Спектр псевдошумовых последовательностей

Псевдошумовые последовательности (PN) – тип сигналов, широко применяющийся в разных системах модуляции, таких как CDMA и DSSS. Также эти последовательности могут быть использованы в экспериментальных целях для моделирования шума

3. Дискретизация и восстановление сигналов. Спектр дискретизированного сообщения. Эффект наложения спектров.

Было разработано множество цифровых систем передачи, несколько из них рассмотрены в дальнейших лабораторных работах. Для начала передаваемую информацию (называемую сообщением), являющуюся аналоговым сигналом (речь, музыка), следует преобразовать в цифровой сигнал. Это включает дискретизацию, которая требует, чтобы напряжение аналогового сигнала было измерено через равные промежутки времени.

Рисунок 1а ниже показывает простой синусоидальный сигнал. Ниже показан процесс дискретизации сигнала. Еще ниже – результат «естественной» дискретизации сигнала по норме, установленной дискретным сигналом. Этот тип дискретизации является «естественным», потому что во время измерения аналогового сигнала, другие изменения напряжения также измеряются. Для некоторых цифровых систем, изменение дискретных отсчетов нежелательно. Рисунок 1б показывает другую систему, где размер дискретных отсчетов фиксирован в момент измерения сигнала. Это известно как схема дискретизации с запоминанием отсчетов (sample-and-hold) (и также упоминается как амплитудная модуляция импульса – pulseamplitudemodulation).

 

 

Независимо от используемого метода дискретизации, по определению она фиксирует только некоторые части сообщения. Так как же может дискретизованный сигнал быть использован длявосстановление целого сообщения:

Дискретизованное сообщение = дискретный сигнал *сообщение

Можно заметить, что дискретизация на самом деле является произведением дискретного сигнала и сообщения. И, так как дискретный сигнал – цифровой, который на самом деле был сформирован постоянным напряжением и множеством синусоид (основной и ее гармониками), уравнение может быть записано как:

Дискретизованное сообщение = (постоянный ток + основная синусоида + гармоники)*сообщение

Если сообщение – простая синусоида (такая как на рисунке 1) решение уравнения (включающее в себя тригонометрические операции, не показанные здесь) говорит нам что дискретизованный сигнал состоит из:

§ Синусоиды одинаковой частоты с сообщением

§ Пары синусоид, которые являются суммой и разностью основной частоты и частоты сообщения.

§ Множества других пар синусоид, которые являются суммой и разностью гармоник дискретного сигнала и сообщения.

Это в итоге образуется множество синусоид, одна из которых имеет ту же частоту, что и сигнал сообщения. Так, для восстановления сигнала сообщения, все что необходимо сделать – передать дискретизированный сигнал через ФНЧ.

Тем не менее, для корректной работы существует маленький фиксатор (catch), который рассмотрен части Е лабораторной работы.

Экспериментальная часть

В данной лабораторной работе выбудете использовать EmonaDATEx для дискретизации сигнала сообщения сначала посредством естественной дискретизации, а затем, используя схему выборки и хранения (sample-and-holdscheme). Вам предстоит исследовать дискретизированный сигнал в частотной области с помощью Динамического Анализатора Спектров (DynamicSignalAnalyzer).

4. Импульсно-кодовая модуляция. ИКМ-кодирование постоянного и синусоидального напряжений.

Импульсно-кодовая модуляция используется для преобразования аналоговых сигналов в цифровые.

ИКМ система для преобразования аналогового сигнала сообщения в последовательность из 0 и 1. Процесс преобразование называется кодированием. Самое простое, что включает в себя кодирование:

Дискретизация напряжения аналогового сигнала с постоянными интервалами времени с помощью схемы дискретизации с запоминанием отсчетов (лабораторная работа 13);

§ Сравнение каждого отсчета с напряжением сигнала, называемое квантованием уровней;

§ Определение того, какой уровень квантования выравниваемого напряжения ближе всего;

§ Формирование двоичного числа для соответствующего уровня квантования;

§ Вывод двоичного числа: один бит в одно время (то есть, формирование последовательности);

§ Повторения процесса для следующего отсчета.

Модуль ИКМ кодера использует микросхему ИКМ кодирования и декодирования, называемую кодеком, для преобразования аналогового напряжения (-2V; +2C) в 8-ми битную последовательность двоичных чисел. С 8 битами возможно произвести 256 различных комбинаций чисел между 00000000 и 11111111 включительно. Это значит 256 уровней квантования (один для каждого числа).

Каждое двоичное число передается в форме последовательности блока данных. Первым отправляется самый старший бит (называемый бит-7), бит-6 отправляется следующим и т.д. до младшего разряда (бит-0). Модуль ИКМ кодера формирует на выходе отдельный сигнал цикловой синхронизации (FrameSynchronizationsignal – FS), который выходит в одно время с выходом бит -0. FS сигнал был включен при ИКМ декодировании (лабораторная работа 15) но он также может быть использован при «запуске» осциллографа при просмотре сигнала, который выдает модуль ИКМ кодера.

На рисунке 1 показан пример трех блоков данных на выходе модуля ИКМ кодера (каждый бит показан как 0 и 1, так как возможно любое значение) вместе с их тактовым входом и FS выходом.

5. Демодуляция ИКМ сигналов. Спектр декодированного ИКМ-сообщения. Восстановление сообщения.

Декодирование включает в себя:

§ Распознавание каждого нового блока данных из последовательности данных;

§ Извлечение двоичных чисел из каждого блока данных;

§ Формирование напряжения, которое является пропорциональным двоичным числам;

§ Сохранение значения напряжения на выходе до тех пор, пока декодируется следующий блок данных (формирование импульсно-амплитудно модулированной версии первоначального сигнала);

§ Восстановление сообщения через пропускание ИАМ сигнала через фильтр низких частот.

Тактовая частота ИКМ декодера является решающей в правильности работы простой системы декодирования. Если эта частота не совпадает с тактовым генератором кодера, то некоторые передаваемые биты считываются дважды, в то время как другие теряются. В результате некоторые из передаваемых номеров битов неправильно интерпретируются, что в свою очередь, вызывает вывод неправильно напряжение. Ошибка довольно значительная, особенно при частом повторении. Некоторые декодеры справляются с этой задачей путем автосинхронизации (self-clock).

Существует другая задача ИКМ декодирования. Декодер должен быть способен обнаруживать начало каждого блока данных. Если это происходит неправильно, каждый номер блокаинтерпретируется неверно. Синхронизация кадров может быть достигнута по одному из двух путей. ИКМ декодер может формировать специальный полевой синхросигнал, который может быть использован декодером. Недостаток данного метода заключается в необходимости добавочного сигнала для отправки. Другой метод заключается в возможности вставки в последовательность передаваемых данных полевого синхрокода, который используется декодером для срабатывания, когда начинается блок данных

6. Дискретизация при импульсно-кодовой модуляции. Наложение спектров и частота Найквиста.

7. Линейное кодирование. Восстановление сигнала битовой синхронизации.

Цифровые сигналы передаются по разным линиям связи - кабельным (электрическим и волоконно-оптическим), радиорелейным и спутниковым. В зависимости от используемой среды распространения сигналам в линии придают различный вид, при котором параметры сигнала в наибольшей степени согласованы с параметрами линии связи. Эта операция называется линейным кодированием, при котором символы “1” и “0” информационного сигнала заменяются цифровым сигналом, характеристики которого в большей степени соответствуют параметрам линии. Полученный в результате линейного кодирования цифровой сигнал называется линейным кодом.

 

8. Ограничение полосы частот и его влияние на форму цифрового сигнала.

В классической модели коммуникаций, сведения (сообщение) двигаются от передатчика к приемнику по каналу. Количество передаваемой информации может быть использовано для канала, включающего: металлические конструкции (такие как «витая пара» или коаксиальный кабель), оптическое волокно и воздушное пространство (что люди обычно называют «радиоволнами»).

Независимо от используемой среды, все каналы имеют полосу пропускания. То есть, среда определяет частотный диапазон сигнала, для относительно устойчивого к различным воздействиям прохождения, в то время как частота за пределами данного диапазона затухает. Таким образом, канал действует как фильтр.

Этот процесс имеет важные последствия. Напомним, что модулированный сигнал при аналоговой модуляции (такой как АМ) состоит из множества синусоид. Если полоса пропускания среды не достаточна широка, то одни колебания затухают, другие могут быть вовсе потеряны. В обоих случаях это приводит к тому, что демодуляция сигнала (восстановление сообщения) воспроизведет не точную копию первоначального сигнала.

Аналогичным образом, напомни, что цифровые сигналы также состоят из множества синусоидальных колебаний (называемых основной синусоидой и гармониками). Опять же, если полоса пропускания среды не достаточно широка, некоторые их них затухают и/или теряются и это может привести к изменению формы сигнала.

Для иллюстрации последнего момента рисунок 1 показывает, что случается, если все кроме первых двух синусоид удалены. Как вы можете видеть, сигнал искажен.

Ситуацию усугубляет и то, что канал как фильтр, в котором сдвиги фаз между синусоидами отличаются. Опять же, иллюстрация на рисунке 2 показывает сигнал, который был изображен на рисунке 1, с разницей лишь в том, что здесь первые две синусоиды сдвинуты по фазе на 40 °.

Вообразите, как же сложно цифровому приемнику (ИКМ декодеру) будет распознать логический уровень сигнала, изображенного на рисунке 2. Некоторые, а возможно и большинство из них, будут неправильно понимать и формировать ложное напряжение. Делать восстановление сообщения искаженным, с шумом, что очевидно есть проблема!

 

 

9. Глазковая диаграмма Визуальный анализ канала с шумом с помощью осциллографа не достаточно информативен для этих целей, т.к. на его экране мы можем наблюдать только напряжение сигнала на протяжении относительно малого числа бит. Более того, разнообразная структура шума может вызывать ложные изменения уровня сигнала, пока вы не смотрите на экран.

Решением этой проблемы является использование глаз-диаграмм. Глаз-диаграммы так называются из-за изображения, которое они воспроизводят на экране осциллографа.

Получить глаз-диаграмму с помощью осциллографа можно подав на вход одно из каналов информационное сообщение, но при этом синхронизируя его работу с помощью тактовой частоты цифрового сигнала. Это вызовет нестабильность отображаемой картинки (рассинхронизацию), т.е. состояние, которого обычно стараются избегать. Однако в данном случае именно это нам и нужно – все комбинации гармонических колебаний, которые присутствуют в рассматриваемом цифровом сигнале, будут воспроизводится одновременно одно на другом.

В процессе отображения в местах между логическими «0» и «1» получаются «глаза». Чем больше уровень шума, тем менее отчетливы логические уровни сигнала, и тогда глаза начинают «закрываться».