CONFERINŢA NAŢIONALĂ DE INSTRUMENTAŢIE VIRTUALĂ, EDIŢIA A V-A, BUCURE�TI, 20 MAI 2008 22

Laborator virtual de Telecomunicaţii (Modularea şi Demodularea Semnalelor)

Oros Ramona*, Jinga Vlad*; �ef Lucr. Dr.Ing. Alexandru Marian*,

Prof. Dr. Ursuţiu Doru** Universitatea Transilvania, Ingineria Electrică şi �tiinţa Calculatoarelor – Telecomunicaţii, Braşov,

România Universitatea Transilvania, Facultatea de Inginerie Tehnologica – Catedra de Fizica, Braşov, România

Abstract: Because of the technical evolution registered in the IT field during the last years, the realization of some virtual laboratories that can simulate a phenomenon or experiments that could be practically realized only under specialized laboratory environment became necessary. This thing has been proven to be very useful, first of all because of the great investment that such specialized laboratories and their instruments and equipments are implying. Eliminating these high costs, still remains one more problem: that of the access time at these new and very expensive equipments, because the number of students that can simultaneously experiment in such laboratories is a limited one. Also there is the matter of protecting these specialized equipments, bad use and the lack of knowledge can generate different problems which can be translated as material loses because of the reparation costs and the improper exploitation of the laboratory systems. The chosen solution, virtual laboratories, has a series of advantages, the most important ones being the small costs implied (a server with its maintenance, license for the used programs – Lab VIEW) and also the aspect that these virtual laboratories are limited in development and usage only by the human imagination. “An image is worth a thousand words.” Index Terms—LabVIEW, IT.

—————————— � ——————————

1. Introducere

Pornind de la premisa realizării unor laboratoare

virtuale cu utilitate în învăţământ, cu precădere în cel superior, atât cel universitar cât şi cel preuniversitar, s-a decis ca în cadrul Universităţii Transilvania, Facultatea de Inginerie Electrică şi Ştiinţa Calculatoarelor, secţia Telecomunicaţii să se demareze un astfel de proiect. Acest proiect pilot, urmează să cuprindă noţiuni cu privire la domeniul de Modulare şi Demodulare a Semnalelor, noţiuni absolut fundamentale pentru realizarea comunicaţiilor de orice fel. Se vor avea în vedere, ca subdomenii ale Modulaţiei şi Demodulaţiei Semnalelor, doar următoarele aspecte: Modulaţia Digitală şi respectiv Modulaţia Impulsurilor. În prima fază de dezvoltare a acestui proiect, s-a încercat realizarea unui număr de aproximativ două lucrări din fiecare din cele două subdomenii amintite anterior. În cadrul Modulaţiei Digitale s-au tratat lucrările cu privire la modulaţia ASK (Amplitude Shift Keying) şi respectiv FSK (Frequency Shift Keying). Din al doilea subdomeniu, Modulaţia Impulsurilor, s-au realizat lucrările cu privire la modularea şi demodularea PAM (Pulse Amplitude Modulation), PWM (Pulse Width Modulation) şi respectiv PPM (Pulse Position Modulation). S-a ales acest domeniu pentru dezvoltarea unui astfel de proiect, plecând de la premisa existenţei unui laborator dotat cu aparatura specifică realizării lucrărilor amintite anterior (Electronika Veneta Italia), în care au existat cazuri

nefericite de utilizare incorectă a echipamentelor respective, rezultând avarierea acestora. Se doreşte ca prin realizarea acestor laboratoare virtuale şi postarea lor pe un server conectat la Internet, modul de desfăşurare al laboratoarelor propriu-zise să se schimbe astfel: inainte de a se trece la realizarea practică a lucrărilor respective, studenţii să aibă obligaţia de a studia şi a-si însuşi cunoştinţele din cadrul laboratorului virtual, accesând aceste lucrări prin intermediul Internetului.

2. Modul de realizare a aplicaţiilor

Pentru realizarea acestui proiect, într-o primă etapă s-a pornit de la studierea şi documentarea cu privire la fenomenele efective de modulaţie care urmau a fi simulate. S-a trecut apoi la partea efectivă de simulare a proceselor de modulaţie pe macheta EMONA DATEx. Această machetă cu toate modulele sale suplimentare este interconectată cu platforma NI ELVIS şi cu mediul de programare al VI – urilor de tipul NI aferente Lab VIEW. Pentru realizarea de experimente pe macheta EMONA DATEx este nevoie de un kit specializat de telecomunicaţii care împreună cu platforma NI ELVIS şi programul NI Lab VIEW vor rula pe un calculator, aspect ilustrat în figura următoare (Figura 1).

R. OROS, V. JINGA, M. ALEXANDRU, D. URSUȚIU - LABORATOR VIRTUAL DE TELECOMUNICAŢII 23

Figura 1: EMONA DATEx + NI ELVIS

După înţelegerea fenomenelor ce au fost simulate pe macheta EMONA DATEx, s-a trecut la următorul pas şi anume realizarea VI – urilor cu ajutorul Lab VIEW pentru lucrările aferente. S-a preferat realizarea VI – urilor respective în cadrul programului Lab VIEW, în primul rând din cauza conjuncturii favorabile existente între Universitatea Transilvania şi National Instruments şi anume deţinerea unei licenţe de campus. Acest fapt a permis utilizarea celei mai noi versiuni Lab VIEW şi anume 8.5. De asemenea accesul către tutoriale şi informaţii de ultimă oră din acest domeniu s-a realizat extrem de facil, in baza acestei licenţe. Ca urmare a acestui fapt, am avut privilegiul de a fi invitaţi la mai multe prelegeri organizate de echipa National Instruments România, care au fost de un real folos în dezvoltarea proiectului. Ca urmare a faptului că programul de dezvoltare al VI – urilor Lab VIEW se bazează pe limbajul de tip grafic G, limbaj care este extrem de intuitiv evitand utilizarea unui limbaj de programare clasic (cum ar fi C, C++, Borland Pascan, Java, etc.), trecerea de la partea teoretică (definirea fenomenului respectiv) la partea virtuală (cea simulată în Lab VIEW) s-a realizat într-un mod mult mai lin şi mai facil. Pentru a exemplifica aspectele prezentate anterior se va folosi modulaţia de tipul ASK (Amplitude Shift Keying) drept exemplu. În primă fază s-a realizat montajul aferent schemei logice pentru această modulaţie pe macheta EMONA DATEx, schemă ilustrată în figura de mai jos (Figura 2).

Figura 2: Schemă logică modulaţie ASK

Pornim de la faptul că în cazul modulaţiei ASK avem nevoie de un semnal binar de date (semnal dreptunghiular ce poate avea valoarea zero sau unu într-un mod aleator) şi un semnal sinusoidal purtător de informaţie. Această modulaţie poate fi caracterizată astfel: semnalul rezultat reprezintă semnalul purtător de informaţie (sinusoidal) căruia i se modifică amplitudinea în funcţie de succesiunea de biţi aferentă semnalului binar de date. Astfel, când bitul de date are valoarea unu, se va transmite semnalul original purtător de informaţie, iar în cazul în care bitul de date ia valoarea zero se va elimina semnalul purtător, amplitudinea aferentă semnalului fiind zero, fapt ilustrat în cadrul Figurii 3.

Figura 3: Semnalul ASK modulat

Odată insuşite noţiunile teoretice dezbătute anterior cu privire la modulaţia ASK, s-a trecut la elaborarea programului în Lab VIEW, urmărindu-se îndeaproape algoritmul prezentat prin intermediul schemei logice (Figura 2) şi ţinându-se cont de facilităţile de programare grafică avute la dispoziţie. Totodată trebuie menţionat faptul că s-a folosit pe lângă varianta de bază Lab VIEW 8.5 Core şi opţiunea pentru realizarea şi dezvoltarea aplicaţiilor de telecomunicaţii RF and Wireless Communication. Astfel s-a ajuns la rezultatul scontat, fapt ilustrat în continuare (Figura 4).

24 CONFERINŢA NAŢIONALĂ DE INSTRUMENTAŢIE VIRTUALĂ, EDIŢIA A V-A, BUCURE�TI, 20 MAI 2008

Figura 4: Modulaţie ASK Back Panel

Folosind acelaşi algoritm şi aceeaşi paşi de evoluţie a cercetării, s-au realizat şi celelalte lucrări sub formă virtuală. Cel mai bun exemplu pentru a justifica acest lucru îl reprezintă modulaţia FSK la care schema logică este aproape identică cu cea de la modulaţia ASK, singura diferenţă fiind reprezentată de variaţia frecvenţei semnalului de ieşire în funcţie de succesiunea biţilor de date.

3. Structura laboratoarelor

Presupunând că un laborator virtual conţine o cantitate mare de informaţie care va trebui prezentată într-o formă cât mai uşor de asimilat de către studenţi, s-a optat pentru realizarea cu privire la aspectul grafic a acestor lucrări sub forma mai multor ferestre (structura Tab aferentă Lab VIEW). În fiecare fereastră existentă s-au prezentat noţiuni distincte cu privire la: obiective (obiectivele urmărite prin realizarea lucrării), noţiuni introductive (prezentarea aspectelor generale teoretice), parte matematică (prezentarea amănunţită a formelor matematice ce caracterizează semnalele), întrebări (test grilă de verificare a cunoştinţelor acumulate pe durata laboratorului), instrumente folosite (posibile instrumentele din laboratorul universităţii utilizate pentru realizarea practică a lucrării), desfăşurarea lucrării (descrierea algoritmului după care se va desfăşura lucrarea practică de laborator). Într-o primă fază incipientă a dezvoltării laboratorului virtual, pentru introducerea datelor în cadrul ferestrelor amintite anterior, s-a folosit algoritmul de citire din fişier, fapt ilustrat în Figura 5.

Figura 5: Sructura pentru citirea din fişier văzută din Back Panel

Premisa care a stat la baza folosirii acestei metode a fost reprezentată de uşurinţa cu care se putea updata informaţia aferentă acestor lucrări. Trebuie precizat faptul că programul Lab VIEW nu este utilizat şi cunoscut de către toţi profesorii Universităţii Transilvania. Astfel, avantajul major al acestei metode îl reprezenta inexistenţa contactului dintre profesorul care dorea să updateze informaţia respectivă şi programul Lab VIEW. În continuare este prezentată o astfel de fereastră realizată prin intermediul procedeului descris anterior (Figura 6).

Figura 6: Front Panel Citire din fişier

Odată cu evoluţia realizării lucrărilor s-a observat că metoda descrisă anterior nu este cea optimă în cazul în care informaţia aferentă conţine formule matematice, grafice şi uneori imagini. De asemenea trebuie precizat şi faptul că citirea din fişier se poate realiza numai prin intermediul editorului de text Notepad, care nu recunoaşte anumite caractere, nu şi prin intermediul componentei Word a lui Microsoft Office. Din această cauză de incompatibilitate, s-a renunţat la folosirea acestui procedeu şi s-a abordat ideea simplei copieri (Copy + Paste) din documentul iniţial în format Word ce conţine informaţia, direct pe interfaţa grafică a laboratoarelor (fereastra respectivă) sau intr-un string, după preferinţe. De asemenea, acelaşi procedeu este folosit şi pentru importul de imagini, fapt ilustrat în continuare (Figura 7).

R. OROS, V. JINGA, M. ALEXANDRU, D. URSUȚIU - LABORATOR VIRTUAL DE TELECOMUNICAŢII 25

Figura 7: PAM Front Panel Parte matematica Copy + Paste

Un alt aspect important în modul de structurare al ferestrelor este faptul că secţiunea Întrebări este plasată la mijlocul structurii Tab folosite, înainte de ferestrele Instrumente folosite şi respectiv Desfăşurarea lucrării, lucru prezentat în figura următoare (Figura 8).

Figura 8: Întrebări Front Panel

În acest mod, studenţii pot trece la Desfăşurarea lucrării virtuale numai după ce completează testul grilă, acesta atestând asimilarea cunoştintelor teoretice necesare în continuare. Această condiţie este realizată în Lab VIEW prin intermediul unei structuri de tip Flat Sequence ilustrată în figura de mai jos (Figura 9).

Figura 9: Întrebări Back Panel

De asemenea, prin această structură Flat Sequence se asigură şi faptul că studenţii sunt obligaţi să răspundă la întrebările respective în ordine, fără a omite un răspuns la o anume întrebare. Structura de Compound Arithmetic asigură unicitatea răspunsurilor, studenţii neavând posibilitatea să răspundă pe ghicite la întrebări, bifând toate variantele în speranţa aflării celei corecte. Indicatorul de adevărat sau fals asociat fiecărui răspuns este un led Boolean, care pentru valoare de adevăr devine Verde permanent, iar pentru Fals Roşu permanent.

4. Forma finală a laboratoarelor

Ţinându-se cont de toate aspectele prezentate anterior, s-a ajuns la o formă finală a lucrărilor de laborator. Aceste VI – uri obţinute s-au putut uploada pe Internet tot prin intermediul Lab VIEW (Tools – Web Publishing Tool…). În figura următoare (Figura10) va fi prezentată deşfăşurarea unei lucrări editată sub formă finală, respectiv PAM (Pulse Amplitude Modulation).

5. Concluzii

Prin realizarea acestui proiect pilot ce cuprinde cinci laboratoare virtuale, se doreşte creşterea calităţii învăţământului. De asemenea se urmăreşte şi diversificarea metodelor de înşuşire a cunoştintelor aferente de către studenţi, acest mod de învăţare fiind foarte apreciat în ţările dezvoltate, el reprezentând viitorul în instituţiile de învăţământ superior. “O imagine valorează cât o mie de cuvinte.”

26 CONFERINŢA NAŢIONALĂ DE INSTRUMENTAŢIE VIRTUALĂ, EDIŢIA A V-A, BUCURE�TI, 20 MAI 2008

Figura 10: PAM Front Panel Desfăşurarea lucrării

Bibliografie [1] Croitoru O., Modularea şi demodularea semnalelor – note de curs [2] Alexandru M., Croitoru O., Bazele comunicaţiilor – îndrumar de laborator [3] Doru Ursuţiu, Iniţierea în Lab VIEW – Programare grafică în fizică şi

electronică, Editura Lux Libris, 2001

[4] Fitz M., Analog Communication Theory. The Ohio State University, 2001 [5] Lathi B.P., Modern Digital and Analog Communication Systems. Third Edition, Oxford University Press, 1998 [6] http://www.labsmn.pub.ro/Academic/labview/Tutorial.html [7] http://forums.lavag.org/Download-labview-80-Now-t2123.html Marian ALEXANDRU a primit diploma de licență (1990) de la Academia Tehnică Militară din Bucureşti, în domeniul radioelectronicii şi diploma de doctor de la Universitatea Transilvania din Braşov (2005), în

domeniul ingineriei electronice şi a telecomunicaţiilor. Până în 2002 a

activat ca inginer de cercetare și cadru didactic în MApN, iar din 2002

este șef de lucrări la catedra de Electronică și Calculatoare din cadrul

Universității Transilvania. Domeniul de interes în cercetare îl reprezintă aplicaţiile comunicaţiilor digitale, reţelele wireless, localizarea în

interiorul clădirilor și laboratoarele virtuale. A publicat peste 25 de

articole, a scris o carte în domeniul telecomunicațiilor și este autorul unui brevet.

Doru URSUŢIU fizician (1974), profesor la Catedra de Fizică a Universităţii „Transilvania” din Braşov. A publicat mai mult de 120 lucrări în reviste şi conferinţe internaţionale. Coordonator sau partener în mai multe proiecte naţionale şi internaţionale (TEMPUS, Socrates, Minerva, NATO, etc.). Membru în mai multe Societăţi naţionale şi internaţionale. Organizator sau membru în Comitetul ştiinţific la mai multe conferinţe internaţionale de prestigiu. Director executiv al Centrului de Valorificare şi Transfer de Competenţă CVTC. Titularul disciplinelor de Electronică, Programare Grafică (LabVIEW), Sisteme de Achiziţie şi prelucrare a datelor, Senzori şi actuatori, Achiziţia de date şi Simularea în Chimie, etc. Ramona OROS studentă anul V, secţia Telecomunicaţii, Universitatea Transilvania Braşov Vlad JINGA student anul V, secţia Telecomunicaţii, Universitatea Transilvania Braşov