Теоретическая часть. Как известно, в цифровой электронике логический «0» и логическая «1» представляются соответствующими уровнями напряжения

Как известно, в цифровой электронике логический «0» и логическая «1» представляются соответствующими уровнями напряжения. Например, транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ) использует 0В в качестве логического нуля и 5В как логическую единицу (или напряжения, которые близки к данным). В других структурах (КМОП и др.) напряжения необязательно равны 0 и 5 вольт соответственно. Это говорит о том, что логические уровни могут быть представлены любыми парами напряжения на наше усмотрение – их выбор не настолько важен, как может показаться.

Особенно этот выбор важен, когда сигнал будет передаваться не в пределах одной микросхемы, а по линиям связи, таким как, например, телефонная линия. Стандартные напряжения, используемые в ТТЛ и КМОП микросхемах меньше, чем необходимо для этой цели. Более того, нахождение напряжения на одном уровне весь период длительности логического элемента может иметь отрицательное влияние. По этим причинам цифровые сигналы перед тем, как поступить в линию связи проходят через специальную операцию – перекодирование.

Существует достаточно кодов, используемых для передачи в линиях связи. Вот четыре из них :

– Non-return to zero - level (bipolar) (NRZ-L)

Оригинальный цифровой сигнал сохраняется, но сдвигается симметрично относительно 0В.

– Bi-phase - level (Bi$-L также известен как Манчестерский код)

Уровень меняется на середине длительности бита с +V на – V, если это логическая «1», и с – V на + V, если это логический «0».

– Return to zero - alternate mark inversion (RZ-AMI)

Как видно из рисунка 1, этот код использует нулевой уровень напряжения в качестве логического «0» и импульсы длиной в полбита для логической единицы. При этом, полярность импульсов чередуется (даже если единицы идут не одна за другой).

– Non-return to zero - mark (bipolar) (NRZ-M)

В этом коде напряжение меняет уровень, если поступает «1», и не меняет, если поступает «0».

Рисунок 15.1

Таблица на рисунке 15.2 отражает сравнительные характеристики этих четырех кодов по необходимой полосе частот для передачи и возможности восстановления частоты следования битов из полученного сигнала.

Рисунок 15.2

Как видно из этой таблицы, RZ-AMI код представляет собой наилучший компромисс между используемой шириной полосы передачи и способностью восстановления тактовой частоты следования битов. Поэтому, он широко используется в цифровой связи.

Восстановление тактовой частоты битов (Bit-clock regeneration).

В цифровой связи, после того, как сигнал был демодулирован приемником и очищен от помех, происходит считывание информационных битов данных. Какая бы схема и какое бы устройство не выполняло бы эту операцию, оно должно иметь тактовую частоту соответствующую тактовой частоте следования битов исходных данных. В противном случае, некоторые биты могут быть прочитаны несколько раз или же наоборот – не прочитаны совсем. Каждый из этих вариантов влечет появление ошибок обработки.

В проводных линиях связи и цифровых устройствах для этого используют отдельных провод, по которому происходит синхронизация источника и приемника. В беспроводных же линиях это невозможно, так как для этого необходимо прокладывать дополнительную линию. Одним из методов удаленной синхронизации и является метод восстановления тактовой частоты битов (bit-clock regeneration - BCR).

Самым простым методом восстановления тактовой частоты следования битов является извлечение основной гармоники из спектра сигнала. В спектре Манчестерского кода существует значащая гармоника соответствующая исходной тактовой частоте. Сигнал с такой частотой может быть выделен с помощью простого избирательного полосового фильтра.

Остальные представленные коды не имеют значащей гармоники соответствующей исходной тактовой частоте битов. Несмотря на это, их спектр представлен гармониками, которые являются производными от основной путем перемножения. Поэтому, при математической обработке сигнала(возведение в квадрат) может быть получена гармоника, соответствующая изначальной частоте битов.

После извлечения синусоиды с исходной частотой битов, она направляется в компаратор, так оцифровывается и используется как тактовая частота обработки принятых битов.

Эксперимент

1. Собрать схему, показанную на рисунке15.3:

Рисунок 15.3

Черные провода от осциллографа заземлить – т.е. вставить в ячейки GND.

2.Установить регулятор кода в положение 00.

Схема может быть представлена блочной диаграммой:

Рисунок 15.4

Цифровой сигнал с частотой 2 кГц обеспечивает синхронизацию источнику генерирования случайной последовательности. С выхода генератора последовательностей (выход Х) снимается 31-битное двоичное слово. Затем оно преобразуется с помощью кода, задаваемого регулятором (четыре сочетания 0 и 1 соответствуют четырем кодам) и подается на выход Line.

3.Запустить осциллограф NI Elvis Oscilloscope.

4. Установить следующие настройки:

-Timebase на 1ms/div

-Trigger Type на Digital

5. Активировать второй канал осциллографа и сравнить исходную и перекодированную последовательности.

6. Рассмотреть остальные три кода, последовательно переключая регуляторы от 01 до 11.

Вопрос 1:

Какой из четырех кодов является биполярным?

Вопрос 2:

Какой из кодов использует нулевое напряжение для представления логического «0»?

Вопрос 3:

Используя правило RZ-AMI кода определить количество логических «1» в отображаемой части выходной последовательности.

Часть 2. Рассмотрение сигнала в частотной области.

1. Закрыть осциллограф.

2. Запустить Dynamic Signal Analyzer VI.

3. Установите соответствующие настройки:

- Source Channel на SCOPECH1 FFT Settings

- Frequency Span на 40,000

- Resolution на 400

- Window на 7 Term B-Harris

Trigger Settings

– Type на Digital

Frequency Display

- Units на dB

- Mode на RMS

- Scale на Auto

- Voltage Range на ±10V

Averaging

- Mode to RMS

- Weighting to Exponential

- # of Averages to 3

Правильно настроенный анализатор сигнала должен показать следующую картинку:

Сравните спектральные диаграммы четырех кодов.

Одним из недостатков Манчестерского кода является то, что для его передачи требуется полоса частот в два раза шире, чем у остальных трех кодов.

Чтобы привести одно из доказательств этого, замерьте частоту первого нуля в спектре у всех четырех кодов:

Таблица 15.1

Часть 3. Восстановление частоты битов.

1. Измените уже собранную схему как показано на рисунке 15.6:

Рисунок 15.6

2. Установить регулятор Gain усилителя в среднее положение, а регулятор частоты среза фильтра fc в крайнее правое.

Данная схема может быть представлена блочной диаграммой. Настраиваемый ФНЧ используется для уменьшения полосы передачи сигнала. Перемножитель умножает сигнал на самого себя для того, чтобы придать ему прямоугольную форму. Получается произведение синусоид всех частот и их сумм и разностей. Некоторые из синусоид имеют ту же частоту, что и первоначальная последовательность битов и складываясь, они увеличивают её амплитуду.

Рисунок 15.7

3. Рассмотрите спектры полученных сигналов для всех четырех кодов.