Digitale Modulation mit MFSK

Hochschule für Technik und Informatik ICT Grundlagen Fachbereich Elektro- und Kommunikationstechnik Übung ICT-4 1 Ziele der Übung Digitale Modulation mit MFSK Modellaufbau eines kompletten Datenübertragungssystems. Messungen an einem Modulator (Zeitfunktion und Spektrum). Messungen am Demodulator (minimaler Störabstand). Kennenlernen des Augendiagramms als qualitative Messgrösse. 2 Zusammenfassung Bei drahtlosen Personensuchanlagen (Pager) im 450-MHz-Bereich werden die zu übertragenden Daten zuerst einem NF-Träger aufmoduliert. Als Modulationsart wird dabei MFSK (Minimum Frequency Shift Keying) verwendet. Der HF-Träger wird anschliessend mit diesem Signal frequenzmoduliert. Details zum Verfahren können dem ICT Grundlagen Skript (Kap. 7.3) entnommen werden. Für diesen Versuch stehen ein simulierter Modulator sowie ein Demodulator zur Verfügung. Es soll nun mit Labormitteln ein komplettes Übertragungssystem (ohne HFStrecke) aufgebaut werden. Wichtige Eigenschaften der einzelnen Blöcke - Sender, Kanal und Empfänger - sind zu messen. Zum Beurteilen des gesamten Systems kann abschliessend der minimale Störabstand bestimmt werden. Anhand einer Datenübertragung ohne Modulation werden Augendiagramme, kombiniert mit entspechenden Bitfehlerraten, betrachtet. 3 Funktionsbeschreibung der einzelnen Blöcke 3.1 Übersicht "SENDER" "KANAL" "EMPFÄNGER" True-RMS- Voltmeter Us eff Ur eff Modulator LeCroy 9109 Signal Chan 2 Daten Chan 1 (Rx Signal) Demodulator DATA INPUT (clocked Data) Bitfehlerdetektion auf dem KO Rauschsignal Rausch- Generator HP33120A

2 Abbildung 1: Das Modell des Übertragungssystems (Übersicht) Der HF-Übertragungskanal wird durch einen NF-Kanal mit definierter Bandbreite und Störabstand ersetzt. Diese Vereinfachung ist einigermassen zulässig, da sich die Dämpfung des HF-Kanals bei einer FM-Übertragung nicht auf die Amplitude des demodulierten Signals auswirkt, sondern nur auf den Störabstand. Am Eingang des Demodulators ist somit ein konstantes Nutzsignal mit variablem Störabstand zu erwarten, was mit der Anordnung gemäss Bild 1 nachgebildet werden kann. 3.2 Sender Der LeCroy 9109 Arbitary Waveform (ARW) Generator (paralleles Praktikum: Sony AFG320 Arbitrary Function Generator) simuliert den Modulator. Mit dem Generator lassen sich beliebige Datensequenzen und das dazugehörige Signal erzeugen. Es sind die Betriebsarten 1 (0/1 Bitfolge) und 2 (PRBS) gespeichert. Folgende Kurvenformen sind im LeCroy gespeichert: 01MFSK.wad: - Kanal 1 0/1 Bitfolge in TTL-Pegel - Kanal 2 dazugehöriges Signal, Spannung = 0.2Vpp an 50 Ω BITSEQ_M.wad: - Kanal 1 63Bit PRBS (Pseudo Random Bit Sequence) in TTL-Pegel - Kanal 2 dazugehöriges Signal, Spannung = 0.2Vpp an 50 Ω Der Pegel des Signals ist mit einer Spannung von 0.2Vpp auf den Demodulator abgestimmt. Folgende Kurvenformen sind im Sony gespeichert: USR1: Signal einer 511-PRBS USR2: 511-PRBS-Signal USR3: Signal einer 0/1-Bitfolge USR4: 01-Bitfolge-Signal Der Pegel des Signals ist mit einer Spannung von 0.2Vpp auf den Demodulator abgestimmt. 3.3 Übertragungskanal Es soll ein typischer Sprechfunkkanal nachgebildet werden. Seine Bandbreite von 300... 3000 Hz wird durch ein einstellbares Laborfilter definiert. Da die eigentliche HF-Übertragung mit FM (Frequenzmodulation) erfolgt, darf am Empfängereingang ein kanaldämpfungsunabhängiger Nutzsignalpegel erwartet werden. Hingegen ist der Störabstand stark von der Kanaldämpfung abhängig. Um dieses Verhalten simulieren zu können, wird zum Nutzsignal im Kanal ein einstellbares Störsignal (Rauschen) addiert. Dieses Rauschsignal liefert ein "Arbitrary Function Generator", der praktisch beliebige Kurvenformen generieren kann. Beim erzeugten Rauschen handelt es sich um ein 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.

3 3.4 Empfänger Der Empfänger besteht aus einem "Single-Chip"-Modem der Firma Consumer Microcircuits Ltd (CMX469A), welches nur eine minimale Zahl externer Bauelemente benötigt. Verwendet wird nur der Demodulator-Teil der integrierten Schaltung. 4 Aufgaben 4.1 Messungen am Sender 4.1.1 Inbetriebnahme Um den LeCroy 9109 zur Simulation eines Modulators einzusetzen, müssen die gewünschten Kurvenformen in den Ausgabespeicher geladen werden. Dazu sind folgende Schritte notwendig: 1. Laden einer Kurvenform: FUNC; ARBITARY (F1); DUAL WAVE DIR (F2); <kurvenform.wad> (ev. blättern mit PAGE); LOAD; # OF REPS = 1; ENTER; GO. 2. Laden der Geräteeinstellungen: FUNC; SETUP (F3); <01MFSK.set (für 01MFSK.wad und BITSEQ_M.wad) > (ev. blättern mit PAGE); SHIFT; SETUP. Um den Sony AFG320 zur Simulation eines Modulators einzusetzen, müssen die gewünschten Kurvenformen den beiden Kanälen zugeordnet werden. Dazu sind folgende Schritte notwendig: 1. Laden einer Kurvenform: Mit CH den gewünschten Kanal wählen; FUNC; Mit den Pfeiltasten nach oben oder unten den gewünschten USR (1-4) wählen; ENTER. 2. Geräteeinstellungen: AMPL 0.2V; FREQ 2.33Hz (für USR1-2), 300Hz (für USR3-4); die Ausgänge mit CH1 und CH2 aktivieren. Betrachten Sie Datensequenz und Signal der verschiedenen Kurvenformen auf dem KO (Kurvenformen sind im Kapitel 3.2 aufgeführt). CH1 Oszilloskop CH2 Spektrum- Analysator Modulator LeCroy 9109 Signal Chan 2 Daten Chan 1 11:1 Anpassung! 50 Ohm Abbildung 2: Messaufbau zu den Sendermessungen 4.1.1 und 4.1.2 4.1.2 Messung der Amplitudenspektren des Datensignals und des Signals ACHTUNG! Das Datensignal darf nur via 11:1-Anpassung gemessen werden, da es sich um ein Logiksignal mit Gleichspannungsanteil und zu hohem Pegel handelt. Zerstörungsgefahr für den Spektrumanalysator-Eingang! Messen Sie die Amplitudenspektren in den Betriebsarten 1 (01-Bitfolge) und 2 (PRBS) Hinweis: Bei einem Spektrumanalysator sind mindestens einzustellen: Frequenzbereich (z.b. durch START FREQ und STOP FREQ) und Eingangsempffindlichkeit (durch REF LEVEL bzw. AMPLITUDE).

4 Der Advantest Spectrum Analyzer (paralleles Praktikum) wird am Anfang am besten auf die Standardkonfiguration zurückgestellt mit: RECALL / INSTRUMENT PRESET / RECALL EXECUTE. Zeichnen Sie das Amplitudenspektrum der Daten- und Signale für beide Betriebsarten auf. Hauptunterschied zwischen Betriebsart 1 und 2? 4.2 Messungen am Empfänger 4.2.1 Funktionskontrolle Da der Sender einen für den vorliegenden Demodulator geeigneten Pegel abgibt, können die beiden Schaltungsblöcke direkt zusammengeschaltet werden. Oszilloskop Modulator LeCroy 9109 Signal Chan 2 Daten Chan 1 (Rx Signal) Demodulator (clocked Data) Abbildung 3: Messaufbau für die Funktionskontrolle 4.2.1 Überprüfen Sie die Funktion des Demodulators, in dem Sie die gesendeten und empfangenen Daten in den Betriebsarten 1 und 2 miteinander vergleichen. Weshalb ist die Überprüfung in der Betriebsart 2 (PRBS) nicht möglich? 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. 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 = 8Vpp Offset = 0V

5 Spektrum- Analysator 50 Ohm 11:1 Anpassung Rausch- Generator HP33120A "KANAL" Abbildung 4: Messaufbau für die Rauschmessungen ACHTUNG! Das Spektrum des Rauschsignals darf nur mit der 11:1 Anpassung gemessen werden, da es sonst einen zu hohen Pegel aufweist. Zerstörungsgefahr für den Spektrumanalysator-Eingang! Messen Sie das Rauschspektrum am Generator-Ausgang. Messen sie das Rauschspektrum am Ausgang des Übertragungskanals. Der Abgriff des Potis soll dabei auf 100% stehen. Welche Aussagen sind über diese Rauschsignale möglich? 4.4 Messungen am Übertragungssystem 4.4.1 Inbetriebnahme Der Modulator (LeCroy 9109) (paralleles Praktikum Sony AFG320) wird für die Messungen am Übertragungssystem mit dem Signal einer 0/1-Bitfolge betrieben. Das Störsignal (Rauschen) wird vom HP33120A Funktionsgenerator erzeugt. Der Pegel des Rauschens wird zum Nutzsignal addiert und ist über das Potentiometer einzustellen. Die Pegel von Nutzsignal, Störsignal 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. Es gilt:. E B U = R 2 seff T Bit und N 0 = U 2 reff R B Kanal S N U = 20 lg U eff [ db] reff s bzw. E N B 0 = S N B + 10 lg f Kanal [ db] [ db] Bit Das Auftreten von Bitfehlern kann grob mit der demodulierten 0/1-Bitfolge auf dem Oszilloskop ermittelt werden.

6 True-RMS- Voltmeter Us eff Ur eff CH1 Oszilloskop CH2 Modulator LeCroy 9109 Signal Chan 2 Daten Chan 1 (Rx Signgal) Demodulator (clocked Data) (Rx Sync) DATA INPUT Bitfehlerdetektion auf dem KO Rauschsignal Rausch- Generator HP33120A Abbildung 5: Messaufbau für Messungen am Gesamtsystem (Bitfehler) 4.4.2 Messung des minimalen Störabstandes für eine gute Übertragung Verändern Sie die Rauschspannung, so dass Bitfehler entstehen. Bestimmen Sie, bis zu welchem Störabstand keine Bitfehler ersichtlich sind. 4.4.3 Messung der minimal benötigten Bandbreite Reduzieren Sie ohne Rauschen das Bandpassfilter auf die minimal benötigte Bandbreite, so dass keine Bitfehler ersichtlich sind. Vergleichen Sie das Ergebnis mit dem bereits gemessenen Amplitudenspektrum des Signals der 0/1-Bitfolge. 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) beinflussen die Augenöffnung.

7 Abbildung 6: Augendiagramm mit cos 2 -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 Demonstration durch den Betreuer 5 Messgeräte Demodulator -2- -1-5V/±15V-Speisegerät MN 202-1 MN 202-2 Addierer 1kΩ-Poti Oszilloskop Agilent DSO1022A MK 220-1 MK 220-2 Spectrum Analyzer HP 3589A MA 217-1 Spectrum Analyser Advantest R3265 MA 209-1 11:1 Anpassung (und DC-Block) Funktionsgenerator LeCroy 9109 MG 225-1 Funktionsgenerator Sony AFG320 MG 213-1 Funktionsgenerator HP33120A MG231-1 MG 231-3 Filter Krohn-Hite Mod. 3202 MV 203-1 MV 203-2

8 Multimeter HP 34401A (True-RMS) MM 219-1 MM 217-1