Lab SECR 1 2 3 4 5 6 all - SECR PDF

Preview

Summary

SECR...

Description

Lucrarea nr. 1. Analiza Bilanţului de puteri pentru un sistem de comunicaţii radio

1. Obiectivele lucrării Analiza unui lanţ de radiocomunicaţii format dintr-un emiţător cu conversie în două trepte şi un receptor superheterodină din punctul de vedere al bilanţului puterilor atât în zona de propagare ca şi în interiorul emiţătorului şi receptorului; 2. Aspecte teoretice 2.1 Bilanţul de puteri pentru un sistem de radiocomunicaţii Factorul cel mai important care influenţează distanţa pe care se poate realiza o leg ătură de comunicaţie cu calitatea dorită este atenuarea introdusă de mediul de propagare între nodul de emisie şi cel de recepţie. Această atenuare este definită prin relaţia,

a  10 lg

PE PR

dB

(2.1.1)

Dacă ambele antene sunt izotrope atunci,

PR 0  Aef 0 p0 

 2 PE  4 4 d 2

(2.1.2)

şi atenuarea, denumită în acest caz atenuarea spaţiului liber, este

 4 d  a 0  20 lg   92,4  20 lg d km  20 lg f GHz dB    

(2.1.3)

Valoarea determinată cu această relaţie este o valoare minimă optimistă, deoarece mediul a fost presupus fără pierderi. În realitate, atenuarea este mai mare din mai multe cauze dintre care cele mai importante ar fi: efectul formelor de relief, efectul atmosferei ale cărei caracteristici depind de fenomenele meteorologice specifice traseului de propagare, efectul interferenţelor dintre semnalul util şi alte semnale etc. Pentru două antene directive (emisie respectiv recepţie) oarecare, se deduce:

 2 PE PR  Aef p  Aef  g E  p 0  g R g E   4 4d 2

(2.1.4)

de unde rezultă

 4d  a  20 lg   10lg g R    10lgg E    a0  G R  G E   

(2.1.5)

Dacă antenele sunt aliniate corect (cazul radioreleelor) şi se ţine seama şi de pierderile în circuitele care conectează antenele la echipamentele de emisie şi recepţie ( apRF ), atunci

a  a0  GR  GE  a pRF

(2.1.6)

sau 10 lg PR  10 lg PE  aiz  GE  GR  apRF

(2.1.7)

Această relaţie poartă numele de bilanţul de puteri pentru un sistem de RC în spaţiul liber.

2.2 Modele de propagare. Pentru a identifica modelul folosi t pentru evaluarea atenuării de propagare este important să se stabilească dacă propagarea are loc în spaţiul liber sau în prezenţa unei suprafeţe plane. În primul caz atenuarea este dată de relaţia (2.1.3). În al doilea caz se foloseşte relaţia:

L p = 10 lgGT + 10 lg G R + 20 lghT + 20 lg hR - 40 lg d

(2.1.8)

Un alt aspect care trebuie avut în vedere se referă la distanţa de la emiţător de la care sunt valabile expresiile menţionate. Se spune că pentru aceasta trebuie să ne aflăm în zona de câmp depărtat .

2.3 Câmp apropiat – câmp depărtat Aceşti doi termeni descriu două zone în câmpul electromagnetic creat în jurul unei antene. Pe lângă aceste două zone există şi o zonă de tranziţie între ele. Distanţa la care se află zona de interes faţă de antenă implică o serie de proprietăţi diferite şi implică un mod de reacţie a câmpului electromagnetic la existenţa altor antene sau obiecte. Zona de câmp îndepărtat începe la aproximativ două lungimi de undă de antena de emisie şi se întinde la infinit. În această zonă, în cazul propagării în spaiul liber, câmpul electromagnetic scade cu pătratul distanţei de la antenă. În acelaşi timp dacă plasăm o antenă pentru a culege semnal aceasta nu are niciun efect asupra antenei de emisie.

Zona de câmp apropiat se află până la o distanţă egală cu o lungime de undă. În această zonă intensitatea semnalului scade rapid cu distanţa. De asemenea, în această zonă, orice antenă de recepţie va afecta comportarea antenei de emisie. Pe această proprietate se bazează comunicaţiile în câmp apropiat.

2.4 Schemele bloc al emiţătorului şi receptorului Sunt disponibile două variante de module emiţător/receptor : una produsă de Rigol (care lucrează pe frecvenţa de 950MHz) şi una de Agilent (Keysight) (care lucrează pe frecvenţa de 868 MHz). Ambele sunt controlate prin programe instalate pe calculator. Semnalul de Frecvenţă Intermediară este livrat de un generator de semnal. Frecvenţa intermnediară este de 50 MHz.

Fig. 1. Schema bloc a modulului Rigol TX1000

Fig. 2. Schema bloc a modulului Rigol RX1000

Fig. 3. Schema bloc a modulului DreamCatcher ME1000 – partea de emisie

Fig. 4. Schema bloc a modulului DreamCatcher ME1000 – partea de recepție

Ca anexe la această lucrare găsiţi descrierea modulelor folosite şi indicaţii de pornire în funcţiune şi de utilizare.

3. Desfăşurarea lucrării 1. Se analizează schemele bloc ale emiţătorului şi receptorului identificând tipul fiecăruia;

Măsurătorile în această lucrare vor folosi un analizor de spectru produs de firma Agilent. Acesta permite observarea structurii spectrale a semnalelor în diverse puncte ale lanţului de comunicaţie şi evaluarea puterii fiecărei componente. Pentru fiecare punct se preiau imaginile de pe Analizor prin fotografiere pentru a putea verifica rezultatele şi a le interpreta oricând este nevoie. 2. Se conectează analizorul la ieșirea generatorului folosit pentru a produce semnalul pe frecvența intermediară de 50 MHz, pentru a observa parametrii semnalului pe Frecvenţa Intermediară; Pentru aceasta se setează frecvenţa centrală la 50 MHz şi gama explorată (Span) la 20 MHz; Se notează puterea semnalului (se va regla de la generator nivel semnalului la -15dBm pentru modulul DreamCatcher şi -5dBm pentru modulul Rigol TX); Pentru a observa spectrul semnalului modulat, se seteaza gama explorată la 20 kHz; 3. Se conectează ieșirea generatorului la intrarea de frecvență intermediară a modulului TX (conectorul J1 pentru platformele Rigol) și se conectează analizorul la ieşirea sintetizorului pentru a observa parametrii semnalului produs de Oscilatorului Local (conectorul J13 pentru platformele Rigol TX). Pentru aceasta se setează frecvenţa centrală la 900 MHz şi gama explorată la 400 MHz; Se notează puterea semnalului; 4. Se conectează analizorul la ieşirea SF (mixerului) (conectorul J3 pentru platformele Rigol TX) pentru a observa parametrii semnalului în acest punct. Pentru aceasta se setează frecvenţa centrală la 900 MHz şi gama explorată la 1,76GHz; Se reprezintă şi se interpretează spectrul obţinut şi se notează puterea componentelor observate; 5. Se conectează analizorul la ieşirea primului filtru trece bandă de la emisie (conectorul J5 pentru platformele Rigol TX). Se păstrează parametrii analizorului; Se observă şi se interpretează spectrul obţinut şi se notează puterea componentelor observate; Se evaluează atenuarea FTB atât la componenta dorită (atenuarea de inserţie) ca şi la componenta nedorită cea mai apropiată prin comparaţie cu spectrul semnalului de la ieşirea mixerului.

6. Se conectează analizorul la ieşirea Amplificatorului de Putere (AP) (conectorul J7 pentru platformele Rigol TX). Se păstrează parametrii analizorului; Se observă şi se interpretează spectrul obţinut şi se notează puterea componentelor observate; 7. Se conectează analizorul după Filtrul de ieşire (conectorul J8 pentru platformele Rigol TX). Se păstrează parametrii analizorului; Se observă şi se interpretează spectrul obţinut şi se notează puterea componentelor observate; Se compară componentele care vor fi trimise spre antenă cu cele de la ieşirea AP; 8. Se conectează o antenă la intrarea analizorului şi se observă semnalele radio din jurul locaţiei laboratorului; Se observă şi se interpretează spectrul obţinut şi se va identifica semnalul emis de modulul demonstrativ. 9. Se analizează semnalul de la ieşirea Filtrului RF (conectorul J3 pentru platformele Rigol RX). Se păstrează parametrii analizorului; Se observă şi se interpretează spectrul obţinut şi se notează puterea componentelor observate; Se evaluează atenuările emisiunilor nedorite introduse de către FTB prin comparaţie cu spectrul obţinut la punctul anterior; 10. Se analizează semnalul de la ieşirea ARF (conectorul J5 pentru platformele Rigol RX). Se păstrează parametrii analizorului; Se observă şi se interpretează spectrul obţinut şi se notează puterea componentelor observate; Se evaluează câştigul ARF. 11. Se analizează semnalul de la ieşirea SF (mixerului) (conectorul J7 pentru platformele Rigol RX). Se modifică parametrii analizorului alegând frecvenţa centrală de 50 MHz şi banda explorată de tot de 50MHz; Se observă şi se interpretează spectrul obţinut. 12. Se analizează semnalul obţinut la ieşirea FTB/FTJ (conectorul J9 pentru platformele Rigol RX). Se păstrează parametrii analizorului; Se observă şi se interpretează spectrul obţinut. 13. Se analizează semnalul obţinut la ieşirea amplificatorului pe frecvența intermediară (AFI) (conectorul J10 pentru platformele Rigol RX). Se păstrează parametrii analizorului; Se observă şi se interpretează spectrul obţinut. 14. Se modifică poziţia relativă emiţător/receptor observând efectul asupra semnalului recepţionat.

4. Întrebări Rigol TX: Pag 1, 5, 12, 13, 14, 21, 22 Rigol RX: Pag 1, 6, 11, 12, 13, 20, 21

Laborator – Sisteme de Radiocomunicaţii Lucrările 2 și 3 – Măsurarea unor parametri caracteristici radioreceptoarelor

Lucrările 2 si 3. Măsurarea unor parametri caracteristici radioreceptoarelor 1. Scopul lucrării Determinarea şi măsurarea unor parametri tipici ai radioreceptoarelor, precum sensibilitatea, selectivitatea şi fidelitatea. 2. Rezumat teoretic În cele ce urmează, se vor defini câţiva parametri de real folos în analiza radioreceptoarelor. Semnalul RF modulat normal Reprezintă un semnal modulat având semnalul modulator o sinusoidă pe frecvenţa 1kHz şi gradul de modulaţie 0.3mmax. În cazul MA se foloseşte un grad de modulaţie de 0.3, iar în cazul MF, deviaţia de frecvenţă  f=0.3fmax=15kHz. Puterea de ieşire maximă utilizabilă Se defineşte pentru o anumită frecvenţă ca puterea la care factorul de distorsiuni este mai mic decât o valoare limită (mai mică decât 10%). Puterea de ieşire nominală Este o putere definită pentru un semnal modulator de frecvenţă 1kHz şi factor de distorsiuni mai mic decât 10%. Puterea de ieşire standard Este o putere de măsură, având valorile 1mW, 5mW, 50mW, 500mW, în funcţie de clasa receptoarelor. În laborator vom folosi valoarea de 50 mW. Reglaj de ton Poziţia normală a acestui reglaj corespunde unei neuniformităţi minime în bandă. Sarcina artificială Rezistenţă egală cu modulul impedanţei sistemului acustic al amplificatorului de joasă frecvenţă la fm=1kHz. Acordul receptorului Reprezintă reglarea comenzilor manuale ale radioreceptorului pentru obţinerea unei puteri de ieşire maxime. Semnalul de intrare folosit este de nivel scăzut, 34dBV sau 54dBV/m. Sensibilitatea Reprezintă nivelul minim al semnalului de intrare modulat normal, care în condiţiile în care radioreceptorul este acordat pe frecvenţa de măsură, cu reglajul de ton în poziţie normală şi volumul la maxim permite obţinerea la ieşire a unui semnal: 1

Laborator – Sisteme de Radiocomunicaţii Lucrările 2 și 3 – Măsurarea unor parametri caracteristici radioreceptoarelor

cu puterea egală cu puterea de ieşire standard (sensibilitatea limitată de amplificare, Sa) - cu raportul semnal pe zgomot standard (sensibilitatea limitată de raportul semnal pe zgomot, Szg), de 20dB la MA şi de 26dB la MF. Sensibilitatea utilizabilă a radioreceptorului se defineşte ca valoarea maximă dintre cele două sensibilităţi definite mai sus: Su=max{Sa, Szg} În general, pentru radioreceptoarele cu zgomot redus şi/sau amplificare mică, sensibilitatea utilizabilă este dată de sensibilitatea limitată de amplificare, în timp ce un radioreceptor cu zgomot mare sau cu amplificare mare are sensibilitatea utilizabilă dată de raportul semnal pe zgomot. -

Fidelitatea Poate fi analizată direct sau pe baza curbei de selectivitate, care permite deducerea benzii de trecere. Practic, la trecerea prin etajele unui receptor, semnalul este afectat de distorsiuni liniare şi neliniare. Distorsiunile liniare se manifestă prin schimbarea relaţiiior de amplitudine şi de fază existente între componente. La laborator vor fi urmărite numai relaţiile de amplitudine. Semnalul de intrarea va avea aceeaşi amplitudine pentru toate frecvenţele modulatoare şi se va constata că semnalul de ieşire are amplitudine variabilă. Din aceastză perspectivă fidelitatea poate fi exprimată prin caracteristica putere de ieşire în funcţie de frecvenţa modulatoare. Distorsiunile neliniare rezultă din cauză că unele blocuri funcţionează în regim neliniar. În acest caz deşi semnalul de ieşire va conţine componente pe frecvenţa care nu existau la semnalul de intrare. Pentru evaluarea acestor distorsiuhni se aplică un semnal modulat cu semnal modulator sinusoidal şi se observă că semnalul de la ieşire conţine armonici ale acesuia. Coeficientul de distorsiuni este dat de relaţia: 

 Ak



k 2 

 Ak

k 1

Din această perspectivă performanţele se pot descrie prin dependenţa coeficientului de distorsiune funcţie de frecvenţa modulatoare; valoarea frecvenţei odulatoare trebuie să fie mai mică decât fmmax. Pentru a efectua această măsurătoare este necesar un distorsiometru. Nu se va efectua la laborator. Caracteristicile sistemului RAA pentru RR analogice Aşa cum se va vedea mai departe sistemul RAA are rolul de a menţine puterea de ieşire relativ constantă în cazul că apar variaţii ale nivelului semnalului de intrare. Decizia se bazează prin observarea unei componente lent variabile proporţională cu purtătoarea care rezultă la ieşirea unor demodulatoare (la o primă aproximare este vorba, de exemplu, de componenta continuă) sau care este extrasă cu un detector separat.

2

Laborator – Sisteme de Radiocomunicaţii Lucrările 2 și 3 – Măsurarea unor parametri caracteristici radioreceptoarelor

Acţiunea acestui sistem, poate fi pusă în evidenţă prin ridicarea aşa numitei caracteristici RAA care reprezintă tensiunea (sau puterea) de la ieşirea RR funcţie de nivelul semnalului de la intrare, Uout=f(Uin) )(figura 3.4.12) sau Pout=f(Pin). Uout(V)

U01 U02

Uin2

Uin1

U in (V)

Fig.1 Caracteristica RAA Pentru informarea utilizatorilor, în documentaţiile tehnice ale unor radio receptoare, se menţionează un parametru mai simplu: eficacitatea sistemului RAA. Acesta reprezintă variaţia nivelului semnalului de intrare pentru care nivelul semnalului de ieşire se modifică cu o valoare standard (10dB). Acest parametru se poate măsura din diagrama prezentată mai sus sau direct. În cel de al doilea caz, după acord, care se realizează folosind un nivel al semnalului de intrare relativ mic, se reglează nivelul semnalului de intrare (Uin1) la o valoare suficient de mare, pentru a realiza puterea de ieșire nominală; Apoi, folosind potenţiometrul de volum se aduce nivelul semnalului de ieşire la jumătate (Pout=PN/2 (jumătate din puterea nominală) pentru a evita distorsiunile neiniare introduse de către amplificatorul de audio frecvenţă. În final, se reduce nivelul semnalului de intrare (Uin) până când puterea semnalului livrat la ieşire, Pout, scade cu 10dB . Noua valoare este notată cu Uin2. Eficacitatea sistemului RAA se calculează folosind expresia:

  20log

U in 1 U in 2

3. Desfăşurarea lucrării Montajul de măsură este prezentat în Fig. 2. Se va observa că din motive legate de siponibilitatea unor blocuri ca şi de obiectivul lucrării care constă în familiarizarea cu parametrii RR, ci procedura de efectuare a măsurătorilor ca şi cu ordinul de mărime, scchema bloc standard (figura 1a) a fost simplificată la cea dată în figura 1b.

3

Laborator – Sisteme de Radiocomunicaţii Lucrările 2 și 3 – Măsurarea unor parametri caracteristici radioreceptoarelor

Vm

a.

b. Fig. 2. Montajul de măsură GRF (GSS) - generator de semnal de radiofrecvenţă, AAS antena artificială, RR este un radioreceptor, Vm este un voltmetru de valori efective, , FTB – filtru trece bandă având fc=1000Hz, FTJ – filtru trece jos (ft=fmMAX) Există două platforme de măsurare. În prima platformă, GRF este un generator de semnal SML 01, iar Vm este un voltmetru R6552. În a doua platformă, rolurile GRF şi Vm sunt incluse într-un singur bloc, CMS50, un instrument pentru monitorizarea serviciilor de radiocomunicaţii. El poate lucra în modul Rx-Test, în care generează un semnal de radiofrecvenţă către radioreceptor, iar semnalul de la ieşirea radioreceptorului este furnizat aceluiaşi bloc CMS50, care permite afişarea semnalului în modul osciloscop, precum şi măsurarea unor parametri importanţi. 3.1. Măsurarea sensibilităţii limitate de amplificare Se vor efectua măsurători la frecvenţele indicate în fişa de laborator. Pentru fiecare din aceste frecvenţe de măsură se parcurg paşii descrişi mai jos. Din GRF se va genera un semnal MA sau MF normal, în funcţie de frecvenţa de măsură (150-285kHz-UL şi 525-1605kHz-UM corespund MA, iar 63-75MHz, 87.5108MHz – UUS corespund MF) conform definiţiei, de nivel mai mic de 100V. Se realizează acordul receptorului, urmărind indicaţia maximă pe voltmetru. De fapt se reglează frexcvenţa RR la valoarea frecvenâţei purtătoare. Reglajul de volum este adus la o poziţie care depinde de RR analozat, Reglaj de ton nu există deci este în poziţia normală. Se modifică nivelul semnalului de intrare, din GRF, astfel ca la ieşirea receptorului să se obţină tensiunea corespunzătoare puterii standard, de 447mVef. Se măsoară nivelul tensiunii de intrare (pe GRF), care coresunde Sa. 3.2. Măsurarea sensibilităţii limitate de zgomot Pentru fiecare din frecvenţele de măsură, în gamele de UL, UM, UUS, se modifică logaritmic nivelul semnalului de intrare, conform tabelului dat în fişa de laborator la acest punct. 4

Laborator – Sisteme de Radiocomunicaţii Lucrările 2 și 3 – Măsurarea unor parametri caracteristici radioreceptoarelor

Se va ţine cont că Uout este nivelul tensiunii de ieşire, care înglobează atât semnalul util, cât şi zgomotul. Presupunând că cele două componente sunt necorelate, se poate scrie: 2 U s2  U 2zg  U out Pentru a măsura tensiunea de zgomot pentru semnale MA se suprimă semnalul de RF iar pentru semnale MF se suprimă modulaţia (Δf=0 ). Apoi se măsoară tensiunea de la ieşirea RR, Uzg. U 2out U 2zg În final se calculează RSZ  10 lg [ dB ] . U 2zg Se reprezintă pe acelaşi grafic valorile Uout[dB V], Uzg[dBV] şi RSZ funcţie de Uin[mV]). Se deduce Szg ca fiind acea valoare pentru care RSZ este egal cu RSZ standard (20dB la MA – UM, UL şi 26dB la MF - UUS). 3.3. Evaluarea fidelităţii RR Pentru a evalua fidelitatea se or completa tabelele date în fişa de laborator nr. 3, modificând frecvenţa semnalului modulator, şi se vor reprezenta graficele corespunzătoare. 3.4. Studiul comportării sistemului RAA Pentru a evalua fidelitatea se or completa tabelele date în fişa de laborator nr. 3, modificând nivelul semnalului de intrare, se vor reprezenta graficele corespunzătoare şi se va evalua eficacitatea sistemului RAA.

4. Întrebări 4.1. Care sunt măsurile care pot face ca un radioreceptor să posede o sensibilitate utilizabilă cât mai bună? 4.2. Analizaţi comportarea sensibilităţii atunci când se schimbă valoarea frecvenţei de lucru în fiecare gamă. 4.3. Remarcaţi comportarea zgomotului funcţie de nivelul semnalului de intrare. De ce sunt difenrenţe între semnalele MA şi semnalele MF? 4.4. Se va compara fidelitatea RR destinate semnalelor MA cu cea a RR destinate semnalelor MF; 4.5. Se va observa măsura în care eficaictate sisemului RAA depinde de frecvenţa purtătoare sau de tipul de semnal modulat recepţionat.

5

Laborator – Sisteme de Radiocomunicaţii Lucrarile 4 si 5. Măsurarea parametrilor care permit caracterizarea selectivităţii pentru radioreceptoare analogice

Lucrarile 4 si 5. Măsurarea parametrilor care permit caracterizarea selectivităţii pentru radioreceptoare analogice

1. Scopul lucr...