Методические указания. Методические указания по выполнению курсового проекта. Методические указания по выполнению курсового проекта по дисциплине Общая теория передачи информации

• Название: Методические указания по выполнению курсового проекта по дисциплине Общая теория передачи информации
• Анкор: Методические указания
• Дата: 14.11.2022
• Размер: 0.89 Mb.
• Имя файла: Методические указания по выполнению курсового проекта.docx
• Тип: Методические указания; #788119
• страница: 2 из 5

Импульсные помехи, как флуктуационные, так и гармониче­ские, чаще всего проникают в канал через линейный тракт систе­мы передачи. Эти помехи на выходе канала ТЧ представляют собой реакцию канала ТЧ на ударное воздействие короткого им­пульса длительностью около 75 мкс. Форма импульсной помехи на выходе канала связи практически не зависит от точки попада­ния импульса в высокочастотном или низкочастотном тракте.

Одним из основных параметров импульсной помехи является ее амплитуда, т. е. величина максимального выброса напряже­ния. Для оценки распределения амплитуд импульсных помех ис­пользуют вероятность суммарного времени превышения импуль­сной помехой определенного порогового значения, а также веро­ятность превышения амплитудой помехи определенного уровня. Согласно нормам МККТТ для канала ТЧ длиной 2500 км превышение импульсных помех порогов анализа 600, 400 и 200 мВ в точке относительного уровня +4,3 дБ за часовые от­резки измерения допускается с вероятностью не более 110^-5; 210^-5 и 510^-5 соответственно. Заметим, что амплитуда сигнала в этой точке составляет 400 мВ для сигнала мощностью 50 мкВт и 350 мВ — для 32 мкВт. С увеличением длины канала эти веро­ятности следует умножить на коэффициент l_к/2500.

Импульсные помехи в телефонных каналах группируются в пакеты. Экспериментально установлено, что число импульсных помех в пакете и длительность пакетов меняются в значительных пределах. Среднее число помех в пакете составляет около 4,4 при длительности его 5,4 с. В то же время 50% пакетов при длитель­ности менее 1 с насчитывают менее трех помех, а 20% всех паке­тов содержат более восьми импульсных помех длительностью более 10 с.

Мультипликативные помехи в каналах связи выражаются в основном в изменении остаточного затухания, приводящего к из­менениям уровня сигнала. Различают плавные и скачкообразные изменения уровня сигнала. Занижение уровня на значение более 17,4 дБ относительно номинального называется перерывом. При этом, если длительность перерыва t_пр<300мс, то он считается кратковременным, а при t_пр>300мс — длительным. При дли­тельных перерывах на коммутируемых каналах происходит нару­шение связи и для ее восстановления требуется установление нового соединения. Экспериментальные исследования показали, что в телефонных каналах кратковременные перерывы имеют значительный удельный вес. Причем перерывы имеют тенденцию к группированию в пакеты. Кратковременные перерывы при пе­редаче данных являются основной причиной ошибок. На их долю приходится около 80% ошибок в каналах передачи данных. Ве­роятность ошибок в канале пропорциональна суммарной дли­тельности перерывов:
(1.12)
где — длительность i-гo перерыва; п — число перерывов за сеанс измерений Т_си.

Согласно установленным нормам относительное время сниже­ния уровня сигналов более чем на 17,4 дБ не должно превышать 810^-5 за часовые отрезки времени.

В каналах связи имеют также место своеобразные мульти­пликативные помехи, связанные с нестабильностью поднесущих частот аппаратуры уплотнения. Это приводит к сдвигу частоты и фазы принимаемых сигналов на выходе канала, который тем вы­ше, чем больше в тракте преобразователей спектра (переприемов по низкой и высокой частоте). В результате сдвигов затрудня­ется выделение на приемной стороне когерентных колебаний при ФМ или возникают искажения сигналов ЧМ. Аппаратура пере­дачи данных с ЧМ менее чувствительна к сдвигу, чем с ФМ. С увеличением скорости передачи чувствительность к сдвигу час­тоты и фазы повышается как в системах с ФМ, так и с ЧМ. Нор­мами на каналы ТЧ допускается сдвиг частоты величиной , где N_y— число переприемных участков, кото­рое в реальных условиях не превышает 10—12. Однако чтобы избежать возможных ошибок при передаче данных, АПД должна быть рассчитана на сдвиги частоты сигнала в канале до ±6 Гц. Нестабильность фазы (фазовое дрожание) принимаемых сиг­налов также влияет на работоспособность АПД, особенно это возрастает с ростом скорости передачи. Фазовое дрожание воз­никает из-за паразитной модуляции несущего колебания фоном переменного тока частотой 50 Гц. В существующих системах уплотнения оно может достигать 7°, а для новых систем не пре­вышает 1,5°.

Основным видом помех в кабельных цепях ГТС являются внешние электромагнитные воздействия и переходные влияния между цепями кабельных линий. В качестве критериев оценки влияний между цепями дискретной и аналоговой информации в низкочастотных кабельных линиях принимается допустимое на­пряжение псофометрических помех для телефонных цепей и до­пустимое напряжение невзвешенных шумов для цепей передачи данных. В соответствии с установленными нормами средняя ве­личина мощности псофометрических шумов на выходе физиче­ских цепей ГТС, используемых для телефонной связи, не должна быть выше 100 пВт (0,245 мВ) для абонентских и 500 пВт (0,55 мВ) для соединительных линий.

В качестве оценки степени влияния цепей для передачи раз­личного рода информации (телефонной, радиовещания, телеме­ханики) на цепи для передачи данных принято напряжение невзвешенных шумов, измеренное прибором со среднеквадратич­ной характеристикой детектирования и временем интегрирования 200 мс в полосе частот 0,3—3,4 кГц. По существующим нормам на коммутируемые сети средняя величина мощности шумов в по­лосе 0,3—3,4 кГц должна быть не выше 200 пВт (0,347 мВ) для абонентских и 0,775 мВ для соединительных линий.
1.3 Расчет скорости модуляции и полосы пропускания дискретного канала

Для передачи по каналу связи единичных элементов дли­тельностью т_о, спектр которых занимает бесконечно большую полосу частот, амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) и характеристика группового времени прохождения (ГВП) канала должны быть постоянными в бесконечной полосе частот. Реаль­ные каналы для передачи видеоимпульсов имеют частотные ха­рактеристики, близкие к характеристикам фильтра нижних час­тот, а для передачи радиоимпульсов — полосового фильтра.

Для повышения эффективности использования полосы частот занимаемого канала связи спектр частот сигнала ограничивают, т. е. передают лишь ту часть спектра, в которой сосредоточена основная энергия сигнала (90%). Ограничение спектров сиг­налов при передаче по реальным каналам вызывает искажения формы сигналов и появление переходных процессов, которые приводят к взаимному перекрытию соседних посылок, так назы­ваемым межсимвольным помехам, затрудняющим прием единич­ных элементов.

Основная часть энергии при передаче импульсов постоянного тока сосредоточена в полосе частот от 0 до 1/(2₀) Гц. Если в канал связи передавать лишь частотные составляющие этого диапазона, минимально необходимая полоса частот определяется по формуле
, (1.13)
где В — скорость модуляции, определяемая по (1.3).

Предельная скорость модуляции при передаче двухпозиционных видеосигналов и сигналов AM с одной боковой полосой (AM ОБП) будет равна
B = B_max = 2F. (1.14)
При передаче модулированных сигналов (AM, ФМ, ЧМ) ми­нимально необходимая полоса частот увеличивается вдвое в ви­ду необходимости передавать верхнюю и нижнюю полосы частот . Предельная скорость модуляции в этом случае
B_max =F.(1.15)
Соотношения (1.14) и (1.15) носят название пределов Найквиста. Следует заметить, что при ЧМ формула справедлива лишь при индексах частотной модуляции m_чм1 а для m_чм>1 для определения необходимо рассчитать спектр ЧМ сиг­нала и определить полосу, в которой сосредоточено не менее 90% энергии сигнала.

Для сохранения удовлетворительной формы посылок на вы­ходе канала на практике скорость модуляции B_пр выбирают не­сколько меньше, чем предельно допустимые B_mах, а именно
B_пр = 0,7B_max = 1,4F_min . (1.16)
При использовании сигналов AM, ЧМ и ФМ с двумя боковы­ми полосами она уменьшается вдвое:
B_пр = 0,35B_max = 0,7F_min . (1.17)
Передача сигналов с одной боковой полосой позволяет почти удвоить скорость передачи. В реальных условиях при методах передачи с ОБП практическая скорость определяется выраже­нием
B_пр = (1,1 - 1,25)F_min . (1.18)
Если же при проектировании АПД заданной является ско­рость передачи, то на основании (1.16)—(1.18) определяется необходимая полоса частот канала. Для видеосигналов
F_к = 0,71В. (1.19)
Для радиосигналов с двумя боковыми полосами
F_к = 1,42В. (1.20)
Для радиосигналов с ОБП
F_к = (0,8 - 0,91)В. (1.21)
В ряде случаев, при разработке автоматизированных инфор­мационных систем, задается (либо необходимо выбрать) не толь­ко тип канала, но и накладываются ограничения на время исполь­зования этого канала, так называемое время сеанса связи. Рас­чет при таких условиях начинают с определения количества ин­формации I, которую необходимо передать в течение сеанса свя­зи T_сс. В состав передаваемого массива входит не только инфор­мация, подлежащая передаче потребителю I_п, но и служебные символы (символы начала и конца передачи, синхронизирующие символы, избыточная информация, вводимая для повышения помехоустойчивости, и т. д.). Если на начальном этапе проекти­рования количество служебных символов точно определить не удается, то ориентировочно количество служебных символов I_сл определяется в пределах 5—10% от объема полезной информа­ции, т. е. I_сл = (0,050,1)I_п. Тогда необходимая скорость
V=(I_П+I_сл)/Т_сс=(1,05-1,1)I_п/Т_сс (1.22)
Таким образом, рассчитав необходимую скорость передачи, по (1.22) на основе соотношений (1.16) — (1.18) выбираем ориен­тировочную величину полосы пропускания канала связи ΔF_k.Следует заметить, что при использовании стандартных каналов связи расчетное значение скорости модуляции должно быть округлено до ближайшего большего значения, выбранного из стандартного ряда скоростей.
1.4 Общие методические рекомендации

Прежде чем приступить к выполнению проекта устройств пре­образования сигналов (УПС), повторите основные принципы по­строения дискретных каналов, характеристики сигналов и помех, методы помехоустойчивой обработки сигналов. Внимательно изучите техническое задание на проектирование, найдите в пособии либо в рекомендуемой литературе основные расчетные соотношения, связывающие заданные параметры с теми, которые нужно обес­печить в процессе проектирования УПС. Определите, достаточно ли исходных данных для нахождения нужных параметров либо необходимо некоторые данные задать самому или рассчитать их исходя из теоретических положений изучаемого курса, соответ­ствующих стандартов. При разработке структурных и функцио­нальных схем УПС целесообразно ознакомиться с типовыми тех­ническими решениями, которые подробно изложены в литературе.

Основной задачей УПС является передача цифровых сигналов данных по каналу связи с требуемой скоростью Vи вероятно­стью ошибки Р₀. Эта задача может быть решена путем использо­вания различных методов передачи и модуляции. Выбор конкрет­ного метода определяется рядом факторов, важнейшими из кото­рых являются тип канала связи, характер помех и скорость передачи. При этом необходимо учитывать, чтобы техническая реализация УПС, удовлетворяющая поставленным требованиям, была наиболее простой.

При проектировании УПС наиболее сложная задача возлага­ется на приемную часть, так как именно здесь решается пробле­ма обеспечения требуемой верности приема единичных элементов.

Расчет передающей части сводится обычно к выбору несущей частоты f_н, частот генераторов дополнительных модуляторов f_1м и f_2м (если необходимо двойное преобразование частоты), полосы пропускания фильтра передачи ΔF_пф и минимально допусти­мого уровня сигнала р_{с вх}на входе канала связи (выходе пере­датчика).


Рисунок 1.2 Структурная схема УПС
Для более полного уяснения процесса расчета параметров УПС изобразим его структурную схему (рисунок 1.2). Дискретный канал состоит из передающей части УПС_ПД, непрерывного канала связи КС и приемной части УПС_прм. На схеме показаны лишь те блоки устройства преобразования сигналов, которые определяют системные характеристики УПС и параметры которых предстоит рассчитать. На вход УПС поступают цифровые сигналы данных длительностью т_о со скоростью V₂бит/с. В УПС_ПД эти сигналы преобразовываются по частоте (модулируются) и передаются в канал связи с определенным уровнем р_{с вх}и шириной спектра ΔF_C. Канал связи (включая соединительные линии) характеризу­ется шириной полосы пропускания ΔF_K, остаточным затуханием а_ост, неравномерностями остаточного затухания Δ а_ост и группового времени прохождения (ГВП) Δτ_гр в полосе канала связи, а также максимальным сдвигом несущей частоты в канале df. Кро­ме этого в канале имеются помехи: флуктуационные, задаваемые; импульсные, определяемые законами распределения с их числен­ными параметрами либо максимальной величиной произведения длительности импульсной помехи на ее амплитуду А_о; кратковре­менные перерывы, задаваемые законами распределения с конкретными численными параметрами или средней длительностью перерывов _пр и их интенсивностью _np.

Таким образом, на вход УПС_прм, состоящего из линейного усилителя УС_ВХ, полосового фильтра ПФ₃, преобразователя час­тоты ПЧ, демодулятора ДМ, устройств регистрации УР, выделе­ния когерентных колебаний УВКК и синхронизации УС со скоро­стью В поступает смесь сигнала с флуктуационной помехой, характеризуемая отношением сигнал/помеха q_BX. В некоторых вариантах проекта мешающие воздействия могут быть заданы параметрами перерывов _пр, _np или импульсных помех А_о. После прохождения приемного фильтра ПФ₃ отношение сигнал/помеха улучшается. В демодуляторах, в состав которых входит порого­вое устройство (классические неоптимальные ЧМ и ОФМ- демодуляторы), за счет воздействия помех выходные сигналы иска­жаются по форме, изменение которой численно выражается среднеквадратической величиной краевых искажений _кв или суммарной длительностью дроблений t_др. Для уменьшения вероятности ошибки УПС Р_оза счет влияния краевых искажений или дроблений сигналы на выходе ДМ подвергаются стробированию или интегрированию, которое осуществляется в УР под действием синхроимпульсов, формируемых из принимаемых еди­ничных элементов в устройстве синхронизации. УР характеризу­ется исправляющей способностью _эфф. Следует заметить, что расчеты вероятности ошибочной регистрации единичных элемен­тов Р₀ в УПС с использованием классических демодуляторов удобно вести, учитывая параметры искажений сигналов на выхо­де демодулятора.

На рисунке 1.2 буквенными обозначениями без кружков показаны параметры, которые необходимо рассчитать в процессе курсово­го проектирования. Параметры, обведенные кружком, определя­ются соответствующими стандартами, а обведенные знаком * обычно задаются техническим заданием (ТЗ).

Техническое задание на проектирование УПС включает в се­бя требования, относящиеся:

1. 
   к УПС в целом — скорость передачи V; вероятность оши­бочной регистрации единичных элементов Р_о;
   
2. 
   к непрерывному каналу связи — тип канала; параметры канала связи: ширина полосы пропусканияΔF_K; остаточное затухание а_ост и его неравномерность Δа_ост; неравномерность ГВП Δτ_гр; для физических линий — тип кабеля связи и величина переходного затухания кабеля; длина физической линии; параметры помех: спектральная плотность N₀ или эффективное напряжение флуктуационных помех.
   

Необходимо разработать подробную функциональную схему УПС и рассчитать следующие параметры: минимально допусти­мые уровни сигналов на входе и выходе канала связи р_свх и р_свых, причем должно быть выполнено условие
р_{с вх}≤ р_{с доп} (1.23)
где р_{с доп} — максимально допустимый уровень на входе канала определенного типа; параметры генераторов, формирующих не­сущую f_H опорную fо и тактовую f_Bчастоты; полосы пропуска­ния ΔF_пф передающего и приемного фильтров, а также ряд дру­гих схемотехнических параметров, о которых будет сказано ниже.
1.5 Выбор метода передачи и модуляции

На начальной стадии проектирования перед разработчиком устройств преобразования сигналов возникает ряд вопросов, однозначные ответы на которые дать весьма затруднительно. Например: какой выбрать метод передачи: последовательный или параллельный; асинхронный, синхронный или стартстопный? можно ли применять для передачи видеоимпульсы либо следует использовать модулированные сигналы тональной, вы­сокой или сверхвысокой частот?

Ответ зависит от совокупности дополнительных условий, ог­раничивающих разработчика. Так, например, при наличии фи­зической линии связи наиболее целесообразно передачу данных осуществлять видеоимпульсами, используя двухуровневую или многоуровневую амплитудную манипуляцию, что позволит су­щественно упростить аппаратурную реализацию УПС. Если передача данных будет осуществляться по стандартным кана­лам тональной частоты или по широкополосным КС, то в этом случае обязательно модуляцию применять, так как необходимо осуществлять перенос спектра сигналов передачи данных в по­лосу частот занимаемого канала связи.

Для обеспечения высокой помехоустойчивости и скорости передачи информации при транспортировании больших масси­вов сообщений следует строить синхронные УПС. Применение асинхронного метода позволяет значительно сократить аппара­турные затраты, однако из-за низкой помехоустойчивости его целесообразно применять при скоростях модуляции не выше 50 Бод.

В автоматизированных информационных системах, работаю­щих в диалоговом режиме, при передаче коротких сообщений (десятки и сотни бит) с низкой (до 600 Бод) скоростью, с целью упрощения аппаратуры и снижения ее стоимости, обеспечения мгновенной готовности к работе имеет смысл применить старт-стопный метод передачи.

При выборе последовательного или параллельного метода следует помнить, что при последовательном методе единичные элементы кодовой комбинации передаются последовательно во времени один за другим, что позволяет передавать n_p-разрядную комбинацию по одному КС, а при параллельном методе единичные элементы всей кодовой комбинации передаются па­раллельно, т. е. одновременно, для чего требуется n_рподкана­лов. Оба метода теоретически обеспечивают одинаковую про­пускную способность, так как в случае равенства длительно­стей единичных элементов время передачи при последователь­ном способе в n_р раз больше, чем при параллельном, но потребность в каналах в n_рраз меньше. Если же задано время передачи, то длительность единичных элементов при последо­вательном методе должна быть в n_рраз меньше, чем при парал­лельном, а полоса частот канала связи для последовательной передачи в n_рраз больше, чем для каждого из n_p параллельного подканала.

Преимуществами последовательного способа передачи перед параллельным являются: более простая аппаратурная реализа­ция за счет меньшего числа функциональных узлов (модулято­ров, демодуляторов и фильтров); большая помехозащищенность единичного элемента вследствие передачи его в КС с максималь­но допустимой мощностью; при параллельном способе с n_рпод­каналами сигнал в каждом подканале должен передаваться с n_p раз меньшей мощностью во избежание перегрузок канала связи.

В то же время последовательный способ обладает рядом су­щественных недостатков: необходимость дополнительного преоб­разования частоты на передающей и приемной сторонах, для борь­бы с краевыми искажениями единичных элементов, возникающих за счет низкого отношения несущей частоты к модулирующей; жесткие требования к равномерности АЧХ и ФЧХ канала и их стабильности; сложность схемы синхронизации.

Параллельный способ обладает рядом преимуществ перед последовательным, а именно: большая длительность единичного элемента т₀ при условии одинаковой с последовательным спосо­бом суммарной скоростью передачи, что позволяет снизить тре­бования к равномерности АЧХ и ФЧХ канала и отказаться от применения сложных схем коррекции амплитудных и фазовых искажений; меньшая чувствительность к замираниям сигнала и кратковременным перерывам, а также к импульсным помехам, что позволяет существенно упростить УЗО (устройство защиты от ошибок), а в ряде случаев и исключить его, уменьшив тем самым сложность и стоимость АПД. Существенным недостатком параллельного способа, oограничивающего его применение, является быстрый рост требуемой полосы частот и сложности аппаратуры с увеличением количест­ва позиций сигналов