FM_FSK_TX_prakt_NTM1_HS2010

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 werden. Zusätzlich kann ein UKW-Signal erzeugt und mit einem Radio
mit FM-Demodulator (z.B. PLL) empfangen werden.
2. Lektüre vor dem Praktikum:
Lesen sie vor dem Praktikum den Abschnitt FM Modulation im Skript Kapitel 5.3 durch.
3. Warm-up
Bestimmen sie die Amplituden der ersten 5 Spektrallinien plus Trägerlinie relativ zum
unmodulierten Träger für ein FM-Signal mit Max. Deviation  = 314 krad/s (50 kHz),
Modulationsfrequenz m = 62.8 krad/s (10 kHz). Tabelle im Anhang benutzen.
4. Aufbau und Messungen
Man könnte für diesen Versuch einen eigenen spannungsgesteuerten Oszillator aufbauen
(VCO). Wir arbeiten jedoch mit dem Signalgenerator der ESG Serie von Agilent, welche einen
FM Modulator mit externem Eingang enthält. Mit diesem kann man den LF bis UHF Bereich
mit FM-Signalen abdecken. Das an den Eingang gelegte Signal wird meist mit Amplitude
1 Vpeak an 50  festgelegt und soll i.A. DC-frei sein. Modulationsfrequenzen dürfen bei AC im
Bereich 100 Hz bis 1 MHz liegen.
FM Menü
Ext Input
Max 5 Vrms
a) Stellen sie den Generator auf 0 dBm, 2.5 MHz, RF on. Wählen sie im FM Menü FM on
und 12 kHz FM Deviation., FM Source Ext/DC.
Beachten: Eingangsimpedanz am Tor Ext Input ist 50 .
Speisen sie von einem Signalgenerator ein Rechtecksignal mit Frequenz 0.1 Hz mit
Amplitude 0 V bzw. 4 Vpp nacheinander ein und messen sie mit dem Spektrumanalyzer
die Ausgangsfrequenzen.
Bestimmen sie den Hub f (engl. Max. Deviation), aus diesen 3 Einstellungen.
Zeigen sie, dass die Anschrift FM Deviation am Generator nicht der Hub selber ist,
sondern f/Speak entspricht, also Hub pro Volt !.
!
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b) Schalten sie die FM Source auf Ext/AC um. Generieren Sie mit einem Funktionsgenerator
ein sinusförmiges Signal mit Modulationsfrequenz fm = 2 kHz und 1 Vpeak an 50 Ω (mit
Scope nachmessen) und geben es auf den Ext/AC Eingang des RF- Generator.
Betrachten sie das FM-Signal im Zeitbereich für eine FM Deviation von 100 kHz und im
Frequenzbereich für eine FM Deviation von 12 kHz.
Bestimmen sie rechnerisch den Modulationsindex βFM.
Vergleichen Sie das gemessene Spektrum mit der Theorie. Bringen sie insbesondere die
relative Grössenordnung der Spektrallinien mit der Grafik der Besselfunktionen Jn(βFM) in
Zusammenhang.
Messen und berechnen sie auch die Bandbreite des FM-Signals mit der Carsonformel.
c) Verkleinern sie die Amplitude des Modulations- bzw. Nachrichtensignals und beobachten
Sie die Veränderung des Spektrums. Was ändern sie somit eigentlich mit der „Lautstärke“
des Nachrichtensignals?
Beobachten sie insbesondere die Trägeramplitude. Für welche Amplitude verschwindet
sie? FM = 12 kHz ∙ Amplitude. βFM = FM/fm .
Wie verändert sich die Bandbreite?
d) Verändern sie die Frequenz des Modulations- bzw. Nachrichtensignals und beobachten
Sie die Veränderung des Spektrums. βFM = FM/fm
Was ändern sie in diesem Fall.
Beobachten sie insbesondere Frequenzeinstellungen, bei denen gewissen Linien
ausgelöscht werden.
Wie verändert sich die Bandbreite?
e) Generieren sie mit einem Funktionsgenerator ein 2 Vpp Rechtecksignal (an 50 Ω, DC-frei)
mit Frequenz 2 kHz und damit ein rechteckförmig moduliertes FM- Signal (Frequency Shift
Keying, FSK). Betrachten Sie es im Zeit- und im Frequenzbereich.
Welche Unterschiede gibt es zum sinusförmig modulierten FM-Signal? Wo liegen spektral
Schwerpunkte?
Messen Sie die 20 dB Bandbreite und approximieren sie sie rechnerisch mit der CarsonFormel.
f)
Stellen sie die FM Deviation auf 75 kHz ein. Generieren Sie mit dem Funktionsgenerator
(Amplitude 1Vpeak) und dem RF-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) und wählen einen unbelegten FM-Kanal.
Teil B: Digitale Luftschnittstelle
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
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Parameter sind die verwendeten Frequenzbänder, Modulations- und Multiplexing- und
Zugriffsverfahren.“ [1]
In diesem Praktikumsteil lernen wir einige Elemente am Beispiel einer älteren, einfachen
Luftschnittstelle kennen. Mehr erfahren sie dann in NTM2.
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 [4] wird heute nur noch für die Alarmierung von Feuerwehren und anderen Rettungsorganisationen und von Amateuren eingesetzt. Die deutschen Feuerwehren zum Beispiel
verwenden ca. 0.5 Mio. 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 detailliert dargestellt.
Siehe dazu Matlab Code pocsag.m und Anhang POCSAG Details.
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).
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2. Aufgabenstellung „Modulation“
a) Generieren Sie mit Matlab ein symmetrisches, periodisches, bipolares (d.h. DC-freies)
Rechtecksignal xBB(t) mit Bitperiode Tb = 1/1200 s und Amplitude A = 0.2 Vp. Dazu sollten
sie in Vorlage pocsag.m das Filter premodfil() ausschalten und z.B. die Präambel auf
Np = 20∙1200 Bits setzen.
Generieren Sie nun mit dem RF-Signalgenerator ein rechteckförmig moduliertes FM-Signal
bzw. ein periodisch umgetastetes FSK-Signal y(t) mit Mittenfrequenz f0 entsprechend der
Angabe auf dem Pager. Der Hub für die 400 MHz Geräte (mit 12.5 kHz Kanalraster) ist
Δf = ± 3 kHz (Ablagefrequenzen f0 ± 3 kHz. Für die 160 MHz Geräte (mit Kanalraster 20
kHz) soll der Hub 4.5 kHz betragen. Sendeleistung 0 dBm.
Achtung RF Generator Einstellung FM Deviation 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 (Funktion premodfil() ein/ausschalten) verwenden.
- Wählen Sie als Abtastfrequenz fs = 48 kHz, d.h. 40 Samples pro Bit-Periode Tb.
- Wählen Sie eine Signaldauer von 10 bis 30s, d.h. senden Sie 10 bis 30∙1200 Bits.
- sound(y,fs) sendet das Signal im Vektor y mit der Abtastfrequenz fs 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 aktivieren es in pocsag.m.
Senden Sie erneut von der Soundkarte und überprüfen Sie das Resultat am 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?
3. Messung der Empfindlichkeit:
Überprüfen sie die Empfindlichkeit des Pagers durch Reduktion der Sendeleistung des RF
Generators. Optional: Kalibrierung mit dem Narda Feldstärkemeter. Führen sie mehrere
Testübertragungen an der vermuteten Grenze (50% Erfolg) durch. Dazu darf kein anderer
Generator im Labor auf derselben Frequenz Träger oder Signal senden!
Vermutete Grenze berechnen: Die statische Empfindlichkeit des Pagers im Freifeld beträgt
im 2m-Band 23 dBμV/m (-102 dBm) gemessen mit einem Dipol (typischer Mittelwert über
8 Empfangsrichtungen). Gute 70 cm Empfänger haben eine Empfindlichkeit von -115 dBm.
2
PFMsig 
E(d) d2
30 G t
P ( 4 ) 2 d 2
 r min
G t Gr 2
2
aus:
Dipole Gt = Gr = 2.1 dB, Wellenlänge:  = c/f
E(d) Gr 2 PFMsign G t Gr 2
Pr (d) 

120 4
( 4 ) 2 d 2
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4. Optional: Aufgabenstellung „POCSAG-Telegramm“
a) Studieren Sie mit Hilfe des Anhangs und [3] oder der Abbildung 1 und der Unterlagen [2]
oder [3] das POCSAG- Telegramm.
b) Stellen Sie eine einfache Nachricht bestehend aus dem vorgegebenen Adress-Codewort
(500D) und dem vorgegebenen Nachrichten-Codewort (ok oder hi oder ja) zusammen
und senden Sie die Nachricht auf den Pager. Error Correction Berechnung mit Hilfe des
Anhangs BCH(31,21) oder Vorlage bch.m.
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.
c) 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- und wieviele
Random- Fehler kann der Dekoder des Herstellers im verwendeten Pager korrigieren?
Der BCH(31,21) Code selber erlaubt die Korrektur von 2 Fehlern!
d) das Synchronisationswort ist ein m-Sequenz und besitzt gute Autokorrelationseigenschaften auch gegen die Präambel [5]. Wie viele Übertragungsfehler dürfen im
Synch-Wort auftreten, ohne dass die Synchronisation verloren geht?
Referenzen
[1] http://www.it-administrator.de/lexikon/luftschnittstelle.html
[2] CCIR Recommendation 584, Annex 1 - Radiopaging Code No. 1, Exemplar Labor.
[3] http://www.sxlist.com/techref/pager/pocsag.html?key=pager&from
[4] http://de.wikipedia.org/wiki/POCSAG
[5] www.ece.umd.edu/~leandros/papers/pagsys.pdf
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Anhang Besselfunktionen für die Bestimmung des FM Spektrum
Frequenzhub:
(Deviation)
Δω = kFM·Speak
Modulationsindex: FM = Δ/m = Δf/fm
Bandbreite: B  2  (FM  1)  f m  2  (f  f m )
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Anhang POCSAG Details
Fig.: Pocsag Telegramm Struktur
Fig.: Batch (Adress Position entspr. 3 letzten Adressbits
Fig.: Frame Inhalt
Fig.:Alpha-numerische Codierung
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Anhang: BCH(31,21) Fehlerkorrektur Code
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. Der Fehlerschutz kann 2 Fehler an beliebiger Position korrigieren.
Beispiel eines 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]
X10
+X9
+X8
+X6
+X5
+X3
+1
S
p1
c
p2
p3 p4
p5
p6 p7
[ 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
p8 p9 p10