответствуют первому кадру выходного сигнала ИКМ-кодера.

Увеличивайте уровень отрицательного напряжения на выходе регулируемого источника питания с шагом -0.1 В, одновременно наблюдая за тем, что происходит с двоичным кодом на выходе ИКМ-кодера. Проще всего регулировать напряжение путем ввода значения в соответствующее числовое поле под регулятором напряжения, не забывая перед числом вводить знак «минус».

Определите уровень отрицательного напряжения, при котором на выходе ИКМ-кодера появляется двоичный код 00000000. Запишите полученное напряжение в отчет по работе.

Внесите изменения в схему, как показано на рис. 36. Эта схема может быть представлена блок-схемой, приведенной на рис. 37.

Увеличивайте уровень положительного напряжения на выходе регулируемого источника питания с шагом +0.1 В, одновременно наблюдая за тем, что происходит с двоичным кодом на выходе ИКМ-кодера.

Рис. 36

34

Рис. 37

Определите наименьшее по уровню положительное напряжение, которому соответствует двоичный код 11111111 на выходе ИКМ-кодера. Запишите полученное значение напряжения.

ИКМ-кодирование непрерывно изменяющихся напряжений

Теперь, рассмотрим, как работает ИКМ-кодер при преобразовании непрерывно изменяющегося сигнала, например, синусоидального.

Отсоедините штекеры от выхода положительного напряжения регу-

лируемых блоков питания Variable Power Supplies.

Внесите изменения в схему согласно рис. 38.

2kHz SINE

Рис. 38

35

Установите частоту сигнала 50 кГц на выходе функционального ге-

нератора (Function Generator).

Установите масштаб по оси времени (Timebase) осциллографа 100 мкс/дел., а масштаб по напряжению (Channel A Scale) – 2 В/дел.

Наблюдайте на экране осциллографа выходной сигнал ИКМ-кодера. Изображение синусоиды будет слегка перемещаться по экрану, поскольку осциллограф работает в режиме внешнего запуска от сигнала кадровой синхронизации FS.

Содержание отчета

В отчет включить описание работы и соответствующие структурные схемы экспериментов с полученными осциллограммами, а также:

цель работы;

блок-схемы измерений, осциллограммы;

все снятые осциллограммы, расположенные таким образом, чтобы на них были отмечены все необходимые временные соотношения между исследуемыми сигналами;

значения измеренных величин;

выводы по выполненным исследованиям.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3. ДЕМОДУЛЯЦИЯ ИКМ-СИГНАЛОВ

Процесс восстановления исходного сигнала из потока цифровых данных в формате ИКМ называется декодированием ИКМ-сигналов.

Процесс декодирования состоит из следующих основных этапов:

нахождение очередного кадра в потоке данных;

извлечение двоичного кода из каждого кадра (фрейма);

генерация напряжения, пропорционального двоичному коду;

фиксация напряжения на выходе до тех пор, пока следующий кадр не будет декодирован (т.е. получается исходный сигнал, подвергнутый амплитудно-импульсной модуляции – АИМ);

восстановление исходного сообщения путем пропускания АИМ сигнала через ФНЧ.

На корректную работу любого декодера влияет отклонение его собственной частоты синхронизации от частоты синхронизации кодера. Из-за несогласованности синхронизации кодера и декодера одни биты будут декодироваться дважды, а другие – теряться. Следовательно, на выходе декодера будут формироваться ошибочные значения напряжения. В некоторых декодерах с этим явлением борются путем «самосинхронизации».

36

Также очень важным является правильное обнаружение начала кадра. В случае ошибки все принятые коды (числа) будут интерпретированы неправильно. Известны два способа кадровой синхронизации при декодировании. Во-первых, это передача специального сигнала кадровой синхронизации (frame synchronisation), что, однако, усложняет систему передачи информации (СПИ). Другим вариантом является включение в поток данных специальных кодов синхронизации (синхрослов), по которым декодер определяет начало кадра.

Краткие сведения об ИКМ-декодере в системе DATEx

Как и ИКМ-кодер (PCM Encoder), ИКМ-декодер (PCM Decoder) в си-

стеме Emona DATEx работает с 8-разрядными двоичными числами, где числу 00000000 соответствует уровень напряжения -2 В, а числу 11111111 соответствует +2 В. Двоичные числа внутри указанного диапазона пропорциональны напряжению, находящемуся в пределах ±2 В. Например, числу 10000000, находящемуся посередине между 00000000 и 11111111, соответствует напряжение 0 В (середина диапазона между +2 В и -2 В).

Поскольку ИКМ-декодер не имеет средств самосинхронизации, для обеспечения правильной работы на его вход CLK должен быть подан внешний цифровой синхросигнал, такой же, как у ИКМ-кодера. Другими словами, синхросигнал ИКМ-декодера «заимствуется» у ИКМкодера.

Аналогично ИКМ-декодер в системе DATEx не имеет собственной кадровой синхронизации, поэтому сигнал кадровой синхронизации FS также берется с ИКМ кодера.

Методика проведения работы

В методике экспериментов использованы определенные значения напряжений и частот, которые должны быть заменены на заданные параметры. Задание по работе выдается преподавателем в виде таблицы исходных значений напряжений, частот для каждого студента.

Используя панель DATEx, преобразуем гармонический или речевой сигнал в поток ИКМ-данных. Затем из ИКМ-сигнала с помощью декодера получим импульсный сигнал модулированный по амплитуде (АИМ сигнал). Для обеспечения правильности декодирования сигналы битовой и кадровой синхронизации декодера берутся непосредственно с соответствующих выходов кодера. Наконец, восстановим исходное сообщение с помощью перестраиваемого ФНЧ [1].

Запустите программу регулируемых источников питания Variable Power Supplies (VPS).

Нажатием на кнопку RESET (Сброс) установите на выходе источника положительного напряжения питания 0 В.

37

Установите в блоке «PCM Encoder» переключатель режимов работы Mode в положение PCM (ИКМ).

Соберите схему, изображенную на рис. 39. Черные штекеры кабелей осциллографа вставьте в гнездо заземления (GND).

Рис. 39

Эту схему можно представить блок-схемой, приведенной на рис. 40. Битовую синхронизацию ИКМ кодера обеспечивает цифровой сигнал «100 kHz DIGITAL» (Цифровой сигнал частотой 100 кГц) генератора опорных сигналов (Master Signals). На аналоговый вход кодера подается сигнал с регулируемого источника положительного напряжения питания (VPS).

Рис. 40. Variable Power Supplies – регулируемые источники питания, In – вход сигнала сообщения, CLK – вход синхронизации, FS To Ch.A. – импульс FS – к каналу 0, PCM data To Ch. B – ИКМ закодированное сообщение к каналу 1, Master Signals – генератор опорных сигналов

38

Запустите программу осциллографа (Scope). Настройте осциллограф:

–Scale (Масштаб по напряжению) обоих каналов – 2 В/дел;

–Coupling – DC (открытый вход);

–Trigger Level (Уровень напряжения запуска) – 2 В;

–Timebase (Масштаб по оси времени) – 10 мкс/дел;

–УСТАНОВИТЕ Slope (Наклон или фронт) в положение «\» (срез). Включите канал 1 осциллографа нажатием кнопки Enabled в поле

Channel 1 Settings для наблюдения ИКМ сигнала (PCM DATA) и сигнала кадровой синхронизации (FS).

Вращайте плавно влево и вправо регулятор Voltage регулируемого источника положительного напряжения питания (Variable Power Supplies), не превышая напряжения 2.5 В.

Закройте программу VPS (Регулируемые источники питания). Запустите программу FGEN (Функциональный генератор). Настройте функциональный генератор по следующими параметрам:

–Waveshape (Форма сигнала): Sine (Синусоидальная);

–Frequency (Частота): 500 Гц;

–Amplitude (Пиковая амплитуда): 4 В;

–DC Offset (Смещение по постоянному току): 0 В. Сверните окно программы функционального генератора.

Отсоедините проводник от выхода регулируемого источника поло-

жительного напряжения питания.

Измените схему в соответствии с рис. 41. Пунктирными линиями показаны соединения, которые следует сохранить.

Рис. 41

Схему на рис. 41 можно представить блок-схемой, приведенной на рис. 42. Отметим, что на вход ИКМ кодера (PCM Encoder) подан сигнал с выхода функционального генератора (Function Generator).

39

Сигнал на выходе «PCM DATA» ИКМ кодера непрерывно изменяется, так как на его вход подан изменяющийся синусоидальный сигнал.

Рис. 42

Декодирование ИКМ данных

Отключите канал 1 осциллографа. Переключатель Slope в положение «/» (фронт). Внесите изменения в схему согласно рис. 43.

2kHz SINE

Рис. 43

Эту схему можно представить блок-схемой, которая изображена на рис. 44. Обратите внимание, что сигналы битовой и кадровой синхронизации «заимствованы» с соответствующих выходов кодера.

40