Задача №2

Разработать структурную схему системы связи и рассчитать основные ее параметры, а именно:

а) разработать структурную схему системы связи для заданного вида модуляции и способа приема;

б) предполагая, что передаваемый информационный сигнал является аналоговым с шириной спектра F, описать преобразования, которым он подвергается в АЦП при переходе к цифровому ИКМ сигналу (число уровней квантования М, код двоичный);

в) определить тактовый интервал Т_Тдлительность единичного элемента кодовой комбинации и скорость передачи информации ИКМ сигнала вN-канальной цифровой системе передачи (в качестве положительного импульса взять число, равное двум последним цифрам зачетной книжки, а в качестве отрицательного символа взять половину выбранного числа) шаг квантования равен Δ=2 у. е.;

г) определить полосу пропускания канала системы связи.

Исходные данные:

• Вид дискретной модуляции – ДАМ;

• Способ приема – неоптимальный прием;

• Ширина спектра аналогового сигнала - ∆F=60 кГц;

• Число уровней квантования – М=512;

• Шаг квантования ∆=2 у.е;

• Количество каналов системы N=6;

a) Структурная схема системы связи.

На рисунке 2.1 представлена структурная схема простейшей системы связи:

Рис.2.1 – Структурная схема системы связи.

1 – источник сообщений а;

2 – преобразователь непрерывных сообщений а, в непрерывный аналоговый сигнал U_a(t);

3 – АЦП – аналого-цифровой преобразователь, преобразующий аналоговый первичный сигнал U_a(t) в цифровой U_ц(t);

4 – кодер – для  преобразования цифрового сигнала U_ц(t) в кодовые  комбинации  простого  двоичного  помехоустойчивого кода  с  проверкой  на  четность U_цк(t);

5 – модулятор – для преобразования первичного закодированного цифрового сигнала U_цк(t) во вторичный высокочастотный сигнал U_м(t), лучше проходящий по линии связи. Это дискретный  модулятор, в котором  информация вкладывается в изменение  параметра несущего  гармонического сигнала, по закону изменения значений первичного, информационного цифрового сигнала U_цк(t);

6 – выходное устройство, формирующее сигнал U_ПРД(t), включающее в большинстве случаев усилитель сигналов, полосовой фильтр, ограничивающий полосу частот сигнала для уменьшения помех взаимного влияния в различных каналах, согласующее устройство передатчика с линией  связи;

7 – линия связи – физическая среда для передачи сигнала;

8 – источник  помех ξ (t), вызывающий отклонения  принятых  сигналов от переданных (к приемнику приходит не сигнал U_ПРД(t), а сигнал U_ПРМ=U_ПРД(t)+ξ(t));

9 – входное устройство, производящее фильтрацию  входного сигнала U_ПРМ для уменьшения уровня помех на входе демодулятора, усиление  сигнала и согласование приемника с линией связи для получения сигнала Û_м(t);

10 – демодулятор, служащий для обратного преобразования  принятого ВЧ сигнала Û_м(t) в  первичный цифровой низкочастотный сигнал Û_цк(t), несущий информацию (информационный сигнал выделяется из того параметра ВЧ сигнала, в который он был заложен при модуляции);

11 – декодер, который декодирует  кодовые комбинации помехоустойчивого кода Û_цк(t) с целью обнаружения ошибок в ней Û_ц(t) (код с проверкой на четность сигнализирует о наличии ошибки в принятой кодовой комбинации, но не может указать количество ошибок их местоположение);

12 – ЦАП – цифро-аналоговый преобразователь, который преобразует цифровой сигнал Û_ц(t) в аналоговый сигнал Û_a(t);

13 – преобразователь аналогового сигнала Û_a(t) в сообщение â;

14 – получатель сообщений.

Схема модулятора

АМн сигнал для любого момента времени t можно за­писать в виде: , где А0, ω0 - амплитуда и частота радиосигнала; φ - на­чальная фаза радиосигнала, Θ(t) - информационный пара­метр, принимающий значение 0 или 1. Часто используется другая форма записи: S(t) = 0 при Θ = 0 которая применяется при анализе АМн сигналов на отрез­ке времени, равном одному тактовому интервалу Т. Так как сигнал S(t)=0 при Θ=0, то АМн называют манипуля­цией с пассивной паузой. Форма АМн радиосигнала пред­ставлена на рисунке 3.

Рисунок 2.2 – Схема модулятора ДАМ

Рисунок 2.3 - Амплитудная манипуляции видеоимпульсов

Схема демодулятора

На практике используются простые схемы приема.

Рисунок 2.4 - Схема приемника АМн сигналов

В качестве ПФ используют обычный фильтр с полосой про­пускания, согласованной с длительностью сигнала. При полосе Δf=l,37/T, где Т - длительность радиоимпульса, обеспечивается наибольшее отношение сигнал-шум, которое всего на 0,8 дБ меньше, чем при использовании СФ. Такой фильтр почти опти­мальный при приеме одиночных посылок становится неопти­мальным, когда радиоимпульсы следуют друг за другом без пау­зы. Поэтому наименьшая вероятность ошибок в схеме с поло­совым фильтром достигается при более широкой полосе пропус­кания, примерно равной Δf ≈ 3/T. Схема приема АМн радиосигнала с СФ является оп­тимальной. В случае, если сигнал на выходе СФ (ПФ) в мо­мент окончания элемента сигнала   t=T превышает порог h принимается решение, что = 1, если не превышает, то= 0. С одной стороны ПФ должен быть согласован с сиг­налом, но в этом случае проявляется межсимвольная интер­ференция. Поэтому на практике полоса пропускания фильтра увеличивается. Схему приема с ПФ используют в случае низкой  частотной стабильности или проявлении эффекта Доплера при связи с движущимися объектами.

б) Преобразование сигнала из аналогового в цифровой

Предполагая, что передаваемый информационный сигнал является аналоговым с шириной спектра F, описать преобразования, которым он подвергается в АЦП при переходе к цифровому ИКМ сигналу (число уровней квантования М, код двоичный);

Для преобразования аналогового сигнала в цифровой ИКМ сигнал, в АЦП осуществляются последовательно три операции:

- дискретизация аналогового сигнала во времени, то есть замена исходного аналогового сигнала U_a(t) его дискретными отсчетами U_д(nТ_д),взятыми через интервал времени (интервал дискретизации) Т_д, который выбирается согласно теореме Котельникова:

Т_д  1/(2∙F), с

где F – ширина спектра аналогового сигнала, Гц.

Для НЧ сигнала в спектре которого есть постоянная составляющая, интервал дискретизации выбирается из соотношения:

Т_д 1/(2∙F_в), с

где F_в – верхняя частота спектра аналогового сигнала, Гц.

- квантование дискретных отсчетов сигнала по амплитуде (по уровню), т.е. замена значений дискретных отсчетов U_д(n∙T_д) на значения ближайших разрешенных уровней квантованияU_кв(n∙T_д).

-кодирование номеров уровней, соответствующих значениям квантованных отсчетов сигналов. Кодирование заключается в замене квантованных отсчетов кодовыми комбинациями двоичного кода номера уровня квантования, которому соответствует значение квантованного отсчета.

Рис. 2.5 – Преобразование сигнала из аналогового в цифровой

Импульсно – кодовый модулирований сигнал (ИКМ) – это последовательность К-разрядных кодовых комбинаций двоичного кода. Код симметричный двоичный. В нем 1-й элемент кодирует знак напряжения (полярность): положительное напряжение – «1», отрицательное напряжение – «0». Последующие (К-1) элементов кодируют информационный символ и определяются по номеру уровня квантования. Общее количество элементов (разрядов) кодовой комбинации определяется числом уровней квантования – М по формуле:K =log₂М+1.

в)В реальных цифровых системах частоту дискретизации F_двыбирают большей, чем 2ΔF-F_д>2ΔF для создания полосы расфильтровки в спектре дискретизованного АИМ  сигнала, что облегчает восстановление аналогового сигнала по дискретным отсчетам на приемной стороне. Кроме того F_двыбирают кратной частоте 8 кГц для унификации цифровых систем передачи.

Например, если ΔF= 60 кГц,  М=512, то:

- частота дискретизации по формуле F_д>2ΔF равна 2×60=120 кГц, а с учетом полосы расфильтровки и кратности 8 кГц, частота дискретизации равна F_д=120 кГц;

- интервал дискретизации (период, шаг дискретизации)  определяется по формуле T_д=1/F_д и равен T_д =  1/(120×10³)= 0,83×10^-5с =8,33 мкс;

- длина кодовой комбинации с учетом знака полярности равна K=log₂512+1=10 элементов.

1. Если в качестве импульса положительной полярности, который необходимо закодировать (соответствующего двум последним цифрам зачетной книжки) выбрано число 32, а в качестве импульса отрицательной полярности выбрано вдвое меньшее число, т. е. 16, то

 U_д1= 32 y.e.     U_д2= –16 y.e.    U_кв1= 32 y.e.     U_кв2= –16 y.e.

Кодовые  комбинации  номера  уровней квантования соответственно равны:

32 у.е.: так как шаг квантования равен Δ=2 у.е., кодируем число 16.

16₁₀=10000₂, разрядность с учетом знака полярности равна 10, следовательно, кодовая комбинация имеет вид 1000010000;

–16 у. е.: Δ=2 у.е., кодируем число-8 .

8₁₀=1000₂, дополняем полученное число знаковым символом и нулями для получения разрядности 10. Получим 0000001000.

Изобразим временные диаграммы кодовых комбинаций в виде импульсов (1 – импульс есть, 0 – импульс отсутствует), как показано на рис.2.6.

U_икм(t)

1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0

8,33 16,67

t, мкс

Рис. 2.6 – Временные диаграммы кодовых комбинаций простого кода.

Графические кодовые комбинации номеров уровней квантования показаны на рис. 2.7.

М(U(t) у.е.)

10000010000

32

16

1000001111 Диапазон возможных значений аналогового сигнала: -512 у.е. – 512 у.е.

30

….

15

1000000010 2 4

3

1000000001 1 2

1 8,33

0 t, мкс

-1

0000000001 -1 -2

….

-16

0000001000 -8

Рис.2.7 - Графическое изображение уровней квантования (уровни дискретизированного сигнала), которые необходимо закодировать.

2. При кодировании помехоустойчивым (корректирующим) кодом, с проверкой на четность, который позволяет обнаружить наличие ошибки в кодовой комбинации, к информационной кодовой комбинации длиной «К» элементов добавляется один проверочный элемент, доводящий число единиц в полной кодовой комбинации до четного числа. Проверочный элемент ставится в конце кодовой комбинации после информационных элементов. Длина кодовой комбинации кода с проверкой на четность равна n =K+1 , где К – длина кодовой комбинации простого кода.

Проверочный элемент r определяется суммой по модулю два информационных элементов кодовой комбинации простого кода

, где – сумма по модулю два;

К₁, К₂ , К_k – элементы кодовой комбинации простого двоичного кода.

Для кодовой комбинации 100001000: r= 1+0+0+0+0+1+0+0+0+0=0.

Полная кодовая комбинация кода с проверкой на четность имеет вид (длина кодовой комбинации n=k+r) = 10000100000

10000100000 K=10, n=11 Код(11,10).

Для кодовой комбинации 0000010000: r= 0+0+0+0+0+0+1+0+0+0+0=1.

Полная кодовая комбинация 00000100001.

U_икм(t)

1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1

t, мкс

8,33 16,67

Рис. 2.8 – Временные диаграммы кодовых комбинаций кода с проверкой на четность.

3. Кодирование осуществляется в кодерах, структурная схема которого с проверкой на четность показана на рис.2.9.

Рис.2.9 Структурная схема кодера кода с проверкой на четность.

4. Длительность единичного элемента кодовой комбинации цифрового ИКМ сигнала с проверкой на четность определяется, исходя из величин интервала дискретизации – Т_j и длины кодовой комбинации кода с проверкой на четность n. Ее называют тактовым интервалом – Т_такт, а частоту следования элементов – тактовой частотой – F_такт.

Т_такт = Т_д/n, c; F_такт = 1/Т_такт, Гц; или F_такт =nF_д, Гц и Т_такт= 1/F_такт, с;

F_такт = 6×120×10³ = 0,72 МГц.

Т_такт = 1/(0,72×10⁶) = 1,39×10^-6 = 1, 39 мкс;

Полоса пропускания канала определяется исходя из ширины спектра модулированного сигнала:

F_дчм = 4/T; где Т – длительность единичного элемента.

F_ДАМ=4/(1,39×10^-6)=2,88 МГц

Заключение

В данной курсовой работе было рассмотрено несколько видов модуляции: амплитудная, угловая (фазовая и частотная). Были записаны аналитические выражения для этих видов модуляции, построены амплитудно-и фазочастоные спектры и временные диаграммы несущего, модулирующего и модулированного колебаний.

Во втором задании была разработана структурная схема системы связи для дискретной амплитудной модуляции с неоптимальным приемом и рассчитаны основные её параметры. В работе использовался некогерентный прием, при котором сведения о фазе сигнала не используются, а решения о принимаемом сигнале выносятся по значениям огибающей. Когерентные методы приема требуют значительного усложнения схем приемника, для оценки фазы принимаемого сигнала. Поэтому здесь целесообразно использовать ДФМ, дающую наибольшую помехоустойчивость, а некогерентный прием лучше совмещать с ДАМ (как было использовано в этой работе) и ДЧМ, что упрощает схемы приемников и определяет менее жесткие требования к стабильности частоты сигнала.