курсовая 11,2017. Курсовая работа по дисциплине Теория электрической связи Для специальности рэт
 Скачать 227.23 Kb.
|
|
Министерство образования и науки Республики Казахстан Северо-Казахстанский государственный университет им. М. Козыбаева Мухтыбаев А.М. Курсовая работа по дисциплине: «Теория электрической связи» Для специальности РЭТ г.Петропавловск 2017 г. Задание на курсовую работу Разработать квазиоптимальную по критерию минимума вероятности ошибки систему связи, рассчитать ее основные параметры и указать пути совершенствования разработанной системы связи. Разработка предполагает сформировать определенность системы на информационном, физическом, алгоритмическом, структурном уровнях характеристик и параметров системы, при этом необходимо: - Разработать структурную схему системы связи для заданного вида модуляции и способа приема (табл. 1). - Предполагая, что передаваемый информационный сигнал является аналоговым с шириной спектра F, описать преобразования, которым он подвергается в АЦП при переходе к первичному цифровому сигналу ИКМ. Число уровней квантования N (табл. 2). - Описать процесс помехоустойчивого кодирования, если используется код с проверкой на четность и составить структурную схему кодера. - Рассчитать длительность единичного элемента кодовой комбинации цифрового ИКМ сигнала с проверкой на четность. - Определить характеристики источника независимых двоичных сообщений, если вероятность появления символа "1" р(1) = 0,001+0,kn, где k и n - предпоследняя и последняя цифры номера варианта. - Разработать структурную схему дискретного модулятора и алгоритм его работы. - Разработать структурную схему демодулятора и алгоритм его работы. - Определить величину параметра h2 на входе детектора, при которой Достигается заданная в табл. 3 вероятность ошибки Рош , если помеху, воздействующую на сигнал, считать "белым шумом" со спектральной плотностью мощности Go (табл. 4).Определить амплитуду сигнала, при которой достигается полученное значение h2. - Вычислить вероятность неверного декодирования кодовой комбинации в декодере с учетом кодирования с проверкой на четность. - Определить пропускную способность канала связи. Сформулировать теорему Шеннона о пропускной способности канала и параметры разработанной системы связи сравнить с потенциальными возможностями, указанными в теореме Шеннона. Сделать заключение по результатам работы. связь сигнал демодулятор декодирование Исходные данные Номер варианта -17 Вид модуляции - относительная фазовая Способ приёма - оптимальный, некогерентный (сравнение фаз) Ширина спектра аналогового сигнала - ΔF=5,0 кГц Число уровней квантования - N=256 Вероятность ошибки - Рош = 5  10-6Спектральная плотность мощности шума - Gо = 10-5 (В2/Гц) Введение ОФМ - это способ передачи дискретных сигналов, при котором при передаче фаза каждой N-й посылки отсчитывается от фазы предшествующей ей (N - 1)-й посылки, а при приеме знак принимаемой посылки определяется сравнением фаз каждой N-й посылки с фазой (N - 1)-й посылки. Таким образом, при ОФМ устанавливается полная однозначность фаз между опорной и несущей информацию посылками и устраняется явление "обратной работы". Очевидно, что в начале сеанса связи для передачи первой информационной посылки необходима передача одной избыточной посылки, по которой отсчитывается фаза первой информационной посылки. ОФМ обеспечивает наибольшую помехозащищенность, однако, этот вид самый сложный в реализации. Модуляция также обеспечивает наименьшие габариты антенны, минимальную мощность передатчика, дает возможность введения многоканальной связи. Если говорить о кодировании, то это позволяет автоматизировать процесс, повысить помехоустойчивость, однако это может привести к нежелательным последствиям, таких, как, например, расширение спектра. Задание 1 Разработаем структурную схему системы связи для заданного вида модуляции и способа приема. Для этого необходимо: а) Провести краткий сравнительный анализ потенциальной помехоустойчивости и области применения заданного вида модуляции в сравнении с другими видами модуляции. Под потенциальной помехоустойчивостью понимают предельно достижимую помехоустойчивость при заданных сигналах и видах помех. Её нельзя превысить никакими способами обработки сигналов при существующей помехе в заданной системе связи. Приёмник, обеспечивающий максимальную (потенциальную) помехоустойчивость приёма, называют оптимальным. Помехоустойчивость приёма дискретных сигналов оценивается вероятностью ошибки при приёме заданных сигналов. Она зависит от вида модуляции и от способа приёма. Для передачи дискретных сигналов используют дискретную амплитудную (ДАМ), частотную (ДЧМ), фазовую (ДФМ), относительную фазовую (ДОФМ) модуляции. Наибольшую потенциальную помехоустойчивость (минимально возможную вероятность ошибки) даёт система с ДФМ, затем идут системы с ДОФМ, ДЧМ, ДАМ.  Рис. 1.1. Векторные диаграммы сигналов дискретной модуляции. ДФМ сигналы S1(t) и S0(t), служащие для передачи по каналу символов "1" и "0" кодовых комбинаций двоичного кода, из которых состоит дискретное сообщение, являются противоположными, т.е. S1(t) = -S0(t). Разность этих сигналов (расстояние между концами векторов сигналов)  S=2U,где U - амплитуда сигналов. ДЧМ сигналы S1(t) и S0(t) -ортогональные сигналы.  S=  U.Для ДАМ сигналов: S = U.Таким образом, наиболее отличаются друг от друга сигналы S1 (t) и S0 (t) при ДФМ, что улучшает их распознаваемость, т.е. уменьшает вероятность ошибочного приёма. Наименее отличаются друг от друга сигналы S1 (t) и S0 (t) при ДАМ, что обуславливает наименьшую помехоустойчивость этого вида модуляции. Использование ДФМ даёт энергетический выигрыш по сравнению с ДЧМ в 2 раза (на 3 дБм), а по сравнению с ДАМ - в 4 раза (на 6 дБм). ДОФМ использует преимущества ДФМ. Она менее помехоустойчива, чем ДФМ и более помехоустойчива, чем ДАМ. По сравнению с ДЧМ ДОФМ более помехоустойчива при малых помехах и менее помехоустойчива при сильных помехах. ДЧМ применяется в каналах с высоким уровнем помех, когда требуется обеспечить высокую помехозащищённость, а также в каналах с неопределённой фазой, где ДФМ невозможно применить, или сложна реализация ДФМ приёмников. У ДЧМ высокая помехоустойчивость и относительная простота реализации схем приёмников. ДЧМ применяется также в каналах, где нет большого ограничения на ширину спектра сигнала. б) Пояснить, в каналах какого типа являются оптимальными по критерию минимума вероятности ошибки заданный вид модуляции и способ приёма. Существуют два способа приёма: когерентный, где при демодуляции используется информация о фазе принимаемого сигнала и требуется согласованность по фазе (когерентность) между принимаемым и опорным сигналами; решение о принимаемом сигнале выносится по мгновенным значениям напряжения сигнала. Некогерентный, где сведения о фазе сигнала не используются, а решение о принимаемом сигнале выносится по значениям его огибающей. Эти способы приёма могут использоваться для любых видов модуляции. Когерентные методы приёма требуют значительного усложнения схем приёмника для оценки фазы принимаемого сигнала, поэтому здесь целесообразно использовать ДФМ, дающую наибольшую помехоустойчивость, а некогерентный приём лучше совмещать с ДАМ и ДЧМ, что даёт преимущество в простоте схем приёмников и в менее жестких требованиях стабильности частоты сигнала. В каналах различного типа есть ограничения на вид модуляции и способ приёма. В каналах с быстрыми флуктуациями фазы и частоты неэффективно использовать ДФМ и ДЧМ, так как это приводит к значительному усложнению схемы приёмника, что не окупается достигнутым при этом увеличением помехоустойчивости. Систему с ДФМ нельзя использовать при некогерентном приёме, так как при ДФМ информация заложена в изменение фазы сигнала, а при неизвестной или неопределённой фазе сигналов они неразличимы друг от друга. В каналах с неопределённой фазой сигнала на приёме приходится отказываться от применения когерентного метода приёма даже в тех случаях, когда с помощью сложных можно оценить начальную фазу принимаемого сигнала. При этом используют алгоритм приёма, построенный в предположении, что начальная фаза принимаемого сигнала неизвестна, т.е. некогерентный способ приёма. Однако, в каналах с медленными флуктуациями фазы, путём её оценки, можно достаточно надёжно предсказать её на интервале анализа. При этом, можно реализовать оптимальный когерентный приём, т.к. фаза изменяется достаточно медленно и разности фаз между соседними единичными элементами практически сохраняются. Здесь вполне возможен когерентный приём с применением ДОФМ. Тоже и с ДЧМ в каналах с медленными флуктуациями частоты. Оптимальный некогерентный приём ДЧМ сигналов является оптимальным в каналах с неопределенной или неизвестной фазой сигнала на входе приёмника, когда требуется более простая схема приёмника при высокой помехоустойчивости приёма. в) Разработаем структурную схему системы связи для заданного вида модуляции и способа приёма.  Рис. 1.2. Структурная схема системы связи. [2, c. 10, (рис. 1.1)] ИС - источник непрерывных сообщений b Сообщ./сигн. - преобразователь непрерывных сообщений b в (аналоговый) первичный сигнал Uа(t). АЦП - аналогово-цифровой преобразователь, преобразующий аналоговый первичный сигнал Uа(t) в цифровой сигнал UЦ(t). Кодер - для кодирования кодовых комбинаций простого кода цифрового сигнала помехоустойчивым кодом с проверкой на чётность. Модулятор - для преобразования первичного цифрового сигнала Uцк(t) во вторичный высокочастотный сигнал S(t), соответствующий параметрам линии связи. Это дискретный частотный модулятор, в котором информация, первичным цифровым сигналом, вкладывается в изменение частоты несущего гармонического сигнала, путём изменения модулирующего цифрового сигнала. Вых. Устр. - выходное устройство, включающее в большинстве случаев усилитель сигналов, полосовой фильтр, ограничивающий спектр сигнала для уменьшения помех взаимного влияния в различных каналах, согласующее устройство передатчика с линией связи. Л.С. - линия связи - физическая среда для передачи сигнала. И.П. - источник помех (t), вызывающих отклонение принятых сигналов от переданных ( включая искажения сигнала ). Вх. Устр. - входное устройство, производящее фильтрацию входного сигнала для уменьшения уровня помех на входе демодулятора, усиление сигнала и согласования приёмника с линией связи. Демодулят. - демодулятор, служащий для обратного преобразования вторичного ВЧ сигнала S*(t) в первичный цифровой НЧ сигнал UЦК(t), несущий информацию. Это дискретный частотный модулятор, в котором информационный цифровой сигнал выделяется из закона изменения частоты модулированного сигнала. Декодер - декодирует кодовые комбинации помехоустойчивого кода с целью обнаружения ошибок в ней. Код с проверкой на чётность обнаруживает все ошибки нечётной кратности. ЦАП - цифро-аналоговый преобразователь, преобразует цифровой сигнал U*Ц(t) в первичный аналоговый сигнал U*а(t). Сигн/сообщ. - преобразователь аналогового первичного сигнала U*а(t). в непрерывное сообщение b*. П.С. - получатель непрерывных сообщений. Задание 2 Предполагая, что передаваемый информационный сигнал является аналоговым с шириной спектра F, опишем преобразования, которым он подвергается в АЦП при переходе к первичному цифровому сигналу ИКМ. Для преобразования аналогового сигнала в цифровой ИКМ сигнал, в АЦП осуществляются последовательно три операции: а) дискретизация аналогового сигнала во времени, т.е. замена исходного аналогового сигнала Uа(t) его дискретными отсчётами Uд(nTд), взятыми через интервал времени (интервал дискретизации) Тд, который выбирается согласно теореме Котельникова: д  1/(2F),где F - ширина спектра сигнала. [1, c. 123; 2, c. 98]При передаче необходимо получать как можно более узкие импульсы отсчетов, чтобы в интервалах между ними разместить отсчеты сигналов остальных каналов система, а при приеме, наоборот, как можно более широкие импульсы отсчетов, так как мощность низкочастотного сигнала на входе приемника зависит от энергии импульсов отсчетов, восстановленных на выходе декодера. Сигнал на выходе АИМ ключа - самая простая форма дискретизированного сигнала, у которого вершины импульсов повторяют форму исходного непрерывного сигнала. Для НЧ сигнала, в спектре которого есть постоянная составляющая, интервал дискретизации выбирается из соотношения: Tд 1/(2 FВ), где FВ -верхняя частота спектра аналогового сигнала. [2, c. 101].Последовательность дискретных отсчетов на выходе дискретизатора далее квантуется по уровню с равномерной шкалой квантования. б) Квантование дискретных отчетов сигнала по амплитуде (по уровню), т.е. замена значений дискретных отчетов Uд (nTд) на значения ближайших разрешенных уровней квантования Uкв (n Tд). [2, c. 97] Передача аналоговых сигналов цифровыми методами сопровождается шумом квантования, возникающим из-за деления динамического диапазона кодека на конечное число дискретных величин (ступеней квантования). Предположим, что весь динамический диапазон кодера y1,y2,…,yk, …yN-1,yN… разделен на N одинаковых ступеней квантования . В центре каждой ступени расположен уровень, значение которого или его порядковый номер. Кодер в процессе кодирования может выразить двоичным числом. Обозначим эти уровни квантования через y1, y2, …,yk, …, yN. Далее предположим, что максимальное значение непрерывного входного сигнала x=f(t) не превышает общего динамического диапазона кодера (это предположение исключает дополнительные шумы из-за ограничения сигналов) и в каждый момент ti достигает xi=f(t). При выполнении операции квантования возникает ошибка квантования =xi-yk, где yk - ближайший уровень квантования. Качество передачи в системах с ИКМ оценивается отношением мощности сигнала к мощности шума квантования, (дБ). [2, c. 97, c. 639-640]  (2.1)Качество повышается при увеличении шагов квантования. Сравнение аналоговых импульсных видов модуляции (АИМ, ШИМ, ВИМ) с ИКМ позволяет сделать следующие выводы: Информация о мгновенных параметрах входного непрерывного сигнала при аналоговых импульсных видах модуляции передается при непрерывном изменении аналоговых величин (амплитуды, длительности, временного положения) импульса. Длительность действия систем передачи с этими видами модуляции, как правило, ограничена искажениями, возникающими в процессе передачи, главной причиной которых является чувствительность передаваемого сигнала к внешним помехам; Информация о мгновенных параметрах непрерывного сигнала в системах с ИКМ передается в виде двоичных чисел (кодовых групп), представленных последовательностью импульсов одинаковой формы и амплитуды. Так как искажения этих импульсов при условии безошибочной регенерации не влияют на качество передачи и их сравнительно легко регенерировать, то практически можно достичь независимости качества передачи входного непрерывного сигнала от дальности связи. Необходимо помнить, что при ограничении числа уровней квантования входного непрерывного сигнала появляется дополнительный шум. Кроме того, цифровые системы передачи по сравнению с аналоговыми занимают более широкую полосу частот, что объясняется заменой аналогового сигнала группой импульсов. в) Кодирование номеров уровней, соответствующих значениям квантовых отчетов сигналов. Кодирование заключается в замене квантовых отсчетов кодовыми комбинациями двоичного кода номера уровня квантования, которому соответствует значение квантового отсчета. [1, c. 84] Опишем вышеприведенные преобразования следующими графиками.  Рис. 2.1 Сигнал на входе АЦП  Рис. 2.2 Дискретизация входного сигнала  Рис. 2.3 Квантование входного сигнала  Рис. 2.4 Сигнал на выходе АЦП:  Рис. 2.5. Структурная схема аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Задание 3 Опишем процесс помехоустойчивого кодирования, если используется код с проверкой на четность и составить структурную схему кодера. При передаче цифровых данных по каналу с шумом всегда существует вероятность того, что принятые данные будут содержать некоторый уровень частоты появления ошибок. Получатель, как правило, устанавливает некоторый уровень частоты появления ошибок, при превышении которого принятые данные использовать нельзя. Если частота ошибок в принимаемых данных превышает допустимый уровень, то можно использовать кодирование с исправлением ошибок, которое позволяет уменьшить частоту ошибок до приемлемой. Кодирование с обнаружением и исправлением ошибок, как правило, связано с понятием избыточности кода, что приводит в конечном итоге к снижению скорости передачи информационного потока по тракту связи. Избыточность заключается в том, что цифровые сообщения содержат дополнительные символы, обеспечивающие индивидуальность каждого кодового слова. Вторым свойством, связанным с помехоустойчивым кодированием является усреднение шума. Этот эффект заключается в том, что избыточные символы зависят от нескольких информационных символов. При увеличении длинны кодового блока (т.е. количества избыточных символов) доля ошибочных символов в блоке стремиться к средней частоте ошибок в канале. Обрабатывая символы блоками, а не одного за другим можно добиться снижения общей частоты ошибок и при фиксированной вероятности ошибки блока долю ошибок, которые нужно исправлять. Все известные в настоящее время коды могут быть разделены на две большие группы: блочные и непрерывные. Блочные коды характеризуются тем, что последовательность передаваемых символов разделена на блоки. Операции кодирования и декодирования в каждом блоке производится отдельно. Непрерывные коды характеризуются тем, что первичная последовательность символов, несущих информацию, непрерывно преобразуется по определенному закону в другую последовательность, содержащую избыточное число символов. При этом процессы кодирования и декодирования не требует деления кодовых символов на блоки. Разновидностями как блочных, так и непрерывных кодов являются разделимые (с возможностью выделения информационных и контрольных символов) и неразделимые коды. Наиболее многочисленным классом разделимых кодов составляют линейные коды. Их особенность состоит в том, что контрольные символы образуются как линейные комбинации информационных символов. Принцип обнаружения и исправления ошибок. Корректирующие коды строятся так, чтобы количество комбинаций М превышало число сообщений М0 источника. Однако в этом случае используется лишь М0 комбинаций источника из общего числа для передачи информации. Такие комбинации называются разрешенными, а остальные - запрещенными М-М0. Приемнику известны все разрешенные и запрещенные комбинации, поэтому, если при приеме некоторого разрешенного сообщения в результате ошибки это сообщение попадает в разряд запрещенных, то такая ошибка будет обнаружена, а при определенных условиях исправлена. Следует заметить, что при ошибке, приводящей к появлению другого разрешенного сигнала, такая ошибка не обнаружима. Расстоянием Хемминга d между двумя последовательностями называется число позиций, в которых две последовательности отличаются друг от друга. Наименьшее значение d для всех пар кодовых последовательностей называется кодовым расстоянием. Ошибка обнаруживается всегда, если её кратность, т.е. число искаженных символов в кодовой комбинации: g Исправление ошибок в процессе декодирования сводится к определению переданной комбинации по известной принятой. Расстояние между переданной разрешенной комбинацией и принятой запрещенной комбинацией d0 равно кратности ошибок g. Если ошибки в символах комбинации происходят независимо относительно друг друга, то вероятность искажения некоторых g символов в n-значной комбинации будет равна: |