Лабораторная работа №2 системы связи с частотным разделением каналов

Цель работы: Изучить принципы построения систем связи с частотным разделением каналов.

Задачи работы:

1. Изучить структуру и функции основных узлов системы с частотным разделением каналов для передачи непрерывных и дискретных сообщений.

2. Изучить влияние спектральных характеристик передаваемых сигналов на качество их разделения и восстановления переданного сообщения на приемной стороне.

3. Исследовать влияние помех на качество работы системы связи при частотном разделении сигналов.

ВВЕДЕНИЕ

Одна из важнейших задач решаемых в телекоммуникационных системах – задача разделения сигналов, передаваемых совместно по одной физической линии связи. Разделение осуществляется по заранее известным и неизменным признакам, индивидуальным для каждого из разделяемых сигналов.

Наиболее часто при создании систем связи применяется разделение сигналов по частотному признаку. На основе частотного разделения реализуются системы многоканальной телефонной и радиосвязи, системы спутниковой связи, системы радиовещания и телевидения. Такие системы содержат в своем составе группу передатчиков и приемников, взаимодействующих через общую среду распространения сигналов (кабельная линия, околоземное и космическое пространство – «эфир» и т.д.).

В простейшем случае каждая пара передатчик – приемник и среда, связывающая их, составляют отдельный канал. Для обеспечения возможности одновременной передачи сообщений по всем каналам необходимо выполнить условия независимости их работы, исключения влияния друг на друга, что и составляет задачу разделения сигналов и соответствующих каналов связи. Основой частотного разделения каналов являются следующие положения:

- Каждый из передатчиков формирует и выдает в среду распространения сигналы, имеющие спектры, не перекрывающиеся со спектрами сигналов других передатчиков;

- Каждый из приемников имеет средства выделения сигналов только нужного передатчика и подавления сигналов других;

- Среда распространения сигналов обладает линейными свойствами.

Данная работа направлена на изучение реализации этих положений на примере простейшей двухканальной системы связи, моделируемой средствами пакета System View.

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

Объектом исследования в данной работе является модель двухканальной системы связи. В работе предусматривается исследование двух версий системы и, соответственно, двух версий модели – первая, для передачи непрерывных сообщений (см. рис. 2.2) и вторая, – для передачи дискретных (см. рис. 2.3). Сообщения для первой модели представлены гармоническими колебаниями различных частот. Физически это может соответствовать передаче по каждому из каналов звуковых сигналов, отображающих звучание нот различных тональностей. Для второй модели сообщения представлены импульсными последовательностями с различной длительностью импульсов. Физически это может отображать передачу последовательности «точек» телеграфной азбуки по одному каналу и «тире» - по другому.

В состав обеих моделей системы входят модули передатчиков, представленных на левой части рисунков, и приемников – на правой части. Среда распространения – линия связи, представлена сумматором и источником Гауссова шума, в центральной части рисунка.

Передатчик представлен модулятором (модули 2, 19, 23 для первого канала и модули 2, 24 для второго), осуществляющим перенос передаваемого сообщения (генерируется модулями 7 и 8 для соответствующих каналов) на несущее гармоническое колебание (генерируется модулями 0 и 1) путем управления его амплитудой.

Приемник каждого канала представлен фильтром (модули 6 и 9), пропускающим только частотные компоненты своего передатчика, и детектором огибающей (модули 14, 16 и 15, 17). В свою очередь, каждый детектор содержит нелинейный элемент (двухполупериодный выпрямитель) и фильтр, пропускающий частотные компоненты восстанавливаемого в детекторе сообщения.

Следует иметь в виду, что первое условие разделения сигналов, упомянутое во Введении, в реальных системах выполняется с известной степенью приближения. Спектры реальных сигналов в той или иной степени перекрываются. Это можно объяснить своеобразной «утечкой», так как реальный сигнал всегда изменяется и, следовательно, в нем нельзя выделить протяженный стационарный участок. В силу указанного, энергия реального сигнала всегда распределена в некоторой частотной области, сгруппированной в окрестности частоты несущего колебания. По мере удаления от этой области энергия частотных компонент сигнала уменьшается. Количественной мерой ширины полосы частот, занимаемой сигналом, может служить так называемая существенная полоса частот (ширина спектра), на границах которой уровень энергии (мощности) частотных компонент составляет заданную, достаточно малую часть (сотую, тысячную и т.п) энергии наиболее мощных компонент центральной части спектра.

Упомянутое выше явление утечки приводит к тому, что некоторая часть энергии передатчика попадает в полосу частот сигнала «не своего» приемника. Таким образом, соседние каналы создают помехи друг другу. Чтобы такие помехи были несущественными, необходимо чтобы уровень просачивающейся помехи был мал в сравнении с полезным сигналом. Количественно это оценивается степенью перекрытия спектров смежных каналов, определяемой как отношение мощности существенной части полезного сигнала, сконцентрированной, как правило, в центральной части его спектра, к мощности смеси сигнала и помехи на границе полосы пропускания фильтра приемника.

Во второй части лабораторной работы исследуется передача дискретных сообщений по непрерывному каналу связи. Дискретные сообщения, как правило, отображаются последовательностью импульсов, определенной частоты и длительности.

Такой сигнал может принимать значения лишь строго определенных уровней, переход между которыми осуществляется скачком в определенные моменты времени, т.е. сигнал дискретен как по уровню, так и по времени. В простейшем случае число разрешенных уровней равно двум. Такие сигналы называются двухпозиционными (или бинарными) и часто представляют последовательность логических нулей и единиц.

Для задания импульсной последовательности необходимо определить минимальный A_min и максимальный A_max уровни (амплитуду сигнала), частоту f либо период T импульсной последовательности, а также параметр, характеризующий ширину импульса τ. В качестве такого параметра часто используется скважность, S – отношение периода импульсной последовательности к длительности импульса, либо обратная величина, называемая коэффициентом заполнения D (см. рис. 2.1).

,

Рисунок 1. – Импульсная последовательность со скважностью S = 3.

Для передачи по каналу связи дискретное сообщение накладывается на несущий сигнал (происходит амплитудная модуляция, аналогично 1 части работы), иными словами, видеоимпульсы преобразуются в радиоимпульсы. Таким образом, сигнал, передаваемый в линию связи, является непрерывным (гармоническим с изменяющейся скачкообразно амплитудой), но в то же время, несущим информацию о дискретном сообщении. Такой вид цифровой модуляции называется амплитудной манипуляцией или АМ-2.

Задачей второй части лабораторной работы является преобразование и доработка модели, разработанной в первой части работы, с целью передачи дискретных сообщений. Для этого необходимо изменить параметры источников сообщений в соответствии со значениями, приведенными в таблице вариантов.

В качестве первого источника используем блок генератора импульсной последовательности (Pulse Train), сигнал на выходе которого принимает значения 0 В и A_max В. В таблице вариантов также заданы частота последовательности и скважность импульсов, которые определяют дополнительные параметры блока.

В качестве сигнала источника 2 будем исследовать меандр – импульсную последовательность, имеющую скважность S = 2 (длительность импульса равна длительности паузы). Такой сигнал может быть униполярным (изменяться от 0 до A_max либо от -A_max до 0) и двухполярным (принимать значения от -A_max до A_max). Кроме того, в общем случае, сигнал может принимать значения A_min и A_max, отличные от 0. Для задания такого сигнала необходимо выставить значение параметра Offset, определяющего уровень постоянной составляющей в сигнале (во временной области это соответствует поднятию либо опусканию графика сигнала над осью абсцисс).

Сообщение третьего источника зададим случайной последовательностью бит, для чего необходимо использовать блок PN Seq (Pseudo Noise Sequence, псевдослучайная последовательность) вкладки Noise/PN. Сигнал с выхода данного блока представляет собой случайную последовательность дискретных уровней, равномерно распределенных на интервале –A…+A, В и изменяющихся скачком с частотой Rate, Гц. Выставив количество уровней сигнала (No. of levels) равным 2, получим случайную бинарную последовательность. Такой сигнал часто применяется для моделирования реальных потоков битов при оценке вероятности ошибки передачи, т.к. появление нулей и единиц в нем равновероятно. Следует обратить внимание, что по умолчанию среднее значение сигнала равно 0 В, т.е. он принимает значения ±A. Необходимо изменить параметры блока таким образом, чтобы логическому нулю соответствовал уровень 0 В, а логической единице A_max, В.

Задачи данной работы реализуются путем анализа сигналов в различных точках системы, их сопоставления и оценки, как во временной, так и в частотной областях.

ХОД ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ.

1.Загрузите исполняющий файл Lab_2_1.svu (см. рис. 2.2). Измените параметры существующих модулей в соответствии с заданием индивидуального варианта (см. табл. 2.1). Кроме того, следует дополнить систему моделью третьего приемопередающего тракта. В таблице вариантов приведены значения амплитуд (A_max) и частот (f в Гц) передаваемых сообщений, а также амплитуд (U_н) и частот (f_н в кГц) несущих колебаний каждого из каналов. Зарисуйте структуру модели, запишите параметры модулей и параметры системного времени. Проверьте соответствие параметров системного времени требованиям теоремы Котельникова.

Рисунок 2.2. – Структурная схема модели обрабатывающей непрерывные сообщения.

2. Запустите модель на цикл моделирования. Получите временные реализации исходных сообщений (Sink 12, 13) и модулированных сигналов, которые их представляют (Sink 20, 22). Сравните полученные графики. В чем проявляются характерные отличия сигналов различных передатчиков? Какими особенностями структуры передатчиков они вызваны? Оцените параметры модулированных сигналов (максимальное и минимальное значение уровня огибающей, ее период и частоту, период и частоту гармонического заполнения).

3. Получите спектры модулированных сигналов на выходе передатчиков. Для получения детальной картины спектра в области несущей частоты следует использовать изменение масштаба по оси абсцисс. Оцените ширину спектра каждого сигнала на уровне -20 дБ относительно уровня несущего колебания.

4. Получите график сигнала в линии связи и спектр этого сигнала. Оцените степень перекрытия спектров сигналов различных передатчиков. Сделайте выводы о возможности разделения сигналов, если допустимый уровень просачивания не должен превышать -20дБ в сравнении с энергией (мощностью) существенной части спектра полезного сигнала. Оцените возможности сближения частот несущих колебаний передатчиков без нарушения условий частотного разделения. Выберете и обоснуйте значения частот несущих колебаний для случая допустимого перекрытия спектров на уровне -20дБ.

5.Получите графики принятых сообщений на выходах приемников (Sink 10, 11) и сравните их с передаваемыми (Sink 12, 13). Опишите отличия графиков сообщений и поясните, чем вызваны искажения. Оцените время распространения сообщений по каналу связи. Сделайте вывод о возможности восстановления информации. В отчете достаточно привести один из полученных графиков.

6. Установите среднеквадратическое отклонение Гауссова шума в линии связи равным 0,1 В и запустите модель на цикл моделирования. Получите график сигнала в линии связи и его спектр. Выполните п.5 “Хода выполнения работы”. Увеличивая СКО шума, определите его максимальное значение, при котором, по вашему мнению, восстановление сообщения еще возможно. Какое из рассматриваемых сообщений наиболее подвержено влиянию помех?

7. Выполните пункты  1…6 “Хода выполнения работы” для второй модели системы, обрабатывающей дискретные сообщения. Для этого необходимо запустить исполняющий файл Lab_2_2.svu (см. рис. 2.3). Руководствуясь пояснениями, приведенными в «Постановке задач исследования», измените параметры модулей в соответствии с индивидуальным заданием (см. табл. 2.2).

Параметры несущих колебаний следует использовать из задания к первой части лабораторной работы. Обратите внимание, что амплитуда сигнала второго передатчика в процессе модуляции дополнительно усиливается с коэффициентом усиления K = 2 (используется модуляция без подавления несущей). Кроме того, следует отметить, что в некоторых случаях (вариантах) может потребоваться коррекция частоты несущей одного или двух каналов с целью исключения возможности их наложения и ухудшения качества связи. В этом случае самостоятельно задайте частоту несущей и обоснуйте свое решение.

Рисунок 2.3. – Структурная схема модели, обрабатывающей дискретные сообщения.

На приемной стороне ширину полосы пропускания полосовых фильтров (ПФ) селекторов каналов следует установить приблизительно равной 6-8 кГц. Частоту среза низкочастотных фильтров (ФНЧ) детекторов огибающей следует выбрать равной 1-2 кГц.