62438 (Информационные сети и телекоммуникации)

Федеральное агентство по образованию РФ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

"Владимирский государственный университет"

ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ

по дисциплине: "Информационные сети и телекоммуникации"

Выполнил

Студент гр. ЗПИЭу-107

Соколова В.Р.

Принял:

Преподаватель

Галас В.П.

Владимир 2009 г

Лабораторная работа №1. Исследование моделей распределенных линий связи вычислительных сетей

Цель работы: Ознакомление с процессом моделирования распределенных линий связи. Получение навыков работы с моделями систем и их экспериментального исследования.

Аппаратура: компьютер, принтер.

Программное обеспечение: ОС MS Windows, программа Electronics Workbench.

Длина линии – 75 метров

Погонное сопротивление – 0.5 Ом/м

Напряжение источника питания – 5В

Частота источника питания – 300 кГц

Общие сведения

Проводные линии связи вычислительных сетей являются цепями с распределенными параметрами, которые характеризуются тем, что в них индуктивность, емкость, сопротивление и проводимость распределены в пространстве — чаще вдоль двух проводников, образующих линию связи для обмена информацией между различными объектами. Если названные параметры распределены вдоль линии (на единицу длины) равномерно (например, для двухпроводной линии в виде параллельных проводников), то такая линия называется однородной, в противном случае линия является неоднородной.

Линии связи (ЛС) могут быть представлены двумя моделями: идеальной двухпроводной ЛС без потерь (рис. 1, а) и с потерями (рис. 1, б). Математическая модель ЛС с потерями состоит из набора одинаковых звеньев (сегментов), схема которого (рис. 1, в) содержит (в обозначениях EWB 5.0):

R - активное (омическое) сопротивление проводников ЛС, отнесенное к единице длины (погонное сопротивление), Ом/м;

L - погонная индуктивность проводников ЛС, Гн/м;

G - погонная проводимость между проводниками ЛС, См/м; для реальных ЛC к этой проводимости добавляются проводимости, вызванные диэлектрическими потерями изоляционных материалов;

С - погонная емкость между проводниками, Ф/м.

Рис. 1. Графические обозначения ЛС без потерь (а), с потерями (б) и звено математической модели ЛС с потерями (в).

Значения параметров ЛС в EWB 5.0 задаются с помощью диалоговых окон (рис 2, рис3).

Зададим сразу параметры для линии связи с потерями согласно варианту работы.

1. Найдем

С. С = 11.11 * 10^-18 / L

C =11.11*10^-18 / 11.11*10^-6 = 1*10 ^-12 Фарад

2. Найдем Z0

Z0 = (L/C)1/2 = (11.11*10^-6 / 10^-12)^1/2 = 3333.33 Ом

3. Найдем G

G = R*C /L = 9 * 10^-7

Рис. 2 Диалоговое окно установки параметров ЛС с потерями

Рис. 3 Диалоговое окно установки параметров ЛС без потерь

В окне, изображенном на рис. 2, задаются значения параметров эквивалентной схемы (рис.1,в), где, кроме перечисленных выше параметров, указаны длина ЛС (LEN , м). В диалоговом окне для идеальной ЛС (R = 0, G = 0) (рис. 3) обозначено: ZO -волновое сопротивление, Ом; TD — время задержки распространения сигнала. Процессы, происходящие в ЛС, описываются так называемыми телеграфными уравнениями [51]:

∂u/∂х + L(∂i/∂t) + Ri = 0; ∂i/∂х + C(∂u/∂t) + Gu = 0 (1)

где ∂u/∂х , ∂i/∂х, ∂u/∂t, ∂i/∂t) — частные производные от напряжения и тока i по расстоянию х и времени t.

Решение уравнений (1) дает следующий набор характеристик (вторичных параметров) однородной ЛС:

1. Волновое (характеристическое) сопротивление

ZO = [(R + j(ωL)/(G + jωC)]^1/2. (2)

2. Коэффициент распространения

γ = [(R + jωL)(G + jωC)]^1/2 = β + jα, (3)

где коэффициент затухания β = (RG)^1/2, коэффициент фазы α = ω(LC)^1/2.

Если выполнить условие R/L=G/C, называемое условием неискажающей ЛС, то из (2) получим

ZO=(L/C)^1/2, (4)

т. е. волновое сопротивление, как и в случае идеальной ЛС, не будет зависеть от частоты. При тех же условиях скорость распространения электромагнитного поля вдоль ЛС

v = ω/α. = 1/(LC)^1/2,

а время задержки сигнала при прохождении ЛС длиной I

TD = 1/v. (5)

Для воздушных ЛС скорость распространения v принимается равной скорости света с = 3^.10⁸ м/с, тогда LC = 1/c² = 11,11^. 10^-18. (6) ЛС могут работать в следующих режимах :

Режим согласованной линии характерен для ЛС, на выходе которой включено активное сопротивление, равное волновому сопротивлению ZO. Для такого режима мгновенное значение напряжения в любой точке ЛС описывается выражением

U = Ui^.exp(-βl)cos (ωt - αl), (7)

где 1 - расстояние от начала ЛС до точки, в которой определяется значение напряжения; ω - частота входного сигнала Ui.

Из формулы (7) видно, что амплитуда бегущей волны напряжения убывает вдоль линии по экспоненциальному закону. Для моделирования ЛС в режиме согласованной линии используется схема рис. 4. Рекомендуемые значения параметров ЛС LT1: LEN = 50 м, R = 10 Ом/м. Входной сигнал Ui напряжением 7.5v и частотой f=500кГц. Значения ZO, С и G находятся из формул (4), (6) при условии, что R/L=G/C.

Рис. 4 ЛС в режиме согласованной линии

Из осциллограмм на рис. 5, полученных в результате моделирования, можно определить запаздывание α выходного сигнала относительно входного на длину линии в режиме бегущей волны ( α = 2πf(Т2-Т1)), а из индикаторных окон – амплитуды входного U_im=VA1 и выходного U_om=VB2 напряжений.

Рис. 5. Осциллограммы сигналов на входе (А) и выходе (В) ЛС

Эти же величины можно получить теоретически α – по формуле (3), U_om – по формуле (7).

Режим несогласованной линии характеризуется тем, что на ее выходе включено сопротивление Z, не равное волновому сопротивлению ZO. Наиболее ярко этот режим проявляется при разомкнутой (Z = ) или замкнутой (Z = 0) линии. При разомкнутой линии бегущая волна тока достигает конца линии, и заряды дальше двигаться не могут: ток должен прекратиться. Но убывание тока создает по правилу Ленца ЭДС самоиндукции, направленную попутно с убывающим током. Появление же этой ЭДС приводит к повышению напряжения на конце линии, что в свою очередь вызывает движение зарядов в обратном направлении.

Рис 6 ЛС в режиме несогласованной линии

Следовательно, дойдя до разомкнутого конца линии, волны вынуждены двигаться в обратном направлении. Это явление называется отражением волны от конца линии. Энергия отраженных волн возвращается к началу линии. Электрические заряды прямой и обратной волн у конца провода складываются, в результате чего в этом месте в каждый момент времени получается удвоенное напряжение.

Для характеристики линии в рассматриваемом режиме используется коэффициент отражения:

р = (Z - ZO)/(Z + ZO). (8)

При Z = ZO коэффициент р = 0 и в линии наступает режим бегущей волны. При разомкнутой линии Z = и р = 1. При этом в конце линии амплитуды напряжения и тока определяются выражениями:

U_м = U_n(1 + р) = 2U_n; I_m = I_n(1 - p) = 0. (9)

Следовательно, при разомкнутой линии ток в ее конце равен нулю, а амплитуда напряжения равна двойной амплитуде падающей волны U_n. При этом падающие и отраженные волны напряжения имеют одинаковую фазу, а волны тока — противоположную.

Схема для исследования короткозамкнутой ЛС содержит (рис.8) источник входного напряжения Ui частотой 200 КГц (длина волны 75 м), амперметры Al, A2 для измерения тока на входе и выходе ЛС и ЛС, по параметрам аналогичную на рис.6 для разомкнутой ЛС, но составленную из трех компонентов: LI (LEN = 75 м), L2 и L3 (LEN = 75 м).

Рис 8 Схема для исследования короткозамкнутой несогласованной ЛС

Заметим, что для этих компонентов нужно создать отдельную библиотеку, а для амперметра A2 установить минимальное внутреннее сопротивление для имитации короткого замыкания выхода ЛС.

Пример осциллограмм, полученных для данного режима, приведен на рис.9

Рис.9 Осциллограммы сигналов на входе и выходе ЛС в режиме короткозамкнутой линии.

В процессе моделирования можно наблюдать, что после его запуска входной ток постепенно (по синусоиде и в зависимости от быстродействия ПК) возрастает, в то время как выходной ток остается нулевым до тех пор, пока волна (верхняя осциллограмма) не достигнет конца линии

Лабораторная работа №2. Исследование устройств частотного преобразования сигналов информационных сетей

Цель работы: Ознакомление с устройством и работой модуляторов и демодуляторов частотных сигналов. Получение навыков моделирования и экспериментального исследования этих устройств.

Аппаратура: компьютер, принтер.

Программное обеспечение: ОС MS Windows, программа Electronics Workbench.

1. Значение несущей – 10 кГц

2. Значение несущей – 5 кГц

3. Сопротивление фильтра -50 Ом

4. Модулирующее напряжение – 1.5 В.

Общие сведения

Основными элементами модемов, т.е. устройств, позволяющих обмениваться информацией между РС через аналоговые каналы, являются модулятор и демодулятор.

Модулятор. Различают амплитудные, импульсные, фазовые и др. виды модуляции сигнала. Наиболее простая модуляция - амплитудная сводится к перемножению модулирующего сигнала Y(t) = Ео + Ym^.cosωt и несущего X(t) = Xm^.cosωt. После перемножения и тригонометрических преобразований получим результирующее колебание в следующем виде:

Z(t) = Em{cosωt + 0,5M[cos(Ω, - ω)t + cos (Ω + ω)t]}, (1)

где М = Ym/Em — коэффициент модуляции; Em = Eo^.Xm.

Схема амплитудного модулятора (рис.1) содержит двухвходовой суммирующий усилитель на ОУ, к одному входу которого подключен источник постоянного напряжения Ео, а к другому — источник модулирующего напряжения Y'(t). На выходе усилителя формируется сигнал Y(t) = Ео + Y'(t) = Ео + Ym^.cosωt, который поступает на Y-вход перемножителя М с коэффициентом передачи 1. На Х-вход перемножителя подается сигнал несущей X(t).

Рис.1. Амплитудный модулятор

Рис. 2. Осциллограммы амплитудно-модулированного сигнала и несущей

По осциллограммам, полученным в результате исследования модели (рис.1) можно определить коэффициент модуляции М = Ам/Ас, где Ам = |VB2 - VBl|/2 В; Ac = Ам + |VB2| и расчетный параметр (Em), который измеряется вольтметром на выходе перемножителя М при отключенном воздействии модулирующего сигнала. Пример результатов моделирования показаны на рис.2, откуда видно, что амплитуда несущей равна среднему значению Ас амплитудно-модулированного колебания.

Кроме рассмотренной амплитудной модуляции с гармонической несущей, в системах управления и многоканальных устройствах связи широко используются разнообразные виды импульсной модуляции. Наиболее простой из них является амплитудно-импульсная (АИМ), которая чаще всего используется при реализации более сложных видов импульсной модуляции (время-импульсной, фазоимпульсной, частотно-импульсной и т.п.).

Рассматриваемая схема амплитудно-импульсного модулятора (рис. 3)