Федеральное агентство по образованию

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра

«Автоматики и управления в технических системах»

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к выполнению лабораторной работы

по дисциплине:

«Информационные сети и телекоммуникации»

ИССЛЕДОВАНИЕ ВРЕМЯ-ИМПУЛЬСНОЙ СИСТЕМЫ ТЕЛЕИЗМЕРЕНИЯ С ДВОЙНЫМ ВИДОМ МОДУЛЯЦИИ (ШИМ-АМ)

Продолжительность работы

4 часа

Москва 2011

1.Цель работы

Целью данной работы является исследование системы телеизмерения (ТИ) с двойным видом модуляции типа ШИМ-АМ.

Изучаются способы реализации отдельных блоков системы ТИ и совместное их взаимодействие с последующим составлением временных зависимостей.

Анализируется работа системы ТИ и производится передача входного сигнала по проводным линиям связи.

2.Описание лабораторного стенда

На лабораторном стенде смонтированы блок передатчика и блок приемника. Мнемосхема представляет собой принципиальную схему устройства, в характерных точках которой вмонтированы клеммы, ключи управления, лампочка сигнализации включения питания, два измерительных прибора. Питание системы ТИ осуществляется от сети переменного тока с напряжением 220 В.

3.Измерительная аппаратура

1. Электронный осциллограф С1-102

2. Генератор звуковой частоты ГЗ-112/1

3. Цифровой вольтметр В7-32 (2 ед.)

4.Теоретические сведения

Системы, использующие ШИМ, относятся к классу систем, в которых осуществляется дискретизация непре­рывного входного сигнала по времени. В результате этого непрерывный полезный модулирующий сигнал (ПМС) заменяется последовательностью выборок, т. е. решетчатой функцией. Следовательно, выходной сигнал определяется не входным сигналом как таковым, а его решетчатой функцией, т. е. зависимость выходного сигнала от входного существует только в одной точке каждого интервала дискретизации.

Требования «гладкости» обеспечиваются использова­нием относительно большой частоты дискретизации по сравнению с верхней граничной частотой ПМС и часто­той среза АЧХ непрерывной части дискретной системы, выполняющей роль демодулирующего фильтра. Поэтому ПС является медленно меняющейся функцией (соответ­ствует макропроцессу) по сравнению с быстро изменяющейся функцией модулированного несущего сиг­нала (характеризует микропроцесс).

Основная проблема, решаемая в таких системах,— это выделение ПС, искаженной дискретизацией; основ­ной объект исследования — макропроцессы, отображаю­щие ПМС, а конкретная задача, решаемая при исследо­вании, — нахождение такого отношения между частотой дискретизации и верхней граничной частотой ПМС, обозначим как коэффициент сле­дования, при котором искажения ПС не превышают заданных.

Другое решение основано на характерном для ква­зинепрерывных систем представлении выходного сигна­ла в виде непрерывной ПС, имеющей спектрально-корреляционные характеристики входного ПМС, и некото­рой эквивалентной помехи, которая в общем случае может быть нестационарной. Тогда задача решается на основе того же аппарата рядов Фурье, но с использо­ванием разработанных в теории импульсной радиосвязи методов, например метода деформации периодической импульсной последовательности или разложения в ряды Фурье по почти периодическим функциям. В послед­нем случае удается получить выражение спектра моду­лированной ШИМ -последовательности даже для пере­менного интервала дискретизации (асинхронные методы ШИМ).

Использование спектрального метода анализа систем с ШИМ, так как спектральное выражение моду­лированной импульсной последовательности на выходе системы позволяет определить амплитуду и форму ПС, а также получить выражение для эквивалентной помехи. Кроме того, спектральное представление дает возмож­ность легко вычислить искажения ПС на выходе филь­тра, если известны характеристики последнего: тип аппроксимации, порядок фильтра и коэффициент следо­вания, т. е. решить задачу анализа квазинепрерывных систем, либо, наоборот, — по заданным искажениям ПС определить коэффициент следования и характеристики фильтра, т. е. решить первый этап задачи синтеза таких систем.

Другой довод в пользу спектрального метода состоит в том, что аналитическое выражение сигнала на выходе системы получается одинаково просто при любой глубине модуляции М, тогда как применение традиционного аппарата, используемого в импульсных системах, а также методов, основанных на линеаризации нелиней­ных звеньев, дает удовлетворительные результаты толь­ко при малой глубине модуляции.

Обычно под динамическим диапазоном си­стемы (устройства) понимают величину, равную отно­шению максимальной входной величины к порогу чув­ствительности системы (устройства). Под порогом чув­ствительности понимают минимально различимый дан­ным устройством (при заданном алгоритме обработки или обнаружения) сигнал на фоне помех. В нашем слу­чае под порогом чувствительности (для гармонического ПМС на входе) подразумевается такой минимальный сигнал, для которого СКИ равно единице, т. е. его мощ­ность равна мощности эквивалентной помехи при задан­ном типе фильтра. Под максимальной входной величи­ной ПМС, как и обычно, понимается сигнал, уровень искажений которого не превышает заданного. Такое определение динамического диапазона не противоречит исходным предпосылкам и позволяет однозначно свя­зать динамический диапазон с видом и параметрами используемой модуляции, а также типом и порядком демодулирующего ФНЧ, т. е. позволяет характеризовать модем в целом. Вместе с тем оно предполагает (для квазинепрерывных систем это предположение обычно выполняется), что уровень эквивалентной помехи за счет дискретизации выше, чем уровень аддитивных помех в системе.

4.1Время-импульсная модуляция (вим)

Импульсные модулированные сигналы формируются в виде периодических дискретных посылок тока (импульсов), причем в качестве параметра модуляции используются амплитуда, длительность, фаза (момент возникновения) и частота следования импульсов. Соот­ветственно различают амплитудно-импульсную, широтно-импульсную, фазо-импульсную и частотно-импульсную модуляцию. Поскольку как при широтно-импульсной, так и при фазо-импульсной модуляции изменяются временные характеристики периодически следующих импульсов. Эти два вида модуляции объединяют понятием, время-импульсной модуляции.

а) односторонняя

б) двусторонняя

рис 4.1.1. Широтно-импульсная модуляция

Время-импульсная модуляция имеет две модификации: широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) и фазо-импульсную модуляцию (ФИМ).

При ШИМ параметром модуляции является длительность импульса (рис. 4.1.1). Различают одностороннюю (несимметричную) (рис. 4.1.1 а)) и двустороннюю (симметричную) ШИМ (рис. 4.1.1 б)).

При ФИМ-смещении оси короткого импульсного сигнала относительно фиксированного момента времени t₀ в тактовой точке (рис. 4.1.2).

рис. 4.1.2. Фазо-импульсная модуляция

Фазо-импульсную модуляцию можно рассматривать как производную от ШИМ и наоборот. Не приводя здесь сравнительно сложных выводов уравнения спектра сигналов, отметим только основное: при модуляции гармоническим колебанием, в отличие от АИМ, кроме составляющих ω₀, Ω и боковых частот вида kω₀ ± Ω, спектр ШИМ и ФИМ будет содержать также множество боковых частот типа kω ₀ ± nΩ (n = 1, 2, …, ∞).

Однако и в этом случае полоса пропускания будет определяться в основном длительностью импульса t_и (при ШИМ — минимальной).

4.2Повторная модуляция

При передаче сигналов по линиям связи часто прибегают к повторной модуляции, при которой относительно низкочастотный сигнал, первоначально модулированный сообщением с применением одного из рассмотренных выше видов модуляции (первая ступень модуляции), в свою очередь осуществляет модуляцию высокочастотных несущих колебаний, передаваемых по линии связи (вторая ступень модуляции).

При этом модуляции первой и второй ступеней могут различаться. Таким образом составляются системы сигналов повторной модуляции АИМ – ЧМ, АИМ – ФМ, ШИМ – АМ, ШИМ – ЧМ (ФМ), ФИМ – АМ, ФИМ – ЧМ (ФМ), ЧИМ – АМ, ДИМ – ЧМ (ФМ). Иногда применяются также три и более ступеней модуляции (например, ШИМ – ЧМ – АМ).

4.3Виды сигналов и выбор их параметров

Во время-импульсных системах ТИ используются два вида первичной модуляции: ШИМ и ФИМ (рис. 4.3.1 а), б)).

При ФИМ для простоты демодуляции на приемной стороне передают обычно не только последовательность импульсов, смещенных по фазе (по времени) в соответствии со значениями ординат измеряемой величины, но и последовательность несмещенных опорных импульсов. Иными словами, каждый элементарный сигнал состоит из двух импульсов: опорного и отсчетного, а информацию несет интервал между их фронтами.

а) ШИМ

б) ФИМ

рис. 4.3.1. Элементарные сигналы.

Обычно интервал Т_С от начала одного элементарного сигнала до начала следующего является постоянным. В целях повышения среднего быстродействия устройства можно сделать так, чтобы следующий элементарный импульс начинался сразу по окончании предыдущего. В устройстве с ШИМ при этом между сигналами следовали бы короткие паузы равной длительности, а в устройстве с ФИМ отсчетный импульс данного сигнала служил бы опорным импульсом для последующего сигнала. Однако такой способ передачи распространения не получил, и в данной работе рассматриваются только устройства с периодическими сигналами.

Как правило, τ линейно зависит от измеряемой величины х, причем диапазон возможных значений τ начинается не от нуля, а от некоторой величины τ_мин. Для сигнала ФИМ необходимость этого очевидна: значение τ_мин должно, по крайней мере, превышать длительность опорного импульса. Сигнал ШИМ, на первый взгляд, мог бы начинаться от τ = 0. Но нужно учитывать искажения фронтов, вызванные тем, что канал связи имеет ограниченную полосу частот: благодаря им узкий импульс оказывается существенно меньше по амплитуде, чем широкий, и это затрудняет не только измерение его длительности на приемной стороне, но даже его обнаружение. Поэтому и диапазон сигналов ШИМ начинают не с нулевой длительности. Общий вид зависимости τ от измеряемой величины х таков:

Период повторения сигналов T_С должен превышать τ_макс. В случае ШИМ это превышение должно быть таким, чтобы пауза была обнаружена, несмотря на искажения фронтов за счет ограниченности частотной полосы канала связи. В случае ФИМ нужно еще дополнительно учесть длительность отсчетного импульса. Часто разность (T_С - τ_макс) выбирают равной τ_мин. В многоканальном устройстве ТИ с временным разделением каналов простейший вариант передачи — циклический. Диаграмма сигналов для этого случая (применительно к модуляции типа ФИМ) показана на рис. 4.3.2.

рис. 4.3.2. Диаграмма сигналов для многоканальной системы ТИ с ФИМ

Каждый цикл передачи (длительностью T) содержит n элементарных сигналов (длительностью T_с), соответствующих n каналам измерения, и один дополнительный сигнал — синхроимпульс СИ, отличающийся от остальных по длительности и позволяющий синхронизировать коммутаторы.

Параметры сигнала следует выбирать с учетом параметров канала связи и требований к точности телепередачи. Главный фактор, определяющий точность телепередачи, это искажение сигнала помехами. Теоретически в отсутствие помех погрешность телепередачи можно свести к нулю, несмотря на искажения формы сигнала за счет ограниченности частотной полосы канала связи и изменения амплитуды сигнала за счет изменений затухания. Только дополнительную погрешность от действия помех исключить принципиально невозможно. Величина этой погрешности зависит не только от характеристик самих помех, но и от параметров канала связи и сигнала.

Амплитуда сигнала должна быть возможно большей, так что выбор ее определяется предельными возможностями канал образующей аппаратуры. Диапазон изменений длительности сигнала целесообразно выбирать исходя из заданной допустимой погрешности ,

,

где β – коэффициент ослабления сигнала при демодуляции ( ),

S₀ – удельная дисперсия шума, приходящаяся на полосу частот

шириной в 1 Гц,

= коэффициент модуляции,

– заданная допустимая погрешность модуляции.

Если исходить только из погрешности отдельных отсчетов, пренебрегая быстродействием, то вместо равенства следовало бы записать неравенство. С увеличением разности (τ_макс - τ_мин) эта погрешность уменьшается. Однако нужно иметь в виду, что при этом увеличиваются и период элементарного сигнала T_С и длительность цикла Т, следовательно, растет интервал между дискретными отсчетами каждой измеряемой функции времени и увеличивается погрешность аппроксимации её по этим отсчетам. Величина τ_мин при ФИМ должна быть, по крайней мере, вдвое больше длительности опорного импульса с учетом того, чтобы спад последнего на выходе канала связи успевал достаточно затухнуть к моменту появления отсчетного импульса. Длительность же опорного им­пульса τ_и должна быть такой, чтобы амплитуда его на выходе канала связи достигала, по крайней мере, 90% значения, которое устанавливается при неограниченной длительности импульса. Исходя из этого, рекомендуется брать

,

.

Отсчетный импульс целесообразно выбирать той же длительности τ_и, что и опорный. Превышение периода T_С над величиной τ_макс, как указывалось, часто берут равным τ_мин. Tогда,

Эти соотношения можно принять и для случая ШИМ. В многоканальном устройстве с циклической передачей сигналов по диаграмме, показанной на рис. 4.1.2, длительность цикла:

.

Длительность синхроимпульса должна в несколько раз превышать τ_и для простоты на СИ вместе с паузой отводят период T_С.