Основы теории радиосистем передачи информации. Практикум

2. Исследование осциллограммы сигналов в различных точках схемы демодулятора при отсутствии шума в канале. Кнопкой переключения видов модуляции установить вариант “0”, соответствующий сигналу на входе МОДУЛЯТОРА. Сняв осциллограмму этого сигнала и, не меняя режим развёртки осциллографа, выбрать один из видов модуляции (ФМ). Зарисовать осциллограммы в следующих контрольных точках демодулятора:

–на входе демодулятора;

–на выходах перемножителей (в одном масштабе по вертикальной оси);

–на выходах интеграторов (также в одном масштабе);

–на выходе демодулятора.

На всех полученных осциллограммах отметить положение оси времени (т.е. положение нулевого уровня сигнала). Для этого можно зафиксировать положение линии развёртки при замыкании входных зажимов осциллографа.

3.Повторить п. 1.2 для другого вида манипуляции (ОФМ).

4.Установить вид модуляции ФМ. Зарисовать осциллограммы сигналов на входе МОДУЛЯТОРА и выходе ДЕМОДУЛЯТОРА при двух положениях тумблера фазировки опорного колебания – 00 и 1800. Зафиксировать в отчете роль фазировки опорного колебания для работы демодулятора ФМ, обращая внимание на состояние светодиодного индикатора ОШИБКА В СИМВОЛЕ. Зафиксируйте в отчете роль фазировки опорного колебания для работы демодулятора ФМ.

5.Повторите пункт 1.4 для ОФМ.

4.2Работа демодулятора в условиях помех

1.Переключателем ВИД МОДУЛЯЦИИ установить ФМ. Подключить один из входов двухканального осциллографа ко входу модулятора, а второй – к выходу демодулятора. Получите неподвижные осциллограммы этих сигналов.

2.Плавно увеличивать потенциометром ГШ напряжение шума, добиваясь появления редких сбоев на выходной осциллограмме или табло «ПРИНЯТО» вспышки светодиода "ОШИБКА ".

3.Исследование появления ошибок в работе демодулятора при наличии шума в канале. С помощью осциллографа измерить установленное отношение

сигнал/шум. (См. ПРИЛОЖЕНИЕ А). Найденное отношение а/ внести в таблицу 2.1.

4. Не изменяя уровень шума в канале, измерить вероятность ошибки демодулятора в приёме символа за конечное время анализа (т.е. оценку вероятности ошибки). Для этого привести ПК в режим измерения вероятности ошибки и установить время анализа 10 30 с. Определить число ошибок и Рош для ФМ и ОФМ. Полученные данные внести в таблицу 2.1.

11

Таблица 2.1 – Зависимость вероятности ошибки при различных видах модуляции

5 Содержание отчёта

Отчёт должен содержать:

–функциональную схему установки (верхнюю на сменном блоке);

–результаты измерений в виде таблиц, графиков, осциллограмм с соответствующими заголовками, исходными данными и пояснениями;

–краткие выводы и оценку результатов.

6 Контрольные вопросы

1.Каково назначение демодулятора в цифровой системе связи? В чем его основное отличие от демодулятора аналоговой системы?

2.Что такое скалярное произведение сигналов? Как оно используется в алгоритме работы демодулятора?

3.Можно ли в оптимальном демодуляторе применять согласованные фильтры?

4.Что такое "критерий идеального наблюдателя"?

5.Что такое "правило максимума правдоподобия"?

6.Как выбирается порог решающего устройства? Что будет, если его изменить?

7.Каков алгоритм принятия решения в РУ?

8.Объясните назначение каждого блока демодулятора.

9.Почему фазовая манипуляция не получила широкого распространения в системах связи?

10.Что такое "обратная работа демодулятора"?

11.Алгоритм оптимального демодулятора и его функциональная схема для

ФМ.

12.Алгоритм оптимального демодулятора и его функциональная схема для

ОФМ.

13.Объясните разницу в помехоустойчивости систем связи с разными видами модуляции.

14.Как можно получить опорное колебание из принимаемого сигнала для ФМ и ОФМ?

12

Лабораторная работа №3 "Исследование помехоустойчивости системы связи при разных видах модуляции"

1 Цель работы

Измерение оценок вероятности ошибки в приёме символа при разных видах модуляции и разных отношениях сигнал/шум.

2 Краткая характеристика исследуемых цепей и сигналов

В работе используется универсальный стенд со сменным блоком "МОДУЛЯТОР – ДЕМОДУЛЯТОР", функциональная схема которого приведена на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1 – Функциональная схема сменного блока "модулятор – демодулятор"

Источником цифрового сигнала является КОДЕР-1, который выдает периодическую последовательность из пяти символов. В блоке МОДУЛЯТОР происходит модуляция (манипуляция) двоичными символами "высокочастотных" колебаний по амплитуде, частоте или фазе, в зависимости от положения переключателя "ВИД МОДУЛЯЦИИ" – АМ, ЧМ, ФМ или ОФМ. При "нулевом" положении переключателя выход модулятора соединен с его входом (модуляция отсутствует).

КАНАЛ связи представляет собой сумматор сигнала с выхода модулятора и шума, генератор которого (ГШ) расположен в блоке ИСТОЧНИКИ СИГНАЛОВ.

ДЕМОДУЛЯТОР выполнен по когерентной схеме с двумя ветвями; коммутация видов модуляции – общая с модулятором. Поэтому эталонные сигналы s0 и s1 и пороговые напряжения в контрольных точках стенда изменяются автоматически при смене вида модуляции.

Знаками (Х) на функциональной схеме обозначены аналоговые перемножители сигналов, выполненные на специализированных ИМС.

13

Сумматоры ( ) предназначены для введения пороговых значений напряжений, зависящих от энергии эталонных сигналов s1 и s0.

Блок "РУ" – решающее устройство – представляет собой компаратор, то есть устройство, сравнивающее напряжения на выходах сумматоров.

В сменном блоке предусмотрен тумблер, переключающий начальную фазу () опорного колебания (0 или ) – только для ФМ и ОФМ. Для нормальной работы демодулятора тумблер должен быть в нулевом положении.

При амплитудной манипуляции предусмотрена возможность ручной установки порога с целью изучения его влияния на вероятность ошибки в приеме символа. Оценка вероятности ошибки производится в ПК путем подсчета числа ошибок за определенное время анализа. Сами сигналы ошибки (в символе или «букве») формируются в специальном блоке стенда («КОНТРОЛЬ ОШИБОК»), расположенном ниже блока ЦАП. Для визуального контроля ошибок в стенде имеются светодиодные индикаторы.

3 Лабораторное задание

Получение кривых помехоустойчивости для разных видов модуляции.

4 Методические указания

4.1 Включить лабораторную установку и собрать схему измерений согласно рисунку 3.2

Рисунок 3.2 – Функциональная схема измерений

Тумблерами КОДЕРА-1 набрать любую двоичную комбинацию из 5 элементов. Ручку регулятора “ПОРОГ АМ” установить в крайнее левое положение. При этом регулятор выключен и порог устанавливается автоматически при смене вида модуляции. Тумблер фазировки опорного колебания ДЕМОДУЛЯТОРА установить в положение "00". Соединить выход генератора шума (ГШ) в блоке ИСТОЧНИКИ СИГНАЛОВ со входом n(t) КАНАЛА связи. Потенциометр выхода генератора шума – в крайнем левом положении (напряжение шума отсутствует).

14

4.2 Анализ помехоустойчивости демодулятора при разных видах модуляции

иразных значений отношения а/

1.Установить вид модуляции ФМ. Подключить осциллограф на вход и выход ДЕМОДУЛЯТОРА, ручками синхронизации осциллографа добиться неподвижных изображений.

2.Подготовить таблицу 3.1. Установку требуемых значений а/ производить по экрану осциллографа, подключенного ко входу ДЕМОДУЛЯТОРА (см. ПРИЛОЖЕНИЕ А).

3.Установив на ПК время анализа в пределах 1030 с (и не меняя его в дальнейшем), произвести измерение оценки вероятности ошибки – Рош.

Полученное значение внести в таблицу 3.1. Не меняя а/ , повторить для других видов модуляции.

4. Установить новое соотношение а/ по методике, рассмотренной в ПРИЛОЖЕНИИ А, причем установить новую (меньшую) ширину шумовой «дорожки». Например, для а/ =2, эту ширину следует установить в 2 раза меньше, т.е. 6 =3 клетки, следовательно =0,5 клетки. После восстановления сигнала на входе КАНАЛА соотношение сигнал/шум на входе ДЕМОДУЛЯТОРА окажется а/ =1/0,5=2 (т.к. а=1 клетке), если не менялась настройка осциллографа.

5. Проведя измерения Рош для всех видов модуляции и всех значений а/, заполнить таблицу 3.1 и по результатам построить семейство кривых Рош=( а/) для разных видов модуляции.

Таблица 3.1 – Оценка помехоустойчивости демодулятора при разных видах модуляции

а/ 0,2 0,5 1 2

АМ

ЧМ

Рош ФМ

ОФМ

5 Содержание отчета

Отчёт должен содержать:

–функциональную схему установки (верхнюю на сменном блоке);

–результаты измерений в виде таблиц, графиков, осциллограмм с соответствующими заголовками, исходными данными и пояснениями;

–краткие выводы и оценку результатов.

15

6 Контрольные вопросы

1.Каково назначение демодулятора в цифровой системе связи? В чем его основное отличие от демодулятора аналоговой системы?

2.Что такое "критерий идеального наблюдателя"?

3.Что такое "правило максимума правдоподобия"?

4.Как выбирается порог решающего устройства? Что будет, если его изменить?

5.Каков алгоритм принятия решения в РУ?

6.Что такое "потенциальная помехоустойчивость" и какую помехоустойчивость вы измеряли в этой работе?

7.Как можно рассчитать Рош теоретически и измерить экспериментально?

8.Объясните разницу в помехоустойчивости систем связи с разными видами модуляции.

9.Как можно измерить отношение сигнал/шум на входе демодулятора?

10.При каком соотношении а/ система связи работает устойчиво? От каких функциональных узлов системы это зависит?

11.Что такое эквивалентная энергия сигналов?

16

Лабораторная работа №4 «Исследование согласованного фильтра»

1 Цель работы

Экспериментальное исследование сложных дискретных сигналов и особенностей их приёма согласованным фильтром.

2 Предварительная подготовка

2.1 Ознакомиться с описанием работы и изучить по указанной ниже литературе следующие вопросы:

−узкополосные и широкополосные сигналы и их свойства;

−шумоподобные сигналы (ШПС), их свойства, формирование и применение;

−дискретные последовательности Баркера, n-последовательности и др. и их функция корреляции;

−оптимальная фильтрация дискретных сигналов и дискретных последовательностей;

−структурные схемы оптимальных фильтров дискретных последовательностей и отношение сигнал/шум на выходе фильтра;

−структурные схемы систем передачи и приема дискретных сигналов с использованием ШПС, сравнительная помехоустойчивость таких систем с применением и без применения ШПС.

2.2 Ответить (устно) на вопросы, поставленные в разделе 4 данной работы. 2.3 Для заданного варианта сигнала (в виде последовательности Баркера)

рассчитать и построить функцию корреляции, нарисовать структурную схему оптимального фильтра для этого сигнала и его импульсную реакцию.

Таблица 4.1 – Варианты сигналов

2.4 Для подготовки к работе рекомендуется следующая литература:

17

1.Зюко А.Г., Кловский Д.Д., Коржик В.И., Назаров М.В. Теория электрической связи: Учебник для вузов связи / Под ред. Д.Д. Кловского. – М.: Радио и связь, 1999. – 432 с.

2.Основы теории помехоустойчивости дискретных сигналов: Учеб. пособие /А.А.Макаров, Л.А.Чиненков. – Новосибирск, СибГУТИ, 1997.

3.Методы повышения помехоустойчивости систем связи: Учеб. пособие /А.А.Макаров; Новосибирск, НЭИС, 1991.

4.Конспект лекций.

3 Описание лабораторной установки

3.1Лабораторная установка выполнена в виде программно управляемой модели на ПЭВМ в составе оборудования (процессор, дисковод, дисплей, принтер).

3.2При работе с программой необходимо руководствоваться указаниями с монитора ПК и лабораторным заданием.

3.3Краткое описание структурной схемы исследуемого оптимального (согласованного) фильтра (рисунок 4.1) приводится ниже.

− + − − + + +

Рисунок 4.1 − Структурная схема согласованного фильтра для последовательности Баркера из 7 импульсов

Импульсы последовательности Баркера (n = 7) длительностью T = n и поступают на линию задержки, имеющую отводы через каждые и , и далее через инвертирующие или не инвертирующие устройства (в соответствии с формой последовательности) на сумматор. Сигнал на выходе суммирующего устройства после 2 n тактовых интервалов и имеет вид функции корреляции входной последовательности. Для обнаружения сигнала на выходе фильтра может устанавливаться решающее устройство (РУ), в котором сигнал на выходе сумматора сравнивается с пороговым уровнем и принимается решение о присутствии (да) или отсутствии (нет) данной последовательности Баркера на входе фильтра.

18

4 Вопросы для самостоятельной подготовки

4.1Дайте определение узкополосных и широкополосных сигналов.

4.2Что общего и в чём различие потенциальной помехоустойчивости узкополосных и широкополосных сигналов (ШПС)?

4.3Какие требования предъявляются к ШПС в практике их применения?

4.4Какие методы формирования широкополосных сигналов вам известны и где они используются?

4.5Приведите структурную схему системы передачи информации с ШПС?

4.6Какой фильтр дискретных сигналов является оптимальным при белом гауссовском шуме? Почему он также называется согласованным?

4.7Какой вид имеют импульсная и амплитудно-частотная характеристики оптимального фильтра дискретных сигналов?

4.8Какую форму имеет сигнальная составляющая на выходе согласованного фильтра?

4.9Как построить согласованный фильтр для последовательности прямоугольных импульсов?

4.10Как, в принципе, на основе трансверсального фильтра можно построить согласованный фильтр для сигнала произвольной формы?

5 Лабораторное задание

5.1Ознакомиться с особенностями экспериментального исследования на ЭВМ приёма дискретных сигналов согласованным фильтром (СФ).

5.2Исследовать связь между импульсной характеристикой СФ и видом сигнала, с которым он должен быть согласован.

5.3Исследовать форму сигнала на выходе согласованного фильтра при подаче на его вход различных сигналов (согласованного и несогласованных с фильтром).

5.4Исследовать влияние искажения элементов входной дискретной последовательности на изменение формы сигнала на выходе согласованного фильтра.

6 Порядок выполнения работы

6.1Включить ЭВМ. Вызвать и запустить программу Lab2_ЭВМ.exe. Последующие действия выполняются в соответствии с выводимыми на мониторе ПК сообщениями в диалоговом режиме и лабораторным заданием.

6.2Исследовать связь между импульсной характеристикой согласованного фильтра и видом сигнала, с которым он должен быть согласован.

В качестве исходных сигналов используются дискретные кодовые последовательности из элементов {+1,- 1} длиной n (вариант таблицы 4.1).

Для выполнения данного пункта необходимо:

19

а) для выбранной последовательности S(t) найти предварительно требуемую импульсную характеристику g(t) фильтра, который должен быть согласован с

S(t);

б) в режиме запроса ЭВМ ввести с клавиатуры длину последовательности n, временную функцию сигнала S(t) и импульсную характеристику фильтра g(t). Зарисовать с монитора ПК графики S(t) и g(t).

Примечание: ПО оценивает правильность ответа студента, при трёх неправильных ответах студент к выполнению работы не допускается.

6.3 Исследовать форму сигнала на выходе согласованного фильтра при вводе сигнала, с которым он согласован. Для этого необходимо предварительно рассчитать временную функцию ожидаемого сигнала на выходе фильтра у(t) в виде последовательности значений для дискретных моментов времени tk = k и, где –n k n. Значения y(k и) вводятся с клавиатуры по запросу ПО.

Примечание: Pасчёт у(k и) основан на том, что напряжение на выходе СФ представляет собой по форме корреляционную функцию входного сигнала.

Зарисовать график сигнала у(t) на выходе согласованного фильтра.

6.4Исследовать форму сигнала на выходе согласованного фильтра при вводе различных сигналов, с которыми фильтр не согласован, в том числе и сигнала, инвертированного по отношению к S(t).

Зарисовать графики сигналов у(t) и сравнить их с сигналом у(t) предыдущего пункта.

6.5Исследовать влияние искажений элементов входной последовательности S(t) на изменение формы сигнала на выходе согласованного фильтра и, прежде всего, на изменение основного максимума (пика, то есть y(t = T)) и уровня боковых выбросов.

Выполнение данного пункта производится по методике п. 6.4 (выполнение п. 6.5 можно объединить с п. 6.4), при этом вводятся последовательности, отличающиеся от используемой последовательности S(t) одним, двумя, тремя и т.д. элементами. Для каждого случая записать значения уровней основного пика

имаксимального бокового выброса. Полученные результаты сравнить с результатами п. 6.3.

7 Содержание отчета

Отчет должен содержать:

–структурную схему оптимального фильтра для заданной последовательности;

–результаты предварительных расчетов;

–графики полученных зависимостей;

–результаты сравнительного анализа;

–выводы.

20