Notes

Outline

Digitalni prenos signalov v osnovnem pasu Digitalne komunikacije II - 3. sklop laboratorijskih vaj

Vsebina UVOD: Osnove digitalnega prenosa Bit, baud Hz ? Kaj omejuje hitrost prenosa informacije ? Impulzno amplitudna modulacija Intersimbolna interferenca 3. Sklop laboratorijskih vaj Digitalni prenosni sistem Mera intersimbolne interference in očesni diagram Vpliv šuma na napake pri prenosu Eksperimenti na simulatorju Eksperimenti z moduli TIMS

Zapis informacije s simboli (znaki) Informacijo prenašamo v obliki zaporedja določenih signalnih oblik ali znakov, ki jih imenujemo tudi simboli M simbolov izberemo tako, da so med seboj čim bolj ločljivi ! en simbol lahko nosi v povprečju največ bs =log2(M)  bitov informacije eden od starejših načinov digitalnih komunikacij:

Simbolna hitrost Vsak simbol predstavlja električni signal, ki ima omejen čas trajanja Ts Simbolna hitrost fs  (baud-rate) je  število simbolov, ki jih prenašamo v eni sekundi: fs =1/Ts

Informacijski pretok in simbolna hitrost Informacijski pretok ali hitrost prenosa informacije (information transfer rate) je produkt simbolne hitrosti s povprečnim številom bitov, ki jih prenaša en simbol:

Omejitve hitrosti prenosa informacije Če povečamo simbolno hitrost, razširimo spekter signala ! Če povečamo število nivojev M, se ob nespremenjeni moči signala zmanjša distanca med simboli !

Praktične omejitve hitrosti na fizičnem kanalu Popačenje signala povzroča disperzija zaradi nelinearne fazne karakteristike prenosne poti in različne vrste šuma:

Impulzno amplitudna modulacija Impulzno amplitudna modulacija PAM (Pulse Amplitude Modulation) se najpogosteje uporablja za digitalni prenos  v osnovnem pasu. Informacijo zapišemo z amplitudo impulzov omejenega trajanja. Najpreprostejši je binarni prenos s  pravokotnimi impulzi:

Večnivojski PAM Več  bitov v enakem času lahko prenesemo z več nivoji:

Spekter M-PAM signalov Sprememba števila nivojev ne vpliva na  spekter signala:

Intersimbolna interferenca Zaradi časovne disperzije se simboli prekrivajo med seboj:

Izločitev ISI: Kakšno prekrivanje simbolov lahko dopuščamo ?

Izravnava prenosne karakteristike kanala Na prenosnem kanalu nastopi popačenje signala zaradi neravne prenosne karakteristike in zaradi šuma, ki se prišteva k signalu. Izravnavo popačene prenosne karakteristike kanala izvaja sito v sprejemniku, ki ga imenujemo izravnalnik (equalizer).

Laboratorijske vaje Namen vaj je preveriti delovanje preprostega digitalnega prenosnega sistema, ki uporablja binarno kodo . Glavna naloga je ugotoviti kako na kvaliteto prenosa vplivata šum in intersimbolna interferenca. Vaje potekajo na simulatorju Simulink in z moduli TIMS .

Binarni PAM Glavne značilnosti modela prenosnega sistema PAM-2 so: oddajnik je enobitni D/A pretvornik detektor je preprosti enobitni A/D pretvornik na kanalu se prišteva beli Gaussov šum

Spekter binarnega signala Za prenos potrebujemo frekvenčni pas v katerem se nahaj večji del moči signala. V pasu do simbolne frekvence fs se pri pravokotnih impulzih nahaja več kot 90% moči:

Mera za intersimbolno interferenco Velikost intersimbolne interference izražamo z maskimalno vrednostjo ISI:

ISI in diagram odprtine očesa Maksimalno vrednost ISI  lahko ugotovimo z meritvijo očesnega diagrama. Očesni diagram izmerimo z osciloskopom. Osciloskop nam pokaže očesni diagram, če pri meritvi podatkovnega signala prožimo časovno bazo s taktom simbolne frekvence. Zaradi persistence ekrana vidimo naenkrat množico zaporedij signalnih oblik, ki pa so vse sinhronizirane na fazo simbolne frekvence. Rezultat je periodični vzorec, ki spominja na oko:

Vpliv šuma na verjetnost napake Pe Napaka nastopi, če je šum večji od signala. Če ima šum Gaussovo porazdelitev verjetnosti amplitude, lahko verjetnost dogodka P(n>A) izračunamo:

NALOGE: Preverite vpliv šuma in intresimbolne interference na kvaliteto binarnega prenosa signalov. Velikost intresimbolne interference ocenite na osnovi meritve odprtine binarnega očesa pred vzorčevalnikom v sprejemniku. Ugotovite kako narašča ISI, če pri prenosu pravokotnih impulzov uporabimo nizko sito v sprejemniku ! Za primer, če je na kanalu beli šum ugotovite, kako je kvaliteta zveze odvisna od pasovne širine nizkega sita v sprejemniku. Naloge rešite z eksperimenti: A) na simulatorju z elementi knjižnice SIMULINK in B) z vezji TIMS

S-1) Disperzija impulzov in ISI Ocenite velikost intersimbolne interference pri prenosu pravokotnih impulzov! za model kanala izberemo najprej nizko sito prvega reda z mejno frekvenco fzg=fs  in preverite rezultate modeliranja s teoretičnim modelom ! na osnovi opazovanja odprtine očesa določite potek ISI(fzg) za primer, če je kanal “ostro” nizko sito (izberite visok red Butterworthovega sita) !

S-2) Vpliv šuma na število napak Preverite lastnosti šumnega izvora: nastavite gostoto šuma N0 tako, da bo efektivna vrednost šuma v frekvenčnem pasu (-fzg, fzg) enaka 1 !      neff=2 fzg N0 izmerite relativno frekvenco dogodka n(k Tvz) >1, 2, 3.. postopek ponovite pri polovični mejni frekvenci sita fzg ! Preverite rezultate modeliranja s teoretičnim modelom !

S-3) PAM oddajnik in sprejemnik v Simulinku z elementi knjižnice sestavite PAM oddajnik in sprejemnik ! nastavite parametre: amplituda signala V=1, simbolna hitrost fs=1 efektivna vrednost šuma v frekvenčnem pasu (0, fs) neff=(1, 1/2, 1/3) mejna frekvenca nizkega sita v sprejemniku: fzg =(2fs, fs, 0.5 fs,) rezultate vpišite v tabelo BER(fzg  , nef)

T-1) Očesni diagram  sestavite PAM-2 oddajnik in nastavite parametre: simbolna hitrost fs=2000 baud amplituda signala X=2V mejna frekvenca nizkega sita fzg =(4000Hz, 2000Hz, 1000Hz, 500Hz ...) izmerite očesni diagram za različne nastavitve fzg  in izračunajte ISI !

T-2) PAM z moduli TIMS  sestavite PAM-2 oddajnik in sprejemnik in nastavite parametre: simbolna hitrost fs amplituda signala X gostota moči šumnega izvora N0 mejna frekvenca nizkega sita v sprejemniku  fzg preverite časovni potek in spekter signala v vseh točkah ! izmerite pogostost napak BER za različne nastavitve N0 in fzg  !

T-3) Linijske kode V prenosni sistem na sliki vključite še linijski kodirnik v oddajniku in linijski dekodirnik v sprejemniku. Izmerite in skicirajte potek spektra na izhodu oddajnika, če uporabimo različne linijske kode:  bipolarno (NRZ)  bifazno  (BiF) ali Manchester,  AMI (Alternate Mark Inversion) Duo-Binary (PR 1+D) Dicode (PR 1-D) Preverite katere kode so občutljive za primer, če kanal ne prenaša enosmerne komponente !