Digitale Modulation mit CPFSK

Kernmodul CT Übung ICT-4 Digitale Modulation mit CPFSK 1 Ziele der Übung Modellaufbau eines kompletten Datenübertragungssystems. Messungen an einem CPFSK-Modulator (Zeitfunktion und Spektrum). Messungen am CPFSK-Demodulator (Bitfehlerrate). Grenzen der Übertragung ermitteln. Kennenlernen des Augendiagramms als qualitative Messgrösse. 2 Zusammenfassung Continuous Phase Frequency Shift Keying (CPFSK) ist eine digitale Modulation, bei der zwischen zwei Frequenzen umgetastet wird. Dabei gibt es beim Übergang zwischen den beiden Frequenzen keine Phasensprünge (kontinuierlicher Übergang), was eine kleinere Bandbreite zur Folge hat. Diese einfache, robuste, bewährte und verbreitete Modulation eignet sich sehr gut zur Untersuchung der typischen Charakteristiken und Verhalten von digitalen Modulationen. In diesem Versuch wird eine komplette Übertragungsstrecke aufgebaut mit Bitfehlermessgerät, Modulator, Bandbreitenbegrenzung, Rauschen und Demodulator. Damit können wesentliche Eigenschaften der digitalen Modulation untersucht werden, und die Verbindung an ihre Grenze gebracht werden. 3 Funktionsbeschreibung der einzelnen Blöcke 3.1 Übersicht Interface HART Modem int ern TXD RXD intern Test er HART OUT FSK Demodulator HART IN True- RMS Voltm et er int ern HF- Übertragungskanal ( Modell) Rausch- Generator G Signal Addierer Filter Abbildung 1: Das komplette Übertragungssystem (Übersicht)

2 Das Bitfehlermessgerät sendet als Nutzsignal eine definierte Bitfolge, die über das - Interface an den Eingang des HART-Modems gelangt. Das Signal wird dort CPFSK moduliert und gesendet. Auf seinem Übertragungsweg wird das modulierte Signal mit Rauschen als Störsignal überlagert und bandbreitenbegrenzt. Damit sind die zwei wesentlichsten Eigenheiten eines Kanals nachgebildet. Das durch den Übertragungskanal beeinflusste Signal wird im HART-Modem demoduliert und gelangt wieder durch das - Interface zum Bitfehlermessgerät. Dieses vergleicht die empfangene Bitfolge mit der gesendeten und zeigt die Bitfehlerrate an. 3.2 HART Modem In der Prozessautomatisierung ist seit Jahren das HART (Highway Addressable Remote Transducer) Kommunikationsprotokoll die weltweit am häufigsten eingesetzte Technologie. Es sind mehr als 30 Millionen HART Geräte installiert und im Einsatz. Der Grund dafür ist, dass die meisten automatisierten Anlagen auf der bewährten 4-20-mA-Verdrahtung aufgebaut sind. Diesem Analogsignal wird im FSK-Verfahren ein digitales Signal überlagert. Somit können zusätzliche digitale Informationen (wie Alarme und Diagnosen) übertragen werden, ohne das Analogsignal zu beeinflussen. In der HART Spezifikation repräsentiert ein 1.2kHz Signal eine logische 1 und ein 2.2kHz Signal eine logische 0. Das AD5700 ist ein Single-Chip, Low-Power, HART Entwicklungsboard mit eingebautem CP und Demodulator. Das Board wird über eine Standard UART angesteuert und ist wie in Abbildung 2 aufgebaut. Abbildung 2: Funktionsblock HART Modem 3.3 Übertragungskanal Um einen realen Kanal nachzubilden, wird das modulierte Signal mit Rauschen überlagert und bandbegrenzt. Der Addierer erlaubt mit einem Potentiometer die Signalstärke einzustellen und addiert das Rauschsignal. Damit ist das Signalrauschleistungsverhältnis S/N einstellbar. Das Rauschsignal liefert ein "Arbitrary Function Generator", der praktisch beliebige Kurvenformen generieren kann. Beim erzeugten Rauschen handelt es sich um ein

3 pseudozufälliges Rauschen, d.h. um ein periodisches Signal mit 4096 Stützstellen. Die Clock-Rate beträgt 233kHz, womit sich eine Periodenlänge von 17.58 ms ergibt. Die Eigenschaften dieses Signals entsprechen im uns interessierenden NF-Bereich praktisch einem weissen Rauschen. Die Bandbegrenzung von 300-3000 Hz kann mit einem Hochpass- und einem Tiefpassfilter in Serie eingestellt werden. 3.4 Bitfehlerdetektor Als Bitfehlerdetektor kommt der VePAL VeEX 130E+ Bit Error Rate Tester (-Tester) zum Einsatz. Der -Tester sendet ein definiertes Prüfbitmuster PRBS (Pseudo Random Bit Sequence) über eine Übertragungsstrecke und vergleicht die empfangene Bitsequenz mit der gesendeten (T Bit Error Rate Test). Vor dem Vergleich synchronisiert sein Empfangsteil das gesendete Prüfbitmuster mit der empfangenen Bitsequenz. Tipps für die Bedienung sind bei den entsprechenden Aufgaben angegeben. 3.5 Das Lecroy HDO 6034 wird klassisch für die Betrachtung der Signale im Zeitbereich verwendet und auch als Spektrumanalysator zur Messung der Spektren. Zur Protokollierung Ihrer Messergebnisse können Sie folgendermassen Screenshots auf Ihrem USB-Stick speichern: File Print Setup im Register Hardcopy File wählen und die gewünschten Werte angeben (File Format; File Name; Directory (auf dem USB Stick)) auf das Druckersymbol klicken. Da die optimalen Einstellungen für den Zeit- und Frequenzbereich nicht dieselben sind, können die Signale im Zeitbereich mit dem zweiten betrachtet werden, während der LeCroy als Spektrumanalysator eingesetzt wird. Tipps für die Bedienung des LeCroy sind bei den entsprechenden Aufgaben angegeben. 3.6 Verdrahtung - I nterface HART Modem Addierer TXD HART I N Signal RXD HART OUT Abbildung 3: Verdrahtungsübersicht

4 In Abbildung 3 sieht man wie die Anschlüsse des HART-Modems verbunden und zugänglich sind. (Die festen Verbindungen sind in der Übersicht (Abbildung 1) mit intern bezeichnet.) Die BNC-Buchse TX-Data ist intern mit TXD des HART Modems verbunden und RX-Data mit RXD. Auf der anderen Seite ist HART Out mit der BNC Buchse Signal des Addierers verbunden. HART IN ist an der zusätzlichen BNC-Buchse angeschlossen. 4 Aufgaben 4.1 Messung am Sender 4.1.1 Inbetriebnahme Um eine 01-Bitfolge zu generieren wird das Rechtecksignal eines Funktionsgenerators (HP 33120A) verwendet. Dieser ist wie folgt einzustellen: Frequenz = 600Hz; Amplitude = 2.5Vpp; Offset = 1.25V; Signalform = Rechteck. Funktionsgenerator HP33120A G SENDER intern TXD HART Out Abbildung 4: Messaufbau 01-Bitfolge zu den Sendermessungen 4.1.1 und 4.1.2 Betrachten Sie Datensequenz und FSK-Signal auf dem. Schliessen Sie dazu den Generator an der BNC-Buchse am Interface an. Um den FSK-Modulator mit einer PRBS (Pseudo Random Bit Sequence) anzusteuern, muss der VePAL VeEX 130E+ -Tester an die -Schnittstelle angeschlossen und entsprechend konfiguriert werden. Die Konfiguration für dieses Praktikum sollte bereits richtig eingestellt sein. Falls nicht, kann die richtige Konfiguration CT-Mod laufend unter Home Profiles geladen werden. Der -Tester erzeugt automatisch das PRBS Signal sobald er aufgestartet ist. Damit sich die beiden Signale nicht überlagern, dürfen der -Tester und der Funktionsgenerator nicht gleichzeitig am -Interface angeschlossen werden.

5 Interface SENDER Tester intern TXD HART Out Abbildung 5: Messaufbau PRBS zu den Sendermessungen 4.1.1 und 4.1.2 Betrachten Sie Datensequenz und FSK-Signal auf dem. Erzeugt der Modulator aus der Bitfolge das korrekte CPFSK-Signal? 4.1.2 Messung der Amplitudenspektren des Datensignals und des FSK-Signals Messen Sie die Amplitudenspektren der Datensignale und der FSK-Signale in den Betriebsarten 1 (01-Bitfolge) und 2 (PRBS). Hinweis: Das Lecroy kann auch als Spektrumanalysator verwendet werden (Analysis Spectrum Analyzer oder direkt mit Knopfdruck auf Spectrum). Bei einem Spektrumanalysator sind mindestens einzustellen: Frequenzbereich (z.b. durch Start Freq und Stop Freq), Eingangsempfindlichkeit (Reference Level), Auflösebandbreite (Resolution Bandwidth) und (bei einem digitalen ) die Samplingrate (Timebase Sampling Rate; wählen Sie hier 25MSamples/s). Um im Spektrum Minima und Maxima besser zu sehen kann die Funktion Max Hold gewählt werden. Um die Frequenzen abzulesen sind Markers praktisch: Registerkarte Peaks/Markers Gruppe Table und mit Peaks oder Markers arbeiten. Was ist der Hauptunterschied zwischen Betriebsart 01 und PRBS? Wo haben die PRBS-Signale ihre für die Bandbreite charakteristischen ersten Minima? Schätzen Sie aus dem Spektrum die benötigte Bandbreite des modulierten PRBS- Signals, analog zu den Bandbreitenbetrachtungen digitaler Modulation im Unterricht. 4.2 Messungen am Empfänger 4.2.1 Funktionskontrolle Für die Funktionskontrolle werden Sender und Empfänger direkt zusammengeschaltet.

6 Funktionsgenerator HP33120A G SENDER EMPFÄNGER FSK Demodulator HART OUT HART IN Abbildung 6: Messaufbau 01-Bitfolge für die Funktionskontrolle 4.2.1 Pegelwandler SENDER EMPFÄNGER Tester FSK Demodulator HART OUT HART IN Abbildung 7: Messaufbau PRBS für die Funktionskontrolle 4.2.1 Überprüfen Sie die Funktion des Demodulators, in dem Sie in beiden Betriebsarten (01 und PRBS) die gesendeten und empfangenen Daten miteinander vergleichen. Messen Sie in beiden Betriebsarten die Zeitverzögerung zwischen den gesendeten und empfangenen Daten und vergleichen Sie diese miteinander. Hinweis: Beim LeCroy kann mit Cursors / Cursors Setup die gewünschte Cursor-Art ausgewählt werden. 4.3 Messungen am Kanal 4.3.1 Inbetriebnahme des Rauschgenerators und Rauschmessungen Der als Rauschquelle verwendete Funktionsgenerator (HP 33120A) hat die nötigen Kurvenformen und Einstellungen gespeichert; sie müssen nur in den Ausgabespeicher geladen werden. Dazu sind folgende Schritte notwendig: Laden des pseudozufälligen Rauschsignals (4096 Samples lang): Kurvenform laden: SHIFT; ARBLIST; <Kurvenform mit Handrad einstellen> (NOISE); ENTER.

7 Lastimpedanz auf HIGH IMPEDANZE: SHIFT; RECALL MENU; <SYS MENU mit Handrad wählen>; ; <OUT TERM mit Handrad wählen>; ; <HIGH Z mit Handrad wählen>; ENTER. Parametereinstellungen: Freq = 56.8Hz (233kHz Samplerate) Ampl = 1Vpp Offset = 0V HF- Übert ragungskanal ( Modell) Rausch- Generat or G Addierer Filt er Abbildung 6: Messaufbau für die Rauschmessungen Messen Sie das Rauschspektrum am Generator-Ausgang, am Addierer-Ausgang und am Filter-Ausgang, jeweils für den Frequenzbereich 0-10kHz und 0-1MHz, und beantworten Sie dabei die folgenden Fragen: Ist das vom Generator gelieferte Rauschen ein weisses Rauschen? Ist es im von uns eingesetzten Bereich ein genügend weisses Rauschen? Hat der Addierer für den hier eingesetzten Bereich eine genügend grosse Bandbreite? Verifizieren Sie am Rauschspektrum grob, ob das Bandpassfilter richtig eingestellt ist. 4.4 Messungen am Übertragungssystem 4.4.1 Inbetriebnahme der Bitfehlermessung Für die Funktionskontrolle des -Testers (VePAL VeEX 130E+) kann das Signal beim Interface geschlauft werden. Pegelwandler Tester Abbildung 7: Messaufbau für die Funktionskontrolle Bei geschlauftem Signal sollten beim -Tester alle LED grün leuchten. Um zu testen, ob Bitfehler auch erkannt werden, können Fehler eingespeist werden:

8 Messung starten mit Home Results Start Fehler einspeisen mit Fehler Einspeisung Unter Home Results Errors/Alarms BIT sind nun Bitfehler zu erkennen. Als Testergebnis wird auf dem Display die Bitfehlerrate angezeigt (Anzahl falsche Bit geteilt durch Anzahl übertragene Bit) (über die Zeit seit die Messung gestartet wurde). Z.B. 9.6 E -05 9.6 Bitfehler pro 100 000 übertragene Bit). Hinweis: LSS = Loss of Sequence Synchronization; LOS = Loss of Signal; BIT = Bit Error. Fehler Einspeisung stoppen mit Fehler Einspeisung Messung stoppen mit Stop Die Messung wird zurückgesetzt in dem man die Messung wieder neu startet. Hinweis: Die LED PATTERN (bei Loss of Sequence Synchronization) und ALM/ERR (bei Bit Error) sind grün wenn es keine Fehler hat und rot wenn es Fehler hat. Falls es in der laufenden Messung Fehler hatte, aber im Moment keine hat, sind die LED grün mit kurzem rotem Blinken. 4.4.2 Inbetriebnahme der ganzen Übertragungsstrecke Der FSK-Modulator wird für die Messungen am Übertragungssystem mit dem PRBS-Signal betrieben. Das Störsignal (Rauschen) wird vom HP33120A Funktionsgenerator erzeugt und zum Nutzsignal (moduliertes Signal) addiert. Die Amplitude des modulierten Signals wird über das Potentiometer eingestellt (maximaler Pegel wenn Poti maximal im Uhrzeigersinn gedreht ist). Die Pegel von Nutzsignal oder Signalgemisch können am Kanalausgang nach der Bandbegrenzung auf 300... 3000 Hz mit einem True-RMS-Voltmeter gemessen werden. Daraus lässt sich der jeweilige Störabstand (S/N bzw. E B /N 0 ) ermitteln. Die demodulierten Daten werden dem -Tester zurückgeführt, der sie mit den gesendeten Daten vergleicht und die Bitfehlerrate berechnet.

9 Interface HART Modem int ern TXD RXD intern Test er HART OUT FSK Demodulator HART IN True- RMS Voltm et er int ern HF- Übertragungskanal ( Modell) Rausch- Generator G Signal Addierer Filter Abbildung 8: Messaufbau für Messungen am Gesamtsystem Es gilt: 4.4.3 Messung der Bitfehlerrate in Funktion des Störabstandes Verändern Sie mit Hilfe des Potis die Signalspannung, so dass eine grössere oder kleinere Bitfehlerrate am Bitfehlerdetektor direkt ersichtlich wird. Was für ein Verhalten des Systems fällt auf, das für die Übertragung von digitalen Signalen typisch ist? Messen Sie die Bitfehlerrate in Funktion des Störabstandes S/N bzw. E B /N 0. Was für ein E B /N 0 wird hier für eine fehlerfreie Übertragung mindestens benötigt? Was für ein Messbereich der ist hier sinnvoll? Bestimmen Sie die minimal benötigte Bandbreite ohne Rauschen. Was fällt auf, und auf was muss für diese Bandbreitenbestimmung somit geachtet werden? Vergleichen Sie diese gemessene minimal benötigte Bandbreite mit der von Ihnen in der Aufgabe 4.1 geschätzten Bandbreite des modulierten PRBS Signals.

10 4.5 Augendiagramm 4.5.1 Einführung Eine qualitative Aussage bei der Beurteilung von Digitalsignalen bietet das Augendiagramm. Es entsteht als Oszillogramm durch Übereinanderschreiben vieler einzelner Signalelemente eines Zufallsmusters, die zeitlich nacheinander auftreten, über die Dauer von einem oder mehreren Bit. Man entnimmt dem Augendiagramm eine Augenöffnung in vertikaler Richtung (û Auge ) und eine solche in horizontaler Richtung (T Auge ). Es ist eine möglichst grosse Augenöffnung in jeder Richtung anzustreben, damit die Entscheiderschaltung den Signalwert richtig bestimmen kann. Nichtidealitäten (Verzerrungen, Einschwingvorgänge, Bandbegrenzung, Rauschen, Jitter) beeinflussen die Augenöffnung. Abbildung 9: Augendiagramm mit cos2-impulsen bei einem a) binären und b) pseudoternären Digitalsignal Augendiagramm bei c) idealer Übertragung, d) Bandbegrenzung durch einen Leitungskanal, e) Überlagerung einer Rauschspannung [Quelle: Mäusl, Digitale Modulationsverfahren] 4.5.2 Messungen Bauen Sie eine Datenverbindung über das verstellbare TP-Filter auf, mit dem -Tester (und -Interface) als Quelle und Empfänger.

11 Pegelwandler Tiefpassfilt er Tester Abbildung 10: Messaufbau für das Augendiagramm Betrachten Sie das Signal vor und nach dem Tiefpassfilter auf dem. Hinweis: Für eine gute Darstellung des Augendiagramms muss beim eine gewisse Nachleuchtdauer eingestellt werden. Mit Display / Persistence Setup kann das Nachleuchten mit Persistence on eingeschaltet werden. Dabei sind Persistence Time 2s und Saturation 2% gute Einstellungen für die Darstellung dieses Augendiagramms. Verändern Sie das Augendiagramm durch Verstellen des TP-Filters, und betrachten Sie dabei die Auswirkung auf die erhaltenen Bitfehler und die Bitfehlerrate. Ab welcher Grenzfrequenz des TP-Filters gibt es Bitfehler? Vergleichen Sie diesen Wert mit der minimal benötigten Bandbreite des vorhandenen NRZ-Signals. 5 Ausrüstungen und Messgeräte Ausrüstung HART Modem ICT-4 1 -Interface ICT-4 1 Addierer und Poti ICT-4 1 ±15V-Speisegerät MN 312-2 Filter Krohn-Hite Mod. 3202 MV 203-2 Messgeräte T VePAL TX130E+ MT 201-2a Lecroy MK 230-1 2. digitale Funktionsgeneratoren HP33120A MG 231-1 und MG 231-3 Multimeter RO-334 -