Praktikum

Fakultät Elektrotechnik

Signale und Systeme

Signalanalyse

Signale bilden die Grundlage für jede Art von Informationsübertragung. Um Systeme entwickeln zu können, die Signale übertragen und verarbeiten, muss man die Eigenschaften der entsprechenden Signale kennen.

In diesem Versuch werden sowohl periodische Signale als auch Sprachsignale im Zeit- und Frequenzbereich betrachtet.

Periodisches Signal (oben) und Sprachsignal (unten) im Zeitbereich
Periodisches Signal (oben) und Sprachsignal (unten) im Zeitbereich

 

  • Kennenlernen der Fourier-Analyse und -Synthese periodischer Funktionen und ihrer praktischen Anwendung.
  • Kennenlernen der Analyse und Synthese kommunikationstechnisch relevanter Signale im NF-Bereich und ihrer praktischen Bedeutung für die Übertragung.
  • Untersuchung von Eigenschaften sowie von Möglichkeiten zur Beschreibung und Darstellung von Sprachsignalen sowie des  Einflusses der Bandbreite auf die Sprachübertragung.

1. Fourieranalyse vorgegebener periodischer Signalfolgen

  • Betrags- und Phasenspektrum einer periodischen Rechteck-Schwingung
  • Betrags- und Phasenspektrum einer periodischen Dreieck-Schwingung

2. Fourier-Synthese aus aufgenommenen Messwerten

3. Analyse von Sprachsignalen

  • Analyse von Zeitfunktion und Amplitudenspektrum vorgegebener Sprachelemente
  • Analyse von Zeitfunktion und Amplitudenspektrum nach Tiefpass-Filterung
  • Analyse von Zeitfunktion und Amplitudenspektrum selbst erzeugter Sprachelemente
  • Beurteilung von Signaleigenschaften (z.B. Bandbreitebedarf)
  • Entwicklung und Einsatz von Systemen zur Verarbeitung und Übertragung von Signalen.
Versuchsplatz N1 "Signalanalyse"
Versuchsplatz N1 "Signalanalyse"

Signalabtastung

Ein Mikrofon erzeugt aus Schall (z.B. Sprache, Musik) ein elektrisches Signal in Form einer analogen Spannung. Die weitere Verarbeitung erfolgt meist in Form eines digitalen Signals. Dazu ist eine Digital-Analog-Wandlung erforderlich, die auch die Abtastung der Signale beinhaltet. Dabei wird in regelmäßigen Zeitabständen (Abtastintervall, Kehrwert der Abtastfrequenz) der Wert des Signals ermittelt.

In diesem Versuch wird unter anderem der Zusammenhang zwischen der Bandbreite des Signals und der minimal zulässigen Abtastfrequenz untersucht.

Versuchsplatz N2 "Signalabtastung"
Versuchsplatz N2 "Signalabtastung"

 

  • Vertiefung der Kenntnisse zur Signalabtastung, insbesondere zur notwendigen Bandbegrenzung und der periodischen Wiederholung des Spektrums.
  • Rekonstruktion abgetasteter Signale unter Verwendung moderner Messgeräte  und Software,  Darstellen des Überlappungseffektes.

1. Abtastung bandbegrenzter Signale (Rauschsignale)

  • Aufnahme eines mit einem Tiefpass gefilterten weißen Rauschen mit verschiedenen Abtastfrequenzen
  • Darstellung von Zeitfunktion und Spektrum mit Hilfe von MATLAB
  • Rekonstruktion der Zeitfunktion aus dem Spektrum mit MATLAB und Wiedergabe mit dem Arbitrary-Funktionsgenerator
  • Vergleich der rekonstruierten Funktionen mit den Originalfunktionen

2. Abtastung periodischer Signale mit unterschiedlicher Abtastfrequenz

  • Aufnahme eines Sinussignal und eines Rechtecksignals mit zwei unterschiedlichen Abtastfrequenzen fa > 20*f und f< 2*f.
  • Darstellung von Zeitfunktion und Spektrum mit Hilfe von MATLAB bei Variation von Zeitfenster und Stützpunktanzahl
  • Rekonstruktion der Zeitfunktion aus dem Spektrum mit MATLAB und Wiedergabe mit dem Arbitary-Funktionsgenerator
  • Vergleich der rekonstruierten Funktionen mit den Originalfunktionen

3. Abtastung periodischer Signale mit unterschiedlicher Fensterlänge

  •  

    Aufnahme einer Sinus- und Rechtecksschwingung.
  • Durchführung der FFT mittels MATLAB mit Fensterlängen, die sowohl gleich als auch ungleich einem Vielfachen der Periodendauer sind.
  • Berechnung der Spektren mittels MATLAB für mehrere unterschiedliche Fensterlängen und Fensterfunktionen (z.B. "Dreieck-" und "Hanningfenster").
  •  Analog/ Digitalwandlung, digitale Verarbeitung und Übertragung von Signalen.

Systemanalyse im Zeitbereich

Lineare Filter werden u.a. zur Bandbegrenzung, zur Unterdrückung von Störsignalen und zum Aufteilen oder Verstärkung von Signalanteilen benötigt. So findet man beispielsweise am Mikrofoneingang der Soundkarte ein Tiefpassfilter (Anti-Aliasing-Filter), das das analoge Eingangssignal auf maximal die halbe Abtastfrequenz bandbegrenzt, um störende Verfälschungen des Signals bei der weiteren Verarbeitung zu vermeiden.

In diesem Versuch werden mehrere lineare Filter messtechnisch analysiert, in dem ihre Ausgangssignale für verschieden parametrierte Eingangssignale betrachtet werden.

Versuchsplatz N3 "Systemanalyse 1 (Zeitbereich)"
Versuchsplatz N3 "Systemanalyse 1 (Zeitbereich)"

 

  • Vertraut werden mit der messtechnischen Analyse linearer Systeme im Zeitbereich.
  • Überprüfung des berechneten Impulsübertragungsverhaltens von R-L-C-Schaltungen durch oszillografische Messungen.
  • Beobachtung der Systemreaktionen bei Anwendung technischer Rechteckimpulse im Vergleich zur idealen Impulsantwort bzw. zur Sprungantwort.
  • Messung von Anstiegs- und Verzögerungszeiten in Abhängigkeit von der Systemgrenzfrequenz.
  • Beobachtung der Hüllkurve eines geschalteten Sinussignals nach Tiefpassfilterung.
  • Veranschaulichung der Wirkung von Hoch- und Tiefpassfiltern auf Rechteckimpulse.
  • Systemidentifizierung im Zeitbereich.
  • Beurteilung von Übertragungskanälen anhand der Impulsverzerrung. 

Systemanalyse im Frequenzbereich

Lineare Filter werden u.a. zur Bandbegrenzung, zur Unterdrückung von Störsignalen und zum Aufteilen oder Verstärkung von Signalanteilen benötigt.

Beispielsweise werden beim analogen Radioempfang die Parameter eines solchen Filters variiert, um aus dem übertragenen Sendergemisch den gewünschten Sender zu extrahieren.

In diesem Versuch werden zunächst die in der Vorbereitung berechneten bzw. simulierten Frequenzgänge von Filtern messtechnisch ermittelt und damit überprüft. Anschließend wird auf der Grundlage des gemessenen Frequenzganges eines unbekannten Filters ein Modell für diesen System berechnet und mit den Messergebnissen verglichen.

Versuchsplatz N4 "Systemanalyse 2 (Frequenzbereich)"
Versuchsplatz N4 "Systemanalyse 2 (Frequenzbereich)"

 

  • Vertraut werden mit der messtechnischen Analyse linearer Systeme im Frequenzbereich.
  • Normierung / Entnormierung von Frequenzfiltern
  • Überprüfung des berechneten Frequenz- und Phasenverhaltens von R-L-C-Schaltungen durch Messung von Amplituden- und Phasengang
  • Modellierung einer unbekannten Filterschaltung anhand des gemessenen Amplitudenganges mit Hilfe der Methode der Geraden-Approximation und Beurteilung der Güte der Approximation durch Vergleich des gemessenen mit dem aus dem Modell-Übertragungsfaktor berechneten Frequenzganges
  • Messung des Amplitudenganges verschiedener Tiefpassstrukturen mit kombinierten Bandsperrenverhalten.
  • Bestimmung des Frequenzverhaltens von Übertragungseinrichtungen, Verstärkern und Filtern.
  • Schaltungssynthese anhand vorgegebener Frequenzgänge.

Signalverarbeitung

Amplitudenmodulation

Versuchplatz "Amplitudenmodulation"
Versuchplatz "Amplitudenmodulation"

 

Praktische Vertiefung der in der Lehrveranstaltung „Signalverarbeitung“ vermittelten theoretischen Zusammenhänge bei der Amplitudenmodulation und -demodulation mit ihren verschiedenen Parametern und Anwendungs­formen.

  • Analyse der Zeitfunktion und des Amplitudenspektrums für verschiedene Varianten der Amplitudenmodulation (Zweiseitenbandmodulation mit bzw. ohne Träger, Einseitenbandmodulation),
  • Experimentelle Ermittlung des Modulationsgrades aus dem modulierten Signal,
  • Darstellung und Analyse des Modulationstrapezes,
  • Untersuchung und Vergleich der Demodulationsverfahren Synchrondemodulation und Hüllkurvendemodulation hinsichtlich der Qualität der rückgewonnenen Nutzsignale,
  • Bestimmung des Wirkungsgrades bei der Modulation als Verhältnis aus Nutzinformationsleistung und Gesamtsignalleistung.

Die Amplitudenmodulation wird beim LW-, MW- u. KW-Rundfunk, Amateurfunk sowie beim Flugfunk angewendet. Außerdem dient dieses Verfahren als Grundlage für die Quadraturamplitudenmodulation (Anwendung z.B. beim Farbfernsehen) und für die digitalen Modulationsverfahren (z.B. ASK, OOK, digitale QAM).

Frequenzmodulation

Versuchsplatz "Frequenzmodulation"
Versuchsplatz "Frequenzmodulation"

 

Praktische Vertiefung der in der Lehrveranstaltung vermittelten theoretischen Zusammenhänge bei der Frequenzmodulation /-demodulation mit ihren verschiedenen Parametern und Anwendungsmöglichkeiten. Weiterhin dient das Praktikum zur Verdeutlichung der Zusammenhänge zwischen Frequenz- und Phasenmodulation.

  • Darstellung von frequenzmodulierten Signalen bei rechteckförmigem Nutzsignal im Zeitbereich. Ermittlung des Frequenzhubs in Abhängigkeit von der Nutzsignalamplitude.
  • Darstellung von Zeitfunktion und Spektrum von FM-Signalen bei sinusförmigen Nutzsignalen. Ermittlung des Modulationsindex aus dem Verhältnis der Spektrallinienamplituden.
  • Variation von Nutzsignalamplitude und Nutzsignalfrequenz mit Beobachtung der Auswirkung auf Spektrum, Modulationsindex, Frequenzhub und Bandbreite.
  • Einstellung des Sonderfalls der trägerlosen FM.
  • Durchführung der Demodulation mittels eines Koinzidenzdemodulators.
  • Verbesserung der Empfangsqualität durch die Verwendung eines zusätzlichen Tiefpassfilters mit Ermittlung der optimalen Tiefpass-Grenzfrequenz.

Die Frequenzmodulation wird beispielsweise beim UKW-Rundfunk verwendet. Das digitale Modulationsverfahren FSK kann als Spezialfall der Frequenzmodulation mit digitalem binären oder mehrwertigen Nutzsignal betrachtet werden.

DSL-Technologie (im Aufbau)

Versuchplatz "DSL-Technologie"
Versuchplatz "DSL-Technologie"

 

Experimentelle Untersuchung und Bewertung der Eigenschaften von Breitbandübertragungssystemen über Kupferdoppeladern.

  • Ermittlung der übertragungstechnischen Eigenschaften von VDSL2- und ADSL2+ Systemen (DSLAM und Modem)
  1. Bestimmung der erreichbaren Datenrate in Abhängigkeit von der Entfernung
  2. Messung der Übertragungsverzögerung bei unterschiedlichen Störschutzparametern (Interleavertiefe)
  3. Bewertung der Übertragungsqualität
  • Analyse der Spektren und der Subträgerbelegung beim Vielträgermodulations­verfahren DMT
  • Beobachtung des Übertragungsverhaltens unter dem Einfluss von in Kupferdoppeladern eingekoppelten Störungen (z.B. Nebensprechen von benachbarten Systemen)
  • Ermittlung der Leistungseigenschaften von typischen über DSL realisierten Protokollen und Diensten (z.B. TCP/UDP, Dateitransfer, Videoübertragung)

Meistgenutzte Technologie zur Bereitstellung von Breitbandanschlüssen für Privatkunden und kleinere Unternehmen.

Digitale Signalverarbeitung

Digitale Modulation

Zufalls-Tackt-Generator
Zufalls-Tackt-Generator

 

Vertraut werden mit der Signalverarbeitung bei der Quadratur-Amplituden-Modulation (QAM) am Beispiel einer 16-APK-Modulator-/Demodulatorschaltung

  • Oszillografische Beobachtung der Bildung von Quadbits aus einem seriellen Bitstrom
  • Beobachtung der DA-Umformung der Quadbits in zwei Zweigen zu je 4 Pegelstufen
  • Untersuchung der Qualität generierter orthogonaler Träger (Sinus, Kosinus)
  • Veranschaulichung der mit analogen Multiplizieren realisierten Amplitudenmodulation im Sinus- und im Kosinuszweig
  • Amplituden- und Phasenmessung am 16-APK-Signal und Darstellung der Ergebnisse im Konstellationsdiagramm
  • Beobachtung der Signalbeeinflussung nach der Multiplikation mit Sinus- bzw. Kosinusträgern im Demodulator
  • Zuordnung der Bitpaare zu den Tiefpass-gefilterten Demodulationsprodukten
  • Messung der Fehlerhäufigkeit in Abhängigkeit vom Signal-Rausch-Verhältnis

QAM ist die bevorzugte Modulationsart zur Übertragung digitaler Information (Modemübertragung, Mobiltelefonie, digitales Fernsehen).

Analog-Digital-Wandler

Versuchsplatz K6: Analog-Digital-Wandler
Versuchsplatz K6: Analog-Digital-Wandler

 

Kennenlernen charakteristischer Parameter von Analog-Digital-Wandlern und deren statische und dynamische Messung

  • PC-gestützte Messung der statischen Übertragungscharakteristiken eines diskret aufgebauten 8-stufigen Parallelwandlers sowie integrierter 8-Bit-SAR- und 6-Bit-Flash-Wandler.
  • Berechnung von differenzieller und integraler Nichtlinearität, dem Quantisierungsrauschen sowie der effektiven Bits aus den statischen Kennlinien und Diskussion der Ergebnisse im Hinblick auf die Wandlungsverfahren
  • Durchführung von dynamischen Tests mit den Parallelwandlern und Rückrechnung der charakteristischen Parameter aus dem gemessenen Histogramm

Statische und dynamische Messung, Testung und Beurteilung von Wandlern bzw. von Gerätesystemen mit AD-Wandlern anhand der charakteristischen Parameter DNL, INL, Quantisierungsrauschen und effektive Bitzahl

Telekommunikationstechnik 1

Grundlagen der Pulscodemodulation

Versuchsplatz Pulscodemodulation
Versuchsplatz Pulscodemodulation

 

  • Kennenlernen der Übertragungskette und die erforderlichen Teilschritte zur erfolgreichen, digitalen Übertragung im Bereich der Telekommunikation.
  • Erkennen der Einflüsse von Störgrößen auf die Übertragung
  • Abtastung, Modulation, Kodierung und Rekonstruktion bei der Signalübertragung .
  • Verwendung unterschiedlicher Quantisierungs- und Kodierungsverfahren
  • Untersuchung der Quantisierungsfehler.
  • Telekommunikation und digitale Übertragungstechnik

Praktikumsunterlagen

Feldbussysteme: PROFIBUS

 

ISDN

 

Digitale Übertragung über Leitungen

 

Praktikumsunterlagen

Optoelektronik

Optoelektronische Sender

Versuchsplatz O1: "Optoelektronische Sender"
Versuchsplatz O1: "Optoelektronische Sender"

 

  • Festigen der Kenntnisse über Aufbau und Funktion von Lumineszenz- und Laserdioden
  • Vertraut werden mit Messungen von Kennlinien, Richtdiagrammen  und dem dynamischen Verhalten dieser Bauelemente
  • Durch Messung von Strom und Spannung bzw. Strom und optischer Leistung werden die statischen Kennlinien der verschiedenen Bauelemente bestimmt
  • Durch Messung der räumlichen Leistungsverteilung in zwei Ebenen werden die Richtdiagramme bestimmt.
  • Mit Hilfe eines Oszillographen wird das Ein- und Ausschaltverhalten bestimmt
  • Beurteilung des Einsatzes von LED’s für Anzeige- und Signalzwecke sowie von Laserdioden für die optische Datenübertragung

Optoelektronische Empfänger

Versuchsplatz 02: "Optoelektronische Empfänger"
Versuchsplatz 02: "Optoelektronische Empfänger"

 

  • Festigen der Kenntnisse über Aufbau und Funktion von pn- und Avalanche-Fotodioden
  • Vertraut werden mit Messungen von Kennlinien und dem dynamischen Verhalten dieser Bauelemente
  • Durch Messung von Strom und Spannung bei unterschiedlicher einfallender  Strahlungsleistung werden die statischen Kennlinien bestimmt
  • In Abhängigkeit des Arbeitspunktes wird bei der Avalanche-Fotodiode der Multiplikationsfaktor ermittelt
  • Mit Hilfe eines Oszillographen wird das Ein- und Ausschaltverhalten bestimmt
  • Beurteilung des Einsatzes von pn-Fotodioden und Avalanche-Fotodioden für allgemeine Sensorzwecke und zur optischen Datenübertragung

Spektrales Verhalten von Halbleiter-Lasern

Versuchsplatz 03: "Spektrales Verhalten von Halbleiter-Lasern"
Versuchsplatz 03: "Spektrales Verhalten von Halbleiter-Lasern"

 

  • Vertraut werden mit dem Prinzip der spektralen Messungen
  • Untersuchung des Emissionsspektrums von Laserdioden und dessen Beeinflussung durch Strom und Temperatur
  • Das Spektrum einer im sichtbaren Bereich strahlenden Laser-Diode wird mit Hilfe eines am PC angeschlossenen Spektrometers (655nm – 685nm) dargestellt
  • Die Einflüsse von Laserdiodenstrom und -temperatur (10°C ... 40°C) auf Modenabstand, Hüllkurvenverlauf, Schwerpunkwellenlänge werden ermittelt.
  • Moden- und Hüllkurven-Temperaturgang werden bestimmt und diskutiert
  • Beurteilung der Eigenschaften von Laserdioden als optische Sender in Übertragungsstrecken

Spektrales Verhalten von Lichtwellenleitern und Fotodioden

Versuchsplatz O4 "Spektrales Verhalten v. Lichtwellenleitern u. Fotodioden"
Versuchsplatz O4 "Spektrales Verhalten v. Lichtwellenleitern u. Fotodioden"

 

  • Festigen der Kenntnisse über das spektrale Dämpfungsverhalten von Kunststoff-Lichtwellenleiter und Foto-Empfängerdioden
  • Vertraut werden mit dem Prinzip der spektralen Messungen
  • Das Licht einer Halogenlampe wird über einen Monochromator einem Licht-Leistungsmesser zugeführt und im Bereich von 455nm bis 700nm eine Leistungs-Referenzmessung durchgeführt
  • Im Anschluss werden die Einfügedämpfung eines 55m langen 1mm-Kunststoff-Lichtwellenleiters bestimmt und in der grafischen Darstellung des Dämpfungsverlaufes  die optischen Fenster ermittelt
  • In einer gesonderten Anordnung wird der Fotostrom von Fotodioden im Wellenlängenbereich von  460nm bis 1100nm gemessen und zur Ermittlung der Empfindlichkeit auf die jeweilige absolute Lichtleistung bezogen.
  • Beurteilung der Qualität von Übertragungsstrecken mit Kunststofflichtwellenleitern und Fotodioden als Empfänger

Audio- und Videotechnik

Digitale Audiobearbeitung

Analog und Digital-Audio
Analog und Digital-Audio

 

  • Vertiefung der Kenntnisse zum MP3-Audio-Kompressionsverfahren und zu den Eigenschaften von komprimierten Audiodateien
  • Probleme und Effekte bei der Digitalisierung analoger Audioquellen, insbesondere bei Schellack- und Vinyl-Schallplatten
  • Kennenlernen von Bearbeitungsmöglichkeiten zur Restauration gestörter Audiodateien, die das Nutzsignal weitgehend unbeeinflusst lassen
  • Synthetisch generierte Audiosignale (Gleitsinus 20 Hz … 20 kHz und Pseudorauschen) werden mit unterschiedlichen Kompressionsfaktoren MP3-komprimiert und hinsichtlich ihrer Wert- und Frequenztreue mit einem geeigneten Audio-Editor-Programm untersucht
  • MP3-Musikbeispiele aus verschiedenen Genres werden einer subjektiven Bewertung in einem Hörtest unterzogen. In Abhängigkeit von der Kompressionsstärke werden Bandbreite und Raumeindruck sowie das Auftreten von Artefakten beurteilt.
  • Restauration einer historischen Mono-Schelllackplatte ausgehend von einem bereits vorliegenden Stereo-Wave-File: Korrektur der Wiedergabegeschwindigkeit, Abschätzung des Geräuschspannungsabstandes der Originalaufnahme, Stereo-Mono-Wandlung, Unterscheidung von radialen und vertikalen Komponenten der Störungen in der Plattenrille, Entfernung von impulsartigen Störungen, Begrenzung der Bandbreite auf das Nutzsignalband, Messung des Geräuschabstandes nach Restauration und Ermittlung des erzielten Gewinns
  • MP3-Komprimierung von Audiosignalen
  • Digitalisierung analoger Audioquellen
  • Restauration historischer Tonaufnahmen

Digitale Bildverarbeitung

Versuch B2: Digitale Bildverarbeitung
Versuch B2: Digitale Bildverarbeitung

 

  • Erfahrungen im Umgang mit Industriekameras, digitalen Bildverarbeitungssystemen und entsprechenden Programmierwerkzeugen.
  • Fähigkeit zur Implementierung einfacher Bildverarbeitungsalgorithmen.
  • Erproben von Möglichkeiten zur automatischen Bildverarbeitung an Hand eines Systems, bestehend aus einem PC, einer über IEEE 1394 angebundenen Industriekamera und einer entsprechenden Entwicklungsumgebung (Visual C++, Matlab).
  • Entwickeln, Implementieren und Testen von einfachen Algorithmen der Bildverarbeitung.
  • Vergleich von Algorithmen zum Weißabgleich und zum Demosaicking
  • Einsatz von industriellen Bildverarbeitungssystemen, Entwicklung von Routinen zur Bildverarbeitung sowie Treiberprogrammierung in der Hardwareentwicklung

Videoschnitt

Versuchsplatz B4: Videoschnitt
Versuchsplatz B4: Videoschnitt

 

  • Praktischer Umgang mit analoger und digitaler Audio- und Videotechnik
  • Erlernen des Umgangs mit Videoschnittsoftware am PC
  • Kennenlernen und Erprobung der Möglichkeiten bei der Bearbeitung von Videomaterial aus analogen und digitalen Quellen.
  • Beeinflussung der Qualität von komprimierten Videodateien durch unterschiedliche Datenraten und Auflösungen einschließlich H.264.
  • Schneiden und Bearbeiten von Videoclips am PC.
  • Videotechnik, PC – gestützte Erstellung von Videoclips, Dokumentationen.