ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ. Παλμοκωδική Διαμόρφωση PCM : Pulse Code Modulation

Transcript

1 Εισαγωγικά ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ Παλμοκωδική Διαμόρφωση PCM : Pulse Code Modulation Εισαγωγικά Η παρούσα εργαστηριακή άσκηση 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). 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 κβαντιζονται 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. Σχήμα 1. Σχηματική Παράσταση ενός συστήματος PCM. Δειγματοληψία Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως η συχνότητα δειγματοληψίας είναι 8 khz, προκειμένου να είναι υ- περδιπλάσια 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 Εργαστήριο Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων Δ.Π.Θ. 1

2 Εισαγωγικά εμφανείς στο χρήστη (φοιτητή) επειδή γίνονται εσωτερικά στο Ολοκληρωμένο Κύκλωμα που έχει επιλεγεί για το σκοπό αυτό. 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: Εργαστήριο Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων Δ.Π.Θ. 2

3 Εισαγωγικά 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 Ευ- Σχήμα 4. Χαρακτηριστική 13-τομέων (A νόμος) που χρησιμοποιείται στο σύστημα PCM 30 στην ρώπη. Παρουσιάζεται μόνο το θετικό τμήμα της χαρακτηριστικής. Στο σχήμα φαίνεται η χαρακτηριστική 13-τομέων που αποτελείται από επτά θετικούς και επτά αρνητικούς τομείς. Οι δυο 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. 3

4 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 ε- μπειρία του PCM-24. Τα σημεία στα οποία διακρίνουμε την υπεροχή είναι: Καλλίτερη 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 χρησιμοποιήθηκαν μόνο τα 2 (το κανάλι 1 και το κανάλι 2) μαζί με το κανάλι συγχρονισμού (κανάλι 0). Σαν λέξη συγχρονισμού επιλέχθηκε αυθαίρετα η ακολουθία 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. 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. 4

5 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 ηχητικών καναλιών, όσων απαιτεί το Ευρωπαϊκό Σύστημα TCM320AC37CN 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 Μ δείγματα ανά δευτερόλεπτο (MHz). 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. 5

6 Διαμορφωτής Ο Διαμορφωτής - Πομπός Ο πομπός αποτελείται από δύο ολοκληρωμένα κυκλώματα TCM320AC37CN, έναν ταλαντωτή (74LS321) στα 4 MHz, έναν αθροιστή (LM318) και από ένα προγραμματιζόμενο ολοκληρωμένο κύκλωμα της Altera το οποίο περιέχει το υπόλοιπο κύκλωμα. Το σχηματικό διάγραμμα του πομπού PCM παρουσιάζεται στο Σχήμα 6. Στο Σχήμα 7 παρουσιάζεται το κύκλωμα χρονισμού των TCM320AC37CN. Η λειτουργία του κυκλώματος είναι η ακόλουθη: Το ολοκληρωμένο κύκλωμα 74LS321, με την βοήθεια ενός εξωτερικού πηνίου και κατάλληλου κρυστάλλου ταλαντώνει στην επιθυμητή συχνότητα (Ακροδέκτης 4MHz). Ο παλμός αυτός οδηγείται σε κατάλληλο ακροδέκτη του PLD, όπου διαιρείται εσωτερικά με την βοήθεια ενός D flip-flop, προκειμένου να παραχθεί το ζητούμενο ρολόι των 2 MHz (Ακροδέκτης 2MHz). Το ρολόι αυτό χρησιμοποιείται για τον συγχρονισμό ό- λων 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 μετρητές των 4 bit (74LS190). 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 2 ολοκληρωμένων κυκλωμάτων TCM320AC37CN. Το σήμα FSX_0 χρησιμοποιείται σαν σήμα χρονισμού της δεδομένης ακολουθίας (Ακροδέκτης Prefix) η οποία χρησιμοποιείται για τον συγχρονισμό του πλαισίου (Σχήμα 5). Η επιλογή της για την παρούσα εφαρμογή έγινε αυθαίρετα.. Πλάτος 1 bit Συχνότητα 2 MHz 1/8 khz Σχήμα 5. 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 γίνεται με την βοήθεια ενός μετατροπέα παράλληλου σε σειριακό (74LS165). 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 στην πύλη AND λαμβάνουμε ένα σήμα το οποίο εμφανίζει την ακολουθία 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) Εργαστήριο Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων Δ.Π.Θ. 6

7 Διαμορφωτής Σχήμα 6. Σχηματικό διάγραμμα του πομπού PCM Εργαστήριο Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων Δ.Π.Θ. 7

8 Διαμορφωτής Σχήμα 7. Σχηματικό διάγραμμα του κυκλώματος χρονισμού του πομπού. FSX_0 FSX_1 ENABLE_0 PREFIX FSX_1 FSX_2 ENABLE_1 DATA_1 PSX_2 PSX_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, ENABLE_0: Σήμα επίτρεψης του πλαισίου, PREFIX: Σήμα συγχρονισμού του πλαισίου, FSX_1: Κυματομορφή χρονισμού του πρώτου TCM320AC37CN, FSX_2: Κυματομορφή χρονισμού του δεύτερου TCM320AC37CN, ENABLE_1: Σήμα επίτρεψης του πρώτου TCM320AC37CN, DATA_1: Δεδομένα εξόδου του πρώτου TCM320AC37CN, FSX_2: Κυματομορφή χρονισμού του δεύτερου TCM320AC37CN, FSX_3: Κυματομορφή χρονισμού του τρίτου TCM320AC37CN, ENABLE_1: Σήμα επίτρεψης του δεύτερου TCM320AC37CN, DATA_1: Δεδομένα εξόδου του δεύτερου TCM320AC37CN, CLK: Ρολόι. 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 Εργαστήριο Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων Δ.Π.Θ. 8

9 Διαμορφωτής αυτό το λόγο οδηγούμε το σήμα FSX_1 στο πρώτο ολοκληρωμένο κύκλωμα και το σήμα FSX_2 στο δεύτερο. Μετά τον παλμό αυτόν παράγεται στην έξοδο του ολοκληρωμένου κυκλώματος μια ακολουθία από 8 bit η ο- ποία 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 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. 9

10 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. 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 οδηγούμενα σε ένα διαφορικό ενισχυτή παράγουν τη ζητούμενη έξοδο (Ακροδέκτης Output). Η διαφορά δημιουργείται με την βοήθεια ενός διαφορικού ενισχυτή που υλοποιείται με την βοήθεια ενός τελεστικού ενισχυτή (TL072). Σχήμα 12. Σχηματικό διάγραμμα του τρόπου υλοποίησης της πολικής (R-RZ) κωδικοποίησης.. Σαν τελική έξοδος του πομπού παίρνουμε το σήμα Out, το οποίο είναι το PCM σήμα μετά από τις δύο διαδοχικές κωδικοποιήσεις. Το PCM σήμα αυτό περιλαμβάνει στο κανάλι 0 το σήμα συγχρονισμού του πλαισίου, ενώ στα δύο επόμενα κανάλια, κανάλι 1 και κανάλι 2, περιλαμβάνει την PCM παράσταση της αναλογικής κυματομορφής που λαμβάνεται από τα μικρόφωνα 1 και 2 αντίστοιχα. 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. Εργαστήριο Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων Δ.Π.Θ. 10

11 Διαμορφωτής Εργαστηριακή Άσκηση - 1ο μέρος Τροφοδοτήστε το κύκλωμα με τις απαραίτητες τάσεις (+12V, -12V, +5V και GND) και τοποθετήστε τον διακόπτη δειγματοληψίας στην αριστερή θέση, 8 khz. Παρατηρήστε το ρολόι που δίνετε στο κύκλωμα (Ακροδέκτης 4 MHz) και επιβεβαιώστε τη συχνότητά του με τη βοήθεια του παλμογράφου. Παρατηρήστε παράλληλα με το πρώτο ρολόι (4 MHz) το χρησιμοποιούμενο ρολόι του κυκλώματος (Ακροδέκτης 2 MHz) και επιβεβαιώστε τη σχέση τους. Τοποθετήστε το πρώτο κανάλι του παλμογράφου στην κυματομορφή χρονισμού του πλαισίου (Ακροδέκτης FSX_0) και το δεύτερο κανάλι στην κυματομορφή χρονισμού του πρώτου TCM320AC37CN (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. Τοποθετήστε το πρώτο κανάλι του παλμογράφου στην κυματομορφή χρονισμού του πρώτου TCM320AC37CN (Ακροδέκτης FSX_1) και το δεύτερο κανάλι στα PCM δεδομένα εξόδου του (Ακροδέκτης DATA_1). Παρατηρήστε ότι τα δεδομένα εμφανίζονται στην έξοδο του TCM320AC37CN 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 ENABLE_1. Το ποτενσιόμετρο που υπάρχει επάνω από το ολοκληρωμένο κύκλωμα ρυθμίζει το κέρδος του μικροφώνου. Μετακινήστε το και παρατηρήστε τα δεδομένα εξόδου του TCM320AC37CN (Ακροδέκτης DATA_1). Εργαστήριο Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων Δ.Π.Θ. 11

12 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) όλων των καναλιών διαδοχικά (πολυπλεγμένα στον χρόνο). 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 Enable 1 μιλήστε στο μικρόφωνο. Παρατηρήστε ότι μεταβάλλονται τα δεδομένα στην έξοδο του πρώτου TCM320AC37CN, κανάλι 1, ενώ ταυτόχρονα μεταβάλλονται μόνο τα δεδομένα στο πρώτο κανάλι του συνολικού PCM σήματος εξόδου που αντιστοιχούν στον συγκεκριμένο κανάλι. Παρατηρήστε ότι τα δεδομένα του πρώτου καναλιού δεν επηρεάζουν 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 διαφορική κωδικοποίηση. Το 0 αντικαταστάθηκε από μια αλλαγή στάθμης ενώ το 1 από μη αλλαγή στάθμης. Εργαστήριο Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων Δ.Π.Θ. 12

13 Διαμορφωτής Μετακινήστε τώρα το δεύτερο κανάλι του παλμογράφου στα πλήρως κωδικοποιημένα δεδομένα εξόδου (Ακροδέκτης OUTPUT) και το πρώτο κανάλι στο διαφορικό σήμα εξόδου (Ακροδέκτης DIFF). Το σήμα αυτό είναι το σήμα PCM μετά την διαφορική και την πολική (P-RZ) κωδικοποίηση. Παρατηρήστε τις τρεις στάθμες (+12, 0, -12 V) και το ότι το σήμα στον Ακροδέκτη OUTPUT είναι 0 στο δεύτερο μισό του κάθε παλμού (Πολική (P-RZ) κωδικοποίηση). 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. Τέλος, συγκρίνετε τα συνολικά PCM δεδομένα εξόδου (Ακροδέκτης OUT) με τα πλήρως κωδικοποιημένα δεδομένα (Ακροδέκτης OUTPUT) όπως αυτά οδηγούνται στην γραμμή (προς πλακέτα Δέκτη). Παρατηρήστε ότι φαινομενικά τα δύο σήματα είναι ασύνδετα μεταξύ τους. Εργαστήριο Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων Δ.Π.Θ. 13

14 Αποδιαμορφωτής Ο Αποδιαμορφωτής - Δέκτης Ο δέκτης αποτελείται από δύο ολοκληρωμένα κυκλώματα TCM320AC37CN, δύο συγκριτές (1 chip LM 319), ένα διαφορικό ενισχυτή (ο οποίος βασίζεται στον τελεστικό ενισχυτή TL 072) και ένα προγραμματιζόμενο ολοκληρωμένο κύκλωμα της Altera το οποίο περιέχει το υπόλοιπο κύκλωμα. Το σχηματικό διάγραμμα του δέκτη PCM παρουσιάζεται στο Σχήμα 17. Στο Σχήμα 18 παρουσιάζεται το κύκλωμα χρονισμού των TCM320AC37CN του δέκτη. Η λειτουργία του κυκλώματος είναι η ακόλουθη: Το διαφορικά και πολικά (P-RZ) κωδικοποιημένο PCM σήμα εισάγεται στην θετική είσοδο του ενός συγκριτή και στην αρνητική είσοδο του άλλου. Θα αναλύσουμε την λειτουργία του ενός συγκριτή. Η λειτουργία του άλλου είναι παρόμοια. Η θετική είσοδος του πρώτου συγκριτή οδηγείται από το σήμα εισόδου, ενώ η αρνητική είσοδος του οδηγείται από μια θετική τάση (~ +3V). Η σύγκριση αυτή γίνεται προκειμένου να αποκοπεί η αρνητική συνιστώσα του σήματος εισόδου (Ακροδέκτης Input) και να παραμείνει μόνο η θετική (Ακροδέκτης Plus). Με αυτόν τον τρόπο λαμβάνουμε σήμα παρόμοιο με την θετική έξοδο των πολικά (P-RZ) κωδικοποιημένων PCM δεδομένων (Ακροδέκτης Plus του πομπού). Δεδομένα παρόμοια με τα δεδομένα που παρατηρήσαμε στον ακροδέκτη Minus του πομπού λαμβάνουμε από τον άλλον συγκριτή. Η διαφορά στην συνδεσμολογία των δύο συγκριτών είναι προφανής. Στην έξοδο του δεύτερου συγκριτή (Ακροδέκτης Minus) θα πρέπει να λαμβάνουμε την αρνητική συνιστώσα του σήματος εισόδου. Συγκεκριμένα λαμβάνουμε θετικούς παλμούς οι οποίοι αντιστοιχούν στους αρνητικούς παλμούς του κωδικοποιημένου σήματος. Για τον λόγο αυτό οδηγήσαμε το σήμα εισόδου στην αρνητική είσοδο του συγκριτή, ενώ παράλληλα στην θετική είσοδο του συγκριτή δώσαμε μια αρνητική τάση (~ -3V). Το σχηματικό διάγραμμα του κυκλώματος παρουσιάζεται στο σχήμα 13. Σχήμα 13. Σχηματικό διάγραμμα του κυκλώματος αναίρεσης της πολικής (P-RZ) κωδικοποίησης. Τα δεδομένα εξόδου των δύο συγκριτών τα οδηγούμε σε μια πύλη OR προκειμένου να αναπαραχθεί το ρολόι του πομπού (Ακροδέκτης 2 MHz). Η διαδικασία αυτή ισοδυναμεί με την ανόρθωση που περιγράφηκε προηγουμένως. Στο σχήμα 14 παρουσιάζονται οι κυματομορφές εισόδου της πύλης OR (έξοδοι των δύο συγκριτών) μαζί με το ανακτημένο ρολόι. Στο σημείο αυτό θα πρέπει να ρυθμιστούν κατάλληλα η θετική και η αρνητική τάση τις οποίες οδηγούμε στις εισόδους των συγκριτών προκειμένου να μειωθούν όσο το δυνατόν περισσότερο οι μεταβολές στο πλάτος του ρολογιού. Η ρύθμιση αυτή γίνεται από τα δύο ποτενσιόμετρα τα ο- ποία υπάρχουν στην κάτω αριστερή γωνία της πλακέτας. Το επάνω ποτενσιόμετρο ρυθμίζει την θετική τάση εισόδου στον πρώτο συγκριτή, ενώ το δεύτερο την αρνητική τάση εισόδου στον δεύτερο συγκριτή. Plus Minus CLK Σχήμα 14. 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. Παράλληλα τα δεδομένα εξόδου των δύο συγκριτών οδηγούνται σε ένα RS flip - flop. Η λειτουργία του RS flip - flop αυτού, μαζί με τους δύο συγκριτές, είναι να αναιρέσει την πολική (P-RZ) κωδικοποίηση, την οποία είχαμε εισάγει τελευταία στον πομπό (Σχήμα 13). Αυτό είναι λογικό γιατί στον δέκτη η σειρά με την ο- ποία πρέπει να αναιρεθούν οι αποκωδικοποιήσεις του πομπού αντιστρέφεται, πρέπει δηλαδή πρώτα να αναιρε- Εργαστήριο Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων Δ.Π.Θ. 14

15 Αποδιαμορφωτής θεί 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. Τα δεδομένα εξόδου του RS flip - flop (Ακροδέκτης IN), που είναι τα διαφορικά κωδικοποιημένα PCM δεδομένα του πομπού, προκείμενου να επανασυγχρονιστούν με το ρολόι, εισάγονται στην D είσοδο ενός D flip - flop. Στην Q έξοδο του flip - flop λαμβάνουμε τα επανασυγχρονισμένα δεδομένα (Ακροδέκτης Diff) (Σχήμα 15). Ακολούθως αναιρούμε την διαφορική κωδικοποίηση. Η αποκωδικοποίηση 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 αποκωδικοποίησης παρουσιάζεται στο Σχήμα 16, ενώ τα αποκωδικοποιημένα πια PCM δεδομένα μπορούν να παρατηρηθούν στον ακροδέκτη Data (Σχήμα 15). CLK IN Differential Data Σχήμα 15. Από επάνω προς τα κάτω παρουσιάζονται οι κυματομορφές. CLK: Ανακτημένο Ρολόι 2 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 16. Σχηματικό διάγραμμα του κυκλώματος αναίρεσης της διαφορικής κωδικοποίησης. Έχοντας ανακτήσει πια το ρολόι του πομπού μαζί με τα PCM δεδομένα μπορούμε να προχωρήσουμε στην διαδικασία κατανομής τους προς τα διάφορα TCM320AC37CN ολοκληρωμένα κυκλώματα. 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 του καναλιού συγχρονισμού του πλαισίου, κανάλι 0, το οποίο υπάρχει σε κάθε μεταδιδόμενο πλαίσιο. Θα πρέπει λοιπόν να κλειδώσουμε στο κανάλι συγχρονισμού προκειμένου να μπορέσουμε να διαχωρίσουμε τα ακόλουθα κανάλια δεδομένων και να διοχετεύσουμε το κάθε κανάλι στον κατάλληλο παραλήπτη. Η διαδικασία συγχρονισμού (κλειδώματος) είναι η ακόλουθη: Εργαστήριο Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων Δ.Π.Θ. 15

16 Αποδιαμορφωτής Σχήμα 17. Σχηματικό διάγραμμα του δέκτη PCM. Εργαστήριο Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων Δ.Π.Θ. 16

17 Αποδιαμορφωτής Σχήμα 18. Σχηματικό διάγραμμα του κυκλώματος χρονισμού του δέκτη. Τα δεδομένα PCM εισέρχονται σε έναν μετατροπέα σειριακού σε παράλληλο (74LS164) όπου και μετατρέπονται σε παράλληλη μορφή 8 bit. Ακολούθως τα παράλληλα πια δεδομένα εισέρχονται στην μία 8 bit είσοδο ενός παράλληλου ψηφιακού συγκριτή (74LS682). Στην άλλη 8-bit είσοδο του συγκριτή εισάγουμε συνεχώς την σταθερή ακολουθία 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. Το κύκλωμα χρονισμού παρουσιάζεται στο Σχήμα 18. Αποτελείται από δύο μετρητές των 4 bit (74LS190). 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 Εργαστήριο Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων Δ.Π.Θ. 17

18 Αποδιαμορφωτής 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 αποστέλλονται στο δεύτερο TCM320AC37CN στον ακροδέκτη Data_2 (Σχήμα 20). 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 TCM320AC37CN, Enable_1: Σήμα επίτρεψης του πρώτου TCM320AC37CN, Data_1: Δεδομένα εισόδου του πρώτου TCM320AC37CN, FSR_2: Σήμα χρονισμού του δεύτερου TCM320AC37CN, Enable_2: Σήμα επίτρεψης του δεύτερου TCM320AC37CN, Data_2: Δεδομένα εισόδου του δεύτερου TCM320AC37CN. Εργαστήριο Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων Δ.Π.Θ. 18

19 Αποδιαμορφωτής Εργαστηριακή Άσκηση - 2ο μέρος Τροφοδοτήστε το κύκλωμα με τις απαραίτητες τάσεις (+12V, -12V, +5V και GND). Συνδέστε την έξοδο του πομπού στην είσοδο του δέκτη, δηλαδή τον ακροδέκτη OUTPUT με ακροδέκτη INPUT. ΠΑΡΑΤΗΡΕΙΣΤΕ ΟΤΙ ΜΟΝΟ ΔΥΟ ΑΓΩΓΟΙ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΟΥΝΤΑΙ ΓΙΑ ΤΗ ΣΥΝΔΕΣΗ ΤΩΝ ΠΛΑΚΕΤΩΝ ΠΟΜΠΟΥ- ΔΕΚΤΗ, ΕΝΑΣ ΑΠΟ ΤΟΥΣ ΟΠΟΙΟΥΣ ΕΙΝΑΙ Η ΓΕΙΩΣΗ. Τοποθετήστε το πρώτο κανάλι του παλμογράφου στην είσοδο του δέκτη (Ακροδέκτης INPUT). Τοποθετήστε το δεύτερο κανάλι του παλμογράφου στο pin 5 του συγκριτή LM319. Ρυθμίστε το πάνω ποτενσιόμετρο έτσι ώστε το κατώφλι του συγκριτή να είναι περίπου στην μέση των θετικών μεταβάσεων της εισόδου. Ο- μοίως με το δεύτερο κανάλι στο pin 9 του LM319 ρυθμίστε το κάτω ποτενσιόμετρο έτσι ώστε το κατώφλι να είναι περίπου στη μέση των αρνητικών μεταβάσεων της εισόδου. Τοποθετήστε το πρώτο κανάλι του παλμογράφου στην έξοδο του πρώτου συγκριτή (Ακροδέκτης PLUS) και το δεύτερο κανάλι στην είσοδο του δέκτη (Ακροδέκτης INPUT). Παρατηρήστε ότι η κυματομορφή στον Ακροδέκτη PLUS είναι το θετικό μέρος της κυματομορφής εισόδου. Προκειμένου να μπορέσετε να παρατηρήσετε τις κυματομορφές θα πρέπει να χρησιμοποιήσετε το εξωτερικό triggering του παλμογράφου, όπως και στην περίπτωση του Διαμορφωτή. Μετακινήστε το πρώτο κανάλι του παλμογράφου στην έξοδο του δεύτερου συγκριτή (Ακροδέκτης MINUS). Παρατηρήστε ότι η έξοδος αυτού του συγκριτή είναι το αρνητικό μέρος της κυματομορφής εισόδου. Χρησιμοποιείστε το εξωτερικό triggering του παλμογράφου. 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 Εργαστήριο Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων Δ.Π.Θ. 19

20 Αποδιαμορφωτής σημεία (όταν γίνεται η αποστολή δεδομένων και υπάρχουν 1 ) παρατηρούνται παλμοί μεγάλης χρονικής διάρκειας. 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. Επίσης παρατηρήστε ότι έχουν αναιρεθεί μετά τον επανασυγχρονισμό κάποιες διαφορές στα πλάτη των παλμών της κυματομορφής. Εργαστήριο Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων Δ.Π.Θ. 20

21 Αποδιαμορφωτής 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 Με βάση τον παλμό Equal δημιουργούνται οι κυματομορφές χρονισμού των δύο ολοκληρωμένων κυκλωμάτων TCM320AC37CN. 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). Εργαστήριο Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων Δ.Π.Θ. 21

22 Αποδιαμορφωτής Τοποθετήστε το πρώτο κανάλι του παλμογράφου στην κυματομορφή χρονισμού του πρώτου TCM320AC37CN (Ακροδέκτης FSR_1) και το δεύτερο κανάλι στα PCM δεδομένα εξόδου του (Ακροδέκτης DATA_1). Παρατηρήστε ότι τα δεδομένα εμφανίζονται στην είσοδο του TCM320AC37CN 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 ENABLE_1 στον πομπό. Εργαστήριο Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων Δ.Π.Θ. 22

23 Αποδιαμορφωτής Συγκρίνετε τα ανακτημένα δεδομένα στον δέκτη (Ακροδέκτες DATA) με τα εκπεμπόμενα δεδομένα του πομπού (Ακροδέκτες OUT). Παρατηρήστε ότι είναι τα ίδια, με κάποια καθυστέρηση. 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, -12V, +5V και GND) και τοποθετήστε τον διακόπτη της πλακέτας του διαμορφωτή (επιλογή δειγματοληψίας) στην αριστερή θέση, 8 khz. Ελέγξτε ότι έχετε συνδέσει την έξοδο του πομπού στην είσοδο του δέκτη, δηλαδή τον ακροδέκτη OUTPUT με ακροδέκτη INPUT. Όπως και πριν, παρατηρείστε ότι μόνο δύο αγωγοί χρησιμοποιούνται για τη σύνδεση των πλακετών πομπού - δέκτη, ένα από τους οποίους είναι η γείωση. Κρατήστε πατημένο το κουμπί ENABLE_1 στον πομπό, μιλήστε στο μικρόφωνο και ακούστε την ομιλία από το ακουστικό του δέκτη. Παρατηρήστε ότι δεν υπάρχει σημαντική παραμόρφωση της ομιλίας. Μετακινήστε τώρα τον διακόπτη δειγματοληψίας στην δεξιά θέση, 4 khz. Επαναλάβετε την πιο πάνω διαδικασία. Η ομιλία αυτή την φορά παρουσιάζει σημαντική παραμόρφωση στον δέκτη στις υψηλές συχνότητες. 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. Εργαστήριο Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων Δ.Π.Θ. 23

24 Αποδιαμορφωτής Μετακινήστε τον διακόπτη στην αριστερή θέση, 8 khz, και συνδέστε στην είσοδο του TCM320AC37CN του πομπού (Ακροδέκτες MIC_1) την γεννήτρια κυματομορφών. Τοποθετήστε το πρώτο κανάλι του παλμογράφου στον ακροδέκτη MIC_1 του πομπού και το δεύτερο κανάλι του παλμογράφου στη έξοδο του TCM320AC37CN (Ακροδέκτες EARS_1) του δέκτη. Παρατηρήστε ότι η κυματομορφή στον δέκτη είναι η ίδια με αυτή στον πομπό. Μετακινήστε τώρα τον διακόπτη δειγματοληψίας στην δεξιά θέση, 4 khz. 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 Σήματα λειτουργίας των ακροδεκτών του ολοκληρωμένου κυκλώματος TCM320AC37CN της Texas Instruments. Εργαστήριο Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων Δ.Π.Θ. 25

26 Παράρτημα Λειτουργικό Διάγραμμα του ολοκληρωμένου κυκλώματος TCM320AC37CN της Texas Instruments. Revision 2. 4/2000 Εργαστήριο Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων Δ.Π.Θ. 26