8151

Разработка обобщенной структурной схемы системы связи для передачи непрерывных сообщений дискретными сигналами

Курсовая

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Введение Теория электрической связи (ТЭС) является неотъемлемой частью общей теории связи и представляет собой единую научную дисциплину, основу которой составляют: теория сигналов, теория помехоустойчивости и теория информации. Принципы и методы ку...

Русский

2013-02-05

470.5 KB

131 чел.

Введение

Теория электрической связи (ТЭС) является неотъемлемой частью общей теории связи и представляет собой единую научную дисциплину, основу которой составляют: теория сигналов, теория помехоустойчивости и теория информации. Принципы и методы курса ТЭС являются теоретической основой для развития инженерных методов расчёта и проектирования аналоговых и цифровых систем связи.

Современный инженер  проектирования и эксплуатации систем связи различного назначения, удовлетворяющим конкретным техническим требованиям, должен уметь оценивать, насколько полно реализуются в них потенциальные возможности выбранных способов передачи, модуляции, кодирования и определять пути улучшения характеристик систем связи для приближения их к потенциальным.

Правильная эксплуатация систем связи также требует знания основ теории передачи сигналов, выбора оптимального режима работы, критериев оценки достоверности передачи сообщений, причин искажения сигналов и т.д.

Главными задачами, которые ставятся в данной курсовой работе, являются:

- изучение фундаментальных закономерностей, связанных с получением сигналов, их передачей по каналам связи, обработкой и преобразованием их в радиотехнических устройствах;

- закрепление навыков и формирование умений по математическому описанию сигналов, определению их вероятностных и числовых характеристик;

- выбор математического аппарата для решения конкретных научных и технических задач в области связи; видение тесной связи математического описания с физической стороной рассматриваемого явления.

Кроме этого, для выполнения  данной курсовой работы необходимо иметь глубокое знание обобщенной структурной схемы системы передачи сообщений и осуществляемых в ней многочисленных преобразований.

2. Задание

Разработать обобщенную структурную схему системы связи для передачи непрерывных сообщений дискретными сигналами, разработать структурную схему приемника и структурную схему оптимального фильтра, рассчитать основные характеристики разработанной системы связи, дать оценку пропускной способности и эффективности системы связи и сделать обобщающие выводы по результатам расчетов.

        

3. Исходные данные.

Курсовая работа выполняется для следующих исходных данных:

1. Номер варианта  N =04   .

2. Вид сигнала в канале связи: ДАМ.

3. Скорость передачи сигналов V =4*103 ,  Бод.

4. Амплитуда канальных сигналов  А =2*10-3  В.

5. Дисперсия шума  2  = 5,28*10-7  Вт.

6. Априорная вероятность передачи символов "1"  p(1) = 0,36  .

7. Способ приема сигнала:   НКГ.

8. Полоса пропускания реального приемника, определяемая шириной спектра сигналов двоичных ДАМ, ДЧМ, ДФМ, ДОФМ, вычисляется по формулам

f прДАМ = f прДФМ  = fпрДОФМ  = 2/T=2*V=2*4*103=8*103  Гц, где T = 1/V - длительность элемента  сигнала, определяемая  скоростью передачи (модуляции) сигналов V.

9. Значение отсчета принятой смеси сигнала и помехи на входе решающей схемы приёмника при  однократном отсчете  Z(t0) =5,015*10-4 В .

10. Значения отсчетов принятой смеси сигнала и помехи при  приеме  по  совокупности  трех независимых  (некоррелированных)  отсчетов

Z(t1)= 5,015*10-4 В,   Z(t2) =3,009*10-4 В,  Z(t3) =5,516*10-4  В.

11. Максимальная  амплитуда  аналогового  сигнала на входе  АЦП
bmax  =3.2В   .

12. Пик-фактор входного сигнала  П =1,9.

13. Число разрядов двоичного кода (при  передаче  сигналов  методом ИКМ) n = 10.

14. Вид  дискретной  последовательности  сложного  сигнала.     

S1(t)=5628={1,0,1,1,1,0,0,1,0}={1,-1,1,1,1,-1,-1,1,-1 }.                                                                

Расчет численных значений этих параметров приводится в приложении
в конце работы.


4. Структурная схема системы связи.

Рис. 4.1 Структурная схема СС.

Под системой связи понимают совокупность технических средств и среды распространения сигналов, обеспечивающих передачу сообщения от источника к потребителю. Структурная схема СС представлена на рисунке 4.1.

Источником сообщений и получателем в одних системах связи может быть человек, в других – различного рода устройства, например ЭВМ.

Устройства, входящие в СС:

1. Преобразователь сообщения в электрический сигнал. Этот узел нужен, когда сообщение не является электрическим сигналом (например, речь).

2. Для ограничения спектра первичного электрического сигнала вводится фильтр нижних частот (ФНЧ). Ограничение спектра нужно для того, чтобы можно было передавать сигнал с помощью отсчетов– по т. Котельникова дискретизируемый сигнал должен иметь ограниченный спектр.

3. Сигнал с ФНЧ подается на АЦП, который состоит из 3-х блоков:

а) Амплитудно-импульсный модулятор (АИМ). В нем происходит дискретизация сигнала по времени через интервалф времени t.

б) Квантователь, который дискретизирует сигнал  по уровню.

в) Последовательность квантованных значений передаваемого сообщения представляется в виде последовательности кодовых комбинаций-ИКМ (импульсно-кодовая модуляция). Чаще всего кодирование осуществляется в виде представления каждого уровня в двоичной системе счисления (0 или 1).

4. После АЦП может устанавливаться помехоустойчивый кодер для повышения помехоустойчивости передаваемого сигнала при передаче по линии связи, подверженной воздействию помех, который вводит избыточность  передаваемый код.

5. Совокупность кодовых комбинаций поступает на модулятор, который и преобразует код в сигнал, пригодный для передачи по линии связи. Общий принцип модуляции состоит в изменении одного или нескольких параметров несущего колебания в соответствии с передаваемым сообщением. Обычно в качестве несущего сигнала используется ВЧ гармоническое колебание. Используются АМ, ФМ, ЧМ.

6. Передача осуществляется по линии связи (ЛС)–среде, использующейся для передачи сигналов от передатчика к приемнику. В системах электросвязи ЛС представляет собой кабель, а в системе радиосвязи – область пространства, в которой распространяются электромагнитные волны.

При передачи на сигнал могут действовать различные помехи.

7. Демодулятор – устройство, преобразующее принятый сигнал в  последовательность кодовых комбинаций.

8. Декодер – устройство, восстанавливающее исходный код, обнаруживающее и устраняющее ошибки.

9. Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП)– устройство, преобразующее кодовые комбинации в квантованную последовательность отсчетов.

10. ФНЧ восстанавливает непрерывное сообщение по отсчетам (в соответствии с т. Котельникова).

11. Готовый аналоговый сигнал,  соответствующий переданному поступает к получателю.

Временные и спектральные диаграммы на выходе каждого из блоков, изображены на рис. 4.2.

Рис.4.2  Временные и спектральные диаграммы.


5. Структурная схема приемника.

Элементами сигналов ДАМ являются  посылки (кодовый элемент «1») и паузы (кодовый элемент «0»)

  0  t  T,

     

где Т – длительность элемента сигнала.

При передачи “1” передается колебание с одной частотой, а при “0” отсутствие сигнала.                                       

Рис. 5.1 Векторная диаграмма сигнала

                                                                                                                     

  

Рис 5.2 Структурная схема приемника  ДАМ-НКГ

На вход приемника поступает сумма сигнала х = A cos  t и помехи. После прохождения фильтра ПФ сигнал поступает на амплитудный детектор, где  будем иметь огибающую суммы сигнала и помехи U1 = Eсп, распределенную по обобщенному закону Релея, далее на ФНЧ и затем на решающее устройство. После этого РУ выносит решение какой сигнал передавался.

6. Принятие решения приемником по одному отсчету.

При отсутствии помехи будет чистый сигнал S1 и S2, и задача разделения сигналов проста. При существовании помех сигналы искажаются и для их описания приходится использовать вероятностное пространство. Сами сигналы с помехами описываются уже функциями плотности вероятности  и   эти функции умножаются на весовые коэффициенты   и   .

При передаче сигналов   и  возможны два варианта ошибок:

 Переход 0 в 1 (01) т. е. (S2  S1)

 Переход 1 в 0 (10) т. е. (S1  S2)

Когда последствия ошибок   и   равнозначны и весовые константы a=b=1, то средняя вероятность ошибки минимизируется:

 

Данный критерий носит название - критерий идеального наблюдателя. Для  критерия общим является  следующее правило принятия решения:

Сравнивается   и выносится решение в пользу  или .

В преобразованном виде данное выражение выглядит:    

 

 

Справа стоящее выражение, называется пороговым отношением правдоподобия - .

Приемник, использующий отношение правдоподобия, работает следующим образом:

1.  Анализируя поступающий на его вход сигнал, вычисляет отношение правдоподобия .

2.  По известным значениям априорных вероятностей  и  вычисляет пороговое отношение правдоподобия .

3. Величина сравнивается с .

если  > , то приемник выдает сигнал  в противном случае сигнал .

Найдем отношение правдоподобия для нашего случая:

, где

         

Найдем пороговое отношение правдоподобия:    

Так как  λ, то принимается сигнал S2, то есть «0».

Построим графики , , , которые будут представлены на рисунке 6.1

Для вычисления плотности распределения помехи применим формулу:

.

Рис. 6.1 Графики плотности распределения W(Z0/1), W(Z0/0), W().


7. Вероятность ошибки на выходе приемника.

Рассчитаем вероятность неправильного приема двоичного символа в рассматриваемом приемнике для заданного вида сигнала и способа приема, а также зависимость  с учетом реальной полосы пропускания приемника.

  

Зависимость  представлена на рисунке 7.1.

                   

h

0

1

2

3

4

5

6

Pош.ср

0,5

0,389

0,184

0,053

0,009158

0,000965

0,0000617

Рис.7.1. Зависимость  Pош.ср(h).

8. Выигрыш в отношении сигнал / шум при применении оптимального приемника.

Максимальная помехоустойчивость при приеме наблюдается в том случае, если применяется оптимальная фильтрация сигналов. При этом необходимо найти:

   где  - энергия элемента сигнала.

- спектральная плотность помехи.

h0=2.752

То есть при оптимальной фильтрации отношение энергии элемента сигнала к спектральной плотности мощности помехи увеличилось.

9. Максимально возможная помехоустойчивость при заданном виде сигнала.

Для нахождения максимально возможной помехоустойчивости, необходимо подставить в формулу для средней вероятности ошибки .

     

 10. Принятие решения приемником по трем независимым отсчетам.

Для повышения помехоустойчивости приема дискретных сообщений, решение о переданном символе принимается не по одному отсчету на длительности элемента сигнала, а по трем некоррелированным отсчетам принимаемой смеси сигнала и помехи.

Z(t1)= 5,015х10-4 В  

Z(t2) =3,009х10-4 В  

Z(t3) =5,516х10-4  В

Для принятия решения о переданном символе, должна быть определена совместная трехмерная плотность распределения вероятностей для заданных трех отсчетов. Трехмерная плотность распределения вероятности будет равна произведению одномерных плотностей распределения каждого из отсчетов, то есть:

      

  

       

λ0=1,778

т.к λ<λ0  , то в нашем случае принимается S2, то есть «0».


11. Вероятность ошибки при использовании метода дискретного накопления.

При таком методе суммируются К отсчетов. То есть , а отношение сигнал / шум увеличится в К раз, то есть в три раза.

12. Применение импульсно – кодовой модуляции для передачи аналоговых сигналов.

                    

Преобразование в АЦП состоит из трех операций: сначала непрерывное сообщение подвергается дискретизации по времени через интервалы ; полученные отсчеты мгновенных значений b(k) квантуются ,затем полученная последовательность квантованных значений bкв(k) передаваемого сообщения представляется посредством кодирования в виде последовательности т-ичных кодовых комбинаций. Такое преобразование называется импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ). Чаще всего кодирование здесь сводится к записи номера уровня в двоичной системе счисления.  Преобразовании  непрерывных сообщений в цифровую форму в системах ИКМ сопровождается округлением мгновенных значений до ближайших разрешенных уровней квантования. Возникающая при этом погрешность представления является неустранимой, но контролируемой (так как не превышает половины шага квантования). Выбрав малый шаг квантования, можно обеспечить эквивалентность по заданному критерию исходного и квантованного сообщений. Погрешность (ошибку) квантования, представляющую собой разность между исходным сообщением и сообщением, восстановленным по квантованным отсчетам - называют шумом квантования, который является недостатком ИКМ.

Достоинства ИКМ:

1. Высокая помехоустойчивость.

         2. Отсутствие накопления шумов в приемных пунктах или пунктах ретрансляции.

         3. Сигнал имеет постоянную амплитуду, а это выгодно с точки зрения нагрузки линии связи.

         4. Используется цифровая аппаратура, которая строится на дискретных элементах, и она не требует настройки и регулировки.

Недостатки ИКМ:

1. Наличие шумов квантования, избавиться от которого невозможно.

2. Для уменьшения шума квантования необходимо увеличивать число разрядов , но при этом импульсы становятся короче, а это приводит к расширению спектра сигнала.

При передаче аналогового сигнала его величина (мгновенная амплитуда) изменяется в пределах от bmin до bmax .

                            

Мощность шума квантования  в предположении, что шум квантования имеет форму треугольных импульсов с размахом, равным b, определяется формулой:

Нас интересует отношение мощности сигнала к мощности шума квантования. В этом случае максимальная средняя мощность сигнала будет зависеть от  bmax  и от пикфактора сигнала  П,  который задан:

 

Отношение мощности сигнала при минимальной его амплитуде к мощности шума квантования, определяется формулой:

13. Использование сложных сигналов и согласованного фильтра.

Оптимальным согласованным фильтром называется линейный фильтр, максимизирующий отношение сигнала к помехе.

Сложными сигналами называются сигналы с большой базой. Использование для передачи сложных сигналов обеспечивает эффективную защиту от импульсных помех. Широкое практическое применение получили сложные сигналы на основе дискретных кодовых последовательностей, которые представляют собой последовательности символов длительностью Т, принимающих одно из значений :+1 или –1.

Корреляционная функция таких сигналов содержит значительный максимум.

При приеме с помощью согласованного фильтра влияние помех будет приводить к изменению форм сигнала на его выходе – уменьшению основного лепестка, увеличению боковых выбросов и, следовательно к снижению помехоустойчивости приема. При передаче символа «1», форма сложного сигнала имеет вид:

S1(t)={ 1,-1,1,1,1,-1,-1,1,-1 }

 

        

При передаче «0» форма сигнала имеет вид: S0(t)={ -1,1,-1,-1,-1,1,1,-1,1 }

14. Импульсная характеристика согласованного фильтра.

Импульсная характеристика оптимального фильтра это отклик фильтра на дельта – функцию, определяется выражением:

То есть функция  отличается от сигнала  постоянным множителем , смещением на величину  по оси времени, и противоположным знаком аргумента . Таким образом, эта функция является зеркальным отображением сигнала , сдвинутым на величину .

15. Схема согласованного фильтра для приема сложных сигналов. Форма сигналов на выходе согласованного фильтра при передаче символов «1» и «0».

Схема согласованного фильтра при синхронном способе приема имеет вид, как показано на рисунке 15.1

Рис.15.1 Схема согласованного фильтра при синхронном способе приема

На вход схемы поступает импульсная последовательность. Расстояние между отводами линии задержки равно длительности одного элемента сигнала.

Схема согласованного фильтра асинхронного способа приема отличается от схемы согласованного фильтра тем, что имеет два пороговых уровня и  не имеет ключа.

Схема согласованного фильтра асинхронного способа  имеет вид:

Рис.15.2 Схема согласованного фильтра при асинхронном способе приема.

Рассчитаем  сигнал  S1(t) на выходе СФ:

0

1

-1

1

1

1

-1

-1

1

-1

1

-1

1

1

1

-1

-1

1

-1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

9

=0         

  

1

1

-1

1

1

1

-1

-1

1

-1

1

-1

1

1

1

-1

-1

1

-1

-1

-1

1

1

-1

1

-1

-1

-2

=1    

                                                                                                         

2

1

-1

1

1

1

-1

-1

1

-1

1

-1

1

1

1

-1

-1

1

-1

1

-1

1

-1

-1

-1

1

-1

 

=2         

3

1

-1

1

1

1

-1

-1

1

-1

1

-1

1

1

1

-1

-1

1

-1

1

-1

-1

-1

1

1

0

=3        

Аналогично рассчитываем значения корреляционной функции B(t)  на выходе    CФ для =4,5…9

Таблица значений функции корреляции S1(t):

t

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

Bs

0

-1

2

-3

0

1

0

1

-2

9

0

1

0

1

0

-3

2

-1

0

Сигналом на выходе СФ при передаче «1» является его функция корреляции, которая имеет вид , показанный на рисунке 15.3.

Рис.15.3 Сигнал на выходе СФ для входного сигнала S1(t)

Рассчитаем  сигнал  S2(t) на выходе СФ:

При передаче «0», сигнал на выходе СФ будет .

Рис.15.4 Сигнал на выходе СФ для входного сигнала S2(t).

16. Оптимальные пороги решающего устройства при синхронном и асинхронном способах принятия решения при приеме сложных сигналов согласованным фильтром.

При синхронном приеме оптимальный порог  В. Так как в момент времени , на выходе будет максимум (положительный или отрицательный, в зависимости от того передается «0» или «1».

При асинхронном способе приема используются два порога, один для прима символа «1» , другой для прима символа «0». Наглядно это показано на рисунке 16.1.

Uп1= В

Uп2= -Uп1= -6 В.

Рис.16.1. Оптимальные пороги РУ.

17. Энергетический выигрыш при применении согласованного фильтра.

При приме сложного сигнала согласованным фильтром, действует метод накопления, в результате чего, энергетический выигрыш равен:

68,182       

hсф = 8,257

         

При применении СФ мы имеем выигрыш в отношении сигнал / шум в 9 раз, по сравнению с оптимальным приемом, и в 18 раз по сравнению с рассчитываемым, достигается это ценой потери скорости передачи.

        

18. Вероятность ошибки на выходе приемника при применении сложных сигналов и согласованного фильтра.

При определении вероятности ошибки считаем, что сигналы соответствующие символам «1» и «0», являются взаимно противоположными и решение о переданном символе принимается с использованием пороговой решающей схемы синхронным способом. При этом считаем, что длительность сигнала выросла в  раз по сравнению с длительностью простого сигнала. (очень близко к нулю).

     

19. Пропускная способность разработанной системы связи.

Информация – это совокупность сведений, о каком- либо явлении либо объекте.  

Пропускная способность дискретного канала связи со скоростью передачи  и вероятностью ошибки  определяется по формуле:

 бит/с

Заключение.

Использование когерентного приема невозможно в том случае, когда неизвестны точные априорные значения начальных фаз приходящих сигналов.

Способ приема

Неоптимальный по одному отсчету

3.788

0,19

Неоптимальный по трем отсчетам

3.368

0.02

Оптимальный прием

2.752

0.07

При согласованной фильтрации

8.257

1,98*10-8

Наибольший энергетический выигрыш получается при использовании согласованной фильтрации. То есть вероятность ошибки при данном способе является наименьшей.

Минимальный энергетический выигрыш получается при применении неоптимального приемника при принятии решения по одному отчету.                            

                        

Приложение


Литература.

1. Конспект лекций по курсу ТЭС.

2. А.Г.Зюко, Ю.Ф.Коробов, “Теория передачи сигналов”, М.: «Связь», 1972.

3. Макаров А.А., Чиненков Л.А.”Основы теории помехоустойчивости дискретных сигналов”, Учебное пособие – Новосибирск, 1997.

4. Макаров А.А., Чиненков Л.А., ”Основы теории передачи информации”, Новосибирск, 1988.


ПФ

ФНЧ

Решающее устройство

S1

S2

Амплитудный Детектор

Uп


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

78912. Специфика объекта СГП 21.5 KB
  Вовторых в структуру и содержание объекта социальногуманитарного познания с необходимостью входит субъект познания. Объективация предмета познания оказывается в этом случае неполной и сопряжена с большими методологическим трудностями. Втретьих исследование объекта осуществляется в социальногуманитарном знании с ценностных позиций поскольку субъект познания будучи сам частью социальной системы оказывается нагруженным идеологическими предпосылками предрассудками некритически воспринятыми установками и т.
78913. Социокультурная обусловленность дисциплинарной структуры социально-гуманитарного знания 25 KB
  Прежде всего речь идет о различении социальных наук как наук об обществе и гуманитарных наук как наук в фокусе которых находится человек индивидуальная и социальная психология этика и т. Разделение наук по предмету о чем речь уже шла выше. Разделение наук по методу: в социальных науках используется метод объяснения тогда как в гуманитарных базовой методологической процедурой выступает понимание сразу же заметим что такое разделение грешит противопоставлением понимания объяснению. Разделение наук одновременно по предмету и методу...
78914. Конвергенция естественно-научного и СГН в современой науке 24 KB
  Логику развития методологии гуманитарного познания можно представить следующим образом: сначала проблематика методологии гуманитарных наук развивалась в направлении выявления и обоснования их специфики по сравнению с науками о природе. Главной на этом этапе является проблема идентификации социальногуманитарных наук и их демаркации от наук естественных. Обоснованию специфики социальногуманитарного познания посвящены работы Дильтея Описательная психология Гадамера Истина и метод Фуко Слова и вещи Рикера Герменевтика и...
78915. Специфика научной картины мира в СГН 31.5 KB
  Специфика научной картины мира в СГН Научная картина мира исторична она опирается на достижения науки конкретной эпохи в пределах тех знаний которыми располагает человечество. Научная картина мира представляет собой синтез научных знаний соответствующих конкретноисторическому периоду развития человечества. Поэтому она более строгое понятие чем образ мира или видение мира. В научную картину мира входят знания отвечающие критериям научности.
78916. Специфика субъекта СГП 34 KB
  В сфере познания субъект определяет предмет исследования выделяя его как некий срез противостоящего ему объекта а также выстраивает концептуальную и эмпирическую модели познаваемого предмета. В современном познании субъект проектирует ряд условий познания данного предмета проходит основные этапы процесса познания опираясь на те методы которые в наибольшей степени соответствуют характеристикам и самой природе познаваемого объекта. Субъектами социального и гуманитарного познания могут быть как индивиды отдельные исследователи...
78917. Кантовские представления о диалектике теоретического и практического разума 27 KB
  Правда на сами эти предпосылки Кант не покушается: более того он увековечивает их как прирожденные свойства разума. Резкий метафизический разрыв теоретического и практического разума опытных и априорных суждений анализа и синтеза общего и единичного целого и части весь комплекс противоречий к которым неизбежно приходит метафизическое мышление Кант выставил перед философией как решающую проблему. Их можно только мыслить как условия возможности и науки и нравственности как гарантии теоретического и...
78918. Принципы логики социальных наук Поппера 47.5 KB
  Именно поразительный прогресс естественных наук о котором идет речь в моем первом тезисе постоянно напоминает нам о нашем незнании даже в области естественных наук...
78919. Социокультурное и гуманитарное содержание понятие жизни 26.5 KB
  Все его творения происходят из неспособности создать привычными средствами жизни и на основе ее эволюционных законов живое существо которое превосходило бы человека. Шелер называет странной пессимистичной ложной оказывается однако логически строго последовательной если по объяснению автора разделять дух соответственно разум и жизнь как два метафизических начала но при этом отождествлять дух с техническим интеллектом интеллектом лишенным мудрости а ценности жизни делать высшими ценностями. Фазы...
78920. История как одна из форм проявления жизни 28.5 KB
  История как одна из форм проявления жизни. Фазы развития этой болезни жизни которая зовется человеком в структурном отношении те же самые какие проходят все стареющие и умирающие существа: прогрессирующее преодоление жизненной силы посредством автономизации механизмов которые сам организм высвобождает из себя по мере старения. История общества по Зиммелю есть история нарастающей интеллектуализации рационализации социальной жизни и углубления влияния принципов денежных отношений. Анализу этих форм Зиммель посветил книгу Философия...