Основы цифровой обработки сигналов

ных (нулей и единиц), который трудно зафиксировать на экране осциллографа. Чтобы снять эту проблему, для моделирования цифрового потока данных будем использовать 32-разрядную двоичную последовательность с генератора последовательностей (Sequence Generator).

Сверните окно программы анализатора спектра. Полностью разберите предыдущую схему.

Установите регулятор коэффициента усиления Gain перестраиваемого ФНЧ «Tuneable LPF» в среднее положение. Поверните регулятор частоты среза fc «Tuneable LPF» фильтра по часовой стрелке до упора.

Найдите модуль Sequence Generator (Генератор последовательностей) на панели управления DATEx и установите DIP-переключатели в положение «00».

Соберите схему согласно рис. 57.

Рис. 57

Схема на рис. 57 может быть представлена блок-схемой, приведенной на рис. 58.

Цифровой сигнал формируется с помощью генератора последовательностей, выходной сигнал SYNC которого используется для внешнего запуска осциллографа, обеспечивая неподвижное изображение сигнала на экране.

Снова запустите осциллограф однократным нажатием на кнопку RUN. Настройте осциллограф: "Timebase" = 1 мс/дел.

Наблюдайте, что происходит в результате сужения полосы пропускания канала, которое моделируется уменьшением частоты среза c помощью регулятора fс "Tuneable LPF" перестраиваемого ФНЧ.

Очевидным решением проблемы ограничения полосы пропускания канала связи является выбор среды с полосой пропускания, достаточной

51

для передачи цифрового сигнала. В самом деле, можно выбрать тип кабеля, у которого полоса шире, чем у других. Однако, развитие цифровых технологий привело к тому, что по существующим каналам связи необходимо передавать все большие и большие объемы данных на все более высокой скорости. В следующей части работы вы увидите, что увеличение скорости эквивалентно сужению полосы пропускания.

Рис. 58. Digital signal modeling – моделирование цифрового сигнала; Master Signals –

генератор опорных сигналов, Sequence Generator – генератор последовательности; CLK

– тактовые импульсы, SYNC – импульс синхронизации; BW limited channel – канал с ограниченной полосой пропускания; Tuneable LPF – перестраиваемый ФНЧ, Digital signal To Ch. A – цифровой сигнал к каналу CH 0; Bandwidth limited digital signal To Ch.

B – цифровой сигнал с «урезанной» полосой частот к каналу CH 1; SYNC To Trig. – импульс синхронизации к входу запуска

Поверните регулятор частоты среза fс «Tuneable LPF» по часовой стрелке до упора, чтобы получить максимально широкую полосу пропускания (около 13 кГц).

Запустите программу Function Generator.

Установите частоту выходного напряжения генератора 2 кГц. Вам не нужно подстраивать еще какие-нибудь органы управления, поскольку используется цифровой сигнал на выходе SYNC.

Внесите изменения в ранее собранную схему, как показано на рис. 59. Так как частота используемого сигнала функционального генератора совпадает с частотой сигнала на выходе «2kHz DIGITAL» (Цифровой сигнал частотой 2 кГц) генератора опорных сигналов (Master Signals), то изображение на экране осциллографа не должно измениться.

Схема, приведенная на рис. 59, может быть представлена блоксхемой, изображенной на рис. 60. Заметим, что генератор последовательностей синхронизируется от функционального генератора, что дает возможность перестраивать частоту синхронизации.

52

Рис. 59

Рис. 60

Чтобы смоделировать увеличение скорости передачи информации, увеличивайте частоту выходного сигнала функционального генератора до 50 кГц с шагом 5000 Гц. Для удобства наблюдения цифровых сигналов при увеличении частоты генератора нужно переключать масштаб по оси времени (Timebase) осциллографа так, чтобы видеть 3-4 периода сигнала.

Восстановление цифровых сигналов

Проведенные эксперименты показали, что ограничение полосы частот приводит к искажениям цифровых сигналов. Следовательно, они мо-

53

гут быть неправильно интерпретированы цифровым приемником, например, ИКМ-декодером. К сожалению, и при увеличении скорости передачи информации наступает ограничение полосы частот, что увеличивает искажения принимаемого сигнала.

Чтобы бороться с этим явлением, принятый цифровой сигнал перед декодированием необходимо очистить или «восстановить». Для этих целей лучше всего подходит компаратор, который усиливает разность двух входных сигналов с очень большим коэффициентом усиления, т.е. работает в режиме насыщения. Если на один из входов подать переменное напряжение любой формы, которое колеблется относительно постоянного (опорного) напряжения, поданного на другой вход, то на выходе компаратора получится прямоугольный сигнал, воспроизводящий изменения входного переменного напряжения относительно опорного напряжения.

Обычно насыщения усилителей избегают, но в случае компаратора это полезно. На один из его входов подается цифровой сигнал с ограниченной полосой частот, а на другой вход – регулируемое постоянное напряжение. На выходе появляется цифровой сигнал, который вызван колебаниями исходного сигнала относительно опорного уровня. Уровень постоянного напряжения регулируется таким образом, чтобы сигнал на выходе компаратора совпадал с исходным неискаженным сигналом передатчика.

К сожалению, эту простую и полезную идею трудно воплотить на практике. Во-первых, из-за ограниченной полосы частот цифровой сигнал может быть слишком искажен, чтобы компаратор мог восстановить его правильно. Во-вторых, принятый из канала связи сигнал (и, следовательно, цифровой сигнал, восстановленный компаратором) может оказаться сдвинутым по фазе.

Далее вам предстоит экспериментально восстановить цифровой сигнал с ограниченной полосой частот с помощью компаратора и исследовать, как влияют на процесс восстановления упомянутые выше ограничения.

Запустите прибор VPS (Регулируемые источники питания). Нажатием на кнопку RESET (Сброс) установите на выходе источни-

ка положительного напряжения питания 0 В.

Установите масштаб по оси времени (Timebase) осциллографа равный 1 мс/дел.

Отсоедините проводник от функционального генератора и приведите схему к виду, показанному на рис. 61.

Схеме, приведенной на рис. 61, соответствует блок-схема, показанная на рис. 62. Для восстановления цифрового сигнала с ограниченной полосой частот используется компаратор из модуля «Utilities» (Вспомогательные блоки).

54

Рис. 61

Сравните исходный и восстановленный сигналы.

Увеличивайте напряжение на выходе положительного регулируемого источника питания с шагом 0,2 В и наблюдайте, к чему это приведет.

Снова установите напряжение на выходе источника положительного напряжения регулируемых блоков питания 0 В.

Плавно сужайте полосу пропускания канала путем уменьшения частоты среза перестраиваемого ФНЧ, вращая регулятор fc «Tuneable LPF» против часовой стрелки. Не обращайте внимания на то, что фазовый сдвиг между сигналами будет увеличиваться.

Теперь расширяйте полосу пропускания до тех пор, пока сигнал на выходе компаратора не совпадет с исходным (без учета фазового сдвига).

Внесите в схему изменения, как показано на рис. 63, чтобы сравнить восстановленный сигнал и сигнал с ограниченной полосой частот.

55

Рис. 63

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.

56

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.«Emona DATEx: руководство к лабораторному практикуму» – Emona Instruments Pty Ltd, Camperdown NSW 2050.

2.Цифровые и аналоговые системы передачи: учеб. для вузов / под ред. В.И. Иванова. – М.: Горячая линия – Телеком, 2003. 232 с.

3.Цимбалист Э.И. Исследование аналоговых схем в программно-аппаратной среде NI ELVIS: учеб. пособие / Э.И. Цимбалист, С.В. Силушкин. – Томский политехнический университет. Томск, Изд-во Томского политехнического университета, 2009.

4.Многоканальные системы передачи: учеб. для вузов / под ред. Н.Н. Баевой

иВ.Н. Гордиенко. – М.: Радио и связь, 1997. 560 с.

5.Гуревич В.Э. Импульсно-Кодовая Модуляция в многоканальной телефонной связи / В.Э. Гуревич, Ю.Г. Лопушнян, Г.В. Рабинович – М.: Связь, 1973. 336 с.

57