Часть 3. Использование пш последовательностей для генерации шума

Теоретически, генерация белого шума невозможна. Объясняется это тем, что бесконечное количество гармоник с равным распределением энергетической плотности требует бесконечного количества энергии. В то же время, как вы могли видеть в предыдущей части эксперимента, длинная ПШ последовательность имеет большое количество гармоник, и более того, некоторые участки ее спектра имеют довольно плоскую форму. Исходя из этого, можно изолировать часть спектра ПШ последовательности с помощью фильтра и смоделировать белый шум с ограниченной полосой.

1. Остановите Signal Analyzer VI. Полностью разберите собранную схему.

2. Запустите NI ELVIS II Function Generator VI. Установите частоту сигнала 150кГц.

3. Соберите схему, показанную на рисунке 14.9.

Рисунок 14.9

Схеме соответствует блок-схема на рисунке 10. Математические расчеты говорят о том, что при частоте 150кГц и 255 гармониках на одну долю спектра последовательности гармоники отстоят друг от друга на 588Гц.

Рисунок 14.10

4. Установите регулятор Gain модуля Tuneable Low-pass Filter в среднее положение, а Cut-off Frequency Adjust – в крайнее правое. Частота среза фильтра нижних частот установлена на 15 кГц.

5. Запустите осциллограф. Настройте его:

• Timebase 1ms/div

• Trigger Type Immediate

• CH 1 выключен

6. На что похож сигнал на выходе фильтра низких частот?

Сигнал на выходе ФНЧ не «белый» шум, потому что имеет ограниченный спектр. Не является это сигнал и «шумом». Настоящий шум не повторяется, в то время как сигнал на выходе ФНЧ повторяется каждые 1,7мс. Повторяющуюся природу сигнала можно рассмотреть с помощью осциллографа.

7. Остановите осциллограф, чтобы сигнал на его экране можно было рассмотреть. Внимательно посмотрите на сигнал – вы должны увидеть примерно пять его повторений. Измерьте период повторения сигнала. Посчитайте, сколько гармоник пропускает ФНЧ?

8. Запустите Signal Analyzer со следующими настройками:

• Source Channel Scope CH 0

• Frequency Span 20,000Hz

• Trigger Type Immediate

9. На экране анализатора сигналов определите число гармоник, присутствующих между частотой 0Гц и частотой среза.

10. Остановите Signal Analyzer и запустите осциллограф.

11. Измените схему, как показано на рисунке 14.11.

Рисунок 14.11

12. Рассмотрите сигнал на выходе ФНЧ. Почему он больше не выглядит как электрический шум?

Чтобы получить ответ на этот вопрос, закройте осциллограф и вновь запустите анализатор сигналов. Посчитайте число гармоник между 0Гц и частотой среза.

Лабораторная работа №15. Перекодирование Теоретическая часть.

Как известно, в цифровой электронике логический «0» и логическая «1» представляются соответствующими уровнями напряжения. Например, транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ) использует 0В в качестве логического нуля и 5В как логическую единицу (или напряжения, которые близки к данным). В других структурах (КМОП и др.) напряжения необязательно равны 0 и 5 вольт соответственно. Это говорит о том, что логические уровни могут быть представлены любыми парами напряжения на наше усмотрение – их выбор не настолько важен, как может показаться.

Особенно этот выбор важен, когда сигнал будет передаваться не в пределах одной микросхемы, а по линиям связи, таким как, например, телефонная линия. Стандартные напряжения, используемые в ТТЛ и КМОП микросхемах меньше, чем необходимо для этой цели. Более того, нахождение напряжения на одном уровне весь период длительности логического элемента может иметь отрицательное влияние. По этим причинам цифровые сигналы перед тем, как поступить в линию связи проходят через специальную операцию – перекодирование.

Существует достаточно кодов, используемых для передачи в линиях связи. Вот четыре из них :

– Non-return to zero - level (bipolar) (NRZ-L)

Оригинальный цифровой сигнал сохраняется, но сдвигается симметрично относительно 0В.

– Bi-phase - level (Bi$-L также известен как Манчестерский код)

Уровень меняется на середине длительности бита с +V на – V, если это логическая «1», и с – V на + V, если это логический «0».

– Return to zero - alternate mark inversion (RZ-AMI)

Как видно из рисунка 1, этот код использует нулевой уровень напряжения в качестве логического «0» и импульсы длиной в полбита для логической единицы. При этом, полярность импульсов чередуется (даже если единицы идут не одна за другой).

– Non-return to zero - mark (bipolar) (NRZ-M)

В этом коде напряжение меняет уровень, если поступает «1», и не меняет, если поступает «0».

Рисунок 15.1

Таблица на рисунке 15.2 отражает сравнительные характеристики этих четырех кодов по необходимой полосе частот для передачи и возможности восстановления частоты следования битов из полученного сигнала.

Рисунок 15.2

Как видно из этой таблицы, RZ-AMI код представляет собой наилучший компромисс между используемой шириной полосы передачи и способностью восстановления тактовой частоты следования битов. Поэтому, он широко используется в цифровой связи.

Восстановление тактовой частоты битов (Bit-clock regeneration).

В цифровой связи, после того, как сигнал был демодулирован приемником и очищен от помех, происходит считывание информационных битов данных. Какая бы схема и какое бы устройство не выполняло бы эту операцию, оно должно иметь тактовую частоту соответствующую тактовой частоте следования битов исходных данных. В противном случае, некоторые биты могут быть прочитаны несколько раз или же наоборот – не прочитаны совсем. Каждый из этих вариантов влечет появление ошибок обработки.

В проводных линиях связи и цифровых устройствах для этого используют отдельных провод, по которому происходит синхронизация источника и приемника. В беспроводных же линиях это невозможно, так как для этого необходимо прокладывать дополнительную линию. Одним из методов удаленной синхронизации и является метод восстановления тактовой частоты битов (bit-clock regeneration - BCR).

Самым простым методом восстановления тактовой частоты следования битов является извлечение основной гармоники из спектра сигнала. В спектре Манчестерского кода существует значащая гармоника соответствующая исходной тактовой частоте. Сигнал с такой частотой может быть выделен с помощью простого избирательного полосового фильтра.

Остальные представленные коды не имеют значащей гармоники соответствующей исходной тактовой частоте битов. Несмотря на это, их спектр представлен гармониками, которые являются производными от основной путем перемножения. Поэтому, при математической обработке сигнала(возведение в квадрат) может быть получена гармоника, соответствующая изначальной частоте битов.

После извлечения синусоиды с исходной частотой битов, она направляется в компаратор, так оцифровывается и используется как тактовая частота обработки принятых битов.