МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Кафедра РЭС

отчет

по лабораторной работе №9

по дисциплине «Основы компьютерного проектирования и моделирования телекоммуникационных систем»

Тема: МОДЕЛИРОВАНИЕ СМЕШАННЫХ УСТРОЙСТВ

Студенты гр. 0182		Жангериев Р.В. Бронников Д.Д.
Преподаватель		Шеллер А.Д.

Санкт-Петербург

2023

1. Моделирование АЦП

Рис. 1. Схема исследования АЦП

Рис. 2. График входного аналогового сигнала

Рис. 3. График цифровых сигналов

На вход АЦП поступает аналоговый сигнал в виде трацеции, напряжение питания, задающее диапазон изменения входного напряжения, в котором преобразование аналог → цифра выполняется без переполнения, и импульсы разрешения, передний фронт которых запускает преобразование аналог → цифра (1 строчка на Рис. 3). На выходе получаются импульсы завершения, задний фронт которых указывает на окончание преобразования аналог → цифра для каждой точки на сигнале (последняя строчка на Рис. 3). А также на выходе получается восьмиразрядный код, указывающий на напряжение аналогового сигнала в конкретный момент времени. Он изображен как io1-io8 на Рис. 3, причём io1 - младший разряд. В первый момент времени на входе 0 аналогового сигнала, и, соответственно, код нуля - 00000000. Дальше на участке подъема трапеции код постепенно увеличивается, в диапазоне 45-55 мкс и аналоговый сигнал и цифровой код сохраняют постоянное значение, потом они уменьшаются.

Увеличив амплитуду трапецеидального входного импульса с 5 до 7 В и повторив моделирование, можно получить:

Рис. 4. График входного аналогового сигнала

Рис. 5. График цифровых сигналов

При превышении сигнала значения Ref+ получается, что максимальное значение, которое может воспроизвести код - 11111111, соответствует не максимальному значению сигнала, а какому-то другому его уровню. Значит сигнал на выходе АЦП будет обрезан сверху на значении Ref+: 5В. Что и подтверждает осциллограмма Рис. 5, где максимум кода достигается в 35 мкс и сохраняется до тех пор, пока амплитуда аналогового сигнала не упадёт ниже Ref+.

Уменьшив напряжение основания трапецеидального входного импульса с 0 до −2 В и повторив моделирование, получим обратную ситуацию, код сигнала не может показать весь диапазон изменения аналогового сигнала, а обрезает его снизу:

Рис. 6. График входного аналогового сигнала

Рис. 7. График цифровых сигналов

Вывод: В программе Multisim можно изучить работу АЦП, его быстродействие, и посмотреть преобразование в каждой точке исходного сигнала. Для корректной работы АЦП в диапазон возможного изменения выходного напряжения должен попадать весь исследуемый сигнал.

1. Моделирование кодека

Рис. 8. Схема исследования кодека

1. Анализ исходного сигнала

Рис. 9. Входной синусоидальный сигнал (красный) и его ступенчатое представление после двойного преобразования аналог → цифра → аналог (зелёный)

Рис. 10. Спектр выходного ступенчатого сигнала

Вывод: заметно, что спектр ступенчатого сигнала (полученного после двойного преобразования аналог → цифра → аналог), ожидаемо, содержит дополнительные гармоники, ведь для описания синуса нужен один синус, а для описания сигнала, изменяющегося с прямыми углами, по сути, нужно бесконечное число гармоник (на Рис. 9 вместилось всего 8) из-за предельного приближения формы суммы гармоник к прямоугольной. Но основные первые гармоники содержат информацию о изначальном синусе.

2. Анализ влияния частоты генератора сигнала синхронизации U1 на работу кодека

Частота увеличена с 200 кГц до 800 кГц

Рис. 11. Входной синусоидальный сигнал (красный) и его ступенчатое представление после двойного преобразования аналог → цифра → аналог (зелёный)

Рис. 12. Спектр выходного ступенчатого сигнала

Вывод: Увеличение частоты дискретизации позволяет лучше аппроксимировать ступенчатый цифровой сигнал, взятый в конкретных точках аналогового. Значит амплитуда ступенек уменьшается => амплитуда основных гармоник, отвечающих за исходный синус растёт, а амплитуда вторичных, отвечающих за ступеньки, уменьшается.

3. Анализ влияния потерь информации в линии передачи на работу кодека

Рис. 13. Входной синусоидальный сигнал (красный) и его ступенчатое представление после двойного преобразования аналог → цифра → аналог (зелёный)

Рис. 14. Спектр выходного ступенчатого сигнала

Вывод: В результате искажений (потерь информации) в линии передачи ступенчатый сигнал имеет ошибки, которые отдаляют его форму от желаемой – синусоидальной. Из-за того, что искажения имеют случайный характер и не имеют упорядоченной структуры, то для их описания необходимо гораздо больше гармоник, что и наблюдается на Рис. 9.

4. Анализ влияния увеличения напряжения с 5 до 7 В для источника V3

Рис. 15. Входной синусоидальный сигнал (красный) и его ступенчатое представление после двойного преобразования аналог → цифра → аналог (зелёный)

Рис. 16. Спектр выходного ступенчатого сигнала

Вывод: из-за разницы диапазонов АЦП и сигнала возникают искажения синуса – он обрезается сверху, что видно на Рис. 5 первой части работы и Рис. 14. При этом нижняя часть ступенчатого сигнала обрабатывается почти без искажений. Поэтому нужно большое количество гармоник, из-за асимметричности. Амплитуда выросла вследствие того, что АЦП использует весь диапазон изменения, доступный ему.

5. Анализ влияния пульсаций напряжения опорного источника V3 с частотой входного сигнала V1 на работу кодека

Рис. 17. Входной синусоидальный сигнал (красный) и его ступенчатое представление после двойного преобразования аналог → цифра → аналог (зелёный)

Рис. 18. Спектр выходного ступенчатого сигнала

Вывод: Влияние пульсаций напряжения опорного источника V3 с частотой входного сигнала V1 выглядит как небольшое отклонение ступенчатого выходного сигнала вверх или вниз, в зависимости от фазы входного синусоидального сигнала. Спектр содержит огромное количество гармоник, необходимых для описания большого количества кусочно-линейных участков с разными наклонами и местоположениями. Однако достигается большое отношение между основными и дополнительными гармониками, т.к. форма приближена к основному синусу.

6. Проанализировать влияние пульсаций напряжения опорного источника V3 с частотой генератора сигнала синхронизации U1 на работу кодека

Рис. 19. Входной синусоидальный сигнал (красный) и его ступенчатое представление после двойного преобразования аналог → цифра → аналог (зелёный)

Рис. 20. Спектр выходного ступенчатого сигнала

Вывод: Влияние пульсаций напряжения опорного источника V3 с частотой генератора сигнала синхронизации представляет собой гармонические колебания каждой ступеньки выходного сигнала, что соответствует сигналу синхронизации. Спектр содержит огромное количество гармоник, необходимых для описания постоянных флуктуаций сигнала.