Наукоемкие технологии Учебно-методическое пособие для студентов специальности 27.03.05 Инноватика

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО

ОБРАЗОВАНИЯ

«РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ТРАНСПОРТА»

_______________________________________________

Институт транспортной техники и систем управления

Кафедра «Управление инновациями на транспорте»

А.А.ВОЛКОВ, М.С. МОРОЗОВ

Наукоемкие технологии

Учебно-методическое пособие к лабораторным работам

по дисциплине

«Инновационные технологии»

Москва – 2019

0

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО

ОБРАЗОВАНИЯ

«РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ТРАНСПОРТА»

_________________________________________________

Институт транспортной техники и систем управления

Кафедра «Управление инновациями на транспорте»

А.А.ВОЛКОВ, М.С. МОРОЗОВ

Наукоемкие технологии

Учебно-методическое пособие для студентов специальности 27.03.05 «Инноватика»

Москва – 2019

1

УДК 656.2.001.76

В 66

Волков А.А., Морозов М.С. Наукоемкие технологии: Учебно-

методическое пособие к лабораторным работам. – М.: РУТ (МИИТ),

2019. – 32 с.

В учебно-методическое пособие вошли 8 лабораторных работ,

которые включают структурные и функциональные схемы устройств передачи информации, принципиальные схемы их элементов, по которым студент должен выполнить их расчет, произвести компьютерное моделирование, снять различные характеристики.

Рецензент: Доцент кафедры «Автоматика, телемеханика и связь на железнодорожном транспорте» РУТ (МИИТ) к.т.н.

В.А. Кузюков.

© РУТ (МИИТ), 2019

2

ВВЕДЕНИЕ

Данное пособие относится к инновационным технологиям по радиосвязи. Инновационное означает новое. Поэтому основной инновационной деятельностью является патентная информация [1]. В

данном пособии приведены 7 авторских патентов РФ на изобретения [2- 8], в которых показано повышение помехоустойчивости, частотной эффективности, избирательности и др. новыми способами. Повышение помехоустойчивости способствует повышению безопасности движения поездов, а повышение частотной эффективности способствует снижению основной проблемы радиосвязи – дефицита частотного ресурса.

В настоящее время на железнодорожном транспорте используется узкополосная аналоговая радиосвязь с частотной модуляцией (ЧМ). Так как уровень помех на железнодорожном транспорте высок, то помехоустойчивость радиосвязи не всегда достаточна. Повысить её за счет перехода на цифровую радиосвязь – затруднительно, поскольку приемники цифровых и аналоговых ЧМ сигналов не совместимы между собой. Заменить сразу все аналоговые радиостанции на цифровые невозможно ни технически, ни экономически, поскольку протяженность российских железных дорого очень высока. Поэтому в данном пособии предусмотрено повышение помехоустойчивости, частотной эффективности и избирательности как аналоговых, так и цифровых систем железнодорожной радиосвязи.

Повышение помехоустойчивости аналоговой ж.д. радиосвязи с ЧМ производится за счёт клиппирования модулирующего речевого сигнала, за счет использования предложенного когерентного детектора ЧМ сигналов, в том числе и цифровых.

3

Повышение избирательности приемника аналоговых и цифровых радиосигналов производится за счет предложенного дополнительного фазового преселектора, представляющего собой второй параллельный квадратурный преобразователь частоты с полосовым фазовращателем на

90˚, сигнал на выходе которого складывается в сумматоре с сигналом основного преобразователя частоты. В результате этого устраняется зеркальный канал, что позволяет снизить промежуточную частоту и значительно повысить избирательность по соседнему каналу. Для повышения помехоустойчивости цифровых систем можно использовать абсолютную ФМн на 180˚, обеспечивающих максимально возможную помехоустойчивость радиосвязи. Такая возможность появилась после авторских разработок [5,12]. Частотная эффективность цифровых сигналов повышается за счет деления полосы частот модулирующего речевого сигнала в 2 раза [11] и за счет использования двукратной квадратурной ФМн на 180˚.

4

Лабораторная работа №1

Исследование аналогово-цифрового и цифро-аналогового

преобразований

Краткие теоретические сведения.

Аналогово-цифровое преобразование (АЦП) включает в себя 3

операции:

1)Дискретизация аналогового сигнала по времени с частотой 8 кГц (согласно теореме Котельникова);

2)Квантование полученных дискретных отсчетов по уровню восьмью разрядами;

3)Кодирование квантованных отсчетов в двоичной системе

счисления.

В цифро-аналоговом преобразовании (ЦАП) эти операции идут в обратном порядке. В качестве примера АЦП рассмотрим дискретный отсчет uд=13.

(13)10→1·23+1·22+0·21+1·20→(1101)2=ЦС Видно, что коэффициенты (1,0) при двойках в различных

степенях и составляют цифровой сигнал (ЦС). Согласно п.2 ЦС состоит из 8 элементарных посылок и поэтому впереди недостающих элементов в данном примере ставятся нули, т.е. ЦС=(00001101)2 и размещается он на периоде между данным и следующим отсчетами. Так как ЦС однополярный (1,0), а отсчеты – двухполярные (1,-1), то возникает проблема в передаче знака отсчета. Число разрядов отсчетов 8

определяет соответствующий шаг квантования. Но отсчет может находится между двумя уровнями квантования, когда его округляют до ближайшего уровня, отчего вносится погрешность квантования. На

5

приемной стороне в ЦАП эта погрешность реализуется в виде шума,

который называется шумом квантования.

Чтобы качество цифровой связи было не хуже, чем при аналоговой, требуется не 8, а 13 разрядов для квантования отсчетов по уровню, что недопустимо, так как сильно расширяется полоса частот ЦС.

Во избежание этого пользуются тем, что ухо человека воспринимает громкость звуков по логарифмическому закону [14]. Поэтому при 8

разрядах отсчеты на передающей стороне сжимают по уровню по логарифмическому закону (компрессируют), а на приемной стороне они подвергаются обратному процессу (экспонированию). Вместе эти процессы называются командированием.

Схемы экспериментов

Структурная схема представлена на рисунке 1

Рисунок 1

6

На рисунке 1 обозначено: ИС – источник сообщения, Д – дискретизатор, К – компрессор, КВ – квадратор, КОД – кодер, ПРД – передатчик, ЛС – линия связи, ИП – источник помех, ПРМ – приемник,

ДЕК – декодер, Ф – фильтр, ПС – получатель сообщения.

Выполнение работы

1)Собрать принципиальную схему дискретизатора аналоговых сигналов по времени на пассивных транзисторах в соответствии с рисунком 2.

2)Получить осциллограммы дискретных отсчетов.

3)Записать заданный уровень двоичной системы счисления.

4)Собрать схему компрессора в соответствии с рисунком 3,

получить зависимость Uвых=f(Uвх)

5)Собрать схему экспендера в соответствии с рисунком 3 с

обратным включением R и диодов. Получить зависимость

Uвых=f(Uвх).

6)Совместить на одном рисунке осциллограммы компрессора и экспандера.

7)Составить выводы по работе.

Функциональная схема дискретизатора представлена на рисунке

2. Функциональные схема компрессора представлена на рисунке 3.

7

Рисунок 2

VD

R

Рисунок 3

8

Лабораторная работа №2

Виды модуляций цифровым сигналом [8]

Краткие теоретические сведения.

В этом случае модулирующим является цифровой (дискретный) сигнал, а модулируемым – гармоническое колебание. Последнее называют сигналом-переносчиком информации, а модуляцию дискретным сигналом называют манипуляцией. Различают амплитудную (АМн), частотную (ЧМн), фазовую на 180˚ (ФМн) и относительную ФМн (ОФМн) манипуляции.

На рисунке 1 представлена схема абсолютной ФМн на 180˚, из которой можно получить АМн, исключив инвертор цифрового сигнала на её входе.

Рисунок 1

Структурная схема ОФМн представлена на рисунке 2.

9