ΨΗΦΙΑΚΑ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ 2 Η ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ: Παλμοκωδική Διαμόρφωση Pulse Code Modulation (PCM)

Transcript

1 Εισαγωγικά ΨΗΦΙΑΚΑ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ 2 Η ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ: Παλμοκωδική Διαμόρφωση Pulse Code Modulation (PCM) Εισαγωγικά Η παρούσα εργαστηριακή άσκηση αποτελεί την δεύτερη βελτιωμένη έκδοση (2018) 1, που όπως και η προηγούμενη, αναπτύχθηκε στο Εργαστήριο Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων. Στην άσκηση αυτή ο φοιτητής θα εξασκηθεί στα παρακάτω θέματα: Δειγματοληψία. Ανάκτηση ωρολογίου- Συγχρονισμός. Μετατροπή αναλογικού σήματος σε ψηφιακό και αντίστροφα. Κωδικοποίηση Γραμμής (Line Coding). Πολύπλεξη με διαίρεση χρόνου (TDM). Παλμοκωδική Διαμόρφωση (PCM). Διαφορές από την προηγούμενη υλοποίηση αποκλίσεις από standards Η σύγκριση από τον φοιτητή της παρούσας με την προηγούμενη υλοποίηση, η οποία διατηρείται ανηρτημένη στο eclass, είναι χρήσιμη καθόσον η παρούσα βελτιωμένη υλοποίηση έχει αρκετές σχεδιαστικές διαφορές από την προηγούμενη εκδοχή της. Οι διαφορές αυτές συνίστανται κυρίως στην γαλβανική απομόνωση του πομπού PCM από τον αντίστοιχο δέκτη με τη χρήση μετασχηματιστών (υψηλών συχνοτήτων) τόσο στην έξοδο του πομπού όσο και στην είσοδο του δέκτη. Άλλη βελτίωση αποτελεί η χρήση μίας μόνο πηγής τροφοδοσίας. Όλες οι βαθμίδες τροφοδοτούνται με τάση +5V DC. Βέβαια ο φοιτητής οδηγείται στο να συνδέσει τάση τροφοδοσίας +12 VDC η οποία μετατρέπεται σε +5VDC πάνω στις πλακέτες για λόγους προστασίας από κακούς χειρισμούς. Μάλιστα είναι πλέον δυνατή η χρήση διαφορετικού τροφοδοτικού στον πομπό και στο δέκτη (και όχι η παράλληλη σύνδεση των δύο όπως παλαιότερα), όπως ακριβώς σε ένα πραγματικό σύστημα του οποίου ο πομπός και ο δέκτης βρίσκονται σε μεγάλη απόσταση. Η επιδίωξη της μονής τροφοδοσίας σε κάθε πλακέτα, ξεχωριστή πλέον για πομπό και δέκτη, επέβαλε και άλλες σχεδιαστικές αλλαγές, καθώς η μονή τροφοδοσία δεν επιτρέπει τη χρήση συγκριτών τάσης ή άλλων στοιχείων τα οποία απαιτούν διπλές (συμμετρικές) τροφοδοσίες. Στην υλοποίηση αυτή οι μετασχηματιστές του πομπού που συνδέονται στη γραμμή οδηγούνται από απλές λογικές πύλες και όχι από ειδικούς οδηγούς γραμμής (Line Drivers), σε αντίθεση με την προηγούμενη άσκηση (Κωδικοποίηση HDB3). Ένα πλήρες σύστημα PCM θα μπορούσε να υλοποιηθεί αν ο πομπός (Κωδικοποιητής PCM) οδηγούσε των Κωδικοποιητή HDB3 της 1 ης Εργαστηριακής Άσκησης ο οποίος διαθέτει εξειδικευμένα ολοκληρωμένα κυκλώματα τα οποία περιλαμβάνουν και οδηγούς γραμμής (Line Drivers) και αντίστοιχα στο δέκτη θα έπρεπε να προηγηθεί ο αποκωδικοποιητής HDB3 του αντίστοιχου PCM. Οι δύο αυτές λειτουργίες έχουν χωριστεί σε δύο διαφορετικές εργαστηριακές ασκήσεις. Δεδομένου του γεγονότος ότι η Άσκηση HDB3 έχει προηγηθεί και η δημιουργία του διπολικού σήματος όπως και η οδήγηση της γραμμής γίνεται με ενσωματωμένους line drivers στο chip του κωδικοποιητή, εδώ (PCM) η δημιουργία του διπολικού σήματος παρουσιάζεται περισσότερο αναλυτικά σχεδόν με διακριτά στοιχεία, τόσο σε επίπεδο κυκλώματος όσο και σε επίπεδο υλοποίησης, χωρίς όμως τη χρήση ειδικών line drivers, αλλά αντί αυτών χρησιμοποιούνται συνήθεις πύλες. Η ωμική αντίσταση της γραμμής εξομοιώνεται με τη χρήση δύο ωμικών αντιστάσεων στην έξοδο του πομπού τέτοιων τιμών (220Ω) που να αντιστοιχούν σε μήκος γραμμής τουλάχιστον 2 km. Η παρούσα υλοποίηση της Άσκησης PCM δίδει πλέον τη δυνατότητα εισαγωγής και διαφοροποίησης από το φοιτητή της μοναδικής λέξης συγχρονισμού για την αναγνώριση της αρχής του πλαισίου (frame) μέσω μικροδιακοπτών (DIP switches), τόσο στον κωδικοποιητή (πομπό) όσο και στον αποκωδικοποιητή (δέκτη), οπότε ο φοιτητής μπορεί πλέον να πειραματιστεί και να διαπιστώσει την απώλεια συγχρονισμού όταν οι επιλεγείσες μοναδικές λέξεις συγχρονισμού είναι διαφορετικές. Μία σημαντική απόκλιση από τα καθιερωμένα standards είναι ότι δεν χρησιμοποιήθηκε η Κωδικοποίηση Γραμμής HDB3, όπως προαναφέρθηκε, καθώς αυτή 1 Η βελτίωση της Άσκησης οφείλεται στους συνεργάτες μου Παναγιώτη Νέστωρα και Δημήτριο Χρυσοστομίδη. Επιπλέον ο πρώτος σχεδίασε, συναρμολόγησε και έλεγξε τις εργαστηριακές πλακέτες. Η βασική δομή και τμήματα του κειμένου έχουν διατηρηθεί από την προηγούμενη εκδοχή της Άσκησης. Εργαστήριο Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων Δ.Π.Θ. 1

2 Εισαγωγικά αποτελεί χωριστή Εργαστηριακή Άσκηση. Αντί αυτής χρησιμοποιήθηκε απλή διαφορική κωδικοποίηση με αντιστροφή (λογικό μηδέν μετάβαση / λογικό ένα παραμονή στην ίδια στάθμη) ακολουθούμενη από πολική κωδικοποίηση RZ. Ο συνδυασμός εξυπηρετεί στην άμεση ανάκτηση του σήματος του ωρολογίου (CLK). Δηλαδή η παρούσα Άσκηση επικεντρώνεται κυρίως στην ίδια την PCM και στη χρονική πολύπλεξη 32 καναλιών ενώ τα υπόλοιπα, αν και δευτερεύοντα, υλοποιούνται με διδακτικό τρόπο, παρά την απόκλισή τους από τα standards. Εισαγωγικά της Διαμόρφωσης Η τεχνική PCM είναι από τις πλέον χρησιμοποιούμενες τεχνικές για την μετατροπή αναλογικών σημάτων σε ψηφιακά, ειδικά στην τηλεφωνία. Ονομάστηκε έτσι λόγω της χρησιμοποίησης δυαδικών κωδίκων για την ψηφιακή αναπαράσταση των δειγμάτων από την δειγματοληψία των αναλογικών σημάτων. Η διαδικασία, που παρουσιάζεται στο Σχήμα 1, είναι η ακόλουθη: 1) Στον Πομπό Το αναλογικό σήμα περνά από ένα ζωνοπερατό φίλτρο προκειμένου να αποκοπούν οι ανεπιθύμητες συχνότητες οι οποίες δεν θα μπορούσαν να υποστούν δειγματοληψία με ικανοποιητικό ρυθμό, ώστε να μην εμφανιστεί το φαινόμενο aliasing. Για σήματα φωνής το χρησιμοποιούμενο εύρος είναι από 300 έως 3400Hz. Το σήμα δειγματοληπτείται με συχνότητα υπερδιπλάσια της μέγιστης επιτρεπόμενης, η οποία για την περίπτωση της τηλεφωνίας όπως και της παρούσης ασκήσεως είναι 8 khz. Τα δείγματα κβαντίζονται σε συγκεκριμένες στάθμες. Τέλος κωδικοποιούνται με την αντιστοίχηση της κάθε στάθμης σε συγκεκριμένο δυαδικό κώδικα. 2) Στον Δέκτη Το ψηφιακό σήμα αποκωδικοποιείται. Αναπαράγεται το αναλογικό σήμα με την βοήθεια ενός μετατροπέα ψηφιακού σήματος σε αναλογικό. Περνά από ένα ζωνοπερατό φίλτρο προκειμένου να ανακτήσει την αρχική του μορφή. Μετατροπέας Αναλογικού σε Ψηφιακό Αναλογικό σήμα m(t) Κβαντιστής Κανάλι Επικοινωνιών Ψηφιακό σήμα Κβαντιστής Δειγματολήπτης Κωδικοποιητής Αποκωδικοποιητής Φίλτρο m (t) Σχήμα 1. Σχηματική Παράσταση ενός συστήματος PCM. Δειγματοληψία Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως η συχνότητα δειγματοληψίας είναι 8 khz, προκειμένου να είναι υπερδιπλάσια της ανώτερης χρησιμοποιούμενης συχνότητας (3,4 khz) - Θεώρημα Nyquist. Μετά την δειγματοληψία, η οποία επιτυγχάνεται με την βοήθεια ενός ηλεκτρονικού διακόπτη, το παραγόμενο σήμα έχει μορφή PAM (Pulse Amplitude Modulation), Σχήμα 2. Η διαδικασία αυτή όπως και οι επόμενες δεν θα είναι εντελώς εμφανείς στο φοιτητή επειδή γίνονται εσωτερικά στο Ολοκληρωμένο Κύκλωμα που έχει επιλεγεί για το σκοπό αυτό. Εργαστήριο Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων Δ.Π.Θ. 2

3 Εισαγωγικά Σχήμα 2. Αναλογικό σήμα πριν και μετά την δειγματοληψία. Κβαντισμός Μετά τη μετατροπή του αναλογικού σήματος σε σήμα PAM μέσω της δειγματοληψίας, ακολουθεί η διαδικασία του κβαντισμού. Δηλαδή διαιρούμε την περιοχή διακύμανσης πλάτους του σήματός μας σε διακριτές στάθμες, θετικές και αρνητικές. Αντικαθιστώντας την κάθε τιμή PAM με την πλησιέστερη από τις διακριτές στάθμες, παίρνουμε το κβαντισμένο σήμα, Σχήμα 3. Σχήμα 3. Παράσταση μιας μορφής κβαντισμού 8 σταθμών. Εδώ θα πρέπει να αναφέρουμε το σφάλμα το οποίο εισάγεται κατά την αντικατάσταση της πραγματικής τιμής με την πλησιέστερη διακεκριμένη και το ονομάζουμε σφάλμα κβαντισμού. Με αφορμή αυτό οδηγούμαστε στον ανομοιόμορφο κβαντισμό όπου, για μικρές τιμές πλάτους σήματος έχουμε περισσότερες στάθμες κβαντισμού και συνεπώς μικρότερες αποστάσεις, ενώ για μεγάλες τιμές λιγότερες στάθμες. Με τον τρόπο αυτό πετυχαίνουμε σταθερό λόγο σήματος προς θόρυβο για όλη την περιοχή πλατών. Η διαδικασία αυτή αναφέρεται και ως συμπίεση-αποκατάσταση (companding). Στην πράξη χρησιμοποιούνται δύο μέθοδοι ανομοιόμορφου κβαντισμού που είναι: Με βάση χαρακτηριστική 13-τομέων (ή Α νόμος) που χρησιμοποιείται στο σύστημα PCM 30 στην Ευρώπη (Σχήμα 4). Με βάση τη χαρακτηριστική 15-τομέων (ή μ-νόμος) που χρησιμοποιείται στο σύστημα PCM 24 στις ΗΠΑ, Καναδά και Ιαπωνία Εργαστήριο Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων Δ.Π.Θ. 3

4 Εισαγωγικά Σχήμα 4. Χαρακτηριστική 13-τομέων (A νόμος) που χρησιμοποιείται στο σύστημα PCM 30 στην Ευρώπη. Παρουσιάζεται μόνο το θετικό τμήμα της χαρακτηριστικής. Στο σχήμα φαίνεται η χαρακτηριστική 13-τομέων που αποτελείται από επτά θετικούς και επτά αρνητικούς τομείς. Οι δύο τομείς γύρω από το 0 αποτελούν στην πραγματικότητα ένα γραμμικό τομέα. Ετσι έχουμε συνολικά 13. Στον οριζόντιο άξονα έχουν τοποθετηθεί αριθμοί των διαστημάτων κβαντισμού (2 0 =1 έως 2 7 =127) για θετικές τιμές σήματος. Ο κάθε τομέας διαιρείται σε 16 ίσα διαστήματα. Τα διαστήματα αυτά είναι μεγαλύτερα για μεγάλες τιμές σήματος και μικρότερα για μικρές. Από τομέα σε τομέα το διάστημα κβαντισμού αυξάνει με τον παράγοντα 2. Ετσι η χαρακτηριστική αυτή μοιάζει με λογαριθμική. Κωδικοποίηση Το επόμενο βήμα μετά τον κβαντισμό του σήματος είναι η κωδικοποίηση, δηλαδή η αντικατάσταση των διακριτών σταθμών πλάτους από δυαδικούς κώδικες. Επειδή για σήματα φωνής ο συνήθης κβαντισμός είναι αυτός των 256 σταθμών, οι δυαδικές λέξεις θα αποτελούνται από 8-bit (2 8 =256). Από αυτά το πρώτο bit (MSB) αντιπροσωπεύει το πρόσημο, τα επόμενα τρία τον τομέα και τα τελευταία τέσσερα το διάστημα κβαντισμού. Εξαίρεση αποτελεί ο πρώτος τομέας που παριστάνεται με δύο bit και τα διαστήματά του με πέντε. Ψηφιακή Συμπίεση-Αποκατάσταση (Companding). Η τεχνική της συμπίεσης χρησιμοποιείται με σκοπό τη βελτίωση του λόγου σήματος προς θόρυβο κβαντισμού για τις μικρές τιμές πλάτους του σήματος εισόδου σε βάρος των μεγαλύτερων πλατών, τα οποία έχουν ικανοποιητικό λόγο σήματος προς θόρυβο (S/N). Αποκωδικοποίηση-Αναγέννηση Στην πλακέτα του δέκτη το σήμα PCM λαμβάνεται με την μορφή ψηφιακών δεδομένων. Με βάση λοιπόν τις χαρακτηριστικές Α-νόμου ή μ-νόμου, αν πρόκειται για ανομοιόμορφο κβαντισμό, τα δεδομένα αυτά μετατρέπονται σε αναλογικό σήμα PAM. Το σήμα αυτό περνάει από ένα χαμηλοπερατό φίλτρο προκειμένου να εξαλειφθούν οι ανώτερες αρμονικές τις οποίες περιέχει το σήμα PAM. Στην έξοδο του φίλτρου λαμβάνουμε το επιθυμητό αναλογικό σήμα. Εργαστήριο Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων Δ.Π.Θ. 4

5 Εισαγωγικά Συστήματα PCM Τα δυο επικρατέστερα συστήματα είναι το PCM-30 που χρησιμοποιείται κυρίως στην Ευρώπη και το προγενέστερο PCM-24 που χρησιμοποιείται σε Αμερική, Καναδά και Ιαπωνία. Τα κοινά τους σημεία είναι ότι έχουν καθιερώσει δειγματοληψία 8kHz και λέξη κώδικα 8-bit. 'Εχουν όμως και αρκετές διαφορές που φαίνονται στον πίνακα που ακολουθεί: ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ PCM 30 PCM 24 Κωδικοποίηση / Αποκωδικοποίηση Α-νόμος μ-νόμος Πλήθος Time Slots ανά πλαίσιο Time Slots ομιλίας Ρυθμός bit 2048 kbit / sec 1544 kbit / sec Συγκρίνοντας τα δυο συστήματα, το PCM-30 υπερτερεί αφού, ως μεταγενέστερο, στηρίχθηκε στην εμπειρία του PCM-24. Τα σημεία στα οποία διακρίνουμε την υπεροχή είναι: Καλύτερη πιστότητα ομιλίας αφού έχουμε πλήρη χρησιμοποίηση και των 8-bit για κωδικοποίηση σήματος αντίθετα με το PCM-24 όπου λόγω του bit συγχρονισμού γίνεται χρήση κατά μέσο όρο των 7 5/6 bit. Ταχύτερη επίτευξη συγχρονισμού πλαισίου και ταχύτερη επίσης αναγνώριση απώλειας αυτού. Πρόσθετη χωρητικότητα για σηματοδοσία. Στο σύστημα PCM-30 τα κανάλια 1-15 και είναι κανάλια φωνής. Το κανάλι 0 είναι για το συγχρονισμό πλαισίου και το 16 για τη σήμανση. Συγχρονισμός 1 ο Κανάλι 2 ο Κανάλι 3 ο Κανάλι 31 ο Κανάλι Στα πλαίσια της εργαστηριακής άσκησης μεταδίδουμε μονίμως στο κανάλι 0 μια λέξη 8-bit την οποία αναγνωρίζει ο δέκτης ως αρχή του πλαισίου και παράγει τον κατάλληλο παλμό για να διαβάσει το σήμα. Η λέξη αυτή έχει επιλεγεί αυθαίρετα και η επιλογή της δεν ανταποκρίνεται κατ ανάγκη σε κάποια οδηγία. Επειδή για κάποιο λόγο το σύστημα μπορεί να αποσυγχρονιστεί, ενσωματώθηκε κατάλληλο κύκλωμα διόρθωσης ώστε όταν μετρηθούν τρεις λάθος λήψεις της λέξης συγχρονισμού να σταματά η αποκωδικοποίηση και να ξεκινά εκ νέου η αναζήτηση αυτής. Το Πειραματικό Κύκλωμα Στην παρούσα εργαστηριακή άσκηση υλοποιήθηκε ένα κύκλωμα μετάδοσης ομιλίας με τη χρήση της διαμόρφωσης PCM. Το βασικό ολοκληρωμένο κύκλωμα που χρησιμοποιήθηκε είναι το TCM320AC37CN της Texas Instruments το οποίο είναι ένα ένας αυτόνομος διαμορφωτής - αποδιαμορφωτής PCM. Από τα 32 κανάλια του Ευρωπαϊκού συστήματος PCM χρησιμοποιήθηκε μόνο ένα (το κανάλι 1) ενώ υπάρχει δυνατότητα στην πλακέτα να προστεθεί και δεύτερο κανάλι, το 2) μαζί με το κανάλι συγχρονισμού (κανάλι 0). Θα πρέπει να δοθεί προσοχή από τον ασκούμενο κατά την αρχική λειτουργία ώστε να εισαχθούν όμοιες μοναδικές λέξεις συγχρονισμού μέσω των DIP switches και στις δύο πλακέτες. Το βασικότερο πρόβλημα που αντιμετωπίστηκε ήταν ο συγχρονισμός του δέκτη στα μεταδιδόμενα από τον πομπό δεδομένα, δηλαδή η ανάκτηση στον δέκτη του χρησιμοποιούμενου από τον πομπό ρολογιού. Σχεδόν όλες οι υπόλοιπες λειτουργίες εκτελούνται από το προαναφερθέν ολοκληρωμένο κύκλωμα. Το πρόβλημα του συγχρονισμού επιλύθηκε με τον συνδυασμό της Διαφορικής και Πολικής (P-RZ) κωδικοποίησης και, όπως ήδη αναφέρθηκε, αποτελεί άλλη μία απόκλιση από το standard. Επαναλαμβάνεται και πάλι ότι στη θέση αυτής της βαθμίδας θα μπορούσε να βρίσκεται η 1 η Εργαστηριακή Άσκηση. Παρά ταύτα η συγκεκριμένη υλοποίηση είναι διδακτική. Το όλο κύκλωμα συγχρονισμού του πομπού και του δέκτη, μαζί με το απαραίτητο κύκλωμα σηματοδοσίας των TCM320AC37CN, τοποθετήθηκε μέσα σε δύο προγραμματιζόμενα ολοκληρωμένα κυκλώματα (PLDs) της Altera, ένα στον πομπό και ένα στον δέκτη. Εργαστήριο Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων Δ.Π.Θ. 5

6 Εισαγωγικά TCM320AC37CN Το ολοκληρωμένο κύκλωμα αυτό είναι ένας μετατροπέας αναλογικού σήματος σε ψηφιακό (A/D-converter) προσαρμοσμένο στην κωδικοποίηση (διαμόρφωση) PCM και συγχρόνως μετατροπέας ψηφιακού σε αναλογικό (D/A-converter). Εχει τα κατάλληλα φίλτρα και κατάλληλους ενισχυτές ώστε να δίδει τη δυνατότητα απευθείας σύνδεσης μικροφώνου και ακουστικού. Προσφέρεται για συχνότητες φωνής και χρησιμοποιείται κυρίως σε συσκευές κινητών τηλεφώνων αλλά επίσης είναι κατάλληλο γενικά για ψηφιακό ήχο όπως και για άλλες εφαρμογές τηλεπικοινωνιών. Στο Παράρτημα παρουσιάζεται αναλυτικά η εσωτερική δομή του TCM320AC37CN αλλά και η λειτουργία των ακροδεκτών του. Η συχνότητα λειτουργίας του κυκλώματος είναι τα 2,048 MHz, προκειμένου να μπορέσει να καλύψει την ταυτόχρονη μεταφορά 32 καναλιών (30 ηχητικών), όσων απαιτεί το Ευρωπαϊκό TCM320AC37CN Σύστημα PCM. Η συχνότητα αυτή προκύπτει ως εξής. (32 κανάλια) x (8 khz συχνότητα δειγματοληψίας του κάθε καναλιού) = 256 khz. Το κάθε δείγμα κωδικοποιείται με 8 bit, πράγμα του οχταπλασιάζει την απαιτούμενη συχνότητα λειτουργίας του ολοκληρωμένου κυκλώματος, άρα (256 khz συχνότητα δειγματοληψίας) x (8 bit ανά δείγμα) = 2,048 Μbits ανά δευτερόλεπτο (2,048 Mbps). Το ολοκληρωμένο κύκλωμα απαιτεί επίσης την ύπαρξη ενός παλμού χρονισμού. Ο παλμός αυτός θα πρέπει να έχει διάρκεια ενός bit (μιας περιόδου ωρολογίου) και να επαναλαμβάνεται κάθε 8 khz, όσο είναι και η απαιτούμενη συχνότητα δειγματοληψίας. Στην ουσία καθορίζουμε με τον παλμό αυτόν την επιθυμητή συχνότητα δειγματοληψίας του αναλογικού σήματος (μικροφώνου). Αμέσως μετά τον παλμό αυτό, το TCM320AC37CN παράγει μια ακολουθία από 8 bit, τα οποία είναι η ψηφιακά κωδικοποιημένη παράσταση του δείγματος του αναλογικού σήματος. Το TCM 320AC37CN είναι σχεδιασμένο να λειτουργεί με το Ευρωπαϊκό σύστημα PCM (Α νόμος), ενώ υπάρχει και ανάλογο κύκλωμα το οποίο λειτουργεί με βάση τον μ-νόμο. Παρέχει επίσης την δυνατότητα ψηφιακής συμπίεσης (Companding) του σήματος. Στην παρούσα εργαστηριακή άσκηση χρησιμοποιήθηκε η συμπίεση αυτή. Εργαστήριο Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων Δ.Π.Θ. 6

7 Διαμορφωτής Εποπτική παρουσίαση Βαθμίδων του Συστήματος TCM 1 TCM 1 PLD ALTERA Οδήγηση Γραμμής Λήψη/ Αναίρεση Πολικής Κωδικ/σης PLD ALTERA TCM 2 TCM MHz Ανάκτηση Ωρολογίου Σχήμα 5: Διάγραμμα Βαθμίδων του Συστήματος Στο παραπάνω Σχήμα 5 παρουσιάζεται το διάγραμμα βαθμίδων του συστήματος PCM, όπως υλοποιείται στην παρούσα εργαστηριακή άσκηση. Αριστερά φαίνονται τα μικρόφωνα (εδώ χρησιμοποιείται ένα αλλά υπάρχει δυνατότητα για 2 εκ των 30) που συνδέονται το καθένα με τον αντίστοιχο διαμορφωτή (TCM320), τα οποία με τη σειρά τους παρέχουν τα ψηφιακά δεδομένα στο PLD. Η επιλεγείσα μοναδική λέξη συγχρονισμού εισάγεται στο PLD (Altera) μέσω των οχτώ πρώτων (από αριστερά) μικροδιακοπτών (DIP switches) από τους δέκα που διαθέτει το συγκεκριμένο εξάρτημα των πλακετών και εντάσσεται στη ροή δεδομένων των υπόλοιπων καναλιών οπότε με τη βοήθεια του κυκλώματος παραγωγής σήματος ωρολογίου, δημιουργείται το πλαίσιο PCM και παράγεται η ακολουθία που πρόκειται να οδηγήσει τη γραμμή, αφού περάσει από το κύκλωμα οδήγησης. Ακολούθως εισέρχεται στον μετασχηματιστή υψηλών συχνοτήτων του οποίου το δευτερεύον συνδέεται στη γραμμή. Στη μεριά του αποδιαμορφωτή, το σήμα λαμβάνεται και -αφού περάσει από το κύκλωμα αναίρεσης της πολικής κωδικοποίησης- εισέρχεται στο PLD. Επιπλέον, ανακτάται το σήμα ωρολογίου και εισέρχεται και αυτό στο PLD, όπου συγχρονίζεται στο πλαίσιο PCM και αποπολυπλέκει τα σήματα των γραμμών, οδηγώντας τα αντίστοιχα κυκλώματα αποκωδικοποίησης/αποδιαμόρφωσης (TCM320) που μετατρέπουν το ψηφιακό σήμα σε αναλογικό και το καθένα οδηγεί το ακουστικό του (χρησιμοποιείται μόνο ένα). Ο Διαμορφωτής - Πομπός Ο πομπός αποτελείται από το ολοκληρωμένο κύκλωμα TCM320AC37CN (υπάρχει δυνατότητα στην πλακέτα για τη χρήση δύο), έναν ταλαντωτή βασισμένο σε ένα κρύσταλλο 4,096 MHz υλοποιημένο γύρω από μία πύλη NAND σε συνδεσμολογία αντιστροφέα, έναν Μετασχηματιστή Υψηλών Συχνοτήτων (PE-65612NL) και ένα προγραμματιζόμενο ολοκληρωμένο κύκλωμα της Altera (Programmable Logic Device - PLD) το οποίο περιέχει το υπόλοιπο κύκλωμα. Το σχηματικό διάγραμμα του πομπού PCM παρουσιάζεται στο Σχήμα 7. Η λειτουργία του κυκλώματος είναι η ακόλουθη: Η έξοδος του ταλαντωτή (ωρολογίου) οδηγείται σε κατάλληλο ακροδέκτη του PLD, όπου διαιρείται εσωτερικά με την βοήθεια ενός D flip-flop, προκειμένου να παραχθεί το ζητούμενο ρολόι των 2,048 MHz (Ακροδέκτης 2,048MHz). Το ρολόι αυτό χρησιμοποιείται για τον συγχρονισμό όλων των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων του πομπού. Με βάση το ρολόι αυτό παράγονται και τα σήματα συγχρονισμού των TCM320AC37CN. Το κύκλωμα το οποίο παρουσιάζεται στο δεύτερο σχηματικό διάγραμμα αποτελείται από δύο εσωτερικούς μετρητές των 4 bit (τύπου 74HC190). Οι έξοδοι των μετρητών αυτών οδηγούνται σε κατάλληλες πύλες (AND) προκειμένου να παραχθούν τα σήματα χρονισμού. Τα σήματα αυτά, τα οποία έχουν διάρκεια 1 bit και συχνότητα 8 khz, είναι τα FSX_0, FSX_1 και FSX_2 (Ακροδέκτες FSX_0, FSX_1 και FSX_2). Τα σήματα FSX_1 και FSX_2 χρησιμοποιούνται σαν σήματα χρονισμού των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων TCM320AC37CN. Το σήμα FSX_0 χρησιμοποιείται σαν σήμα χρονισμού της παραγόμενης ακολουθίας της εκάστοτε μοναδικής λέξης (Ακροδέκτης Prefix) η οποία χρησιμοποιείται για τον συγχρονισμό του πλαισίου (Σχήμα 6). Όπως αναφέρθηκε, στην παρούσα Άσκηση δίδεται η δυνατότητα εισαγωγής οποιασδήποτε λέξης συγχρονισμού. Εργαστήριο Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων Δ.Π.Θ. 7

8 Διαμορφωτής Πλάτος 1 bit Συχνότητα 2 MHz 1/8 khz Σχήμα 6. Από επάνω προς τα κάτω παρουσιάζονται οι κυματομορφές. FSX_2: Κυματομορφή χρονισμού του δεύτερου TCM320AC37CN, FSX_1: Κυματομορφή χρονισμού του πρώτου TCM320AC37CN, FSX_0: Κυματομορφή χρονισμού του πλαισίου, CLK: Ρολόι. Η παραγωγή της ακολουθίας της επιλεγείσης μοναδικής λέξης συγχρονισμού γίνεται με την βοήθεια ενός μετατροπέα παράλληλου σε σειριακό (74HC165 - υλοποιημένο εντός του PLD ALTERA). Το σήμα FSX_0 χρησιμοποιείται προκειμένου να φορτωθεί η λέξη (8 bit) από την παράλληλη είσοδο στον μετατροπέα, η οποία ακολούθως, με τους ανερχόμενους παλμούς του ρολογιού, εμφανίζεται στην σειριακή έξοδό του. Στην συνέχεια το παραγόμενο σήμα διοχετεύεται στην μία είσοδο μίας πύλης AND, η άλλη είσοδος της οποίας οδηγείται από έναν παλμό επίτρεψης (Enable_0). Ο παλμός αυτός παράγεται με την βοήθεια ενός RS flip-flop και των σημάτων FSX_0 και FSX_1. Βασιζόμενοι στην αρχή λειτουργίας του RS flip-flop, (το οποίο θέτει την έξοδο του σε 1 αμέσως μόλις εμφανιστεί στην S είσοδο του ένας παλμός, ενώ την επαναφέρει στην κατάσταση 0 μόλις εμφανιστεί στην R είσοδο του ένας άλλος παλμός), οδηγούμε τους παλμούς χρονισμού FSX_0 στην S είσοδο και τους παλμούς χρονισμού FSX_1 στην R είσοδο του flip-flop. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα την παραγωγή ενός σήματος επίτρεψης το οποίο είναι 1 τη χρονική περίοδο ανάμεσα στους παλμούς FSX_0 και FSX_1, ενώ είναι 0 σε οποιαδήποτε άλλη χρονική στιγμή. Οδηγώντας το σήμα επίτρεψης μαζί με την ακολουθία της επιλεγείσης μοναδικής λέξης συγχρονισμού στην πύλη AND λαμβάνουμε ένα σήμα το οποίο εμφανίζει την ακολουθία της επιλεγείσης μοναδικής λέξης συγχρονισμού την στιγμή που το σήμα επίτρεψης είναι 1, δηλ. κάθε 8 khz, ενώ σε κάθε άλλη χρονική στιγμή είναι 0 (Ακροδέκτης Prefix). (Σχήμα 8). Με τον ίδιο τρόπο, χρησιμοποιώντας όμως τα σήματα χρονισμού FSX_1 και FSX_2 δημιουργούμε ανάλογο σήμα επίτρεψης (Enable_1) για τα δεδομένα του πρώτου ολοκληρωμένου (πρώτο κανάλι φωνής). Με την χρήση των FSX_2 και FSX_3 δημιουργείται παρόμοιο σήμα επίτρεψης (Enable_2) για τα δεδομένα του δεύτερου ολοκληρωμένου κυκλώματος (δεύτερο κανάλι φωνής, εφόσον υπήρχε). Εργαστήριο Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων Δ.Π.Θ. 8

9 Διαμορφωτής Ταλαντωτής με κρύσταλλο για την παραγωγή σήματος CLK D SET Q CLK 2,048MHz D SET Q CMOS Buffer MINUS 330pF 100nF Μ/Σ πομπού 220Ω LOUT1 4,096MHz CLR Q CLR Q Q SET D Q CLR PLUS CMOS Buffer 330pF 680Ω 220Ω LOUT2 10MΩ 100ΚΩ 4,096 MHz ΜΟΝΑΔΙΚΗ ΛΕΞΗ ΣΥΓΧΡΟΝΙΣΜΟΥ ΠΛΑΙΣΟΥ ENABLE 0 20pF 20pF DATA1 CHANNEL 1 ENABLE 1 DATA2 CHANNEL 2 ENABLE 2 Σχήμα 7. Σχηματικό διάγραμμα του πομπού PCM FSX_0 FSX_1 ENABLE_0 PREFIX FSX_1 FSX_2 ENABLE_1 DATA_1 FSX_2 FSX_3 ENABLE_2 DATA_2 CLK Σχήμα 8. Από επάνω προς τα κάτω παρουσιάζονται οι κυματομορφές. FSX_0: Κυματομορφή χρονισμού του πλαισίου, FSX_1: Κυματομορφή χρονισμού του πρώτου TCM320AC37CN, FSX_2: Κυματομορφή χρονισμού του δεύτερου TCM320AC37CN, FSX_3: Κυματομορφή χρονισμού του τρίτου TCM320AC37CN, ENABLE_0: Σήμα επίτρεψης του πλαισίου, PREFIX: Σήμα συγχρονισμού του πλαισίου, ENABLE_1: Σήμα επίτρεψης του πρώτου TCM320AC37CN, DATA_1: Δεδομένα εξόδου του πρώτου TCM320AC37CN, ENABLE_2: Σήμα επίτρεψης του δεύτερου TCM320AC37CN (εφόσον υπάρχει), DATA_2: Δεδομένα εξόδου του δεύτερου TCM320AC37CN (εφόσον υπάρχει), CLK: Ρολόι. Εργαστήριο Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων Δ.Π.Θ. 9

10 Διαμορφωτής Όπως αναφέραμε και κατά την περιγραφή του ολοκληρωμένου κυκλώματος TCM320AC37CN, το κύκλωμα αυτό είναι σχεδιασμένο ώστε να παράγει ψηφιακή έξοδο αμέσως μόλις δεχτεί τον παλμό χρονισμού. Γι αυτό το λόγο οδηγούμε το σήμα FSX_1 στο πρώτο ολοκληρωμένο κύκλωμα και το σήμα FSX_2 στο δεύτερο (εφόσον υπήρχε). Μετά τον παλμό αυτόν παράγεται στην έξοδο του ολοκληρωμένου κυκλώματος μια ακολουθία από 8 bit η οποία είναι η PCM παράσταση της αναλογικής εισόδου του. Η ακολουθία αυτή οδηγείται σε μια πύλη AND, μαζί με το σήμα επίτρεψης (Enable 1 για το πρώτο ολοκληρωμένο κύκλωμα και Enable 2 για το δεύτερο). Τέλος οι έξοδοι όλων των πυλών AND οδηγούνται σε μια πύλη OR πολλών εισόδων προκειμένου να λάβουμε το σήμα PCM (Ακροδέκτης OUT) (Σχήμα 9). Enable 0 Prefix Enable 1 Data 1 Enable 2 Data 2 PCM CLK Σχήμα 9. Από επάνω προς τα κάτω παρουσιάζονται οι κυματομορφές. Enable 0: Κυματομορφή επίτρεψης του πλαισίου, Prefix: Κυματομορφή συγχρονισμού του πλαισίου, Enable 1: Κυματομορφή επίτρεψης του πρώτου TCM320AC37CN, Data 1: Δεδομένα εξόδου του πρώτου TCM320AC37CN, Enable 2: Κυματομορφή επίτρεψης του δεύτερου TCM320AC37CN, Data 2: Δεδομένα εξόδου του δεύτερου TCM320AC37CN, PCM: Σήμα PCM, CLK: Ρολόι. Ανάκτηση Ωρολογίου Κατά το σχεδιασμό της εργαστηριακής άσκησης εισήχθησαν δύο κωδικοποιήσεις ώστε να είμαστε σε θέση να ανακτήσουμε το ρολόι στον δέκτη. Οι κωδικοποιήσεις αυτές δεν αποτελούν κατ ανάγκη μέρος του συστήματος PCM όπως αυτό υλοποιείται από τους τηλεπικοινωνιακούς οργανισμούς. Πριν από τις δύο κωδικοποιήσεις του σήματος PCM απαιτείται ο επανασυγχρονισμός του σήματος με το ρολόι. Ο επανασυγχρονισμός αυτός γίνεται με την χρήση ενός D flip-flop. Στην είσοδο D του flip-flop εισάγεται το προς επανασυγχρονισμό σήμα, ενώ στην έξοδό του λαμβάνουμε το επανασυγχρονισμένο σήμα (Ακροδέκτης Sync). Στην συνέχεια ακολουθούν οι δύο διαδοχικές κωδικοποιήσεις (Σχήμα 10). PCM Re-Syncronized Differential CLK Plus Minus CLK_2 Σχήμα 10. Από επάνω προς τα κάτω παρουσιάζονται οι κυματομορφές. PCM: Σήμα PCM, Re-Synchronized: Σήμα PCM μετά τον επανασυγχρονισμό με το ρολόι, Differential: Σήμα PCM το οποίο έχει υποστεί διαφορική κωδικοποίηση, CLK: Ρολόι, Plus: Θετική έξοδος της πολικής (P-RZ) κωδικοποίησης, Minus: Αρνητική έξοδος της πολικής (P-RZ) κωδικοποίησης, CLK_2: Διπλάσιο ρολόι. Η αντίστροφη διαφορική κωδικοποίηση (Non Return to Zero - Mark ή NRZ - I), παριστάνει το 0 με αλλαγή στάθμης στην αρχή του bit και το 1 χωρίς αλλαγή στάθμης. Η διαφορική κωδικοποίηση συνήθως εισάγεται στα συστήματα μετάδοσης ώστε να καταστήσει τη μετάδοση αναίσθητη στην αντιστροφή των δεδομένων η οποία μπορεί να οφείλεται στην αναπαραγωγή του ωρολογίου με διαφορά φάσης 180. Ο τρόπος υλοποίησης παρουσιάζεται Σχήμα 11. Αποτελείται από μια πύλη NOT, μια πύλη XOR και ένα στοιχείο ψηφιακής καθυστέρησης (D flip-flop). Εργαστήριο Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων Δ.Π.Θ. 10

11 Διαμορφωτής Σχήμα 11. Σχηματικό διάγραμμα του τρόπου υλοποίησης της διαφορικής κωδικοποίησης. Η πολική (P-RZ) κωδικοποίηση (Polar Return to Zero ή P-RZ), η οποία παριστάνει το λογικό 1 με ένα θετικό παλμό διάρκειας μισού bit στην αρχή του bit και το λογικό 0 σαν έναν αρνητικό παλμό διάρκειας μισού bit στην αρχή του bit ακολουθεί την διαφορική. Η υπόλοιπη διάρκεια του bit διατηρείται στη στάθμη μηδέν. Ο τρόπος υλοποίησης αυτής της κωδικοποίησης παρουσιάζεται στο Σχήμα 12. Αποτελείται από δύο πύλες AND, η μία είσοδο των οποίων οδηγείται από έναν τετραγωνικό παλμό διπλάσιας συχνότητας από το χρησιμοποιούμενο ρολόι. Η άλλη είσοδος τους οδηγείται αντίστοιχα από το διαφορικά κωδικοποιημένο PCM σήμα και το συμπληρωματικό του. Το αποτέλεσμα των πολλαπλασιασμών αυτών είναι δύο σήματα (Ακροδέκτες Plus και Minus) τα οποία, αφού απομονωθούν διερχόμενα από απομονωτή (buffer) υλοποιημένο με λογικές πύλες NAND, οδηγούνται σε έναν Μ/Σ υψηλών συχνοτήτων ώστε να παραχθεί η ζητούμενη έξοδος (ακροδέκτες LOUT1, LOUT2). Εργαστήριο Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων Δ.Π.Θ. 11

12 SET CL R Διαμορφωτής CLK_2 INPUT MINUS CMOS Buffer 330pF 100nF Μ/Σ πομπού 220Ω LOUT1 PLUS 330pF 680Ω LOUT2 CMOS Buffer 220Ω Σχήμα 12. Σχηματικό διάγραμμα του τρόπου υλοποίησης της πολικής (RZ) κωδικοποίησης. Σαν τελική έξοδο του πομπού παίρνουμε το ζεύγος των σημάτων LOUT1-LOUT2, το οποίο είναι το PCM σήμα μετά από τις δύο προαναφερθείσες διαδοχικές κωδικοποιήσεις. Το PCM σήμα αυτό περιλαμβάνει στο κανάλι 0 το σήμα συγχρονισμού του πλαισίου, στο επόμενο κανάλι 1την PCM παράσταση της αναλογικής κυματομορφής που λαμβάνεται από το μικρόφωνο 1. Τώρα πλέον είναι προφανής ο λόγος εισαγωγής των δύο κωδικοποιήσεων: Το σήμα ωρολογίου μπορεί να εξαχθεί με απλή ανόρθωση του σήματος δεδομένων. Στην πραγματικότητα δεν θα χρησιμοποιηθεί ανορθωτής αλλά άλλες διαδικασίες οι οποίες εξασφαλίζουν την αναπαραγωγή του ωρολογίου. Μ/Σ πομπού 220Ω Μ/Σ δέκτη 180KΩ 180KΩ CMOS Buffer CLK 0.1μF J Data Q 220Ω 0.1μF CMOS Buffer K Q 600Ω 82KΩ 82KΩ Σχήμα 13. Σχηματικό διάγραμμα του τρόπου υλοποίησης της αναίρεσης της πολικής (RZ) κωδικοποίησης, της εξαγωγής του σήματος ωρολογίου και της ανάκτησης των δεδομένων σε μορφή NRZ. Το Σχήμα αυτό επαναλαμβάνεται και εξηγείται στο τμήμα του Δέκτη. Εργαστηριακή Άσκηση - 1ο μέρος Τροφοδοτείστε την πλακέτα του πομπού με τάση +12V περίπου και GND. Είναι ανεκτές τάσεις τροφοδοσίας από +9V έως +16V. Τοποθετήστε τον διακόπτη δειγματοληψίας (DIP switch No 9) στη θέση ON (8 khz). Τροφοδοτείστε και την πλακέτα του δέκτη. Η τροφοδοσία της πλακέτας του δέκτη μπορεί να γίνει είτε με παράλληλη σύνδεση με την τροφοδοσία της πλακέτας του πομπού είτε από ανεξάρτητο τροφοδοτικό. Προτιμήστε τον δεύτερο τρόπο καθώς αυτός αντιστοιχεί σε μία πραγματική υλοποίηση όπου τα δύο τροφοδοτικά λόγω της απόστασής τους πρέπει να είναι διαφορετικά. Τροφοδοτείστε το κύκλωμα με τάση περίπου +12V, και GND από το δεύτερο τροφοδοτικό σε συνδεσμολογία INDEPENDENT MODE. Συνδέστε τους ακροδέκτες "LOUT1", "LOUT2" του διαμορφωτή με τους ακροδέκτες "LIN1", "LIN2" του αποδιαμορφωτή. Φροντίστε ώστε μέσω των οχτώ πρώτων μικροδιακοπτών (DIP switches) να εισάγετε την ίδια μοναδική λέξη συγχρονισμού της επιλογής σας και στις δύο πλακέτες. Αποσυνδέστε προσωρινά την θετική τροφοδοσία του δέκτη ώστε να εκκινήσει νέος συγχρονισμός. Πιέστε το πλήκτρο SW1 που βρίσκεται δίπλα στο μικρόφωνο και μιλήστε. Θα πρέπει να ακούγεται η φωνή σας στο ακουστικό του δέκτη. Αναβάλετε την ενασχόλησή σας με το δέκτη, μέχρι να λάβετε την κατάλληλη οδηγία (2 ο μέρος της Άσκησης). Παρατηρήστε το ρολόι που δίνετε στο κύκλωμα (Ακροδέκτης MHz) και επιβεβαιώστε τη συχνότητά του με τη βοήθεια του παλμογράφου. Παρατηρήστε παράλληλα με το πρώτο ρολόι (Ακροδέκτης MHz) το χρησιμοποιούμενο ρολόι του κυκλώματος (Ακροδέκτης MHz) και επιβεβαιώστε τη σχέση τους. Εργαστήριο Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων Δ.Π.Θ. 12

13 Διαμορφωτής Τοποθετήστε το πρώτο κανάλι του παλμογράφου στην κυματομορφή χρονισμού του πλαισίου (Ακροδέκτης FSX_0) και το δεύτερο κανάλι στην κυματομορφή χρονισμού του πρώτου TCM320 (Ακροδέκτης FSX_1). Συγκρίνετε τις δύο κυματομορφές. Πρέπει να είναι ίδιες, με την διαφορά ότι η μία είναι καθυστερημένη σε σχέση με την άλλη κατά 8 bit. Τοποθετήστε το πρώτο κανάλι του παλμογράφου στην κυματομορφή χρονισμού του πλαισίου (Ακροδέκτης FSX_0) και το δεύτερο κανάλι στην κυματομορφή συγχρονισμού του πλαισίου (Ακροδέκτης PREFIX). Παρατηρήστε ότι το σήμα συγχρονισμού του πλαισίου αρχίζει αμέσως μετά την πτώση του παλμού χρονισμού του και για τη συγκεκριμένη εικόνα είναι η λέξη Τοποθετήστε το πρώτο κανάλι του παλμογράφου στην κυματομορφή χρονισμού του πρώτου TCM320 (Ακροδέκτης FSX_1) και το δεύτερο κανάλι στα PCM δεδομένα εξόδου του (Ακροδέκτης DATA_1). Παρατηρήστε ότι τα δεδομένα εμφανίζονται στην έξοδο του TCM320 μετά την πτώση του παλμού χρονισμού του. Αρχικά τα δεδομένα θα είναι σταθερά. Αυτό γιατί είναι απομονωμένο το μικρόφωνο. Για να ενεργοποιήσετε το μικρόφωνο κρατήστε πατημένο το κουμπί SW1. Παρατηρήστε τα δεδομένα εξόδου του TCM320 (Ακροδέκτης DATA_1). Εργαστήριο Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων Δ.Π.Θ. 13

14 Διαμορφωτής Τοποθετήστε το πρώτο κανάλι του παλμογράφου στα PCM δεδομένα εξόδου του πρώτου ολοκληρωμένου κυκλώματος (Ακροδέκτης DATA_1) και το δεύτερο κανάλι στο συνολικό PCM σήμα εξόδου (Ακροδέκτης OUT). Παρατηρήστε ότι ο Ακροδέκτης OUT παρέχει την παλμοσειρά που αντιστοιχεί στα κωδικοποιημένα δείγματα (PCM) του πρώτου καναλιού PCM. Τοποθετήστε το πρώτο κανάλι του παλμογράφου στα δεδομένα εξόδου του πρώτου ολοκληρωμένου κυκλώματος (Ακροδέκτης DATA_1) και το δεύτερο κανάλι στο σήμα PCM εξόδου (Ακροδέκτης OUT). Κρατώντας πατημένο το κουμπί SW1 μιλήστε στο μικρόφωνο. Παρατηρήστε ότι μεταβάλλονται τα δεδομένα στην έξοδο του TCM320 (1ο κανάλι παλμογράφου) ενώ ταυτόχρονα μεταβάλλονται μόνο τα δεδομένα του πρώτου καναλιού PCM χωρίς να επηρεάζονται τα δεδομένα χρονισμού. Τοποθετήστε το πρώτο κανάλι του παλμογράφου στο συνολικό PCM σήμα εξόδου (Ακροδέκτης OUT) και το δεύτερο κανάλι στο διαφορικό σήμα εξόδου (Ακροδέκτης DIFF). Παρατηρήστε την (αντίστροφη) διαφορική κωδικοποίηση. Το 0 αντικαταστάθηκε από μια αλλαγή στάθμης (μετάβαση) ενώ το 1 από παραμονή στην ίδια στάθμη. Στην κανονική Διαφορική Κωδικοποίηση το 1 αντιστοιχεί σε αλλαγή στάθμης ενώ το 0 σε παραμονή στην ίδια στάθμη. Ο λόγος που εδώ γίνεται το αντίστροφο είναι ότι οι 30 κενές χρονοθυρίδες (κανάλια) του πειραματικού συστήματος PCM της Άσκησης δεν θα είχαν μεταβάσεις (συνεχή μηδενικά) οπότε δεν θα ήταν δυνατή η ανάκτηση του σήματος ωρολογίου. Εργαστήριο Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων Δ.Π.Θ. 14

15 Διαμορφωτής Τοποθετήστε το 1ο κανάλι στο διαφορικό σήμα εξόδου (ακροδέκτης DIFF). Συνδέστε τη γείωση του 2ου καναλιού του παλμογράφου στον ακροδέκτη "LOUT2" και το probe του 2ου καναλιού στον ακροδέκτη "LOUT1". Το σήμα αυτό είναι το σήμα PCM μετά τη διαφορική και την πολική (P-RZ) κωδικοποίηση. Παρατηρήστε τις τρεις στάθμες (+5, 0, -5 V) και ότι το σήμα στους ακροδέκτες "LOUT1,2" (2ο κανάλι παλμογράφου) είναι 0 μηδενική στο δεύτερο μισό του κάθε παλμού (πολική (P-RZ) κωδικοποίηση). Στο παρακάτω Σχήμα (και στην οθόνη του παλμογράφου) μπορείτε να παρατηρήσετε ότι στο κεντρικό τμήμα της κυματομορφής όπου βρίσκονται τα δεδομένα του καναλιού συγχρονισμού (#0) και τα δεδομένα ομιλίας το μοναδικού καναλιού (#1) που λειτουργεί και υπάρχει μία διαταραχή ως προς την DC συνιστώσα. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι στην παρούσα υλοποίηση, όπως ήδη εξηγήθηκε, δεν χρησιμοποιήθηκε κωδικοποίηση HDB3 ή κάποια άλλη που να εξασφαλίζει την έλλειψη DC συνιστώσας. Προκειμένου να μπορέσετε να παρατηρήσετε τις κυματομορφές θα πρέπει να χρησιμοποιήσετε το εξωτερικό triggering του παλμογράφου. Για το λόγο αυτό θα πρέπει να συνδέσετε το κανάλι του εξωτερικού triggering του παλμογράφου στον Ακροδέκτη OUT και να μετακινήσετε το κουμπί του triggering στην θέση external. Στην συνέχεια επαναφέρετε το triggering του παλμογράφου στην προηγούμενη του θέση. Μετακινείστε το 1ο κανάλι του παλμογράφου στον ακροδέκτη "OUT" (συνολικά PCM δεδομένα εξόδου) και συγκρίνετέ τα με τα πλήρως κωδικοποιημένα δεδομένα (2ο κανάλι στους ακροδέκτες LOUT1 και LOUT2). Παρατηρήστε ότι φαινομενικά τα δύο σήματα είναι ασύνδετα μεταξύ τους. Εργαστήριο Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων Δ.Π.Θ. 15

16 SET CL R Αποδιαμορφωτής Ο Αποδιαμορφωτής - Δέκτης Η πλακέτα του δέκτη μπορεί να δεχθεί δύο ολοκληρωμένα κυκλώματα TCM320AC37CN (εκ των οποίων μόνο το ένα χρησιμοποιούμε στην άσκηση), ένα διαφορικό ενισχυτή (ο οποίος βασίζεται στον τελεστικό ενισχυτή TL082 με μονή τροφοδοσία για τον έλεγχο της ενίσχυσης του ακουστικού σήματος εξόδου του TCM320), έναν διπλό απομονωτή (buffer) υλοποιημένο με το ολοκληρωμένο κύκλωμα HC7400 (πύλες NAND σε συνδεσμολογία NOT) και ένα προγραμματιζόμενο ολοκληρωμένο κύκλωμα (PLD) της Altera το οποίο περιέχει το υπόλοιπο κύκλωμα. Το σχηματικό διάγραμμα του δέκτη PCM παρουσιάζεται στο Σχήμα 18. Μ/Σ πομπού 220Ω Μ/Σ δέκτη 180KΩ 0.1μF 180KΩ CMOS Buffer PLUS J CLK Data Q 220Ω 0.1μF CMOS Buffer MINUS K Q 600Ω 82KΩ 82KΩ (α) <Vcc/ V - 220Ω - 180KΩ//82KΩ + Vcc=5V CMOS Buffer 0.1μF Vin>Vcc/2 Μ/Σ πομπού Μ/Σ δέκτη 0.1μF Vcc=5V CMOS Buffer 220Ω + 180KΩ//82KΩ - Vin<<Vcc/2 + <Vcc/ V <Vcc/ V + Μ/Σ πομπού 220Ω + Μ/Σ δέκτη 180KΩ//82KΩ 0.1μF 0.1μF Vcc=5V - Vin<<Vcc/2 Vcc=5V CMOS Buffer CMOS Buffer 220Ω - 180KΩ//82KΩ + Vin>Vcc/2 <Vcc/ V - (β) Σχήμα 14. Σχηματικό διάγραμμα του κυκλώματος αναίρεσης της πολικής (P-RZ) κωδικοποίησης και ανάκτησης ωρολογίου (CLK). Στο (α) παρουσιάζεται το κύκλωμα όπως έχει υλοποιηθεί. Στο (β), παρουσιάζεται τμήμα του ανωτέρω κυκλώματος όπου οι διαιρέτες τάσης έχουν αντικατασταθεί με το ισοδύναμο κατά Thevenin για λόγους κατανόησης, και παριστάνονται οι δύο περιπτώσεις για θετικό (πάνω) μεταδιδόμενο παλμό και αρνητικό (κάτω) μεταδιδόμενο παλμό. Η λειτουργία του κυκλώματος είναι η ακόλουθη. Τα δύο άκρα του δευτερεύοντος του μετασχηματιστή του δέκτη συνδέονται μέσω δύο πυκνωτών 0.1 μf στις εισόδους δύο buffers οι οποίες είναι πολωμένες σε στάθμη τάσης μικρότερη των 2,5 VDC, περίπου 1.56 V, με αντίστοιχους διαιρέτες τάσης (180 ΚΩ//82ΚΩ). Οι πυκνωτές κόβουν το DC ώστε να μην έρχεται σε άσκοπο κορεσμό ο πυρήνας του Μ/Σ. (Οι buffers έχουν υλοποιηθεί με πύλες NAND, χωρίς αυτό να είναι απαραίτητο, για λόγους διαθέσιμου υλικού). Όπως ήδη εξηγήθηκε οι παλμοί εισόδου στο δέκτη έχουν είτε θετική είτε αρνητική στάθμη (διπολικό σήμα). Στο Σχ. 14β οι διαιρέτες τάσης και η τάση τροφοδοσίας +5V έχουν αντικατασταθεί από το κατά Thevenin ισοδύναμο κύκλωμα, δηλαδή από τάση +1,56 VDC και μία εν σειρά αντίσταση (180ΚΩ//82ΚΩ). Ένας θετικός μεταδιδόμενος παλμός που επάγεται στο δευτερεύον του δέκτη θα προκαλέσει την ροή ρεύματος «από κάτω προς τα πάνω» στο δευτερεύον του Μ/Σ του δέκτη μέσω των δύο ζευγών αντιστάσεων 180 ΚΩ//82ΚΩ (Σχ. 14β, πάνω). Δηλαδή το ρεύμα αυτό θα αυξήσει την τάση εισόδου του άνω buffer ( ) πάνω από το κατώφλι αλλαγής λογικής κατάστασης και θα αλλάξει τη λογική στάθμη της εξόδου του. Ταυτόχρονα θα μειώσει ( ) την τάση εισόδου του κάτω buffer ακόμη περισσότερο. Όμως η μείωση της τάσης στην είσοδο του κάτω buffer δεν θα γίνει αντιληπτή από αυτόν, καθόσον η είσοδός του είναι ήδη κάτω από +2,5VDC και δεν θα επηρεάσει τη λογική κατάσταση της εξόδου του. Δηλαδή, όπως είπαμε, θα γίνει αντιληπτή μόνο από τον πάνω buffer Εργαστήριο Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων Δ.Π.Θ. 16

17 Αποδιαμορφωτής καθόσον η τάση της εισόδου του θα αυξηθεί, πάνω από το κατώφλι των +2,5VDC, οπότε θα αντιστοιχεί σε λογικό 1. Αυτό είναι το σήμα PLUS (δηλαδή προέρχεται από τους θετικούς παλμούς). Αντίστοιχα, ένας παλμός αντίθετης πολικότητας (βλ. Σχ.14β, κάτω) θα παράγει, κατ αναλογίαν, παλμό (λογικό 1) μόνο στην έξοδο του κάτω buffer. Αυτό είναι το σήμα MINUS. Τέτοιοι παλμοί, είτε στην έξοδο του ενός buffer είτε του άλλου, διάρκειας μισού bit, δημιουργούνται για κάθε bit δεδομένων. Οι παλμοί αυτοί συνδυάζονται σε μία πύλη OR (Σχ. 14α), όπου δημιουργείται μία περιοδική κυματομορφή 2,048 MHz επειδή για κάθε bit έχουμε ένα παλμό προερχόμενο είτε από τον άνω είτε από τον κάτω buffer, δηλαδή έχουμε ανακτήσει το clk. Η διαδικασία αυτή ισοδυναμεί με την ανόρθωση που περιγράφηκε προηγουμένως. Στο Σχήμα 15 παρουσιάζονται οι κυματομορφές εισόδου της πύλης OR μαζί με το ανακτημένο ρολόι. Σχήμα 15. Από επάνω προς τα κάτω παρουσιάζονται οι κυματομορφές. Plus: Θετικό σήμα εισόδου της πολικής (P-RZ) κυματομορφής, Minus: Αρνητικό σήμα εισόδου της πολικής (P-RZ) κυματομορφής, CLK Ανακτημένο Ρολόι 2MHz. Οι έξοδοι των buffers οδηγούνται και σε ένα JK flip-flop που λειτουργεί ως RS flip-flop όπου ανασυντίθεται η πληροφορία σε μορφή NRZ. Ας σημειωθεί ότι η διάρκεια των παλμών εισόδου του flip-flop είναι μισή περίοδος clock, λόγω της RZ μορφής των παλμών αυτών, οπότε δεν τίθεται θέμα ορθής λειτουργίας του RS flip-flop, δηλαδή δεν υπάρχει ο κίνδυνος εμφάνισης θετικών σταθμών ταυτόχρονα στις δύο εισόδους του F/F. Ο σκοπός του RS flip - flop αυτού, με την βοήθεια και της προηγούμενης βαθμίδας του Μ/Σ, είναι να αναιρέσει την πολική (P-RZ) κωδικοποίηση, την οποία είχαμε εισάγει τελευταία στον πομπό. Αυτό είναι λογικό γιατί στον δέκτη η σειρά με την οποία πρέπει να αναιρεθούν οι κωδικοποιήσεις του πομπού αντιστρέφεται, πρέπει δηλαδή πρώτα να αναιρεθεί η πολική (P-RZ) κωδικοποίηση και μετά η διαφορική. Εν τω μεταξύ έχει γίνει η εξαγωγή (αναπαραγωγή) του σήματος ωρολογίου με την χρήση της πύλης OR, όπως εξηγήθηκε παραπάνω. Τα δεδομένα εξόδου του RS flip - flop (Ακροδέκτης IN), που είναι τα διαφορικά κωδικοποιημένα PCM δεδομένα του πομπού, προκειμένου να επανασυγχρονιστούν με το ρολόι, εισάγονται στην είσοδο D ενός D flip - flop. Στην Q έξοδο του flip - flop λαμβάνουμε τα επανασυγχρονισμένα δεδομένα (Ακροδέκτης DIFF) Ακολούθως αναιρούμε την διαφορική κωδικοποίηση. Αυτό γίνεται με το να εισάγουμε στην μία είσοδο μιας πύλης XOR τα δεδομένα και στην άλλη είσοδο της πύλης τα καθυστερημένα κατά μια χρονική περίοδο δεδομένα. Η καθυστέρηση πραγματοποιείται με την βοήθεια ενός D flip - flop το οποίο χρησιμοποιεί το ήδη ανακτημένο ρολόι. Το κύκλωμα αναίρεσης της διαφορικής κωδικοποίησης παρουσιάζεται στο Σχήμα 17, ενώ τα αποκωδικοποιημένα πλέον PCM δεδομένα μπορούν να παρατηρηθούν στον ακροδέκτη DATA. Σχήμα 16. Από επάνω προς τα κάτω παρουσιάζονται οι κυματομορφές. CLK: Ανακτημένο Ρολόι 2,048 MHz, IN: Διαφορική κυματομορφή εισόδου μετά την αναίρεση της πολικής (P-RZ) κωδικοποίησης, Differential: Διαφορικό σήμα μετά τον επανασυγχρονισμό με το ρολόι του δέκτη, Data: Σήμα PCM μετά τις αποδιαμορφώσεις. Βαθμίδα Καθυστέρησης (D - flip flop) Σχήμα 17. Σχηματικό διάγραμμα του κυκλώματος αναίρεσης της διαφορικής κωδικοποίησης. Εργαστήριο Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων Δ.Π.Θ. 17

18 SE T CL R Αποδιαμορφωτής Έχοντας ανακτήσει πια το ρολόι του πομπού μαζί με τα PCM δεδομένα μπορούμε να προχωρήσουμε στην διαδικασία κατανομής τους προς τα TCM320AC37CN ολοκληρωμένα κυκλώματα, εφόσον υπάρχουν περισσότερα του ενός. Πρέπει όμως να συγχρονιστούμε σωστά στο πλαίσιο του PCM ώστε στον κάθε αποδέκτη (TCM320AC37CN) να δίδεται το κατάλληλο τμήμα από τη συνολική παλμοσειρά (πλαίσιο). Ο συγχρονισμός γίνεται με την βοήθεια της χρονοθυρίδας συγχρονισμού (time slot) του πλαισίου, χρονοθυρίδα #0, η οποία υπάρχει σε κάθε μεταδιδόμενο πλαίσιο. Θα πρέπει λοιπόν να κλειδώσουμε στη χρονοθυρίδα συγχρονισμού προκειμένου να μπορέσουμε να διαχωρίσουμε τις χρονοθυρίδες (κανάλια) δεδομένων που ακολουθούν και να διοχετεύσουμε την κάθε χρονοθυρίδα (κανάλι) στον κατάλληλο παραλήπτη. Η διαδικασία συγχρονισμού (κλειδώματος) περιγράφεται στη συνέχεια. Μ/ Σ πομπού 220Ω Μ/ Σ δέκτη 180KΩ 180KΩ CMOS Buffer PLUS Αναπαραγωγή Επανασυγχρονισμός δεδομένων ανακτηθέντων σε μορφή NRZ δεδομένων Αναίρεση διαφορικής κωδικοποίησης 0.1μF J Q SET D Q DIFF DATA 220Ω 0.1μF CMOS Buffer MINUS K Q CLR Q SET D Q Προς αποκωδικοποιητή PCM TCM320AC37CN 600Ω 82KΩ 82KΩ Ανάκτηση CLK CLR Q Μετατρ. Σειριακού σε Παράλληλο Παραγωγή σημάτων Χρονισμού EQUAL Ψηφιακός Συγκριτής Μοναδική Λέξη Σχήμα 18. Σχηματικό διάγραμμα του δέκτη PCM. Τα δεδομένα PCM εισέρχονται σε έναν μετατροπέα σειριακού σε παράλληλο (ενδεικτικά: 74HC164 υλοποιείται εντός του PLD ALTERA) όπου και μετατρέπονται σε παράλληλη μορφή 8 bit. Ακολούθως τα παράλληλα πια δεδομένα εισέρχονται στην μία 8-bit είσοδο ενός παράλληλου ψηφιακού συγκριτή (ενδεικτικά:74hc682 υλοποιείται εντός του PLD ALTERA). Στην άλλη 8-bit είσοδο του συγκριτή εισάγουμε συνεχώς την σταθερή ακολουθία συγχρονισμού την επιλεγείσα μοναδική λέξη συγχρονισμού. Η έξοδος του συγκριτή (Ακροδέκτης EQUAL) είναι 0 όταν τα παράλληλα δεδομένα εισόδου δεν είναι ίδια με την ακολουθία συγχρονισμού, ενώ γίνεται 1 όταν στα δεδομένα εισόδου παρουσιαστεί η ακολουθία συγχρονισμού. Η έξοδος αυτή οδηγεί την είσοδο reset του κυκλώματος χρονισμού των TCM320AC37CN του δέκτη. Οι έξοδοι των μετρητών αυτών οδηγούνται σε πύλες AND προκειμένου να παραχθούν τα σήματα χρονισμού. Τα σήματα αυτά, τα οποία έχουν διάρκεια 1 bit (μιας περιόδου ωρολογίου) και συχνότητα 8 khz, είναι τα FSR_1, και FSR_2 (Ακροδέκτες FSR_1 και FSR_2). Τα σήματα FSR_1 και FSR_2 χρησιμοποιούνται σαν σήματα χρονισμού των 2 ολοκληρωμένων κυκλωμάτων TCM320AC37CN (Σχήμα 19). Data Equal FSR_1 FSR_2 Σχήμα 19. Από επάνω προς τα κάτω παρουσιάζονται οι κυματομορφές. Data: Ανακτημένα PCM δεδομένα στον Δέκτη, Equal: Σήμα συγχρονισμού του πλαισίου PCM, FSR_1: Σήμα χρονισμού του πρώτου TCM320AC37CN, FSR_2: Σήμα χρονισμού του δεύτερου TCM320AC37CN. Παράλληλα, προκειμένου να μπορέσουμε να απομονώσουμε τα δεδομένα των διαφόρων καναλιών του σήματος PCM δημιουργούμε τα σήματα επίτρεψης Enable_0, Enable_1 και Enable_2. Τα σήματα αυτά δημιουργούνται με την βοήθεια των σημάτων χρονισμού EQUAL, FSR_1 και FSR_2 και τριών RS flip-flop. Τα σήματα αυτά έχουν την ιδιότητα να μπορούν να απομονώσουν τα δεδομένα των διαφόρων καναλιών του σήματος PCM. Αυτό γίνεται με την βοήθεια πυλών AND στην μία είσοδο της οποίας οδηγούμε τα δεδομένα PCM, ενώ στην άλλη είσοδο το κατάλληλο σήμα επίτρεψης. Με τον τρόπο αυτό απομονώνουμε τα δεδομένα PCM του κάθε καναλιού, τα οποία τα οδηγούμε στο κατάλληλο TCM320AC37CN. Τα δεδομένα που αποστέλλονται στο πρώτο TCM320AC37CN εμφανίζονται στον ακροδέκτη Data_1 ενώ τα δεδομένα που θα αποστέλλονταν στο δεύτερο TCM320AC37CN εφόσον αυτό υπήρχε, στον ακροδέκτη Data_2 (Σχήμα 20). Εργαστήριο Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων Δ.Π.Θ. 18

19 Αποδιαμορφωτής Data Equal FSR_1 Enable_1 Data_1 FSR_2 Enable_2 Data_2 Σχήμα 20. Από επάνω προς τα κάτω παρουσιάζονται οι κυματομορφές. Data: Ανακτημένα PCM δεδομένα στον Δέκτη, Equal: Σήμα συγχρονισμού του πλαισίου PCM, FSR_1: Σήμα χρονισμού του πρώτου TCM320, Enable_1: Σήμα επίτρεψης του πρώτου TCM320, Data_1: Δεδομένα εισόδου του πρώτου TCM320, FSR_2: Σήμα χρονισμού του δεύτερου TCM320, Enable_2: Σήμα επίτρεψης του δεύτερου TCM320, Data_2: Δεδομένα εισόδου του δεύτερου TCM320. Εργαστήριο Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων Δ.Π.Θ. 19

20 Αποδιαμορφωτής Εργαστηριακή Άσκηση - 2ο μέρος Πρέπει να έχετε ήδη συνδέσει τους ακροδέκτες "LOUT1", "LOUT2" του διαμορφωτή με τους ακροδέκτες "LIN1", "LIN2" του αποδιαμoρφωτή. Η κυματομορφή εισόδου μπορεί να παρατηρηθεί στον αποδιαμορφωτή συνδέοντας στην πλακέτα ΜΟΝΟ το ένα εκ των δύο καναλιών του παλμογράφου στους ακροδέκτες "LIN1" και "LIN2" ΠΑΡΑΤΗΡΕΙΣΤΕ ΟΤΙ ΜΟΝΟ ΔΥΟ ΑΓΩΓΟΙ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΟΥΝΤΑΙ ΓΙΑ ΤΗ ΣΥΝΔΕΣΗ ΤΩΝ ΠΛΑΚΕΤΩΝ ΠΟΜΠΟΥ- ΔΕΚΤΗ. Αποσυνδέστε τον παλμογράφο από την πλακέτα και τοποθετήστε το πρώτο κανάλι του παλμογράφου στον Ακροδέκτη PLUS και το δεύτερο κανάλι στον Ακροδέκτη MINUS. Η κυματομορφή στον Ακροδέκτη PLUS είναι το θετικό μέρος της κυματομορφής εισόδου, ενώ αντίστοιχα στον Ακροδέκτη MINUS είναι το αρνητικό μέρος της κυματομορφής εισόδου. Με τη χρήση της επιλογής: MATH, Operator, "+" θα προκύψει η άθροιση των σημάτων, που είναι και το σήμα χρονισμού (ανακτημένο clock). Τοποθετήστε το πρώτο κανάλι του παλμογράφου στον Ακροδέκτη MHz (έξοδος της πύλης OR) και παρατηρήστε τη σύνθεση του σήματος χρονισμού από τα PLUS και MINUS. Τοποθετήστε τώρα το δεύτερο κανάλι του παλμογράφου στα δεδομένα στα οποία έχει αναιρεθεί η πολική (P-RZ) κωδικοποίηση, αλλά έχει παραμείνει η διαφορική κωδικοποίηση (Ακροδέκτης IN). Χρησιμοποιούμε το εξωτερικό triggering του παλμογράφου. Παρατηρήστε ότι η κυματομορφή αποτελείται από αλλεπάλληλους παλμούς, εναλλαγές από 0 σε 1 (διαφορική κωδικοποίηση του 0 ) ενώ σε συγκεκριμένα σημεία (όταν γίνεται η αποστολή δεδομένων και υπάρχουν 1 ) παρατηρούνται παλμοί μεγάλης χρονικής διάρκειας. Εργαστήριο Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων Δ.Π.Θ. 20

21 Αποδιαμορφωτής Τοποθετήστε το πρώτο κανάλι του παλμογράφου στον Ακροδέκτη IN, δεδομένα στα οποία έχει αναιρεθεί η πολική (P-RZ) κωδικοποίηση, ενώ το δεύτερο κανάλι στα επανασυγχρονισμένα δεδομένα, διαφορικά κωδικοποιημένα δεδομένα (Ακροδέκτης DIFF). Χρησιμοποιήστε όπως και πιο πάνω το εξωτερικό triggering του παλμογράφου. Παρατηρήστε την χρονική διαφορά που έχουν τα δεδομένα. Μεταφέρετε το πρώτο κανάλι του παλμογράφου στα ανακτημένα PCM δεδομένα μετά την αναίρεση και της διαφορικής κωδικοποίησης (Ακροδέκτης DATA). Παρατηρήστε την διαφορική κωδικοποίηση. Επαναφέρετε το triggering του παλμογράφου στο κανάλι 1. Το σήμα συγχρονισμού του PCM πλαισίου μπορεί να παρατηρηθεί στον ακροδέκτη EQUAL. Στον ακροδέκτη αυτόν παρατηρείται ένας παλμός πολύ μικρής διάρκειας την στιγμή που αναγνωρίζεται στον δέκτη η ακολουθία συγχρονισμού που για την συγκεκριμένη εικόνα είναι Στη δική σας περίπτωση η λέξη συγχρονισμού μπορεί να διαφέρει αναλόγως της επιλογής σας. Εργαστήριο Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων Δ.Π.Θ. 21

22 Αποδιαμορφωτής Με βάση τον παλμό Equal δημιουργούνται οι κυματομορφές χρονισμού των δύο ολοκληρωμένων κυκλωμάτων TCM320. Τις κυματομορφές αυτές μπορείτε να τις παρατηρήσετε στους ακροδέκτες (FSR_1 και FSR_2). Παρατηρήστε ότι οι κυματομορφές αυτές είναι παρόμοιες με τις κυματομορφές χρονισμού των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων του πομπού (FSX_1 και FSX_2). Δοκιμάστε να αλλάξετε τη μοναδική λέξη συγχρονισμού μόνο του πομπού. Θα διαπιστώσετε την απώλεια συγχρονισμού και την αδυναμία επικοινωνίας. Επανέλθετε στην αρχική επιλογή σας και αποσυνδέστε προσωρινά τη θετική τροφοδοσία του δέκτη ώστε να επανεκκινήσει η διαδικασία συγχρονισμού. Τοποθετήστε το πρώτο κανάλι του παλμογράφου στην κυματομορφή χρονισμού του πρώτου TCM320 (Ακροδέκτης FSR_1) και το δεύτερο κανάλι στα PCM δεδομένα εξόδου του (Ακροδέκτης DATA_1). Παρατηρήστε ότι τα δεδομένα εμφανίζονται στην είσοδο του TCM320 μετά την πτώση του παλμού χρονισμού του. Αρχικά τα δεδομένα θα είναι σταθερά. Αυτό γιατί είναι απομονωμένο το μικρόφωνο του πομπού. Για να ενεργοποιήσετε το μικρόφωνο κρατήστε πατημένο το κουμπί SW1 στον πομπό. Συγκρίνετε τα ανακτημένα δεδομένα στον δέκτη (Ακροδέκτες DATA) με τα εκπεμπόμενα δεδομένα του πομπού (Ακροδέκτες OUT). Παρατηρήστε ότι είναι τα ίδια, με κάποια καθυστέρηση. Εργαστήριο Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων Δ.Π.Θ. 22

23 Αποδιαμορφωτής Δειγματοληψία Στην παρούσα εργαστηριακή άσκηση έγινε προσπάθεια να παρουσιαστεί παράλληλα με την διαμόρφωση PCM και η σημασία της συχνότητας δειγματοληψίας στην αναπαραγωγή του αρχικού σήματος από τα δείγματα του. Σύμφωνα με το θεώρημα του Nuquist η συχνότητα δειγματοληψίας ενός σήματος θα πρέπει να είναι υπερδιπλάσια από την μέγιστη συχνότητα του σήματος αυτού. Λαμβάνοντας υπόψιν τα πιο πάνω και θεωρώντας ότι το εύρος συχνοτήτων Ηz είναι ικανοποιητικό για να αναπαραχθεί με πιστότητα η ανθρώπινη ομιλία, ορίστηκε σαν συχνότητα δειγματοληψίας τα 8 khz. Αν προσπαθήσουμε να μεταφέρουμε μέσω ενός καναλιού PCM, το οποίο χρησιμοποιεί ως συχνότητα δειγματοληψίας τα 8 khz, συχνότητες μεγαλύτερες από 4 khz, αυτό θα είχε ως αποτέλεσμα οι συχνότητες αυτές να παρουσιαστούν στον δέκτη ως χαμηλότερες συχνότητες (φαινόμενο aliasing). Το ίδιο αποτέλεσμα θα παρατηρούσαμε αν χρησιμοποιούσαμε για την δειγματοληψία της ανθρώπινης φωνής συχνότητα 4 khz. Οι συνιστώσες της ανθρώπινης φωνής με συχνότητα κάτω από 2 khz θα αναπαραγόταν κανονικά ενώ οι συνιστώσες με συχνότητα μεγαλύτερη από 2 khz θα παρουσιαστούν στην περιοχή συχνοτήτων από 0-2 khz. Στην πλακέτα του πομπού υπάρχει ένας διακόπτης ο οποίος καθορίζει την συχνότητα δειγματοληψίας του σήματος στον πομπό. Οι δυνατές συχνότητες είναι 8 khz, διακόπτης στην αριστερή θέση και 4 khz, διακόπτης στην δεξιά θέση. Εργαστηριακή Άσκηση - 3ο μέρος Ελέγξτε ότι έχετε τροφοδοτήσει το κύκλωμα με τις απαραίτητες τάσεις (+12V και GND σε κάθε πλακέτα) και τοποθετήστε τον διακόπτη της πλακέτας του διαμορφωτή (επιλογή δειγματοληψίας, DIP switch No 9), στη θέση ΟΝ (8 khz). Ελέγξτε ότι έχετε συνδέσει την έξοδο του πομπού στην είσοδο του δέκτη, δηλαδή τους ακροδέκτες "LOUT1", "LOUT2" του διαμορφωτή με τους ακροδέκτες "LIN1", "LIN2" του αποδιαμoρφωτή. Συνδέστε το ακουστικό στο δέκτη. Επιβεβαιώστε ότι είναι ενεργοποιημένο, δηλαδή ότι ο μικροδιακόπτης Νο. 9 του αποδιαμορφωτή -δέκτη βρίσκεται στη θέση ΟΝ. Κρατήστε πατημένο το κουμπί SW1 στον πομπό, δίπλα στο μικρόφωνο και μιλήστε ώστε να ακούσετε την ομιλία από το ακουστικό του δέκτη, όπως κάνατε και στην αρχή της Άσκησης. Παρατηρήστε ότι δεν υπάρχει σημαντική παραμόρφωση της ομιλίας. Μετακινήστε τώρα τον διακόπτη δειγματοληψίας (DIP switch No 9 του διαμορφωτή - πομπού) στη θέση OFF (4 khz). Επαναλάβετε την πιο πάνω διαδικασία. Η ομιλία αυτή την φορά παρουσιάζει σημαντική παραμόρφωση στον δέκτη στις υψηλές συχνότητες, καθώς δημιουργείται το φαινόμενο aliasing. Ρυθμίστε την έξοδο μιας γεννήτριας κυματομορφών ώστε να έχει πλάτος 500 mv P-P και συχνότητα 3,5 khz. Η γεννήτρια να ρυθμιστεί εκ των προτέρων με την βοήθεια παλμογράφου και όχι πάνω στο κύκλωμα. Επαναφέρετε τον διακόπτη επιλογής δειγματοληψίας στη θέση ΟΝ (8 khz), και συνδέστε την γεννήτρια κυματομορφών στην είσοδο του TCM320 του πομπού (Ακροδέκτες MIC1). Τοποθετήστε το πρώτο κανάλι Εργαστήριο Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων Δ.Π.Θ. 23

24 Αποδιαμορφωτής του παλμογράφου στον ακροδέκτη MIC1 του πομπού και το δεύτερο κανάλι του παλμογράφου στη έξοδο του TCM320 (Ακροδέκτες EARS-1) του δέκτη. Παρατηρήστε ότι η κυματομορφή στον δέκτη είναι η ίδια με αυτή στον πομπό. Μετακινήστε τώρα τον διακόπτη δειγματοληψίας στη θέση OFF (4 khz) (DIP switch No 9 του διαμορφωτή πομπού). Επαναλάβετε την πιο πάνω διαδικασία. Παρατηρήστε αυτή τη φορά ότι η κυματομορφή στον δέκτη δεν είναι της ίδιας συχνότητας με την κυματομορφή εισόδου στον πομπό. Μειώστε σταδιακά την συχνότητα της γεννήτριας κυματομορφών. Μετά τα 2 khz η κυματομορφή στον δέκτη γίνεται ίδια με αυτήν του πομπού. Αυτό γιατί για συχνότητες κάτω από 2 khz ικανοποιείται και πάλι το θεώρημα του Nyquist. Εργαστήριο Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων Δ.Π.Θ. 24

25 Παράρτημα Παράρτημα Σχ. Π1. Χαρακτηριστικά μετασχηματιστή Εργαστήριο Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων Δ.Π.Θ. 25

26 Παράρτημα Σχήμα Π2. Σχηματικό διάγραμμα του κυκλώματος χρονισμού του πομπού. Σχήμα Π3. Σχηματικό διάγραμμα του κυκλώματος χρονισμού του δέκτη. Εργαστήριο Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων Δ.Π.Θ. 26

27 Παράρτημα Σήματα λειτουργίας των ακροδεκτών του ολοκληρωμένου κυκλώματος TCM320 Texas Instruments. Εργαστήριο Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων Δ.Π.Θ. 27