Politechnika Opolska
Wydział Elektrotechniki, Automatyki i Informatyki
Instytut Automatyki i Informatyki
Laboratorium Elektroniki
Modulacja Delta
Laboratorium elektroniki
Modulacja delta
Politechnika Opolska
-2-
Strona pusta
Laboratorium elektroniki
Modulacja delta
Politechnika Opolska
-3-
MODULACJA l DEMODULACJA DELTA
(wkładki: DM211A i DM211B)
1. WSTĘP
Telekomunikacja jako dziedzina techniki ujmuje problemy związane z przekazywaniem
informacji od jej źródła do odbiorcy. Informacja zawiera się w zmianach pewnych wielkości
fizycznych, które zamieniane są na proporcjonalne zmiany napięcia lub prądu elektrycznego.
Uzyskany przebieg elektryczny nazywamy sygnałem elektrycznym. Modulacja jest jednym z
procesów jakim są poddawane sygneły w czasie ich transmisji. System telekomunikacyjny
składa się z
nadajnika, kanału telekomunikacyjnego i odbiornika. Nadajnik systemu zawiera
modulator i układ wyjściowy. Układ wyjściowy może zawierać np.: wzmacniacz nadawczy lub
transkoder. Głównym elementem kanału jest tor przewodowy lub bezprzewodowy. Układ
odbiorczy składa się z układu wejściowego i demodulatora. Układ wejściowy zawiera
wzmacniacz lub regenerator i dekoder kodu transmisyjnego.
Modulacje stosowane w telekomunikacji podzielić można na:
1. cyfrowe
a) PCM - modulacja kodowo-impulsowa;
b) DPCH - modulacja różnicowa kodowo-impulsowa;
c) DM - modulacja delta;
d) dyskretyzacja parametryczna (analiza-synteza).
2. analogowe
a) modulacja kąta:
- FM - modulacja częstotliwości;
- PM - modulacja fazy.
b) modulacje impulsowe:
- PAM – modulacja wysokości impulsów;
- PDM – modulacja szerokości impulsów;
- PPM – modulacja położenia impulsów.
c) modulacje amplitudy:
- SSS – jednowstęgowa modulacja amplitudy;
- DSB-AM – dwuwstęgowa modulacja amplitudy;
- DSBSC – dwuwstęgowa modulacja amplitudy bez fali nośnej;
- VSB – modulacja amplitudy z częściowo wytłumioną falą nośną.
Ćwiczenie dotyczy układów modulacji cyfrowej, a ściślej układu modulacji delta, który
jest szczególną odmianą DPCM. Jak wynika z nazwy modulacja DPCM (
Differential Pulse Code
Modulation
) umożliwia wyłonienie i przesłanie jedynie wskaźnika różnicy między próbkami, a nie
całej próbki. W ten sposób nie jest przesyłany nadmiar informacji, natomiast nadajnik i
odbiornik muszą w celu odtworzenia sygnału przechowywać w pamięci jego poprzednią próbkę
(albo próbki). Przykładowa realizacja DPCM jest przedstawiona na rys. 1. Na rys. 1a pokazano
schemat blokowy systemu, a rys. 1b wyjaśnia jego działanie. Zarówno nadajnik, jak i odbiornik
przechowują w pamięci poprzednią próbkę i stosują ją w pętli sprzężenia zwrotnego do
zintegrowania z sygnałem różnicowym przesyłanym dla uzyskania nowej próbki. Metody DPCM
pozwalają zaoszczędzić jeden bit z 8-bitowej próbki wymaganej w pełnym systemie PCM.
Rozwinięcie DPCM do brania pod uwagę trzech ostatnich próbek, mogłoby zwiększyć tę
oszczędność do 2 bitów zmniejszając wymaganą przepływność z 64 do 48 kb/s.
Modulacja delta jest powszechnie stosowana w łączności wojskowej i również w
telefonii prywatnej. W modulacji tej stosowany jest tylko jeden bit sygnału różnicowego dla
każdej próbki, a przesyłanym sygnałem jest 0 lub 1 określający polaryzację próbki różnicowej.
Wartość 0 lub 1 informuje czy sygnał zwiększył się czy zmniejszył w stosunku do poprzedniej
próbki. Przybliżenie do sygnału wejściowego jest utworzone w drodze sprzężenia zwrotnego
przez kroczenie w górę o jeden poziom kwantowania dla 1, i jeden w dół - dla 0. Tak więc
odbierany sygnał podąża schodkowo za sygnałem nadawanym jak to pokazano na rys. 2.
Laboratorium elektroniki
Modulacja delta
Politechnika Opolska
-4-
DPCM wprowadza właściwy tej modulacji szum kwantyzacji, co przedstawiono na rys. 2.
Przeciążenie zbocza występuje wtedy, gdy sygnał w stosunku do zastosowanej częstotliwości
próbkowania zmienia się zbyt szybko i próbkowanie nie nadąża za tymi zmianami. Zauważyć
można, że przeciążenie zbocza wystąpi przy tej samej częstotliwości co maksimum sygnału i
dlatego jest w znacznej mierze zamaskowane przez ten sygnał. Szum ziarnisty spowodowany
nieodfiltrowaniem pozostałości "przestrzałów" i "podstrzałów" jest ciągły przy danej
częstotliwości próbkowania i podobny do zwykłego szumu kwantyzacji. Niezbędny jest
kompromis miedzy małymi rozmiarami kroków próbkowania (niski szum ziarnisty, większe
przeciążenie zbocza),
a dużymi.
a)
b)
Okres
próbkowania
Zawartość
Rejestru T
Słowo kodowe
w linii
Zawartość
Rejestru R
1
A-y
A-y
A-y+x=A+v
2
B
B-(A+v)
B-
(A+v)+v=B-
A
3
C
C-B
C-B+B-A=C-
A
4
D
D-C
D-A
5
E
E-D
E-A
6
F
F-E
F-A
Rys. 1. Implementacja a) i zasada działania b) modulacji cyfrowej różnicowej DPCM
Modulacja delta zapewnia jakość równoważną z pełni kodowanym systemem PCH, ale
przy przepływnościach mniejszych przynajmniej o połowę niż przepływność PCM (64 kb/s).
Usługi oferowane przez British Telecom w sieci prywatnej zawierają tzw. Kilostream - to jest
dostęp 64 kb/s dla prywatnej fonii i transmisji danych. Kanał foniczny w tym systemie jest
kodowany z użyciem modulacji delta i zajmuje 32 kb/s z dostępnej przepływności binarnej.
2. OPIS TECHNICZNY BADANYCH UKŁADÓW
2.1 Modulator różnicowy (wkładka DM211A)
Schemat modulatora różnicowego został przedstawiony na rys. 3. Modulator składa się
ze wzmacniacza-komparatora U1 (ULY774), generatora sygnału zegarowego U2 (UCY74123),
przerzutnika synchronicznego D - układ U3, U4 (UCY7400) oraz integratora na tranzystorach
T3-T5 (UL1111) i T2. Strona czołowa wkładki posiada trzy gniazda BNC: gniazdo wejściowe
"input" i podwójne gniazdo wyjściowe "output".
Laboratorium elektroniki
Modulacja delta
Politechnika Opolska
-5-
Rys. 2. Zasada realizacji modulacji delta
Sygnał wejściowy z gniazda "input" poprzez kondensator C1 zostaje doprowadzony do
wejścia nieodwracającego komparatora U1. Jego wyjście połączone jest poprzez ogranicznik na
tranzystorze T1 z wejściem sygnałowym przerzutnika "D" (wyzwalanego poziomem) z bramek
NAND układu U3, U4. Sygnał zegarowy przerzutnika jest pobierany z układu U2 - przerzutnika
astabilnego. Wyjście "Q2" przerzutnika jest wyjściem modulatora, natomiast wyjście "Q1" jest
połączone z tranzystorem T3 kluczującym integrator z kondensatorem C4 i źródłami prądowymi
T2 i T5. Napięcie z kondensatora C4 podawane jest na wejście odwracające komparatora U1.
Częstotliwość sygnału zegarowego wynosi ok. 50 kHz. Na płytce modulatora umieszczony jest
punkt pomiarowy PP (zaznaczony na rys. 3) do pomiaru napięcia na kondensatorze C4
integratora.
2.2. Demodulator różnicowy (wkładka DM211B)
Rys. 4 przedstawia schemat ideowy demodulatora różnicowego. Zbudowany jest on z
przerzutnika asynchronicznego "D" układu U1 (UCY7400), integratora w układzie źródeł
prądowych T6-T9 (UL1111) i kondensatora C8, wtórnika wyjściowego U2 (ULY7741) i
dolnoprzepustowego filtra aktywnego VCVS w układzie U3 (ULY7741).
Strona czołowa wkładki zawiera trzy gniazda BNC: gniazdo wejściowe "input" oraz
gniazda wyjściowe "outputs" 1 i 2 do obserwacji sygnałów zdemodulowanych odpowiednio
przed i za. filtrem wyjściowym demodulatora.
Sygnał z gniazda "input" steruje poprzez przerzutnik separujący "D" tranzystor T6,
kluczujący integrator T7-T9 z kondensatorem C8. Sygnał z kondensatora integratora poprzez
wtórnik napięciowy U2 podawany jest na wyjście 1 układu oraz na wejście filtra U3. Jego
wyjecie jest drugim wyjściem demodulatora. Parametry filtra są następujące: f
gr
=5 kHz/-
12dB/okt., tłumienie sygnału zegarowego ok. 35 dB.
Laboratorium elektroniki
Modulacja delta
Politechnika Opolska
-6-
+5V
+5V
+5V
+5V
+5V
+5V
+5V
+5V
+5V
U1A
7400
1
2
3
U1A
7400
1
2
3
U1A
7400
1
2
3
U1A
7400
1
2
3
U1A
7400
1
2
3
U2
UL1111
T600
R2
U?
LF357
+
-
3
2
6
7
1
4
5
U?A
74LS123
CEXT
14
REXT/CEXT
15
A
1
B
2
CLR
3
Q
13
Q
4
U?A
74LS123
CEXT
14
REXT/CEXT
15
A
1
B
2
CLR
3
Q
13
Q
4
C?
CAP
D?
DIODE
C2
R2
C2
R2
C1
R2
R2
R2
R2
U1A
7400
1
2
3
Q1
BC177
Q2
BC177
U2
T70
U2
T90
R3
100k
R3
100k
U2
UL1111
T6000
R2
R2
C1
Output
Input
Rys. 3. Schemat ideowy modulatora
+5V
+5V
+1 5V
+1 5V
+15V
U 1A
7400
1
2
3
U 1B
7400
4
5
6
U 1D
7400
12
13
11
U3
LF3 57
+
-
3
2
6
7
1
4
5
U4
LM741
+
-
3
2
6
7
1
4
5
Q1
B C177
R1
U2
UL1111
T6
R2
C1
R3
10 0k
U2
T7
U2
T9
Q2
B C177
R4
470k
R5
C2
C8
1 0p
R6
R8
R7
C4
R9
Input
O ut put
Rys. 4. Schemat ideowy demodulatora
Laboratorium elektroniki
Modulacja delta
Politechnika Opolska
-7-
Rozmieszczenie elementów na płytkach modulatora i demodulatora zostało przedstawione na
rys. 5.
a) rozmieszczenie elementów na płytce modulatora
b) rozmieszczenie elementów na płytce demodulatora
Rys. 5. Rozmieszczenie elementów wkładek DM211A i DM211B
3. WYKAZ APARATURY POMOCNICZEJ
Do wykonania ćwiczenia potrzebne są następujące przyrządy pomiarowe:
-
generator G-432 (G-430);
-
częstościomierz cyfrowy PFL-21;
-
woltomierz V-541 lub V-543;
-
miernik zniekształceń PMZ-11;
-
przełącznik dwukanałowy SN4211.
4. OBLICZENIA WSTĘPNE I PROJEKTOWE
-
zaprojektować schemat połączeń z wykorzystaniem ww. przyrządów pomiarowych i
układów funkcjonalnych;
-
określić rodzaj przebiegów w poszczególnych punktach pomiarowych (wejściach i
wyjściach) oraz zakres ich napiąć i częstotliwość.
Laboratorium elektroniki
Modulacja delta
Politechnika Opolska
-8-
5. OBSERWACJE l POMIARY
-
zmierzyć zakres częstotliwości i napięcia wejściowego modulatora różnicowego;
-
zmierzyć przebieg napięcia trójkątnego na kondensatorze C5, ocenić jego liniowość
i amplitudę w zależności od sygnału wejściowego;
-
zmierzyć przebieg wyjściowy modulatora, ocenić jego parametry dynamiczne;
-
zmierzyć charakterystykę U
wy
=f(f
we
) demodulatora, określić optymalny zakres
częstotliwości wejściowych;
-
zestawić tor z modulacją różnicową, zmierzyć przebiegi w poszczególnych punktach,
określić pasmo przenoszenia i zniekształcenia.