85521

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

Курсовая

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Разработать структурную схему приемника и структурную схему фильтра рассчитать основные характеристики разработанной системы связи дать оценку пропускной способности и эффективности системы связи и сделать обобщающие выводы по результатам расчетов.

Русский

2015-03-27

646.37 KB

17 чел.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ ГОРНО-МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

Факультет электронной техники

Кафедра промышленной электроники

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по курсу:

«Системы передачи и преобразования информации»

Вариант № 4

Выполнил:

Базров К.В.

Проверил:

Меркушев Д.

Владикавказ, 2014

Оглавление

Задание 3

Введение 4

1. Исходные данные 5

2. Теорема Котельникова и её использование для передачи аналоговых сигналов дискретными отсчётами 7

2. Применение импульсно-кодовой модуляции для передачи аналоговых сигналов 8

3. Структурная схема системы связи 10

4. Структурная схема приемника 13

5. Принятие решения приемником по одному отсчету 15

6. Вероятность ошибки на выходе приёмника 19

7. Выигрыш в отношении сигнал/шум при применении оптимального приемника 24

8. Максимально возможная помехоустойчивость при заданном виде сигнала 25

9. Схема согласованного фильтра для приема сложных сигналов. Форма сигналов на выходе согласованного фильтра при передаче символов "1" и "0" 26

10. Оптимальные пороги решающего устройства при синхронном и асинхронном способах принятия решения при приеме сложных сигналов согласованным фильтром 30

11. Энергетический выигрыш при применении согласованного фильтра 33

12. Вероятность ошибки на выходе приемника при применении сложных сигналов и согласованного фильтра 35

13. Пропускная способность разработанной системы связи 36

Заключение 40

Сравнительный анализ различных способов приема сигналов: 40

Список литературы 41

Приложение. Расчет исходных данных для заданного варианта работы 42

 Задание

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

 Введение

Современный инженер, т.е. выпускник нашего института, при разработке, 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.

 1. Исходные данные

Курсовой проект выполняется для следующих исходных данных:

1) Номер варианта N = 4.

2) Вид сигнала в канале связи - ДАМ.

3) Способ приема сигнала — НКГ.

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

5) Максимальная частота аналогового сигнала Fmax = 5,7, кГц.

6) Динамический диапазон аналогового сигнала D =28,2, дБ.

7) Допустимое отношение мощности аналогового сигнала при его минимальной амплитуде к мощности шума квантования Kкв =3,4.

8) Пикфактор входного сигнала П = 9,2.

9) Спектральная плотность мощности гауссовского шума N0 =2,88*10-12, Вт/Гц.

10) Априорная вероятность передачи символа "1" p(S1) = 0,64.

11) Значение отсчета принятой смеси сигнала и помехи при однократном отсчете:

Z(t0) = 1,36*10^-3, В.

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

Z(t1) = 3,04,   Z(t2) = 1,68,     Z(t3) = 2,9210-3, В.

13) Вид дискретной последовательности сложного сигнала:   

562,550,144,113,131,162,426,456,123,141;

1.   562(8) 101110010(2)   1-1111-1-11-1 (c заменой «0» на «-1»)

2.   550(8)  101101000(2)  1-111-11-1-1-1

3.   144(8)  000100100(2)  -1-111-1-11-1-1

4.   113(8)  001001011(2)  -1-11-1-11-111

5.   131(8)  001011001(2)  -1-11-111-1-11

6.   162(8)  001110010(2)  -1-1111-1-11-1

7.   426(8)  100010110(2)  1-1-1-11-111-1

8.   456(8)  100101110(2)  1-1-11-1111-1

9.   123(8)  001010011(2)  -1-11-11-1-111

10. 141(8)  001100001(2)  -1-111-1-1-1-11

Расчет численных значений этих параметров для своего варианта должен быть приведен в приложении в конце работы.

 2. Теорема Котельникова и её использование для передачи аналоговых сигналов дискретными отсчётами

Радиотехнические сигналы подразделяются на непрерывные и дискретные.

Непрерывные сигналы (функции) могут принимать любые, сколь угодно близкие друг к другу значения, в любые моменты времени.

Дискретные (цифровые) сигналы могут принимать только заранее известные значения, отличающиеся одно от другого на конечную величину, причем изменяться эти значения могут только в определенные моменты времени. Примером дискретного сигнала является периодическая последовательность прямоугольных импульсов, которая в момент времени kT/2 принимает значения 0 или А.

Теорема Котельникова: Любая непрерывная функция, спектр которой не содержит частот выше ωв, полностью определяется своими отсчетами, взятыми через интервал времени.

интервал Котельникова

fв(ωв) - наивысшая частота спектра сигнала.

С математической точки зрения теорема Котельникова означает представление сигнала в виде ряда:

где:

– отсчеты (k=0,1,2,3…),

– функция отсчетов.

Ряд Котельникова – это разложение сигнала x(t) в ряд по ортогональным функциям.

2. Применение импульсно-кодовой модуляции для передачи аналоговых сигналов

ИКМ представляет собой один из возможных видов импульсной модуляции, который суммирует в себе все положительные свойства приемов дискретизации, квантования и кодирования.

Сущность ИКМ: Непрерывное сообщение дискретизируется по времени через интервал Δtt=1/fmax по теореме Котельникова), полученные отсчеты мгновенных значений квантуются (дискретизируются по уровню); затем полученная последовательность квантованных значений непрерывного сообщения представляется посредством кодирования в виде последовательности кодовых комбинаций. При ИКМ модуляции передача отдельных значений сигнала сводится к передаче определенных групп импульсов. Эти группы передаются друг за другом через относительно большие промежутки времени по сравнению с длительностью отдельных импульсов.

Рисунок 2.1 - ИКМ

Достоинства ИКМ:

  1.  Основное техническое преимущество цифровых систем перед непрерывными – высокая помехоустойчивость (не происходит накапливание помехи при переприемах)
  2.  Возможность приведения всех видов передаваемой информации к цифровой форме позволяет осуществить интеграцию систем передачи и систем коммуникации, а так же расширить область использования техники при построении аппаратуры связи и единой автоматизированной сети связи.
  3.  Аппаратуре не требуются настройки.

Недостатки ИКМ:

Основным недостатком является то, что преобразование непрерывных сообщений в цифровую форму в системах ИКМ сопровождается округлением мгновенных значений до ближайших разрешенных уровней квантования. Возникающая при этом погрешность преобразования является неустранимой, но контролируемой (т.к. не превышает половины шага квантования). При передаче аналогового сигнала его величина (мгновенная амплитуда) изменяется в пределах от amin до  amax

Динамический диапазон квантованных сигналов:

Количество разрядов двоичного кода сигнала ИКМ:

Количество уровней квантования: 576,829

 3. Структурная схема системы связи

Структурная схема (CC) дискретного канала одного направления передачи информации с АМ приведена на рисунке 3.1. На этом рисунке приняты следующие обозначения:

ИИ – источник информации;

М – модулятор;

Д – демодулятор;

Г – генератор;

Фпер – фильтр передатчика;

Фпр – фильтр  приемника;

У – усилитель;

АРУ – блок  автоматического регулирования  усиления;  

Фнч – фильтр  низкой  частоты;  

ВУ – выходное устройство;

ПИ – получатель информации.

Рисунок 3.1 - Структурная схема СС канала с АМ

Под системой связи понимают совокупность технических средств и среды распространения сигналов, обеспечивающих передачу сообщения от источника к потребителю.

Сигналы дискретной информации от источника информации поступает на модулятор М, в зависимости от полярности импульсов модулятор либо пропускает через себя сигналы генератора, либо не пропускает.

Фильтр передатчика ограничивает спектр сигнала передатчика сигнала, передаваемого в линии связи.

Из линии связи модулированный сигнал попадает в Фпр, назначение которого состоит в уменьшении помех, приходящих из линии связи. При многоканальной передаче с частотным разделением эти фильтры служат для выделения нужного сигнала из группового сигнала. Усилитель У служит для усиления и поддержания совместно с блоком АРУ постоянного уровня сигнала на входе демодулятора Д.  В демодуляторе, который представляет собой обычный выпрямитель, АМ-сигнал превращается в импульсы постоянного тока. Фильтр Фнч подавляет в выпрямленном сигнале высшие гармоники и остатки несущей частоты. Выходное устройство ВУ обеспечивает форму и амплитуду сигнала на выходе СПИ.

Достоинство данной СПИ состоит в простоте реализации.  

Недостатки - низкая помехоустойчивость, чувствительность к кратковременным колебаниям уровня сигнала, т.к. эти колебания не могут быть скомпенсированы блоком АРУ из-за его инерционности.

 

Рисунок 3.2 - Структурная схема

Под системой связи понимают совокупность радиотехнических средств и среды распространения сигналов, обеспечивающих передачу сообщения от источника к потребителю. Структурная схема СС представлена на рисунке 3.1.

Устройство, преобразующее сообщение в сигнал, называют передающим устройством, а устройство, преобразующее принятый сигнал в сообщение, приемным устройством. Источником сообщений и получателем в одних системах связи может быть человек, в других – различного рода устройства, например, ЭВМ.

 4. 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.                                       

Рисунок 4.1 - Векторная диаграмма сигнала

ПФ

ФНЧ

Решающее устройство

S1

S2

Амплитудный Детектор

Uп

                                                                                                                    

 

Рисунок 4.2 - 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.

 5. Принятие решения приемником по одному отсчету

Сообщения передаются последовательностью двоичных символов «1» и «0», которые появляются с априорными вероятностями  p(S1)=0,64, p(S2)=0,36.

Этим символам соответствуют канальные сигналы

S1(t)={101110010}         S1(t)={1-1111-1-11-1}

S2(t)={101101000}        S2(t)={1-111-11-1-1-1}

S3(t)={100100}               S3(t)={11-1-11-1-1}

S4(t)={1001011}            S4(t)={1-1-11-111}

S5(t)={1011001}            S5(t)={1-111-1-11}

S6(t)={1110010}            S6(t)={111-1-11-1}

S7(t)={100010110}        S7(t)={1-1-1-11-111-1}

S8(t)={100101110}        S8(t)={1-1-11-1111-1}

S9(t)={1010011}           S9(t)={1-11-1-111}

S10(t)={1100001}           S10(t)={11-1-1-1-11}

В канале связи на передаваемые сигналы воздействует гауссовский стационарный  шум со спектральной плотностью мощности  

N0 =2,8810-12 Вт/Гц

Приемник, оптимальный по критерию идеального наблюдателя (минимума средней вероятности ошибки), принимает решение по одному отсчету смеси сигнала и помехи   Z(t0)=Si (t0)+ξ(t0)= 1,36 мВ, на интервале элемента сигнала длительности T.

Частота дискретизации входного сигнала:

fд =2,3*Fmax =2,3*5,7*103= 13110 Гц

Скорость передачи элементов сигнала V:

где: n -  число разрядов двоичного кода

Длительность посылки (элементарного сигнала):,c

Длительность ИКМ - сигнала:      n*T=108.772*10-6  =  8.772*10-5 c

Полоса пропускания приёмника fпр:

Дисперсия гауссовского шума  2    и  среднеквадратическое отклонение   с учетом реальной полосы пропускания приемника Δfпр  и спектральной плотности мощности помехи N0

σ = 0.81*10-3  Вт

Когда на входе приемника отсутствуют помехи, то 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. (S1  S2)

 Переход 1 в 0 (10) т. е. (S2  S1)

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:    

                                                   

Данное 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 , то в нашем случае принимается S1.

 6. Вероятность ошибки на выходе приёмника

Прием сигнала ДАМ в этом случае осуществляется путем сравнения уровня сигнала после амплитудного детектора (детектора огибающей) с некоторым пороговым уровнем Uп решающей схемы приемника (рис. 6.1).

Ошибки возникают в следующих случаях:

  1.  При передаче посылки огибающая суммы сигнала и помехи (Eсп) оказывается меньше порогового уровня Uп (переход 10).
  2.  При передаче паузы огибающая помехи Eп оказывается больше Uп (переход 01).

 

Рисунок 6.1 - Векторные диаграммы сигнала и помехи

Вероятности этих событий определяются через соответствующие распределения значений огибающих, приведенные на рис. 6.2.

Рисунок 6.2 - Распределение огибающей сигнала с помехой и помехи

,     

где w(Eсп) – плотность распределения огибающей суммы сигнала и помехи, которая, как известно, определяется обобщенным законом Релея (Релея-Райса),

;

w(Eп) – плотность распределения огибающей помехи, определяется простым законом Релея.

.

Средняя вероятность ошибки:

pошАМнкг = 0,5.

Значение pош зависит от порогового уровня Uп решающей схемы. Можно показать, что вероятность ошибки минимальна, когда Uп (при a2  2), т.е в этом случае Uп имеет оптимальное значение. При этом окончательно получаем

pошАМнкг,

где – отношение средних мощностей сигнала и помехи (отношение сигнал/шум), а

Ф(z) 

– табулированный интеграл вероятностей.

Если h2  1, то

pош.АМ нкг .

Зависимость pош = f(h) при некогерентном приеме показана на рис. 6.3 (кривая 1).

Рисунок 6.3 - Зависимость вероятности ошибки от отношения с/ш

Максимальная помехоустойчивость при приеме сигналов АМ наблюдается в том случае, если перед детектором применяется оптимальная фильтрация сигналов, при этом обеспечивается максимально возможное отношение сигнал/шум, равное отношению энергии элемента сигнала к спектральной плотности мощности помехи

,

где – энергия элемента сигнала;

N0 – спектральная плотность мощности помехи типа “белого” шума.

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

Вероятность неправильного приема двоичного сигнала в приемнике ДФМ КГ определяется как:

, где

Отношение сигнал/шум равно:  

                                                          

т.к. h2 не  1, то

=

T = 1/V=1/114000=8.78*10-6

Реальная (эффективная) полоса пропускания приемника:

Таблица 6.1 - Расчет вероятности ошибки от отношения сигнал/шум

h

0.5*h0=

0.5*3.492=1,75

0.75*h0=2.62

h0=3.49

1.25*h0=4.36

1.5*h0=5.24

Рош

202,38*10-3

61,39 *10-3

5,01*10-3

0,49*10-3

0,05*10-3

Получим график полученной зависимости средней вероятности ошибки от соотношения сигнал-шум Рош(h):

Рисунок 6.4 - Зависимость  Pош.ср(h)

 7. 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:

N0 - спектральная плотность помехи.

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

Энергетический выигрыш в соотношении сигнал/шум при использовании оптимального приемника по сравнению с рассчитываемым, т.е. при оптимальной фильтрации принимаемого сигнала:       

Таким образом, при оптимальной фильтрации соотношение сигнал/шум увеличивается в два раза. При оптимальной фильтрации отношение энергии элемента сигнала к спектральной плотности мощности помехи увеличилось. Это объясняется тем, что при не оптимальной фильтрации используется понятие не средней мощности помехи, а суммарной, которая больше в два раза.

 8. Максимально возможная помехоустойчивость при заданном виде сигнала

Потенциальной помехоустойчивостью – называют помехоустойчивость, которую при данном способе передачи сигнала и данной помехи превзойти невозможно. Логично предположить, что потенциальную помехоустойчивость обеспечивает приёмник с оптимальным фильтром, т. е. приемник Котельникова.

Качество передачи оценивается вероятностью правильного приема символа. Максимум этой вероятности при заданном виде модуляции называется потенциальной помехоустойчивостью, а демодулятор, обеспечивающий этот максимум, идеальным приемником.

Условия, при которых она достигается:

  1.  отношение сигнал/шум должно быть максимальным;
  2.  пределах выбранного критерия сообщение должно воспроизводиться максимально безошибочно;
  3.  приемник должен быть оптимальным, с оптимальным фильтром и когерентным способом приема.

Для определения максимально возможной помехоустойчивости приема определим среднюю вероятность ошибки h0 при оптимально приеме для ДАМ НКГ. Для этого необходимо в формулу для средней вероятности ошибки вместо h подставить hопт.

В результате получим:

Или:

 9. 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 9.1.

Рисунок 9.1 - 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:

Рисунок 9.2 - Схема согласованного фильтра при асинхронном способе приема

Структурная схема согласованного фильтра для заданного сигнала:

S1(t) = +1 -1 +1 +1 +1 -1  -1 +1 -1

Рисунок 9.3 – структурная схема согласованного фильтра

Согласованный фильтра для дискретных последовательностей может быть реализован в виде линии задержки с отводами (с общим временем задержки, равным длительности сигнала Тс), фазовращателей (инверторов) в отводах и суммирующей схемы, на выходе которой возникает импульс, равный сумме амплитуд всех элементов сигнала.

Устройства, реализующие согласованную фильтрацию дискретных сигналов, могут быть выполнены также и на основе регистра сдвига с количеством разрядов, равным количеству элементов в кодовой последовательности сигнала. В нем имеются перемножители и сумматоры. На вход перемножителей поступает принимаемая последовательность с разрядов регистра сдвига и опорная последовательность, совпадающая по виду с импульсной характеристикой входного сигнала, с эталонного регистра.

Сигналы с выходов всех разрядов перемножителей поступают на сумматор. Очевидно, что максимальный отклик на выходе сумматора будет наблюдаться тогда, когда кодовая последовательность полностью будет введена в регистр сдвига, т.е. в момент окончания входного сигнала.

Сигнал на выходе сумматора будет иметь вид ступенчатой функции. После сумматора может быть установлен интегратор, например, простейшая RC-цепочка, для «сглаживания» сигнала.

Т.к. СФ является коррелятором, то при подаче на его вход сигнала S(t), с которым он согласован, на выходе получим функцию корреляции входного сигнала:

При воздействии на вход СФ флуктуационной помехи, функция взаимной корреляции равна нулю, т.к. сигнал и помеха являются независимыми функциями времени. Но так как для вычисления функции взаимной корреляции требуется бесконечно большое время интегрирования, а в нашем случае оно ведется за время T, то здесь она отлична от нуля.

При передаче сигнала «1» передается последовательность вида:

S1(t) =  +1 -1 +1 +1 +1 -1  -1 +1 -1

Расчет формы полезного сигнала на выходе СФ:

τ

1

-1

1

1

1

-1

-1

1

-1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В(τ)

0

1

-1

1

1

1

-1

-1

1

-1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

11

1

 

1

-1

1

1

1

-1

-1

1

-1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-2

2

 

 

1

-1

1

1

1

-1

-1

1

-1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-3

3

 

 

 

1

-1

1

1

1

-1

-1

1

-1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

4

 

 

 

 

1

-1

1

1

1

-1

-1

1

-1

 

 

 

 

 

 

 

 

-1

5

 

 

 

 

 

1

-1

1

1

1

-1

-1

1

-1

 

 

 

 

 

 

 

0

6

 

 

 

 

 

 

1

-1

1

1

1

-1

-1

1

-1

 

 

 

 

 

 

-1

7

 

 

 

 

 

 

 

1

-1

1

1

1

-1

-1

1

-1

 

 

 

 

 

4

8

 

 

 

 

 

 

 

 

1

-1

1

1

1

-1

-1

1

-1

 

 

 

 

-1

9

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

-1

1

1

1

-1

-1

1

-1

 

 

 

-2

На выходе согласованного фильтра получаем под действием сигнала функцию корреляции сигнала, сдвинутую на длительность входного сигнала. При этом функция имеет значительный максимум (пик)

Ys1=0 1 -2 -1 4 -1 0 -1 0 -3 -2 11 -2 -3 0 -1 0 -1 4 -1 -2 1 0

Рассчитаем форму помехи в предположении, что на вход фильтра поступает непрерывная последовательность знакопеременных символов:

ξ(t)=+1 -1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 -1 -1 +1

Yξ(t)= 0 1 -2 -1 2 1 2 -3 2 -5 -4 9 -4 -5 2 -3 2 1 2 -1 -2 1 0

Временная диаграмма сигнала на выходе согласованного фильтра:

        форма сигнала S1 на выходе согласованного фильтра

        сигнал на выходе согласованного фильтра при поступлении на вход флуктуационной помехи

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

При приеме дискретных сообщений принятие решения о знаке принятого двоичного символа 0 или 1 осуществляется в решающей схеме приемного устройства системы связи, которая подключена к выходу демодулятора и входит непосредственно в демодулятор.

При использовании для приема дискретных сообщений согласованного фильтра решающая схема приемного устройства подключается к выходу согласованного фильтра. При этом решение о знаке символа 1 или 0 по выходному сигналу согласованного фильтра может приниматься двумя способами: синхронным и асинхронным.

При принятии решения синхронным способом отсчет сигнала в решающей схеме берется в момент окончания сигнала элемента сообщения t0=T. Принятие решения о знаке символа 1 или 0 осуществляется по результатам сравнения значения отсчета u(t0=T) с пороговым уровнем решающей схемы Uп в соответствии с правилом:

Сигнал выходе согласованного фильтра представляет собой по форме функцию корреляции входного сигнала, сдвинутую по оси времени вправо на значение Δt, равное длительности элемента сообщения T. Поэтому при передаче двоичных сообщений 1 и 0 сигнал на выходе согласованного фильтра в момент отсчета u(t0=T) будет иметь пик-выброс положительной и отрицательной полярности, соответственно. Считая, что воздействие помех в линии связи на передаваемые сигналы будет приводить к семетричному уменьшению амплитуды пик-выброса положительной (отрицательной) полярности, оптимальный порог решающей схемы следует принять равным 0.  

Рисунок 10.1 - Структурная схема приема сообщений синхронным способом

При принятии решения асинхронным способом решение о знаке символа (1 или 0) может быть принято в произвольный момент времени по результату сравнения значения уровня сигнала u(t) с пороговым уровнем решающей схемы Un в соответствии с аналогичным правилом.  . Но что бы в этом режиме обеспечивалась наибольшая помехозащищенность приема символов, пороговый уровень решающей схемы должен выбираться из следующих соображений:

  1.  пороговых уровней у решающей схемы должно быть два, один для положительной полярности (символа 1), другой для отрицательной полярности (символа 0); либо должно быть две решающих схемы с общим выходом и каждая со своим порогом;
  2.  оптимальный порог решающей схемы должен быть выбран по середине между амплитудой основного лепестка (пик-выброса) u(t0 = Т) и максимальной амплитудой боковых лепестков выходного сигнала согласованного фильтра (естественно, с учетом их полярностей). Это обусловлено тем, что из-за воздействия помех в линии связи на передаваемые сигналы амплитуда основных лепестков выходного сигнала согласованного фильтра будет уменьшаться, а максимальная амплитуда боковых лепестков может увеличиваться.

Так же возможно третье решение решающей схемы при значении u(t) между порогами должно быть заблокировано (схема со стиранием).

Рисунок 10.2 - Структурная схема приема сообщений асинхронным способом

Другими словами: 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», а при асинхронном способе приема используются два порога, один для приема символа «1», другой для приема символа «0».

Таким образом, более помехоустойчивым является синхронный способ приема сигналов, т.к. решение принимается в момент окончания сигнала на входе СФ, а, следовательно, в этом случае мощность помехи меньше.

 11. Энергетический выигрыш при применении согласованного фильтра

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

hсф = 15.6

При применении СФ мы имеем выигрыш в отношении сигнал / шум в 10 раз, по сравнению с оптимальным приемом, и в примерно 20 раз по сравнению с рассчитываемым, достигается это ценой потери скорости передачи.

СФ обеспечивает при флуктуационной помехе в канале типа «белого шума» в момент окончания сигнала на своем выходе максимально возможное отношение пиковой мощности сигнала к мощности помехи. Выигрыш в отношении сигнал/шум на выходе СФ по сравнению с входом равняется базе сигнала:

, т.е.

, где

  - длительность сигнала (N- число элементов в дискретной последовательности, в нашем случае N=4),

- ширина спектра сигнала.

Тогда .

Таким образом, выигрыш , обеспечиваемый СФ при приеме дискретных последовательностей, составляет 4 раз. Следовательно, путем увеличения длины дискретных последовательностей, отображающих символы сообщений «1» и «0», можно обеспечить значительное повышение отношения сигнал/шум на выходе решающей схемы приемника и, соответственно, повышение помехоустойчивости (достоверности) передачи дискретных сообщений.

Это будет приводить к снижению скорости передачи сообщений, т.е. реализуется принцип обмена скорости передачи на помехоустойчивость приема путем увеличения энергии элемента сигнала.

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

Определим 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 взаимнопротивоположными и решение о переданном символе принимается с использованием пороговой решающей схемы синхронным способом (отсчеты берутся в конце каждого сигнала длительностью qT, где T - длительность одного элемента сложного сигнала). При этом считаем, что длительность сигнала возросла в q раз по сравнению со случаями использования простых сигналов (q - количество элементарных посылок в сложном сигнале)

Найдем отношение сигнал/шум для приемника с СФ:

Тогда вероятность ошибки на выходе приемника с СФ:

Вероятность ошибки на выходе приемника значительно меньше, чем при других способах приема.

 13. Пропускная способность разработанной системы связи

Информация – совокупность сведений о каком-либо явлении, событии или объекте, которые увеличивают знание получателя о них.

Чем меньше вероятность появления того или иного сообщения, тем большее  информации содержится в данном сообщении.

Единицей измерения количества информации является бит.

Количество информации определяется по формуле:

Среднее количество информации в сообщениях, поступающих от источника, называется энтропией H(A), определяется формулой:

Она равна нулю, если с вероятностью равной единице источником выдается всегда одно и то же сообщение. Энтропия максимальна, если сообщения выдаваемые источником появляются независимо и с одинаковой вероятностью.

Производительность источника определяется количеством информации, передаваемой в единицу времени.

Измеряется производительность количеством двоичных единиц информации (бит) в секунду, т.е. [бит/с]

Определяется по формуле:   , где

 Н(х)[бит/сообщение] - энтропия источника (среднее количество информации в сообщении),

п = 2, р(x1)= р(S1), р(x2)= р(S2),

– длительность элемента сообщения

бит/с

В дискретной системе связи при отсутствии  помех информация на выходе канала связи (канала, передающего информацию) полностью совпадает с информацией на его входе, поэтому скорость передачи информации численно равна производительности источника сообщений:

При наличии помех часть информации оказывается меньшей, чем производительность источника. Поэтому при наличии помех необходимо учитывать на выходе канала не всю информацию, даваемую источником, та только взаимную информацию:  

Пропускной способностью канала связи (канала передачи информации) называется максимально возможная скорость передачи информации по каналу.

Пропускная способность непрерывного канала связи определяется по формуле Шеннона: 

где - полоса пропускания канала связи,

h2 - отношение средней мощности сигнала к средней мощности помехи,

 h2 = Рсп  = 12,193

h

0.5*h0 =

0.5*3.492 =

1,75

0.75*h0 = 2.62

h0 =3.49

1.25*h0 =

4.36

1.5*h0 = 5.24

h2

3,05

6,86

12,19

19,05

27,43

Рош

202,38*10-3

61,39 *10-3

05,01*10-3

0,49*10-3

0,05*10-3

Снепр

460086

678193

848473

986221

1101090

Сдискр

31703,4

76676,4

104788,8

114000

114000

16,052*10-5

11,536*10-5

7,727*10-5

7,589*10-5

8,473*10-5

0,000160519

0,000115355

0,0000772697

0,000075886

0,0000847281

Значения произведения –p·log2 p приведены в Приложении Г.

Пропускная способность непрерывного канала связи определяется по формуле Шеннона:

где  - полоса пропускания канала связи,

h2 - отношение средней мощности сигнала к средней мощности помехи,

 h2 = Рсп  = 12,193. 

Снепр1 = 228000*log2(3.05+1)=228000*2,018 = 460086

Снепр2 = 228000*log2(6,86+1)=228000*2,975 = 678193

Снепр3 = 228000*log2(12,19+1)=228000*3,721= 848473

Снепр4 = 228000*log2(19,05+1)=228000*4,326 = 986221

Снепр5 = 228000*log2(27,43+1) = 228000*4,829 = 1101090

где fпр – полоса пропускания канала связи, h2 – отношение средней мощности сигнала к средней мощности помехи, h2 = Рс /Рп .

Наконец, пропускная способность дискретного (двоичного) канала связи со скоростью передачи сообщений V и вероятностью ошибки p равна

 

Cдискр1 = 114000(1+0,20*log20,20+(1-0.20)*log2(1-0.20))=

=11400(1-0,4644-0,8*log20.8) =

= 114000(0,5356- 0,2575) = 31703,4

Cдискр2 = 114000(1+0,06*log20,06+(1-0.06)*log2(1-0.06))=

=11400(1-0,2435-0,94*log20,94) =

= 114000(0,7565-0,0839) = 76676,4

Cдискр3 = 114000(1+0,01*log20,01+(1-0.01)*log2(1-0.01))=

=11400(1- 0,0664 -0,99*log20,99) =

= 114000(0,9336 - 0,0144) = 104788,8

Cдискр4 = 114000(1+log21)=

=11400

Cдискр5 = 114000(1+log21)=

= 11400

Эффективность системы связи можно оценить по величине отношения производительности источника сообщений (скорости передачи информации) к пропускной способности дискретного канала связи и по величине отношения пропускной способности дискретного канала связи к пропускной способности непрерывного канала связи. Очевидно, что коэффициент использования канала связи как дискретного, так и непрерывного меньше 1.

 Заключение

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

Сравнительный анализ различных способов приема сигналов:

Вид приема

Pош

h2

Неоптимальный прием по одному отсчету

Оптимальный прием по одному отсчету

Сложный сигнал, согласованный фильтр

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.                               

Повышение помехоустойчивости обусловлено тем, что в методе синхронного накопления мы берём 3 независимых отсчёта, и суммируем их.

Самый помехоустойчивый способ – это способ использования сложных сигналов и согласованного фильтра, но это ведёт к уменьшению скорости передачи информации, т.е. происходит обмен скорости на помехоустойчивость.

Современная теория электросвязи позволяет достаточно полно оценить различные системы связи по их помехоустойчивости и эффективности и тем самым определить, какие из этих систем являются наиболее перспективными.

Теория достаточно четко указывает не только возможности совершенствования существующих систем связи, но и пути создания новых более современных систем.

 Список литературы

  1.  Акулиничев Ю.П. Теория электрической связи: Учебное пособие для вузов. – СПб.: Лань, 2010.
  2.  Берлин А.Н. Терминалы и основные технологии обмена информацией: Учебное пособие. – М.: Бином. Лаборатория знаний, 2009.
  3.  Лебедько Е.Г. Теоретические основы передачи информации: Учебное пособие для вузов. – СПб.: Лань, 2011.
  4.  Соколов Н.А. Задачи планирования сетей электросвязи: Монография. – СПб.: Техника связи, 2012.
  5.  Каганов В.И. Радиотехнические цепи и сигналы. Учебное пособие – М.: ФОРУМ: ИНФРА-М, 2005.
  6.  А.Г.Зюко, Ю.Ф.Коробов, “Теория передачи сигналов”, М.: «Связь», 1972.
  7.  Макаров А.А., Чиненков Л.А.”Основы теории помехоустойчивости дискретных сигналов”: Учебное пособие – Н-ск, 1997.
  8.  Макаров А.А., Чиненков Л.А.”Основы теории передачи информации”:Н-ск, 1988

 Приложение. Расчет исходных данных для заданного варианта работы

1) Номер варианта N = 4.

2) Вид сигнала в канале связи - ДАМ.

3) Способ приема сигнала — НКГ.

4) Амплитуда канальных сигналов А = = 10-3 = = 4, мВ,

где N – номер варианта задания;

K = 1; 1,2; 1,4 – для четной, нечетной и цифры 0 в номере варианта;

М = 1, 2, 3, ... – номер группы на курсе.

Г – последняя цифра года выполнения работы.

5) Максимальная частота аналогового сигнала Fmax = (4,5 + 0,3N)=4,5+0,34 = 5,7, кГц.

6) Динамический диапазон аналогового сигнала D =25+0,8N=25+0,84 =28,2, дБ.

7) Допустимое отношение мощности аналогового сигнала при его минимальной амплитуде к мощности шума квантования Kкв=3+0,1N=3+0,14=3,4.

8) Пикфактор входного сигнала П=10-0,2N=10-0,24=9,2.

9) Спектральная плотность мощности гауссовского шума

N0 = 10-5 A2 / (52 + 0,9  N)   (для вариантов 2; 4);

N0 =10-5 42  10-6/ (52 + 0,9  4)=2,8810-12, Вт/Гц.

10) Априорная вероятность передачи символа "1" p(S1) = 0,5 + (-1)N  (0,1+0,01 N = 0,5 + (-1)N  (0,1+0,01 4)= 0,64

11) Значение отсчета принятой смеси сигнала и помехи при однократном отсчете Z(t0) = (0,3 + 0,01 N)А = (0,3 + 0,014)410-3=1,3610-3, В,

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

Z(t1) = (0,8 – 0,01 N)A = (0,8 – 0,014)410-3=3,0410-3, В,

Z(t2) =  (0,4 + 0,005 N)А= (0,4 + 0,0054)410-3=1,6810-3, В,

Z(t3) = (0,85 - 0,03 N)А = (0,85 - 0,034)410-3=2,9210-3, В.

13) Вид дискретной последовательности сложного сигнала:   

# группы

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

OCT

562

550

144

113

131

162

426

456

123

141

BIN

101110010

101101000

1100100

1001011

1011001

1110010

100010110

100101110

1010011

1100001

BIN+"-1"

1-1111-1-11-1

1-111-11-1-1-1

11-1-11-1-1

1-1-11-111

1-111-1-11

111-1-11-1

1-1-1-11-111-1

1-1-11-1111-1

1-11-1-111

11-1-1-1-11


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

54550. Біологія – наука про живу природу 162 KB
  Передбачувані результати навчального заняття: А Знати:; що вивчає наука біологія; основні ознаки живого; основні галузі біології; принципи класифікації організмів; значення біології у практичній діяльності людини Б Нормувати: теоретичний матеріал у вигляді усної розповіді та діалогу; В Цінувати: старанність ініціативність працьовитість; переконання у справедливості; особисту точку зору. До неї входять: Ботаніка ботане рослина вивчає рослини. Зоологія зоон тварина вивчає тварини.
54551. Наука і технічний прогрес 83 KB
  They mke it possible to do complicted tsks in short time You cn buy lmost nything on the Internet without hving to leve your home. Some people becme ddicted to the Internet nd computer. 3 Which web browser does your computer use Internet Explorer Fire fox Mzil 4 How mny buttons re there on your mouse There re two buttons on my mouse. 7 re you member of ny cht group 8 Wht else cn you use the Internet for to find interesting informtion to do complicted tsks Повідомлення теми та мети уроку.
54552. Свято «Наум, Наум – наведи на ум» 49 KB
  Учитель: за народним календарем 14 грудня день Святого Наума покровителя розуму і доброчинства. учитель англійської мови вивчає дітей два три слова Конкурс: на листку паперу намалювати квіти з закритими очима кожен учасник по одній квітці. Учитель: Як ви вважаєте діткичи завжди були школи в Україні Перша школа в Україні була заснована князем Володимиром Великим у 988 році.
54553. Інтегроване навчання із використанням інноваційних технологій 105.5 KB
  Етап початкового навчання є перехідним від звичного способу життєдіяльності в період дошкільного дитинства до способу який домінує в режимі життєдіяльності молодшого а потім і старшого підліткового віку. Основним завданням початкової школи вважається і я з цим безперечно згодна підготовка до систематичного цілеспрямованого навчання на старших вікових паралелях виховання позитивної мотивації учіння емоційно благополучного ставлення до школи і навчальної праці формування пізнавальних потреб. Навчання в школі будується на предметній...
54554. Реалізація принципів розвиваючого навчання на уроках і позакласних заходах початкової школи як передумова формування та розвитку креативної особистості 171.5 KB
  Тому особливої актуальності набуває проблема реалізації розвивального принципу навчання на уроках у початковій школі. Розгляд терміну розвиваюче навчання припускає перш за все вивчення проблеми співвідношення навчання і розвитку яка завжди визнавалася однією із основних проблем педагогіки. На різних історичних етапах її рішення мінялося що обумовлене зміною методологічних установок появою нових трактувань розуміння суті розвитку особи і самого процесу навчання переосмисленням ролі останнього в цьому розвитку.
54555. Компетентнісно-зорієнтоване навчання у структурі трудової підготовки учнів 91 KB
  Життєвий досвід дитини вирішальний фактор формування особистості а вся система навчання і виховання повинна допомогти їй виявити у собі і розвинути те що їй органічно притаманне. Тільки таким чином можливо досягти мети формування особистості готової до життя у світі що постійно змінюється здатної до навчання та самовдосконалення до прийняття ефективних рішень. Тому компетентнісна стратегія є одним з магістральних напрямків реформування освітньої системи в Україні і вона пов'язана з принципово новим цілепокладанням у педагогічному...
54556. A compiler system for windows 7.36 MB
  I was working since several years in a compiler environment project. I had written an editor ‘Wedit’ and sold some copies of it to fellow programmers in Paris. But my editor project was stuck: it missed the compiler. Once people bought the compiler with its integrated editor, they wouldn’t think about using any other one. The editor was actually considered as an afterthought. The effort of learning a new editor was considered too big. Besides, the new programming environments were more and more closed.
54557. Отношения собственности и их реализация 18.04 KB
  В системе экономических отношений собственность всегда ассоциируется с определенными вещами, благами, продуктами интеллектуального труда. Но это лишь формы материализации собственности.
54558. Сон – залог здоровья 90 KB
  Задачи: расширить представление о сне; проделать опыты и упражнения, показывающие влияние сна на здоровье человека; сделать выводы, предложить здоровые нормы поведения перед сном; воспитывать потребность в здоровом образе жизни.