Utilizarea echipamentelor de măsurare şi testare în transmisiile de

date (Partea I)

Laborator

Versiunea 1

1. Descriere

La proiectarea sistemelor de transmisii de date precum şi la diagnosticarea lor sunt utilizate

echipamente corespunzătoare. Dintre acestea se pot enumera osciloscoape, generatoare de semnal,

generatoare de funcţii (arbitrare), analizoare de spectru, analizoare de reţea, analizor logic etc. În

cadrul laboratorului de transmisii de date se vor folosi osciloscoape digitale, generatoare de funcţii

arbitrare precum şi un analizor de spectru în timp real. Laboratorul prezent îşi propune familiarizarea

cu operarea a două dintre aceste echipamente, şi anume osciloscopul digital şi generatorul de

funcţii. Pentru acesta s-a utilizat mediul de simulare Multisim (National Instruments). De reţinut că

este important înţelegerea funcţionalităţilor oferite de aceste echipamente, a principiului de

funcţionare şi nu învăţarea modelului de echipamentului în sine.

2. Obiective

� Familiarizarea cu utilizarea osciloscopului digital şi a generatorului de funcţii.

3. Ar trebui ştiut:

� Parametrii caracteristici semnalelor de tip sinusoidal şi dreptunghiular.

� Noţiunea de spectru al unui semnal.

4. Breviar teoretic

Spectrul unui semnal reprezintă transformata Fourier a acestuia. Un mode de evaluare a

transformatei Fourier pentru semnale discrete (ca cele pe care le achiziţionează un osciloscop

digital) este transformata Fourier rapidă (Fast Fourier Transform – FFT).

Modulul transformatei Fourier a unui semnal sinusoidal real de frecvenţă f constă din două impulsuri

Dirac în dreptul lui f şi –f.

Reprezentarea în frecvenţă a semnalelor discrete ţine cont de frecvenţa de eşantionare folosită.

5. Procedură

Se dă cadrul de simulare din figura 1 în care s-au folosit un osciloscop digital (TDS 2024) asemănător

celor folosite în laborator, un generator de funcţii arbitrare (Agilent 33120A), un generator de funcţii

virtual şi un generator de cuvinte logice.

Interfaţa osciloscopului şi cea a generatorului de funcţii este prezentată în figura 2. Pentru următorii

paşi se recomanda consultarea manualelor de utilizare corespunzătoare.

În continuare se prezintă o procedură comună tuturor participanţilor urmând ca aceasta să fie

repetată individual de fiecare student utilizând valorile parametrilor ce i-au fost atribuite. Astfel, la

fiecare pas realizat se vor captura ecranele care să evidenţieze respectivii parametrii sau valori

cerute.

Figura 1. Montajul pentru laborator

Figura 2. Interfaţa generatorului de funcţii (sus) şi a osciloscopului (jos)

5.1. Generarea şi măsurarea parametrilor semnalelor sinusoidale

1. Se realizează schema din figura 1.

2. Se pornesc XFG1 şi XSC1 de la butonul Power fără însă a porni simularea.

3. Se setează generatorul de funcţii pentru a genera un semnal sinusoidal cu f1= 2khz şi A1=5

Vpp.

4. Se porneşte simularea.

5. Se configurează osciloscopul astfel încât indice clar o perioadă a sinusoidei pe canalul 1 (axa

orizontală 200us/div, axa verticală: 1V)

6. Cum semnalul de la intrarea în osciloscop variază continuu, osciloscopul va baleia periodic

imaginea pe orizontală în funcţie de baza de timp şi de setările semnalului pentru

declanşarea sincronizării (eng. Trigger – meniul TRIGGER). Pentru a se garanta o imagine

staţionară se utilizează opţiunea (butonul) SINGLE SEQ.

7. Acestui semnal i se pot măsura parametrii în două feluri. Primul este utilizarea unui cursor

(butonul CURSOR). Se poate alege între măsurarea pe axa orizontală (timp) şi cea verticală

(tensiune). Prin poziţionarea din rotiţe a celor două cursoare se fac determinările dorite.

8. Altă metodă de măsurare este utilizarea funcţiei „Measure” (Butonul MEASURE).

9. Se opreşte simularea.

10. Se setează generatorul de semnal XFG2 pentru un semnal sinusoidal cu f2=3khz şi A2=1Vpp .

11. Se porneşte simularea. Atenţie la comutarea între SINGLE SEQ şi RUN/STOP.

12. Se afişează şi canalul 2 (Butonul CH2 MENIU). Prin apăsarea succesivă a butonul, canalul

corespunzător apare şi dispare.

13. Se măsoară parametrii corespunzători semnalului de pe canalul 2 cu cele două metode

prezentate (se elimină semnalul de pe canalul 1). Se va folosi o bază de timp de 100us/div şi

Trigger pe ch2 cu nivelul corespunzător.

14. Se revine la afişarea celor două canale (CH1 şi CH2) şi se deplasează poziţia lor pe verticală

astfel încât să se obţină figura de mai jos.

15. Se revine la poziţia iniţială şi se introduce un semnal matematic obţinut din sumarea celor

două canale (butonul MATH MENIU)

16. Se reprezintă spectrul semnalului de pe canalul 2 utilizând funcţia FFT. Se observă scara

verticală având dB/div iar pe axa orizontală se află Hz. Modificându-se axa orizontală se

schimbă perioada de eşantionare şi astfel reprezentarea. Se observă impulsul Dirac în

dreptul frecvenţei de 3kHz. În funcţie de necesităţi se utilizează o perioadă de eşantionare

mai mică (frecvenţă de eşantionare mai mare – corespunzătore teoremei de eşantionare), se

capturează semnalul (în simulare prin oprirea acesteia) iar prin utilizarea poziţiei orizontale

şi a SEC/DIV se poate detalia intervalul de frecvenţe dorit.

5.2. Generarea şi măsurarea parametrilor semnalelor dreptunghiulare

1. Se configurează XFG1 pentru un semnal dreptunghiular cu f3=2khz, A3=4.5Vdc,

Offset=A3/2=2.25Vdc şi Factor de umplere (Duty cycle) = 70%.

2. Se vor măsura parametrii respectivi pe osciloscop conform celor două metode (se vor ataşa

capturile de ecran corespunzătoare).

3. Se afişează spectrul conform setărilor de mai jos. Se observă componente la toate

frecvenţele. Se comută FFT pe CH2 pentru a vedea diferenţă (pe CH2 se află o sinusoidă de

frecvenţă 3kHz).

4. Se setează factorul de umplere la 50% şi se observă spectrul. Se schimbă scara

corespunzător ca în figura de mai jos (dreapta) precum şi fereastra folosită (Hanning). Se

observă impulsurile care apar la frecvenţe multiplii impari ai frecvenţei fundamentale

(f3=2khz, astfel rezultă 2,6,10,14,16). (Pentru acasă!!! Demonstraţi matematic rezultatul

obţinut aplicând transformata Fourier unui semnal dreptunghiular).

5.3. Vizualizarea unui şir de biţi trimis serial

1. Se configurează XWG1 astfel încât să producă la ieşire pe pinul 31 şirul de biţi 0100110 cu

frecvenţa f4 = 1khz (pentru partea individuală se va folosi şirul de biţi primit la laboratorul

anterior).

2. Se porneşte simularea şi se afişează semnalul de pe canalul 3 (CH3) făcând setările necesare

osciloscopului.

3. Se va pune în evidenţă perioada şirului de biţi ca în figură (se ştia că sunt 8 biţi, fiecare cu o

durată de 1ms).

4. Atunci când şirul de biţi este mai lung şi nu poate fi evidenţiat clar pe ecranul osciloscopului

se poate utiliza funcţia de memorare a osciloscopului. În funcţie de capacitatea de

memorare pe care acesta o are se pot face setările necesare pentru achiziţia semnalului. O

variantă pe care acest modelul de osciloscop o are este de a utiliza o singură achiziţie

(SINGLE SEQ) corespunzătoare unei durate mai mari (SEC/DIV mare) iar apoi „dilatarea”

offline a intervalului utilizând SEC/DIV si deplasarea pe orizontală (rotiţa de poziţie).

Revenirea la poziţia orizontală iniţială se poate face cu butonul SET TO ZERO.

5. Se reprezintă spectrul semnalului digital cu FFT. Se poate evidenţia o asemănare cu graficul

RMS obţinut în laboratorul precedent?

6. Se observă că deşi semnalul dreptunghiular este format din biţi emişi cu o frecvenţă de 1khz,

lăţimea de banda pe care semnalul o ocupă (diferenţa între frecvenţa maximă şi cea minimă

unde modulul spectrului este diferit de zero) este de peste 60khz. Dacă se măreşte

amplitudinea semnalului dreptunghiular (deci puterea) atunci şi banda va creşte. Se poate

observa ca mărirea nivelului de tensiune pentru valoarea 1 logic la 10V, banda depăşeşte

100khz (maximum cât arată osciloscopul simulat). O concluzie s-ar putea desprinde de aici

cum că un astfel de mod de transmisie pe canale partajate (există mai mulţi utilizatori ai

canalului cum este cazul mediului radio sau cablului TV şi de telefonie) nu este eficient.

Singurul mod de partajare (multiplexare în termenii acestui curs) este folosirea pe rând

(multiplexare în timp – Time Division Multiplexing - TDM).

7. O variantă pentru a transmite totuşi şi prin partajarea în frecvenţă a canalului (multiplexare

cu divizarea frecvenţei – Frequency Division Multiplexing - FDM) este, spre exemplu, FSK

(Frequency-Shift Keying) prin care unui simbol 1 logic i se asociază o frecvenţă (f50 = 2khz) iar

unui simbol 0 logic i se asociază altă frecvenţă (f51 = 100hz). Să se configureze generatorul

XFG1 pentru ilustrarea acestei tehnici.

8. Sa se reprezinte spectrul semnalului modulat FSK. Se poate observa ca banda ocupată nu

mai este aşa mare. Chiar şi prin creşterea puterii semnalului, banda nu se măreşte atât de

semnificativ ca în cazul precedent.

9. Să se ilustreze FSK pentru f60 = 20khz şi f61 = 10khz.

10. Să se ilustreze FSK pentru f70 = 50khz şi f71 = 40khz comparativ cu cazul anterior (se va folosi

o scală de 10khz/div). Astfel se poate observa că cele două semnale nu se vor amesteca dacă

vor fi trimise prin acelaşi mediu.

În continuare să se repete procedura dar cu coeficienţii individuali!

Temă pentru acasă

1. La pasul 5.3.3 să se evidenţieze componenta continuă (valoarea medie).

2. Să se implementeze şi să se ilustreze (paşii 5.3.1 – 5.3.4) codarea Manchester

corespunzătoare şirului de biţi propriu.

Pentru punctaj bonus:

3. Să se implementeze in Multisim o schemă care modulează FSK utilizând 2 generatoare de

tipul celui identificat in figura 1 prin XFG2 (se poate şi cu unul singur), un generator de

cuvinte şi circuite discrete ce pot fi simulate.

4. Fie sp1(t) semnalul sinusoidal corespunzător nivelului 1 logic (având frecvenţa fp1) şi sp0(t)

semnalul sinusoidal corespunzător nivelului 0 logic (cu fp0). De asemenea, fie u(t) semnalul

conţinând şirul de biţi precum cel ilustrat la punctul 5.3.2. Cerinţa anterioară se poate

rezolva prin realizarea operaţiei u(t)*sp1(t) + (1-u(t))* sp0(t). Încercaţi să implementaţi această

schemă caz în care între u(t) şi circuitul care face operaţia de mai sus să folosiţi un filtru trece

jos menit să elimine discontinuităţile lui u(t) (în practică acest filtru poartă numele de filtru

Gausian). Faceţi o analiză intre spectrele semnalului modulat FSK, cu şi fără filtrul anterior

menţionat.