Практическое задание: Моделирование систем передачи данных с импульсно-кодовой модуляцией
Контрольные вопросы
. Что такое дискретизация?
. Что такое квантование?
2. Объясните назначение элементов схемы и вид полученных сигналов на их входе.
3. Для чего нужен фильтр на выходе DAC?
4. Выведите выражения для ошибок дискретизации и квантования для каждой схемы.
. Что такое шум дробления?
. Для чего используется компандирование? Стандарты компандирования.
. Что такое элайзинг и как с ним
бороться?
Лабораторная работа № 4. Импульсно-кодовая модуляция (pulse code modulation), линейные коды (line codes)
Цель работы: изучение и моделирование систем
передачи данных с импульсно-кодовой модуляцией, методов формирования кодов
линии.
. Импульсно-кодовая модуляция
В импульсно-кодовой модуляции (PCM) выбранный и квантованный аналоговый низкочастотный сигнал представляется как последовательность закодированных видеоимпульсов, используя линейные коды. Система PCM, которая использует внешний аудио файл в качестве входного источника, показан (см. рисунок 4.1). Входной аудио файл SVAudioIn.wav имеет 8 бит разрешения с частотой дискретизации 8 кГц, или скорость передачи данных 64 Кбит/с.
Модуль входного внешнего файла определяется таким образом, чтобы быть сверхдискретизированным фактором 80, т.е. здесь входная выборка дополняется 79-ю предыдущими значениями. Это значение устанавливается в окне параметра файла, что увеличивает частоту дискретизации аудио файла до Системной Частоты дискретизации (System Sampling Rate), которая составляет здесь 640 кГц (Tsystem = 1.5625 µsec). Системное Время моделирования (Stop Nime) составляет 620 мс, которое является длиной внешнего входного аудио файла. Также выбирается Поле Launch Audio Player, которое выводит аудиоплеер по умолчанию в конце моделирования.
Модель системы PCM
(см. рисунок 4.1) который использует компандирование, аналого-цифровой (ADC)
и цифро-аналоговый (DAC)
преобразователи из модели лабораторной работы №3 (см.рисунок 3.8.) как исходный
вход и выход данных. Передатчик последовательных данных «MetaSystem»,
показанный на (см.рисунок 4.2) вводит 8 параллельных битов данных от модуля ADC
при 8000 8-разрядных выборок/сек и передает данные последовательно, начиная с
младшего значащего бита (LSB),
со скоростью в 64 Кбит/с.
Рисунок 4.1- Система PCM
с внешним аудио вводом и выводом файла
Рисунок 4.2 Передатчик последовательных данных MetaSystem
модели PCM
Модуль 8-разрядного мультиплексора (8-bit Mux) из Библиотеки Logic Library выбирает один из восьми входных сигналов и является моделью микросхемы среднего уровня интеграции (MSI) 74151. Активный низкий управляющий сигнал «Enable» включения 8-разрядного модуля мультиплексора обеспечивается модулем «Custom» из Библиотеки Source Library, и одним выходом с алгебраическим уравнением моделирования p (0) = 0 V.
Модуль 8-разрядного мультиплексора
получает 3-разрядный управляющий сигнал выбора данных из 3-х младших разрядов
(3 LSB) модуля 4-х
разрядного реверсивного счетчика «Counter Up/Down» из
библиотеки Logic Library, который
является моделью микросхемы MSI 74191 IC. Вход Часов
(Clock) двоичного
счетчика получается из модуля «Pulse Train» из
библиотеки Source Library, с
параметрами амплитуды = 1 V, частота fo = 64 кГц,
длительность импульса 
= 1.5625 µsec (Системное
Время, Tsystem), 0 V напряжение
смещения и 0 ° фазовое смещение.
Активный нижний уровень управляющего сигнала «Up» (вход Up*/D) и «Count Enable» (вход CE) реверсивного счетчика формируется модулем «Custom» из библиотеки Source Library и одним выходом с алгебраическим уравнением моделирования p(0) = 0V. Неактивный верхний уровень сигнала управления «Parallel Load» (вход PL) входа записи параллельных данных в счетчик модулем «Custom» из библиотеки Source Library и одним выходом с алгебраическим уравнением моделирования p (0) = 1V.
Приемник последовательных данных «MetaSystem»,
показанный (см.рисунок 4.3) вводит последовательный поток битов данных, начиная
с младшего разряда (LSB), со скоростью 64 Кбит/с и выводит
8 параллельных битов данных при 8000 выборок/секунд. Последовательные данные
вводятся в 8-разрядный модуль сдвигового регистра (8-bit «Shift Register») из
библиотеки Logic Library, который
является моделью микросхемы MSI 74164 IC. Вход часов
(Clock)
8-разрядного сдвигового регистра получают из модуля «Pulse Train» Библиотеки
Source Library с
параметрами амплитуды = 1 V, частота fo = 64 кГц
(скорость передачи данных), длительность импульса = 1.5625 µsec (Системное
Время, Tsystem), 0 V напряжение
смещения и 0 ° фазовое смещение. Активный нижний уровень управляющего сигнала
Ввод B и Сброса (Master Reset) сдвигового
регистра обеспечивается модулем «Custom» из библиотеки Source Library с одним
выводом с алгебраическим уравнением моделирования p (0) = 1 V.
Рисунок 4.3- Приемник
последовательных данных MetaSystem системы PCM
Вывод 8-разрядного модуля Сдвигового
регистра вводится в 8-разрядный модуль фиксатора «Latch» (L-8), который
является моделью MSI 74573 IC, и
удерживает параллельный 8-разрядный код данных для каждой выборки. Вход часов (Clock) фиксатора
получают из модуля «Pulse Train» с
параметрами: амплитуда = 1 V, частота fo = 8 кГц
(частота дискретизации), длительность импульса = 1.5625 µsec (Системное
Время, Tsystem), и 0 V напряжение
смещения и 0 ° фазовое смещение.
Активный высокий управляющий сигнал «Latch Enable» фиксатора обеспечивается модулем «Custom» из библиотеки Source Library с одним выводом с алгебраическим уравнением моделирования p (0) = 1 V.
Вывод приемника последовательных данных MetaSystem вводится в модуль DAC, а затем в модуль декомпандера. Вывод модуля Polynomial вводится в модуль Decimator с параметром децимации 80 здесь, который уменьшает сигнал от частоты моделирования SystemVue 640 кГц к исходной частоте дискретизации аудио файла 8 кГц.
Получить спектр сигнала на выходе
передатчика последовательных данных, убедиться, что на выходе имеем
последовательность импульсов с частотой 64 кГц.
2 Линейные коды
Бинарные низкочастотные потоки данных кодируются для представления информации импульсами, ширина которых не более времени передачи одного бита Tb или, если больше времени передачи одного бита, то не влияет существенно на смежный импульс символа (межсимвольная интерференция-intersymbol interference). Желательные свойства кодов линии для низкочастотной цифровой передачи данных являются следующими:
Полоса пропускания передачи: код линии должен обеспечивать минимальную полосу пропускания передачи.
Энергетическая эффективность: Для данной полосы пропускания и вероятности ошибки Pb в символе, передаваемая мощность должна быть как можно меньше.
Обнаружение и исправление ошибки: код линии должен позволять обнаружение, и, предпочтительно, исправление ошибок в передаче.
Желательный энергетический спектр (PSD): спектр кода линии не должен содержать составляющих на частоте 0 Гц (DC), потому что многие низкочастотные цифровые системы передачи данных используют цепи переменного тока (AC) и магнитные трансформаторы.
Достаточная информация о времени: код линии должен позволять извлечение информации о времени и синхронизации.
Прозрачность: код линии должен быть прозрачным так, чтобы цифровой сигнал был передан правильно независимо от битовой комбинации информации источника, включая длинные последовательности наборов из двоичных 1 или 0.
Коды линии часто используют меандры, чтобы
закодировать входные бинарные (двоичные) данные.
3 Моделирование линейных кодов
Различные типы кодов линии представлены в моделях (см.рисунок 4.4) источником данных является модуль PN Sequence с параметрами: амплитуда 0.5В, скорость передачи данных rb 1 kb/sec (a bit time Tb = 1 msec), смещение равно 0. Модуль PN Sequence передает униполярный NRZ линейный код непосредственно.
Модуль Polynomial
конвертирует униполярный NRZ
линейный код в полярный NRZ
линейный код. Параметры модуля Polynomial:
x0 (offset)=
-1, x1 (linear)=2,
а все другие коэффициенты равны 0. Полярный и униполярный NRZ
линейные коды конвертируются в полярный и униполярный NRZ
линейные коды с помощью модуля Multiplier
на второй вход которого подается последовательность импульсов с параметрами:
амплитуда A = 1V,
частота fo = 1 kHz,
ширина импульса τ
= 500 µsec и нулевыми
смещениями по напряжению и фазе.
Рисунок 4.4- Полярный, однополярный и AMI
NRZ и RZ
коды линии, split-phase
NRZ генераторы
двоичных линейных кодов
Код линии AMI NRZ требует 1-битовой памяти, потому что передаваемый импульс, который представляет входному двоичному символу bk = 1 замену между ak = +1 и ak = -1. Модуль J-NOT-K триггера («J-NOT-K Flip-Flop») из библиотеки Logic Library реализует 1-битовую память. Выходы источников двоичных данных, модуль «PN Sequence» и модуль «Pulse Train», подаются на вход модуля логического «И» («AND») из библиотеки Logic Library, а с выхода модуля «AND» на вход часов (Clock) модуля J-NOT-K триггера.
Параметры модуля «Pulse Train»: амплитуда = 1V, частота fo = 1 кГц, ширина пульса τ = 20 µsec (Системное Время, Tsystem), и 0 смещение по напряжению и фазе.
Неактивный высокий уровень управляющего сигнала «Set» (Установка) и «Clear» (Сброс) и вход «NOT-J» обеспечивается модулем «Custom» с одним выходом с алгебраическим уравнением моделирования p (0) = 1V. Вход K «K-input» обеспечивается модулем «Custom» с одним выходом с алгебраическим уравнением моделирования p(0)=0V. С этими управляющими сигналами, J-NOT-K триггер перебрасывает состояние выхода по каждому положительному фронту управляющего сигнала «Clock». Поскольку источник двоичных данных модуль «PN Sequence» объединен логическим «AND» с сигналом «Clock» синхронизированным со скоростью бита rb, только входные двоичные данные bk = 1 перебрасывают J-NOT-K триггер.
AMI NRZ линейный код конвертируется в AMI RZ линейный код с помощью модуля «Multiplier» на второй вход которого подается сигнал с модуля «Pulse Train» с шириной импульса, равной Tb/2.
Split-phase код линии получается как вывод модуля ИЛИ-НЕ («XOR ») из библиотеки Logic Library с параметрами: уровень сигнала логическое «true» - 1В, уровень логического «false» +1В. Входы модуля ИЛИ-НЕ («XOR»): источник двоичных данных модуль « PN Sequence» и модуль «Pulse Train» с шириной импульсов Tb/2. Параметры моделирования: Sample Rate = 50 kHz (Tsystem = 20 µsec), Number of Samples = 262,144 (218) точек.
Получите графики сформированных линейных кодов.
Исследуйте спектры полученных линейных кодов,
сравните спектры различных линейных кодов, сделайте выводы.
Контрольные вопросы
. Что такое ИКМ?
. Опишите назначение и работу элементов схемы ИКМ.
3. Где формируется последовательность передаваемых импульсов?
4. Назначение кодов линии?
. Особенности кодов линии?
. Как работают схемы, формирующие коды линии?
Список литературы
1. Разевиг В.Д., Лаврентьев Г.В., Златин И.Л. System View - средство системного программирования радиоэлектронных устройств / Под ред. В.Д. Разевига. - М.: Горячая линия - Телеком, 2002.
. Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. Изд. 2-е, испр.: Пер. с англ. - М.: Издательский дом "Вильямс", 2003.
. Дмитриев В. И. Прикладная теория информации. - М.:1989.