ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Ι η ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ: ΣΤΟΙΧΕΙΩΔΕΣ ΤΗΛΕΦΩΝΙΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ Εισαγωγή. Η διεξαγωγή της παρούσας εργαστηριακής άσκησης προϋποθέτει την μελέτη τουλάχιστον των πρώτων παραγράφων του Κεφαλαίου 5 του βιβλίου του Μαθήματος Τηλεπικοινωνιακά Συστήματα. Προϋποθέτει επίσης γνώσεις Ηλεκτρονικής που αφορούν τα σχετικά με τελεστικούς και διαφορικούς ενισχυτές οπότε συνιστάται η επανάληψή τους πριν από την προσέλευση στο Εργαστήριο. Ο σκοπός της ανάπτυξης της παρούσας εργαστηριακής άσκησης, η οποία είναι η πρώτη από τις έξι ασκήσεις των μαθημάτων Τηλεπικοινωνιακά Συστήματα Ι και ΙΙ, προσετέθη για να καλύψει το κενό που υπήρχε σχετικά με τις πολύ χαμηλές (τηλεφωνικές) συχνότητες. Σκοπός. Ο φοιτητής θα έχει τη δυνατότητα να παρατηρήσει το σήμα της φωνής του (πράγμα που μπορεί, βέβαια, να κάνει και με τη βοήθεια μίας κάρτας ήχου) με εργαστηριακά όργανα, δηλαδή τον παλμογράφο. Θα παρατηρήσει επίσης την ισοδύναμη λειτουργία του υβριδικού μετασχηματιστή ο οποίος υπάρχει τουλάχιστον στα παλιά τηλέφωνα, ενώ στα νεώτερα έχει αντικατασταθεί με κυκλώματα σαν αυτό της εργαστηριακής άσκησης. Ουσιαστικά, γίνεται μετατροπή της τετρασύρματης σύνδεσης που απαιτείται συνήθως για την αμφίδρομη μεταφορά του σήματος (δύο κατευθύνσεων) σε δισύρματη: Είναι γνωστό ότι όλα τα τηλέφωνα συνδέονται στο τηλεφωνικό κέντρο με τη χρήση μόνο δύο αγωγών. Γενικά. Τα τηλέφωνα που υπάρχουν σήμερα εγκατεστημένα στις κατοικίες και τους χώρους εργασίας των συνδρομητών είναι στη μεγάλη τους πλειοψηφία αναλογικά έστω και αν συνδέονται σε ψηφιακά κέντρα. Μόνο ειδικές συνδέσεις (ISDN) είναι ψηφιακές. Θα πρέπει να διευκρινιστεί εγκαίρως ότι ένα τηλέφωνο δεν χαρακτηρίζεται ως ψηφιακό από το αν διαθέτει πληκτρολόγιο ή όχι ή από το αν είναι συνδεδεμένο σε ψηφιακό κέντρο, αλλά από το αν μετατρέπει το σήμα της φωνής σε ψηφιακό εντός της συσκευής. Η υλοποίηση του τηλεφώνου της εργαστηριακής άσκησης είναι καθαρά αναλογική. Σε άλλη εργαστηριακή άσκηση (Τηλεπικοινωνιακά Συστήματα ΙΙ) θα παρουσιαστεί η μετατροπή του σήματος σε ψηφιακό. Όπως αναφέρθηκε πριν, η παρούσα άσκηση ασχολείται κυρίως με την αμφίδρομη μεταφορά του σήματος μέσα από την ίδια (μία) δισύρματη γραμμή. Ως γνωστόν το εύρος ζώνης του τηλεφωνικού καναλιού είναι 300 3400 Hz που είναι χονδρικά και το εύρος ζώνης της παρούσας άσκησης, όπως θα διαπιστωθεί. Το κύκλωμα της παρούσας άσκησης θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί και ως (ιδιωτικό) σύστημα ενδοσυνεννόησης.
Τηλεφωνικά υβριδικά κυκλώματα. Όπως αναφέρθηκε στα εισαγωγικά, το τηλεφωνικό υβριδικό κύκλωμα (υβριδικός μετασχηματιστής) είναι σχεδιασμένο ώστε να μετατρέπει την διασύνδεση δυο καλωδίων σε διασύνδεση τεσσάρων καλωδίων και είναι ένα από τα βασικότερα κυκλώματα ενός τηλεφωνικού συστήματος. Η κλασσική υλοποίηση με ειδικό μετασχηματιστή παρουσιάζεται στο βιβλίο. Το τηλεφωνικό υβριδικό κύκλωμα είναι αυτό που ξεχωρίζει το μεταδιδόμενο από το λαμβανόμενο ακουστικό σήμα (audio) έτσι ώστε και τα δύο σήματα να μεταδίδονται μέσα από δύο μόνο καλώδια. Τα υβριδικά κυκλώματα των modems αποτελούνται συνήθως από έναν μετασχηματιστή audio αντίστασης 00:00. Για τον διαχωρισμού του λαμβανόμενου από το μεταδιδόμενο σήμα χρησιμοποιείται ένας διαφορικός ενισχυτής με την συνδεσμολογία που παρουσιάζεται στο ακόλουθο σχήμα. Σήμα προς τηλέφ. γραμμή Σήμα από τηλ. γραμμή R R5 R R4 C R3 Τηλεφωνική Γραμμή Σχήμα. Υβριδικό κύκλωμα Τροφοδοσία (θετική τάση) και σύνδεση των συσκευών μεταξύ τους. Μέσω των δυο καλωδίων της γραμμής, έκτος από τα σήματα της φωνής (300Hz 3400Hz), διοχετεύεται και μια DC τάση την οποία παρέχει το κέντρο μέσω ενός πηνίου μεγάλης επαγωγής. (Για λειτουργία με τάση 48V το πηνίο πρέπει να είναι 5 H). Στην παρούσα άσκηση η τάση τροφοδοσίας είναι από V έως 8V, ενώ το πηνίο έχει επιλεγεί να είναι 00mH. Το συνολικό σήμα (ΑCDC) της γραμμής διέρχεται από μία γέφυρα διόδων ώστε ανεξάρτητα από τη σύνδεση των δύο καλωδίων της γραμμής να εξασφαλίζεται ότι η θετική τάση και η γείωση θα βρεθούν σωστά συνδεδεμένες στα υπόλοιπα ηλεκτρονικά κυκλώματα χωρίς ιδιαίτερη φροντίδα. AC DC DCAC DCAC DC AC Σχήμα. Kύκλωμα σύνδεσης των δύο συσκευών μεταξύ τους και τροφοδότησής τους από το «κέντρο»
Στο τηλέφωνο πρέπει να απομονωθεί η DC τάση για να τροφοδοτηθούν τα κυκλώματα του. Για την απομόνωση του DC απαιτείτε πάλι ένα πηνίο μεγάλης επαγωγής κάτι όμως το οποίο δεν είναι πρακτικό λόγω του μεγάλου μεγέθους του. Για αυτό τον λόγω το πηνίο προσομοιώνεται μέσω του κυκλώματος Gyrator το οποίο φαίνεται στο Σχήμα 3. ΙΣ. ΠΗΝΙΟ (GYRATOR) 30Ω BC548 8K 8K 3.3μ F Σχήμα 3. Ισοδύναμο κύκλωμα πηνίου Το κύκλωμα Gyrator μπορεί να προσομοιώσει μεγάλες επαγωγές πηνίων ρυθμίζοντας την τιμή του πυκνωτή. Η επαγωγή που προσομοιώνεται είναι περίπου Henry για κάθε δυο μf πυκνωτή. Για παράδειγμα αν θέλουμε να προσομοιώσουμε ένα πηνίο 5 Henry αρκεί να χρησιμοποιήσουμε έναν πυκνωτή 0 μf. Δημιουργία αρνητικής τάσης. Για την τροφοδοσία του διαφορικού ενισχυτή απαιτείται και αρνητική τάση η οποία δεν παρέχεται όπως η θετική αλλά δημιουργείται στο κύκλωμα του τηλεφώνου (τουλάχιστον για την περίπτωση της εργαστηριακής άσκησης). Για την παραγωγή της αρνητικής τάσης χρησιμοποιήσαμε ένα κύκλωμα το οποίο αποτελείται από ένα ταλαντωτή (βασισμένο στο ολοκ. κύκλωμα NE555) ένα πυκνωτή (DC block), δύο διόδους ανόρθωσης και ένα ηλεκτρολυτικό πυκνωτή στον οποίο συλλέγεται και φιλτράρεται η αρνητική τάση. 3.3K 3.3K NE555 5 8 4 3 V Σχήμα 4. Κύκλωμα δημιουργίας αρνητικής τάσης 3
ΚΥΚΛΩΜΑ ΕΝΙΣXΥΣΗΣ ΑΚΟΥΣΤΙΚΟΥ ΣΗΜΑΤΟΣ ΕΝΙΣΧΥΤΗΣ ΑΚΟΥΣΤΙΚΟΥ ΕΝΙΣΧΥΤΗΣ ΜΙΚΡΟΦΩΝΟΥ 0μF K V 5 ΕΞΟΔΟΣ ΑΚΟΥΣΤΙΚΟΥ ΣΗΜΑΤΟΣ K K K 0KΩ 8 4 3 K K 0.μF.K K 0.μF ΕΙΣΟΔΟΣ ΑΚΟΥΣΤΙΚΟΥ ΣΗΜΑΤΟΣ V K 3 5 V K 0KΩ V V 0Ω AC LINE IN DCAC ΙΣ. ΠΗΝΙΟ (GYRATOR) BC548 30Ω DC 8K 8K V 3.3K 3.3K LM555 5 8 4 3 V ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΑΡΝΗΤΙΚΗΣ ΤΑΣΗΣ Σχήμα 5 Συνολικό κύκλωμα τηλεφώνου 4
Οδηγίες για την εκτέλεση της Εργαστηριακής Άσκησης. Ο σκοπός των επομένων βημάτων είνα να δεί ο φοιτητής πως γίνεται η πλήρως αμφίδρομη (full duplex) επικοινωνία σε δύο κατευθύνσεις μέσα από την ίδα γραμμή και πως εξουδετερώνεται στη λήψη το σήμα το οποίο προέρχεται από την ίδια πλακέτα. Παρακάτω, για εκπαιδευτικούς λόγους, δίδονται οι κυματομορφές τις οποίες πρόκειται να παρατηρήσετε. Στα κενά σχήματα σχεδιάστε αυτές που παρατηρείτε εσείς. Τροφοδοτήστε το «Κέντρο» με τάση V (συνδέστε το κόκκινο βύσμα στον ακροδέκτη V του τροφοδοτικού και το μαύρο στον ακροδέκτη 5 V). Συνδέστε της δυο πλακέτες με το «Κέντρο». (Αφού πρώτα αφαιρεθούν οι βραχυκυκλωτήρες J και J). Παρατηρήστε ότι λόγω της γέφυρας που χρησιμοποιείται στην είσοδο του σήματος δεν έχει σημασία πως θα τοποθετηθούν τα δυο βύσματα της γραμμής.. Ρυθμίστε την γεννήτρια σήματος με τη βοήθεια του παλμογράφου, πριν τη συνδέσετε στο κύκλωμα, ώστε να έχετε ημιτονοειδή κυματομορφή συχνότητας KHz με V PP =9V, χωρίς DC. Συνδέστε τη γεννήτρια στον ακροδέκτη Signal IN της πλακέτας του ενός τηλεφώνου. Ως ακροδέκτη γείωσης χρησιμοποιείστε τις βίδες της πλακέτας. 3. Ρυθμίστε την μεταβλητή αντίσταση αντιστάθμισης η οποία βρίσκεται στην πλακέτα έτσι ώστε για F IN =KHz το «επιστρεφόμενο» σήμα Signal Out στην ίδια πλακέτα να είναι το ελάχιστο δυνατό, π.χ. 00 mv pp. 4. Τοποθετήστε το κανάλι του παλμογράφου στο σημείο Line In και παρατηρήστε το σήμα ACDC. Προσέξετε ο παλμογράφος να λειτουργεί σε DC mode. 5. Τοποθετήστε το κανάλι του παλμογράφου στο σημείο V και παρατηρήστε την εμφάνιση του DC σήματος μετά την αφαίρεση του AC με την χρησιμοποίηση του κυκλώματος Gyrator. Μετρήστε την θετική τάση τροφοδοσίας. 5
. Tοποθετήστε το κανάλι στο σημείο Clk και μετρήστε την συχνότητα που δημιουργείται από το ολοκληρωμένο κύκλωμα ΝΕ555 σε λειτουργία (ασταθούς) ταλαντωτή.. Τοποθετήστε το κανάλι στο σημείο V της πλακέτας και μετρήστε την αρνητική τάση.
8. Παρατηρήστε τα σήματα Signal Out της μίας πλακέτας και Signal Out της άλλης πλακέτας για F IN =000 Hz 9. Μετρήστε τα σήματα Signal Out της μίας πλακέτας και Signal Out της άλλης πλακέτας για f IN =50 Hz έως f IN =4 KHz. 0. Υπολογίστε τον λόγο 0log(Signal Out / Signal Out ) db. Τι είναι ο λόγος αυτός;. Σχεδιάστε την γραφική παράσταση του λόγου των δυο σημάτων σε συνάρτηση με την συχνότητα 0 300 500 800 000 00 500 800 000 500 3000 3300 4000 0,9 5 0,8 0 0, 0, 5 db 0,5 db 0 0,4 0,3 5 0, 30 0, 35 Frequency 0 300 500 800 000 00 500 800 000 500 3000 3300 4000 Frequency Επαναλάβετε τα βήματα και για την δεύτερη πλακέτα.. Θα χρειαστείτε δύο γεννήτριες σημάτων. Ρυθμίσετε την μία γεννήτρια στα 00Ηz και συνδέστε την στην είσοδο Signal IN της πρώτης πλακέτας 3. Ρυθμίσετε την γεννήτρια σήματος στα 500Ηz και συνδέστε την στην είσοδο Signal IN της δεύτερης πλακέτας.
4. Τοποθετήστε το κανάλι του παλμογράφου στο σήμα Signal Out της πλακέτας και το κανάλι στο σήμα Signal Out της πλακέτας. Μεταβάλλοντας τις δύο μεταβλητές αντιστάσεις παρατηρήστε τα δύο σήματα. Θα πρέπει να διαπιστώσετε ότι η αυτακουστικότητα μεταβάλλεται (χειροτερεύει) 5. Eπανασυνδέστε τους βραχυκυκλωτήρες J και J αφού πρώτα αφαιρέσετε τις γεννήτριες σήματος από τις πλακέτες. Λειτουργία των πλακετών ως τηλεφώνων.. Η τοποθέτηση των βραχυκυκλωτήρων αποκαθιστά τη σύνδεση του μικροφώνου και του ακουστικού στα ηλεκτρονικά στοιχεία της πλακέτας. Συνδέστε επιπλέον τις συσκευές χειρός («ακουστικά») στο βύσμα αμερικάνικου τύπου.. Παρατηρείστε στο σημείο Μic Out (έξοδος του ενισχυτή μικροφώνου) το σήμα της φωνής σας καθώς μιλάτε στο μικρόφωνο και καθώς «σφυράτε». Ρυθμίστε το ποτενσιομέτρο και παρατηρείστε πως μεταβάλεται το πλάτος του σήματος. Ένα άλλο μέλος της ομάδας μπορεί να ακούει στο ακουστικό της άλλης πλακέτας. 8. Συνομιλείστε μεταξύ σας για να διαπιστώσετε την ποιότητα της επικοινωνίας. 8