Laboratornaya_2

Рисунок 5

На рис.6 приведены временные диаграммы работы такого приемника, аналогичные рис.4.

Недостатком одноканальной реализации корреляционного приемника двоичных ФМ – сигналов является отсутствие признака прекращения сигналов на входе приемника.

У двухканального приемника этим признаком является нулевой уровень напряжения на выходе порогового устройства (сигнальные уровни – это положительное и отрицательное напряжения). У одноканального приемника нулевой уровень на выходе порогового устройства совпадает с ситуацией приема противоположного элементарного сигнала и с отсутствием входного сигнала.

При непрерывной работе системы связи этот недостаток не может считаться существенным.

4.3 Относительная фазовая манипуляция

Двоичная фазовая модуляция среди всех известных видов двоичной модуляции гармонического колебания является наиболее помехоустойчивой (см. рис.2 и формулы (12) и (13)), однако она требует когерентной демодуляции, для которой в приемнике должно формироваться опорное гармоническое колебание, когерентное с несущим колебанием в точке приема.

Проблема получения такого колебания заключается в том, что в спектре принимаемого дискретного радиосигнала отсутствует гармоника несущей частоты, которую можно было бы выделить узкополосным линейным фильтром.

22

t

1

t

2

t

3

Рис.6. Временные диаграммы в точках одноканального приемника ФМсигналов

Передача опорного колебания по отдельному радиоканалу экономически невыгодна и технически сложна.

Формирование опорного колебания из принимаемого дискретного сигнала в ФОН обычно осуществляется на основе нелинейного преобразования принимаемого сигнала, при котором гармоники сигнала, расположенные симметрично относительно частоты f0 несущего колебания, создают гармонику удвоенной несущей частоты

23

Здесь fn – отклонение n – й гармоники нижней и верхней гармоник боковых полос спектра сигнала от f0.

Для двоичного ФМ-сигнала (ФМ-2) достаточно возвести в квадрат принимаемый дискретный сигнал

U (t) U m cos(2 f0t i ) U m cos( 0t i ) ,

U 2

2m (1 cos(2 0t)) .

Делением частоты этого колебания на два в ФОН формируется опорное колебание, когерентное несущему.

Следует заметить, что операция деления частоты гармонического колебания на два порождает неопределенность начальной фазы полученного опорного колебания. Она может иметь два значения относительного несущего колебания – 0 и π. При начальной фазе, равной нулю, демодулятор работает нормально, а при начальной фазе, равной π, демодулятор создает на выходе двоичную последовательность элементарных видеоимпульсов негативную по отношению к передаваемой последовательности. При этом нулевые элементы заменяются единичными, а единичные – нулевыми. Этот режим называется «режимом обратной работы демодулятора». Он нежелателен, так как в последовательности элементарных видеоимпульсов на выходе демодулятора нет явного признака прямой или обратной работы. От эффекта обратной работы фазового демодулятора свободна относительная фазовая модуляция (ОФМ), предложенная русским ученым Н.Т.Петровичем в 1954 году. Этот вид модуляции также называют фазоразностной модуляцией (ФРМ). Суть метода заключается в том, что манипуляция фазы осуществляется относительно предыдущего элементарного радиоимпульса, а не относительно фазы несущего колебания. Поэтому на приемной стороне в демодуляторе возможно сравнение фазы каждого радиоимпульса с предыдущим (автокорреляционная демодуляция или «метод сравнения фаз»). В практической реализации такой демодулятор оказывается труднореализуемым, так как требует запоминания начальной фазы каждого элементарного импульса на интервал tэ, равный его длительности.

24

В практической реализации модуляции и демодуляции методом ОФМ поступают иначе. А именно:

- на передающей стороне подлежащая передаче двоичная последовательность видеоимпульсов, представленная абсолютным кодом, преобразуется в двоичную последовательность относительного кода по алгоритму

bi ai bi 1,

где аi – i-й двоичный элемент преобразуемой последовательности абсолютного кода,

bi – i-й двоичный элемент генерируемой последовательности относительного кода,

bi-1 – (i-1)-й элемент относительного кода;

-последовательность относительного кода используется для фазовой манипуляции несущего колебания так же, как это делается при ФМ, в результате чего образуется радиосигнал с ОФМ;

-на приѐмной стороне радиосигнал с ОФМ демодулируется в фазовом демодуляторе так же, как радиосигнал с ФМ, в результате чего на выходе фазового демодулятора, использующего опорное колебание, формируемое ФОН, получается двоичная последовательность относительного кода, которая может оказаться как прямой, так и обратной по отношению ко входной последовательности фазового модулятора в передатчике (режимы прямой и обратной работы фазового демодулятора);

-эта последовательность декодируется декодером относительного кода в соответствии с алгоритмом декодирования

аi bi bi 1,

который преобразует последовательность относительного кода (независимо от того прямой он или инверсный) в последовательность двоичных элементов абсолютного кода, всегда такую же, как и на передающей стороне.

Таким образом, при описанной реализации относительной фазовой модуляции-демодуляции между точками на входе относительного кодера и выходе относительного декодера всегда обеспечивается «прямая работа» в то время как между входом фазового модулятора и выходом фазового демодулятора может иметь место как режим прямой, так и обратной работы.

Относительным фазовым модулятором описанной схемы передачи фазоманипулированного сигнала является последовательно соединенные относительный кодер и обычный фазовый модулятор. Аналогично, относительным фазовым демодулятором являяются

25

последовательно соединенные обычный фазовый демодулятор и относительный декодер.

Платой за полученную выгоду при ОФМ является незначительное усложнение модулятора и демодулятора. Главным же недостатком ОФМ является удвоение числа ошибок, возникающих в канале связи. Это объясняется свойством алгоритма декодирования относительного кода, приведенным выше, в соответствии с которым ошибочно принятый символ bi+1 участвует в формировании выходного символа аi (bi - верный символ), а также в формировании символа

аi 1 bi 1 bi 2 .

Поэтому вероятность ошибки при ОФМ будет примерно в два раза выше, чем при ФМ при одном и том же отношении сигнал/шум q

На рис.7 изображены функциональные схемы относительных фазового модулятора и демодулятора, а на рис.8 – примеры временных диаграмм в характерных точках схем при прямой и обратной работах между входом фазового модулятора ФМ и выходом фазового демодулятора ФДМ.

Рис.7. Функциональная схема модулятора-демодулятора ОФМ.

26

Рис.8. Временные диаграммы кодирования-декодирования ОФМ.

5. КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ИССЛЕДУЕМЫХ ЦЕПЕЙ И СИГНАЛОВ

В работе используется сменный блок «МОДУЛЯТОР - ДЕМОДУЛЯТОР», функциональная схема которого изображена на рис.9.

Рис.9. Функциональная схема сменного блока «МОДУЛЯТОРДЕМОДУЛЯТОР»

Источником цифрового сигнала является КОДЕР-1 расположенный в базовом блоке и формирущий периодическую последовательность групп из пяти двоичных элементарных импульсов. С помощью тумблеров можно установить любую пятиэлементную двоичную кодовую комбинацию, которая индицируется линейкой из пяти светодиодных индикаторов с надписью «ПЕРЕДАНО».

В модуляторе осуществляется модуляция (манипуляция) гармонического колебания двоичными элементарными импульсами по амплитуде, частоте или фазе, в зависимости от положения переключателя «ВИД МОДУЛЯЦИИ» - АМ, ЧМ, ФМ, ОФМ. При «нулевом» положении переключателя выход модулятора соединен с его входом (модуляция отсутствует). На контрольных гнездах S0 и S1 модулятора присутствуют те гармонические колебания, которые используются для формирования модулированного сигнала.

КАНАЛ связи представляет собой линейный сумматор сигнала с выхода модулятора и шумового напряжения n(t). Гнездо «n(t)» предназначено для подачи шумового напряжения от генератора шума, расположенного в узле «ИСТОЧНИКИ СИГНАЛОВ» базового блока стенда. Он формирует квазибелый шум, имитирующий шум канала связи, в той же полосе частот, в которой расположен спектр модулированных сигналов – (12 - 28) кГц.

«ДЕМОДУЛЯТОР» выполнен по когерентной схеме с двумя каналами. При этом коммутация видов модуляции выполнена общей с

27

модулятором. В соответствии с этим эталонные колебания S0 и S1 и пороговые напряжения в контрольных точках стенда изменяются автоматически согласованно со сменой вида модуляции.

Знаками (Х) на функциональной схеме обозначены аналоговые перемножители, выполненные на специализированных интегральных микросхемах.

Узлы интеграторов выполнены на операционных усилителях. Электронные ключи (на схеме они не показаны) разряжают конденсаторы интеграторов перед началом каждого символа.

Сумматоры («Σ») предназначены для введения пороговых значений напряжений 0,5Е0, зависящих от энергии эталонных

колебаний S0 и S1.

Решающее устройство РУ представляет собой дифференциальный компаратор, сравнивающий напряжения на выходах сумматоров. Само «решение», то есть принятое сообщение «0» или «1» в виде соответствующих логических уровней напряжений, подается на выход демодулятора в момент перед окончанием каждого элементарного импульса и сохраняется до принятия следующего «решения». Моменты принятия решений и последующих разрядов конденсаторов в интеграторах задаются специальной логической схемой, управляющей электронными коммутаторами и имитирующей работу подсистемы тактовой синхронизации приемной аппаратуры.

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

В качестве измерительных приборов используются двухканальный осциллограф, встроенный вольтметр и персональный компьютер, работающий в режиме подсчета ошибок.

28

6.ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ

1.Изучите состав и возможности лабораторного стенда по данному описанию.

2.Изучите основные разделы темы по литературным источникам [1-7] и конспекту лекций.

3.Ознакомьтесь с содержанием лабораторных исследований.

4.Для двоичной последовательности абсолютного кода

0010101111110111000001110001110011110111110001 постройте соответствующую последовательность, представленную относительным кодом. Обе последовательности изобразите согласованными (одну под другой).

5.Выполните расчет потенциальной помехоустойчивости приема двоичных радиосигналов с частотной (ЧМ), фазовой (ФМ) и относительной фазовой (ОФМ) модуляциями, изменяя отношение сигнал/шум в пределах от минус 6 до плюс 17дБ.

6.Результаты расчетов сведите в таблицу и постройте

зависимости вероятностей символьной ошибки Р0 от отношения сигнал/шум q.

7.Сопоставьте результаты расчетов Р0(q) при ЧМ, ФМ и ОФМ. Сделайте выводы.

7.ЛАБОРАТОРНОЕ ЗАДАНИЕ И МЕТОДИЧЕСКИЕ

РЕКОМЕНДАЦИИ

7.1. Изучение работы демодулятора при отсутствии помех

Скоммутировать схему исследуемого демодулятора с источником сигнала в соответствии с рис.10

Рис.10. Функциональная схема лабораторной установки

29

Тумблерами КОДЕРА-1 набрать любую двоичную комбинацию из 5 элементов. Тумблер начальной фазы опорного колебания демодулятора установить в положение «0». 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). Вход внешней синхронизации осциллографа соединить с гнездом С2 в блоке ИСТОЧНИКИ, а усилители вертикального отклонения лучей перевести в режим с открытым входом (для наблюдения процессов в контрольных точках с постоянной составляющей напряжения).

Подключить вход вертикального отклонения первого канала осциллографа к выходу КОДЕРА-1 а второго канала – к выходу МОДУЛЯТОРА.

Кнопкой переключения видов модуляции установить вариант «0», соответствующий сигналу на входе МОДУЛЯТОРА. Добившись устойчивости изображения процессов на экране осциллографа, зарисовать их временные диаграммы, осуществив при этом измерения амплитуды и временных параметров последовательности кодовых комбинаций, формируемых КОДЕРОМ-1, при произвольной 5 – разрядной кодовой комбинации.

7.2.Демодулятор ФМ-сигнала

7.2.1.Не меняя режима развертки осциллографа, установить переключателем ВИД МОДУЛЯЦИИ фазовую модуляцию «ФМ» и с помощью второго луча осциллографа наблюдать и зарисовать временные диаграммы напряжений:

-на входе демодулятора;

-на выходах перемножителей;

-на выходах интеграторов;

-на выходе демодулятора.

Диаграммы должны быть сняты по напряжению в одном и том же масштабе со входным напряжением демодулятора и согласованы с ним по времени.

По полученным временным диаграммам определить коэффициенты передачи функциональных узлов и объяснить связь характеров входного и выходного напряжений.

7.2.2. Повторить действия п.7.2.1 при относительной фазовой модуляции радиосигнала.

30

7.2.3.Сопоставить временные диаграммы в контролируемых точках демодулятора при ФМ и ОФМ. Отметить и объяснить их различие.

7.2.4.Установить вид модуляции «ФМ». Тумблерами КОДЕРА-1 установить кодовую комбинацию 11111. Зарисовать временные диаграммы напряжений на входе модулятора, его выходе, на входе демодулятора и его выходе. Установить, не меняя структуры кодовой комбинации, вид модуляции «ОФМ» и также зарисовать временные диаграммы в указанных выше точках. Сопоставляя временные диаграммы напряжений при ФМ и ОФМ в контрольных точках схемы отметить их характерные различия и объяснить их. Повторить указанные выше действия для кодовой комбинации 10000 и 10101. Объяснить характер зависимости последовательности двоичных символов на входе и выходе модулятора, а также на входе модулятора

ивыходе демодулятора.

7.2.5.При входных кодовых комбинациях 11111 и 10101, изменяя положение тумблера фазировки опорного колебания (0° и 180°), зарисовать временные диаграммы напряжений на входе модулятора и выходе демодулятора. Отметить и объяснить их характерные различия в зависимости от фазировки опорного напряжения. Выполняя эти действия, обратить внимание на состояние светодиодных индикаторов «ОШИБКА» и табло «ПРИНЯТО».

7.3.Исследование работы демодулятора при наличии аддитивного

шума

7.3.1.Переключателем ВИД МОДУЛЯЦИИ установить ФМ. Установить кодовую комбинацию, поступающую от КОДЕРА-1 на вход модулятора в значение 10101. Подключить первый канал осциллографа ко входу модулятора, а с помощью второго канала, увеличивая уровень шума от ГШ на входе n(t) КАНАЛА, наблюдать временные диаграммы напряжений во всех контрольных точках демодулятора. Обратить внимание на характерные особенности напряжений на выходах перемножителей и интеграторов (по сравнению с ситуацией отсутствия шума). Зарисовать диаграммы напряжений в этих точках.

7.3.2.Плавно увеличивая уровень шума потенциометром ГШ, добиться появления редких сбоев в структуре принимаемых кодовых комбинаций на выходе демодулятора и табло «ПРИНЯТО».

7.3.3.С помощью осциллографа измерить установленное отношение сигнал/шум. Для этого, отключив источник шума от входа n(t) КАНАЛА, измерить на входе демодулятора размах гармонического