FSK Διαμόρφωση και FSK Αποδιαμόρφωση (FSK Modulation-FSK Demodulation)

FSK Διαμόρφωση και FSK Αποδιαμόρφωση (FSK Modulation-FSK Demodulation) ΣΚΟΠΟΙ ΤΗΣ ΑΣΚΗΣΗΣ Η εκμάθηση της αρχής λειτουργίας της ψηφιακής διαμόρφωσης συχνότητας (Frequency Shift Keying, FSK) και της αποδιαμόρφωσής της. Μέτρηση και εκτίμηση των φασμάτων συχνοτήτων της διαμόρφωσης FSK. Ψηφιακή διαμόρφωση συχνότητας FSK: Παρουσίαση της πορείας του σήματος στην έξοδο του διαμορφωτή FSK Αποδιαμόρφωση του σήματος FSK χρησιμοποιώντας ένα κύκλωμα PLL Φάσμα συχνοτήτων του σήματος FSK. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Ψηφιακή διαμόρφωση συχνότητας (FSK) 1. ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗ FSK (FSK Modulation) Στην περίπτωση της ψηφιακής διαμόρφωσης συχνότητας FSK, η συχνότητα ενός, υψηλής συχνότητας ημιτονοειδούς φέροντος, μεταβάλλεται από το πλάτος ενός σήματος χαμηλότερης συχνότητας (σήμα διαμόρφωσης) (στη συγκεκριμένη εργαστηριακή άσκησηnη συχνότητα του ημιτονοειδούς φέροντος μεταβάλλεται από ένα τετραγωνικό σήμα (σήμα ρολογιού)). Σύμφωνα με το διάγραμμα που παρουσιάζεται στο Σχήμα 1, το τετραγωνικό σήμα (TTLin), ανάλογα με την τιμή που αυτό λαμβάνει κάθε χρονική στιγμή καθορίζει (καθορίζοντας το άνοιγμα και κλείσιμο του διακόπτη) οδηγεί στην έξοδο του κυκλώματος μία συγκεκριμένη συχνότητα για την περίπτωση του λογικού «0» (τάση 0V) (στη συγκεκριμένη άσκηση είναι μεγαλύτερη της συχνότητας του φέροντος) και μία άλλη διαφορετική συγκεκριμένη συχνότητα για την περίπτωση του λογικού «1» (τάση +5V) (στη συγκεκριμένη άσκηση είναι μικρότερη της συχνότητας του φέροντος). Κατά τη διάρκεια της διαμόρφωσης FSK, το πλάτος του φέροντος σήματος, παραμένει πάντα σταθερό. Σχήμα 1: Μπλοκ διάγραμμα διαμορφωτή FSK. Στη διαμόρφωση FSK δύο επιπέδων (2-FSK) που χρησιμοποιείται σε αυτή τη συγκεκριμένη άσκηση, το σήμα εξόδου του διαμορφωτή που αντιστοιχεί στις δυαδικές τιμές (0 ή 1) του σήματος διαμόρφωσης, αλλάζει μεταξύ δύο διακριτών και διαφορετικών 1

συχνοτήτων. Συγκεκριμένα, το «χαμηλό» επίπεδο του σήματος διαμόρφωσης (δηλ. η μηδενική τάση) αντιστοιχεί στην υψηλότερη συχνότητα του σήματος FSK (f SPACE ). Το «υψηλό» επίπεδο του σήματος διαμόρφωσης (δηλ. η θετική συνεχής τάση) αντιστοιχεί στη μικρότερη συχνότητα του σήματος FSK (f MARK ). Σχήμα 2: Σήμα FSK (FSK-Signal) και TTLin-Signal (σήμα διαμόρφωσης (σήμα ρολογιού (clock))). Η μέση τιμή των δύο χαρακτηριστικών συχνοτήτων ορίζεται ως η εικονική φέρουσα συχνότητα, f T : f T = (f MARK + f SPACE ) / 2 (1) Ο διαχωρισμός μεταξύ των δύο συχνοτήτων είναι γνωστή ως η μετατόπιση συχνότητας και το ήμισυ της μετατόπισης συχνότητας ονομάζεται απόκλιση συχνότητας (Δf): Μετατόπιση Συχνότητας = f SPACE - f MARK (2) Δf = (f SPACE - f MARK ) / 2 (3) Ένα άλλο πολύ σημαντικό χαρακτηριστικό του φάσματος συχνοτήτων των FSK σημάτων, είναι ο δείκτης διαμόρφωσης m FSK ο οποίος δίνεται από τη σχέση m FSK = Δf /f M όπου f M είναι η μεγαλύτερη συχνότητα του σήματος διαμόρφωσης. Το φάσμα συχνοτήτων ενός FSK σήματος (Composite FSK) (Σχήμα 2α) μπορεί να προσεγγιστεί με την «υπέρθεση» («άθροισμα») δύο φασμάτων σημάτων ASK (ASK-1 και ASK-2), κάθε ένα από τα οποία έχει κεντρική φέρουσα συχνότητα, αντίστοιχα, τις δύο συχνότητες που αντιστοιχούν στο λογικό «0» (η μεγαλύτερη συχνότητα f1 (f SPACE )) και στο λογικό «1» (η μικρότερη συχνότητα f1 (f MARK )) του σήματος FSK. 2

Σχήμα 2α: Γενική μορφή του φάσματος ενός σήματος FSK. Το εύρος ζώνης συχνοτήτων (Bandwidth) Β ενός σήματος FSK μπορεί να υπολογιστεί (κατά προσέγγιση) χρησιμοποιώντας τον ακόλουθο τύπο: B 2(Δf + f M ) (4) όπου Δf είναι η απόκλιση συχνότητας και f M είναι η υψηλότερη συχνότητα του σήματος διαμόρφωσης (δηλαδή του σήματος πληροφορίας που προκαλεί τη διαμόρφωση κατά συχνότητα του φέροντος σήματος). 2. ΑΠΟΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗ FSK (FSK Demodulation) Η αποδιαμόρφωση ενός FSK σήματος πραγματοποιείται στη συνδεσμολογία της συγκεκριμένης άσκησης μέσω ενός PLL (Phase-Locked Loop, PLL) κυκλώματος: Σχήμα 3: Μπλοκ διάγραμμα ενός απο-διαμορφωτή FSK με χρησιμοποίηση κυκλώματος PLL. 3

Η λειτουργία του κυκλώματος είναι τυπική όλων των βρόχων κλειδωμένης φάσης (Phase-Locked Loop). Πρόκειται ουσιαστικά για ένα σύστημα ανάδρασης το οποίο ελέγχει τη φάση ενός ταλαντωτή ελεγχόμενου από τάση (Voltage Controlled Oscillator, VCO) (σχήμα 3α). Σχήμα 3α: Βρόχος κλειδωμένης φάσης (PLL). Το PLL λειτουργεί συγκρίνοντας συνεχώς τη φάση του σήματος εισόδου (στην άσκησή μας το σήμα εισόδου είναι ένα σήμα FSK) με το σήμα που παράγεται από ένα ταλαντωτή ελεγχόμενο από τάση (δηλαδή τον VCO), ο οποίος οδηγείται από ένα σήμα (σήμα ελέγχου (Control signal) το οποίο μεταβάλλει τη συχνότητα και τη φάση του VCO, ώστε αυτή να γίνει ίση με τη συχνότητα και τη φάση του σήματος εισόδου (κατάσταση «κλειδώματος»). Τότε η τάση εξόδου στον ανιχνευτή φάσης (συγκριτής φάσης) (Phase Comparator) είναι ίση με 0V. Όταν το σήμα εισόδου αλλάξει συχνότητα, τότε ο ανιχνευτής φάσης παράγει μια νέα αλλά μη μηδενική έξοδο (Error signal (σήμα διόρθωσης)) η οποία οδηγεί τον VCO σε νέα αλλαγή της συχνότητας εξόδου του, έτσι ώστε να επιτευχθεί «κλείδωμά» του στη νέα συχνότητα του σήματος εισόδου δηλαδή να «πλησιάσει» τη συχνότητα του σήματος εισόδου και τελικά να κλειδώσει σε αυτή. Συνεπώς, συνολικά, η έξοδος του ανιχνευτή φάσης (δηλαδή η έξοδος του συνολικού κυκλώματος αφού περάσει από ένα φίλτρο διέλευσης χαμηλών συχνοτήτων (Low Pass Filter (LPF)), παρακολουθεί ακριβώς και ανάλογα τις αλλαγές στη συχνότητα του σήματος εισόδου δηλαδή αποτελεί μία «ανάκτηση» («ανάδειξη») του ψηφιακού σήματος που προκάλεσε τις αλλαγές στη συχνότητα του φέροντος σήματος δηλαδή τελικά παράγει το ψηφιακό σήμα διαμόρφωσης. Το φίλτρο βρόχου (Loop Filter) είναι ένα φίλτρο διέλευσης χαμηλών συχνοτήτων (LPF) το οποίο χρησιμοποιείται για να ελέγχει τη δυναμική συμπεριφορά του κυκλώματος ανάδρασης (ανατροφοδότησης) του VCO και είναι ουσιαστικά, στο συνολικό κύκλωμα ελέγχου, το τμήμα που παράγει την τάση ελέγχου για τον VCO. Τέλος, θα πρέπει να ειπωθεί ότι μετά το φίλτρο βρόγχου και πριν την τελική έξοδο υπάρχει και μία διάταξη σκανδαλισμού Schmitt (Schmitt Τrigger) η οποία έχει σαν σκοπό να σταθεροποιήσει (περιορίσει) την τελική τάση εξόδου του κυκλώματος, μεταξύ δύο συγκεκριμένων κατωφλίων, τα οποία και διαθέτει για αυτό το σκοπό. 4

3. ΣΥΝΔΕΣΜΟΛΟΓΙΑ ΑΣΚΗΣΗΣ 5

ΥΠΟΔΟΧΕΣ ΠΛΑΚΕΤΤΑΣ Σχήμα 4: Πρόσοψη της πλακέτας του FSK διαμορφωτή/αποδιαμορφωτή. Α: Είσοδος διαμορφωτή ΤΤLin (είσοδος στο διαμορφωτή του σήματος διαμόρφωσης) B: Τρίμμερ, για τη ρύθμιση του ημιτονοειδούς σχήματος του φέροντος C: Σήμα δοκιμής, Frequency D: Σήμα δοκιμής, PLL σήμα E: Σήμα εισόδου, FSKin (είσοδος στον αποδιαμορφωτή του σήματος FSK) F: Εξοπλισμός γης, GND (Γείωση) G: Σήμα δοκιμής, VCO H: Σήμα εξόδου, FSKout (έξοδος του σήματος FSK) I: Ποτενσιόμετρο Fmark (για ρύθμιση της συχνότητας που αντιστοιχεί στο λογικό «0») J: Ποτενσιόμετρο Fspace(για ρύθμιση της συχνότητας που αντιστοιχεί στο λογικό «1») K: Σήμα εξόδου, ΤΤLout (σήμα εξόδου του σήματος διαμόρφωσης μετά την αποδιαμόρφωση) L: Σήμα δοκιμής, PLLout M: Ποτενσιόμετρο, F Offset.(για ρύθμιση της μετατόπισης συχνότητας του κυκλώματος PLL (ρυθμίζεται ώστε να πετύχουμε «κλείδωμα» στη λαμβανόμενη συχνότητα και να πετύχουμε «σωστή» αποδιαμόρφωση) N: Ποτενσιόμετρο 2FL..για ρύθμιση του εύρους συχνοτήτων λειτουργίας του κυκλώματος PLL (τίθεται στη μέση θέση του ώστε η συχνότητα εξόδου του VCO στη συγκεκριμένη άσκηση να είναι ίση με το ημιάθροισμα των συχνοτήτων f MARK =1300 Hz και f SPACE =2100 Hz δηλαδή να είναι ίση με 1700Hz). 6

4.ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗ FSK Προβολή του σήματος στην έξοδο του διαμορφωτή FSK 1. Συνδέουμε την είσοδο TTL in ΤΟΥ διαμορφωτή FSK στη γείωση (χαμηλό επίπεδο (Low Level)). Ρυθμίζουμε το ποτενσιόμετρο Space ώστε να έχουμε συχνότητα εξόδου f SPACE = 2100 Hz την οποία μετράμε στην έξοδο FSK out του διαμορφωτή. Συνδέουμε την υποδοχή FSK out στο κανάλι Α στον παλμογράφο. Επιλέγουμε μια βάση χρόνου των 100μs/div. Ρυθμίζουμε τον επιλογέα εισόδου στο 1V/div και σκανδαλίζουμε με το κανάλι Α του παλμογράφου. Ρυθμίζουμε έτσι ώστε στα πάνω δεξιά, να εμφανίζεται μια συχνότητα των 2.1 khz (2100 Hz) (περίπου 4.75 τμήματα (τετραγωνάκια)). Τώρα, με το ποτενσιόμετρο Space, ρυθμίζουμε τη φέρουσα συχνότητα ώστε να γίνει ίση με 2.1 khz. 2. Συνδέουμε στο TTL in μια είσοδο στα +5V (Υψηλό επίπεδο-high Level). Τώρα, με το ποτενσιόμετρο Mark, ρυθμίζουμε τη συχνότητα στην έξοδο του διαμοφωτή FSK out ώστε να μας δώσει f MARK = 1300 Hz (περίπου 7.7 τετραγωνάκια). 3. Εφαρμόζουμε ένα σήμα διαμόρφωσης (ρυθμίζοντας το από τη γεννήτρια λειτουργίας (Pulse generator) (Επιλογή στο λογισμικό: Instruments Pulse generator) του λογισμικού LabSoft και το λαμβάνουμε από την έξοδο S της αριστερής πλακέτας (ANALOG OUT)) έχοντας επιλέξει στο λογισμικό τα ακόλουθα δεδομένα (χαρακτηριστικά μεγέθη σήματος διαμόρφωσης): Συχνότητα του σήματος διαμόρφωσης (ρολογιού-γεννήτριας παλμών): f M =150 Hz Μορφή του σήματος διαμόρφωσης: ΤΤL (unipolar (μονοπολικό)(unipolar) Επίπεδο: 1:1, 50% (5V επίπεδο) 4. Συνδέουμε την έξοδο της γεννήτριας λειτουργίας (δηλαδή το σήμα S) στην είσοδο TTL in του FSK διαμορφωτή. Στο κανάλι Α του παλμογράφου, μετράμε το σήμα FSK στην έξοδο FSKout και στο κανάλι Β παρατηρούμε ταυτόχρονα το σήμα διαμόρφωσης, στην είσοδο TTL. Σκανδαλίζουμε στο κανάλι Β. 7

ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑ: X = 1 ms/div X/T (B) Κανάλι A= 1 V/DIV DC Κανάλι B= 2 V/DIV DC Σχήμα 5: Κανάλι Α (έξοδος σήματος FSKout), Κανάλι Β (Σήμα διαμόρφωσης TTLin). 8

Αποδιαμόρφωση του σήματος FSK χρησιμοποιώντας κύκλωμα PLL 1. Ρυθμίζουμε την μέση τιμή της συχνότητας VCO σε f = 1700 Hz: Συνδέουμε την είσοδο του αποδιαμορφωτή FSK (υποδοχή FSK in ) στο GND (Χαμηλό σήμα). Ρυθμίζουμε το ποτενσιόμετρο 2FL στην μεσαία του θέση. Ρυθμίζουμε το ποτενσιόμετρο Offset για να πάρουμε μια συχνότητα f VCO = 1700 Hz στην έξοδο του VCO (το σήμα στην έξοδο του VCO το παρατηρούμε στο κανάλι Α του παλμογράφου, με χρονική βάση των 1ms/div (περίπου 5.9 τετραγωνάκια) και 2 V/DIV DC. 2.Αφαιρούμε τη σύνδεση GND από την είσοδο του αποδιαμορφωτή. Συνδέουμε την έξοδο του FSK διαμορφωτή (FSK out )στην είσοδο του FSK αποδιαμορφωτή (FSK in ). 3.Με το κανάλι Α στον παλμογράφο, μετράμε την τάση εξόδου του FSK αποδιαμορφωτή στο σημείο δοκιμής TTL out και με το κανάλι Β (με 2 V/DIV DC) μετράμε το σήμα διαμόρφωσης στην είσοδο TTL in. Σκανδαλίζουμε (Trigger) με το κανάλι Β. Αλλάζουμε ελαφρώς το εύρος ζώνης συχνοτήτων του PLL κυκλώματος (χρησιμοποιώντας το ποτενσιόμετρο 2FL ) μέχρι η τάση εξόδου του αποδιαμορφωτή να αντιστοιχεί στην τάση διαμόρφωσης. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑ: X = 1 ms/div X/T (B) Κανάλι A= 2 V/DIV DC Κανάλι B= 2 V/DIV DC Σχήμα 6: Κανάλι Α, ΤΤLout (σήμα μετά από τη αποδιαμόρφωση); Κανάλι Β, Σήμα διαμόρφωσης ΤΤLin. 9

Φάσμα συχνοτήτων του σήματος FSK 1. Συνδέουμε την υποδοχή εισόδου ΤΤL in του FSK διαμορφωτή, στο GND (Χαμηλό σήμα). Ρυθμίζουμε το ποτενσιόμετρο Space για μια συχνότητα ίση με f SPACE = 2100 Ηz στην έξοδο FSK out. Τώρα, συνδέουμε την υποδοχή εισόδου ΤΤL in στα +5V (Υψηλό σήμα) και ρυθμίζουμε το ποτενσιόμετρο Mark για να έχουμε συχνότητα της f MARK = 1300 Hz στην υποδοχή εξόδου FSK out. 2. Τώρα, ξεκινάμε μια συνεχή μέτρηση. Παρατηρούμε το φάσμα για τις περιπτώσεις που ένα συνεχές +5V ( Mark ) και ένα συνεχές 0V ( Space ) βρίσκονται στην είσοδο του διαμορφωτή. Στο φασματικό αναλυτή (Spectrum Analyzer) επιλέγουμε στο οριζόντιο άξονα μέγιστη συχνότητα 4000 Hz με βήμα απεικόνισης ίσο με 100 Ηz και στον κατακόρυφο άξονα μέγιστη τάση 1.2V με βήμα απεικόνισης 0.1V και έχοντας θέσει: Values=800 και Time factor=4400 (ή όποιες άλλες τιμές σας οδηγούν σε εικόνα ενός καλά απεικονίσιμου φάσματος στο παράθυρο του φασματικού αναλυτή). ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑ: Συχνότητα που αντιστοιχεί στο λογικό «1»(+5V): Σχήμα 7: Φάσμα συχνοτήτων σήματος FSK (μόνο η «χαμηλή (μικρότερη) συχνότητα» δηλαδή η συχνότητα που αντιστοιχεί στο λογικό «1»(+5V) (f MARK =1300 Hz). 10

Συχνότητα που αντιστοιχεί στο λογικό «0» (+5V): Σχήμα 8: Φάσμα συχνοτήτων σήματος FSK (μόνο η «υψηλή (μεγαλύτερη) συχνότητά» του δηλαδή η συχνότητα που αντιστοιχεί στο λογικό «0»(0V) (f SPACE =2100 Hz). 1. Τώρα συνδέουμε την έξοδο της γεννήτριας λειτουργίας, στην είσοδο TTL in του διαμορφωτή και εφαρμόζουμε στο διαμορφωτή FSK, ένα σήμα διαμόρφωσης τετραγωνικού κύματος με συχνότητα f=150 Hz. Παρατηρούμε και καταγράφουμε το φάσμα συχνοτήτων και υπολογίζουμε το εύρος ζώνης συχνοτήτων του σήματος FSK. Στο φασματικό αναλυτή (Spectrum Analyzer) επιλέγουμε στο οριζόντιο άξονα μέγιστη συχνότητα 4000 Hz με βήμα απεικόνισης ίσο με 100 Ηz και στον κατακόρυφο άξονα μέγιστη τάση 1.2V με βήμα απεικόνισης 0.1V και έχοντας θέσει: Values=800 και Time factor=4400 (ή όποιες άλλες τιμές σας οδηγούν σε εικόνα φάσματος στο παράθυρο του φασματικού αναλυτή με καλή απεικόνιση). 11

ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑ: Φάσμα FSK (για σήμα διαμόρφωσης με συχνότητα f=150hz): Σχήμα 9: Φάσμα συχνοτήτων, σήμα FSK, f M = 150 Hz. 2. Αυξάνουμε τη συχνότητα διαμόρφωσης, μέχρι το μέγιστο εύρος ζώνης συχνοτήτων ενός καναλιού μετάδοσης ακουστικών συχνοτήτων (AF (3 khz)). Παρατηρούμε και καταγράφουμε το φάσμα συχνοτήτων του σήματος FSK. 12

ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑ: Φάσμα FSK (για σήμα διαμόρφωσης με συχνότητα f=3000hz=3khz): Σχήμα 10: Φάσμα συχνοτήτων ενός σήματος FSK χρησιμοποιώντας σήμα διαμόρφωσης με συχνότητα 3KHz. 13