B43S2 – COMMUNICATIONS NUMERIQUES PANNEAU 2 -MODULATION NUMERIQUE MANUEL D'INSTRUCTIONS

11/2004

B43S2 – COMMUNICATIONS NUMERIQUES

PANNEAU 2 - MODULATION NUMERIQUE

MANUEL D’INSTRUCTIONS

Electron S.R.L.

Design Production & Trading of Educational Equipment

ELECTRON

Educational Equipment For Electrical and Electronic Technology

MERLINO – MILAN ITALY Tel (++ 39 02) 9065 9200 Fax 9065 9180

B43S2 – Maquette d’étude des techniques de communications numériques.

- MANUEL D’INSTRUCTIONS -

SOMMAIRE

1- Généralités

2- Concepts de base en transmission de données. 3- Description du banc d’essai. 4- Activités.

4-1- Activité 1 : Modulation FSK

4-2- Activité 2 : Modulation ASK

4-3- Activité 3 : Modulation BPSK

4-4- Activité 4 : Modulation QPSK

4-5- Activité 5 : Transmission dans un canal bruité

5- Dépannage des pannes simulées

6- Liste des pannes simulables

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1 – Généralités Ce banc d’essai est une collection de circuits sous forme de modules contenus dans un unique pupitre de grande taille. Ces modules permettent de monter des systèmes de transmission complets pour le test et l’expérimentation des techniques les plus utilisées pour la modulation des données numériques. En plus, ce banc est complété par des dispositifs auxiliaires indispensables comme une horloge, un générateur de base de temps (Timer), des sources de signaux numériques etc.… afin de permettre un travail expérimental simple et efficace. Chaque bloc fonctionnel, ou module du pupitre est clairement identifiable par des labels ou des indications imprimées par sérigraphie sur le pupitre. Caractéristiques :

• Générateur de séquence de donnée pseudo aléatoire. 2 séquences sont générées simultanément.

• Débit sélectionnable de 300 a 9600 bps (bits par seconde). • Longueur du mot de test transmis sélectionnable : 16 ou 256 bits. • Horloge intégrée, générateur de base de temps et de porteuse. • Émetteur – Récepteur FSK, en technique PLL. • Encodeur ASK, BPSK, QPSK et QAM / émetteurs et récepteurs. • Simulateur de canal de transmission avec un générateur de bruit

additionnel. • Circuit de donnée TX/RX et compteur d’erreur à 4 digits de forte intensité

lumineuse. • Simulation de défauts par 8 interrupteurs dissimulés sous un couvercle et

accessibles à l’instructeur seulement. La simulation d’erreur sous contrôle d’un PC est possible en utilisant l’interface PC de simulation d’erreurs B1178.

Thèmes d’études

• Concepts de base et avancés de transmission de donnée. • Configuration et analyse des performances d’un système ASK • Configuration et analyse des performances d’un système FSK • Configuration et analyse des performances d’un système

PSK/QPSK/QAM. • Mesures des taux de bits d’erreur. • Transmission de données dans des canaux bruités. • Défaillances dans les systèmes de modulation digitaux.

Le B43S2 est fabriqué en suivant les normes pour assurer la sécurité des personnes et de l’équipement lui-même. Ce module est alimenté par une source basse tension de faible puissance. Utiliser le bloc d’alimentation B4192 pour une limitation de courant adéquate et une protection contre la surcharge. Les entrées sorties de ce module sont raisonnablement protégées contre les mauvaises manipulations telles que les courts-circuits. Ce banc d’essai est fourni avec ses câbles et le manuel d’instruction.

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2- Concepts de base en transmission de données. Les télécommunications sont l'art de la transmission de l'information d'un endroit à l'autre. Quelles que soient les informations de départ, c'est-à-dire un signal vocal, un signal vidéo, un télégraphique etc., il s'avère avantageux dans de nombreux cas de coder l'information en trains d'impulsions. Ceci pour une série de raisons bien connues de l'étudiant. L'étape suivant le "codage" est la transmission. Un problème récurrent avec la transmission de trains d'impulsions est le large spectre de fréquences de ces signaux numériques, ce qui les rend difficiles à transmettre sans distorsion dans la bande limitée des systèmes de transmission. Quand un signal numérique dans sa forme primitive ou "Bande de BASE" est transmis sur une longue distance, les chances pour qu’il arrive à destination dans une forme reconnaissable sont très minces. Les principales causes sont les caractéristiques d'amplitude et de phase du système de transmission. La caractéristique d'amplitude entraîne une atténuation des différentes composantes du signal, alors que les caractéristiques de la phase détruit la relation existante entre la phase et les harmoniques du signal original. Les effets combinés de la caractéristique d'amplitude et de phase sur le signal transmis en une altération du signal reçu. La réponse à ces problèmes est la MODULATION. La modulation de signaux numériques est un processus similaire à la modulation des signaux analogiques, bien connu par l'élève: l'information à transmettre est codé dans une porteuse, appelée "onde porteuse" qui peut être transmise à travers le système, pour être détectée et décodée à l'autre extrémité. Étant donné que les paramètres caractérisant une onde porteuse sont son amplitude, sa fréquence et sa phase, et en fonction du paramètre utilisé pour coder les informations, nous avons la modulation d'amplitude, la modulation de fréquence et la modulation de phase. Dans le cas particulier de la modulation numérique, les modulations AM, FM, PM prennent respectivement les noms de :

• Modulation par déplacement d'amplitude MDA : Amplitude Shift Keying (ASK),

• Modulation par déplacement de fréquences MDF : Frequency Shift Keying (FSK)

• Modulation par déplacement de Phase MDP : Phase Shift Keying (PSK). La technique de modulation ASK souffre des mêmes handicaps que la modulation d’amplitude analogique AM: l’amplitude est un paramètre assez sensible au bruit et a l'atténuation. FSK offre les mêmes avantages par rapport à l’ASK que la FM offre par rapport

à la AM: une plus grande immunité au bruit, mais une occupation de bande passante beaucoup plus large. PSK a la même immunité au bruit que la FSK et une occupation de largeur de bande remarquablement faible.

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3- Description du banc d’essai. Dans cette section, est donnée une description des fonctions, caractéristiques et utilisation de chacun des blocs du banc d’essai. On fait continuellement référence à la fig. 1 de ce manuel, montrant la face avant du banc. On recommande à l’étudiant de lire attentivement cette section avant de commencer son travail expérimental, et ce pour une complète connaissance des caractéristiques du système et ainsi procéder efficacement dans les expérimentations. Fig. 2 montre le schéma détaillé du banc d’essai. 1- Générateur de temps: ce bloc est constitué d’un oscillateur principale à quartz contrôlé, travaillant à 2.4576 MHz, à partir duquel des bases de temps de 300, 600, 1200......9600 cycles par seconde sont obtenues. Ces valeurs correspondent aux débits utilisés dans la transmission de données dans les standards industriels. 2- générateur de séquence binaire: Ce bloc est piloté par le générateur de base de temps. Le générateur de séquences est constitué essentiellement d'une mémoire EPROM dans laquelle deux séquences de données standard sont stockées. L'EPROM est lue cycliquement en synchronisation avec le signal d'horloge généré par l’horloge principale. Les séquences de test sont des séries aléatoires de «uns» et de «zéros» utilisées comme des échantillons de données au cours des expériences. Les deux séquences sont sélectionnables par le biais d'un commutateur: la plus courte des séquence n'est que de 16 bits de long, suffisamment courte pour être affichée clairement sur l'écran d'un oscilloscope. Cela facilite le dépistage et le tracé du signal de données le long du système de transmission étudié. La plus longue par contre est de 256 bits, et ressemble donc à une séquence aléatoire plus que les autres d’un point de vue mathématique. Aucune des chaînes échantillons n’est bien entendu purement aléatoire, car répétées cycliquement. Pour cette raison, ce type de séquences de tests est souvent appelé PSEUDO-ALEATOIRE. La séquence longue est susceptible d'être utilisée pour les mesures de BER (Bit Error Rate : Taux de Bits d'erreur) car elle est une meilleure approximation d'une séquence aléatoire. 3- Modulation ASK/PSK/QAM/QPSK: Ce circuit peut être configuré pour fonctionner de plusieurs manières. La fig. 3 présente le schéma bloc simplifié d’une telle modulation. La porteuse est un signal carré de fréquence 307.2KHz produit par le générateur de base de temps. Ce signal est introduit dans un déphaseur à 4 sorties. Chaque sortie génère le même signal que le précédent mais déphasé de 90° (retard de phase de 90°). La figure 4 montre un diagramme des temps des signaux de sorties du déphaseur et la fig. 5 leur représentation vectorielle. La partie basse de la fig. 3 montre un décodeur 1 parmi 4 à deux entrées (A et B). Pour l'instant, ne pas tenir compte de SW3, dont la fonction sera expliquée plus tard. Supposons que SW3 est fermé à l'heure actuelle.

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Pour toute combinaison d'entrées logiques, il existe une seule sortie O0 .... O3 qui devient active comme suit:

B A O0 O1 O2 O3


0 0 1 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 1 1 0 0 0 1

Chacune des lignes O0….O3 contrôle un interrupteur logique, permettant /empêchant la porteuse appropriée (C0….C3) d’atteindre la sortie TX. Ainsi, pour toute combinaison des valeurs de A et B, le signal sur le connecteur TX est la porteuse de 307.2KHz avec un décalage de phase spécifique par rapport à la phase de référence. En d’autres termes, le circuit de la fig. 3 fonctionne comme un modulateur 4 phases. Dans le diagramme de la fig. 5, chaque vecteur de porteuse peut être associé à une paire de valeurs spécifiques de A et B, comme dans la fig. 6. Sur la même figure, nous pouvons tracer deux axes cartésiens avec leur point d’intersection à l’origine du diagramme des vecteurs polaires. Il en résulte que:

- les deux cadrans de droite sont pour des valeurs de A>0. - Les deux cadrans supérieurs sont pour des valeurs de B>0.

En d’autres termes, l’axe vertical est pour la variable B et l’horizontal pour la variable A. Le modulateur PSK à 4 phases encode les valeurs des paires B-A dans la porteuse. Si nous voulons transmettre un flux de données unique, nous devrions avoir à assembler le flux de données en groupes de deux bits consécutifs, et présenter chaque groupe aux entrées B et A du modulateur. Cela peut être facilement réalisé avec un registre à décalage câblé comme un convertisseur série / parallèle à 2-bits. Cette conversion n'est pas effectuée dans le banc d’essai, par conséquent, nous supposons que A et B, sont deux flux de données séparés. Le modulateur PSK à 4 phase de la fig. 3 peut aussi fonctionner comme un modulateur BPSK (Binary-PSK : PSK binaire) en utilisant l’entrée A seulement et en laissant l’entrée B ouverte. Le diagramme de la fig. 6 deviendra comme celui de la fig. 7. Il est aussi possible d’effectuer une modulation BPSK en plaçant les données sur les deux entrées A et B simultanément (A et B en parallèle). Le diagramme vectoriel dans ce cas deviendra comme celui de la fig.8. Finalement, ce circuit peut être configuré comme un modulateur ASK en ouvrant le commutateur SW3 et en utilisant l’entrée A uniquement pour la modulation de données : pour A=0, la sortie O0 est active et pour A=1, seulement O1 est active. Puisque SW3 est ouvert seulement pour A=1 une porteur (C3) est transmise (voir fig. 9). Pour A=0, tous les interrupteurs logiques sont ouverts et le niveau de TX est déterminé par la résistance R1, i.e. 2.5V, valeur intermédiaire entre le 0 et le 1 en logique TTL. Le signal TX, dans ce cas, apparaît comme sur la fig. 10.


4- Démodulateur ASK/PSK/QAM : Ce bloc réalise la fonction complémentaire à la modulation ci-dessus. Le démodulateur comprend deux détecteurs recevant le même signal RX et utilisant la démodulation de porteuses avec respectivement des angles de phases de 0 et π/2 par rapport à la phase de référence TX. Voir Fig.11 pour un schéma de cette étape et Fig.12 pour comprendre son fonctionnement. Un détecteur A reçoit la porteuse CA et produit une tension de sortie positive lorsque le signal RX contient une composante en phase avec CA, et donc pour la modulation des combinaisons BA=01 et BA = 11. En d'autres termes, à chaque fois que A = 1. Le Détecteur B reçoit la porteuse CB et produit une tension de sortie positive lorsque le signal RX contient une composante en phase avec CB, et donc pour la modulation des combinaisons BA=10 et BA = 11. En d'autres termes, à chaque fois que B = 1. Les sorties des détecteurs passent par des circuits détecteurs de seuil capables de produire des valeurs logiques TTL à partir de la sortie du détecteur de signaux. Notez que si la figure 11 est relativement simple à décrire et à comprendre, le circuit de mise en œuvre (Fig.3) est relativement plus complexe en raison de contraintes de construction. Les sorties du détecteur d'inversion de polarité sont responsables d’un décalage de π des porteuses d’entrées. 5- Modulateur FSK : consiste en un oscillateur contrôle par une tension (VCO : Voltage -Controlled-Oscillator) ajusté à une fréquence centrale de 307.2KHz par le potentiomètre P1. Le VCO reçoit le flux de données modulé en son entrée de contrôle et produit un signal de sortie modulé en fréquence. 6- Amplificateur de ligne : ce bloc reçoit une porteuse sous forme d’un signal carré du modulateur FSK occupant intrinsèquement une large bande passante de fréquences. La fonction de ce bloc est de transformer le signal carré en un signal trapézoïdale ou quasi sinusoïdal, avec moins d’harmoniques et ainsi réduire la bande passante par rapport à l’originale. De toute évidence, dans cette application didactique l’occupation de bande passante n'est pas un sujet de préoccupation. La fonction de ce bloc est de montrer comment cela se fait dans la pratique. 7- récepteur /démodulateur FSK : ce bloc est constitué d’une PLL (Boucle à verrouillage de phase) verrouillée sur la porteuse produite par le modulateur FSK. La boucle suit l'évolution de la fréquence d'entrée et développe une tension sur


son filtre de boucle qui reproduit le modèle des fréquences d'entrée. Cette PLL est suivie par un comparateur qui joue le rôle d’un circuit de conditionnement de signaux impulsionnels. 8- Simulateur de canal de transmission : ce bloc peut être placé entre un émetteur / modulateur et un récepteur / détecteur pour simuler un support de transmission source d’atténuation et de bruit. Cela permet d'étudier les effets de ces déficiences sur la qualité de la transmission. Les connecteurs d’entrée et sortie de ce bloc doivent recevoir respectivement la RF de la source et d’alimenter le récepteur. Le potentiomètre P2 contrôle le niveau du bruit artificiel additionnel. 9- Compteur de bit d’erreur : Ceci est à utiliser conjointement avec le simulateur de canal de transmission. Le compteur compte la différence entre les données transmises et reçus par l’échantillonnage des deux à la demi période, grâce à l'utilisation d'un signal d'horloge retardé. Le compteur est muni d'un bouton STOP / MARCHE et d'un bouton RESET. 10 – Simulateur de pannes: Entraîner les étudiants aux procédures de diagnostic des anomalies. L’instructeur peut programmer des défaillances en activant un ou plusieurs des 8 interrupteurs cachés. Des détails sur les anomalies simulables sont donnés plus tard. Pour un fonctionnement normal du banc, tous les interrupteurs doivent être en position OFF. 11 – Connecteur J1 : utilisé quand l'interface PC de simulation de défauts optionnelle B1178 est connectée, ce qui permet de programmer des erreurs par l'instructeur et d'effectuer des diagnostics d'anomalies (par les étudiants) via un PC, avec un logiciel dédié. Quand le banc d'essais est utilisé dans notre laboratoire d'électronique assisté par ordinateur (code B1180), le connecteur J1 permet de lier ce dernier au banc de l'étudiant et les défauts peuvent être contrôlés par l'instructeur via son PC qui est lié au banc d'essais de chaque étudiant. Il est intéressant de noter que l'utilisation de ce banc en liaison avec la B1178 et B1180 n'est pas obligatoire et l'utilisation de toutes ses possibilités est possible en mode "manuel". 12 – Entrées d'alimentation : c'est là que l'alimentation en énergie électrique doit être connectée. Deux tensions stabilisées sont nécessaires, +15V et – 15V. Le courant maximum est inférieur à 100 mA.


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4- Activités.

4-1- Activité 1 – Modulation FSK

La figure 13 montre la configuration recommandée.

La source de donnée 1 est utilisée comme entrée du modulateur. Le sélecteur de

longueur du mot de test (dans le générateur de séquence de bits pseudo

aléatoire) devrait être placé sur SHORT (16), pour avoir un affichage stable sur

l'oscilloscope.

Utiliser le signal au point de test TRIGGER pour synchroniser l'oscilloscope avec

le début de la séquence de données.

N'importe quel débit de 300 à 9600 Bps peut être sélectionné. Les faibles débits

sont recommandés au début.


4-2- Activité 2 : Modulation ASK

La fig. 14 montre le montage recommandé.




l'oscilloscope.





Pour cette expérience, le commutateur SW3 doit être placé sur ASK


4-3- Activité 3 : Modulation BPSK





l'oscilloscope.





Pour cette expérience, le commutateur SW3 doit être placé sur AUTRES (OTHERS)


4-4- Activité 4 : Modulation QPSK


Les sources de donnée 1 et 2 sont toute deux utilisées comme entrée du

modulateur. Le sélecteur de longueur du mot de test (dans le générateur de

séquence de bits pseudo aléatoire) devrait être placé sur SHORT (16), pour avoir

un affichage stable sur l'oscilloscope.





Pour cette expérience, le commutateur SW3 doit être placé sur AUTRES (OTHERS)


4-5- Activité 5 : Transmission dans un canal bruité

Les transmissions FSK, ASK, PSK peuvent être étudiées dans un canal de

transmission bruité (simulé) grâce aux installations prévues dans le banc.

Le simulateur de canal de transmission doit être placé entre TX et RX pour

chaque mode de transmission.

Le compteur de bits d'erreur doit avoir son connecteur TX DATA relié aux

données modulées et son connecteur RX DATA relié aux données de sortie

récupérées.

Les chiffres 17, 18 et 19 ci-après montrent les montages de base dans le cas des

modulation FSK, ASK et BPSK.

Pour la mesure du BER (Bit Error Rate : Taux de bits d'erreur), le commutateur

SW2 doit être, de préférence, placé sur "256".

Enregistrer l'indication du compteur, après un certain temps (par exemple 100 ou

1000 secondes) pour différentes valeurs du niveau de bruit, puis calculer le taux

de bits d'erreur : BER.


5- Dépannage des pannes simulées Le système comprend un simulateur de pannes. Un total de 8 défauts est possible. Une simulation de panne consiste à placer un court circuit dans un point sélectionné en vue de provoquer un problème de fonctionnement. Ces défauts sont non destructifs et sont simulées. En d'autres termes, il est prévu que l'étudiant exerce sa compréhension du fonctionnement du circuit pour localiser d'abord la zone touchée, puis raisonne sur la façon dont une défaillance des divers composants de cette zone pourrait générer l'erreur. Pour s'acquitter de cette tâche avec succès, l'élève devrait utiliser l'oscilloscope et le multimètre. L'instructeur provoque des pannes par le positionnement d'un ou plusieurs des commutateurs situés sous un couvercle de plastique sur la face avant du banc d'essai. Aucune panne n’intervient quand tous les commutateurs sont ouverts (OFF). En plus de ce système de simulation manuel, l'unité B1178 (facultatif) et le logiciel dédié offre la possibilité de dépannage par PC du banc d'essais B43S2. L'interface PC de simulation de pannes B1178 doit être raccordé au connecteur J1 de la partie supérieure droite du pupitre. Il est évident que tous les interrupteurs simulateurs de pannes doivent être en position OFF (pas de pannes) pour que l'unité fonctionne correctement. Quand le banc d'essais est utilisé dans notre laboratoire d'électronique assisté par ordinateur (code B1180), le connecteur J1 permet de lier ce dernier au banc de l'étudiant et les défauts peuvent être contrôlés par l'instructeur via son PC qui est lié au banc d'essais de chaque étudiant. Il est intéressant de noter que l'utilisation de ce banc en liaison avec la B1178 et B1180 n'est pas obligatoire et l'utilisation de toutes ses possibilités est possible en mode "manuel". En cas de simulation manuelle de pannes, les étudiants doivent évidemment trouver par déduction la solution et non pas simplement regarder sous le couvercle pour découvrir la solution à la panne.


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6- Liste des pannes simulables Ce qui suit est une liste des erreurs simulables incluses dans le manuel de l'instructeur seulement. Pour une localisation précise des pannes voir aussi le schéma suivant cette section (fig. 20). Pour une utilisation correcte de ce banc (pas d’erreurs) s'assurer que tous les simulateurs d'erreurs (interrupteurs) sont en position OFF (ouvert). Défaut 1 Un contact normalement ouvert de ce simulateur d'erreur met à la

masse la patte 10 de U3. Ce CI (circuit intégré) est le générateur d'adresse de l'EPROM produisant DONNEE 1, DONNEE 2, TRIGGER, et les autres signaux. Comme résultat de ce défaut, ces signaux ne sont pas produits.

Défaut 2 Un contact normalement ouvert de ce simulateur d'erreur met à la masse le connecteur DONNEE 1 (DATA 1). ce signal apparaît donc comme étant absent.

Défaut 3 Un contact normalement ouvert de ce simulateur d'erreur met à la masse la patte 9 de U4, le générateur de signaux à EPROM. C'est l'une des lignes d'adresse et ainsi les séquences de données 1 et 2 sont incorrectes. Aussi le signal d'horloge est absent dans ce TP.

Défaut 4 Un contact normalement ouvert de ce simulateur d'erreur met à la masse l'entrée A du modulateur ASK/BPSK/QPSK. Cet étage est alors inopérant.

Défaut 5 Un contact normalement ouvert de ce simulateur d'erreur met à la masse l'entrée de l'amplificateur opérationnel du bloc amplificateur de ligne. Ce bloc est alors non fonctionnel.

Défaut 6 Un contact normalement ouvert de ce simulateur d'erreur met à la masse la base du transistor Q6. Ce transistor commande le digit d'extrême droite de l'affichage qui reste alors éteint.

Défaut 7 Un contact normalement ouvert de ce simulateur d'erreur met à la masse l'entrée non inverseuse de U13, un amplificateur opérationnel fonctionnant comme un comparateur / circuit de conditionnement de signaux impulsionnel dans le détecteur FSK. Cette fonction ne peut pas avoir lieu.

Défaut 8 Un contact normalement ouvert de ce simulateur d'erreur met à la masse la sortie du filtre du détecteur B dans le démodulateur ASK/BPSK/QPSK. La sortie B reste éteinte.

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