ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα Εισαγωγή στις Τηλεπικοινωνίες / Εργαστήριο Εργαστηριακή Άσκηση 8: Κβάντιση και παλμοκωδική διαμόρφωση - Πειραματική μελέτη Δρ. Ηρακλής Σίμος Τμήμα: Ηλεκτρονικών Μηχανικών Τ.Ε. 1
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. 2
1. Περιεχόμενα 2. Σκοπός Άσκησης...4 3. Περιεχόμενα Ενότητας...4 3.1 Θεωρία...5 3.1.1 Η μονάδα δειγματοληψίας 296F Μετατροπή από το αναλογικό σε ψηφιακό...5 3.1.2 Η μονάδα δειγματοληψίας 296F Δημιουργία του ψηφιακού σήματος για εκπομπή.6 3.2 Εκτέλεση Πειραματικού Μέρους...6 3.2.1 Μετατροπή από αναλογικό σε ψηφιακό...6 3.2.2 Δημιουργία του ψηφιακού σήματος για εκπομπή...7 3
2. Σκοπός Άσκησης Αφού έχει μελετηθεί η δειγματοληψία αναλογικών σημάτων η οποία αποτελεί και το πρώτο στάδιο κατά τη μετατροπή ενός αναλογικού σήματος σε ψηφιακό, στην παρούσα άσκηση θα γίνει η εξοικείωση των σπουδαστών με τελευταίο στάδιο, την κβάντιση και την παλμοκωδική διαμόρφωση PCM. Η άσκηση είναι έχει ως αντικείμενο: Η μελέτη και λειτουργία ενός κβαντιστή. Η μελέτη και λειτουργία ενός κωδικοποιητή PCM 3 ή 4 bit. Η μελέτη και λειτουργία του αποκωδικοποιητή PCM. Η επίδραση διαφόρων παραμέτρων (εύρος τιμών του κβαντιστή, αριθμός bit κωδικο- ποίησης, κτλ). 3. Περιεχόμενα Ενότητας Σκοπός Άσκησης Περιεχόμενα Ενότητας Θεωρία Η μονάδα δειγματοληψίας 296F Μετατροπή από το αναλογικό σε ψηφιακό Η μονάδα δειγματοληψίας 296F Δημιουργία του ψηφιακού σήματος για εκπομπή Εκτέλεση Πειραματικού Μέρους Μετατροπή από αναλογικό σε ψηφιακό Δημιουργία του ψηφιακού σήματος για εκπομπή 4
3.1 Θεωρία 3.1.1 Η μονάδα δειγματοληψίας 296F Μετατροπή από το αναλογικό σε ψηφιακό Oι αριθμοί που χρησιμοποιούνται για την κωδικοποίηση των σταθμών κατά την κβάντιση, είναι σχεδόν πάντα δυαδικοί αριθμοί. Αυτό εύκολα οδηγεί στην διαδικασία παραγωγής δυαδικών ψηφίων (Binary Digits) δηλαδή bits τα οποία είναι πολύ εύκολο να εκπεμφθούν. Στην μονάδα 296F τα bits παριστάνονται με παλμό όπου το λογικό «1» εκφράζει την ύπαρξη του παλμού, ενώ το λογικό «0» την απουσία του. Η μονάδα περιλαμβάνει και κωδικοποιητή και αποκωδικοποιητή. Πρώτα θα δούμε τον κωδικοποιητή. Στην αριστερή γωνία της κορυφής θα δείτε το ρολόι του κωδικοποιητή, όπου πραγματοποιεί την χρονική ρύθμιση όλων των λειτουργιών, δηλαδή δειγματοληψία και εκπομπή των δειγμάτων σε σειρά. Μεταξύ του ρολογιού (clock) και του απαριθμητή ή μετρητή (counter) υπάρχει λυχνία που φωτοβολεί για να δείξει το σήμα που παρέχεται από το ρολόι. Ο απαριθμητής δεν μετράει σε κάθε χτύπημα του ρολογιού, διότι το ρολόι χρησιμοποιείται επιπλέον για να συγχρονίζει την ακολουθία των διαφόρων γεγονότων που συμβαίνουν σε κάθε μέτρηση. Ο απαριθμητής αριθμεί σε δυαδικό σύστημα και μπορεί να έχει 3 ή 4 bits, τα οποία εμφανίζονται στις λυχνίες. Σε διαδοχικές μετρήσεις, παρατηρείτε κατά σειρά όλους τους δυαδικούς αριθμούς, στην περίπτωση των 4 bits από το 0000 (μηδέν), που αντιστοιχεί όταν οι λυχνίες είναι σβηστές, μέχρι το 1111 (δεκαδικό δεκαπέντε), όταν όλες οι λυχνίες είναι αναμμένες, συνολικά δεκαέξι αριθμούς. Η έξοδος του κάθε απαριθμητή σημειώνεται από την τιμή των bits, με τέτοιο τρόπο ώστε η αριθμητική τιμή μιας μέτρησης να μπορεί να βρεθεί προσθέτοντας τις τιμές που αναφέρονται σε κάθε λυχνία που φωτοβολεί. Το πιο σημαντικό bit (δηλαδή αυτό με την μεγαλύτερη τιμή) βρίσκεται στα αριστερά του απαριθμητή. Σχήμα 8.1: Λειτουργία κβάντισης και κωδικοποίησης αναλογικού σήματος με την χρήση 16 σταθμών. 5
Στην συνέχεια χρησιμοποιείται ένας συγκριτής για να κάνει συνεχή σύγκριση μεταξύ της μεταβαλλόμενης τάσης Ramp και εκείνης του αναλογικού σήματος εισόδου. Η είσοδος υφίσταται περιορισμό πλάτους κατά ένα παράγοντα 0.35 ώστε να αποκτήσει πλάτος συμβατό με την τάση Ramp. Σε κάθε περίοδο του ρολογιού ο συγκριτής: παρέχει έξοδο «1» αν το η στιγμιαία τιμή του αναλογικού σήματος εισόδου είναι μεγαλύτερη από την τάση Ramb. παρέχει έξοδο «0», αν η στιγμιαία τιμή του αναλογικού σήματος εισόδου είναι χαμηλότερη από την Ramp, όπως φαίνεται στο σχήμα 8.1. Ένα σήμα «1» από τον συγκριτή έχει σαν αποτέλεσμα το κύκλωμα μανδάλωσης (latch circuit) να μεταδώσει τα δεδομένα από την είσοδο του στην έξοδό του. Η διαδικασία αυτή επαναλαμβάνεται αφού παρέλθει όλος ο κύκλος της Ramp δηλαδή η τιμή της επιστρέψει στην χαμηλότερη τάση για να ξεκινήσει την σύγκριση με το επόμενο δείγμα. 3.1.2 Η μονάδα δειγματοληψίας 296F Δημιουργία του ψηφιακού σήματος για εκπομπή Το πρόβλημά μας δεν είναι μόνο το να στείλουμε τα bits του κωδικοποιημένου αριθμού με το σε σειρά, αλλά να βεβαιωθούμε ότι στο άκρο της λήψης μπορούμε να ξεχωρίσουμε ένα bit από τα υπόλοιπα. Ο τρόπος που εφαρμόζεται στην περίπτωση μας για την αναγνώριση των παλμών που μεταφέρουν πληροφορία στον αποκωδικοποιητή είναι απλός: οι παλμοί πληροφορίας (που προκύπτουν από την κβάντιση και την κωδικοποίηση) περιτριγυρίζονται από συγκεκριμένες μακρές σειρές παλμών οι όποιες επειδή σχηματίζουν πάντα τα ίδια ομοιόμορφα υποδείγματα, αναγνωρίζονται εύκολα. Στο πειραματικό μέρος θα δούμε τις συγκεκριμένες παλμοσειρές. 3.2 Εκτέλεση Πειραματικού Μέρους 3.2.1 Μετατροπή από αναλογικό σε ψηφιακό 1. Στην αριστερή γωνία της κορυφής θα δείτε το ρολόι του κωδικοποιητή, όπου πραγματοποιεί την χρονική ρύθμιση όλων των λειτουργιών δηλαδή δειγματοληψία και εκπομπή σε σειρά. Ρυθμίστε το κουμπί του στο slow (χαμηλό), ώστε όλες οι λειτουργίες να γίνονται σε αρκετά χαμηλό ρυθμό, για να παρακολουθήσετε στις ενδεικτικές λυχνίες τι συμβαίνει. Σημείωση: η κάθε μια από αυτές, όταν ανάβει δηλώνει το λογικό «1» και όταν δεν ανάβει το λογικό «0». 2. Ρυθμίστε τον διακόπτη «3bits/4bits», στην θέση «4bits» για να επιλέξετε λειτουργία του κβαντιστή/κωδικοποιητή με 4 bits. 3. Ρυθμίστε και τα δύο κανάλια του παλμογράφου για σύζευξη DC, ευαισθησία 0.5V/DIV και την στάθμη αναφοράς του μηδενός στην κεντρική γραμμή της οθόνης. 6
4. Συνδέστε το κανάλι Υ1 στον ακροδέκτη ramp out και το Υ2 στο Analogue Input. Η εικόνα του Υ2 θα είναι περίπου 0V, που παριστάνει το σήμα εισόδου στον κωδικοποιητή. 5. Ποια είναι τα όρια μεταξύ των οποίων μεταβάλλεται η τάση εξόδου Ramp ; 6. Σημειώστε τον αριθμό κατά τον οποίο η έξοδος του latch σταματάει. 7. Εξηγήστε γιατί η αρίθμηση στην έξοδο του latch σταματάει στον συγκεκριμένο αριθμό. 8. Τι αποτέλεσμα θα περιμένατε στην έξοδο του latch από ένα αρνητικό σήμα εισόδου -2V; Υπόδειξη: χρησιμοποιήστε το σχήμα 7.1α και 8.1 για βοήθεια. 3.2.2 Δημιουργία του ψηφιακού σήματος για εκπομπή 9. Τοποθετείστε τον διακόπτη του ρολογιού SLOW/FAST στο FAST. Ρυθμίστε την βάση χρόνου του παλμογράφου στα 10μs/div και πιέστε την sync pulse output που βρίσκεται στην άνω αριστερή γωνία της μονάδας. Ρυθμίστε τον παλμογράφο έτσι ώστε τουλάχιστον ένας κύκλος της κυματομορφής Ramb να σταθεροποιηθεί στην οθόνη. 10. Να μεταφέρετε την σύνδεση του καναλιού Υ1 από την έξοδο Ramb στον ακροδέκτη P.C.M. output και ρυθμίστε την ευαισθησία του στα 10V/div. Αυτό δείχνει το σήμα όπως θα μεταδοθεί. Η εκπομπή ενός κωδικοποιημένου δείγματος γίνεται κατά τον χρόνο που το επόμενο δείγμα μετατρέπεται από αναλογικό σε ψηφιακό μέγεθος. 11. Να αναγνωρίσετε και να σημειώσετε τις παλμοσειρές «αρχής» και «τέλους». 12. Να αναγνωρίσετε και να σημειώσετε τις εκπεμπόμενες παλμοσειρές για την ελάχιστη, την ενδιάμεση και την μέγιστη τιμή σήματος στην είσοδο. 7