POPAČENJE ANALOGNIH SIGNALOV PRI ŠTEVILSKEM PRENOSU

POPAČENJE ANALOGNIH SIGNALOV PRI ŠTEVILSKEM PRENOSU

UVOD:

Kljub temu da se vsi signali po zraku prenašajo analogno, se analogne signale pred prenosom pogosto pretvori v digitalne. Poglavitna prednost pretvorbe v digitalni signal je predvsem to, da zaradi različnih kodirnih sistemov in dodatnih varnostnih bitov in podobnih mehanizmov, signal do sprejemnika pride veliko bolje ohranjen, kot če bi pošiljali zgolj analogni signal. Vseeno pa pri velikih motnjah digitalna oblika signala odpove, medtem ko analogni, kljub slabi kvaliteti še vedno deluje. Osnovni gradniki številskega prenosa so: A/D (audio to digital) pretvornik, izvor takta, oddajnik, sprejemnik, regeneracija takta, D/A pretvorknik in nizkoprepustno sito. V našem primeru bomo A/D pretvornik priključili neposredno na D/A pretvornik, saj nas zanimajo šumi, ki jih povzroči pretvorba in ne prenosna pot. 

Osnovni gradniki številskega prenosa analognih signalov:

Pri številskem naslovu naletimo na dve omejitvi. Vzorčna frekvenca in število bitov. Vzorčna frekvenca nas omejuje, ker mora biti pasovna širina < vzor.Frek./2, kar pomeni, da za večjo pasovno širino seveda potrebujemo višjo frekvenco. Število bitov pa predvsem vpliva na natančnost pretvorbe. Več kot je bitov, bolj stopničast je digitalni signal kar pa pomeni manj prostora za napake. Stopničasto obliko digitalnega signala kasneje odstrani nizkoprepustno sito, vseeno pa zaradi zaokroževanja ostane šum. Manj kot imamo na razpolago bitov, večji je šum. Ko signal prečka sito, se na osciloskopu navidezno ne pozna razlike, vendar pa jo nekoliko bolje prikazuje spektralni analizator.

Levi graf prikazuje oddani analogni signal na spektralnem analizatorju, desni pa sprejetega. Zelo opazne so male spektralne črtice, ki so posledica šuma zaokroževanja. 

NAVODILA VAJE:

Povežemo številski izhod A/D pretvornika naravnost na vhod D/A pretvornika. Izhod D/A pretvornika peljemo hkrati na osciloskop in na visokofrekvenčni spektralni analizator, da lahko hkrati opazujemo dogajanje v časovnem in v frekvenčnem prostoru. V vaji uporabimo 8‐bitna A/D in D/A pretvornika, ki dopuščata frekvenco vzorčenja vse do 30 MHz. Čeprav sta A/D in D/A pretvornika izdelana za 8 bitov, ju za vajo lahko preklopimo tako, da uporabimo manj bitov. Povezava med A/D in D/A pretvornikoma je zato izvedena z 10 mostički. Še enostavneje pa znižanje števila uporabljenih bitov dosežemo tako, da znižamo amplitudo vhodnega analognega signala s slabilcem na izhodu sinusnega izvora. Učinkovitost ukrepa opazujemo na osciloskopu, saj ima uporabljeni A/D pretvornik vgrajeno avtomatsko regulacijo ojačanja, ki se v določenih mejah prilagaja vhodnemu signalu tako, da je vseh 8 bitov polno izkoriščeno. Za vajo si najprej oglejmo izhodni signal izvora neposredno, brez A/D in D/A pretvorb, z osciloskopom in spektralnim analizatorjem. Pri povezavi teh merilnikov upoštevamo, da je le spektralni analizator zaključen na impedanco koaksialnega kabla, vhod osciloskopa pa je visoko-ohmski. Kabel s signalom zato vodimo do T‐člena na vhodnih sponkah osciloskopa in od tam naprej do spektralnega analizatorja. Nato vstavimo enoto z A/D in D/A pretvornikoma ter opazujemo dogajanje pri različnih jakostih in različnih frekvencah vhodnega signala. Pri tem pazimo, da je slabilec na vhodu spektralnega analizatorja vedno smiselno nastavljen. Posebno pozornost si zaslužijo slučaji, ko je frekvenca vzorčenja točen mnogokratnik frekvence vhodnega signala!  Za vajo izmerimo popačenje signala, ki ga definiramo kot razmerje med močjo želenega signala in vsoto moči vseh neželenih signalov. Pri meritvi seveda upoštevamo le signale do polovice vzorčne frekvence, saj na višjih frekvencah dobimo že zrcalno sliko istega signala. Hkrati premikamo frekvenco izvora in skušamo poiskati najslabši možni slučaj, ko so neželeni signali najmočnejši. Iz slike na osciloskopu lahko hkrati razberemo, koliko bitov A/D in D/A pretvornikov sploh uporabljamo oziroma preverimo, da A/D pretvornik ni prekrmiljen. Kot končni rezultat vaje narišemo graf, ki predstavlja razmerje signal/šum kot funkcijo števila bitov A/D in D/A pretvorb.

Ilustracija poskusa: 

MERITVE:

Izračunane meritve:

Meritve iz vaj:

GRAFI:

 

KOMENTAR:

Oblika grafa je zelo nesimetrična, vseeno pa se da razbrati, da z višanjem števila bitov in številom stopnic dobivamo boljša S/N razmerja. Meritev, ki najbolj odstopa iz omenjenega trenda je prav zadnja pri 32 stopnicah. Slabo razmerje primera z 32 stopnicami pripisujem neenakomerno velikim stopnicam v prenosni funkciji, ki je tudi ena glavnih pomanjkljivosti A/D pretvornikov. Pri opravljanju meritev smo bili sicer zelo pozorni, da so bile stopnice kar se da enako velike, a je bil v primeru 32 stopnic, velik zalogaj prešteti in pripraviti priprave do tega da nam je izpisalo 32 stopnic, pri tem pa sta bili najvišja in najnižja nekoliko večji kot vse ostale. 

Največje napake v meritvah, kot v zadnjem primeru, tudi v vseh ostalih pripisujem širini stopnic, ki so po mojem mnenju povzročile največji šum. Računanje z rezultati je bilo tudi nekoliko oteženo, zaradi računanja v dBm-jih. Predvsem je bil problem, da je majhno odstopanje pri eni od meritev šuma, drastično spremenilo seštevek šuma, zaradi velikih razlik v razmerju pri nizkih visokih negativnih dBm-jih.