ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα Εισαγωγή στις Τηλεπικοινωνίες / Εργαστήριο Εργαστηριακή Άσκηση 1: Εισαγωγή στη διαμόρφωση πλάτους (ΑΜ) Προσομοίωση σε Η/Υ Δρ. Ηρακλής Σίμος Τμήμα: Ηλεκτρονικών Μηχανικών Τ.Ε.
Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς. Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους.
1. Περιεχόμενα 2. Σκοπός Άσκησης... 4 3. Περιεχόμενα ενότητας... 4 3.1.1 Εισαγωγή στη διαμόρφωση... 4 3.2 Προσομοίωση συστήματος διαμόρφωσης/αποδιαμόρφωσης ΑΜ... 5 3.2.1 Αποδιαμόρφωση συστήματος DSB AM... 10
2. Σκοπός Άσκησης Στην παρούσα άσκηση γίνεται εξοικείωση των σπουδαστών με τις βασικές έννοιες της διαμόρφωσης και ειδικά με τη διαμόρφωση πλάτους (AM). Οι στόχοι της άσκησης και τα θέματα τα οποία καλύπτει είναι: Η εξοικείωση με τη διαδικασία της διαμόρφωσης. Η απόκτηση βασικών εννοιών της διαμόρφωσης πλάτους (AM). Ο υπολογισμός βασικών παραμέτρων συστήματος διαμόρφωσης ΑΜ. Η εξέταση διαφόρων παραλλαγών του συστήματος διαμόρφωσης ΑΜ. Θεωρητική μελέτη συστήματος διαμόρφωσης/αποδιαμόρφωσης ΑΜ με προσομοίωση. 3. Περιεχόμενα Ενότητας Εισαγωγή στη διαμόρφωση Προσομοίωση συστήματος διαμόρφωσης/αποδιαμόρφωσης ΑΜ Α. Επίδραση του πλάτους σήματος εισόδου Β. Επίδραση του σταθερού όρου μετατόπισης (DC offset) Γ. Παρατήρηση των σημάτων στο πεδίο των συχνοτήτων Γ. Παρατήρηση των σημάτων στο πεδίο των συχνοτήτων Αποδιαμόρφωση συστήματος DSB AM Α. Επίδραση της συχνότητας του φίλτρου Β. Παρατήρηση των σημάτων στο πεδίο των συχνοτήτων 3.1.1 Εισαγωγή στη διαμόρφωση Ο βασικός στόχος ενός συστήματος τηλεπικοινωνιών είναι η μετάδοση πληροφορίας από τον πομπό στο δέκτη μέσω ενός διαύλου επικοινωνίας (μέσο μετάδοσης). Συνήθως η πληροφορία βρίσκεται στην μορφή ενός σήματος βασικής ζώνης (baseband signal), χαρακτηριστικό του οποίου είναι ότι το φάσμα του ξεκινάει από τις πολύ χαμηλές συχνότητες (~0) και εκτείνεται ως μια μέγιστη συχνότητα. Στις περισσότερες περιπτώσεις τα μέσα μετάδοσης (γραμμές μεταφοράς, ατμόσφαιρα, οπτικές ίνες) επιτρέπουν την διάδοση του σήματος πληροφορίας σε περιοχή συχνοτήτων διαφορετική από την βασική ζώνη. Κατά συνέπεια για αποτελεσματική χρήση των ιδιοτήτων του μέσου μετάδοσης απαιτείται η μετατόπιση του σήματος από την βασική ζώνη συχνοτήτων σε μια
άλλη ζώνη κατάλληλη προς μετάδοση στο συγκεκριμένο μέσο. Επιπλέον, η μετατόπιση συχνότητας επιτρέπει την αύξηση της χωρητικότητας του συστήματος επικοινωνίας μέσω της ταυτόχρονης μετάδοσης πολλαπλών σημάτων. Η μετατόπιση της ζώνης συχνοτήτων ενός σήματος πραγματοποιείται με την διαμόρφωση (modulation). Κατά την διαδικασία της διαμόρφωσης, κάποιο χαρακτηριστικό ενός σήματος το οποίο αναφέρεται ως φέρον σήμα (carrier) μεταβάλλεται σύμφωνα με το σήμα πληροφορίας βασικής ζώνης (information signal). Το σήμα που προκύπτει είναι το διαμορφωμένο σήμα (modulated signal). Συνήθως το φέρον σήμα έχει ημιτονοειδή μορφή και η συχνότητά του πρέπει να είναι πολύ μεγαλύτερη από το εύρος συχνοτήτων του σήματος πληροφορίας προς μετάδοση. Κατά την λήψη του διαμορφωμένου σήματος στην πλευρά του δέκτη, πραγματοποιείται η αντίστροφη διαδικασία για την ανάκτηση του αρχικού σήματος πληροφορίας στη βασικής ζώνη συχνοτήτων, η οποία καλείται αποδιαμόρφωση (demodulation). Η διαμόρφωση μπορεί να πραγματοποιηθεί εφαρμόζοντας την πληροφορία σε καθεμιά από τις τρεις βασικές παραμέτρους του φέροντος σήματος: το πλάτος, την συχνότητα και την φάση. Με αυτό τον τρόπο προκύπτουν τα τρία βασικά σχήματα διαμόρφωσης: Διαμόρφωση κατά πλάτος (Amplitude Modulation, AM) Διαμόρφωση κατά συχνότητα (Frequency Modulation, FM) Διαμόρφωση κατά φάση (Phase Modulation, PM). Ανακεφαλαιώνοντας, με τη διαμόρφωση επιτυγχάνεται: Μετατόπιση του σήματος πληροφορίας σε περιοχή συχνοτήτων όπου το μέσο διάδοσης έχει βελτιωμένα χαρακτηριστικά. Μέχρι κάποιο όριο «ανοσία» του σήματος από θόρυβο και παρεμβολές. Δυνατότητα ταυτόχρονης μετάδοσης πολλών σημάτων μέσα από το ίδιο μέσο μετάδοσης (πολυπλεξία). Συνολική βελτίωση των χαρακτηριστικών μετάδοσης από τον πομπό στο δέκτη και της εκμετάλλευση των χαρακτηριστικών του μέσου. 3.2 Προσομοίωση συστήματος διαμόρφωσης/αποδιαμόρφωσης ΑΜ Διαμόρφωση ΑΜ διπλής πλευρικής ζώνης (DSB AM) Το σύστημα διαμόρφωσης/αποδιαμόρφωσης διπλής πλευρικής ζώνης (DSB AM) σε μορφή μπλοκ διαγράμματος δίνεται στο σχήμα 1.4. Ο πομπός (TRANSMITTER) αποτελείται από το σήμα βασικής ζώνης (baseband signal) το οποίο στην περίπτωσή αυτή είναι ημιτονοειδές. Ο διαμορφωτής (DSB AM modulator) δέχεται το σήμα εισόδου, παράγει εσωτερικά το φέρον σήμα, και στην έξοδό του δίνει το διαμορφωμένο σήμα DSB AM. Ο δέκτης (RECEIVER) αποτελείται από τον αποδιαμορφωτή (DSB AM demodulator) ο οποίος δέχεται το διαμορφωμένο σήμα και στην έξοδό του μας αναπαράγει το σήμα βασικής ζώνης.
Σχήμα 1.4: Σχηματικό διάγραμμα συστήματος διαμόρφωσης αποδιαμόρφωσης DSB AM.
Στον πίνακα 1.1 δίνονται οι σημαντικότερες παράμετροι του συστήματος: Baseband signal Σήμα βασικής ζώνης Σύμβολο στην εξίσωση (1.11) Amplitude (V) Πλάτος Πλάτος σήματος, A m (V) Frequency (rad/s) Συχνότητα Συχνότητα σήματος, f m (Hz) DSB AM modulator Διαμορφωτής DSB AM Input signal offset (V) Μετατόπιση σήματος εισόδου Σταθερός όρος, A DC (V) Carrier frequency (Hz) Συχνότητα φέροντος σήματος Συχνότητα φέροντος, f c (Hz) DSB AM demodulator Απόδιαμορφωτής DSB AM Input signal offset (V) Μετατόπιση σήματος (DC) Σταθερός όρος, A DC (V) Carrier frequency (Hz) Συχνότητα φέροντος σήματος Συχνότητα φέροντος, f c (Hz) Filter order Τάξη φίλτρου - Cutoff frequency (Hz) Συχνότητα αποκοπής φίλτρου - Πίνακας 1.1: Παράμετροι συστήματος διαμόρφωσης/αποδιαμόρφωσης DSB AM. Α. Επίδραση του πλάτους σήματος εισόδου 1. Θέσατε τον συνολικό χρόνο προσομοίωσης: - Simulation stop time = 3 ms. 2. Θέσατε στις παραμέτρους του διαμορφωτή DSB AM modulator τις παρακάτω τιμές: - Input signal offset = 1 V. - Carrier frequency = 30 khz. 3. Θέσατε στις παραμέτρους του σήματος βασικής ζώνης τις παρακάτω τιμές: - Amplitude = 0.5 V. - Frequency = 1 khz. 4. Εκτελέστε την προσομοίωση και παρατηρήστε στον παλμογράφο Input scope τα διαγράμματα που προκύπτουν για το σήμα εισόδου (κανάλι: Baseband signal ) και για το διαμορφωμένο σήμα (κανάλι: DSB AM signal ). Aν είναι απαραίτητο πραγματοποιείστε μεγέθυνση. 5. Αναγνωρίζετε τα σήματα στα κανάλια του παλμογράφου; 6. Θέσατε τώρα στις παραμέτρους του σήματος βασικής ζώνης (στον πομπό): - Amplitude = 0 V.
7. Εκτελέστε την προσομοίωση και παρατηρήστε στον παλμογράφο Input scope τα διαγράμματα. Ποιο σήμα απεικονίζεται στο κανάλι DSB AM signal ; 8. Για τις τιμές πλάτους του σήματος (Amplitude) του παρακάτω πίνακα, μετρήστε τα Vmax, Vmin και υπολογίστε τον βαθμό διαμόρφωσης (µ): Amplitude (V) Vmax (V) Vmin (V) Βαθμός διαμόρφωσης (μ) 0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5 9. Πως επηρεάζεται το διαμορφωμένο σήμα ΑΜ με την αύξηση του πλάτους του σήματος; 10. Τι ακριβώς συμβαίνει στο διαμορφωμένο σήμα για τις δύο τιμές πλάτους σήματος 1.25 V και 1.5 V; Ποιο φαινόμενο αναγνωρίζετε και για ποιες τιμές του δείκτη µ εμφανίζεται γενικότερα; Β. Επίδραση του σταθερού όρου μετατόπισης (DC offset) 11. Ξανα-ρυθμίστε τις παραμέτρους όπως στα βήματα 1-3. 12. Εκτελέστε την προσομοίωση ρυθμίζοντας στον διαμορφωτή: - Input signal offset = 2 V. 13. Πως επηρεάζεται το διαμορφωμένο σήμα ΑΜ; Ποιος κατά τη γνώμη σας είναι ο παράγοντας που παίζει τον σημαντικότερο ρόλο σε αυτή την περίπτωση; 14. Εκτελέστε την προσομοίωση για τις παρακάτω τιμές του όρου μετατόπισης του σήματος εισόδου (Input signal offset) και συμπληρώστε τον παρακάτω πίνακα: Input signal offset (V) Vmax (V) Vmin (V) Βαθμός διαμόρφωσης (μ) 2 1.5 1 0.5 0 8
15. Τι συμβαίνει στο διαμορφωμένο σήμα στην τελευταία τιμή (0V); Αναγνωρίζετε αυτό το σήμα; Για βοήθεια ανατρέξατε στις σχέσεις (1.5) και (1.8). Γ. Παρατήρηση των σημάτων στο πεδίο των συχνοτήτων 16. Στα διαγράμματα φάσματος input signal spectrum scope και AM spectrum scope ενεργοποιείστε την επιλογή open scope at start of simulation στο μενού Display Properties. 17. Ρυθμίστε τις παραμέτρους όπως στα βήματα 1-3 στις παρακάτω τιμές. - Simulation stop time = 20 ms. - Amplitude = 0.5 V. - Frequency = 5 khz. - Input signal offset = 1 V. - Carrier frequency = 30 khz. 18. Εκτελέστε την προσομοίωση και παρατηρήστε τα σήματα στο πεδίο των συχνοτήτων (spectrum scope). - Προσδιορίστε το φέρον σήμα, τις δύο πλευρικές ζώνες καθώς και τις συχνότητές τους. - Σε ποια/ποιες από τις εμφανιζόμενες συχνότητες στην έξοδο του διαμορφωτή αντιστοιχεί το σήμα εισόδου; - Συγκρίνοντας τα φάσματα του σήματος εισόδου και του διαμορφωμένου σήματος να περιγράψετε τι συμβαίνει πρακτικά στο σήμα εισόδου. 19. Εκτελέστε την προσομοίωση για τις παρακάτω τιμές του όρου μετατόπισης του σήματος εισόδου (Input signal offset) και του πλάτους του σήματος (Amplitude) και συμπληρώστε τους πίνακες: - Amplitude = 0.5 V Input signal offset 1 0.75 0.5 0.25 0 Ισχύς φέροντος 9
- Input signal offset = 1 V Amplitude (V) 0 0.25 0.5 0.75 1 Ισχύς σήματος (W) 20. Με βάση τα αποτελέσματα του προηγούμενου βήματος, ποια λύση θα προτείνατε αν θέλατε να κάνετε οικονομία ισχύος σε ένα σύστημα διαμόρφωσης AM; 3.2.1 Αποδιαμόρφωση συστήματος DSB AM Όπως αναφέρθηκε στην παράγραφο 1.3.1, η αποδιαμόρφωση του σήματος διπλής πλευρικής ζώνης (DSB AM) γίνεται στην μονάδα αποδιαμόρφωσης (DSB AM demodulator) του δέκτη (RECEIVER) στο σχήμα 1.4. Η βασική της λειτουργία είναι να επαναφέρει το σήμα πληροφορίας στη βασική ζώνη και να απομακρύνει το φέρον σήμα. Συνοπτικά, στο σύστημα προσομοίωσης αυτό πραγματοποιείται με πολλαπλασιασμό του διαμορφωμένου σήματος με την συχνότητα του φέροντος και την εφαρμογή ενός φίλτρου για την απομάκρυνση των μεγάλων συχνοτήτων (μεγαλύτερων του σήματος). Οι κυριότερες παράμετροι δίνονται στον πίνακα 1.1. Α. Επίδραση της συχνότητας του φίλτρου 21. Στον πομπό: - Ρυθμίστε τις παραμέτρους στις τιμές των βημάτων 1-3. - Απενεργοποιείστε τα διαγράμματα φάσματος input signal spectrum scope και AM spectrum scope. 22. Στον αποδιαμορφωτή (DSB AM demodulator) ρυθμίστε τις παραμέτρους: - Input signal offset = 1 V. - Carrier frequency = 30 khz. - Filter order = 2. - Cutoff frequency = 10 khz. 10
23. Εκτελέστε την προσομοίωση και παρατηρείστε το αποδιαμορφωμένο σήμα στο κανάλι Demodulated signal στον παλμογράφο Output scope. 24. Εκτελέστε την προσομοίωση διαδοχικά για τις παρακάτω τιμές της συχνότητας αποκοπής του φίλτρου στον αποδιαμορφωτή: - Cutoff frequency = 20, 30, 40 khz. 25. Τι φαινόμενο παρατηρείτε; Πως επηρεάζεται το αποδιαμορφωμένο σήμα; Ποια συχνότητα εμφανίζεται; 26. Εκτελέστε την προσομοίωση για την τελευταία τιμή της συχνότητας αποκοπής του φίλτρου (40 khz) και ρυθμίζοντας την τάξη του φίλτρου αποκοπής: - Filter order = 4. 27. Πως επηρεάζει η τάξη του φίλτρου τη διαδικασία αποδιαμόρφωσης; Β. Παρατήρηση των σημάτων στο πεδίο των συχνοτήτων 28. Ενεργοποιείστε στον πομπό τα διάγραμμα φάσματος input signal spectrum scope, AM spectrum scope και στο δέκτη demodulated signal spectrum scope. 29. Ρυθμίστε τις παραμέτρους του πομπού και του χρόνου προσομοίωσης: - Simulation stop time = 20 ms. - Amplitude = 0.5 V. - Frequency = 5 khz. - Input signal offset = 1 V. - Carrier frequency = 30 khz. 30. Ρυθμίστε τις παραμέτρους στον δέκτη στις παρακάτω τιμές. - Input signal offset = 1 V. - Carrier frequency = 30 khz. - Filter order = 2. - Cutoff frequency = 10 khz. 31. Παρατηρήστε το φάσμα του αποδιαμορφωμένο σήματος συγκριτικά με τα φάσματα του σήματος εισόδου και του διαμορφωμένου σήματος. Τι συνέβη στον αποδιαμορφωτή; 11
32. Εκτελέστε την προσομοίωση διαδοχικά για τις παρακάτω τιμές της συχνότητας αποκοπής του φίλτρου στον αποδιαμορφωτή: - Cutoff frequency = 20, 30, 40 khz. 33. Τι συμβαίνει με την αύξηση της συχνότητας αποκοπής του φίλτρου; Πως εξηγείται αυτό το φαινόμενο και πως επηρεάζει την κυματομορφή του σήματος στο χρόνο; Για διευκόλυνσή σας παρατηρήστε και τον παλμογράφο στην έξοδο. 34. Με βάση όλες τις παρατηρήσεις της παραγράφου, προτείνετε έναν εύκολο τρόπο για τον περιορισμό της παραμόρφωσης του σήματος. 12