Mérési útmutató az Újgenerációs hálózatok szakirány Labor 1 méréseihez System View bevezető mérés Mérés helye: Hálózati rendszerek és Szolgáltatások Tanszék Mobil Kommunikáció és Kvantumtechnológiák Laboratórium I.B.113. Összeállította: Dr. Jeney Gábor, Tudományos főmunkatárs Dr. Imre Sándor, Egyetemi tanár Frissítette: Jakó Zoltán, PhD hallgató Utolsó módosítás: 2013. szeptember 02. 1
1. Bevezetés A System View program segítségével a blokkokból építkező rendszerek gyorsan és hatékonyan megvalósíthatóak. A bevezető mérés célja az, hogy megismertesse a hallgatókat a System View kezelői felületével, specialitásaival, a lehetőségek sokaságával. Figyelem: a bevezető mérésre minden további mérés erősen épít, ezért mindenkinek ajánljuk annak alapos elvégzését! A feladatok összeállításánál arra törekedtünk, hogy mindenből adjanak egy rövidke ízelítőt, a teljesség igénye nélkül. Azonban tekintettel a téma komplexitására mindent lehetetlen belezsúfolni ebbe az egy mérésbe, ezért bizonyos dolgok esetleg csak egy későbbi mérésen kerülnek majd elő. 2. A mérésekről általában A mérések eszköze a számítógép. Semmi más nem szükséges a mérések elvégzéséhez (nem kell papír, se írószer, se vonalzó se számológép). A mérést a System View szimulációs programmal végezzük, a jegyzőkönyv készítéséhez pedig a Libre office aktuális verzióját kell használni, mely utóbbinak felhasználói szintű ismeretét feltételezzük minden egyes hallgatóról. A számítógépbe való bejelentkezéshez használja a mcl / mcl felhasználónév és jelszó párost. Bejelentkezést követően indítsa el a System View programot, valamint a labor oldaláról nyissa meg a mérési útmutatót (vagy akár az otthon kinyomtatott példányát is használhatja). A méréshez használható jegyzőkönyv sablont is a labor weboldalán találja. A méréshez a Mobil Kommunikáció és Kvantumtechnológiák Laboratórium hallgatói számítógépeit kell használni, melyek a laborba bejáratánál elhelyezkedő asztalon lévő fekete színű számítógépeket jelölik. A gépeken Windows 7 operációs rendszer fut. 3. A System View szimulációs program A System View az Elanix Inc. software cég terméke. A System View kereskedelmi termék, használatához érvényes liszensszel kell rendelkezni, a program tehát szabadon nem terjeszthető. Ha valakinek mégis megtetszett és használni szeretné tanulmányaihoz, az egyetemen belül (a lokális hálózaton) az lehetséges, a részletek tisztázása végett egyeztessen a mérésvezetővel. A System View program használatán alapuló mérések célja, hogy a hallgatók saját maguk építsék fel a régebben tanult alapvető kapcsolásokat, kísérletezve sajátíthassák el az alapvető fizikai szabályokat. A program ehhez a feladathoz igen jó hátteret ad, mert egyszerű kezelhetőségének köszönhetően könnyű elsajátítani használatát és a kapott eredmények átláthatósága szemléletesen segíti azok megértését. A program két fő részből áll: a rendszerablakból és az analízisablakból. A rendszerablak a kapcsolások összeállítására szolgál, az analízisablakban tekinthetjük meg a kapott eredményeket. A program futtatásakor csak az előbbi jelenik meg. A szimuláció futtatása után van lehetőségünk a második ablak megnyitására. Az építkezés blokkszinten történik. A program mindenféle blokkokat tartalmaz, amelyekből a 2
komplett rendszer felépíthető. Az egyes blokkok csoportokba, ún. könyvtárakba vannak sorolva. A kívánt blokkcsoportot a képernyő bal oldalán található oszlopból választhatjuk ki. Néhány főbb csoport elemet itt felsorolunk, melyek a mérésekben fontosak lehetnek és sokszor fordulnak elő, a teljesség igénye nélkül (a funkciókat néhol csak röviden foglaljuk össze, mert azok az esetek nagy százalékban egyértelműek): Források (Source): ezen belül tálalhatók a szinuszos, négyszög, fűrészjel generátorok, másik nagy csoportjukba tartoznak a zajforrások, valamint az aperiodikus jelek, Dirac-impulzus, egység ugrás, stb. MetaSys: lehetőségünk van a felhasználó által felépített rendszer egyetlen blokká történő definiálására, majd utána blokként hivatkozni rá, és építkezni belőle. Ez olyan esetekben lehet hasznos, ha egy sok blokkból álló alrendszert akarunk ismételni, többször beépíteni, mint például a későbbiekben a szórt spektrumú rendszerek vizsgálatánál azt az adóknál fogjuk tenni. Összegző (Adder): kettő, vagy több jel összegét állítja elő. Meta I/O: ha alrendszert definiálunk, akkor ezekkel a blokkokkal adhatjuk meg az alrendszer bemeneti és kimeneti pontjait. Operátorok (Operator): ezen belül találhatók a szűrők, mintavevők, integrátorok, késleltetők, logikai elemek, erősítők, stb. Függvények (Function): ezen belül vannak a nemlineáris elemek, mint limiter, abszolút érték, kvantáló, továbbá matematikai függvények, komplex műveleteket végző blokkok, fázis, frekvencia modulátorok, algebrai függvények, stb. Többek között bármilyen maximum ötödfokú polinom összerakható. Szorzó (Multiplier): kettő, vagy több jel szorzatát állítja elő Megfigyelő pontok (Sink): avagy nyelők. Segítségükkel a rendszer különböző pontjain lehetőségünk van megfigyeléseket végezni. Bárhová elhelyezhetőek, a megfigyelni kívánt ponthoz csatlakoztatva őket kiválaszthatjuk, hogy milyen módon szeretnénk az adott rendszerállapotot követni. Lehetőségünk van diagram formájában, csak az utolsó értékkel, vagy folytonosan követni bármely változót. A következő blokkcsoportok akkor válnak láthatóvá, ha a bal oldalon felül lévő, három apró kockát tartalmazó gombot megnyomjuk. Kommunikációs rendszerelemek (Comm): itt a kódolók, dekódolók, modulátorok, demodulátorok, csatornamodellek találhatók. Ezt az elemet a Main feliratú gomb megnyomása után lehet előcsalogatni. Még további blokk csoportokat is láthatunk, amelyeket nem fogunk használni a mérések során, így azokat nem részletezzük! Részletekért lásd az SVUGuide.pdf fájlt! A megfelelő blokkcsoport kiválasztása után ki kell választani a kívánt blokkot, majd annak paramétereit be kell állítani, mert a program e nélkül nem engedi a blokkot beilleszteni a rendszerbe. A blokk kiválasztásra akkor adódik alkalom, ha duplán rákattintunk a rendszerelemre, ekkor egy apró ablak jelenik meg a képernyőn. A megfelelő blokk kiválasztása után a Parameters... gomb megnyomásával állíthatjuk be az eszköz paramétereit. A rendszer szimulációjának lefuttatása egy zöld háromszöget tartalmazó gomb megnyomásával lehetséges. A futtatás után annak érdekében, hogy láthassuk az eredményt, át kell váltani a program másik ablakára az 3
analízisablakra, amely négy kockát tartalmazó ikonra kattintással lehetséges. Ne felejtsük el minden futtatás után frissíteni az analízisablak tartalmát a bal felső sarokban látható kék gombbal, mert az automatikusan nem történik meg. Ebben az ablakban a kapott eredményeket tekinthetjük meg, illetve szerkeszthetjük. A bal alsó sarokban található ikonra kattintva egy új ablak jelenik meg, amelyben lehetőségünk adódik eredményeinken matematikai műveleteket végrehajtani, vagy akár több grafikont egymásra helyezni. Ide tartozik például a jel spektrumának meghatározása több módon is, keresztkorreláció, autokorreláció számítása, két diagram összeszerkesztése, vertikális, horizontális tükrözés, nyújtás, zsugorítás és amit csak el lehet képzelni. A felső ikonsor jobb szélén lévő, apró piros, sárga, kék kockát tartalmazó ikonnal térhetünk vissza a rendszerablakhoz, vagy egyszerűen a tálcát használva. A felépített rendszer elmenthető több módon is. Egyrészt lehetőségünk van az egyes blokkok leírását, paramétereit és struktúráját (azaz magát a kapcsolást) elmenteni, hogyha a későbbiekben is szükségünk lenne rá, módja a szokásos File Save menüpontban lehetséges. Másrészt a rendszer és az analízisablak képe elmenthető bitmap formátumban, az Edit Copy System as Bitmap menüpontban. Ez utóbbi azért hasznos, mert a jegyzőkönyv áttekinthetőbbé válik, ha nem fájlokra hivatkozik az ember, hanem egyből láthatóvá is teszi az eredményeket. Az analízisablak eredményeinek tartalma is elmenthető metafile formátumban, vagy adatrengetegként is. Mindenkit megkérünk, hogy a jegyzőkönyvet ezek használatával, tehát az ábrák beillesztésével készítse el! Hivatkozások felkutatására nincs lehetőségünk, mert a mérési jegyzőkönyvön kívül az összes adatot törli a gép! 3.1. Elméleti összefoglaló Minden diszkrét rendszer kritikus pontja a mintavételi frekvencia, amely azt írja le, hogy egy adott jelsorozatból milyen gyakorisággal veszünk mintákat. A mintavételi időpontok közötti jelalak változások információtartalma ezáltal elvész a diszkrét rendszerekben. A számítógépes szimulációs programok fizikai adottságuknál fogva csak diszkrét mintákat tárolhatnak. Nincs ez másképp a System View-nál sem, ahol központi kérdés a mintavételi frekvencia helyes megválasztása. Ezt a paramétert a rendszerablak fehér stopperórát tartalmazó ikonjára kattintva lehet beállítani. A következő paraméterek közül lehet egyet, vagy többet beállítani: Mintavételi frekvencia (minta/sec.) Minták száma (db) Indítási idő Leállítási idő Minták közötti távolság (sec) Frekvencia felbontás Nyilvánvaló, hogy a fenti értékek erős korreláltságban vannak, a program csak azért ajánl fel ennyi lehetőséget, hogy ne legyen szükség plusz kalkulációkra, bármely érték(ek)et beállíthatjuk és a többi annak megfelelően generálódik. A beállítás során figyelembe kell vennünk a fent említett információvesztés lehetőségét, illetve azt is, 4
hogy a feleslegesen sűrűn vett minták túl sok memóriát foglalnak, és feleslegesen növelik a szimuláció számításigényét. Gondolja meg, hogyan számolná át egyik paraméter(eke)t a másikba. A beugrón előfordulhat hasonló kérdés. Fontos továbbá az ún. Nyquist-kritérium betartása, amely azt mondja ki, hogy a mintavételi frekvencia felénél kisebb frekvenciájú jelösszetevők állíthatók csak tökéletesen vissza a mintavételezett jelfolyamból. Tehát, ha pl. 10 Hz-es a forrás jele, akkor f s > 20 Hz kell, hogy legyen, ahhoz, hogy lássunk is valamit belőle. Ha a mintavételező áramkörre a mintavételi frekvencia felénél nagyobb frekvenciájú jel jut, akkor jön létre a spektrumátlapolódás jelensége, amit aliasingnak is szokás nevezni. Ez azt jelenti, hogy a mintavételező áramkör után olyan frekvenciákat fogunk mérni, ami valójában nincs is ott. Erre látunk egy példát az 1. ábrán. A folytonos vonal a magas frekvenciájú komponenst jelöli, a vastag vonalak a mintavételezett jelsorozatot adják, míg a szaggatott vonal az egyik aliasing jel az alapsávban. Bizonyítható, hogy végtelen sok aliasing összetevő illeszthető a mintasorozatra, de ezt most nem részletezzük. Mindig ügyeljünk hát a nem kívánatos komponensek távol tartására, egyszerű megoldást jelenthet például egy analóg aluláteresztő szűrő alkalmazása a szükséges helyeken. 1. ábra: Az aliasing megjelenése hírközlő rendszerekben Összefoglalva az eddigieket, a System View egy blokkokból építkező felhasználóbarát környezetet nyújt a szimulációkhoz. A blokkok a korábban részletezett módon különböző egyszerű eszközöket reprezentálnak (például: szorzó egység, FM modulátor, vagy éppenséggel digitális jelfeldolgozó egység), melyeknek minden lehetséges paramétere állítható. A blokkok egymással irányítottan összeköthetőek, így épül fel a szimulált áramkör, vagy hálózat. A mintavételi frekvencia beállításakor körültekintően kell eljárni, nem szabad figyelmen kívül hagyni a hálózat paramétereit, adottságait. A következőkben néhány, a bevezető mérés elvégzéséhez feltétlenül szükséges korábban tanult fogalmat és kapcsolást elevenítünk fel. Fáziszárt hurok A fáziszárt hurok egy olyan szabályozó egység, amely a visszacsatolása segítségével képes egy adott jelalakot fázishelyesen követni (innen a kifejezés). Blokkdiagramja az alábbi: 5
2. ábra: A PLL felépítése Az ábrán a PD a fázis detektort jelöli, az LPF az aluláteresztő szűrő, a VCO a feszültségvezérelt oszcillátor. Mivel nem célunk részletesen tárgyalni ezt a témát, ha az előző mondat kínainak tűnik, akkor forrón ajánlom bármely elektronika könyv ide vonatkozó fejezetét (pl. Tietze, Schenk: Analóg és digitális áramkörök / 26.4 Fáziszárt hurok). Figyelem: ezt biztosan meg fogom kérdezni a beugrón! 16QAM moduláció Egy digitális modulációs eljárás, ahol az átvinni kívánt szimbólum az aktuális amplitúdóban és fázisban egyszerre van kódolva. Konstellációs diagramja a következőképpen néz ki: 3. ábra: A 16QAM lehetséges állapotai A karikák az egyes állapotokat reprezentálják, a két tengelyen a kisugárzott jel komplex alapsávi ekvivalensének valós és képzetes részét (kvadratúra komponenseit) vesszük fel. Szaggatott vonallal a döntési határokat jelöltem. Megvalósítását tekintve annyi a feladatunk, hogy mind a fázisban lévő, mind a kvadratúra komponensben a négy jelszintet biztosítsuk valamilyen módon. További részletekért ajánlom a Géher Károly: Híradástechnika könyvének ide vonatkozó fejezeteit (12. Digitális modulációs eljárások és 16. Pont-pont közötti összeköttetések) Figyelem! Erre is rá fogok kérdezni a beugrón! 6
FM demodulátorok A téma komplexitására való tekintettel, itt csak a PLL-lel történő megvalósításra térünk ki. További részletekért lásd Hainzmann-Varga-Zoltai: Elektronikus áramkörök című könyvének 25.2 Frekvenciamoduláció című fejezetét. Általános értelemben csak annyit, hogy FM modulációs eljárásnál az információt a jel frekvenciája hordozza. A visszaállítás egy lehetséges módja a PLL alkalmazása, úgy, hogy a vivőfrekvenciára hangolt VCO jelét és a csatornáról érkező jelet kötjük a fázisdetektorra, és az aluláteresztő szűrő kimenete (hibajel) lesz a demodulált jel maga. (Részletesebben lásd fenti könyv 25.3 Demodulátorok fejezete) Az alapelv rendkívül fontos, ne felejtsük el, hogy lesz beugró! 4. Tippek a System View gyorsabb használatához A mérés ideje alatt a feladatok elvégzésére fordítható idő elegendő, de nem árt néhány fortélyt és trükköt észben tartani a gyorsabb jegyzőkönyv szerkesztéshez. A Demo futtatásával ezek többségére nem lehet rájönni. Az egyes blokkok közötti összeköttetések azonosítása néha nehézkes, mert előfordul, hogy a program egy harmadik blokk alá rajzolja az összekötő vezetéket. Ez sajnos az esetek többségében nem is korrigálható. Az összeköttetések hovatartozásának megállapítása úgy lehetséges, ha megvizsgáljuk azok színét, mivel az egyes blokkcsoportokhoz tartozó blokkok színe és a kimenetükből induló vezetékek színe megegyezik. Összeköttetés létesítése nem csak az összekötő ikonra kattintva lehetséges, annak létezik egy gyorsabb módja is. A Control billentyű nyomva tartása mellett rá kell kattintani a megfelelő sorrendben az összekötni kívánt blokkokra. Hasonlóképpen összeköttetés bontása a blokkok között: a Shift gombot lenyomva kell rákattintani a megfelelő sorrendben a szétbontani kívánt blokkokra. Egy blokkra jobb gombbal kattintva egy kis menü jelenik meg, amelynek egyes pontjaiban megváltoztathatjuk az eszköz paramétereit, vagy megkétszerezhetjük azt (ha többször van ugyanarra a blokkra szükségünk), törölhetjük, illetve megfordíthatjuk az orientációját, amivel néha segíthetünk az összekötések kesze-kuszaságán. A minták számának beállítása után érdemes a futási időre is rákattintani, mert nem mindig a számunkra egyértelmű módon változnak meg az értékek. Az analízis ablakban a bal alsó sarokban található ikonra kattintva az egyes ablakokban lévő diagramokon végezhetünk átalakítást. Pl: meghatározható a spektrum, FFT, két diagramot egybe tudunk ültetni úgy, hogy a két tengelyen a két eredmény értékei vannak, ezt a funkciót célszerű használni a konstellációs diagram készítésénél. Az analízis ablakban a futási időtől függően előfordulhat, hogy annyira sok értéket ábrázol a program, hogy azok nem különböztethetők meg egymástól. Ilyen esetekben jól használható a nagyító funkció. A kívánt részt az egérrel kijelölhetjük, majd az egeret elengedve a kijelölt rész lesz látható az ablakban. Ha nagyon elvesznénk a részletekben, a Rescale funkcióval visszaállíthatjuk az eredeti állapotokat. A kirajzolt diagramok egy diagramra rajzolhatók, az egér drag-and-drop funkcióját használva. 7
5. Ellenőrző kérdések 1. Ha adott a mérés indítási (t start ) és leállítási (t stop ) ideje, valamint a minták száma (N), akkor hogyan számítaná ki a frekvencia felbontást ( f min )? 2. Milyen viszonyban vannak egymással a következő mennyiségek: minták közötti távolság (T), mintavételi frekvencia (f s ), valamint a frekvencia felbontás ( f min )? 3. Hogyan néz ki egy tipikus PLL áramkör? Milyen eszközt szoktak leggyakrabban alkalmazni fázisdetektorként? 4. Rajzolja fel az alábbi modulációs eljárások konstellációs diagramját: 16QAM, QPSK, QAM. Mi a különbség az utóbbi kettő között? 5. Fehér Gauss zajú csatornát feltételezve hová kell rajzolnunk a döntési felületeket az előző feladat esetében? 6. Hogyan kell PLL-ből FM demodulátort készíteni? Rajzolja le a kapcsolást! 7. Lehet-e egy szorzóból, egy késleltetőből no meg egy szűrőből FM demodulátort készíteni? Hogyhogy? 6. Mérési feladatok A mérésből jegyzőkönyv készítendő, melynek tartalmaznia kell az egyes feladatokat megvalósító kapcsolást és a kérdésekre adott választ, valamint értékelést és esetleges összehasonlítást. A jegyzőkönyv formája elektronikus, a H:\jegyz2.doc fájl kitöltését jelenti a mérés ideje alatt lehetőleg interaktívan. Figyelem! A másolást díjazzuk! Sajnos egyessel. 1. A help menüből válassza ki a demo-t. Kövesse az utasításokat, amiket a képernyőn lát, majd válaszoljon az alábbi kérdésekre: Mekkora a mintavételi frekvenciája a rendszernek? Mi van a bemeneten és milyen paraméterekkel? Mekkora a levágási frekvenciája az aluláteresztő szűrőnek? Hogyan alakít ki VCO-t a demo? Jó-e ez a megoldás? Írja át a rendszer elemeinek paramétereit úgy, hogy a kimeneten (azaz az analízis ablakban) ugyanazt a képet lássa, de a mintavételi frekvencia tízszerese legyen az eredetinek. Mit kellett átírnia? Milyen változást észlel az eredetihez képest? Miért? 2. Nyissa meg a C:\Program Files\SystemView\Examples\QAM.svu fájlt. Vizsgálja meg működését! Változtassa meg a kapcsolást úgy, hogy a konstellációs diagramon1 jól elkülöníthetővé váljanak az egyes pontok. Határozza meg a pontok szórásának okát. Függ-e ez a jel-zaj viszonytól? Tipp: Keresgéljen a Operator Lib-ben és közben tűnődjön el azon, hogy milyen nagy baj is az, ha túl sűrűn veszünk mintát valamiből! 3. Nyissa meg a C:\Program Files\SystemView\Examples\AudioFM.svu fájlt. Vizsgálja meg működését! Egészítse ki a kapcsolást úgy, hogy az FM demodulátor PLL-lel is meg legyen valósítva! Melyik ad jobb minőséget? 8
Miért? A jel-zaj viszony változtatásával vizsgálódjék. Miért használnak mégis PLL-t szívesen? Vizsgálja meg az FM jel spektrumát! Mekkora a sávszélessége? Tipp: Használja fel a demo kapcsolását és ne csodálkozzon dolgokon! 4. Nyisson meg egy tetszőleges C:\Program Files\SystemView\Examples\ könyvtárban, vagy annak alkönyvtáraiban lévő olyan fájlt, amelyet egyetlen másik mérőcsoport sem választott. Vizsgálja meg működését! Változtassa meg úgy, hogy valamilyen új funkciót végezzen el! Az analízis ablakban végezze annyi értelmes számítást, amennyi csak lehetséges! A feladat liberalizmusáért cserébe értékelhető munkát várunk! A fenti leírás alapján mélyedjen el a System View használatában és írja meg nekünk tapasztalatait. Mit írna le Ön másképp ebben a mérési utasításban? Mit csinálna Ön másképp, ha ilyen programot kellene írnia? Tipp: Az analízis ablak használatát is jelentősen könnyíti az angol nyelvű help. 7. Felhasznált irodalom [1] Géher Károly: Híradástechnika tankönyv, Budapest, 1996. [2] Hainzmann-Varga-Zoltai: Elektronikus áramkörök, Budapest, 1993. [3] Tietze, Schenk: Analóg és digitális áramkörök, Budapest, 1991. [4] http://www.elanix.com/ 9