ТЦС / 2- лаб
.pdf2 Лабораторная работа №2
Простые межсимвольные помехи
2.1 Цель работы
Исследовать явление межсимвольной интерференции в простом канале связи; построение глазковой диаграммы; изучить методы, применяемые в технике связи для устранения и уменьшения МСИ.
2.2 Предварительная подготовка
2.2.1 Изучите основные характеристики канала связи.
2.2.2 Изучите основные виды помех и искажений сигнала при передаче его в канале.
2.2.3 Изучите основные методы уменьшения и устранения межсимвольных помех.
2.3 Рабочее задание
2.3.1Исследование передачи сигналов при идеальной фильтрации.
2.3.2Построение глазковой диаграммы.
2.3.3Исследование явления межсимвольной интерференции в простом
канале.
2.3.4Исследование методов уменьшения и устранения межсимвольной интерференции путем использования фильтров типа приподнятого косинуса.
2.3.5Исследование метода устранения межсимвольной интерференции путем использования эквалайзеров.
2.4 Методические указания по выполнению работы
2.4.1 Межсимвольная интерференция Ограничение спектра сигнала в каналах связи, нелинейность
частотных характеристик вызывают появление переходных процессов, которые искажают или расширяют импульсный сигнал, проходящий через канал. Если ширина полосы канала приблизительно равна ширине полосы сигнала, то искажение будет превышать длительность передачи символа и приведет к наложению импульсов сигнала (единичные элементы сигнала, растягиваясь во времени, перекрываются соседними элементами). Этот эффект называется межсимвольной интерференцией (МСИ, intersymbol interference - ISI). Это влечет за собой появление колебаний амплитуды принимаемых импульсов и, следовательно, снижает помехоустойчивость передачи дискретной информации. При больших искажениях частотных
характеристик передача оказывается невозможной даже при отсутствии помех.
Идеальная фильтрация по Найквисту.
Исследованием проблемы предотвращения появления МСИ при приеме долгое время занимался Найквист. Он показал, что минимальная теоретическая ширина полосы системы, требуемая для детектирования Rs символов/секунду без МСИ, равна Rs/2 Гц. Это возможно, если передаточная функция системы H(f) имеет прямоугольную форму, как показано на рисунке 4.1, а. Для низкочастотных систем с такой H(f), что односторонняя ширина полосы фильтра равна 1/2Т (идеальный фильтр Найквиста), импульсная характеристика функции H(f) имеет вид h(t)=sinc(t/T) (рисунок 4.1, б). Импульс, описываемый функцией sinc(t/T), называется идеальным импульсом Найквиста; он имеет бесконечную длительность и состоит из многочисленных лепестков: главного и боковых, именуемых хвостами. Найквист установил, что если каждый импульс принятой последовательности имеет вид sinc(t/T), импульсы могут детектироваться без МСИ. Это условие называют первым условием Найквиста. Оно выполняется для импульса, который только в некоторый момент отсчета имеет отличное
от нуля характеристическое значение и нулевые значения во всех остальных отсчетных точках. Следовательно, предполагая идеальную синхронизацию процесса взятия выборок, получаем, что МСИ не будет влиять на процесс детектирования.
Рисунок 2.1 – Каналы Найквиста для нулевой межсимвольной интерференции: а) прямоугольная передаточная функция системы H(f); б) принятый импульс h(t)=sinc(t/T)
Соберите схему sinc_pulse.svu (рисунок 2.2).
Рисунок 2.2
2
Последовательность импульсов со скоростью передачи 2400 бит/секунду принимает форму импульса sinc(t/T). Структура метасистемы показана на рисунке 2.3.
Рисунок 2.3
Запустите систему и в окне анализа обратите внимание на то, что
межсимвольная интерференция не возникает в результате перехода через нулевые уровни импульсов sinc(t/T) в моменты выборки.
2.4.2 Построение глазковой диаграммы
МСИ может серьезно ухудшить характеристики цифровой системы связи. Для качественной оценки степени МСИ используется глазковая диаграмма, полученная в результате измерения отклика системы на заданные низкочастотные сигналы. Она получается следующим образом. Как видно из рисунка 2.4, для построения глазковой диаграммы сигналы данных на интервале T и nT изображаются на одном графике наложенными друг на друга. Такое представление возможно лишь тогда, когда передаваемый сигнал содержит только лишь импульсы длительностью nT, где n – целое число (изохронный сигнал данных). По глазковой диаграмме можно
непосредственно определить минимальное отклонение значений сигнала в моменты отсчета, Сумму максимальных расстояний от порогового уровня в некоторой области, где нет переходов, называют раскрытием «глазка». По мере закрытия «глазка» МСИ увеличивается, а по мере открытия – уменьшается. Наряду с этим, по горизонтальному раскрытию «глазка» можно определить краевые искажения (ошибки синхронизации).
3
Рисунок 2.4
Снова запустите систему sinc_pulse.svu (рисунок 2.2).
В окне анализа выберите из калькулятора SystemView меню Style и затем Slice (рисунок 2.5). Установите начальное время, а также установите время деления на частоту передачи символов.
Рисунок 2.5
Вы увидите только две значительные точки пересечения линий, которые представляют собой моменты выборки (обратите внимание на то, что вы также увидите точки пересечения с нулевым уровнем).
4
2.4.3 Простые межсимвольные помехи в канале связи Соберите схему channel_isi.svu (рисунок 2.6).
Рисунок 2.6 Эта система использует простой канал. Частота выборок установлена
на 80000 Гц. Частота передачи символов – 10000 символов в секунду (10000 Бод). Задана правильная синхронизирующая задержка (со значением 44).
а) Запустите систему и обратите внимание на полученные импульсные характеристики при данной частоте выборок и на то, что при частоте передачи 10000 символов в секунду присутствуют МСИ.
б) Обратите внимание на эффект элайзинга (рисунок 2.7) и более плоскую характеристику канала с уменьшенной частотой отсчетов.
в) Заметьте, насколько важна правильная синхронизирующая задержка. Увеличьте значение синхронизирующей задержки дискретизатора до 50. Запустите систему и перейдите в окно анализа. Обратите внимание на импульсную характеристику.
Рисунок 2.7
5
2.4.4 Фильтр с характеристикой типа приподнятого косинуса
Одна из часто используемых передаточных функций H(f) принадлежит к классу функций Найквиста (нулевая МСИ в моменты взятия выборок) и называется приподнятым косинусом (raised-cosine).
Соберите схему rc_pulse.svu (рисунок 2.8).
Рисунок 2.8
Последовательность импульсов со скоростью передачи 2400 бит/секунду принимает форму импульса типа приподнятого косинуса. Коэффициент сглаживания фильтра r=1.
а) Запустите систему и обратите внимание на то, что межсимвольная
интерференция не возникает в результате перехода через нулевые уровни импульсов типа приподнятого косинуса в моменты выборки.
б) Постройте для этой системы глазковую диаграмму.
в) Поменяйте фильтр на фильтр типа корня из приподнятого косинуса. Отметьте, что наблюдается МСИ. Объясните, чем это обусловлено и как решается эта проблема.
г) Откройте и запустите снова систему channel_isi.svu (рисунок 2.6). Поменяйте в системе фильтр поочередно на sin(t/T), raised cosine, root raised cosine и сравните с приведенными выше примерами. Есть ли МСИ в приемнике?
2.4.5 Выравнивание Одним из методов обработки или фильтрации сигнала, направленным
на устранение или снижение МСИ, является выравнивание (equalizing).
6
Соберите схему lms_equalize.svu (рисунок 2.9).
Рисунок 2.9
Запустите систему. Здесь вы увидите невыровненный выходной сигнал и выровненный сигнал. Определите, в каком из них МСИ меньше. Все необходимые параметры для каждого пункта работы №2 приведены в приложении А.
Сделайте выводы о проделанной работе.
2.5 Контрольные вопросы
2.5.1Чем обусловлено появление межсимвольной интерференции?
2.5.2Условия Найквиста. Идеальная фильтрация Найквиста.
2.5.3Как влияют на передачу сигнала ошибки синхронизации?
2.5.4Методы уменьшения и устранения МСИ в канале связи.
2.5.5Какое устройство выполняет функцию устранения влияния МСИ на переданный сигнал?
2.5.6Сравните применяемые эквалайзеры.
7
Список литературы
1.Разевиг В.Д., Лаврентьев Г.В., Златин И.Л. SystemView − средство системного проектирования радиоэлектронных устройств − М.: Горячая линия-Телеком, 2002.
2.Загидулин Р.Ш., Карутин С.Н., Стешенко В.Б. SystemView – системотехническое моделирование устройств обработки сигналов -М.: Горячая линия - Телеком, 2005.
3.Морелос-Сарагоса Р. Искусство помехоустойчивого кодирования. Методы, алгоритмы, применение./ Пер. с англ. – М.: Техносфера, 2005.
4.Скляр Б. Цифровая связь: Теоретические основы и практическое
применение. − М.: Вильямс, 2003.
5.Гаранин М.В., Журавлев В.И., Кунегин С.В. Системы и сети передачи информации. − М.: Радио и связь, 2000.
6.Телекоммуникационные системы и сети: Учебное пособие. Т.1 /Под
ред. В.П. Шувалова: − М.: Горячая линия-Телеком, 2003.
7.Передача дискретных сообщений: Учебник/Под ред. В.П. Шувалова.
−М.: Радио и связь, 1990.
8.Дмитриев В.И. Прикладная теория информации: Учебник.− М.:
Высш.шк., 1989.
9.Боккер П. Передача данных. Техника связи в системах
телеобработки данных./Пер. с нем. Т.1. − М.: Связь, 1980.
8
Приложение А
Параметры channel_isi /простых межсимвольных помех в канале связи
SYSTEM SUMMARY
System Time: 0 – 3,1875e-3 sec, dT=12,5e-6, Sample Rate=80e+3 Hz, Samples=256, Loops=1
Token |
Attribute |
Type |
Parameters |
|
|
|
|
|
0 |
Operator |
Lynear Sys |
Custom Digital System, 128 Num Coefs, Decimate |
|||||
|
|
|
by 1, Quant Bits=None, Init Cndtn=Transient, DSP |
|||||
|
|
|
Mode Disabled, Max Rate=80e+3 Hz |
|
||||
1 |
Sink |
SystemView |
Input from t7 Output Port 0, Max Input |
|||||
|
|
|
Rate=80e+3 Hz |
|
|
|
|
|
2 |
Sink |
SystemView |
Input from t4 Output Port 0, Max Input |
|||||
|
|
|
Rate=10e+3 Hz |
|
|
|
|
|
3 |
Operator |
Smpl Delay |
Delay=44 |
samples, |
Attribute=Passive, |
Initial |
||
|
|
|
Condition=0 |
v, |
Fill |
Last |
Register, |
Max |
|
|
|
Rate=80e+3 Hz |
|
|
|
|
|
4 |
Operator |
Sampler |
Interpolating, Rate=10e+3 Hz, Aperture=0 sec, |
|||||
|
|
|
Aperture Jitter=0 sec, Max Rate=10e+3 Hz |
|
||||
5 |
Sink |
SystemView |
Input from t8 Output Port 0, Max Input |
|||||
|
|
|
Rate=80e+3 Hz |
|
|
|
|
|
6 |
Operator |
Smpl Delay |
Delay=88 |
samples, |
Attribute=Passive, |
Initial |
||
|
|
|
Condition=0 |
v, |
Fill |
Last |
Register, |
Max |
|
|
|
Rate=80e+3 Hz |
|
|
|
|
|
7 |
Operator |
Smpl Delay |
Delay=44 |
samples, |
Attribute=Passive, |
Initial |
||
|
|
|
Condition=0 |
v, |
Fill |
Last |
Register, |
Max |
|
|
|
Rate=80e+3 Hz |
|
|
|
|
|
8 |
Operator |
Gain |
Gain=5,4e+3, Gain Units=Linear, Max Rate=80e+3 |
|||||
|
|
|
Hz |
|
|
|
|
|
9 |
MetaSystem |
Custom_1 |
-- |
|
|
|
|
|
10 (m9) |
Source |
PN Seq |
Amp=1 v, Offset=0 v, Rate=10e+3 Hz, Levels=2, |
|||||
|
|
|
Phase=0 deg, Max Rate=80e+3 Hz |
|
|
|||
11 (m9) |
Source |
Pulse Train |
Amp=1 v, Freq=10e+3 Hz, PulseW= 12,5e-6 sec, |
|||||
|
|
|
Offset=0 v, Phase=0 deg, Max Rate=80e+3 Hz |
|||||
12 (m9) |
Multiplier |
-- |
-- |
|
|
|
|
|
13 (m9) |
Meta I/O |
Meta Out |
-- |
|
|
|
|
|
9
SYSTEM CONNECTION LIST
Token |
Attribute |
Type |
Input Tokens |
Output Tokens |
0 |
Operator |
Lynear Sys |
13 |
3, 7 |
1 |
Sink |
SystemView |
7 |
-- |
2 |
Sink |
SystemView |
4 |
-- |
3 |
Operator |
Smpl Delay |
0 |
4 |
4 |
Operator |
Sampler |
3 |
2 |
5 |
Sink |
SystemView |
8 |
-- |
6 |
Operator |
Smpl Delay |
13 |
8 |
7 |
Operator |
Smpl Delay |
0 |
1 |
8 |
Operator |
Gain |
6 |
5 |
9 |
MetaSystem |
Custom_1 |
-- |
-- |
10 (m9) |
Source |
PN Seq |
-- |
12 |
11 (m9) |
Source |
Pulse Train |
-- |
12 |
12 (m9) |
Multiplier |
-- |
10, 11 |
13 |
13 (m9) |
Meta I/O |
Meta Out |
12 |
6, 0 |
10