Labor für Informationsübertragung. Quadratur-Amplitudenmodulation

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1 Labor für Informationsübertragung Prof. Dr.-Ing. Lilia Lajmi Dipl.-Ing. Irina Ikkert Gruppennummer: Teilnehmer Name Vorname Matrikelnummer Ostfalia Hochschule für angewandte Wissenschaften Hochschule Braunschweig/Wolfenbüttel Postanschrift: Salzdahlumer Str. 46/ Wolfenbüttel Besucheranschrift: Salzdahlumer Str. 46/ Wolfenbüttel

2 Inhaltsverzeichnis 1 Einführung Grundlagen Amplitudenmodulation (AM) Winkelmodulation (QAM) QAM-Modulation QAM-Demodulation Fehlerhafte QAM-Demodulation QAM-Signale in der Komplexen I/Q-Ebene Versuchsvorbereitung Versuchsdurchführung Versuchsaufbau Seite 1 von 24

3 1 Einführung Die (QAM) ist ein Modulationsverfahren, bei dem die Amplitude- und Phasenmodulation kombiniert werden. Bei der Modulation werden die zu übertragenen Nutzsignale jeweils auf ein Trägersignal aufmoduliert. Die Trägersignale dienen als Transportsignale und sind dabei um 90 zueinander Phasenverschoben. Dadurch ist es möglich, mehrere Nutzsignale gleichzeitig zu übertragen, ohne dass es dabei zu einer Überlagerung der beiden Signale kommt. Nach der Übertragung werden die Nutzsignale wieder von den Trägersignalen getrennt und können weiterverarbeitet werden. Erforderliches Vorwissen: Verständnis der Lehrinhalte aus der Vorlesung Signal- und Systemtheorie Inhalt des Versuchsumdrucks Theorie zur Vorbereitungsaufgaben Beschreibung der Versuchsdurchführung Auswertung der Versuchsdurchführung Lernziel Einstieg in das Thema der Verständnis zum Prinzip der Multi-Träger-Modulation Selbständiges Arbeiten mit komplexen Geräten Seite 2 von 24

4 2 Grundlagen Modulationsverfahren sind in der Informations- und Nachrichtentechnik von großer Bedeutung. Grund dafür ist, dass zu Übertragende Nutzsignale nicht einfach zwischen Sender und Empfänger übertragen werden können. Würde man Nutzsignale in Form von Sprache, Musik oder Daten direkt übertragen, wären die Signale empfängerseitig unbrauchbar. Dies hat den Grund, dass die einzelnen Nutzsignale bei einem größeren Datenverkehr sich gegenseitig stören würden. Diese Störungen entstehen durch gegenseitige Überlagerung der einzelnen Nutzsignale, da diese bei der Übertragung im selben Frequenzbereich übertragen werden. Die Lösung dieses Problems bilden die Modulationsverfahren. Die Nutzsignale werden bei der Modulation auf verschiedene Art und Weise auf sogenannte Trägersignale aufmoduliert und dienen als Transportsignale. Dadurch werden die Nutzsignale für die Übertragung in einen anderen Frequenzbereich verschoben, um eine Kollision mit anderen Signalen zu vermeiden. Empfängerseitig wird das Nutzsignal wieder vom Trägersignal getrennt und kann weiterverarbeitet werden. In den folgenden Abschnitten wird die Theorie der Grundmodulationsverfahren erläutert, welche auf die Thematik der aufbauen. Seite 3 von 24

5 2.1 Amplitudenmodulation (AM) Die Amplitudenmodulation ist eines der einfachsten Modulationsverfahren. Die Amplitudenmodulation ist aus praktischer Sicht sehr einfach umzusetzen. Die Modulation kann als einfache Multiplikation von Nutzsignal und Trägersignal verstanden werden. Die folgende Abbildung 2.1 zeigt den prinzipiellen Aufbau des AM-Modulators. Abbildung 2.1: Blockschaltbild AM-Modulator Mathematisch lässt sich die Amplitudenmodulation wie folgt beschrieben: Trägersignal: u T (t) = cos (2πf T t) NF-Signal: u m (t) = u 0 + u m cos (2πf m t) Das AM-Zeitsignal setzt sich aus der Multiplikation von u T (t) und u m (t) zusammen. u AM = u T (t) u m (t) (2.1) u AM = {u 0 + u m cos (2πf m t)} cos(2πf T t) (2.2) Durch die Anwendung des Additionstheorems cos(x) cos(y) = 1 (cos(x y) + cos (x + y)) (2.3) 2 erhält man: u AM = u 0 cos(2πf m t) mu 0 cos(2π[f T + f m ]t) mu 0 cos (2π[f T f m ]t) (2.4) Mit dem Modulationsgrad m: m = u m u 0 = u max u min u max +u min (2.5) Seite 4 von 24

6 Die folgende Abbildung 2.2 zeigt, wie sich das AM-Signal zusammensetzt. Dabei ist zu erkennen, dass die Periodendauer T AM = 1 f m der Periodendauer T m des NF-Signals entspricht. Daraus lässt sich ableiten, dass das NF-Signal die obere und untere Einhüllende des AM-Signals bildet. Das Signal innerhalb der oberen und unteren Einhüllenden weist die Periodendauer T T = 1 f T auf, welches der Periodendauer des Trägersignals entspricht. Abbildung 2.2: Zusammensetzung des AM-Signals [1] Im Frequenzbereich setzt sich das Spektrum des AM-Signals, wie in der Abbildung 2.3 dargestellt, aus den einzelnen Frequenzen, die im AM-Signal vorhanden sind, zusammen. Die angedeutete Frequenz f m des NF-Signals ist dabei nicht mehr im resultierenden Spektrum enthalten. Die Bandbreite B AM setzt sich dabei aus der oberen und unteren Grenzfrequenz (f T + f m ) und der unteren Grenzfrequenz (f T f m ) zusammen und beträgt: B AM = (f T + f m ) (f T f m ) (2.6) Abbildung 2.3: Spektrum des AM-Signals [1] Empfängerseitig wird das NF-Signal wieder vom Trägersignal getrennt und kann weiterverarbeitet werden. Die Trennung von NF-Signal und Trägersignal erfolgt z.b. durch die Filterung des AM-Signals mittels Tiefpassfilter. Seite 5 von 24

7 2.2 Winkelmodulation Die Winkelmodulation umfasst die Frequenzmodulation (FM) und die Phasenmodulation (PM). Diese sind dabei eng miteinander verwandt. Ein Phasenmodulator lässt sich mit einem Frequenzmodulator umsetzten und umgekehrt [2]. Ein Phasenmodulator lässt sich aus einem Frequenzmodulator realisieren, indem das Basisband differenziert wird [2]. Ein Frequenzmodulator lässt sich aus einem Phasenmodulator realisieren, in dem das Basisband integriert wird [2]. Die folgende Abbildung 2.4 zeigt ein NF-Signal zusammen mit dem FM-Signal. Es ist zu erkennen, dass im FM-Signal die Frequenz mal höher und mal niedriger ist. Dies liegt daran, dass sich das FM-Signal mit dem Augenblickswert des NF-Signals ändert. An der Stelle, wo das Nutzsignal den größten Augenblickswert hat, ist die Frequenz im FM-Signal am höchsten. An den Nulldurchgängen des NF-Signals hat das FM-Signal dieselbe Frequenz wie das NF-Signal. Abbildung 2.4: NF-Signal (oben) zusammen mit dem FM-Signal (unten) Das PM-Signal ist wie in der Abbildung 2.5 dargestellt, durch die Phasensprünge gekennzeichnet. Diese Phasensprünge entstehen durch die Informationsänderung im NF-Signal. Abbildung 2.5: PM-Signal [3] Die Abbildung 2.6 zeigt das Spektrum eines FM-Signals bzw. PM-Signals. Das Spektrum der beiden Winkelmodulationen unterscheidet sich nicht. Dies liegt daran, dass im Spektrum keine Phaseninformationen dargestellt werden. Das FM-/PM-Spektrum ist, anders als bei der Amplitudenmodulation nicht begrenzt, sondern geht mit zunehmenden Abstand vom Träger gegen Null [3]. Seite 6 von 24

8 Abbildung 2.6: FM-/PM-Spektrum Im Spektrum ergibt sich ein Linienspektrum mit einem Abstand vonf m. Die Amplitudenwerte werden mithilfe der Besselfunktion bestimmt. Die folgende Abbildung 2.7 zeigt die grafische Darstellung der Besselfunktion. Aus dieser Abbildung kann die Amplitude des Trägersignals (I 0 ) und die Amplituden I 1 I 3 bestimmt werden. Abbildung 2.7: Grafische Darstellung der Besselfunktion [3] Seite 7 von 24

9 2.3 (QAM) Bei den vorigen Modulationsverfahren wurde das Trägersignal jeweils in der Amplitude, Frequenz oder Phase moduliert. Die ist ein Modulationsverfahren, bei dem die Amplituden- und Phasenmodulation kombiniert werden. Diese Modulationstechnik ermöglicht es, zwei unterschiedliche Nutzsignale auf einen gemeinsamen Träger aufzumodulieren und zu übertragen. Dabei kommt es im Idealfall zu keinen Übersprechungsstörungen. Mit Übersprechungsstörungen ist das gegenseitige Überlagern der Nutzsignale bei der Übertragung gemeint. Bei der QAM werden die beiden voneinander unabhängigen Basisbandsignale (Nutzsignale) auch als Inphase-Komponente (I-Komponente) und Quadratur-Komponente (Q- Komponente) bezeichnet. Aus diesem Grund wird die QAM oft auch als I/Q-Modulation bezeichnet. Bei der QAM spielt es keine Rolle, ob die beiden Basisbandsignale zeit- und wertkontinuierlich (analog) oder zeit- und wertdiskret (digital) sind. Die QAM existiert für verschiedene Größenordnungen. Die kleinste QAM ist die 4QAM und die größte 4096QAM. Die Zahl vor der Abkürzung QAM gibt die Ordnung an. Die Ordnung der QAM gibt an, wie viele Symbole übertragen werden können. Es gilt: 4QAM =2 2 Bit 4-Symbole 8QAM =2 3 Bit 8-Symbole 16QAM =2 4 Bit 16-Symbole 32QAM =2 5 Bit 32-Symbole 64QAM =2 6 Bit 64-Symbole 128QAM =2 7 Bit 128-Symbole 256QAM =2 8 Bit 256-Symbole 512QAM =2 9 Bit 512-Symbole 1024QAM =2 10 Bi 1024-Symbole 2048QAM =2 11 Bit 2048-Symbole 4096QAM =2 12 Bit 4096-Symbole Mit der kleinsten Ordnung der 4QAM können über 2 Bits 4 Symbole und mit der größten über 12 Bits 4096 Symbole übertragen werden. Bei der Wahl der Ordnung spielt nicht nur die Anzahl der zu übertragenen Symbole eine Rolle, sondern auch die Störanfälligkeit. Denn mit steigender Ordnung, steigt auch die Störanfälligkeit der modulierten Signale. Seite 8 von 24

10 2.3.1 QAM-Modulation Bei der Modulation werden die niederfrequenten Basisbandsignale (NF1 & NF2) jeweils auf einen Träger aufmoduliert. Die Trägersignale sind um 90 zueinander phasenverschoben. Die Frequenzen sind jedoch gleich. Die 90 Phasenverschiebung bewirkt, dass ein Basisbandsignal (NF1) auf einen cosinusförmigen Träger aufmoduliert wird und das zweite (NF2) auf einen sinusförmigen. Das NF-Signal auf dem cosinusförmigen Träger wird auch als I-Komponente bezeichnet, während das NF-Signal auf dem sinusförmigen Träger die Q-Komponente bildet. Die NF-Signale werden mit den Trägersignalen multipliziert und anschließend aufsummiert. Die Summe der beiden Teilsignale bilden zusammen das QAM-Signal. In der folgenden Abbildung 2.8 ist der Aufbau des QAM-Modulators in Form eines Blockschaltbildes dargestellt. Abbildung 2.8: QAM-Modulator Mathematisch lässt sich die Modulation wie folgt beschreiben: Nutzsignale: NF1 = I (Inphase-Komponente) NF2 = Q (Quadratur-Komponente) u QAM = I cos(2πf T t) + Q sin (2πf T t) (2.7) Seite 9 von 24

11 2.3.2 QAM-Demodulation Bei der Demodulation werden im Empfänger die beiden NF-Signale wieder vom Träger getrennt. Dabei ist wichtig, dass im Demodulator die Frequenz und die Phase des Trägerssignals, die bei der Modulation verwendet wurden, bekannt sind. Dies wird auch als synchronisierte Demodulation bezeichnet. Ohne diese Information würden bei der Demodulation der NF-Signale riesige Fehler auftreten. Dieser Fehler wird auch als Übersprechen bezeichnet. Mit Übersprechen ist eine Überlagerung der I- und Q-Komponente gemeint. Die folgende Abbildung 2.8 zeigt den QAM-Demodulator in Form eines Blockschaltbildes. Das empfangene QAM-Signale wird zunächst mit dem Trägersignal aus der Modulation multipliziert. Anschließend wird mittels Tiefpassfilter das Trägersignal herausgefiltert. Als Ergebnis erhält man die beiden NF-Signale. Abbildung 2.9: QAM-Demodulator Mathematisch ist die Demodulation des QAM-Signals wie folgt definiert: QAM-Signal: u QAM = I cos(2πf T t) + Q sin (2πf T t) (2.7) I-Demodulation: u I = u QAM cos(2πf T t) = I cos 2 (2πf T t) + Q sin(2πf T t) cos(2πf T t) (2.8) Durch Anwendung der Additionstheoreme: cos 2 (x) = 1 (1 + cos(2x)) (2.9) 2 sin(x) cos(x) = 1 sin(2x) (2.10) 2 Erhält man: u I = I { cos(4πf Tt)} + Q 1 2 sin (4πf Tt) (2.11) Seite 10 von 24

12 Durch die Unterdrückung der doppelten Trägerfrequenz mittels Tiefpassfilter ergibt sich: u I = 1 2 I~I Q-Demodulation: u Q = u QAM sin(2πf T t) = Q sin 2 (2πf T t) + I sin(2πf T t) cos(2πf T t) (2.12) Mit: sin 2 (x) = 1 (1 cos (2x)) (2.13) 2 sin(x) cos(x) = 1 sin(2x) (2.10) 2 Ergibt sich: u Q = Q { cos(4πf Tt)} + I 1 2 sin (4πf Tt) (2.14) Durch die Unterdrückung der doppelten Trägerfrequenz mittels Tiefpassfilter ergibt sich: u I = 1 2 Q~Q Fehlerhafte QAM-Demodulation Bei der Demodulation muss die Phase und Frequenz des Trägersignals genau wie bei der Modulation eingestellt werden. Andernfalls kommt es aufseiten des Empfängers zu einer fehlerhaften Demodulation der NF-Signale. Weist das Trägersignal z.b. bei der Demodulation eine andere Phase wie bei der Modulation auf, kommt es zu einem sog. Phasen- bzw. Übersprechungsfehler. Bei dieser Art des Fehlers überlagern sich die I-Komponente mit der Q-Komponente. Wie stark sich die Signale überlagern, ist davon abhängig, wie stark die Phase verstellt ist. Die folgende Abbildung 2.10 zeigt das Blockschaltbild des Demodulators. Dabei wurde den Trägersignalen ein Phasenfehler φ hinzugefügt. Der Modulator bleibt unverändert. Abbildung 2.10: Fehlerhafte Demodulation Seite 11 von 24

13 Mathematisch lässt sich dies wie folgt beschrieben: u I = I-Komponente mit Übersprechen aus Q u Q = Q-Komponente mit Übersprechen aus I QAM-Signal: u QAM = I cos(2πf T t) + Q sin (2πf T t) (2.7) I-Demodulation: u I = u QAM cos(2πf T t + Δφ) (2.15) u I = I cos(2πf T t) cos(2πf T t + Δφ) + Q sin(2πf T t) cos(2πf T t + Δφ) (2.16) u I = I { 1 cos(δφ) + 1 cos(4πf 2 2 Tt + Δφ)} + Q { 1 sin( Δφ) + 1 sin (4πf 2 2 Tt + Δφ)} (2.17) Durch die Unterdrückung der doppelten Trägerfrequenz mittels Tiefpassfilter ergibt sich: u I = 1 2 I cos(δφ) 1 Q sin (Δφ) 2 Der Term 1 Q sin (Δφ) wird als Übersprechen aus Q bezeichnet. 2 Q-Demodulation: u Q = u QAM sin(2πf T t + Δφ) (2.18) u Q = I cos(2πf T t) sin(2πf T t + Δφ) + Q sin(2πf T t) sin(2πf T t + Δφ) (2.19) u Q = I { 1 sin(δφ) + 1 sin(4πf 2 2 Tt + Δφ)} + Q { 1 cos(δφ) 1 sin (4πf 2 2 Tt + Δφ)} (2.20) Durch die Unterdrückung der doppelten Trägerfrequenz mittels Tiefpassfilter ergibt sich: u Q = 1 2 Q cos(δφ) + 1 I sin (Δφ) 2 Der Term 1 I sin (Δφ) wird als Übersprechen aus Q bezeichnet. 2 Seite 12 von 24

14 2.3.4 QAM-Signale in der Komplexen I/Q-Ebene Bei der wird grundsätzlich zwischen orthogonalen und nicht orthogonalen Konstellationsdiagrammen unterschieden. In einem orthogonalen Konstellationsdiagramm stehen die beiden Basisbandsignale I und Q immer senkrecht zueinander. Die nicht orthogonalen Konstellationsdiagramme können z.b. eine kreisförmige Anordnung der Symbole aufweisen. Die Anzahl der Symbole in der I/Q-Ebene entspricht der Ordnung des QAM-Signals. D.h., dass bei einer 4QAM 4 Symbole und bei einer 256QAM 256 Symbole zu erwarten sind. Die Anzahl der Symbole ergibt sich aus der Zweierpotenz der verwendeten Bits (2 2 Symbole). Orthogonale Raster werden meistens bei gerader Anzahl von Bits 2, 4, 6 etc. verwendet, während nicht orthogonale Raster bei nicht geraden Bits 3, 5, 7 etc. verwendet werden. Die folgende Abbildung 2.11 zeigt zwei Konstellationsdiagramme eines 4QAM-Signals. Das linke Bild repräsentiert das Konstellationsdiagramm einer idealen 4QAM während das rechte mit Rauschen überlagert ist. Die schwarzen Kreise bei der idealen QAM sollen die Entscheidungsgrenzen darstellen. Entscheidungsgrenzen sind Bereiche, in denen die einzelnen Symbole eindeutig zugeordnet werden können. Wird diese Entscheidungsgrenze überschritten, weil z.b. das Signal zu stark verrauscht ist, kommt es bei der Demodulation zu massiven Fehlern. Abbildung 2.11: Konstellationsdiagramm einer 4QAM Für die Zuordnung der Symbole ist es vorteilhaft wenn sich benachbarte Symbole nur um ein Bit unterscheiden. Dafür kann unter anderem die Gray-Codierung verwendet werden. Diese hat die Eigenschaft, dass sich bei jedem Schritt nur ein Bit ändert. Durch diese Art und Weise der Zuordnung wird die Fehlerwahrscheinlichkeit minimiert. Bei der Gray-Codierung ist es Voraussetzung, dass die Symbolanordnung im Konstellationsdiagramm Quadratisch ist. Die folgende Abbildung 2.12 zeigt ein Konstellationsdiagramm einer 16QAM. Dabei ist zu erkennen, dass sich benachbarte Symbole nur in einem Bit unterscheiden. Seite 13 von 24

15 Abbildung 2.12: Konstellationsdiagram einer 16QAM [4] Seite 14 von 24

16 3 Versuchsvorbereitung Beantworten Sie die folgenden Kurzfragen Begründen Sie ihre Antworten, wenn möglich mit einer Beispielrechnung. 1.) Was passiert, wenn am Demodulator die beiden zugeführten Trägerschwingungen vertauscht werden? 2.) Was passiert, wenn am Modulator und Demodulator an allen Trägereingängen ein identischer Träger verwendet wird? 3.) Was passiert, wenn man am Demodulator die beiden zugeführten Trägerschwingungen jeweils um 45 phasenverschoben werden? 4.) kann man aus einem gemessenen QAM-Spektrum ableiten, ob sich die beiden enthaltenen Teilsignale wieder fehlerfrei auftrennen lassen? 5.) Welchen Vorteil bietet die QAM bei der Übertragung von Digitalsignalen gegenüber seiner Amplitudentastung (normale DSB-AM mit Digitalsignal als NF)? Einarbeitung in Bedienung der Geräte Zu diesem Versuch wurde ein Handbuch bzw. eine Gerätebeschreibung erstellt. In diesem Dokument finden Sie neben der allgemeinen Gerätebeschreibung auch alle versuchsspezifischen Einstellungen für die jeweiligen Versuchteile. Arbeiten Sie diese Gerätebeschreibung gründlich durch und erstellen Sie sich für eine gute Vorbereitung eine Checkliste für die einzelnen Versuchsteile. Ohne diese Vorbereitung wird es aus zeittechnischen Gründen schwierig, den Versuch innerhalb des Versuchstermins vollständig durchzuführen. Seite 15 von 24

17 4 Versuchsdurchführung 4.1 Versuchsaufbau Für die Versuchsdurchführung stehen folgende Geräte zur Verfügung: Funktionsgenerator AFG 1022 von Tektronix Oszilloskop RTE 1024 von Rohde & Schwarz Vector-Signal-Generator SMW 200A von Rohde & Schwarz Signal-Analyzer FSV von Rohde & Schwarz Die folgende Abbildung 4.1 zeigt die während der Versuchsdurchführung verwendeten Geräte. Der Signalgenerator (Abbildung 4.1 violett markiert) dient als Modulator. Mit dem Signalgenerator können analoge und digitale QAM-Signale erzeugt werden. Für die analoge Modulation verfügt der Signalgenerator auf der Vorderseite jeweils über einen I- und Q-Eingang pro Pfad. Über diese Eingänge können dem Signalgenerator mit dem Funktionsgenerator (Abbildung 4.1, hellblau markiert) analoge Signale für die Modulation zugeführt werden. Für die digitale Modulation verwendet der Generator einen intern verbauten Pseudo-Bit-Random-Stream-Generator (PBRS). Dieser erzeugt für die Modulation Zufallssignale. Für die zeitliche Darstellung der erzeugten Signale wird das Oszilloskop (Abbildung 4.1, grün markiert) eingesetzt. Als Demodulator wird der Signalanalysator (Abbildung 4.1, rot markiert) eingesetzt. Mit dem Signalanalysator können die modulierten Signale in der IQ-Ebene analysiert werden und wieder demoduliert werden. Da das Display des Signalanalysators relativ klein für genaue Beobachtungen ist, ist dieser zusätzlich mit dem Fernseher (Abbildung 4.1, gelb markiert) verbunden. Dadurch lassen sich die Messergebnisse vergrößert auf dem Fernseher darstellen. Als Hilfestellung kann/soll die für diesen Versuch erstellte Gerätebeschreibung verwendet werden. Der in der Abbildung 4.1 dargestellte Versuchsaufbau dient nicht als Vorlage und soll für die Versuchsdurchführung nicht 1:1 nachgebaut werden. Für die einzelnen Versuchsteile werden verschiedene Versuchsaufbauten benötigt. Diese werden in den jeweiligen Abschnitten genau erklärt und sollen danach aufgebaut werden. Seite 16 von 24

18 Abbildung 4.1: Geräte für die Versuchsdurchführung Synchrone Modulation und Demodulation Für die synchrone Modulation und Demodulation muss der Signalgenerator SMW 200A und der Signalanalysator FSV ein gemeinsammes Referenzsignal verwenden. Andernfalls kann es bei der Versuchsdurchführung zu Fehlern kommen. Der Referenzeingang am Signalgenerator ist vor dem Versuch schon mit dem Referenzausgang des Signalanalysators verbunden. Bei der Versuchsdurchführung ist darauf zu achten, dass am Signalgenerator die Verwendung eines externen Referenzsignals eingeschaltet ist. Dafür muss man wie in der Abbildung 4.2 auf das Feld Ref klicken. Anschließend muss bei Reference Frequency die Quelle von Internal auf External gestellt werden. Abbildung 4.2: Aktivierung des externen Referenzsignals Seite 17 von 24

19 Speichern von Messergebnissen Für die Versuchsauswertung können die Messergebnisse auf einem USB-Stick abgespeichert werden. In diesem Versuch werden die Messergebnisse auf dem Oszilloskop und/oder Signalanalysator dargestellt. Um mit dem Oszilloskop einen Screenshot abzuspeichern, muss man in dem unteren Bildschirmmenü den Punkt File und anschließend Print Setup auswählen. Daraufhin öffnet sich das in Abbildung 4.3 dargestellte Fenster. Um einen Screenshot zu Speichern wählt man den Punkt Save AS aus und wählt als Speicherort den eingesteckten USB-Stick aus. Abbildung 4.3: Speichermenü Um Messergebnisse mit Signalanalysator abzuspeichern drückt man auf der linken Seite des Geräts die Taste Save/RCL. Daraufhin wählt man auf der rechten Seite des Bildschirms den Punkt Screenshot aus. Anschließend öffnet sich automatisch ein Fenster in dem der Speicherort festgelegt werden kann. Wählen Sie hier wieder Ihren USB-Stick. Seite 18 von 24

20 4.2 Digitale Modulation In diesem Versuchsteil wird der Signalgenerator SMW 200A und der Signalanalysator FSV von Rohde & Schwarz benötigt. Mit dem Signalgenerator soll ein QAM-Signal der Ordnung 16 erzeugt werden. Dieses Signal soll anschließend mithilfe des Signalanalysators in der komplexen I/Q-Ebene dargestellt werden. Die Vorgehensweise ist in der Gerätebeschreibung unter den Abschnitten 2.4 und beschrieben. Stellen Sie folgende Werte an den Geräten ein: Signalgenerator SMW 200A: Tabelle: 4.1 Einstellungen am Signalgenerator Trägerfrequenz (z.b Pfad A) 1 MHz Symbolrate 100 ksym/s Kodierung OFF Datenquelle PBRS9 Modulationstyp QAM Modulationsordnung 16QAM Filter Root Cosine Roll off Faktor 0.35 Signalanalysator FSV: Tabelle: 4.2 Einstellungen am Signalanalysator Mittenfrequenz 1 MHz Symbolrate 100 ksym/s Modulationstyp QAM Modulationsordnung 16QAM Mapping DVB-C Filter RRC Roll off Faktor 0.35 Verbinden Sie anschließend den Signalausgang des Signalgenerators mit dem Signaleingang des Signalanalysators. Speichern Sie das erzeugte Konstellationsdiagramm der erzeugten 16QAM ab. Führen Sie anschließend die folgenden Schritte durch: 1.) Ändern Sie am Signalanalysator den Filterkoeffizienten von 0.35 in 3-4 Schritten auf 0. Stellen Sie nach der Aufnahme der Messergebnisse den Filterkoeffizienten wieder zurück auf Seite 19 von 24

21 2.) Stellen Sie über den Signalgenerator gleichzeitig einen I- und Q-Offset von ±10 % ein. Speichern Sie die Konstelationsdiagramme wieder ab, und dokumentieren Sie Ihre Beobachtungen. Stellen Sie nach dieser Messung die Offsetwerte wieder auf 0. 3.) Stellen Sie einen Quadratur-Offset von +30 bzw. -30 ein. Speichern Sie die Konstellationsdiagramme ab, und dokumentieren Sie Ihre Beobachtungen Auswertung zur digitalen Modulation Beschreiben Sie die unter 4.2 aufgenommenen Schirmbilder. 1.) Welche Auswirkung hat das Ändern des Filterkoeffizienten auf das QAM-Signal in der I/Q-Ebene, und wie wirkt sich dies auf die Demodulation aus? 2.) Wie verändert sich das Konstellationsdiagramm durch den I/Q-Offset und dem Quadraturoffset? Wie wirkt sich diese Veränderung auf die Demodulation aus. 4.3 Messung in den Einzelkanälen und Analyse des Übersprechverhalten Für diesen Versuchsteil wird neben dem Signalgenerator SMW 200A und Signalanalysator FSV, der Funktionsgenerator AFG 1022 von Tektronikx und das Digital Oszilloskop RTE 1024 von Rohde & und Schwarz benötigt. Zunächst wird nur ein Eingang für die Modulation mit externen Signalen am Signalgenerator verwendet. Verbinden Sie dafür einen der beiden Ausgänge (Out1 oder Out2) des Funktionsgenerators mit einem der Eingänge (I oder Q) des Signalgenerators. Die Vorgehensweise ist in der Gerätebeschreibung unter dem Abschnitt 2.5 erklärt. Stellen Sie das NF-Signal am Funktionsgenerator und das Trägersignal am Signalgenerator gemäß der Tabelle 4.3 ein. Beachten Sie, dass die Signalform des Trägersignals nicht geändert werden muss. Tabelle 4.3: Einstellungen des NF- und Trägersignals Signal Amplitude Frequenz Signalform NF-Signal u ss = 1 V f NF = 10 khz Sinus Trägersignal u T = 250 mv f T = 300 khz Sinus/Kosinus Nehmen Sie zunächst das modulierte Zeitsignal zusammen mit dem NF-Zeitsignal am Oszilloskop auf. Triggern Sie dabei auf dem NF-Signal und speichern Sie das dargestellte Schirmbild ab. Nehmen Sie anschließend das Spektrum des modulierten Signals auf. Verbinden Sie dafür den Signalausgang des Signalgenerators mit dem Signaleingang des Signalanalysators. Wie Sie das Frequenzspektrum messen können, ist in der Gerätebeschreibung in dem Abschnitt 3.3 beschrieben. Wählen Sie für den dargestellten Frequenzbereich sinnvolle Seite 20 von 24

22 Werte. Nutzen Sie hierbei auch die Marker, um die Frequenzpeaks zu markieren. Speichern Sie das Spektrum ab. Wechseln Sie nach der Frequenzmessung in den Vector-Signal-Analyse-Modus. Lassen Sie sich das demodulierte Signal, wie in Abschnitt der Gerätebeschreibung erklärt, anzeigen. Dafür sind am Signalanalysator folgende Einstellungen vorzunehmen: Tabelle 4.4: Einstellungen für die Einkanalmessung am Signalanalysator Mittenfrequenz 300 khz Symbolrate 100 ksym/s Modulationstyp PSK Modulationsordnung QPSK Mapping DVB-S2 Signallänge (Cap Len) Achten Sie bei der Darstellung des demodulierten NF-Signals darauf, welchen Eingang (I oder Q) Sie bei der Modulation am Signalgenerator verwendet haben. Stellen Sie, je nachdem welcher Eingang verwendet wurde, das Signal auf der Imaginär- oder Realachse dar. Ändern Sie dafür die Phase des Trägersignals am Signalgenerator gemäß Abschnitt 2.5 der Gerätebeschreibung. Speichern Sie das demodulierte Bild für die Auswertung ab. Ändern Sie die Phase des Trägersignals am Signalgenerator so, dass das demodulierte Signal die Achsen bei der Darstellung am Signalanalysator wechselt. Nehmen Sie 2-3 Schirmbilder davon auf, und dokumentieren Sie Ihre Beobachtungen Auswertung zur Einkanalmessung 1.) Welche Eigenschaften weist das modulierte Zeitsignal mit nur einem externen Signal auf, und an welche Modulationsart erinnert die Form des Zeitsignals? 2.) Welchen Frequenzbereich haben Sie zur Darstellung des Spektrums eingestellt und warum? Entspricht das Spektrum Ihren Erwartungen (mit Begründung)? 3.) Auf welcher Achse (Real oder Imag.) haben Sie das demodulierte Signal dargestellt und warum? Was würde sich ändern, wenn Sie den nicht benutzten Eingang des Signalgenerators verwendet hätten? 4.) Erklären Sie anhand der aufgenommenen Schirmbilder, warum das demodulierte Signal bei einer Phasenänderung des Trägersignals die Achsen tauscht. Seite 21 von 24

23 4.4 Messung mit beiden Kanälen und verschiedenen NF-Signalformen In diesem Versuchsteil werden beide Kanäle des Funktionsgenerators und beide Eingänge des Signalgenerators verwendet. Dieser Versuchsteil unterscheidet sich von der Vorgehensweise kaum von dem vorigen. Der einzige Unterschied ist, dass für die Modulation zwei externe Signale verwendet werden. Stellen Sie an dem Funktionsgenerator das NF1-Signal (CH1) und das NF2-Signal (CH2) sowie das Trägersignal gemäß der folgenden Tabelle ein. Das NF2-Signal soll zunächst sinusförmig sein. Tabelle 4.5: Einstellungen NF1-/NF2-Signal und Trägersignal Signal Amplitude Frequenz Signalform NF1-Signal u ss = 1 V f NF1 = 10 khz Sinus NF2-Signal u ss = 1 V f NF2 = 20 khz Sinus/Rechteck Trägersignal u T = 250 m V f T = 300 khz Sinus/Kosinus Nehmen Sie zunächst wieder erst das Zeitsignal zusammen mit den beiden NF-Signalen auf. Triggern Sie auf einen der beiden NF-Signalen. Speichern Sie das erzeugte Schirmbild ab. Daraufhin soll wieder das Spektrum gemessen werden. Gehen Sie wie in dem vorigen Abschnitt vor. Wählen Sie wieder einen sinnvollen Frequenzbereich für die Darstellung des Spektrums, und speichern Sie dieses ab. Ändern Sie die Signalform des NF2-Signals nun auf Rechteck, und wiederholen Sie die vorige Messung. Wählen Sie bei der Frequenzmessung eine Startfrequenz von 200 khz und eine Stopfrequenz von 400 khz Auswertung zur Messung mit beiden Kanälen 1.) Beschreiben Sie das modulierte Zeitsignal. 2.) Welchen Frequenzbereich haben Sie zur Darstellung des Spektrums eingestellt und warum? Entspricht das Spektrum Ihren Erwartungen (mit Begründung)? Seite 22 von 24

24 4.5 Messung mit beiden Kanälen und zwei Rechtecksignalen Wie in dem Abschnitt zuvor, werden hier wieder beide Kanäle des Funktionsgenerators und beide Eingänge des Signalgenerators verwendet. Stellen Sie die beiden NF-Signale gemäß der Tabelle 4.6 ein. Das Trägersignal bleibt unverändert. Tabelle 4.6 Einstellungen der beiden Rechtecksignale Signal Amplitude Frequenz Signalform NF1-Signal u ss = 1 V f NF1 = 1 khz Rechteck NF2-Signal u ss = 1 V f NF2 = 2 khz Rechteck Trägersignal u T = 250 m V f T = 300 khz Sinus/Kosinus Demodulieren Sie die beiden Signale mithilfe des Signalanalysators. Gehen Sie dabei wie schon in Abschnitt 4.3 der Versuchsdurchführung vor. Achten Sie wieder darauf, dass die demodulierten Signale auf der richtigen Achse dargestellt werden. Korrigieren Sie gegebenenfalls die Phase am Signalgenerator. Speichern Sie die demodulierten Signale ab. Abschließend soll das modulierte Signal in der I/Q-Ebene dargestellt werden. Dokumentieren Sie Ihre Beobachtungen und speichern Sie das dargestellte Konstellationsdiagramm ab. Stellen Sie dafür die folgenden Werte am Signalanalysator ein: Tabelle 4.7 Einstellungen am Signalanalysator Mittenfrequenz Symbolrate Modulationstyp Modulationsordnung Mapping 300 khz 100 ksym/s PSK QPSK DVB-S Auswertung zur Messung mit zwei Rechtecksignalen 1.) Beschreiben Sie die demodulierten Signale. Was passiert mit den Signalen wenn, die Phase des Trägers verändert wird. 2.) Wieviel Konstellationspunkte sind in der I/Q-Ebene zu sehen (Begründung)? Seite 23 von 24

25 5 Literaturverzeichnis [1] [Zugegriffen am: ] [2] Wolfgang Frohberg; Horst Kolloschie; Helmut Löffler, Taschenbuch der Nachrichtentechnik, Carl Hanser Verlag, [Zugegriffen am: ] [3] [Zugegriffen am: ] [4] [Zugegriffen am: ] Seite 24 von 24