Часть 4 – Спектр декодированного икм-сообщения

Существуют специальные математические методы, позволяющие с большой степени точности и надежности предсказать состав спектра сигнала на выходе ИКМ-декодера. Однако в задачи данного эксперимента не входит ваше овладение данной методикой. Тем не менее, вам важно знать, что в спектре сигнала на выходе ИКМ-декодера всегда будет находиться копия гармоники (или гармоник) оригинального сообщения.

41. Установите элемент управления Frequency Span (Диапазон частот) на 15000 Гц.

42. При помощи курсора С2 найдите в спектре сигнала гармонику с частотой 500 Гц.

Совет: Эта гармоника – копия исходного сообщения (смотрите заметки выше).

43. Измените частоту исходного сигнала (то есть выхода генератора функций) до 1 кГц.

44. При помощи курсора С2 проверьте, включает ли теперь сигнал с выхода ИКМ-декодера гармонику с частотой 1 кГц.

45. Приостановите ВП анализатора, нажав кнопку Stop (Стоп).

46. Снова запустите ВП осциллографа, нажав на кнопку Run (Запуск).

47. Сравните оригинальное сообщение с восстановленным.

48. Увеличьте частоту сообщения до 2 кГц и пронаблюдайте эффект.

Совет: Возможно, вам понадобится установить элемент управления Timebase (Масштаб по оси времени) в положение 100 мкс/дел.

49. Увеличьте частоту сообщения до 3 кГц и пронаблюдайте эффект.

50. Остановите ВП осциллографа.

51. Снова запустите ВП анализатора.

52. Воспользуйтесь курсором С2, чтобы проверить свой ответ на вопрос.

Хотя сигнал на выходе ИКМ-декодера всегда включает в себя копию исходного сообщения, в нем также присутствуют и другие значимые гармоники (это верно для всех систем оцифровки, не только ИКМ). Эти гармоники называются побочными низкочастотными составляющими (aliases). В хорошо разработанной системе частоты этих гармоник не превышают частоты исходного сигнала. Далее вы научитесь идентифицировать некоторые побочные составляющие в "ступенчатой" версии сигнала с выхода ИКМ-декодера.

53. Снова установите частоту сигнала равной 500 Гц.

54. Установите элемент управления анализатора Frequency Span (Диапазон частот) на 40000 Гц.

55. При помощи курсора С2 удостоверьтесь, что на следующих частотах присутствуют побочные низкочастотные составляющие: 12 кГц и 13 кГц, 24.5 кГц и 25.5 кГц, 37 кГц и 38 кГц.

Часть Е – Восстановление сообщения

Далее вам предстоит восстановить исходное сообщение при помощи фильтра.

56. Внесите изменения в схему, как показано на рисунке 9.

Рисунок 9

Выполненные соединения можно представить блок-схемой, изображенной на рис. 10. ФНЧ с частотой среза 3 кГц предназначен для восстановления исходного сообщения из выходного сигнала ИКМ декодера.

Рисунок 10

PCM Encoding - ИКМ кодирование: Message To CH 0 – сообщение к каналу 0, IN – вход сигнала сообщения, CLK – вход синхронизации

PCM Decoding - ИКМ декодирование: PCM data - ИКМ сообщение, CLK – сигнал битовой синхронизации с ИКМ кодера, Reconstruction – восстановление: 3kHz LPF –фильтр низких частот с частотой среза 3 кГц,

Recovered message To CH 1 – восстановленное сообщение к каналу 1

57. При помощи курсора С2 попробуйте определить побочные составляющие спектра (см. шаг 55).

58. Остановите ВП анализатора.

59. Верните настройку Timebase (Масштаб по оси времени) в положение 50мкс/дел.

60. Снова запустите ВП осциллографа.

61. Сравните исходное сообщение с восстановленным.

Два сигнала определенно одинаковы, так что давайте проверим их на слух.

62. Добавьте в схему усилитель (Amplifier) согласно рис. 11.

Рисунок 11

63. Поверните виртуальный регулятор коэффициента усиления усилителя Gain до упора против часовой стрелки.

64. Не надевая наушников, подключите их в соответствующий разъем модуля усилителя

65. Наденьте наушники.

66. Вращайте виртуальный регулятор коэффициента усиления Gain до тех пор, пока не добьетесь приемлемой слышимости сигнала на выходе ФНЧ.

67. Запомните, как звучит восстановленное сообщение.

68. Отсоедините усилитель от ИКМ декодера и подключите его к выходу генератора функций

69. Сравните звучание двух сигналов.

Примечание: вам они должны показаться очень похожими.

Теперь давайте заменим тестовый сигнал речевым.

Рисунок 12

71. Установите элемент управления Timebase (Масштаб по оси времени) осциллографа в положение 2 мс/дел.

72. Говорите в микрофон, наблюдая и слушая восстановленный сигнал

Лабораторная работа № 5

ДИСКРЕТИЗАЦИЯ ПРИ ИМПУЛЬСНО-КОДОВОЙ МОДУЛЯЦИИ

И ЧАСТОТА НАЙКВИСТА

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Изучение основ функционирования современных контрольно-измерительных приборов

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Как вы уже знаете из предыдущих экспериментов, первый шаг в процессе ИКМ-кодирования (и в большинстве других схем оцифровки) - дискретизация аналогового сигнала сообщения. Это необходимо, поскольку, если сообщение представляет собой сигнал, наподобие речевого, он изменяется непрерывно, и ИКМ-кодер (PCM Encoder) не может точно преобразовать его. Вместо этого сообщение подвергается дискретизации (что немного напоминает моментальные снимки) и значение напряжения (или тока), полученное в момент дискретизации, сохраняется постоянным достаточно долго, чтобы ИКМ-кодер успел преобразовать его в двоичный код. После этого берется другой отсчет, и процесс повторяется заново.

Важно отметить, что сигнал, который действительно преобразуется в цифровую форму, является искаженной версией сообщения, а не самим сообщением. Это показано на рис. 1, где сигналом сообщения является синусоида (Message), а пунктирные линии обозначают моменты взятия отсчетов. Дискретизированный во времени сигнал показан ниже (Sampled message). Заметим, что амплитуда ступенек напряжения такая же, как и амплитуда исходного сообщения в точках взятия отсчетов.

Рисунок 1

Если вам кажется, что вы уже видели раньше второй сигнал, вы не ошибаетесь. Это нефильтрованный сигнал, наблюдаемый на выходе ИКМ-декодера (PCM Decoder). Другие словами, ИКМ-декодер верно преобразует цифровые данные в дискретизированное, а не в оригинальное сообщение. Как вы видели в предыдущем эксперименте, неискаженную версию сообщения получают при помощи фильтрации.

Чтобы понять, как работает фильтрация, рассмотрим математическую модель, описывающую дискретизированный сигнал:

Дискретизированное сообщение = сигнал дискретизации х сообщение

Как вы видите, дискретизация на самом деле является умножением сигнала сообщения на сигнал дискретизации (цифровой сигнал, используемый для снятия отсчетов). Цифровой сигнал дискретизации состоит из постоянной составляющей, первой (или основной) гармоники, и прочих гармоник с частотами, кратными частоте основной гармоники. Таким образом, уравнение, приведенное выше, можно переписать как:

Дискретизированное сообщение = (постоянная составляющая + основная гармоника + гармоники) х сообщение.

Если сообщение представляет собой простой гармонический сигнал (как на рис. 1) , решение уравнения (требующее обязательного использования тригонометрии, что здесь не показано) говорит, что дискретизированный сигнал состоит из:

Синусоиды той же частоты, что и сообщение.

Набора синусоид (побочных составляющих), представляющих собой сумму и разность между частотами основной гармоники и сигнала сообщения.

Множества других пар синусоид (побочных составляющих), представляющих собой сумму и разность частот гармоник дискретизирующего сигнала и сообщения.

Рассмотрим для примера ту схему, что вы собрали в предыдущем эксперименте. Напомним, сообщение представляло собой синусоиду частотой 500 Гц, а 8-битный ИКМ-кодер синхронизировался частотой 100 кГц. Поскольку ИКМ-кодеру требуется восемь тактов, чтобы преобразовать каждое двоичное число в последовательный код, частота дискретизирующего сигнала должна составлять одну восьмую тактового, то есть, в нашем случае, 12.5 кГц.

В таком случае дискретизированный сигнал включает:

• Синусоиду частотой 500 Гц.

• Пары синусоид с частотой 12 кГц (то есть 12.5 кГц - 500 Гц) и 13 кГц (то есть 12.5 кГц + 500 Гц)

• Пары синусоид с частотами 24.5 кГц и 25.5 кГц ( то есть 2 х 12.5 кГц ± 500 Гц), еще пары синусоид с частотами 37 кГц и 38 кГц ( то есть 3 х 12.5 кГц ± 500 Гц), и так далее, теоретически – до бесконечности.

Как вы видите, это очень много синусоид! Важно знать, что среди них всегда есть одна с той же частотой, что и сообщение. Поэтому, чтобы восстановить сообщение, нужно лишь пропустить дискретизированный сигнал через фильтр нижних частот (ФНЧ) называемый восстанавливающим фильтром (reconstruction) или предфильтром (anti-aliasing filter). При подходящей частоте среза, большой крутизне спада и если побочные составляющие имеют достаточно высокие частоты, фильтр пропустит на выход копию исходного сигнала, подавив побочные частоты. Результатом будет неискаженная копия сообщения.

Проблемы возникают, когда система неудачно разработана или используется в неподходящих условиях. При этом может возникнуть ситуация, когда одна или несколько побочных составляющих проходят через восстанавливающий фильтр вместе с сообщением. Неудивительно, это вызывает искажения восстановленного сообщения – проблему, известную как наложение спектров (aliasing).

В этом эксперименте вы будете использовать модуль Emona FOTEx для преобразования гармонического сигнала в поток ИКМ-данных и обратного преобразования в аналоговый сигнал при помощи ИКМ-декодера и ФНЧ с частотой среза 3 кГц. В данном эксперименте мы просто "позаимствуем" сигнал битовой синхронизации с модуля PCM Enсoder.

Далее с помощью математических выкладок вы определите частоты побочных низкочастотных составляющих, присутствующих в спектре сигнала на выходе ИКМ-декодера, и воспользуетесь анализатором спектра NI ELVIS II для подтверждения ваших расчетов. Также вы будете использовать анализатор спектра для изучения влияния частоты сигнала и частоты дискретизации на частоты побочных составляющих (aliases).

Наконец, вы изучите проблему наложения спектров (aliasing), общую для всех цифровых систем, и как избежать этой проблемы, используя частоту Найквиста.

Оборудование

• Персональный компьютер с соответствующим установленным программным обеспечением

• NI ELVIS II с USB-Кабелем и блоком питания

• Модуль расширения Emona FOTEx для выполнения экспериментов

• Два проводника с разъѐмами BNC - "банан" (2 мм)

• Набор соединительных проводников с разъѐмами типа "банан" (2 мм)

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ:

Часть A – Настройка ИКМ кодера и декодера

Прежде, чем исследовать проблемы дискретизации, необходимо настроить одноканальную систему ИКМ кодирования-декодирования.

1. Убедитесь, что питание NI ELVIS II выключено, выключатель расположен на задней стенке устройства.

2. Осторожно вставьте модуль расширения Emona FOTEx в NI ELVIS II.

3. Вставьте крепежные винты для фиксации модуля Emona FOTEx в NI ELVIS II.

Примечание: Для предотвращения повреждения FOTEx эти действия должны выполняться при выключенном питании.

4. Подключите NI ELVIS II к ПК при помощи кабеля USB.

5. Включите питание NI ELVIS II, выключатель расположен на задней стенке устройства, затем включите питание макетной платы, этот выключатель расположен в правом верхнем углу рядом с индикатором питания.

6. Включите компьютер и дайте ему загрузиться.

7. Запустите программу NI ELVISmx.

8. Запустите виртуальный прибор NI ELVIS II Function Generator (Генератор функций).

9. Настройте функциональный генератор с помощью виртуальных элементов управления для получения сигнала со следующими параметрами:

• Waveshape (Форма сигнала): Sine (Синусоидальная) Frequency (Частота): 500 Гц

• Amplitude (Пиковая амплитуда): 4 В

• DC Offset (Смещение по постоянному току): 0 В

10. Установите переключатель режимов Mode ИКМ-кодера в положение PCM.

11. Соберите схему, показанную на рисунке 2.

Рисунок 2

Выполненные соединения можно представить блок-схемой, изображенной на рисунке 3. С генератора функций на вход ИКМ-кодера (PCM Encoder) поступает синусоидальный сигнал частотой 2 кГц. ИКМ-кодер преобразует его в цифровой сигнал, который, в свою очередь, ИКМ-декодер (PCM Decoder) преобразует в дискретизированную версию оригинального сигнала. ФНЧ с частотой среза 3 кГц используется для восстановления исходного сообщения на выходе

Рисунок 3

PCM Encoding - ИКМ кодирование: Function Generator – генератор функций, Master Signals – генератор опорных сигналов, Message To CH 0 – сообщение к каналу 0,

IN – вход сигнала сообщения, CLK – вход синхронизации, PCM Decoding - ИКМ декодирование: PCM data - ИКМ сообщение,

CLK – сигнал битовой синхронизации с ИКМ кодера,

Reconstruction – восстановление: 3kHz LPF –фильтр низких частот с частотой среза 3 кГц, Recovered message To CH 1 – восстановленное сообщение к каналу 1

12. Запустите ВП осциллограф NI ELVIS II

13. Настройте осциллограф в соответствии с инструкцией, приведенной в Эксперименте 1 (стр. 15).

14. Установите настройку Timebase (Масштаб по оси времени) таким образом, чтобы видеть на экране примерно два периода сообщения.

Примечание: Вы должны увидеть копию оригинального сигнала, скорее всего, сдвинутую по фазе.

Часть В – Предварительная оценка спектральных составляющих сигнала на выходе ИКМ-декодера.

Далее вам предстоит предварительно определить спектральный состав дискретизированного сигнала на выходе ИКМ-декодера.

16. Измените схему подключения в соответствии с рис. 4.

Рисунок 4

Выполненные соединения можно представить блок-схемой, изображенной на рис. 5.

Рисунок 5

PCM Encoding - ИКМ кодирование: Message To CH 0 – сообщение к каналу 0, IN – вход сигнала сообщения, CLK – вход синхронизации?

PCM Decoding - ИКМ декодирование: PCM data - ИКМ сообщение, CLK – сигнал битовой синхронизации с ИКМ кодера,

Reconstruction – восстановление: Recovered message – восстановленное сообщение Sampled message To CH 1 – дискретизированное сообщение к каналу 1

Совет: метод расчета приведен в предварительном обсуждении.

17. Остановите осциллограф, нажав на кнопку Stop (Стоп).

18. Запустите ВП Анализатора динамических сигналов NI ELVIS II.

19. Установите следующие настройки анализатора сигналов:

Input Settings (Настройки входов)
Source Channel (Канал источника сигнала) - в положение Scope CH1 (Канал 1 Осциллографа)	Voltage Range – ±10V (Диапазон напряжений - ±10 В)
FFT Settings (Настройки быстрого преобразования Фурье – БПФ) Frequency Span (Диапазон частот) – 45,000 Resolution (Разрешение) – 400 Window (Окно) – 7 Term B-Harris (Блэкмана-Харриса 7-го порядка)	Averaging (Усреднение) Mode (Режим) – RMS (среднеквадратическое значение) Weighting (Взвешивание) – Exponential (Экспоненциальное) # of Averages (выборок для усреднения) – 3
Triggering (Запуск) Type (Тип) – Edge (По фронту)
Frequency Display (Режим отображения) Units (Масштаб) – dB (Логарифмический – дБ) Mode (Режим) – RMS (Среднеквадратический) Scale – Auto (Автомасштабирование)	Cursor Settings (Настройки курсоров) Cursors On (курсоры включены) – снимите флажок (пока)

20. Активируйте курсоры (поставив флажок в окне Cursors On (Курсоры включены) и воспользуйтесь ими, чтобы убедиться, что на выходе ИКМ-декодера присутствует копия исходного сигнала частотой 2 кГц.

21. Воспользуйтесь курсорами, чтобы подтвердить ваш ответ на вопрос 1.

Часть С – Влияние частоты сигнала и частоты дискретизации на значения частот побочных составляющих

Отвечая на вопрос 1, вы рассчитали частоты побочных составляющих спектра на основе заданных частоты сигнала и частоты дискретизации. Очевидно, что если бы эти две частоты изменились, изменились бы и частоты побочных составляющих. Далее вы в этом убедитесь наглядно.

22. Увеличьте частоту сигнала сообщения (то есть сигнала на выходе генератора функций) до 4 кГц.

23. При помощи курсора убедитесь, что сигнал на выходе ИКМ-декодера содержит копию исходного сообщения.

24. Воспользуйтесь курсорами, чтобы подтвердить ваш ответ на вопрос 2.

25. Установите частоту сигнала на выходе генератора функций равной 10 кГц.

26. Измените схему согласно рис. 6.

Рисунок 6

Выполненные соединения можно представить блок-схемой, изображенной на рисунке 7. За сообщение вновь принимается сигнал с выхода 2 kHz SINE генератора опорных сигналов. Выход SYNC генератора функций обеспечивает цифровой сигнал частотой 100 кГц, поступающий на тактирующие входы ИКМ-кодера и ИКМ-декодера.

Рисунок 7

PCM Encoding – ИКМ кодирование: Function Generator – генератор функций, Master Signals – генератор опорных сигналов, Message To Ch 0 – сообщение к каналу 0,

IN – вход сигнала сообщения, CLK – вход синхронизации PCM Decoding – ИКМ декодирование: PCM data – ИКМ сообщение,

CLK – сигнал битовой синхронизации с ИКМ кодера,

Reconstruction – восстановление: Recovered message – восстановленное сообщение Sampled message To Ch 1 – дискретизированное сообщение к каналу 1.

27. С помощью курсора убедитесь, что частоты побочных составляющих вернулись на следующие отметки: 10.5 кГц и 14.5 кГц, 23 кГц и 27 кГц, 35.5 кГц и 39.5 кГц.

Примечание: Тактовая частота 72 кГц даст частоту дискретизации 9000 Отсчетов/с.

28. Установите тактовую частоту ИКМ-декодера (то есть, выходную частоту генератора функций) равной 72 кГц.

29. Воспользуйтесь курсорами, чтобы подтвердить ваш ответ на вопрос 4.

Часть D - Наложение спектров и частота Найквиста

Как вы уже видели, для заданной частоты сигнала при уменьшении частоты дискретизации, уменьшаются и частоты побочных составляющих. Если частота дискретизации станет достаточно низкой по сравнению с частотой сигнала, побочные составляющие с самыми низкими частотами будут накладываться на копию сообщения, что сделает невозможным отделения их с помощью фильтра. Это значит, что на выходе фильтра, помимо копии сигнала, будет присутствовать гармоники, которых не было в оригинальном сообщении, то есть копия сигнала будет искажена. Это явление называется наложением спектров, и далее вы будете изучать его как во временной, так и в частотной областях.

30. Устанавливайте поочередно тактовые частоты ИКМ-кодера и ИКМ-декодера на следующие позиции: 64 кГц (8000 Отсчетов/c), 56 кГц (7000 Отсчетов/c), 48 кГц (6000 Отсчетов/c), 40 кГц (5000 Отсчетов/c) и 32 кГц (4000 Отсчетов/c).

Примечание: При каждой смене тактовой частоты дайте анализатору сигналов достаточно времени, чтобы войти в режим, и обратите внимание на то, что происходит с побочными составляющими, особенно как изменяются самые низкочастотные побочные составляющие.

31. Убедитесь, что тактовые частоты ИКМ-кодера и ИКМ-декодера установлены на 32 кГц (или 4 000 Отсчетов/с).

32. Измените подключение канала 1 осциллографа с соответствии со схемой на рис. 8, чтобы наблюдать восстановленный сигнал на выходе фильтра.

33. Остановите ВП Анализатора спектра.

34. Запустите ВП Осциллограф.

Примечание: Сделав это, вы будете наблюдать за эффектом наложения в восстановленном сообщении во временной области.

Чтобы избежать наложения спектров, минимальная частота дискретизации теоретически должна быть как минимум в два раза больше частоты сигнала (или в два раза больше максимальной частоты сигнала, если он содержит более одной гармоники). Эта частота известна как частота Найквиста (названная по имени ученого, впервые доказавшего соответствующую теорему). При текущей частоте сообщения в 2 кГц, частота дискретизации должна составлять как минимум 4000 Отсчетов/с (что соответствует тактовой частоте ИКМ-кодера и ИКМ-декодера в 32 кГц). Наверное, вы обратили внимание, что установленная вами тактовая частота 32 кГц удовлетворяет этому требованию. Но наложение все равно присутствует!

Это может объяснить тем, что частота Найквиста основана на двух предположениях. Во-первых, восстанавливающий фильтр имеет частоту среза чуть выше самой высокой частоты сообщения. Во-вторых, все частоты выше частоты среза подавляются фильтром полностью.

В нашем случае ни одно из предположений не является истинным (как и в большинстве случаев). Сообщение имеет частоту 2 кГц, но частота среза используемого ФНЧ равна 3 кГц. Таким образом, даже при частоте дискретизации 6000 Отсчетов/с (или при тактовой частоте 48 кГц), все равно будут появляться искажения, вызванные наложением спектра. Во-вторых, как вы уже видели ранее, изучая работу ФНЧ с частотами среза 1 кГц и 3 кГц, ослабление сигнала после частоты среза не крутое, а плавное. Другими словами, даже при частоте дискретизации выше 6 кОтсчетов/с (или тактовой частоте выше 48 кГц) все равно будут появляться искажения, вызванные наложением спектра.

Далее вам предстоит экспериментировать с настройками ФНЧ, чтобы подобрать подходящую частоту дискретизации.

35. Увеличивайте тактовые частоты ИКМ-кодера и ИКМ-декодера с интервалом 8 кГц (то есть, 40 кГц, 48 кГц, 56 кГц и т.д.), пока наложение спектра не исчезнет.

Примечание: Увеличивая тактовую частоту на 8 кГц, тем самым вы увеличиваете частоту дискретизации на 1000 Отсчетов/с.

36. Запишите частоту, при которой наложение спектра исчезло, в таблицу 1.

37. Рассчитайте и запишите частоту дискретизации ИКМ-кодера.

Таблица 1.

Минимальная тактовая частота	Минимальная частота дискретизации

Лабораторная работа № 6

МНОЖЕСТВЕННЫЙ ДОСТУП С ВРЕМЕННЫМ РАЗДЕЛЕНИЕМ

КАНАЛОВ (TDMA)

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Изучение основ множественного доступа с временным разделением каналов (tdma)

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

В любой системе связи необходимо позволять совместное использование канала связи несколькими пользователями для эффективного распределения ресурсов. Давно известный метод разделения "радиоволн" в различных системах телекоммуникаций позволяет каждому пользователю эксклюзивный и непрерывный доступ к несущей частоте, на которой передается его информация (с применением амплитудной (АМ) или частной (FМ) модуляции). Этот методу известен как частотное уплотнение (Frequency division multiplexing - FDM), и он наверняка знаком вам, даже если вы не знаете этого названия.

Другой метод коллективного использования канала называется временным уплотнением (Time division multiplexing - TDM), и заключается в поочередном выделении пользователям эксклюзивного доступа ко всему спектру канала (или только несущей, когда временное уплотнение используется одновременно с частотным), но на очень короткий промежуток времени (много меньше секунды). Если предоставление коротких интервалов времени эксклюзивного доступа происходит достаточно часто, всем пользователям кажется, будто они имеют непрерывный доступ к каналу.

Временное уплотнение прекрасно подходит для цифровых систем связи. Поэтому, раз в системах телекоммуникаций используется импульсно-кодовая модуляция (PCM), было естественно объединить эти два метода. Комбинация PCM-TDM широко распространена, и, используемая в системе с несколькими узлами, носит название множественный доступ с временным разделением каналов (Time division multiple access - TDMA)

Чтобы разобраться, как это работает, давайте вкратце вспомним ИКМ-кодирование и декодирование. Вспомните, что ИКМ-кодер дискретизирует аналоговые сигналы и преобразует их в двоичный код. Далее двоичные числа последовательно передаются в виде кадров, которые обычно содержат добавочный бит (или биты) для кадровой синхронизации. ИКМ-декодер использует информацию о кадровой синхронизации, чтобы определить начало каждого нового кадра, после чего преобразует двоичные коды на входе в соответствующие значения напряжения (или тока). На выходе ИКМ-декодера получаем "ступенчатую" ("дискретизированную") версию оригинального сообщения, которая, если вы помните, состоит из копии сообщения плюс побочные составляющие. Чтобы восстановить сигнал, побочные составляющие необходимо отфильтровать.

Превратить ИКМ-систему в систему PCM-TDM относительно легко (по крайней мере, легко это описать). Если считать ИКМ-кадры временными промежутками, когда возможен ввод данных, то эти промежутки можно разделить между двумя или более пользователями, вместо того, чтобы предоставлять их только одному. Если пользователей два, то каждый из них получает доступ поочередно, к временному промежутку каждого второго кадра. Очевидно, если пользователей три, у каждого будет доступ к каждому третьему кадру, и так далее.

Хотя идея довольно проста, но за ее реализацию приходится платить. Если тактовая частота системы остается прежней, при разделении кадров между двумя пользователями каждому придется дискретизировать аналоговый входной сигнал с меньшей частотой, чем когда в системе только один пользователь. Подумайте, в самом деле, если пользователь имеет доступ ко всем кадрам, он может дискретизировать аналоговый входной сигнал с определенной частотой. Однако нет смысла проделывать это с той же частотой, если пользователь имеет доступ только к каждому второму кадру или еще реже. Важно отметить, что дискретизация на меньших частотах вызывает риск наложения спектра.

В предстоящем эксперименте вы используете Emona FOTEx, чтобы собрать одноканальную ИКМ-систему связи с аналоговым входом. После этого вы измените настройки для кодирования, передачи, декодирования и восстановления двух аналоговых сигналов, чтобы создать двухканальную систему PCM-TDM и смоделировать простую систему TDMA с двумя узлами. Наконец вы изучите, каким образом временное разделение (TDM) влияет на частоту дискретизации и создает возможность наложения спектров.

Оборудование для выполнения лабораторной работы:

• Персональный компьютер с соответствующим установленным программным обеспечением

• NI ELVIS II с USB-Кабелем и блоком питания

• Два проводника с разъёмами BNC - "банан" (2 мм)

• Набор соединительных проводников с разъёмами типа "банан" (2 мм)

• Стереонаушники

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ:

Часть A – Настройка ИКМ кодера

До начала экспериментов по временному уплотнению сигналов с использованием импульсно-кодовой модуляции необходимо собрать одноканальную систему ИКМ-кодирования-декодирования.

1. Убедитесь, что питание NI ELVIS выключено, выключатель расположен на задней стенке устройства.

2. Осторожно вставьте модуль расширения Emona FOTEx в NI ELVIS.

3. Вставьте крепежные винты для фиксации модуля Emona FOTEx в NI ELVIS II.

4. Подключите NI ELVIS II к ПК при помощи кабеля USB.

5. Включите питание NI ELVIS II, выключатель расположен на задней стенке устройства, затем включите питание макетной платы, этот выключатель расположен в правом верхнем углу рядом с индикатором питания.

6. Включите компьютер и дайте ему загрузиться.

7. Запустите программу NI ELVISmx.

8. Установите переключатель режимов Mode ИМК-декодера в положение PCM.

9. Соберите схему, показанную на рис. 1.

Рисунок 1

Выполненные соединения можно представить блок-схемой, изображенной на рис. 2. Сигнал с выхода 2 kHz SINE генератора опорных сигналов (Master Signals) подает аналоговый сигнал сообщения на вход ИКМ-кодера. ИКМ-кодер преобразует сообщение в цифровой ИКМ-сигнал, который ИКМ-декодер далее преобразует в дискретизированную версию оригинального сигнала. ФНЧ с частотой среза 3 кГц испольузется как восстанавливающий фильтр (также известный как антиалиазинговый фильтр) для восстановления исходного сообщения из выходного сигнала ИКМ-декодера.

Рисунок 2

PCM Encoding – ИКМ кодирование: Master Signals – генератор опорных сигналов, Message To CH 0 – сообщение к каналу 0, IN – вход сигнала сообщения, CLK – вход синхронизации, PCM Decoding – ИКМ декодирование: PCM data – ИКМ сообщение, CLK – сигнал битовой синхронизации с ИКМ кодера, Reconstruction – восстановление: 3 kHz LPF – ФНЧ с частотой среза 3 кГц,

Recovered message To CH 1 – восстановленное сообщение к каналу 1

10. Запустите ВП осциллографа NI ELVIS II

11. Настройте осциллограф в соответствии с инструкцией, приведенной в Эксперименте 1 (стр. 15)

12. Установите настройку Timebase (Масштаб по оси времени) таким образом, чтобы видеть на экране примерно два цикла сообщения.

13. Активируйте канал 1 осциллографа, чтобы наблюдать восстановленное фильтром сообщение.

Примечание: Вы должны увидеть копию оригинального сигнала, скорее всего, сдвинутую по фазе.

Часть В – Реализация полностью двухканальной системы PCM-TDM

Модули ИКМ-кодер и ИКМ-декодер Emona FOTEx разработаны с возможностью работы в режиме PCM-TDM. В этой части эксперимента вы подключите к собранной системе второй аналоговый сигнал и активируете режим PCM-TDM модулей, чтобы смоделировать простую телекоммуникационную систему множественного доступа с временным разделением каналов (TDMA).

14. Запустите виртуальный прибор NI ELVIS II Function Generator (Генератор функций).

15. Настройте функциональный генератор с помощью виртуальных элементов управления для получения сигнала со следующими параметрами:

• Waveshape (Форма сигнала): Sine (Синусоидальная)

• Frequency (Частота): 500 Гц

• Amplitude (Пиковая амплитуда): 4 В

• DC Offset (Смещение по постоянному току): 0 В

16. Установите переключатель режимов Mode ИКМ-кодера в положение TDM.

17. Измените схему, как показано на рис. 3.

Рисунок 3

Выполненные соединения можно представить блок-схемой, изображенной на рис. 4. Синусоида частотой 2 кГц (Сообщение 1) поступает с генератора опорных сигналов на вход 1 (INPUT 1) ИКМ-кодера, а синусоида частотой 500 Гц (Сообщение 2) поступает с генератора функций на вход 2 (INPUT 2) ИКМ-кодера. ФНЧ с частотой среза 1 кГц используется для восстановления исходного сообщения на выходе 2 (OUTPUT 2) ИКМ-декодера. Теперь система кодирует, передает, декодирует и восстанавливает вместо одного два аналоговых сигнала с использованием метода PCM-TDM.

Рисунок 4

PCM Encoding – ИКМ кодирование: Function Generator – генератор функций, Message-1 To CH 0 – сообщение 1 к каналу 0, IN 1 – вход сигнала сообщения 1, IN 2 – вход сигнала сообщения 2, CLK – вход синхронизации, PCM Decoding – ИКМ декодирование: PCM data – ИКМ сообщение, PCM-TDM data – данные PCM-TDM, CLK – сигнал битовой синхронизации Reconstruction – восстановление: 1 kHz LPF – ФНЧ с частотой среза 1 кГц, Recovered message-1 To CH 1 – восстановленное сообщение 1 к каналу 1, Recovered message-2 – восстановленное сообщение 2

18. Убедитесь, что система все еще кодирует, декодирует и восстанавливает Сообщение 1.

Примечание: Вы увидите, что восстановленное Сообщение 1 теперь слегка искажено. Пока не обращайте на это внимания.

19. Измените подключение осциллографа, как показано на рис. 5.

Рисунок 5

Выполненные соединения можно представить блок-схемой, изображенной на рис. 6.

Рисунок 6

PCM Encoding – ИКМ кодирование: Message-2 To CH 0 – сообщение 2 к каналу 0, IN 1 – вход сигнала сообщения 1, IN 2 – вход сигнала сообщения 2, CLK – вход синхронизации? PCM Decoding – ИКМ декодирование: PCM data – ИКМ сообщение, PCM-TDM data – данные PCM-TDM, CLK – сигнал битовой синхронизации, Reconstruction – восстановление: Recovered message-1 To CH 1 – восстановленное сообщение 1, Recovered message-2 – восстановленное сообщение 2 к каналу 1

20. Установите элемент управления осциллографа Timebase (Масштаб по оси времени) в положение 500 мкс/дел.

21. Сравните оригинальное Сообщение 2 с его восстановленной версией.

Примечание: За исключением сдвига фаз, сигналы должны быть одинаковы.

Теперь давайте убедимся на слух, что на самом деле эти два сигнала различны.

22. Измените схему в соответствии с рис. 7.

Рисунок 7

23. Поверните виртуальный регулятор Gain коэффициента усиления усилителя Amplifier до упора против часовой стрелки, чтобы уменьшить усиление сигнала до минимума.

24. Не надевая наушников, подключите их в соответствующий разъем модуля усилителя.

25. Наденьте наушники.

26. Вращайте виртуальный регулятор коэффициента усиления Gain до тех пор, пока не добьетесь приемлемой слышимости восстановленного сообщения-2.

27. Переключите вход модуля усилителя с выхода ФНЧ 1 кГц на выход ФНЧ 3 кГц и прослушайте Сообщение 1.

Примечание: Теперь вы слушаете восстановленное Сообщение 1, и оно должно звучать на более высокой частоте.

Часть С – Временное уплотнение и частота дискретизации

Как было упомянуто в предварительном обсуждении, временное уплотнение всегда подразумевает уменьшение частоты дискретизации ИКМ-системы. Например, при прочих равных условиях частота дискретизации в двухканальной системе PCM-TDM будет в два раза меньше, чем в одноканальной PCM-системе. Далее вы наглядно изучите эту особенность.

28. Установите переключатель режимов Mode ИКМ-кодера в позицию PCM.

Примечание: это превратит PCM-систему в одноканальную с частотой дискретизации 12500 Отсчетов/с.

29. Измените подключение осциллографа, как показано на рис. 8.

Рисунок 8

30. Установите элемент управления осциллографаTimebase (Масштаб по оси времени) в положение 100 мкс/дел.

Примечание: Теперь вы должны видеть оригинальное Сообщение 1 и его восстановленную копию.

31. Верните переключатель режимов Mode ИКМ-кодера в положение TDM.

Примечание: Это превратит систему PCM-TDM в двухканальную с частотой дискретизации 6250 Отсчетов/с.

Примечание 2: Обратите внимание, что восстановленная версия Сообщения 1 теперь искажена.

32. Измените подключение осциллографа, как показано на рис. 9.

Рисунок 9

Выполненные соединения можно представить блок-схемой, изображенной на рис. 10.

Рисунок 10

PCM Encoding – ИКМ кодирование: Message-1 To CH 0 – сообщение 1 к каналу 0, IN 1 – вход сигнала сообщения 1, IN 2 – вход сигнала сообщения 2, CLK – вход синхронизации, PCM Decoding – ИКМ декодирование: PCM data – ИКМ сообщение, PCM-TDM data – данные PCM-TDM, CLK – сигнал битовой синхронизации, "Stepped" message-1 To CH 1 – "Ступенчатое" сообщение 1 к каналу 1, Reconstruction – восстановление:Recovered message-1 – восстановленное сообщение 1, Recovered message-2 – восстановленное сообщение 2

33. Остановите осциллограф, щелчком по кнопке Stop (Стоп).

34. Запустите ВП Анализатора динамических сигналов NI ELVIS II.

35. Установите следующие настройки анализатора сигналов:

Input Settings (Настройки входов) Source Channel (Канал источника сигнала) - в положение Scope CH1 (Канал 1 Осциллографа)	Voltage Range – ±10V (Диапазон напряжений - ±10 В)
FFT Settings (Настройки быстрого преобразования Фурье – БПФ) Frequency Span (Диапазон частот) – 10,000 Resolution (Разрешение) – 400 Window (Окно) – 7 Term B-Harris (Блэкмана-Харриса 7-го порядка)	Averaging (Усреднение) Mode(Режим) – RMS (среднеквадратическое значение) Weighting (Взвешивание) – Exponential (Экспоненциальное) # of Averages (выборок для усреднения) – 3
Triggering (Запуск) Type (Тип) – Edge (По фронту)
Frequency Display (Режим отображения) Units (Масштаб) – dB (Логарифмический – дБ) Mode (Режим) – RMS (Среднеквадратический) Scale – Auto (Автомасштабирование)	Cursor Settings (Настройки курсоров) Cursors On (курсоры включены) – снимите флажок (пока)

36. Воспользуйтесь курсорами, чтобы подтвердить ваш ответ на вопрос 1.

Лабораторная работа № 7

ЛИНЕЙНОЕ КОДИРОВАНИЕ И ВОССТАНОВЛЕНИЕ СИГНАЛА

БИТОВОЙ СИНХРОНИЗАЦИИ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Изучение принципов линейного кодирования и восстановление сигнала битовой синхронизации

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Как вам известно, в цифровых системах логический ноль и логическая единица представляются в виде напряжений. Например, в TTL логический 0 представляется напряжением 0 В, а логическая 1 представляется напряжением 5 В (или напряжениями, находящимися достаточно близко к 0 и 5). Вы также должны знать, что логические уровни в других семействах логических элементов (например, КМОП, ЭСЛ и др.) не обязательно соответствуют напряжениям 0В и 5 В. То есть, логические уровни могут быть представлены любой парой напряжений, какие нам нравятся. Конечно, на практике выбор используемых напряжений не настолько произволен, как может казаться, и объясняется инженерными решениями, обеспечивающими определенные преимущества.

Важно отметить, что это верно и при выборе уровней напряжений для передачи цифрового сигнала по медным телефонным кабелям (наподобие витой пары). Для этих целей стандартные напряжения ТТЛ и КМОП не слишком подходят. Более того, даже базовая предпосылка о необходимости удержания напряжения на данном уровне в течение всего времени, пока логический уровень не изменятся, может вызывать затруднения. По этим причинам цифровые сигналы до передачи по медным телефонным кабелям, как правило, подвергаются преобразованию, называемому линейным кодированием.

Существует несколько линейных кодов, среди них:

• Без возврата к нулю - по уровню (биполярный) (Non Return to Zero, NRZ).

Как вы видите на рисунке 1 на следующей странице, этот код представляет собой просто отмасштабированную и сдвинутую по уровню копию оригинального цифрового сигнала.

• Бифазный код – по уровню (BiФ-L, также известный, как Манчестерский код)

Как видно на рис. 1, при этом методе кодирования уровни напряжения изменяются с отрицательного на положительный в середине периода при передаче 1 и с положительного на отрицательного при передаче всех бит. При последовательной передаче одинаковых битов напряжение должно инвертироваться после половины длины бита.

• С возвратом к нулю – метод кодирования с маркером инверсии (RZ-AMI).

Как видно из рисунка 1, при передаче 0 используется нулевое напряжение, а при передаче 1 – импульс длительностью в половину бита. Полярность импульса изменяется после каждой единицы.

• Без возврата к нулю – с маркером (биполярный) (NRZ-M)

Этот код изменяет уровень напряжения при передаче каждой новой логической 1 и не изменяет уровень при передаче любого логического 0.

Рисунок 1

В таблице 1 представлены сравнительные требования по ширине полосе пропускания при передаче этих сигналов по линиям связи. Также показана пригодность разных методов кодирования для восстановления сигнала битовой синхронизации.

Таблица 1

Метод кодирования	Минимальная полоса пропускания	Восстановление сигнала битовой синхронизации
NRZ-L	fb/2	Плохо
BiФ-L	fb	Очень хорошо
RZ-AMI	fb/2	Хорошо
NRZ-M	fb/2	Плохо

Как видите, кодирование RZ-AMI является наилучшим компромиссом между шириной полосы пропускания и восстановлением сигнала битовой синхронизации среди этих четырех методов (другие характеристики линейных кодов здесь рассматривать не будем).

Восстановление сигнала битовой синхронизации

При любом методе цифровой связи переданные данные должны быть "прочитаны" приемником (как правило, после некой процедуры демодуляции сигнала и удаления шумов). Какое бы устройство не использовалось в качестве приемника, его синхроимпульсы должны быть синхронизированы с синхроимпульсами оригинального цифрового сигнала. Иначе некоторые биты будут прочтены дважды, а некоторые - не прочтены вообще. Обе проблемы вызывают ошибки передачи данных.

При выполнении предыдущих эксперименты с модулями FOTEx мы просто "заимствовали" сигнал битовой синхронизации из цепи синхронизации оригинального сигнала с помощью соединительного кабеля. На практике это неэффективно, поскольку дополнительный канал уменьшает количество пользователей на единицу. Поэтому были разработаны специальные методы для использования самого цифрового сигнала для получения локальных синхроимпульсов. Это называется восстановлением сигнала битовой синхронизации (Bit-clock regeneration, BCR).

Для понимания основных принципов, лежащих в основе восстановления сигнала битовой синхронизации в первую очередь вы должны знать, что цифровые сигналы состоят из множества синусоидальных сигналов. Один из них называется первой (основной) гармоникой, а остальные называются гармониками. Важно, что в некоторых линейных кодах одна из гармоник синхронизирована с сигналом битовой синхронизации оригинального сигнала. Если она достаточно большая, в приемнике ее можно выделить при помощи фильтра, и либо использовать как локальный источник синхроимпульсов (после превращения ее в цифровой сигнал с использованием компаратора или иной схемы), либо для синхронизации локальных синхроимпульсов.

Наконец, вспомните, что в таблице 1 содержатся сведения о пригодности четырех реализованных в FOTEx линейных кодов для восстановления сигнала битовой синхронизации. Это определяется размером синхронизированной гармоники в линейном коде. Лучше всего для восстановления сигнала битовой синхронизации подходят BiФ-L код (Манчестерский код) и код RZ-AMI, имеющие большую по величине синхронизированную гармонику, чем другие.

В этом эксперименте вы исследуете 4 метода линейного кодирования 31-разрядного TTL-сигнала данных во временной области и сравните их с теоретически рассчитанной формой сигнала.

Далее вы изучите сигнал в частотной области с использованием анализатора спектра NI ELVIS II. Вы увидите, что один из линейных кодов значительно отличается от остальных по спектральному составу. Также вы увидите, что все четыре кода содержат гармонику, синхронизированную с сигналом битовой синхронизации исходного сигнала, которую можно использовать для восстановления сигнала битовой синхронизации.

Наконец, с помощью модуля Emona FOTEx PCM Bit-clock Regenerator (Восстановитель сигнала битовой синхронизации) вы разработаете систему ИКМ-кодирования и декодирования без необходимости "заимствовать" сигнал битовой синхронизации, как требовалось в предыдущих экспериментах.

Оборудование для выполнения лабораторной работы:

• Персональный компьютер с соответствующим установленным программным обеспечением

• NI ELVIS II с USB-Кабелем и блоком питания

• Модуль расширения Emona FOTEx для выполнения экспериментов

• Три проводника с разъёмами BNC - "банан" (2 мм)

• Набор соединительных проводников с разъёмами типа "банан" (2 мм)

Часть A – Наблюдение линейных кодов во временной области

В первой части эксперимента вам предстоит пронаблюдать сигналы, представленные четырьмя линейными кодами, во временной области.

1. Убедитесь, что питание NI ELVIS выключено, выключатель расположен на задней стенке устройства.

2. Осторожно вставьте модуль расширения Emona FOTEx в NI ELVIS.

3. Вставьте крепежные винты для фиксации модуля Emona FOTEx в NI ELVIS II.

Примечание: Для предотвращения повреждения FOTEx эти действия должны выполняться при выключенном питании.

4. Подключите NI ELVIS II к ПК при помощи кабеля USB.

5. Включите питание NI ELVIS II, выключатель расположен на задней стенке устройства, затем включите питание макетной платы, этот выключатель расположен в правом верхнем углу рядом с индикатором питания.

6. Включите компьютер и дайте ему загрузиться.

7. Запустите программу NI ELVISmx.

8. Найдите самый левый модуль Sequence Generator (Генератор последовательностей) с выходом Х, и установите его DIP-переключатели в положение 00.

Примечание: Тем самым вы выбрали метод линейного кодирования NRZ-L для выхода LINE CODE генератора последовательностей.

9. Соберите схему, показанную на рис. 2.

Рисунок 2

Выполненные соединения можно представить блок-схемой, изображенной на рис. 3. Сигнал с выхода 2 kHz DIGITAL генератора опорных сигналов используется для битовой синхронизации генератора последовательностей. На выходе X генератора последовательностей появляется последовательное 31-разрядное двоичное число. На выходе LINE CODE генератора последовательностей - копия сигнала с выхода Х, преобразованного в определяемый переключателем DIP линейный код. Импульсы с выхода SYNC генератора последовательностей соответствуют каждому первому биту последовательности при повторении кода и используются для запуска осциллографа.

Рисунок 3

Master Signals – Генератор опорных сигналов, Sequence Generator – Генератор последовательностей,

2 kHz Clock – тактовые импульсы 2 кГц, LINE CODE – закодированный сигнал, X sequence To CH 0 – последовательность с выхода Х на канал 0, Line Code To CH 1 – закодированное сообщение на канал 1, SYNC to TRIG – сигнал с выхода SYNC на вход TRIG.

10. Запустите ВП осциллографа NI ELVIS II

11. Настройте осциллограф в соответствии с инструкцией, приведенной в работе №1, со следующими изменениями:

Coupling (связь с источником сигнала) для обоих каналов: DС (по постоянному току) вместо АС (по переменному току)

Timebase (масштаб по оси времени):1 мс/дел. вместо 500 мкс/дел. Trigger Type (Тип запуска):Digital (цифровой).

Примечание: когда вы это сделаете, увидите фрагмент сигнала 31-битной последовательности с выхода Х.

12. Активируйте канал 1 осциллографа (установив флажок в окошке Enabled box), чтобы наблюдать одновременно сигналы на выходах X и LINE CODE генератора

Примечание: Сигналы должны перекрываться.

13. Установите элемент управления осциллографа Vertical Position (смещение по вертикали) канала 1 в положение -3 В, чтобы разделить сигналы для удобства их сравнения.

Примечание: Когда вы это сделаете, отметка 0 В канала 1 больше не будет совпадать со средней горизонтальной линией координатной сетки. Однако новое опорное положение будет отмечено пунктирной синей линией.

Примечание 2: Обратите внимание, что линия 0 В канала 1 проходит посередине кодированного сигнала. Это значит, что сигнал является биполярным.

14. Нарисуйте два сигнала в масштабе и совпадающими по времени на графике на следующей странице.

Примечание 1: Оставьте место еще для трех сигналов.

Примечание 2: Подпишите сигналы, чтобы не запутаться

Примечание 3: Обозначьте на ваших графиках уровень 0В каждого сигнала.

15. Выберите код BiФ-L, установив DIP-переключатели Генератора последовательностей в положение 01.

16. Зарисуйте осциллограмму кодового сигнала рядом с двумя другими, отметив уровень 0 В.

17. Выберите код RZ-AMI, установив DIP-переключатели Генератора последовательностей в положение 10, и зарисуйте осциллограмму сигнала рядом с другими.

18. Выберите код NRZ-M, установив DIP-переключатель Генератора последовательностей в положение 11, и зарисуйте осциллограмму сигнала рядом с другими.

19. Сравните полученные вами осциллограммы с ожидаемыми результатами, показанными в предварительном обсуждении.

Примечание: Если вам кажется, что сигнал изменяют состояние, когда не должны этого делать, или же не изменяют, когда должны, проверьте правильность ваших зарисовок. Если вы считаете, что нарисовали все правильно, обратитесь к преподавателю за помощью.

Часть В – Наблюдение кодированных сигналов в частотной области

В следующей части эксперимента вы будете изучать четыре линейных кода Emona FOTEx в частотной области с помощью анализатора спектра NI ELVIS II.

20. Выберите код NRZ-L, установив DIP-переключатели Генератора последовательностей в положение 00.

21. Закройте программу осциллографа.

22. Запустите ВП Анализатора динамических сигналов NI ELVIS II.

23. Установите следующие настройки анализатора сигналов:

Input Settings (Настройки входов) Source Channel (Канал источника сигнала) - в положение Scope CH1 (Канал 1 Осциллографа)	Voltage Range – ±10V (Диапазон напряжений - ±10 В)
FFT Settings (Настройки быстрого преобразования Фурье – БПФ) Frequency Span (Диапазон частот) – 40,000 Resolution (Разрешение) – 400 Window (Окно) – 7 Term B-Harris (Блэкмана-Харриса 7-го порядка)	Averaging (Усреднение) Mode(Режим) – RMS (среднеквадратическое значение) Weighting (Взвешивание) – Exponential (Экспоненциальное) # of Averages (выборок для усреднения) – 3
Triggering (Запуск) Type (Тип) – Digital (Цифровой)
Frequency Display (Режим отображения) Units (Масштаб) – dB (Логарифмический – дБ) Mode (Режим) –RMS(Средеквадратичекий) Scale – Auto (Автомасштабирование)	Cursor Settings (Настройки курсоров) Cursors On (курсоры включены) – снимите галочку (пока)

При верной настройке окно программы должно выглядеть, как показано на рис. 4.

Обратите внимание, что спектр линейного кода состоит из чередующихся пиков и впадин. Это общий вид спектра периодических импульсов, подобных последовательностям цифровых данных.

Пики, или "лепестки", часты, потому что это регионы, состоящие из слишком большого числа гармоник, которые анализатор спектра не может показать раздельно (по крайней мере, при заданных настройках). Впадины или "нули" – заметные места отсутствия гармоник, которые возникают на множестве частот, кратных частоте битовой синхронизации.

Рисунок 4

24. Изучите и сравните спектральный состав четырех линейных кодов.

Примечание: Вы должны заметить, что в то время, как общий вид спектра сохраняется таким, как упомянуто выше, спектральный состав сигналов различается. Вспомните, это одна из причин выбора того или иного способа кодирования.

Один из недостатков кода BiФ-L (Манчестерского кода) заключается в том, что ему требуется в два раза большая ширина полосы пропускания для передачи по линиям связи, чем для трех других методов кодирования. Поскольку это ограничение нельзя продемонстрировать на модулях FOTEx непосредственно, мы можем более внимательно изучить спектры других трех сигналов, чтобы увидеть, насколько существенно сигнал BiФ-L от них отличается.

25. Выберите код NRZ-L, установив DIP-переключатели Генератора последовательностей в положение 00..

26. Подсчитайте количество "лепестков" в спектре сигнала (в пределах 40 кГц) и запишите в таблицу 2.

27. Повторите п. 26 для других трех кодов.

Таблица 2

Метод кодирования	Количество лепестков (в пределах 40 кГц)
NRZ-L
BiФ-L
RZ-AMI
NRZ-M

Чтобы сравнить код BiФ-L с другими кодами, мы используем курсоры анализатора спектра для изучения частот с нулевой амплитудой.

28. Установите генератор последовательностей на режим кодирования NRZ-L.

29. Активируйте курсоры анализатора спектра (установив флажок в окне Cursors On).

30. Установите один из курсоров на первую частоту с нулевой амплитудой (между первым и вторым лепестками спектра).

31. Измерьте эту частоту и запишите в таблицу 3.

32. Измерьте и запишите в таблицу 3 первую частоту с нулевой амплитудой в спектре остальных трех сигналов.

Таблица 3

Метод кодирования	Частота первого нуля
NRZ-L
BiФ-L
RZ-AMI
NRZ-M

Часть С – Восстановление сигнала битовой синхронизации

Вспомните из предварительного обсуждения, что коды, содержащие спектральный компонент с частотой синхроимпульсов исходного сигнала, могу использоваться для восстановления сигнала битовой синхронизации. Четыре метода кодирования FOTEx пригодны для этого, однако они отличаются по значимости составляющей сигнала битовой синхронизации. Следующий эксперимент продемонстрирует это отличие.

33. Установите Генератор последовательностей в режим кодирования NRZ-L.

34. Установите настройку Frequency Span (Диапазон частот) анализатора сигналов на 3000 Гц вместо 40 000 Гц.

35. С помощью курсора найдите в спектре кодированного сигнала гармонику с частотой сигнала битовой синхронизации.

36. Определите относительное значение этой составляющей и запишите в таблицу 4.

Примечание 1: Относительное значение компонента в децибелах можно определить по пересечению горизонтальной линии курсора оси Y.

Примечание 2: Это размер компоненты в децибелах относительно самой большой составляющей закодированного сигнала.

37. Определите относительный размер гармоники с частотой сигнала битовой синхронизации для других трех методов кодирования (в децибелах и как отношение).

Таблица 4

Метод кодирования	Частота синхроимпульсов (в децибелах)
NRZ-L
BiФ-L
RZ-AMI
NRZ-M