Практическое задание: Моделирование систем передачи данных с импульсно-кодовой модуляцией

Параметры моделирования в окне «System Time»: «Sample Rate» устанавливается 800 kHz, что превышает скорость ввода 8 kHz .wav файла. «System Stop Time» устанавливается 620 msec, что соответствует длине записи и спектральное разрешение ∆f = 1.61 Hz. Выход «Wave external file» дополняется 99 выборками на входную выборку в спецификации параметра, чтобы повысить исходную частоту дискретизации 8 kHz фактором 100 к параметру системного времени «Sample Rate»: 800 kHz.

Выход модуля «Wave external file» подается на вход модуля «Polynomial» из библиотеки «Function Library», который масштабирует SVAudioIn.wav файл так, чтобы не происходило никаких искажений в модуляторе DSB-AM. Параметры модуля «Polynomial»: коэффициент x0 (offset) равен 0.08, x1 (linear) равен 0.02, а все остальные коэффициенты равны нулю.

Рисунок 2.1- DSB-AM аналоговая система связи с когерентным демодулятором

Выход модуля «Polynomial» (3), являющийся узкополосным информа-ционным сигналом m(t), вводится в модулятор «DSB-AM» (4) из библиотеки «Communications Library», с параметрами: амплитуда несущей частоты Ac = 10 V, частота несущей fc = 25 kHz, индекс амплитудной модуляции ka = 1 и сдвиг по фазе (phase offset) 0°. Хотя индекс амплитудной модуляции и мог масштабировать входной сигнал, модуль «Polynominal» используется, чтобы удалить постоянное смещение в SVAudioIn.wav файле.

Канал связи представлен модулем « Adder» (5) и модулем « Gaussian Noise» (1) из библиотеки «Source Library» с начальными параметрами стандартное отклонение («standard deviation») σ = 0 V и среднее значение («mean») μ = 0 V. Выход модуля «Adder»(5) вводится в схему приемника «DSB-AM» начинающегося с фильтра, представленного модулем «Linear System Filter» (6). Используется 9-полюсный аналоговый полосовой фильтр Баттерворта (Butterworth analog bandpass filter (BPF)) с полосой пропускания от 17 kHz до 33 kHz. Частоты среза фильтра центрированы на ±8 kHz относительно несущей частоты 25 kHz и устанавливают полосу пропускания сигнала DSB-AM.

Выход модуля BPF (6) подается на один из входов модуля « Multiplier» (7), на другой вход которого подается синусоидальный сигнал с модуля «Sinusoid» (7) из библиотеки «Source Library». Параметры модуля «Sinusoid» (7): амплитуда Ao = 10 V, частота fo = 25 kHz, смещение по фазе (phase offset) 0°. Модуль « Multiplier» и модуль «Sinusoid» формируют синхронный детектор (synchronous detector) для когерентной демодуляции сигнала «DSB-AM».

Из уравнения 2.2 следует, что спектральные компоненты sо(t) центрируются относительно частоты 2 fc = 50 kHz и нулевой частоты.

Рисунок 2.2- Спектральная плотность мощности на выходе синхронного демодулятора сигнала DSB-AM

Нежелательный постоянный компонент γAcAo/2 и спектральные компоненты, центрированные относительно частоты 50 kHz на выходе демодулятора подавляются, будучи введенным в другой фильтр, который является 9-полюсным аналоговым полосовым фильтром Баттерворта (8) с полосой пропускания от 80 Hz до 8 kHz.

Выход фильтра (8) подается на вход модуля «Polynomial» (9) с параметрами: линейный коэффициент x1 (linear) равен 2.5, а все другие коэффициенты равны нулю, чтобы повторно масштабировать восстановленный «wav» файл. Выход модуля «Polynomial» (9) вводится в модуль «Decimator» из библиотеки «Operator Library», с фактором децимации 100, чтобы восстановить исходную скорость выборки 8 kHz .wav файла из Системного Времени: Sample Rate 800 кГц.

На рисунке 2.3 показано окно моделирования системы связи с DSB-AM после завершения симуляции. По умолчанию автоматически вызывается аудиоплеер Windows и можно прослушать вводимый SVAudioIn.wav и выводимый SVAudioOut.wav файл. Первоначально шум не добавляется к каналу передачи, но установка некоторого, даже незначительного (1V), среднеквадратичного отклонения σ модуля «Gaussian Noise» приводит к заметному ухудшению принятого аудиосигнала.

Рисунок 2.3 - Окно моделирования аналоговой системы связи DSB-AM с Windows аудиоплеер

Оцените влияние шума в канале связи на качество демодулированного сигнала.

Оцените влияние расстройки синхронного демодулятора на качество принятого речевого сообщения.

Замените в схеме (см. рисунок 2.1) синхронный демодулятор на диодный детектор. Сравните результаты с полученными в п.1.5.

Для всех пунктов задания 1 должны быть построены спектры сигналов в характерных точках схемы.

Балансная амплитудная модуляция. Двухполосная амплитудная модуляция с подавленной несущей (analog double sideband suppressed carrier (DSB-SC))

При балансной амплитудной модуляции (AM) непрерывная амплитуда синусоидальной несущей частоты модулируется узкополосным информационным сигналом m(t), как дано уравнением 2.3.

В уравнении 2.3, Ac является амплитудой несущей частоты, ka является индексом амплитудной модуляции в V-1, и fc является несущей частотой. Для избежания перемодуляции, необходимо, чтобы | kam (t) | ≤ 1 для всех t. Как следует из уравнения 2.3 в спектре модулированного сигнала отсутствует спектральная составляющая несущей частоты.

Когерентная демодуляция осуществляется с помощью синхронного детектора в соответствии с уравнением 2.4.

,

Задание 2

По уравнениям 2.3 и 2.4 нужно построить модель аналоговой системы связи с двухполосной АМ с подавленной несущей (DSB-SC).

Варианты задания взять из лабораторной работы №1.

Получить спектры сигналов на выходах элементов схемы. Изменяя параметр «standard deviation» модуля «Gaussian Noise» оценить влияние уровня помех на качество передачи.

Изменяя частоту настройки синхронного детектора в пределах ±250 Гц от номинальной, оцените влияние расстройки частоты на качество демодулированного сигнала, дайте обоснованное объяснение полученному результату.

Изменяя фазу колебания синхронного детектора (phase offset), оцените влияние изменения начальной фазы колебания синхронного детектора на качество демодулированного сигнала, дайте обоснованное объяснение полученному результату.

Постройте модель системы связи для передачи речевых сигналов в системе «DSB-SC».

В качестве входного полезного сигнала использовать тот же звуковой файл. В качестве модулятора использовать модуль «Multiplier», на один из входов которого подается полезный сигнал, а на другой сигнал несущей частоты. Схема приемной части с синхронным детектором не изменяется.

Получите спектры сигналов на выходах элементов схемы, изменяя параметр «standard deviation» модуля «Gaussian Noise» оцените влияние уровня помех на качество передачи звука. Изменяя значение частоты fo синхронного детектора, оцените влияния расстройки приемника на качество звука принимаемого аудиофайла.

Однополосная амплитудная модуляция с подавленной несущей (Single Sideband Suppressed Carrier (SSB-SC)).

При однополосной амплитудной модуляции (AM) непрерывная амплитуда синусоидальной несущей частоты модулируется узкополосным информационным сигналом m(t), как дано уравнением 2.5.

Здесь  и  - синфазная и квадратурная составляющая полезного сигнала,  - несущая частота,  - амплитуда несущего колебания.

SSB-SC сигнал может быть демодулирован только лишь с помощью синхронного детектора. Другими словами SSB-SC сигнал может быть демодулирован умножением на сигнал несущей частоты cos(2πfct):

Для верхней боковой полосы выражение демодулированного сигнала приведено в уравнении 2.6.

Схема реализующая однополосный модулятор и демодулятор показана (см. рисунок 2.4).

SSB Modulator                                                  SSB Demodulator

Рисунок 2.4 - Схема однополосного модулятора

Информационный сигнал (в данном случае синусоидальный)  поступает на один вход устройства умножения, на другой вход которого подается синфазная составляющая несущей частоты  .

Информационный сигнал также подается на фазовращающую цепь для получения квадратурной составляющей полезного сигнала. Фазовращающая цепь осуществляет сдвиг по фазе на -90° исходный сигнал. С выхода фазовращающей цепи сигнал поступает на вход второго устройства умножения, на другой вход которого подается квадратурная составляющая несущей частоты  .

Далее синфазная и квадратурная составляющая суммируются со знаком «+» для получения модулированного сигнала на нижней боковой полосе или со знаком «» для верхней боковой полосы и поступают в канал связи.

Демодуляция осуществляется синхронным детектором, то есть умножением «SSB-SC» сигнала на сигнал . После демодулятора должен стоять низкочастотный фильтр, настроенный на полосу информационного сигнала.

Для реализации фазовращающей цепи используется преобразование Гильберта.

Задание 3

По уравнениям 2.5 и 2.6 построить модель аналоговой системы связи с однополосной АМ с подавленной несущей (SSB-SC). В качестве входного полезного сигнала использовать сумму синусоидальных сигналов с частотами 350 Hz, 1000 Hz, 3300 Hz и амплитудами 0.5 V, 2.0 V и 1.5 V соответственно. Просмотреть спектры передаваемых модулированных сигналов. Объяснить результаты.

По уравнениям 2.5 и 2.6 построить модель аналоговой системы связи с однополосной АМ с подавленной несущей (SSB-SC). В качестве входного полезного сигнала использовать тот же звуковой файл. В качестве фазовращающего устройства для информационного сигнала использовать преобразователь Гильберта из библиотеки «Operator Library» раздел «Linear Sys Filters». Модель построить для системы передачи как по верхней, так и по нижней боковой полосе. Схема приемной части с синхронным детектором не изменяется. Параметры системного времени оставить такие же, как и в предыдущих моделях, использующих звуковой файл в качестве источника входного сигнала.

Квадратурное мультиплексирование.

Квадратурное мультиплексирование демонстрирует, как два сигнала могут быть переданы по одному и тому же носителю, используя единственную несущую частоту.

Рисунок 2.5- Структурная схема квадратурного мультиплексора

Рисунок 2.6

Генерируйте два сигнала. Один с частотой 50 Гц и другой с частотой 1 кГц. Модулируйте один с синусоидальным колебанием частоты 20 кГц и другого с косинусоидальным той же самой частоты как показано выше на рисунке 2.6.

Суммируйте эти два модулированных сигнала и демодулируйте их, умножая на синусоидальные и косинусоидальные сигналы с той же самой частотой, что и несущие сигналы.

После этого поставьте фильтры низкой частоты (LPF) на выход каждого множителя и убедитесь, что Вы получаете исходные сигналы. Отметьте, что эти сигналы ослабляются.

Теперь введите сдвиг по фазе в демодулирующие сигналы. Что происходит, если Вы увеличиваете сдвиг по фазе от 0 до 90 градусов? Используйте аналитическое окно и масштабируйте функцию, какое название дано этому явлению?

Частотная модуляция.

При частотной модуляции (FM) информационный сигнал m(t) модулирует непрерывную частоту синусоидальной несущей, как дано в уравнении 2.7.

В уравнении 2.7 Ac - амплитуда несущей, kf - индекс модуляции или фактор девиации частоты (крутизна частотной характеристики) в Hz/V, fc - несущая частота. Узкополосный информационный сигнал m(t) интегрируется, начиная с мгновенной частоты fi Hz сигнала, определяется как производная по времени изменяющегося во времени угла синусоиды, как дано уравнением 2.8.

Задание 5

По схеме (см.рисунок 2.7) построить модель системы передачи данных с FM модуляцией, получить спектры сигналов на выходах элементов схемы, изменяя параметр «standard deviation» модуля «Gaussian Noise», оценить влияние уровня помех на качество передачи звука.

Сделать выводы о помехозащищенности системы передачи с FM модуляцией по сравнению с АМ модуляцией.

На рисунке 2.7 показано окно симуляции SystemVue аналоговой системы передачи с частотной модуляцией (FM). Модуль «Wave external file» из библиотеки «Source Library» вводит звуковой файл SVAudioIn.wav с разрешением 8 бит и выборкой 8 кГц, что соответствует скорости потока данных 64 кб/сек.

Рисунок 2.7- ЧМ (FM) аналоговая система связи

Параметры моделирования в окне «System Time»: «Sample Rate» устанавливается 240 kHz, что превышает скорость ввода 8 kHz .wav файла. «System Stop Time» устанавливается 620 msec, что соответствует длине записи и спектральное разрешение ∆f = 1.61 Hz. Выход «Wave external file» дополняется 29 выборками на входную выборку в спецификации параметра, чтобы повысить исходную частоту дискретизации 8 kHz фактором 30 к параметру системного времени «Sample Rate»: 240 kHz.

Выход модуля «Wave external file» подается на вход модуля «Linear System Filter» из библиотеки «Operator Library», который представляет из себя полосовой фильтр Баттерворта (BPF) с полосой пропускания от 50 Hz до 5 kHz. Использование BPF является альтернативным методом для удаления нежелательного постоянного смещения в звуковом файле SVAudioIn.wav. Выход BPF поступает на вход модуля «Decimator» из «Operator Library» и на модуль «Frequency Modulator» из «Function Library».

Модуль «Decimator» имеет параметр децимации 10 для обеспечения скорости выборки 24 kHz записываемого выходного аудиофайла SVAudioOut2.wav. Модуль « Frequency Modulator» имеет следующие параметры: амплитуда несущей Ac = 5 V, частота несущей fc = 25 kHz, фактор девиации частоты kf = 25 Hz/V и 0° фазовое смещение (phase offset).

Канал связи моделируется также, как и для системы DSB-AM. Демодулятор (модуль PLL) используется из стандартной библиотеки. Параметры модуля PLL: центральная частота VCO (voltage controlled oscillator-генератор, управляемый напряжением) fVCO = 25 kHz, фаза VCO равна 0°, фактор девиации частоты 25 Hz/V, полоса пропускания низкочастотного фильтра 10 kHz, и оба коэффициента контурного фильтра устанавливаются на нуль. Описание работы модуля « PLL» можно найти в руководствах по SystemVue. На выходе модуля «PLL» имеем демодулированный аналоговый сигнал, который поступает на модуль «Decimator». Параметр децимации равен 10. С выхода модуля «Decimator» сигнал поступает на усилитель (модуль «Gain» с линейным усилением, равным 10. Далее осуществляется запись демодулированного сигнала в выходной аудиофайл SVAudioOut.wav, который можно воспроизвести.