Основы цифровой обработки сигналов

Министерство образования и науки Российской Федерации

Саратовский государственный технический университет

ЛАБОРАТОРНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ОСНОВ ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ

Методические указания к лабораторным работам по дисциплинам «Оптоволоконные линии в системах связи»,

«Сети и системы мобильной связи», «Устройства приема и преобразования сигналов» для студентов специальностей

210700.62 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи»,

210601.65 «Радиоэлектронные системы и комплексы»,

210404.65 «Многоканальные телекоммуникационные системы»

Одобрено редакционно-издательским советом Саратовского государственного технического университета

Саратов 2014

1

ВВЕДЕНИЕ

В методических указаниях сформулированы цели лабораторных работ, приведено описание лабораторной установки, порядок выполнения лабораторных работ, содержание отчета по ним и представлены контрольные вопросы, на которые должен ответить студент при подготовке к вы-

аналоговых и цифровых системах передачи информации. Изучаются процессы дискретизации аналоговых сигналов во времени и квантования по уровню, исследуются устройства кодирования и декодирования сигналов. Рассматриваются принципы формирования группового сигнала, методы разделения каналов, анализируются процессы восстановления сигнала в многоканальных системах передачи.

При выполнении работ студенты должны обладать базовым уровнем знаний по математике, физике и электротехнике, а также навыками работы с мультиметром (тестером) и осциллографом, полученными при выполнении лабораторных работ по дисциплинам «Физика» и «Основы теории цепей».

При подготовке к выполнению каждой лабораторной работы студент должен:

изучить соответствующие теоретические разделы по рекомендуемой преподавателем литературе;

изучить правила техники безопасности при работе с приборами

иустройствами;

ознакомиться с методикой выполнения лабораторных работ;

изучить описание лабораторного комплекса;

составить схемы и таблицы для записей результатов работ. Проверка готовности студента к выполнению работ проводится

преподавателем при личном опросе, в ходе которого проверяется знание студентом основных теоретических сведений и порядка выполнения работы.

При проведении лабораторных работ студент должен собрать схему, предъявить ее лаборанту или преподавателю и только после их разрешения выполнять лабораторные работы согласно методическим указаниям.

После завершения работ все органы управления стендом переводятся в исходное положение, а результаты работ предъявляются для проверки преподавателю.

Студенту запрещается:

самостоятельно устранять неисправности;

открывать корпуса приборов и устройств;

класть посторонние предметы на рабочие места;

2

включать и выключать приборы и устройства, не относящиеся

квыполняемому заданию;

участвовать в работах, выполняемых другими студентами на своих

местах.

По каждой лабораторной работе студент составляет отчет, который должен содержать схемы измерений, результаты исследований и расчетов в виде таблиц и графиков с необходимыми пояснениями и выводами. Отчет по лабораторной работе приводится на листах формата А4 на одной стороне листа.

ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО КОМПЛЕКСА

Лабораторный комплекс состоит из лабораторной станции «National Instruments (NI) ELVIS II» (далее по тексту – ELVIS) и панели «Emona DATEx» (далее по тексту – DATEx), являющейся практикумом по основам радиотехники и телекоммуникации. Панель DATEx содержит специализированные функциональные блоки связи и телекоммуникаций.

Лабораторная станция ELVIS представляет собой программноаппаратный комплекс, предназначенный для проведения лабораторных работ по общетехническим и специальным дисциплинам. Объединение аппаратных средств и программного обеспечения NI LabVIEW, NI ELVISmx, NI Circuit Design Suite делает лабораторную станцию ELVIS универсальной экспериментальной контрольно-измерительной платформой.

Аппаратная часть лабораторного комплекса (см. рис. 1) включает:

–лабораторную станцию ELVIS II;

–панель DATEx (см. рис. 2), установленную в ELVIS II;

–персональный компьютер.

Рис. 1. Общий вид лабораторного комплекса

Панель DATEx состоит из набора функциональных блоков, называемых модулями, которые студенты могут соединять друг с другом, чтобы

3

реализовывать различные блок-схемы. На рис. 3 показан пример соответствия блоков блок-схемы с отдельными функциональными модулями панели DATEx. В дальнейшем будут даваться описания подключений для используемых модулей в контексте каждой работы.

Подключение сигналов осуществляется проводниками со штекерными разъемами (типа «банан» диаметром 2 мм) и гнёздами для разъёмов, расположенных на панели DATEx. Для подключения к входам осциллографа (CH 0 и CH 1) и к выходу генератора (FGEN) предусмотрены кабели с байонетным разъёмом типа BNC.

Рис. 2. Панель «Emona DATEx»

Рис. 3. Модули и блок-схемы

Гнезда, расположенные слева на модулях (блоках) – входы. Все входы обладают высоким импедансом, 10 кОм или 50 кОм в зависимости от типа модуля, это уменьшает эффект, который может возникнуть при подключении или отключении источников сигналов.

4

Гнезда, расположенные справа на модулях (блоках) – выходы. Все аналоговые выходы имеют низкий импеданс – как правило, 330 Ом. Это необходимо, чтобы уменьшить эффект, возникающий при подключении или отключении нагрузки. Цифровые выходы, как правило, обладают сопротивлением 47 Ом.

Входы и выходы доступные для NI ELVIS расположены слева на панели (см. рис. 2).

Круглые гнезда «» предназначены только для аналоговых сиг-

налов. Размах амплитуд (peak-peak) аналоговых сигналов ограничивается диапазоном опорных уровней 4 В (± 2 В). Круглые гнезда «» с обозначением GND относятся к цепи «Общий» или заземлению схемы.

Квадратные гнезда «» предназначены только для цифровых сигналов. Уровни цифровых сигналов соответствуют уровням ТТЛ (+5 В).

Регуляторы на панели не имеют градуировочных отметок, т.к. студенты настраивают и регулируют изучаемые системы путем наблюдения

иизмерения сигналов. Это помогает студенту намного лучше понимать суть операций, выполняющихся в реальных системах.

DATEx работает в 2-х режимах: MANUAL (ручное управление)

иPC-CONTROL (под управлением компьютера)

Для работы в режиме ручного управления переведите переключатель в положение MANUAL – состояние всех регуляторов и переключателей будет изменяться вручную.

Для программного управления при помощи NI LabVIEW переведите переключатель в положение PC-CONTROL. В этом режиме управление всеми регулировками и состояниями осуществляется с помощью программных панелей управления или виртуальных приборов (ВП) системы DATEx. Функциональные блоки: сумматор, усилитель, ИКМ кодер, фазовращатель, генератор последовательностей, перестраиваемый ФНЧ и генератор парных импульсов, снабжены регулирующими органами управления, потенциометрами или переключателями. Каждым из этих органов управления можно независимо управлять из программы LabVIEW для коммутаций в системе и настройки.

ВИРТУАЛЬНЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

Виртуальные измерительные приборы (ВП) используются для управления аппаратными средствами ELVIS с помощью лицевых панелей

(Soft Front Panels – SFPs), созданных в LabVIEW (см. рис. 4).

Рис. 4. Окно запуска измерительных приборов

5

1.Цифровой мультиметр (Digital Multimeter – DMM).

2.Осциллограф (Oscilloscope – Scope)

3.Функциональный генератор (Function Generator – FGEN)

4.Регулируемые источники питания (Variable Power Supplies –

VPS)

5.Анализатор частотных характеристик (Bode Analyzer)

6.Анализатор спектра (Dynamic Signal Analyzer – DSA)

7.Генератор сигналов произвольной формы (Arbitrary Waveform Generator – ARB)

8.Цифровой ввод данных (Digital reader – DigIn)

9.Цифровой вывод данных (Digital writer – DigOut)

10.Анализатор импеданса (Impedance Analyzer)

11.Анализатор вольтамперной характеристики двухполюсников

(Two-Wire Current Voltage Analyzer)

12.Анализатор вольтамперной характеристики трехполюсников

(Three-Wire Current Voltage Analyzer)

Необходимо помнить, что:

–некоторым виртуальным приборам (генератор, осциллограф и анализатор спектра) необходимо время для правильной генерации и отображения сигналов. Поэтому снимать показания с осциллографа и анализатора спектра необходимо тогда, когда значения сигналов по ординате наблюдаемых графиков соответствуют логике вашего эксперимента или когда нет переходных процессов при анализе параметров установившихся гармонических сигналов;

–приборы осциллограф и анализатор спектра не могут отображать параметры исследуемых сигналов одновременно, т.к. используют одни и те же ресурсы лабораторного комплекса.

Цифровой мультиметр (DMM)

DMM (рис. 5) предназначен для измерений следующих электрических величин: напряжение постоянного и переменного тока, силу постоянного и переменного тока, сопротивление, ёмкость и индуктивность. Мультиметр позволяет также проверять диоды и целостность проводников. Эти режимы выбираются при помощи элементов управления Function (Функция) на лицевой панели виртуального прибора.

Три разъема штекерного типа (V , А и COM) цифрового мультиметра расположены сбоку на станции ELVIS. Для измерения постоянного и переменного напряжения, сопротивления, характеристик диода, электропроводности используются разъемы V и COM. Для измерения силы постоянного и переменного тока используются разъемы A и COM.

Цифровой мультиметр позволяет проводить измерения в ручном или автоматическом режиме (Mode).

6

Функциональный генератор (FGEN)

С помощью ручек, расположенных на передней панели, можно выбирать форму сигнала (синусоидальный, пилообразный или треугольный), амплитуду, частоту, а также смещение (offset). Прибор позволяет генерировать амплитудно- и частотно-модулированные колебания.

Управление основными параметрами генератора (частота, амплитуда, тип сигнала) может осуществляться как программно, так и в ручном режиме с помощью переключателей и ручек, расположенных на лицевой панели рабочей станции.

Функциональный генератор может работать в ручном режиме (Manual Mode). Для этого необходимо установить флажок в окне Manual Mode (расположено в левой нижней части передней панели). Ручки управления функциональным генератором расположены в правой части рабочей станции (рис. 7). Ручкой «Frequency» регулируется частота генерируемого сигнала, а ручкой «Amplitude» – его амплитуда. В ручном режиме можно получить только гармонический сигнал. Выход генератора может быть подключен либо к BNC коннектору FGEN / TRIG рабочей станции либо к выводу FGEN монтажной панели. Выводы AM и FM представляют аналоговые входы для амплитудной и частотной модуляции сигнала генератора.

Рис. 7. Функциональный генератор

Регулируемые источники питания (VPS)

Регулируемый источник питания (рис. 8) позволяет установить положительное выходное напряжение в пределах от 0 до +12 В и отрицательное выходное напряжение в пределах от -12 до 0 В.

8

Анализатор спектра (DSA)

Прибор реализует функции анализатора спектров. Изображение передней панели анализатора показано на рис. 10.

Диапазон частот анализатора равен 625 кГц. Измерения могут производиться в непрерывном или однократном режиме.

Прибор поддерживает функции фильтрации и усреднения сигналов, а также измерения параметров THD и SINAD.

Рис. 10. Анализатор спектра

Генератор сигналов произвольной формы (ARB)

С помощью этого прибора можно получать различные аналоговые сигналы (рис. 11). Пользователь может сформировать сигнал требуемой формы с помощью редактора Waveform Editor.

Поскольку рабочая станция имеет два выхода на монтажной плате AO 0 и AO 1, одновременно можно сформировать два сигнала различной формы.

Канал AO 0 используется также для подачи входного напряжения на вывод BASE анализатора характеристик биполярных транзисторов.

Рис. 11. Генератор сигналов произольной формы

10