MTI 7605 ASK ιαµόρφωση και Αποδιαµόρφωση Σκοποί της Άσκησης Η εκµάθηση των αρχών λειτουργίας της διαµόρφωσης κλειδώµατος πλάτους (Amplitude Shift Keying ASK ) και της αντίστοιχης αποδιαµόρφωσης. Η µέτρηση και ο υπολογισµός του (συχνοτικού) φάσµατος του σήµατος ASK. Περίληψη των ασκήσεων ιαµόρφωση κλειδώµατος πλάτους (Amplitude Shift Keying - ASK) Παρουσίαση της «πορείας» του σήµατος στην έξοδο του διαµορφωτή ASK Αποδιαµόρφωση του σήµατος ASK Φάσµα συχνότητας του σήµατος ASK Εισαγωγή ιαµόρφωση κλειδώµατος πλάτους (Amplitude Shift Keying - ASK) ιαµόρφωση Κατά τη διαµόρφωση κλειδώµατος πλάτους (Amplitude Shift Keying ASK ), το πλάτος ενός υψίσυχνου ηµιτονοειδούς φέροντος µεταβάλλεται (διαµορφώνεται) από ένα ορθογωνικό σήµα χαµηλότερης συχνότητας (σύµφωνα µε το δοµικό διάγραµµα που φαίνεται παρακάτω). Κατά τη διάρκεια της διαµόρφωσης, η συχνότητα του φέροντος παραµένει σταθερή. Σχήµα 1: οµικό διάγραµµα διαµορφωτή κλειδώµατος πλάτους (ASK). Στη διαµόρφωση ASK δύο (2) σταθµών (επιπέδων) που χρησιµοποιείται στη συγκεκριµένη άσκηση (συµβολιζόµενη και ως 2-ASK), η «υψηλή» ( high ) στάθµη του διαµορφώνοντος ορθογωνικού σήµατος TTLin µετάγει το φέρον Ucarrier στην έξοδο του διαµορφωτή (ASKout). Αντίθετα, όταν το διαµορφούν ορθογωνικό σήµα TTLin βρίσκεται στη «χαµηλή» ( low ) στάθµη, δεν συµβαίνει µεταγωγή και η έξοδος του διαµορφωτή (ASKout) είναι ίση µε 0. 1
Σχήµα 2: ιάγραµµα χρονισµού, του σήµατος εξόδου ASKout και του διαµορφώνοντος ορθογωνικού σήµατος TTLin. Συνεπώς, η διαµόρφωση ASK είναι, ουσιαστικά, µια διαµόρφωση πλάτους (AM) µε συµπιεσµένο φέρον, στην οποία το διαµορφoµένο σήµα είναι ορθογωνικό. Οι πλευρικές συχνότητες του σήµατος εξόδου (δηλαδή του σήµατος ASK) αντιστοιχούν σε αυτές της διαµόρφωσης AM µε συµπιεσµένο φέρον. εδοµένου ότι, σύµφωνα µε την ανάλυση Fourier, ένα συµµετρικό ορθογωνικό σήµα (όπως το διαµορφωµένο TTLin) περιλαµβάνει συχνότητες της µορφής f M, 3f M, 5f M, (f M η θεµελιώδης συχνότητα του ορθογωνικού σήµατος), στο σήµα εξόδου ASK εµφανίζονται οι παρακάτω πλευρικές συχνότητες (f T η συχνότητα του ηµιτονοειδούς φέροντος Ucarrier): Άνω πλευρικές: f T + f M, f T + 3f M, f T + 5f M, Κάτω πλευρικές: f T f M, f T 3f M, f T 5f M, Επισηµαίνεται ότι, η µετάδοση του σήµατος ASK µέσω ενσύρµατου ή ασύρµατου καναλιού προϋποθέτει την εφαρµογή διεργασίας περιορισµού του φάσµατος. Αποδιαµόρφωση Στην απλούστερη περίπτωση, ενα σήµα ASK µπορεί να αποδιαµορφωθεί µε την χρήση αποδιαµορφωτή περιβάλλουσας (υπό την προϋπόθεση η φέρουσα συχνότητα του σήµατος να είναι παρούσα στο φάσµα του λαµβανόµενου σήµατος ASK). Μετά την ανόρθωση (µε χρήση διόδου) του λαµβανόµενου σήµατος ASKin, οι υπόλοιπες συνιστώσες της φέρουσας συχνότητας αφαιρούνται µε τη βοήθεια χαµηλοπερατού φίλτρου (LPF), τα δε άκρα του σήµατος της δυαδικής διαµόρφωσης αποκαθίστανται µέσω του κυκλώµατος σκανδαλισµού Schmitt (Τrigger). Σχήµα 3: οµικό διάγραµµα αποδιαµορφωτή ASK. 2
MTI 7605: ASK - ιαµόρφωση και Αποδιαµόρφωση Συναρµολόγηση και απαραίτητες διασυνδέσεις για την εκτέλεση της άσκησης Αφού αποσυνδεθούν όλες οι τάσεις, ο διαµορφωτής/αποδιαµορφωτής ASK εισάγεται στην πειραµατική διάταξη ενώ οι τάσεις τροφοδοσίας 0V, +15V και 15V διασυνδέονται µέσω του συστήµατος αγωγών (bus system) της βασικής µονάδας Uni- Tr@in (βλέπε και σχετικές οδηγίες). Επειδή τα συγκεκριµένα φύλλα εργασίας παρέχουν πρόσθετες λεπτοµέρειες για τα κυκλωµατικά διαγράµµατα, συστήνεται να είναι άµεσα διαθέσιµα. 3
Απαιτούµενες υποµονάδες και στοιχεία της διάταξης Qty. Περιγραφή Order No. 1 UniTr@in-I Interface with virtual instruments SO4203-2A 1 Experimenter SO4203-2B 1 ASK modulator / demodulator SO4201-9H 1 Measuring line set 2mm UniTr@in I SO5146-1L Στοιχεία και ακροδέκτες της διάταξης A Είσοδος διαµορφωτή, TTLin Γείωση B εξοπλισµού, GND Trimmer για τη ρύθµιση της C ηµιτονοειδούς µορφής του φέροντος Είσοδος D σήµατος, ASKin E Έξοδος σήµατος, ASK Σήµα δοκιµής, F φέρος G Ποτενσιόµετρο Carrier Σήµα δοκιµής, H Det. in Έξοδος I σήµατος, TTLout Σχήµα 2: Εµπρόσθια όψη του διαµορφωτή/αποδιαµορφωτή ASK 4
MTI 7605: ASK ιαµόρφωση και Αποδιαµόρφωση ιαµόρφωση ASK Άσκηση 1: Απεικόνιση του σήµατος εξόδου του διαµορφωτή ASK Συνδέστε τον ακροδέκτη «Carrier» στο κανάλι A του παλµογράφου. Επιλέξτε τη χρονική βαση 100µs/div. Ρυθµίστε το κανάλι εισόδου στο 1V/div και ενεργοποιήστε το A. Στο κατώτερο τµήµα της µπάρας του παλµογράφου, το κουµπί θα εκτελεί χρέη κέρσορα. Ρυθµίστε το στο κανάλι A. Επίσης, είναι διαθέσιµες δυο ενδείξεις πλάτους για την µέτρηση των τάσεων και δυο ενδείξεις για τη µέτρηση χρόνου ή συχνότητας. Ρυθµίστε την ένδειξη χρόνου στο πρώτο µηδενικό πέρασµα του ηµιτονοειδούς φέροντος κύµατος. Ρυθµίστε τον ρυθµιστή χρόνου στο 2 έτσι ώστε πάνω δεξιά να φαίνεται µια συχνότητα 2.1 khz (περίπου 4.75 divisions). Τώρα µε το ποτενσιόµετρο «Carrier», ρυθµίστε την συχνότητα του φέροντος στα 2100 Hz. Εφαρµόστε σήµα διαµόρφωσης (από την γεννήτρια λειτουργίας) µε τα ακόλουθα στοιχεία: f M = 150 Hz (εύρος συχνότητας 10) Μορφή σήµατος TTL Level: 1:1, 50% (5V level) Συνδέστε την έξοδο της γεννήτριας λειτουργίας στην είσοδο του διαµορφωτή TTLin στον διαµορφωτή ASK. Στο κανάλι A του παλµογράφου, µετρήστε το σήµα ASK κατά την έξοδο ASK out και το κανάλι B, το σήµα διαµόρφωσης στην είσοδο TTL. Ενεργοποιήστε το B. Κατηγοριοποιήστε τα αποτελέσµατα της µέτρησης σύµφωνα µε τους γνωστούς τύπους διαµόρφωσης. 5
Αποτέλεσµα: T: 1 ms/div X = 1 ms/div X/T(B) Chan.A= 1 V/DIV DC Chan.B= 2 V/DIV DC CHN A [1 V/DIV] DC CHN B [2 V/DIV] DC XT Σχήµα 1: Κανάλι A, ASKout. Κανάλι B, διαµόρφωση σήµατος TTLin Το ηµιτονικό φέρον σήµα του φέροντος σήµατος αναβοσβήνει συγχρονισµένο µε την διαµορφωµένη τάση ( keyed ). Η ASK είναι διαµόρφωση πλάτους ενός ηµιτονικού φέροντος από µια τετραγωνική τάση. 6
Άσκηση 2: Αποδιαµόφωση του σήµατος ASK Συνδέστε την έξοδο ASK out του διαµορφωτή ASK, στην είσοδο αποδιαµορφωτή ASK. ASK in του Στο κανάλι B του παλµογράφου, µετρήστε την τάση εισόδου στο διαµορφωτή ASK επί του σηµείου δοκιµής TTL in και, στο κανάλι A, το σήµα αποδιαµόρφωσης στην έξοδο TTL out. Σκανδαλίστε το B. Συγκρίνετε την τάση διαµόρφωσης µε την τάση εξόδου του αποδιαµορφωτή. Αποτέλεσµα: T: 1 ms/div X = 1 ms/dιv X/T(B) Chan.A= 2 V/DIV Chan.Β= 2 V/DIV DC DC CHN A [2 V/DIV] DC CHN B [2 V/DIV] DC XT Σχήµα 2: Κανάλι A, TTLin, Κανάλι B, σήµα εξόδου TTLout Το αποδιαµορφωµένο σήµα αντιστοιχεί στην τάση διαµόρφωσης 7
Άσκηση 3: Συχνοτικό φάσµα του σήµατος ASK Στον διαµορφωτή ASK (SO 4201-9H), συνδέστε την είσοδο TTL in στα +5V (High signal) και, χρησιµοποιώντας το ποτενσιόµετρο «Carrier», ρυθµίστε τη φέρουσα συχνότητα f T = 2100 Hz. Συνδέστε την αναλογική είσοδο δοκιµής Interface στην έξοδο ASK out. A του κυκλώµατος Unit@in- Επιλέξτε τον φασµατικό αναλυτή και εφαρµόστε τις αρχικές ρυθµίσεις του υπολογιστή για το «ASK». Τώρα, ξεκινήστε µια διαρκή µέτρηση. Αποτέλεσµα: U [V] 1,2 1,1 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 f [Hz] Σχήµα 3: Συχνοτικό φάσµα, διαµορφωτής ASK, f = 2100 Hz Χωρίς το σήµα διαµόρφωσης (µόνο 1-level στην είσοδο), ο αναλυτής φάσµατος δείχνει, για το σήµα ASK, µόνο τη συχνότητα του φέροντος (2100 Hz). 8
Στην γεννήτρια λειτουργίας ρυθµίστε το σήµα διαµόρφωσης όπως παρακάτω: f M = 150 Hz (εύρος συχνότητας 10) Μορφή σήµατος: TTL Level: 1:1, 50% (5V level) Μετρήστε το φάσµα συχνότητας του σήµατος µε τις προηγούµενες ρυθµίσεις του αναλυτή φάσµατος. Μετά µεταβάλετε την συχνότητα του σήµατος διαµόρφωσης στην γεννήτρια λειτουργίας µεταξύ 50 Hz (= 100 Baud) και 300 Hz (= 600 Baud). Περιγράψτε τι παρατηρείτε! Αποτέλεσµα: U [V] 1,2 1,1 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 f [Hz] Σχήµα 4: Φάσµα συχνότητας διαµορφωτή ASK, f M =150 Hz, f T = 2100 Hz => Το φάσµα συχνoτήτων περιλαµβάνει την συχνότητα του φέροντος και τις πλευρικές ακουστικές συχνότητες που παράγονται από την τετραγωνική τάση διαµόρφωσης. Ο διαχωρισµός των φασµατικών γραµµών αντιστοιχεί σε µονά πολλαπλάσια της συχνότητας διαµόρφωσης. Αν ελαττωθεί ο βαθµός Baud, το φάσµα συστέλλεται ενώ αν ο βαθµός Baud αυξηθεί, το φάσµα διαστέλλεται. Σε περίπτωση χρήσης καλωδιακού µέσου, το εύρος ζώνης της τηλεφωνικής γραµµής (3.6 khz) περιορίζει το µέγιστο βαθµό Baud του modem. 9