1.7 Амплитудно-фазовые виды модуляции (qam)

Для кодирования передаваемой информации можно использовать не один параметр несущего колебания, а два одновременно.

Минимальный уровень символьных ошибок может быть достигнут, если расстояние между соседними точками в сигнальном созвездии будет одинаковым. Следовательно, сигнальное созвездие должно иметь решётчатый вид. Такая модуляция называется квадратурной (QAM – Quadrature Amplitude Modulation).

QAM является многопозиционной модуляцией. При M=4 она соответствует QPSK, поэтому формально считается для QAM M ≥ 8. На рис.1.5 приведено сигнальное созвездие 16-QAM.

Рисунок 1.5 – Сигнальное созвездие модуляции 16 –QAM

1.8 Частотные виды модуляции

В случае осуществления частотной модуляции параметром несущего колебания – носителем информации – является несущая частота ω(t) . Модулированный радиосигнал имеет вид:

s(t) = Acos(ω(t)t +φ0 ) = Acos(ωc t +ωd c(t)t +φ0 ) =	(4)
= Acos(ωc t +φ0 ) cos(ωd c(t)t) − Asin(ωc t+φ0)sin(ωdc(t)t),

где ω_c – постоянная центральная частота сигнала, ω_d – девиация (изменение) частоты, c(t) – информационный сигнал, φ₀ – начальная фаза.

В случае, если информационный сигнал имеет 2 возможных значения, то модуляция называется двоичной (FSK – Frequency Shift Keying). Информационный сигнал в (4) является полярным, т.е. принимает значения {-1,1}, где -1 соответствует значению исходного информационного сигнала 0, а 1 – единице. Таким образом, при двоичной частотной модуляции множеству значений исходного сигнала {0,1} соответствует множество значений частоты модулированного радиосигнала {ω_c −ω_d ,ω_c +ω_d } . Вид сигнала FSK изображен на рис.1.6.

Рисунок 1.6 – Сигнал FSK: а – информационное сообщение; б- модулирующий сигнал; в – модулирование ВЧ-колебание

Выводы:

1) Имеющиеся системы передачи данных не достигают нужной скорости передачи при заданном уровне символьных ошибок;

2) В качестве сигнала больше всего подходит сигнал с QPSK модуляцией, так как с помощью него с наибольшей вероятностью можно достигнуть заданной скорости и точности передачи.

2 Выбор и разработка структурных и функциональных схем системы передачи данных.

2.1 Анализ технического задания

В техническом задании указаны конкретные требования и критерии разработки «проводной системы связи с цифровой модуляцией сигналов»

1) Скорость передачи данных – 500 Кбит/с позволяет эффективно и своевременно получать информацию от датчиков.

2) Использование цифровой модуляции QPSK для надёжной передачи данных и защиты от искажений.

3) Величина ошибки на бит 10^-3 обеспечивает надёжную передачу сигнала.

4) Возможность смены типа модуляции необходима для возможности уменьшения BER, в случае сильных помех.

Исходя из параметров 1 и 2, система должна иметь ЦАП с параллельным входом для обеспечения необходимой скорости преобразования сигнала.

2.2 Разработка структурной схемы

В соответствии с техническим заданием, разрабатываемая система должна быть оснащена цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП) с параллельным входом, обеспечивающим преобразование цифровых данных в аналоговый сигнал с достаточной скоростью и усилителя, для возможности передачи информации на большое расстояние. Для модуляции сигналов, поступающих от датчиков, предполагается использование микроконтроллера.

Для реализации приёма и демодуляции сигналов за пределами скважины будет использоваться компьютер и специализированная плата ввода/вывода. Использование данной системы позволяет осуществлять обработку сигналов с высокой степенью надежности, что является критически важным для обеспечения эффективности и достоверности исследований.

Рисунок 2.1 – Скважинная часть системы передачи: МК – микроконтроллер; ЦАП – цифро-аналоговый преобразователь; Ф – фильтр; У – усилитель

Исходя из поставленной задачи, для обеспечения модуляции сигнала, была разработана структурная схема, представленная на рисунке 2.1.

Для эффективного извлечения данных с датчиков необходимо осуществить прием модулированного сигнала. Для этой цели на поверхности следует установить систему приема и обработки сигналов, включающую в себя элементы для предварительной обработки и усиления сигнала. В связи с этим, в схему были добавлены усилитель, фильтр и плата ввода/вывода для подключения к компьютеру. Полная структурная схема представлена на рисунке 2.2, где детально отображены все ключевые компоненты.

Рисунок 2.2 – Структурная схема: МК – микроконтроллер; ЦАП – цифро-аналоговый преобразователь; Ф – фильтр; У – усилитель; К – компьютер; I/O – плата ввода/вывода

Данная система работает следующим образом. Сигналы, поступающие от датчиков, установленных в скважине, направляются на цифровые и аналоговые входы микроконтроллера. Микроконтроллер осуществляет цифровую модуляцию данных, что позволяет оптимизировать передачу информации. Модулированный сигнал подвергается усилению, после чего передаётся через каротажный кабель на поверхность.

Так как в каротажном кабеле сигнал ослабляется и подвергается воздействию помех, на приёмной стороне, сигнал проходит процедуру фильтрации для удаления помех и усиливается. Затем, посредством платы ввода/вывода, передаётся в компьютер и, с помощью соответствующего программного обеспечения, осуществляется демодуляция сигнала и передача для последующей обработки.

2.3 Разработка функциональной схемы

Датчики, установленные в скважине, обладают как цифровыми, так и аналоговыми выходами, что обуславливает необходимость наличия соответствующих входов в системе передачи данных. В качестве модулятора данных будет использоваться микроконтроллер семейства STM32, обладающий высокой производительностью и возможностью работать при высокой температуре. Для обеспечения требуемой скорости передачи данных целесообразно использовать внешний цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) с параллельным интерфейсом, что позволяет минимизировать задержки и повысить точность передачи. Так же, для оборудования необходимо подвести кабель питания.

Учитывая значительную длину каротажного кабеля, сигнал, передаваемый по нему, ослабляется. Для компенсации данного эффекта и обеспечения стабильной передачи данных необходимо предварительное усиление сигнала. Для этого потребуется подключение отдельного источника питания к усилительному каскаду. После передачи сигнал подвергается дополнительному усилению и фильтрации с целью удаления помех, возникающих в результате прохождения через кабель. Для этих целей будут использованы усилитель и полосовой фильтр, обеспечивающие высокую степень подавления шумов.

Усиленный и очищенный от помех сигнал поступает в плату ввода/вывода, которая является промежуточным звеном между приёмником и компьютером. Затем данные передаются в компьютер, где с помощью соответствующего программного обеспечения осуществляется демодуляция сигнала и извлечение полезной информации.

Рисунок 2.3 – Функциональная схема: МК – микроконтроллер; ЦАП – цифро-аналоговый преобразователь; G – Кварцевый генератор; I/O – Плата ввода вывода; К – компьютер

Таким образом, была разработана функциональная схема, показанная на рисунке 2.3.