Lab 1 Analog modulation

Transkript

1 2 Lab-PM för TSEI67 Telekommunikation Lab 1 Analog modulation Med Simulink kan man som sagt bygga upp ett kommunikationssystem som ett blockschema, och simulera det. Ni ska i denna laboration inledningsvis vänja er vid miljön med några enkla övningar. Sedan ska ni studera amplitud- och vinkelmodulation. Instruktionernaiintroduktionenärmycketdetaljerade, medande ärmerkortfattadei den fortsatta delen av detta PM. Ladda ner följande filer från kurswebben till er lab-katalog: Ljud12.mat amradio1.mdl amradio2.mdl fmradio1.mdl fmradio2.mdl lab1blocks.mdl 1.1 Introduktion till Simulink Starta Matlab. Det kan ta ett litet tag. Använd sedan förslagsvis fil-bläddraren till vänster i fönstret för att gå till er lab-katalog. Där kommer de filer ni skapar att hamna. Det går också att använda sig av det Unix-inspirerade kommandot cd för att byta aktuell katalog. Man kan använda kommandotpwd för att ta reda på var man står och kommandot ls för all lista innehållet i aktuell katalog. Starta Simulink Skriv följande vid Matlabs interaktiva pront: simulink Detta startar Simulink och öppnar ett fönster med titellibrary: simulink. Via detta fönster kan man komma åt alla block som finns tillgängliga i Simulink.

2 1.1 Introduktion till Simulink 3 Bygga en modell Ni ska nu bygga ett enkelt system och utföra några enkla mätningar på det. I det nyligen öppnade fönstret, välj File > New > Model Det ger er ett nytt tomt fönster. Här ska ni bygga. Det kan vara bra att ge er nya modell ett namn genom att spara det med File > Save As Först behöver ni en källa som genererar en signal. Öppna därför biblioteket Sources i Simulink-fönstret genom att dubbelklicka på det. Då öppnas ett nytt fönster med titel Library: simulink/sources. Drag nu källan Sine wave till er modell. Detta skapar en kopia som ni kan editera genom att dubbelklicka på den. Gör det och välj Sine type: Time based Amplitude: 1 Bias: 0 - Detta anger likspänningsnivå. Frequency: Notera att detta är vinkelfrekvens (rad/s) Phase: 0 - Fasvridning i radianer. Sample time: Sampelperiod Här syns att simuleringen uppenbarligen är tidsdiskret - det talas t.ex. om sampelperiod. Här gäller det att se till att samplingsteoremet är uppfyllt: Sampelfrekvensen måste vara minst dubbla högsta frekvenskomponenten hos signalen. Ibland får man hålla ännu större marginal, om det är ickelinjära block inblandade, eller modulation. Sådana block kan nämligen spridasignalensspektrum, ochsamplingsteoremetmåstegällaförallasignaleri systemet. Besvara följande: Vad får ni för samplingsfrekvens med valda parametrar? Vad får ni för högsta frekvenskomponent? Är samplingsteoremet uppfyllt? Det finns utförlig - ibland för utförlig - hjälp att få för alla block. Högerklicka på ett block och välj Help, så öppnas Matlabs hjälpfönster med hjälptexten för just det blocket.

3 4 Lab-PM för TSEI67 Telekommunikation Mätinstrument När ni nu har en signal vore det trevligt att kunna titta på den. För det behöver ni ett oscilloskop. Öppna därför Blocksets & Toolboxes i Simulink-fönstret, och öppna där Signal Processing Blockset och öppna slutligen där Signal Processing Sinks. Drag därifrån Time Scope (oscilloskop) till er modell. Drag också dit Spectrum Scope (frekvensanalysator). Det är ett instrument som utför DFT på en signal och visar dess amplitudspektrum (belopp) med db-skala. För att koppla ihop källan med oscilloscopet, klickapåkällans utsignaloch dratilloscilloscopets insignal. Förattocksåanslutafrekvensanalysatorn, drag från dess insignal till den ledning vi redan har. En liten svart punkt visar att ni lyckats ansluta rätt. Oscilloskopet behöver vi inte pilla på i detta läge, men vi behöver öppna frekvensanalysatorn och välja Buffer input. Passa också på att klicka för Specify FFT length och sätt FFT length till Simulera Innan ni simulerar denna enkla modell kan det vara bra att kontrollera simuleringsparametrarna. Det gör ni genom att välja Simulation > Configuration Parameters i ert modell-fönster. Här ska ni egentligen inte göra så mycket nu, mer än att försäkra er om att start-tidpunkten är 0 och att slut-tidpunkten är 10 och sedan stänga dialogen. Enheten är här sekunder. Detta är tiden i den verklighet vi simulerar. Notera att själva simuleringenkantakortareeller längretid. Slutligensimulerarnidethelagenomattvälja Simulation > Start Datorn piper till då simuleringen är klar. Dubbelklicka på oscilloskopet för att se dess visning. Förattfåvettigvisningifrekvensanalysatornkannibehövaöppnaden ochställa in Axes Properties. Besvara följande: Vad har signalen för frekvens? Hur ser vi det i oscilloskopet? Hur ser vi det i frekvensanalysatorn?

4 1.1 Introduktion till Simulink 5 Experimenteragärnamed olikainställningarförfrekvensanalysatorn. Experimenteraockså lite med oscilloskopets inställningar, via dess öppnade fönster. Leta åtminstone reda på dess inställningar. Hittills har det ju inte varit mycket till system i er modell. Öppna därför Math Operators i Simulink-fönstret, och drag Math Function till modellen. Detta block får vi kalla för ert system. Anslut signalen från källan till systemets ingång. I oscilloskopets inställningar, sätt Number of axes till 2. Detta ger er en ingång till på oscilloskopet. Anslut systemets utgång till oscilloskopets andra ingång. Ni behöver nu ytterligare en frekvensanalysator. Högerklicka på frekvensanalysatorn och väljcopy. Högerklicka sedan bredvid och väljpaste. Detta ger er inte bara en ny frekvensanalysator, utan en som har samma inställningar som originalet. Anslut systemets utgångtilldennafrekvensanalysators ingång. Nuharnitvåfrekvensanalysatorer. Detkan vara bra att kunna skilja dem åt. Man kan ändra namnet på ett block genom att klicka i texten under blocket och editera den. Besvara följande: Vad kan man säga om utsignalen? Vad kan man säga om utsignalens spektrum? Experimentera gärna med några olika funktioner i systemet. Det kan ni göra genom att först dubbelklicka på det och simulera om efter att ni valt och stängt dialogen. När ni känner er klara med det, återställ funktionen till exp. Effektmätningar Ofta är vi intresserade av effekten hos en signal, och då menar vi signaleffekt, inte den fysikaliska storheten effekt. Den momentana effekten för en tidsdiskret signal, s[n], är s 2 [n]. Signaleffekten är sedan medelvärdet av det. Vi beräknar det som P = 1 N N s 2 [n] n=1 för något relativt stort heltal N. Variansen, σ 2, för en signal är effekten för signalen efter att vi subtraherat signalens medelvärde, m. Variansen beräknar vi som σ 2 = 1 N N s 2 [n] m 2. n=1

5 6 Lab-PM för TSEI67 Telekommunikation Vi har tillgång till block som beräknar medelvärdet och variansen. Alltså får vi effekten som P = m 2 + σ 2. De två omnämnda blocken hittar ni genom att i Signal Processing Blockset öppna Statistics och därifrån dra blocken Mean och Variance till er modell. Anslut dessa till systemets utgång. Öppna sedan båda dessa och välj Running mean respektive Running variance. I Signal Processing Sinks finns blocket Display. Vi behöver två sådana, ett till vardera av blocken Mean och Variance. Besvara följande: Vad är utsignalens medelvärde? Vad är utsignalens varians? Vad är utsignalens effekt? Kommentar Som synes kan man få klicka runt rätt mycket för att hitta de block man behöver. Därför finns det fortsättningvis lämpliga block samlade i egna modeller för de olika uppgifterna i labbarna, ibland rent av som färdiga system. Det var dem ni laddade ner först av allt. 1.2 Amplitudmodulation Behålldenmodell somni just harbyggtupp. Ni kan hanyttaavblockdärifrån. Modellen lab1blocks.mat innehåller en del andra block som kan vara användbara. Ladda in filen Ljud12.mat, antingen genom att dubbelklicka på den i fil-bläddraren till vänster i Matlab-fönstret eller genom att skriva load Ljud12 vidmatlabsinteraktiva pront. Dettagerer variabeln Ljud12 sominnehåller samplatljud, samplat med sampelfrekvensen 80 khz. Ni kan lyssna på ljudet med soundsc(ljud12,80000)

6 1.2 Amplitudmodulation 7 Öppnasedanmodellen amradio1.mat genomattdubbeklickapådenfilen eller genomatt skriva load amradio1 vid Matlabs interaktiva pront. Denna modell använder ljudet i Ljud12 som insignal. Använd en frekvensanalysator med FFT length 1024 Number of spectral averages 600 och övriga mätinstrument för att besvara följande om insignalen: Vilken bandbredd har signalen? Vilken effekt har signalen? Besvara följande om signalen som sänds över kanalen: Vilken modulationsform används? Vilken bärfrekvens används? Vilken bandbredd och effekt har den signalen? Besvara följande om den mottagna signalen: Hur ser spektrum ut? Jämför med den sända sigalen. Vilken varians har bruset? Både angivet och uppmätt! Utsignalen hamnarivariabelnyout. Nibehöverknådaden variabelnnågotförattkunna lyssna på den. Följande fungerar i alla fall: soundsc(decimate(yout,2),40000) Besvara följande om utsignalen: Hur ser spektrum ut? Jämför med insignalen. Hur låter signalen? Jämför med insignalen. Hur ser brusets spektrum ut? Tips: Sätt den inledande förstärkningen till 0. Detta är en linjär modulationsform, varför det går utmärkt att göra så.

7 8 Lab-PM för TSEI67 Telekommunikation 1.3 Vinkelmodulation Nu ska ni göra samma sak som ovan, fast för modellen fmradio1.mat. Besvara följande om signalen som sänds över kanalen: Vilken modulationsform används? Vilken bärfrekvens används? Vilken bandbredd och effekt har signalen? Besvara följande om den mottagna signalen: Hur ser spektrum ut? Jämför med den sända sigalen. Vilken varians har bruset? Både angivet och uppmätt! Besvara följande om utsignalen: Hur ser spektrum ut? Jämför med insignalen. Hur låter signalen? Jämför med insignalen. Detta är en ickelinjär modulationsform. Därför ser bruset i utsignalen olika ut i olika situationer. Bruset fås genom att subtrahera insignalen från utsignalen. Systemet fördröjer insignalen 66 sampel, varför insignalen till modulatorn måste fördröjas lika mycket i denna jämförelse. För att belysa detta ska vi titta på brusets spektrum för några olika inställningar för de två förstärkarna i systemet. Hur ser brusets spektrum ut när båda förstärkningarna är 1? Hur ser brusets spektrum ut när första förstärkningen är 0 och andra är 1? Hur ser brusets spektrum ut när båda förstärkningarna är 0? 1.4 Om ni har tid över Upprepa avsnitten 1.2 och 1.3, men använd modellernaamradio2.mat respektivefmradio2.mat istället. Tag reda på hur dessa modeller skiljer sig åt från de första. Hur påverkar det kommunikationen?

8 1.5 Om ni har ännu mer tid över Om ni har ännu mer tid över Bygg en envelopp-detektor och visa med mätningar att den fungerar som avsett. I kompendiet används en diod som laddar upp en kondensator, som i sin tur laddas ur via en resistans. Alternativt kan man likrikta signalen och sedan LP-filtrera denna likriktade signal. Använd denna alternativa lösning. Uppför sig denna enveloppdetektor på något annat sätt än den som beskrivs i kompendiet?