FM_FSK_TX_prakt_NTM1_HS2009

ZHAW, NTM1,kunr 1
Praktikum 4: Frequenzmodulation
Teil A: Analoge FM
1. Allgemeines
In diesem Praktikum sollen sinusförmig modulierte FM-Signale im Zeit- und Frequenzbereich
analysiert werden.
Die FM-Signale können durch externe Modulation der Momentanfrequenz eines VCO’s
erzeugt und mit einem PLL demoduliert werden.
Zusätzlich kann mit einem Signalgenerator ein UKW-Signal erzeugt werden.
2. Versuchsschaltung
In diesem Praktikum steht eine kleine Versuchsschaltung mit einem IC zur Verfügung,
der einen VCO und einen PLL enthält, siehe Beilage.
3. Aufgabenstellung
Modulation
a) Messen Sie die Frequenz f0 des VCO’s auf der Versuchsschaltung.
b) Messen Sie die FM-Konstante kFM [Hz/V] des VCOs, indem Sie am Modulationseingang
eine einstellbare DC-Spannungsquelle anlegen und die Änderung der Frequenz messen.
Überprüfen Sie mit einigen Messpunkten, ob der Zusammenhang zwischen Frequenz
und Spannung linear ist.
c) Generieren Sie mit einem Funktionsgenerator und dem VCO ein sinusförmig moduliertes
FM-Signal und betrachten Sie es im Zeit- und im Frequenzbereich. Wählen Sie eine
Modulationsfrequenz von fm = 1 kHz oder fm = 2 kHz.
Bestimmen Sie den Modulationsindex βFM und vergleichen Sie das gemessene Spektrum
mit der Theorie. Bringen Sie insbesondere die gemessenen Werte mit einer Grafik der
Besselfunktionen Jn(βFM) in Zusammenhang.
Messen und berechnen Sie auch die Bandbreite des FM-Signals.
d) Verändern Sie die Amplitude des Modulations- bzw. Nachrichtensignals und beobachten
Sie die Veränderung des Spektrums.
Beobachten Sie insbesondere die Trägeramplitude. Für welche Modulationsindizes βFM
verschwindet sie?
Wie verändert sich die Bandbreite?
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e) Verändern Sie die Frequenz des Modulations- bzw. Nachrichtensignals und beobachten
Sie die Veränderung des Spektrums.
f)
Generieren Sie mit einem Funktionsgenerator und dem VCO ein rechteckförmig
moduliertes FM- bzw. ein FSK-Signal und betrachten Sie es im Zeit- und im Frequenzbereich.
Welche Unterschiede gibt es zum sinusförmig modulierten FM-Signal?
Messen Sie die Bandbreite und approximieren Sie sie auch mit der Carson-Formel.
g) Generieren Sie mit dem Signalgenerator ein sinusförmig moduliertes UKW-Signal und
empfangen Sie es mit einem FM-Radio. Bitte halten Sie die Störungen anderer Hörer
minimal (max. 10 dBm Sendeleistung).
Teil B: Digitale Luftschnittstelle
Referenzen
[1] http://www.it-administrator.de/lexikon/luftschnittstelle.html
[2] CCIR Recommendation 584, Annex 1 - Radiopaging Code No. 1, siehe Beilage.
[3] http://www.sxlist.com/techref/pager/pocsag.html?key=pager&from
1. Einleitung und Zielsetzung
„Als Luftschnittstelle bezeichnet man im Mobilfunk die Gesamtheit aller übertragungsrelevanten Parameter auf physikalischer Ebene, d.h. die Standard-Schnittstelle für die Übertragung über das Medium Luft. Sie entspricht damit der Bitübertragungsschicht
(engl. Physical Layer) im OSI-Modell drahtgebundener Netzwerke. Übertragungsrelevante
Parameter sind die verwendeten Frequenzbänder, Modulations- und Multiplexing- und
Zugriffsverfahren.“ [1]
In diesem Praktikum lernen wir die Elemente einer Luftschnittstelle am Beispiel einer älteren,
einfachen Luftschnittstelle kennen. Dieses Praktikum soll helfen, die „Theorie“ später besser
zu verstehen.
Die POCSAG-Luftschnittstelle wurde in den frühen 80er Jahren von einem Industriekonsortium
unter der Federführung des britischen Post-Office als Standard für digitales Paging
vorgeschlagen. POCSAG steht für Post Office Code Standardization Advisory Group. Die
POCSAG-Luftschnittstelle ist vom CCIR (heute ITU-R) als Empfehlung anerkannt worden [2].
Die POCSAG-Luftschnittstelle ist um Grössenordnungen weniger komplex als die Luftschnittstellen modernerer Mobilfunksysteme wie z.B. GSM und eignet sich deshalb gut
für einen „praktischen“ Einstieg in die digitale Mobilkommunikation.
Paging wird heute nur noch für die Alarmierung von Feuerwehren und anderen Rettungsorganisationen eingesetzt. Die deutschen Feuerwehren zum Beispiel verwenden ca. 0.5 Mio.
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Meldeempfänger (Pager). In der digitalen Alarmierung wird heute fast ausschliesslich
POCSAG eingesetzt.
In diesem Praktikumsversuch sollen mit Matlab alphanumerische Meldungen auf dem PC
generiert und via (NF-) Soundkarte und (HF-) Signalgenerator auf einen POCSAG-Pager
gesendet werden. In Abbildung 1 ist der entsprechende Sendepfad dargestellt.
PC
binär /
bipolar
Präambel, Sync-/Idle-/Adr-CW
Upsampling
RechteckPuls
x[n]
Mux
Quelle
Tb
Kanalencoder
BCH (31,21,5)
even parity
ASCII (7 Bit)
xBB[n]
Prämod-Filter
(Bessel, 4. Ord.)
fg=2·R
DAC
R=1200 b/s
xBB(t)
48 kS/s
y(t)
POCSAG
Signalgenerator
PCSoundkarte
fs = 48 kHz
Pager
FM / FSK
f0 = 440.050 MHz
0 => +3 kHz
1 => -3 kHz
KO
Abb.1:
fs/R
(-1)x[n]
SA
Sendepfad mit Digitalteil (PC/Matlab) und HF-Teil (Signalgenerator).
2. Aufgabenstellung „Modulation“
a) Generieren Sie mit Matlab ein symmetrisches, periodisches, bipolares Rechtecksignal
xBB(t) mit Bitperiode Tb = 1/1200 s und Amplitude A = 0.2 Vp.
Generieren Sie mit einem Signalgenerator ein rechteckförmig moduliertes FM-Signal bzw.
ein periodisch umgetastetes FSK-Signal y(t) mit Mittenfrequenz f0 = 440.05 MHz, Hub Δf =
± 3 kHz (Ablagefrequenzen f0 ± 3 kHz) und Leistung 0 dBm.
Achtung RF Generator Einstellung Dev entspricht Hub/Volt  15 kHz einstellen
Messen Sie das Spektrum des FSK-Signals y(t) und die Bandbreite B. Vergleichen Sie B
mit der Carson-Bandbreite.
Wieviele dBc kleiner ist das Sendespektrum IY(f)I in der Mitte des Nachbarkanals bei f 1 = f0
+ 12.5 kHz und an den Rändern bei f1 ± 6.25 kHz im Vergleich zu max{IY(f)I} ?
Hinweise:
- Sie können xBB(t) auch mit dem Funktionsgenerator erzeugen, die Messungen
machen und anschliessend mit Matlab zu arbeiten beginnen.
- Sie können die Vorlage pocsag.m verwenden.
- Wählen Sie als Abtastfrequenz fs = 48 kHz, d.h. 40 Samples pro Bit-Periode Tb.
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- Wählen Sie eine Signaldauer von 30s, d.h. senden Sie 30∙1200 Bits.
- sound(y,fs) sendet das Signal im Vektor y mit der Abtastfrequenz f s auf die
Soundkarte. Die y-Werte müssen im Bereich -1.0 ≤ y ≤ 1.0 liegen.
- Konfiguration der Soundkarte via Systemsteuerung, Sounds und Audiogeräte.
- Verwenden Sie die AC-Kopplung am Eingang des Signalgenerators.
b) Filtern Sie das Rechtecksignal mit dem Prämodulations-Filter (Pulse Shaping). Kopieren
Sie dazu die Funktion premodfil() in Ihr Arbeitsverzeichnis und
verwenden Sie help premodfil für Hilfe.
Senden Sie dann N = 30·1200 Bits auf die Soundkarte und überprüfen Sie das Resultat
auf dem Oszilloskop.
Beschreiben Sie den Einfluss des Prämodulationsfilters auf das Spektrum und
insbesondere auf die Bandbreite B sowie die Nachbarkanäle. Wie gross ist die
Sendeamplitude noch im Nachbarkanal bei f = f0 ± 12.5 kHz im Vergleich zur maximalen
Sendeamplitude?
Ersetzen Sie das Pulse Shaping Filter einmal durch ein linearphasiges FIR-Filter.
3. Aufgabenstellung „POCSAG-Telegramm“
c) Studieren Sie mit Hilfe der Abbildung 1 und der Unterlagen [2] oder [3] das POCSAGTelegramm.
d) Stellen Sie eine einfache Nachricht bestehend aus dem vorgegebenen Adress-Codewort
(500D) und dem vorgegebenen Nachrichten-Codewort (ok) zusammen
und senden Sie die Nachricht auf den Pager.
Betrachten Sie das Basisbandsignal auf dem Oszilloskop und kontrollieren Sie das
Spektrum.
Was geschieht, wenn Sie die Präambel nur 100 Bit lang machen?
Hinweis: Wiederholen Sie die Übertragung mehrmals.
e) Simulieren Sie einen Übertragungsfehler, indem Sie ein oder mehrere Bit im Adressund/oder Nachrichten-Codewort der Nachricht vor der Aussendung invertieren.
Was stellen Sie beim Empfang der Meldung fest? Spielt es eine Rolle, ob sich ein Fehler
im Info- oder im Parity-Teil eines Codeworts befindet? Wieviele (Burst-) Fehler kann der
Dekoder im Pager korrigieren?
f)
Berechnen Sie mit Matlab die Autokorrelationsfunktion der bipolaren Synchronisationsfolge. Wie gross ist das peak-to-off-peak-Verhältnis?
Wie verändert sich das Verhältnis, wenn die Korrelation beim realen Empfang über die
Synchronisationsfolge und die Präambel gebildet wird?
Wie viele Übertragungsfehler dürfen im Synch-Wort auftreten, ohne dass die
Synchronisation verloren geht?
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4. Weiterführende Themen
Für den Fehlerschutz wird bei POCSAG ein BCH-Blockencoder verwendet, der 21 Info-Bits
in 31 Codebits encodiert, siehe [2]. Der Encoder kann mit dem in Abbildung 2
dargestellten, rückgekoppelten Schieberegister realisiert werden. Das in [2] gegebene
Generator-Polynom bestimmt die Rückführungen.
Überprüfen Sie das richtige Funktionieren an Hand des folgenden Adress-Codeworts
(Flag-Bit ganz links, Even-Parity-Bit ganz rechts):
[0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 0 1 0 0 1 1]
Welchen Einfluss hat der Kanalencoder bzw. der Fehlerschutz auf die Nettodatenrate?
X10
+X9
+X8
+X6
+X5
+X3
+1
S
p1
c
p2
p3 p4
p5
p6 p7
p8 p9 p10
[ Info-Bits 1-21]
S
c = [ Info-Bits 1-21 Parity-Bits p1 … p10 ]
even-Parity-Bit fehlt noch !
Modulo 2 Addition (XOR)
S Schalterstellung für Info-Bits 1-21 eines Codeworts
Andere Schalterstellung für Parity-Bits 22-31 eines Codeworts
Abb. 2: (31,21) BCH-Encoder.
a) Implementieren Sie nun den POCSAG-Kanalencoder. Testen Sie das korrekte
Funktionieren z.B. mit dem idle-Codewort, das auch ein gültiges Codewort ist.
Stellen Sie eine eigene Meldung bestehend aus 2 ASCII 7-Bit-Zeichen (und 6 Nullen)
zusammen und senden Sie die Meldung auf den Pager.
b) Wiederholen Sie die Aussendung 2-3 Mal mit einer Sendeleistung knapp über der
Empfindlichkeitsgrenze.
Überprüfen Sie den Einfluss auf die Reichweite und die Lesbarkeit der Meldung.
Hinweis: Die statische Empfindlichkeit des Pagers im Freifeld beträgt im 2m-Band 23
dBμV/m gemessen mit einem Dipol (typischer Mittelwert über 8 Empfangsrichtungen).
2
E(d) G r 2
Pr (d) 
120 4
Dipol Gr = 2.1 dB, Wellenlänge:  = c/f
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Frequenzhub: Δω = kFM·Speak
(Deviation)
Mod.index:
FM = Δf/fm
B  2  (FM  1)  f m  2  (f  f m )