Методические указания к выполнению виртуальных лабораторных работ по изучению основных принципов модуляции в цифровых системах связи

Комплекс содержит шесть виртуальных лабораторных работ, в которых изучаются принципы построения и особенности нескольких основных современных видов модуляторов для цифровых систем радиосвязи.

1. Изучение модуляторов для цифровых систем радиосвязи

Запустите программу StDigitalS.exe из пакета ЛабРаб (программа работает в ОС Windows c установленным пакетом Net.Framework). В основном окне программы появится обобщенная структурная схема цифровой радиосистемы связи. На схеме показана структура, состоящая из двух станций – А и Б, между которыми устанавливается двусторонняя связь. Оборудование каждой станции состоит из двух блоков – внутреннего (indoor) и наружного (outdoor), соединенных коаксиальным кабелем. Внутренний блок располагается в каком-либо помещении, а наружный блок (вместе с антенной) устанавливается на специальной антенной опоре или на высоком сооружении (здании, дымовой трубе, опоре линии электропередач и пр.).
Рассмотрим прохождение сигналов в одном направлении, нажав на кнопку «→». Цифровой поток поступает на внутренний блок станции А.  Здесь проводится обработка сигнала в тракте основной полосы в направлении передачи (ТОПпд). Обработка заключается в применении ряда операций, облегчающих функционирование цифровой системы связи, в том числе – перемежение, скремблирование и помехоустойчивое кодирование цифровых сигналов. Обработанный цифровой поток подается на модулятор, работающий на промежуточной частоте (fпч пд). В модуляторе передаваемый цифровой поток управляет параметрами сигнала промежуточной частоты (амплитудой, частотой или фазой), обеспечивая процесс модуляции. Промодулированный сигнал промежуточной частоты проходит через соответствующие фильтры (Ф) по коаксиальному кабелю на внешний блок, где поступает на вход передатчика (Пд). В передатчике сигнал промежуточной частоты преобразуется в рабочую частоту (f1)радиосистемы, проходит через дуплексер (Д) (устройство, предназначенное для работы приемника и передатчика через одну антенну) и излучается антенной в направлении станции Б. На станции Б сигнал принимается приемной антенной и поступает через дуплексер (Д) в приемник. Приемник осуществляет усиление принятого сигнала, преобразование его в промежуточную частоту (fпч пр) и усиление сигнала промежуточной частоты. С выхода приемника сигнал поступает через соответствующие фильтры по коаксиальному кабелю во внутренний блок станции Б. Затем сигнал демодулируется (Дм), подвергается обработке в тракте основной полосы приема (ТОПпр) и подается в виде цифрового потока к потребителям. Передача цифрового потока в противоположном направлении («←») производится аналогично. Отличие заключается только в том, что в обратном направлении система использует другую рабочую частоту (f2).
Большинство современных модуляторов строится на основе частотной или фазовой модуляции.
 

В этих видах модуляции каждому символу цифрового сигнала соответствует одно значение состояния выходного модулированного сигнала. Поэтому минимальная теоретическая величина требуемой полосы пропускания системы связи численно должна быть равна (по Найквисту) битовой скорости цифрового потока (к примеру: скорость В = 2 Мбит/с, полоса частот Δf = 2 МГц, скорость В = 155 Мбит/с, полоса частот Δf  = 155 МГц). На практике полоса занимаемых частот должна быть еще больше в 1.2 – 1.5 раз. В современных условиях при резком возрастании количества радиосредств такое расточительство частотных ресурсов недопустимо. Поэтому, с целью повышения спектральной эффективности радиосистем, применяются более сложные методы модуляции, которые получили общее название – многопозиционные.

Лабораторная работа № 1
Исследование принципов построения фазовых модуляторов
для цифровых систем связи

Выберите пункт меню «Фазовая модуляция».
Принцип фазовой модуляции заключается в том, что разным символам цифрового сигнала (0 или 1) соответствует разное значение фазы модулированного сигнала. Каноническая схема фазового модулятора показана на рисунке. Она состоит из перемножителя двух сигналов, - модулирующего цифрового потока и сигнала несущей или промежуточной частоты. Ниже рисунка показаны осциллограммы модулирующего цифрового сигнала и осциллограммы фазомодулированного выходного сигнала для идеализированной безинерционной и реальной систем.

• Зарисуйте схему фазового модулятора и осциллограммы, показанные ниже.
• Проведите курсор мышкой вдоль оси времени по осциллограмме выходного напряжения безинерционного модулятора. Посмотрите за изменениями фазы сигнала на анализаторе фазы, расположенном справа от осциллограмм.
• Проделайте то же самое с осциллограммой фазомодулированного сигнала реальной системы. Опишите наблюдаемые различия на анализаторе фазы.
• Щелкните по кнопке «ФМНФ1». При этом измениться схема модулятора за счет добавки фильтра нижних частот в цепи цифрового потока. Этот фильтр обеспечивает преобразование формы одиночных символов цифрового потока в форму, соответствующую форме приподнятого косинуса или в колоколообразную форму и обеспечивает плавные переходы от 0 к 1 и обратно. Такая обработка уменьшает ширину спектра модулированного сигнала и уменьшает межсимвольные влияния. Зарисуйте схему модулятора.
• Щелкните по надписи Дальше…
• Появятся осциллограммы цифрового сигнала, пропущенного через идеальный ФНЧ и модулированного сигнала с непрерывной фазой. Нижняя осциллограмма показывает опорный сигнал. Проведите курсор мышкой по осциллограмме модулированного сигнала. Посмотрите за изменениями фазы сигнала на анализаторе фазы и опишите полученные результаты.
• Щелкая по кнопкам «ФМНФ2» и «ЧМ» просмотрите и зарисуйте варианты схем, реализующих модуляцию с непрерывной фазой.

Лабораторная работа № 2
Изучение принципов построения квадратурных фазовых модуляторов
для цифровых систем связи

Квадратурная фазовая модуляция (QPSK) и ее разновидности широко применяются в современных цифровых системах связи. Основная идея заключается в том, что одному значению фазы выходного модулированного  сигнала соответствуют 2 символа цифрового потока. Следовательно, и  битовая скорость выходного сигнала меньше скорости исходного потока в 2 раза. При этом (теоретически) и полоса частот, занимаемая сигналом, уменьшается в 2 раза.
Выберите пункт меню «QPSK». После запуска программы вы видите на экране блок преобразователя кода (ПК), с которого начинается структурная схема модулятора. В – битовая скорость цифрового потока, цифрами 2 и 3 обозначены выходы ПК.
Примечание. В этой и последующих программах, при наведении курсора на некоторые основные блоки моделей появляются окошки с кратким описанием того или иного блока.
Порядок выполнения работы
 

• Щелкните левой кнопкой мыши по надписи ЦП. Вы увидите исходный (входной) цифровой поток со скоростью В. Запишите появившуюся комбинацию нулей и единиц и зарисуйте вид потока.

• Последовательно щелкните по точкам 2 и 3 и зарисуйте сигналы, полученные на выходах преобразователя кода. Принцип работы ПК заключается в том, что он разделяет цифровой поток на 2 параллельных потока, в которых скорость равна В/2. Другими словами, один поток формируется из нечетных символов исходного сигнала, а другой – из четных. Соответствие выходных и входных символов обозначено разными цветами.
• Щелкните по надписи Дальше…. При этом на экране появиться полная схема квадратурного фазового модулятора. Зарисуйте её. Схема состоит из двух фазовых модуляторов, генератора промежуточной частоты, фазовращателя (ФВ) на 90о и сумматора сигналов ( ∑ ). Эта комбинация элементов образует два канала модулирования – синфазный канал (I) и квадратурный канал (Q).
• Последовательно наводите курсор на различные блоки схемы и прочитайте описания блоков.
• Щелкните по точке 4. Появится осциллограмма модулированного сигнала канала I. Проведите курсором по осциллограмме и пронаблюдайте за изменениями фазы сигнала на векторном анализаторе. Зарисуйте сигнал.
• Щелкните по точке 5. Появится осциллограмма модулированного сигнала канала Q. Проведите курсором по осциллограмме и пронаблюдайте за изменениями фазы сигнала на векторном анализаторе. Зарисуйте сигнал.
• Щелкните по точке 6 и внимательно просмотрите фазовые переходы в выходном суммарном сигнале. Проведите курсором по осциллограмме и пронаблюдайте за изменениями фазы сигнала на векторном анализаторе. Зарисуйте векторную диаграмму. Для удобства наблюдения за изменениями фазы сигналов можно увеличить скорость развертки осциллографов по горизонтали при помощи линейки прокрутки, расположенной на нижней панели виртуального многоканального осциллографа.
• Нажмите на кнопку «Созвездие» на нижней панели виртуального векторного анализатора. Проведите курсором по осциллограмме выходного сигнала модулятора и пронаблюдайте за изменениями фазы сигнала на векторном анализаторе в “созвездии” точек.
• Активизируйте опцию «Диаграмма переходов» и зарисуйте полученную диаграмму. Проведите курсором по осциллограмме выходного сигнала модулятора и пронаблюдайте за переходами состояний сигнала на векторном анализаторе в “созвездии” точек.
• Наведите курсор на кнопку «Реальный сигнал». Обратите внимание, что при этом в схеме модулятора появляются фильтры нижних частот в I и Q каналах. Посмотрите на выведенные осциллограммы сигналов в канале и в суммарном сигнале. Согласно диаграмме переходов, изменении фазы на 90о приводит к изменению амплитуды выходного сигнала примерно на 30%, а изменение фазы на 180о приводит к провалу амплитуды выходного сигнала до 0, что можно заметить на осциллограмме. Это обстоятельство является определенным недостатком модулятора QPSK, так как требует использования цифровых передатчиков и приемников с линейными амплитудными характеристиками. Такое оборудование отличается повышенной стоимостью и сложностью.

Основные направления совершенствования модуляторов QPSK заключаются в уменьшении амплитудных изменений выходного напряжения при смене фаз. Один из вариантов будет рассмотрен в следующей лабораторной работе «Исследование принципов построения офсетных квадратурных фазовых модуляторов для цифровых систем связи». Другой вариант заключается в цифровом методе формирования сигналов QPSK при помощи высокоскоростных процессоров. При этом диаграмма переходов представляет собой окружность, т.е. фазовые переходы осуществляются плавно, так, как было рассмотрено в предыдущей работе при изучении модуляторов с непрерывной фазой. Последний вариант применяется в оборудовании связи современных поколений.

• Оформите отчет и сделайте ВЫВОДЫ по проделанной работе.

Назад

Лабораторная работа № 3
Изучение принципов построения офсетных квадратурных фазовых модуляторов для цифровых систем связи

Офсетная квадратурная фазовая модуляция (ОQPSK) является разновидностью стандартной QPSK, рассмотренной в предыдущей работе. Отличие заключается в наличии задержки сигнала одного из плеч модулятора. При этом в диаграмме переходов отсутствуют скачки фазы на 180о и провалы амплитуды выходного модулированного сигнала до 0 исключены.
Выберите пункт меню «OQPSK». После запуска программы вы видите на экране блок преобразователя кода (ПК), с которого начинается структурная схема модулятора. В – битовая скорость цифрового потока, цифрами 2 и 3 обозначены выходы ПК. В отличии от предыдущей схемы в одно из плеч модулятора включена линия задержки на длительность символа входного цифрового потока.

Порядок выполнения работы

Порядок проведения работы полностью аналогичен порядку выполнения предыдущей работы. Обратите внимание на отличия в схеме модулятора, в смещении цифровых потоков в каналах I и Q, в диаграмме переходов и в форме выходного сигнала реального сигнала.

Оформите отчет и сделайте ВЫВОДЫ по проделанной работе.

Лабораторная работа № 4
Изучение принципов построения  модуляторов 16КАМ для цифровых систем связи

Квадратурная амплитудная модуляция КАМ (QAM) относится к спектрально-эффективным многопозиционным видам. В лабораторной работе изучается шестнадцатипозиционная модуляция, обеспечивающая (теоретически) 4-х кратный выигрыш по ширине спектра выходного сигнала.

Выберите пункт меню «16 QAM». После запуска программы вы видите на экране блок преобразователя последовательного кода в параллельный (ППП), с которого начинается структурная схема модулятора. В – битовая скорость цифрового потока, цифрами 1, 2, 3 и 4 обозначены выходы преобразователя. Скорость цифровых потоков в каждом выходе равна B/4. Другими словами, скорости цифровых потоков уменьшены в 4 раза по сравнению с входным потоком. Сигналы с входов преобразователя ППП попарно подаются в цифроаналоговые преобразователи, где формируются многоуровневые сигналы.

Порядок выполнения работы

1. Щелкните левой кнопкой мыши по точке ЦП. Вы увидите исходный (входной) цифровой поток со скоростью В. Зарисуйте вид потока.

2. Последовательно щелкните то точкам 1 и 2 и зарисуйте сигналы, полученные на выходах преобразователя кода. Соответствие выходных и входных символов обозначено разными цветами.

3. Щелкните по точке 5 и зарисуйте сигналы, полученные на выходе цифроаналогового преобразователя канала I. Обратите внимание на соответствия между символами входных потоков ЦАП и амплитудой выходного многоуровневого сигнала. Занесите эти соответствия в таблицу (наибольшая амплитуда соответствует значению +3, а наименьшая -3)

4. Проделайте пункты 2 и 3 для канала Q, активизировав соответствующие точки (3, 4 и 7).

5. Щелкните по надписи Дальше…. При этом на экране появиться полная схема модулятора 16 КАМ. Зарисуйте её.

6. Последовательно наводите курсор на различные блоки схемы и прочитайте описания блоков. Затем щелкните по точке 8 и проведите курсором по полученной осциллограмме модулированного сигнала канала Q. Пронаблюдайте за поведением векторов на экране виртуального векторного анализатора.

7. Щелкните по точке 6 и проделайте операции для канала I, аналогичные пункту 7.

8. Щелкните по точке 9 и проведите курсором по полученной осциллограмме выходного модулированного суммарного сигнала. Пронаблюдайте за поведением векторов на экране виртуального векторного анализатора.

9. Нажмите на кнопку «Созвездие» на нижней панели виртуального векторного анализатора. Проведите курсором по осциллограмме выходного сигнала модулятора и пронаблюдайте за изменениями фазы сигнала на векторном анализаторе в “созвездии” точек. Зарисуйте созвездие точек модулятора 16 QAM/

10. Активизируйте опцию «Диаграмма переходов» и проанализируйте полученную диаграмму.

11. Наведите курсор на кнопку «Реальный сигнал». Посмотрите на выведенные осциллограммы сигналов в канале и в суммарном сигнале. Изменения амплитуды суммарного сигнала требует использования цифровых передатчиков и приемников с линейными амплитудными характеристиками. Такое оборудование отличается повышенной стоимостью и сложностью. Однако высокая спектральная эффективность многопозиционных видов модуляции компенсирует эти недостатки. Выигрыш по ширине спектра, занимаемого модулированным сигналом для модуляции 16 QAM, объясняется тем, что одному состоянию выходного сигнала соответствуют 4 символа исходного цифрового потока. Для дальнейшего повышения спектральной эффективности применяются виды модуляции еще более высоких порядков – 64 QAM, 256 QAM и т.д.

12. Оформите отчет и сделайте ВЫВОДЫ по проделанной работе.

Лабораторная работа № 5
Исследование работы многопозиционных модуляторов в условиях Гауссовских шумов

Запустите программу, выбрав пункт меню «Помехоустойчивость». Исследование проводится на модели пролета цифровой линии связи, состоящей из передающей и приемной частей и имитатора тракта распространения радиосигнала. Основной элемент передающей части - многопозиционный цифровой модулятор, который может работать в режимах QPSK и 16 QAM. Тракт распространения радиосигнала представляет собой канал, вносящий в модулированный сигнал гауссовский (белый) шум с нормальным распределением вероятностей. Анализ работы системы в условиях шумов обеспечивается виртуальными векторными анализаторами, которые включены на выходе модулятора и на входе демодулятора, а также, виртуальным измерителем коэффициента ошибок, включенного на выходе тракта. Кнопками «QPSK» и «16 QAM» можно выбирать тип исследуемой модуляции. При начальном запуске программы выбрана модуляция QPSK.

Порядок выполнения работы

• Последовательно наводите курсор на различные блоки модели и прочитайте их краткое описание.
• Нажмите кнопку «Старт». При этом начинается работа программы, которая будет продолжаться установленное время (около 12 секунд). В течение этого времени будет происходить взаимодействие модулированного сигнала с гауссовским шумом, проводится демодуляция сигнала и подсчитываться количество ошибок. Результат занесите в ячейки следующей таблицы:

• При помощи линейки прокрутки измените отношение сигнал / шум (в сторону уменьшения) на величину 0.2 – 0.4 дБ и снова запустите программу, нажав кнопку «Старт». Результат занесите в ячейки таблицы.
• Повторяйте пункт 3 до значения отношения сигнал/шум 9 – 9.5 дБ.
• Нарисуйте график зависимости отношения сигнал/шум и коэффициента ошибок.
• Из графика определите отношение сигнал/шум, при котором коэффициент ошибок примерно равен 10^-3. Установите такое отношение и зарисуйте примерный вид диаграммы созвездий выходного сигнала.
• Переключите вид модуляции, нажав кнопку «16 QAM» и проделайте измерения аналогично предыдущим пунктам. Изменения отношения сигнал/шум необходимо провести в пределах 17 – 13.5 дБ.
• Сравните полученные результаты для модуляции QPSK и 16 QAM.
• Оформите отчет и сделайте ВЫВОДЫ по проделанной работе.

Назад

Лабораторная работа № 6
Изучение принципов построения ортогональных модуляторов с частотным разделением (OFDM) для цифровых систем связи

Ортогональная модуляция с частотным разделением (OFDM) применяется для построения самых современных высокоэффективных систем цифровой радиосвязи. Цифровое телевещание, системы распределения информации, радиорелейные структуры, сотовая связь технологии Flash OFDM – вот далеко не полный перечень систем с OFDM. Принцип работы такой модуляции заключается в том, что исходный цифровой поток разбивается на большое количество (N) параллельных потоков. Есть несколько разновидностей модуляции OFDM. К примеру, для цифрового телевидения используются модуляции COFDM-2k (N=1705) и COFDM-8k (N=6817), для цифровых радиорелейных систем связи – OFDM-256 (N=256). Сигналы каждого потока модулируются на своих поднесущих частотах и объединяются в общий спектр.

Порядок выполнения работы

1. Зарисуйте концептуальную схему модулятора OFDM.
2. Щелкайте последовательно по изображениям индивидуальных модуляторов «Мод. 1» -«Мод. 8» и пронаблюдайте на экране виртуального спектроанализатора за тем как располагаются спектры отдельных потоков. Зарисуйте общий принцип объединения потоков.
3. Щелкните по надписи «Сумматор» на схеме модулятора. Зарисуйте общий вид огибающей суммарного спектра, обратив внимание на разницу для вариантов 2k и 8k.
4. Нажмите клавишу «Символы» и рассмотрите принцип организации индивидуальных цифровых потоков. Так как скорости в каждом потоке при модуляции OFDM небольшие, после каждого символа устанавливается защитный интервал. Это позволяет в декодере задержать оценку значений принятых символов на время, в течение которого изменения параметров радиоканала из-за действия эхо-сигналов прекратятся, и канал станет стабильным. Таким образом, при OFDM временной интервал символа субпотока S делится на две части - защитный интервал Δ, в течение которого оценка значения символа в декодере не производится, и рабочий интервал символа Tр, за время которого принимается решение о значении принятого символа.
5. Нажмите клавишу «Практическая схема». Как видно из появившейся схемы, модулированный сигнал на практике получается при помощи обратного быстрого преобразования Фурье из параллельных потоков, количество которых соответствует стандартам OFDM. Понятно, что при демодуляции применяется прямое быстрое преобразование Фурье. Реализовать такие схемы можно при помощи специализированных БИС, осуществляющих преобразование Фурье или по программе на высокоскоростных цифровых процессорах.
6. Зарисуйте практическую схему модулятора OFDM.
7. Последовательно выберите и просмотрите различные примеры оборудования с технологией OFDM, актуальные в настоящее время. Выбор осуществляется из раскрывающегося списка с именем «Примеры оборудования».
8. Оформите отчет и сделайте ВЫВОДЫ по проделанной работе.