29-10-2014_11-40-41 / Методические указания к выполнению лабораторной работы ___3 по ОТС
.pdf
Методические указания к выполнению лабораторной работы №3 по дисциплине «Общая теория связи»
Исследование помехоустойчивости современных методов двоичного кодирования
Красноярск
Золотухин, В.В.
Методические указания к выполнению лабораторной работы №3 «Исследование помехоустойчивости современных методов двоичного кодирования» по дисциплине «Общая теория связи» / В.В. Золотухин. – Красноярск, 2013. – 18 с.
В данных методических указаниях к лабораторной работе по дисциплине «Общая теория связи» перед студентами ставится задача изучения современных двоичных кодов, используемых в цифровых системах связи, таких как натуральный двоичный код, симметричный двоичный код и рефлексный код Грэя, а также помехоустойчивости данных методов двоичного кодирования информации в цифровых системах передачи.
Предназначено для студентов, обучающихся по направлению подготовки 210700.62 «Инфокоммуникации».
© В.В. Золотухин
Цель лабораторной работы: изучение свойств современных двоичных кодов, используемых в цифровых системах передачи информации, в частности помехозащищенности натурального двоичного кода, симметричного двоичного кода и рефлексного кода Грея.
Теоретические сведения:
В цифровых системах передачи после этапов дискретизации сигнала по времени и квантования по уровню выполняется кодирование полученных квантованных значений сигнала с использованием двоичных кодов. Наибольшее распространение в системах связи получили следующие виды двоичных кодов:
натуральный двоичный код;
симметричный двоичный код;
рефлексный код Грея.
При использовании натурального двоичного кода квантованное
значение заменяется кодовой комбинацией длиной m битов, в которой каждый бит имеет вес, равный целой степени двойки. В целом значение, соответствующее любой кодовой комбинации можно представить в виде следующего выражения:
m 1
sai 2i,
i0
где ai – значение i-го разряда кодовой комбинации, равное 1 или 0. Очевидно, что такой код подходит для кодирования только
униполярных сигналов, принимающих положительные значения. Минимальное значение в данном случае равно нулю, а максимальное – 2m-1. Все возможные значения амплитуды сигнала и соответствующие им кодовые комбинации для натурального двоичного кода приведены в кодовой таблице на рисунке 1, а.
Рисунок 1 – Кодовые таблицы для различных разновидностей двоичных кодов: а – натуральный двоичный код, б – симметричный двоичный код, в – рефлексный код Грея.
Речевой сигнал, по сути, является двухполярным сигналом, поэтому натуральный двоичный код не подходит для кодирования такого сигнала. Для кодирования двухполярных сигналов используется симметричный двоичный код, в котором старший разряд используется для обозначения знака сигнала, а все оставшиеся младшие разряды – для обозначения абсолютной амплитуды сигнала. При этом для кодирования амплитуды сигнала используется тот же самый принцип, что и при натуральном двоичном кодировании (рисунок 1, б).
Следует, однако, заметить, что существует два типа квантующих характеристик для симметричного двоичного кода – характеристика A-типа и характеристика μ-типа (рисунок 2). В первом случае, при малых значениях амплитуды сигнала на входе кодера, на его выходе будут наблюдаться постоянные случайные переходы от - Δ/2 к +Δ/2 и обратно (так называемый «шум незанятого канала» или «шум молчания»), в то время как во втором случае на выходе канала в таких случаях всегда будет 0. В цифровых системах передачи европейской плезиохронной цифровой иерархии (ПЦИ) используется квантующая характеристика A-типа, тогда как в американской ПЦИ – характеристика μ-типа.
Рисунок 2 – Квантующие характеристики A-типа (а) и μ-типа (б)
Общим недостатком натурального и симметричного двоичных кодов является их низкая помехозащищенность. Это объясняется тем, что одиночные ошибки в различных разрядах кодовой комбинации по-разному влияют на передаваемый сигнал: ошибки в старших разрядах приводят к более существенным изменениям амплитудных значений передаваемого сигнала по сравнению с ошибками в младших разрядах. В конечном счете, для телефонного сигнала такие ошибки приводят к появлению импульсных помех, которые прослушиваются абонентом как треск и шумы на фоне речевого сигнала, а для телевизионного сигнала ошибки приводят к характерным искажениям изображения типа «снег».
Для устранения указанных недостатков в системах связи используется рефлексный код Грея, особенностью которого является отличие соседних кодовых комбинаций всего на один бит (рисунок 1, в). Для такого кода отдельные разряды кодовой комбинации уже не имеют вес, равный соответствующей степени двойки, однако существует простое правило получения кодовой комбинации любого десятичного числа для рефлексного кода Грея: достаточно сложить по модулю два кодовую комбинацию натурального двоичного кода для данного числа с этой же комбинацией, сдвинутой на один бит вправо. Так, например, для получения двоичного кода Грея для числа 3 достаточно взять двоичную комбинацию натурального двоичного кода вида 0011, сдвинуть её вправо на один бит – 0001 и сложить с исходной: 0011+0001=0010.
В данной лабораторной работе студентам предлагается оценить помехоустойчивость различных методов двоичного кодирования дискретной информации и последствия воздействия помех на полезный сигнал.
Исходные данные:
Для каждой подгруппы, состоящей из двух студентов, преподавателем выдается индивидуальное задание в соответствии с номером варианта. Выполнение, составление отчета о проделанной работе и защиту следует проводить всей подгруппой. Исходные данные для разных вариантов приведены в таблице 1.
Таблица 1 – Исходные данные для выполнения лабораторной работы в соответствии с номером варианта
Вариант |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
n |
8 |
16 |
8 |
16 |
8 |
16 |
8 |
16 |
8 |
16 |
Вероятность |
10-1 |
10-2 |
10-1 |
10-1 |
10-2 |
10-1 |
10-1 |
10-1 |
10-1 |
10-2 |
ошибки p1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Вероятность |
10-2 |
10-3 |
10-2 |
10-2 |
10-4 |
10-2 |
10-3 |
10-2 |
10-4 |
10-3 |
ошибки p2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Вероятность |
10-3 |
10-4 |
10-5 |
10-3 |
10-6 |
10-3 |
10-5 |
10-3 |
10-8 |
10-4 |
ошибки p3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Вероятность |
10-4 |
10-5 |
10-5 |
10-5 |
10-8 |
10-5 |
10-7 |
10-4 |
10-12 |
10-5 |
ошибки p4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Вероятность |
10-5 |
10-6 |
10-9 |
10-7 |
10-10 |
10-6 |
10-9 |
10-5 |
10-16 |
10-6 |
ошибки p5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Порядок выполнения лабораторной работы:
1.Создайте имитационную модель, формирующую поток двоичных бит – единиц и нулей, образующих кодовые комбинации длиной n. Одну модель следует создать непосредственно в среде MATLAB, а другую – в системе Simulink.
2.Смоделируйте возникновение случайных ошибок в кодовых комбинациях, искажающих отдельные разряды путем замены 1 на 0 и наоборот.
3.Выполните моделирование процесса передачи кодовых комбинаций для случаев использования следующих двоичных кодов: натурального двоичного кода, симметричного двоичного кода, рефлексного кода Грея и вероятности ошибки, указанной в таблице 1.
4.Определите величину средней квадратической ошибки, отношения сигнал/шум для различных двоичных кодов, сравните полученные результаты.
5.Смоделируйте передачу по зашумленному каналу связи двух видов информации – звука и изображения. Выполните субъективную оценку качества полученного звука/изображения по сравнению с оригиналом по пятибалльной шкале. Сравните влияние шумов на различные разновидности двоичных кодов.
6.Составьте по результатам моделирования отсчет, представьте его для проверки преподавателю. Ответьте на контрольные вопросы.
Требования к отчету:
Отчет о проделанной работе должен быть включать в себя: титульный лист, цель лабораторной работы, описание используемой имитационной модели, результаты моделирования и заключение. После представления отчета преподавателю требуется ответить на контрольные вопросы, а в случае успешной защиты отчет сдать преподавателю.
Контрольные вопросы:
1.Кодирование информации в цифровых системах передачи.
2.Натуральный двоичный код. История возникновения и область применения.
3.Симметричный двоичный код. История возникновения и область применения.
4.Рефлексный код Грея. История возникновения и область применения.
5.Квантующие характеристики A- и μ-типа. Особенности и область применения.
Список литературы:
1.Крухмалев В.В. Цифровые системы передачи / В.В. Крухмалев, В.Н. Гордиенко, А.Д. Моченов. – М.: Горячая Линия - Телеком, 2007. - 352 с.
2.Баева Н.Н. Многоканальные системы передачи / Н.Н. Баева, В.Н. Гордиенко, С.А. Курицын, А.Ю. Персианов. – М.: Радио и связь, 1997. - 555 с.
3.Баева Н.Н. Многоканальная электросвязь и РРЛ.- М.: Радио и связь, 1988. – 312 с.
4.Зингеренко А.М., Баева Н.Н., Тверецкий М.С. Системы многоканальной связи.- М.: Связь, 1980 г.
5.Гитлиц М.В., Лев А.Ю. Теоретические основы многоканальной связи: Учеб. пособие для вузов связи. - М.: Радио и связь ,1985. - 248 с.
6.Скалин Ю.В. Цифровые системы передачи: Учебник для техникумов.- М.: Радио и связь, 1988. - 272 с.
7.Берганов И.Р. и др. Проектирование и техническая эксплуатация систем передачи: Учеб. пособие для вузов / И.Р. Берганов, В.Н. Гордиенко, В.В. Крухмалев. - М.: Радио и связь, 1989. - 272 с.