Учебное пособие 800306
.pdfФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет»
Кафедра систем информационной безопасности
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
к самостоятельным работам по дисциплине «Моделирование систем и сетей телекоммуникаций» для студентов специальности
090302 «Информационная безопасность телекоммуникационных систем» очной формы обучения
Воронеж 2015
Составитель д-р техн. наук К. А. Разинкин
УДК 004.05
Методические указания к самостоятельным работам по дисциплине «Моделирование систем и сетей телекоммуникаций» для студентов специальности 090302 «Информационная безопасность телекоммуникационных систем» очной формы обучения / ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет»; сост. К. А. Разинкин. Воронеж, 2015. 67 с.
Методические указания к самостоятельным работам содержат указания и рекомендации, направленные на организацию изучения математических основ формирования систем и сетей телекоммуникаций на основе аналитических и имитационных моделей, а также формирование компетенций в области методов построения и исследования моделей случайных величин и процессов, теоретико-множественных, графоаналитических и автоматных моделей, систем массового обслуживания как математического аппарата выбора оптимальных защитных мероприятий.
Методические указания подготовлены в электронном виде в текстовом редакторе MW-2013 и содержатся в файле Разинкин_СР_МСиСТ.pdf.
Табл. 9. Ил. 27. Библиогр.: 9 назв.
Рецензент д-р техн. наук, проф. А. Г. Остапенко
Ответственный за выпуск зав. кафедрой д-р техн. наук, проф. А. Г. Остапенко
Издается по решению редакционно-издательского совета Воронежского государственного технического университета
© ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», 2015
1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ
Целью самостоятельной работы студентов (СРС) является овладение фундаментальными знаниями, профессиональными умениями и навыками деятельности по профилю, опытом творческой, исследовательской деятельности. Самостоятельная работа студентов способствует развитию самостоятельности, ответственности и организованности, творческого подхода к решению проблем учебного и профессионального уровня.
Задачами СРС являются:
–систематизация и закрепление полученных теоретических знаний и практических умений студентов;
–углубление и расширение теоретических знаний;
–формирование умений использовать нормативную, правовую, справочную документацию и специальную литературу;
–развитие познавательных способностей и активности студентов: творческой инициативы, самостоятельности, ответственности и организованности;
–формирование самостоятельности мышления, способностей к саморазвитию, самосовершенствованию и самореализации;
–развитие исследовательских умений;
–использование материала, собранного и полученного в ходе самостоятельных занятий на семинарах, на практических занятиях, для эффективной подготовки к итоговому зачету.
2. ВИДЫ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ
Выделяется два вида самостоятельной работы – аудиторная, под руководством преподавателя, и внеаудиторная. Тесная взаимосвязь этих видов работ предусматривает дифференциацию и эффективность результатов ее выполнения и зависит от организации, содержания, логики учебного процесса (межпредметных связей, перспективных знаний и др.):
–аудиторная самостоятельная работа по дисциплине выполняется на учебных занятиях под непосредственным руководством преподавателя и по его заданию.
–внеаудиторная самостоятельная работа выполняется студентом по заданию преподавателя, но без его непосредственного участия.
Основными видами самостоятельной работы студентов без участия преподавателей являются:
формирование и усвоение содержания конспекта лекций на базе рекомендованной учебной литературы, включая информационные образовательные ресурсы (электронные учебники, электронные библиотеки и др.); 
подготовка к семинарам и практическим работам, их
оформление; работа с учебно-методической литературой;
оформление конспектов лекций; подготовка к курсовому проектированию; подготовка к зачету.
2
3. ТЕМАТИКА САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 1 |
|
|
Содержание самостоятельных работ |
|
||||||
Неделя |
Содержание СРС |
|
Виды |
Объем |
||||
семестра |
|
контроля |
часов |
|||||
|
|
|
|
|
|
|||
|
2 семестр |
|
|
|
Зачет |
36 |
||
1 |
Составление |
|
уравнений |
Устный опрос |
6 |
|||
переходных процессов |
|
|
||||||
|
|
|
|
|||||
|
Компьютерное |
|
|
|
Устный опрос |
|
||
|
моделирование |
|
цифровых |
|
|
|||
3 |
устройств |
|
|
|
|
с |
|
4 |
использованием |
СКМ |
|
||||||
|
|
|
||||||
|
MATLAB с расширением |
|
|
|||||
|
Simulink |
|
|
|
|
|
|
|
|
Изучение |
|
кластеризации |
Устный опрос |
|
|||
5 |
как метода многомерного |
|
4 |
|||||
|
статистического анализа |
|
|
|
||||
|
Общие |
|
|
положения |
Доклад |
|
||
8 |
разомкнутых |
|
сетей |
|
4 |
|||
|
массового обслуживания |
|
|
|
||||
|
Системное |
|
|
|
|
|
Устный опрос |
|
|
моделирование |
|
|
|
|
|
||
10 |
событийно-управляющей |
|
|
4 |
||||
логики |
(на |
|
примере |
|
||||
|
|
|
|
|||||
|
StateFlow, |
|
|
|
|
|
|
|
|
SimEvents,Simulink) |
|
|
|
||||
|
Модели |
|
ролевого |
и |
реферат |
|
||
15 |
мандатного |
|
|
ролевого |
|
4 |
||
управления |
доступом |
в |
|
|||||
|
|
|
||||||
|
КС |
|
|
|
|
|
|
|
3
3.1. Составление уравнений переходных процессов
Для анализа звеньев систем необходимо располагать уравнениями, связывающими x и y в любой момент времени.
Для этого выполняется следующая последовательность действий:
1.Устанавливается степень идеализации, и составляют исходное ОДУ связывающего x и y .
2.Выбирают координаты номинального (установившегося) режима, который требуется исследовать, и нелинейные функции координат, входящих в уравнение, линеаризуют в диапазоне находящемся вблизи координат
номинального режима работы x0 , y0 .
3. Уравнение преобразуется таким образом, чтобы все абсолютные значения величин заменить приращениями по отношению к координатам номинального режима работы
x0 , y0 .
4. С целью удобства сравнения динамики отдельных звеньев систем переходят к безразмерной форме уравнения динамики, для чего приращения координат относят к значениям координат номинального режима работы.
x |
; |
y |
, |
(1) |
|
|
|||
x0 |
y0 |
где и - соответственно безразмерная входная и выходная величина, откуда
x x |
; y y |
; |
d x |
x |
d |
и т.д. |
(2) |
|
|
||||||
0 |
0 |
|
dt |
0 |
dt |
|
|
5. Полученные значения подставляют в исходное дифференциальное уравнение, разделяют входную и выходную часть, которые затем делят почленно на коэффициент при 
или .
Пример 1. Требуется получить уравнение переходного процесса для катушки индуктивности, где ток – выходная величина, напряжение входная (рис. 1).
4
|
i |
|
|
u |
x=u |
Звено |
y=i |
|
|
Рис. 1. Схемы к примеру 1
Решение. В любой момент времени в цепи катушки индуктивности возбуждения напряжение u и ток i связаны следующей зависимостью
|
|
|
|
|
uL |
ua |
u , |
|
(3) |
||
где uL ,ua |
падение напряжения на индуктивном и активном |
||||||||||
сопротивлении катушки. |
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
Так |
как uL |
e , |
где |
e ЭДС |
самоиндукции, |
||||
e |
L |
di |
, L |
индуктивность, то uL |
L |
di |
;ua |
Ri, и уравнение |
|||
|
|
||||||||||
|
|
dt |
|
|
|
|
|
dt |
|
|
|
(3) примет вид |
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
L |
di |
Ri |
u . |
|
(4) |
|
|
|
|
|
|
dt |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Задаваясь номинальными значениями переходим к приращениям координат и получаем:
L |
d |
|
i |
|
R i |
|
|
u , |
||
|
dt |
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Для перехода к безразмерной форме |
||||||||||
динамики обозначим |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
u/U0 ; |
|
i / J0 , |
|
|
||||||
откуда |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
u U0 ; i J0 ; |
d i |
J |
|
d |
|
, |
||||
|
|
0 |
dt |
|||||||
|
|
|
|
|
dt |
|
|
|||
Подставив (7) в (5), получим: |
|
|
|
|
||||||
LJ0 |
|
d |
|
RJ0 |
|
|
U0 , |
|||
|
dt |
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
U0 и J0 ,
(5)
уравнения
(6)
(7)
(8)
которое поделим почленно на коэффициент при . 5
Тогда уравнение (8) примет вид:
|
|
|
|
L d |
|
U0 |
, |
|
(9) |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
R dt |
|
RJ0 |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
где |
L |
T |
- постоянная времени |
катушки |
индуктивности, |
||||||||
|
|||||||||||||
R |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
характеризующая ее динамические свойства; |
U0 |
коэффи- |
|||||||||||
RJ0 |
|||||||||||||
циент передачи, характеризующий статические свойства катушки индуктивности.
Окончательно уравнение переходного процесса примет вид
T |
d |
k . |
(10) |
|
dt |
||||
|
|
|
Пример 2. Определить передаточную функцию цепи (рис. 2) в общем виде
|
U1 |
|
R2 |
U2 |
|
|
|
|
|
|
C |
|
L |
|
|
|
|
||
R |
1 Ом; R |
5Ом; L 4*106 Гн; C 2*106 Ф |
||
1 |
2 |
|
|
|
Рис. 2. Схема к примеру 2
Запишем уравнение второго закона Кирхгофа – соотношение связывающее ток и напряжение на ёмкости и начальные условия:
|
|
U1 U R |
U L |
UC |
U R |
, |
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
1 |
|
|
|
U |
|
R *i |
R *i |
1 |
|
idt |
L |
di |
; |
1 |
|
|
|
||||||
|
1 |
2 |
C |
|
|
dt |
|||
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
U2 0 0, i 0 |
0 . |
|
|
|
|||
Обозначим |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
U2 (t) |
x t ,U1 (t) |
y t . |
|||||
6
Выходное напряжение
U2 |
UR |
R2 *i, |
|
2 |
|
Откуда определим значение тока и подставим его в уравнение
|
|
|
|
|
|
i |
|
U 2 |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
R2 , |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
U |
|
U |
|
R1 |
U |
|
L |
|
dU2 |
1 |
U |
dt . |
|||
1 |
2 |
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
R2 |
|
R2 |
|
dt |
|
R2C |
2 |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
Полученное уравнение является интегро-дифферен- циальным и его необходимо привести к дифференциальной форме. После дифференцирования получим:
|
dU |
1 |
|
|
|
|
|
R |
|
dU |
2 |
|
|
L d 2U |
2 |
|
|
|
1 |
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
1 |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
U |
2 . |
||||||||||
|
dt |
|
|
|
R |
|
dt |
|
|
|
|
R |
|
|
dt |
2 |
|
|
|
|
R C |
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
||||||
Умножим всё уравнение на R2C |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
dU1R2C |
|
|
R1 |
|
|
|
R2 |
|
|
dU2 |
|
|
|
LC |
|
d 2U 2 |
|
U2 . |
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
dt |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
dt |
|
|
|
dt2 |
|
|
|
||||||||||||||
Обозначим R2C =T3 , |
R1 |
R2 |
|
C |
|
T1, LC T2 , тогда |
|||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
dU1T3 |
|
T2 |
|
d 2U 2 |
|
|
T1 |
|
dU2 |
|
|
U 2 , или |
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
dt |
|
|
dt2 |
|
|
|
|
|
dt |
|
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
y(t)T3 |
|
T2 |
d 2U 2 |
|
|
T1 |
|
dU2 |
|
x(t), |
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
dt |
|
dt2 |
|
|
|
|
dt |
|
||||||||||||||||||||||||
В операторном виде |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
y p T p T p2 |
|
|
T p 1 x p , |
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Далее запишем передаточную функцию системы в виде |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
отношения |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
W p |
|
|
|
x p |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
T3 p |
|
|
|
. |
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
y( p) |
|
T p2 T p 1 |
|
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|||||
Определим передаточную функцию в числовых значениях
7
|
W p |
|
|
|
|
0,1*10 4 p |
|
. |
|
||||
|
|
|
8* p2 |
|
0,12 *10 4 p 1 |
|
|||||||
|
|
|
Варианты заданий: |
|
|
|
|||||||
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
U1 |
|
|
|
|
2 |
|
|
U2 |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 3. Схема к заданиям |
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 2 |
|
|
|
Варианты заданий |
|
|
|
|||||||
|
Элемент 1 |
|
Элемент 2 |
|
Элемент 3 |
Элемент 4 |
|||||||
1 |
L |
|
|
|
C |
|
|
|
C |
|
|
L |
|
2 |
R |
|
|
|
C |
|
|
|
R |
|
|
L |
|
3 |
R |
|
|
|
R |
|
|
|
L |
|
|
C |
|
4 |
R |
|
|
|
C |
|
|
|
L |
|
|
R |
|
5 |
C |
|
|
|
L |
|
|
|
R |
|
|
C |
|
6 |
R |
|
|
|
R |
|
|
|
C |
|
|
L |
|
7 |
L |
|
|
|
L |
|
|
|
L |
|
|
C |
|
8 |
C |
|
|
|
R |
|
|
|
L |
|
|
R |
|
9 |
L |
|
|
|
L |
|
|
|
R |
|
|
C |
|
10 |
C |
|
|
|
R |
|
|
|
R |
|
|
C |
|
3.2.Компьютерное моделирование цифровых устройств
сиспользованием СКМ MATLAB с расширением Simulink
Принципы построения кода. Из информационного сообщения, содержащего слова кода U по определенным правилам вырабатывается выходное сообщение, включающее кодовые слова V. В простых кодах используются все кодовые
слова (комбинации), количество которых равно N=qn (q – осно-
8