Практическое задание внутриколледжного этапа Всероссийской олимпиады профессионального мастерства обучающихся по специальностям 11.02.01 Радиоаппаратостроение, 11.02.02 Техническое обслуживание и ремонт радиоэлектронной техники.

Практическое задание внутриколледжного этапа
Всероссийской олимпиады профессионального мастерства обучающихся по специальностям 11.02.01 Радиоаппаратостроение,
11.02.02 Техническое обслуживание и ремонт радиоэлектронной техники.
«Ограничение полосы частот и восстановление цифровых сигналов»
В задании нужно будет собрать коммуникационную систему с импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ) на основе Emona DATEx и смоделировать ограниченную полосу пропускания канала связи с помощью фильтра низких частот (ФНЧ). Влияние ограничения полосы частот на передачу данных методом ИКМ исследовать с помощью осциллографа; восстановить цифровой
сигнал с помощью компаратора и проанализировать возникающие ограничения.
На выполнение основной части эксперимента потребуется около 50 минут.Используемое оборудование.
1. Персональный компьютер с соответствующим установленным программным
Обеспечением.
2. NI ELVIS I или II плюс, соединительные проводники.
3. (только для NI ELVIS I: устройство сбора данных типа NI USB-6251 или 20МГц двухканальный осциллограф)
4. Модуль расширения Emona DATEx для выполнения экспериментов.
5. Два проводника с разъёмами типа BNC и типа "банан" (2 мм).
6. Набор соединительных проводников с разъёмами типа "банан" (2 мм).
Порядок выполнения („*‟ - относится только к NI ELVIS I)
Часть A
Исследовать с помощью осциллографа и анализатора спектра влияние ограничения полосы частот на декодирование сигналов с импульсно-кодовой модуляцией.
1. Убедитесь в том, что выключатель питания на задней панели лабораторной станции NI ELVIS находится в положении POWER OFF (ОТКЛЮЧЕНО).
2. Аккуратно вставьте модуль расширения Emona DATEx в слот станции NI ELVIS.
3. Установите переключатель режимов CONTROL MODE в правом верхнем углу модуля DATEx в положение PC CONTROL‟ (Управление от компьютера).
4. * Проверьте, выключен ли модуль ввода-вывода NI DAQ.
5. * Подключите NI ELVIS к модулю ввода-вывода NI DAQ и к персональному
компьютеру.
6. Включите питание NI ELVIS с помощью выключателя, расположенного на задней панели, затем включите питание макетной платы, выключатель расположен на передней панели NI ELVIS.
7. Включите компьютер и подождите, пока он загрузится.
8. * Когда загрузка завершится, включите модуль ввода-вывода NI DAQ и дождитесь визуального или звукового сигнала о том, что компьютер обнаружил модуль.
9. Запустите программу NI ELVIS.
10. Запустите программную панель управления DATEx и убедитесь в том, что можете программно управлять системой DATEx.
11. Переведите переключатель Control Mode режимов управления функциональным генератором (Function Generator) в положение, противоположное положению Manual (Ручной).
12. Запустите программу (VI) Function Generator (Функциональный генератор)
13. Включите функциональный генератор нажатием на кнопку ON/OFF на программной лицевой панели.
14. С помощью органов управления на экране компьютера установите следующие параметры генератора:
Waveshape (Форма сигнала): Sine (Синусоидальная)
Frequency (Частота): 20 Гц
Amplitude (Пиковая амплитуда): 4 ВDC Offset (Напряжение смещения): 0 В15. Сверните окно программы функционального генератора.
16. Соберите схему в соответствии с рисунком 3.

Рисунок 3
Схему на рисунке 3 можно представить блок-схемой, приведенной на рисунке 4. Здесь выходной сигнал функционального генератора (FUNCTION GENERATOR) с помощью ИКМ кодера (PCM ENCODER) преобразуется в цифровой сигнал, который затем с помощью ИКМ
декодера (PCM DECODER) преобразуется в дискретизированный исходный сигнал. Соединительный проводник между выходом кодера PCM DATA и входом декодера PCM DATA, по которому передаются данные, служит в качестве “канала связи”.

Рисунок 4
PCM Encoding - ИКМ кодирование: Function Generator – функциональный генератор, Message To Ch. A – сообщение к каналу А, In – вход сигнала сообщения, CLK – вход синхронизации, Master Signals – генератор опорных сигналов, The channel – канал связи.
PCM Decoding - ИКМ декодирование: "Stolen" FS – "заимстованный" сигнал кадровой синхронизации с ИКМ кодера, "Stolen" CLK – "заимстованный" сигнал битовой синхронизации с ИКМ кодера, Output To Ch.B – выход к каналу В"Stolen" FS
17. Запустите программу (VI) Oscilloscope NI ELVIS (Осциллограф).
18. Настройте осциллограф: установите элемент управления Sampling (Сбор данных) в положение Run(включено), установите элемент управления Cursor (Курсор) в положение Off (Выкл). Оставьте канал A включенным, а канал B выключите (только на данный момент), нажав его кнопку ON/OFF (Вкл./Выкл.) под надписью Display (Экран); установите элемент управления Source (Источник сигнала) для канала A в положение BNC/Board CH A (разъем BNC канала «А» на макетной плате), а элемент управления Source (Источник) для канала B в положение BNC/Board CH B (разъем BNC канала В на макетной плате);
установите элементы управления Position (Положение) для обоих каналов
примерно в среднее положение, нажав кнопку Zero (Ноль);
Установите элемент управления Scale (Масштаб) для обоих каналов в положение 1V/div (1 в/дел); установите элемент управления Coupling (Связь с источником сигнала) для обоих каналов в положение AC (связь по переменному току); установите элемент управления Timebase (Масштаб по оси времени) в
положение 10µs/div (10 мс/дел.).
19. Включите канал B осциллографа нажатием кнопки Channel B Display ON/OFF для наблюдения сигнала на выходе декодера и сигнала на входе кодера.
Примечание: Если схема работает правильно, вы должны увидеть синусоидальное напряжение частотой 20 Гц (исходное сообщение) и соответствующее ему дискретизированное напряжение на выходе декодера.
20. Найдите модуль TUNEABLE LOW-PASS FILTER (перестраиваемый ФНЧ) на программной панели управления DATEx и установите виртуальный регулятор коэффициента усиления GAIN в среднее положение.
21. Установите в среднее положение виртуальный регулятор частоты Cut-off FrequencyAdjust (частота среза ФНЧ)
22. Внесите изменения в схему согласно рисунку 5.

Рисунок 5
Эта схема может быть представлена блок-схемой, приведенной на рисунке 6.
ФНЧ моделирует канал с ограниченной полосой пропускания.

23. Плавно вращайте виртуальный регулятор частоты среза Cut-off Frequency Adjust против часовой стрелки.
Совет: Для точной регулировки используйте клавишу TAB и клавиши со стрелками.
24. Приостановите регулировку, когда на выходе ИКМ декодера возникнет случайная ошибка.
25. Еще уменьшите полосу пропускания канала, чтобы увидеть влияние сильного ограничения полосы на качество декодирования.
26. Расширяйте полосу пропускания канала до тех пор, пока сигнал на выходе декодера не очистится от ошибок.
27. Остановите осциллограф однократным нажатием на кнопку RUN.
28. Загрузите программу (VI) NI ELVIS Dynamic Signal Analyzer (Анализатор спектра).
29. Установите следующие настройки анализатора спектра:


30. Включите маркеры нажатием на кнопку Markers.
31. С помощью маркера M1 исследуйте частоты гармоник, из которых состоит спектр дискретизированного сообщения.
32. Теперь с помощью этого же маркера найдите гармонику в спектре
дискретизированного сообщения, которая совпадает по частоте с исходным
сообщением.
33. Уменьшайте полосу пропускания канала до тех пор, пока на выходе декодера не начнут проявляться случайные ошибки, и посмотрите, как это влияет на спектральный состав сигнала.
Совет: Для определения уровня ошибок пользуйтесь нижним (осциллографическим) экраном анализатора.
34. Теперь намного уменьшите полосу пропускания канала и посмотрите, как изменится спектр сигнала на выходе декодера.
Контрольные вопросы.
В чем причина ошибок декодирования ИКМ сигналов?
Если бы по каналу связи передавалась речь, как проявлялись бы искажения при восстановлении сообщения?
Кривая спектра сигнала с выхода декодера на экране анализатора стала более сглаженной, т.е. в ней стало меньше выбросов и провалов. О чем это говорит?
Дополнительные гармоники воспринимаются на слух как шум. Почему они не убираются с помощью ФНЧ?
Часть B
Проанализировать с помощью осциллографа и анализатора спектра влияние ограничения полосы частот на форму цифрового сигнала.
35. Сверните окно программы анализатора спектра.
36. Полностью разберите предыдущую схему.
37. Установите виртуальный регулятор коэффициента усиления GAIN перестраиваемого ФНЧ (TUNEABLE LOW-PASS FILTER) в среднее положение.
38. Поверните виртуальный регулятор частоты среза Cut-off Frequency Adjust фильтра по часовой стрелке до упора.
39. Найдите модуль SEQUENCE GENERATOR (Генератор последовательностей) на программной панели управления DATEx и установите DIP-переключатели в положение “00”.
40. Соберите схему согласно рисунку 7.

Рисунок 7
Схема на рисунке 7 может быть представлена блок-схемой, приведенной на рисунке 8.
Цифровой сигнал формируется с помощью генератора последовательностей, выходной сигнал SYNC которого используется для внешнего запуска осциллографа, обеспечивая неподвижное изображение сигнала на экране.

41. Снова запустите осциллограф однократным нажатием на кнопку RUN на программной панели управления.
42. Установите следующие настройки осциллографа:
Trigger Source (Источник сигнала запуска) – TRIGGER (Внешний запуск) вместо CH A (Канал А)
Timebase (Масштаб по оси времени) – 1 мс/дел. вместо 500 мкс/дел.
43. Наблюдайте, что происходит в результате сужения полосы пропускания канала, которое моделируется уменьшением частоты среза c помощью виртуального регулятора Cut-off Frequency Adjust перестраиваемого ФНЧ.
44. Поверните виртуальный регулятор частоты среза Cut-off Frequency Adjustперестраиваемого ФНЧ по часовой стрелке до упора, чтобы получить максимально широкую полосу пропускания (около 13 кГц).
45. Запустите программу (VI) Function Generator (Функциональный генератор).
46. Установите частоту выходного напряжения генератора 2 кГц.
Примечание: Вам не нужно подстраивать еще какие-нибудь органы управления,
поскольку используется цифровой сигнал на выходе SYNC.
47. Внесите изменения в ранее собранную схему, как показано на рисунке 9.
Примечание: Так как частота используемого сигнала функционального генератора совпадает с частотой сигнала на выходе 2kHz DIGITAL (Цифровой сигнал частотой 2 кГц) генератора опорных сигналов (MASTER SIGNALS), изображение на экране осциллографа не должно измениться.

Рисунок 9
Схема, приведенная на рисунке 9, может быть представлена блок-схемой, изображенной на
рисунке 10. Заметим, что генератор последовательностей синхронизируется от
функционального генератора, что дает возможность перестраивать частоту синхронизации.

48. Чтобы смоделировать увеличение скорости передачи информации, увеличивайте частоту выходного сигнала функционального генератора до 50 кГц с шагом 5000 Гц.
Совет: Для удобства наблюдения цифровых сигналов при увеличении частоты
генератора нужно переключать масштаб по оси времени (Timebase) осциллографа.
Контрольные вопросы.
Назовите две причины изменения формы цифрового сигнала в канале связи.
Что еще, кроме увеличения скорости передачи, вызывает искажение цифрового сигнала в системе передачи информации?
Часть C
Восстановить цифровой сигнал с ограниченной полосой частот с помощью компаратора и исследовать, как влияют на процесс восстановления, упомянутые выше ограничения.
49. Переведите переключатель режимов управления Control Mode регулируемыми блоками питания на панели управления NI ELVIS в положение, противоположное положению MANUAL.
50. Запустите программу (VI) Variable Power Supplies (Регулируемые источники питания).
51. Нажатием на кнопку RESET (СБРОС) установите на выходе источника
положительного напряжения питания 0 В.
52. Установите масштаб по оси времени (Timebase) 1 мс/дел.
53. Отсоедините проводник от функционального генератора и приведите схему к виду, показанному на рисунке 11.

Рисунок 11
Схеме, приведенной на рисунке 11, соответствует блок-схема, показанная на рисунке 12. Для
восстановления цифрового сигнала с ограниченной полосой частот используется
компаратор из модуля UTILITIES (Вспомогательные блоки).

54. Сравните исходный и восстановленный сигналы.
55. Снова установите масштаб по оси времени 1 мс/дел.
56. Увеличивайте напряжение на выходе положительного регулируемого источника питания с шагом 0.2 В и наблюдайте, к чему это приведет.
57. Снова установите напряжение на выходе источника положительного напряжения регулируемых блоков питания 0 В.
58. Плавно сужайте полосу пропускания канала путем уменьшения частоты среза перестраиваемого ФНЧ, вращая виртуальный регулятор Cut-off Frequency Adjustпротив часовой стрелки.
Примечание: Не обращайте внимания на то, что фазовый сдвиг между сигналами будет увеличиваться.
59. Теперь расширяйте полосу пропускания до тех пор, пока сигнал на выходе
компаратора не совпадет с исходным (без учета фазового сдвига).
60. Внесите в схему изменения, как показано на рисунке 13, чтобы сравнить
восстановленный сигнал и сигнал с ограниченной полосой частот.

Рисунок 13
Контрольные вопросы.
Несмотря на то, что исходный и восстановленный сигналы почти совпадают, между ними есть различие. Вы видите его?
Можно ли пренебречь этим различием? Почему?
Почему при некоторых уровнях постоянного напряжения компаратор выдает неправильные данные?
Почему компаратор начинает выдавать неправильные данные при слишком маленькой частоте среза?
Каким образом компаратор восстанавливает цифровой сигнал с ограниченной полосой частот, если сигнал сильно искажен?