Transcript TP1 Modulations ASK, PSK et MAQ

RESEAUX & TELECOMMUNICATIONS
RT2A
TP1 Modulations ASK, PSK et
MAQ
2014-15
S3-Cycle 1 / Module M3106
Matériel:
1 Maquette "Générateur pseudo aléatoire"
2 antennes
1 Maquette "Codeur I-Q" V2
2 Supports d'antenne
1 générateur AFG3022
4 multiplieurs
2 filtre passe-bas
1 deuxième "plaque à fonction"
1 Maquette Sommateur
Consultez la documentation technique de ces quatre cartes sur l'Intranet de la salle Telecom :
http://www.t14 : Rubrique Aides Techniques / Maquettes
But du T.P.
Les modulations numériques sont très utilisées dans les liaisons filaires ou hertziennes.
L’objectif de ce T.P. est d’étudier quelques-unes de ces modulations : les modulation ASK, PSK et MAQ qui
sont à la base de nombreux systèmes de communication actuels (MODEM, réseaux locaux, téléphonie
mobile…).
L’approche fonctionnelle sera privilégiée et on caractérisera la chaîne de transmission (circuit de mise en
forme des données, modulateur, démodulateur, circuit de prise de décision) avec la visualisation des signaux
temporels et la mise en évidence des sauts de phase, l’observation et la comparaison des spectres des signaux
modulés ou non, l’influence du bruit (diagramme de l’œil).
Les fréquences des porteuses et du signal, ont été choisies de façon à ce que l’on puisse facilement faire les
relevés d’oscillogramme.
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Préparation
1.1 Modulation ASK2
Soit un signal numérique à 40 kbits/s. Il est modulé ASK2 par une porteuse à 300 kHz.
En émission :
• Quelle est sa valence ?
• Combien de bits "transporte" un symbole ?
• En déduire sa rapidité de modulation R.
• Quelle est son encombrement spectral ?
1.2 Modulation MAQ16
Soit un signal numérique à 40 kbits/s. Il est modulé MAQ16 par une porteuse à 300 kHz.
En émission :
• Quelle est sa valence ?
• Combien de bits "transporte" un symbole ?
• En déduire sa rapidité de modulation R.
• Quelle est son encombrement spectral ?
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Mesures
2.1 Le signal numérique codé NRZ
La carte générateur pseudo-aléatoire permet d’obtenir en sortie une
séquence aléatoire et répétitive de 16 ou 256 bits codés NRZ (entre 0 et 5V)
avec 4 types de signaux :
Une équiprobabilité de 1 et 0
Une probabilité d'avoir des "1" bien supérieure à celle d'avoir des "0".
Une probabilité d'avoir des "1" bien inférieure à celle d'avoir des "0".
Une suite de caractères "formatée RS232"
Et ceci au rythme de l'horloge appliquée en H
La sortie SYNCHRO indique le début de la séquence
Choisir l'équiprobabilité d'avoir des 0 et des 1 et
une longueur de séquence de 16 bits en
positionnant ainsi les 4 micro-switch :
L'entrée d'horloge H sera attaquée par la sortie
TTL du générateur Hameg 8030 réglé à la
fréquence FB = 40 kHz.
2.1.1 Chronogramme d'un signal codé NRZ
La sortie D sera observée à l'oscilloscope. Régler la base de temps de l'oscilloscope afin que la durée
d'un bit soit proche de 1 carreau sur l'écran.
La sortie SYN (impulsion à chaque début de séquence) sera utilisée comme synchro externe de
l'oscilloscope.
• Relever le signal en sortie de la maquette en pointant la durée d’un bit avec 2 curseurs
• Quelle est la durée d'un bit et en déduire le débit.
2.1.2 Spectre du signal NRZ
Changer les 4 micro-switch de la maquette afin d'avoir une séquence de 256
bits pour agrandir la fenêtre d'observation :
Observer le spectre du signal codé NRZ. Remarque : Pour observer un spectre (FFT) sur l'oscilloscope
vous pouvez aussi vous consulter l'Intranet de la salle
http://www.t14 / rubrique : "Aides techniques / Appareils "
• Relever le spectre du signal modulé en pointant avec 2 curseurs l'encombrement spectral.
• Donner sa valeur et comparer la au débit.
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2.2 Codage I-Q
Garder la séquence de 256 bits au niveau du générateur aléatoire.
La maquette "Codeur I-Q" permet de générer les paramètres I et Q pour
plusieurs types de modulation (OOK, ASK2, ASK4, ASK8,….MAQ16).
La maquette fait d'abord une conversion série-parallèle de 2, 3 ou 4 bits afin
de les regrouper pour générer des symboles à 1, 2, 3 ou 4 bits pour des
modulations de valence 2, 4, 8 ou 16.
Elle génère ensuite les 2 paramètres I et Q en sortie à l'aide 2 convertisseurs
CNA.
En entrée :
Appliquer le signal NRZ (toujours avec D = 40 kbits/s) issu du générateur
aléatoire sur l'entrée DATA.
Appliquer l'horloge binaire (aussi en entrée du générateur aléatoire) sur
l'entrée HB.
Appliquer la sortie SYNCHRO du générateur aléatoire sur l'entrée SYNC.
En sortie :
Les paramètres I et Q de chaque symbole sont disponibles en sortie.
Une troisième sortie, notée HS, fournit le rythme de ces symboles.
Travail à faire :
Réaliser le montage suivant :
Observer simultanément le signal I et le signal Q en synchronisant (en externe) votre oscilloscope sur la
sortie SYNC du générateur.
Observer la constellation I-Q en passant en mode XY sur l'oscilloscope et en appliquant I sur l'entrée X de
l'oscilloscope et Q sur son entrée Y.
Configurer ainsi le codeur IQ :
•
On dira que la configuration est 0 0 0 0
Relever ainsi la constellation I-Q.
Quelle est cette modulation ?
Changer la configuration en : 1 1 0 0
• Relever ainsi la constellation I-Q.
Quelle est cette modulation ?
Changer la configuration en : 0 1 1 0
• Relever ainsi la constellation I-Q.
Quelle est cette modulation ?
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2.3 Modulation ASK4
Changer la configuration du codeur IQ en 0 1 0 0 :
Garder le rythme binaire numérique à 40 kHz (D= 40 kbits/s)
• Quelle est la valence ? Quelle est la valeur de la rapidité de modulation R (ou vitesse des
symboles) du signal I.
2.3.1 Modulation
Rappel théorie :
La modulation consiste à réaliser le symbole m(t) :
m(t) = I * cos(ω
ωt) + Q*cos(ω
ωt+π
π/2) = I * cos(ω
ωt)
puisque Q = 0
C'est, en effet, l'avantage des modulations ASK dont
le paramètre Q est nul : seule la porteuse en phase
est modulée :
Choisir une porteuse sinusoïdale de fréquence FP = 250 kHz et d'amplitude 10V (20V crête à crête) .
Chronogramme de la modulation ASK 4 :
Visualiser la sortie modulée m(t).
• Relever simultanément la sortie binaire NRZ et le signal I
• Relever simultanément la sortie binaire NRZ et le signal modulé ASK 4
Spectres du signal modulé ASK 4
• Relever le spectre du signal modulé en pointant un curseur sur la fréquence centrale.
Attention au repliement de spectre de l'oscilloscope : bien vérifier la fréquence centrale.
Quelle est sa valeur ?
• Relever le spectre du signal modulé en pointant deux curseurs sur l'encombrement spectral ;
Quelle est sa valeur ? La comparer avec celle de la rapidité de modulation R et celle du débit D.
2.3.2 Transmission hertzienne
Appliquer le signal modulé sur l'antenne d'émission à l'aide du
support d'antenne.
De la même façon, installer sur le bord gauche de la deuxième
plaque (également alimentée par les 3 tensions 5V, ±12V) l'antenne
de réception.
Vous devez pouvoir écarter les 2 antennes entre 0 et dix
centimètres. Le signal en réception est dégradé mais on doit
reconnaître le signal modulé.
2.3.3 Démodulation par détection synchrone
Démoduler le signal modulé ASK4 par détection synchrone.
La porteuse (FP = 250 kHz) , normalement à récupérer, sera, pour simplifier, celle utilisée pour
l'émission.
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Le filtre permet de choisir une fréquence de coupure dans 4 gammes de fréquence affichées sur la
maquette.
• Quelle gamme de fréquence doit-on choisir pour cette démodulation ? Justifier.
Configurer ainsi le filtre, il devra être ensuite ajusté pour avoir des signaux démodulés corrects.
• Relever simultanément le signal I émis et le signal I démodulé.
• En utilisant la fonction rémanence (DISPLAY / PERSIST) de l'oscilloscope TDS 1012 et en ne
synchronisant plus l'oscilloscope sur la sortie SYNC du générateur aléatoire mais sur le signal HS
(Horloge des Symboles) du codeur I-Q , relever le diagramme de l'œil du signal I démodulé – y
faire apparaître le ou les seuils de détection et 2 instants de décision consécutifs.
• Mesurer le ou les seuils de détection ainsi que la durée entre 2 instants de décision. A quoi
correspondent-ils ?
2.4 Modulation MAQ-16
On utilise maintenant une porteuse de 100 kHz au lieu de 250 kHz. L'amplitude est toujours de 10V.
2.4.1 Codage I-Q
Groupement des bits par 4 puis Codeur I-Q pour MAQ16
Pour la modulation MAQ16, positionner ainsi les 4 switchs de
la maquette.
Travail à faire :
Réaliser le montage suivant :
MAQ-16 est une modulation de valence M = 16.
On travaille avec un débit de 40 kbits/s.
Choisir ce débit en réglant la fréquence de l'horloge numérique.
•
Calculer alors la rapidité de modulation (ou vitesse des symboles).
Observer simultanément le signal numérique NRZ et le signal I (ou Q) : les premiers bits de la trame
générée par le générateur pseudo-aléatoire sont 0 0 1 0 1 0 0
1…. , ils sont facilement observables si vous synchronisez
votre oscilloscope sur la sortie SYNC du générateur.
Pour être sûr de les voir, faire apparaître la petite flèche vers
le bas qui pointe l'instant de synchronisation de
l'oscilloscope et donc le début du message numérique
(SYNC sur EXT trigger).
•
•
Relever ainsi simultanément le signal numérique NRZ et le signal I.
Mesurer la durée d'un symbole – En déduire la rapidité de modulation R – Justifier sa valeur
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•
•
•
•
Donner la valeur type (entre -3a, -1a, +1a et +3a) de I correspondant au premier symbole "0100"
(attention à l'inversion de l'ordre des bits entre ce que l'on voit à l'oscilloscope et le nom du symbole)
De la même façon, relever simultanément le signal numérique NRZ et le signal Q.
Donner la valeur type (entre -3a, -1a, +1a et +3a) de Q correspondant au premier symbole "0100"
Entourer, sur cette constellation MAQ16, le symbole"0100".
Observer la constellation I-Q en passant en mode XY sur l'oscilloscope et en appliquant I sur l'entrée X de
l'oscilloscope et Q sur son entrée Y.
•
Relever ainsi la constellation I-Q.
2.4.2 Modulation
Rappel théorie :
La modulation consiste à réaliser le symbole m(t) :
m(t) = I * cos(ω
ωt) + Q*cos(ω
ωt+π
π/2)
Porteuse en phase et porteuse en quadrature:
La génération de la porteuse en phase (cos(ω
ωt)) et de la porteuse en quadrature (cos(ω
ωt+π
π/2)) se fera à
l'aide du générateur AFG3022 qui, ayant 2 sorties synchronisables, permet de générer 2 sorties
déphasées de 90°.
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Par contre il est adapté à des mesures sur 50 Ω mais comme nos charges sont généralement à haute
impédance, il faut configurer les sorties CH1 et CH2 en haute impédance de sortie :
Appuyer sur bouton Top Menu.
A l'aide des touches dynamiques associées :
Menu Sortie
Impédance de charge Impédance élevé : à faire pour CH1 et CH2.
Sinon vous risquez d'obtenir en sortie une tension deux fois plus grande que celle consignée :
Fonctionnement sur charge haute impédance
Fonctionnement normal sur 50 Ω
(circuit- ouvert)
Dans tous les cas, pour être tranquille, il est préférable de contrôler la tension à l'oscilloscope.
Pour avoir la porteuse en phase sur la sortie CH1 et la porteuse en quadrature sur la sortie CH2,
procéder ainsi :
- Appuyer sur la touche DEFAULT et confirmer la réinitialisation de l'appareil.
- Sélectionner le canal CH1 (par la touche CH1/CH2 )
- Régler la fréquence porteuse à 100 kHz :
Activer la touche Frequency / Entrer 100 sur le clavier / kHz
puis activer Fréquence CH1 = CH2
- Régler l'amplitude à 10 V crête à crête : Activer Amplitude / Entrer 10 / VPP
- Sélectionner le canal CH2 (par la touche CH1/CH2 )
- Vérifier que la fréquence est aussi de 100 kHz :
- Régler l'amplitude à 10 V crête à crête : Activer Amplitude / Entrer 10 / VPP
- Régler la phase à 90° (En quadrature par rapport à CH1) : Activer Phase / Entrer 90 / °
Visualiser en XY à la fois la porteuse en phase (CH1) et la porteuse en quadrature (CH2) : le
déphasage étant de 90° la courbe de Lissajoux doit-être un cercle ou une ellipse "droite".
•
Relever ce cercle sur votre compte-rendu.
Réalisation du signal modulé:
Puisque la modulation consiste à réaliser le symbole m(t) :
m(t) = I * cos(ω
ωt) + Q*cos(ω
ωt+π
π/2)
Câbler 2 multiplieurs pour multiplier I par la porteuse en
phase (CH1) et Q par la porteuse en quadrature (CH2) .
Câbler le sommateur (vérifier que le switch soit en
position A+B) pour sommer les 2 signaux issus des 2
multiplieurs.
Chronogramme de la modulation MAQ 16 :
Visualiser la sortie modulée m(t).
• Relever simultanément la sortie binaire NRZ et le signal I
• Relever simultanément la sortie binaire NRZ et le signal modulé MAQ 16
Spectres du signal modulé MAQ 16
• Relever le spectre du signal modulé en pointant un curseur sur la fréquence centrale.
Quelle est sa valeur ?
• Relever le spectre du signal modulé en pointant deux curseurs sur l'encombrement spectral ;
Quelle est sa valeur ? La comparer avec celle de la rapidité de modulation R et celle du débit D.
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2.4.3 Transmission
Ne plus transmettre à travers les antennes mais seulement en tirant un fil en court-circuitant les 2
antennes (garder le montage des antennes pour la suite du TP).
Schéma théorique de modulation et démodulation :
2.4.4 Démodulation
Rappel théorie :
La démodulation consiste à régénérer les paramètres I et Q
- Pour régénérer I il faut multiplier le signal modulé et reçu (m(t)) par la porteuse en phase puis à
filtrer par un filtre passe-bas :
s1(t) = m(t) * cos(ω
ωt) ⇒ s1(t)= I * cos(ω
ωt) * cos(ω
ωt) + Q*cos(ω
ωt+π
π/2) * cos(ω
ωt)
s1(t)= I/2 * [1 +cos(2ω
ωt)] + Q/2*[cos(2ω
ωt+π
π/2) + cos(π
π/2)] ⇒ s(t) = I/2
- Pour régénérer Q il faut multiplier le signal modulé et reçu (m(t)) par la porteuse en quadrature puis à
filtrer par un filtre passe-bas :
ωt+π
π/2) ⇒ s1(t)= I * cos(ω
ωt) * cos(ω
ωt+π
π/2) + Q*cos(ω
ωt+π
π/2) * cos(ω
ωt+π
π/2)
s1(t) = m(t) * cos(ω
s1(t)= I/2*[cos(2ω
ωt+π
π/2) + cos(π
π/2)] + Q/2 * [1 +cos2(ω
ωt+π
π/2)] ⇒ s(t) = Q/2
Réalisation de la démodulation:
Câbler un multiplieur suivi d'un filtre passe-bas pour
multiplier m(t) par la porteuse en phase (CH1) et filtrer afin
de régénérer I.
Câbler un multiplieur suivi d'un filtre passe-bas pour
multiplier m(t) par la porteuse en quadrature (CH2) et filtrer
afin de régénérer Q.
Dans les 2 cas et comme précédemment, vous prendrez, pour
simplifier, les porteuses en phase et en quadrature utilisées en
Emission.
Le filtre permet de choisir une fréquence de coupure dans 4 gammes de fréquence affichées sur la
maquette.
• Quelle gamme de fréquence doit-on choisir pour cette démodulation ? Justifier.
Configurer ainsi le filtre, il devra être ensuite ajusté pour avoir des signaux démodulés corrects.
Analyse de la démodualtion
Démoduler le signal modulé MAQ 16. Vérifier que la démodulation est correcte en visualisant I et Q
• Relever simultanément le signal I d'émission et le signal I démodulé.
• Relever simultanément le signal Q d'émission et le signal Q démodulé.
• Relever le diagramme de l'œil de la sortie I en synchronisant l'oscilloscope sur le rythme des
symboles (sortie HS du codeur I-Q) – y faire apparaître le ou les seuils de détection et 2 instants
de décision consécutifs.
• Mesurer le ou les seuils de détection ainsi que la durée entre 2 instants de décision. A quoi
correspond-il ?
• Relever la constellation I-Q à partir des signaux régénérés.
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