Основы цифровой обработки сигналов

Message

To Ch.A

Рис. 44

Установите следующие настройки осциллографа:

Scale (Масштаб по напряжению) для обоих каналов – 1 В/дел;

Coupling для обоих каналов – AC (закрытый вход);

Trigger Level (Уровень сигнала запуска) – 0 В;

Timebase (Масштаб по оси времени) – 500 мкс/дел;

Включите канал 1 осциллографа, чтобы одновременно наблюдать исходное сообщение и восстановленное сообщение на выходе ИКМ деко-

дера (PCM Decoder).

Выходной сигнал ИКМ декодера внешне очень похож на сигнал исходного сообщения, однако все же отличается от него. Вспомните, что дискретизированный сигнал сообщения, кроме гармоники сигнала сообщения, содержит множество дополнительных гармоник. В этом вы сможете убедиться с помощью анализатора спектра.

Закройте программу виртуального осциллографа. Загрузите программу DSA (Анализатор спектра).

Установите следующие настройки анализатора сигналов:

Window (Окно) – 7 Term B-Harris (БлэкExponential (Экспоненциальное)

41

RMS

Scale– Auto

Спомощью курсора С1 исследуйте частоты спектральных составля-

ющих дискретизированного сообщения. Убедитесь, что в спектре дискретизированного сообщения есть гармоника, имеющая ту же частоту, что и исходное сообщение.

Видно, что некоторые дополнительные гармоники дискретизированного сообщения находятся в звуковом диапазоне частот (от 20 Гц до 20 кГц, в частности, на частотах около 12.5 кГц). Это означает, что хотя исходное и дискретизированное сообщения похожи по форме, различия между ними могут быть ощутимы на слух. Следует учитывать, что гармониками с уровнем ниже -40 дБ можно пренебречь (уровень -40 дБ составляет 1% от уровня в 0 дБ, т.е. от номинального уровня).

Если частота битовой синхронизации равна 100 кГц, то частота кадровой синхронизации составляет 1/8 от нее, т.е. 12.5 кГц (длина кадра 8 бит). Это значит, что частота дискретизации сигнала сообщения составляет 12.5 кГц (период 80 мкс). Поэтому длина «ступенек» сигнала на выходе ИКМ-кодера равна 80 мкс и это является причиной появления дополнительных гармоник на кратных частотах 12.5 кГц, 25 кГц, 37.5 кГц и т.д. Все эти составляющие, представляющие собой «образы» сообщения, вы можете наблюдать в частотной области.

В ранее собранную схему добавьте модуль Amplifier (Усилитель), как показано на рис. 45, не изменяя подключения осциллографа.

Рис. 45

На модуле Amplifier поверните регулятор коэффициента усиления Gain против часовой стрелки до упора. Не надевая наушники, подключите их к соответствующему гнезду модуля Amplifier.

Наденьте наушники. Вращайте регулятор коэффициента усиления Gain по часовой стрелке до тех пор, пока слышимость сигнала с выхода

42

ИКМ декодера не станет приемлемой. Запомните, как звучит сигнал дискретизированного сообщения.

Отсоедините усилитель от выхода модуля PCM Decoder (ИКМ декодер). Внесите изменения в схему, как показано на рис.е 46, сохранив подключения осциллографа прежними.

Сравните звучание двух сигналов. Вы должны заметить, что, несмотря на сходство, они звучат по-разному.

Рис. 46

Кодирование и декодирование речевого сигнала

Далее предстоит выполнить кодирование и декодирование речевого сигнала аналогично тому, как вы это делали с гармоническим сигналом.

Закройте программу анализатора спектра (Signal Analyzer) и запустите программу осциллографа (Scope). Настройте осциллограф, чтобы видеть на экране 2-3 периода исходного и дискретизированного сообщения.

Отсоедините усилитель от схемы, оставив все остальные проводники на прежних местах. Отсоедините разъемы от выхода функционального ге-

нератора (Function Generator).

Внесите в схему изменения согласно рис. 47.

Рис. 47

43

Установите масштаб по оси времени (Timebase) осциллографа 500 мкс/дел. Говорите в микрофон, одновременно наблюдая за изменениями на экране осциллографа.

Восстановление сообщения

Как упоминалось ранее, сообщение, получаемое на выходе ИКМ декодера можно восстановить с помощью ФНЧ. Этому и будет посвящен предстоящий эксперимент.

Найдите на панели управления DATEx модуль Tuneable LPF (перестраиваемый ФНЧ) и установите регулятор коэффициента усиления Gain в среднее положение.

Поверните регулятор частоты среза fc против часовой стрелки до упора.

Отсоедините проводники от модуля. Внесите изменения в схему, как показано на рис. 48.

2kHz SINE

Рис. 48

Схему на рисунке 48 схему можно представить блок-схемой, которая приведена на рис. 49. Перестраиваемый ФНЧ предназначен для восстановления исходного сообщения из выходного сигнала ИКМ декодера.

Рис. 49. Message To Ch. A – сообщение к каналу 0, Message To Ch. B – сообщение к каналу 1

44

Плавно вращайте регулятор частоты среза ФНЧ fc по часовой стрелке до тех пор, пока не появится восстановленный сигнал (без учета фазового сдвига).

Добавьте в схему усилитель (Amplifier) согласно рис. 50, оставив подключения осциллографа без изменений.

Рис. 50

Поверните регулятор коэффициента усиления усилителя GAIN до упора против часовой стрелки.

Наденьте наушники. Вращайте регулятор коэффициента усиления GAIN до тех пор, пока не добьетесь приемлемой слышимости сигнала на выходе перестраиваемого ФНЧ.

Запомните, как звучит восстановленное сообщение.

Отсоедините усилитель от ИКМ декодера и подключите его к выходу функционального генератора. Сравните звучание двух сигналов.

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 №4. ОГРАНИЧЕНИЕ ПОЛОСЫ ЧАСТОТ И ВОССТАНОВЛЕНИЕ ЦИФРОВЫХ СИГНАЛОВ

В соответствии с классической моделью системы передачи информации сообщение транслируется от передатчика к приемнику через ка-

45

нал связи. В качестве среды передачи информации может использоваться витая пара, коаксиальный кабель, оптоволоконный кабель или радиоэфир.

Независимо от физической природы, любой канал ведет себя как фильтр с ограниченной полосой пропускания. Это приводит к тому, что часть спектра сигнала пропускается без искажений, а другая часть подвергается ослаблению.

Например, если через канал с недостаточно широкой полосой пропускания передавать АМ сигнал, состоящий из множества гармоник, часть из них будут ослаблены, а часть – подавлены. Очевидно, что в этом случае демодулированный сигнал не будет точно совпадать с исходным сообщением.

То же самое касается и цифровых сигналов, состоящих из множества гармоник, включая основную. Форма этих сигналов также может исказиться из-за ослабления или потери части гармоник в среде распространения.

Например, на рис. 51 показано, что происходит, если из исходного прямоугольного сигнала удалить первые две гармоники – наглядно видно, что сигнал искажен.

Рис. 51

Еще большие искажения возникают, когда канал ведет себя как фильтр, который вносит различный фазовый сдвиг на разных частотах (обладает неравномерной фазочастотной характеристикой – ФЧХ). На рис. 52 изображен такой же сигнал, как и на рис. 51, только его первые две гармоники сдвинуты по фазе на 40º.

Рис. 52

46

Подумайте, что будет, если сигнал, изображенный на рис. 52, подать, например, на вход ИКМ декодера, который должен восстановить логические уровни. Очевидно, что большинство кодовых комбинаций будут приняты и преобразованы в напряжение неправильно, а восстановленное сообщение будет «зашумленным».

Методика проведения работы

Вметодике 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.

Вэтом эксперименте нужно будет собрать коммуникационную систему с ИКМ на основе Emona DATEx и смоделировать ограниченную полосу пропускания канала связи с помощью ФНЧ. Влияние ограничения полосы частот на передачу данных методом ИКМ вы будете исследовать

спомощью осциллографа. Наконец, вам потребуется восстановить цифровой сигнал с помощью компаратора и проанализировать возникающие ограничения [1].

Влияние ограничения полосы частот на декодирование ИКМ-сигналов

Настоящий эксперимент на примере ИКМ-системы передачи информации показывает, как из-за ограничения полосы частот канала связи происходит искажение цифровых сигналов, вследствие чего нарушается прием данных.

Запустите программу FGEN (Функциональный генератор). Установите следующие параметры генератора:

Waveshape (Форма сигнала): Sine;

Frequency: 20 Гц;

Amplitude: 4 В;

DC Offset (Напряжение смещения): 0 В.

Сверните окно программы функционального генератора. Соберите схему в соответствии с рис. 53. Схему на рис. 53 можно представить блоксхемой, приведенной на рис. 54.

Выходной сигнал функционального генератора (FGEN) с помощью ИКМ кодера (PCM Encoder) преобразуется в цифровой сигнал, который затем с помощью ИКМ декодера (PCM Decoder) –в дискретизированный исходный сигнал. Соединительный проводник между выходом кодера PCM DATA и входом декодера PCM DATA, по которому передаются данные, служит в качестве «канала связи».

47

Рис. 53

Запустите программу Oscilloscope NI ELVIS (Осциллограф). Устано-

вите «Timebase» = 10 мс/дел.

Включите канал 1 осциллографа нажатием кнопки Enabled в поле Channel 1 Settings для наблюдения сигнала на выходе декодера и сигнала на входе кодера. Если схема работает правильно, вы должны увидеть синусоидальное напряжение частотой 20 Гц (исходное сообщение) и соответствующее ему дискретизированное напряжение на выходе декодера.

Message

Function To Ch.A

Рис. 54

В модуле «Tuneable LPF» установите регулятор коэффициента усиления «Gain» в среднее положение.

Поверните регулятор «fc» частоты среза ФНЧ по часовой стрелке до упора. Внесите изменения в схему согласно рис. 55.

48

Рис. 55

Эта схема может быть представлена блок-схемой, приведенной на рис. 56. ФНЧ моделирует канал с ограниченной полосой пропускания.

Плавно вращайте регулятор частоты среза «fc» против часовой стрелки. Приостановите регулировку, когда на выходе ИКМ декодера возникнет случайная ошибка.

Еще уменьшите (вращая регулятор частоты среза «fc» против часовой стрелки) полосу пропускания канала, чтобы увидеть влияние сильного ограничения полосы на качество декодирования. Таким образом проявляется ограничение полосы пропускания канала при наблюдении дискретизированного сигнала во временной области.

Теперь проанализируйте, как проявляется ограничение полосы пропускания канала при наблюдении дискретизированного сигнала в частотной области.

Рис. 56

Вращая регулятор частоты среза «fc» по часовой стрелке, расширяйте полосу пропускания канала до тех пор, пока сигнал на выходе декодера не очистится от ошибок.

49

Остановите осциллограф однократным нажатием на кнопку RUN. Запустите виртуальный прибор DSA (Анализатор спектра).

Установите следующие настройки анализатора спектра:

Triggering (Запуск)

Trigger – Source Channel

Frequency Display (Режим отображения)

 Units(Масштаб) – dB (Логарифмический –  Cursors On – Включено дБ)

RMS/Peak – RMS

Scale– Auto

Спомощью курсора «С1» исследуйте частоты гармоник, из которых состоит спектр дискретизированного сообщения.

Теперь с помощью этого же курсора найдите гармонику в спектре дискретизированного сообщения, которая совпадает по частоте с исходным сообщением.

Уменьшайте полосу пропускания канала до тех пор, пока на выходе декодера не начнут проявляться случайные ошибки и посмотрите, как это влияет на спектральный состав сигнала. Для определения уровня ошибок пользуйтесь нижним (осциллографическим) экраном анализатора спектра. Снимите копию экрана анализатора для отчета.

Далее уменьшайте полосу пропускания канала и смотрите, как изменится спектр сигнала на выходе декодера.

Влияние ограничения полосы частот на форму цифрового сигнала

Как мы уже знаем, ограничение полосы пропускания канала может отрицательно сказаться на работе приемника. Далее рассмотрим, как оно влияет на форму цифрового сигнала на входе приемника.

Следует отметить, что гармонический сигнал непригоден для предстоящего эксперимента, поскольку он порождает нестабильный поток дан-

50