Лабораторная работа №10 преобразование сигналов в дискретном канале связи

Цель работы: Изучить процессы преобразования сигналов в дискретных каналах связи, реализованных на основе непрерывного ЧМ канала.

Задачи работы:

1. Изучить преобразование сигналов звеньям канала при некогерентном приеме бинарных сигналов.

2. Изучить преобразование сигналов звеньям канала при когерентном приеме бинарных сигналов.

3. Произвести сопоставительную оценку исследуемых каналов по показателям помехоустойчивости. Дать обоснование обнаруженным отличиям.

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

Объектом исследования в данной работе являются три различных бинарных канала связи – АМ-2 – некогерентный канал, ЧМ-2 – некогерентный канал и ЧМ-2 – когерентный канал, обеспечивающие передачу сообщений одного источника. Модель, отображающая работу каналов, представлена на рисунке 10.1.

В модели реализуется модуляция ЧМ-2. Выделение частотных посылок, соответствующих передачи только логических единиц, позволяет сформировать модуляцию АМ-2 с пассивной паузой.

Рисунок 10.1 – Структурная схема модели исследуемых каналов связи.

На рис. 1 модули 0 и 3 – воспроизводят источник модулированного ЧМ-2 сигнала. Модуль 2 отображает передаваемое дискретное сообщение. Модуль 29 – источник Гауссова белого шума (аддитивная помеха).

Модуль 3 представляет собой частотный модулятор – источник гармонического сигнала с частотой, изменяющейся пропорционально уровню напряжения на его входе. Основные параметры этого модуля: начальная частота (Frequency f₀ – частота модулированного сигнала при уровне модулирующего напряжения, равного 0 В), а также крутизна модуляционной характеристики m (Mod Gain, Гц/В), являющаяся коэффициентом пропорциональности, который определяет, на сколько герц изменится частота сигнала на выходе модулятора при изменении модулирующего напряжения на 1 В. Таким образом, мгновенная частота ЧМ-сигнала изменяется по закону:

.

Модули 4-10 реализуют некогерентный ЧМ демодулятор. Выходной сигнал демодулятора отображается модулем 11. Часть модулей этого демодулятора (4, 6, 8) задействованы в составе некогерентного АМ-2 - демодулятора. Помимо указанных, в состав АМ демодулятора входят модули 42 и 43, реализующие функцию принятия решения. Выход АМ - демодулятора отображается модулем 36.

Модули 12 - 27 реализуют когерентный ЧМ-2 – демодулятор. Выход этого демодулятора отображается модулем 26.

Обработка сигнала АМ демодулятором состоит в выделении полосы частот, соответствующей передаче логических единиц (окрестность частоты 120 Гц) фильтром 4, выделении огибающей (модули 6, 8), сравнении уровня огибающей с порогом (0,35 В) – модули 42, 43.

Некогерентный ЧМ демодулятор содержит помимо рассмотренной выше АМ ветви обработки посылок с частотой 120Гц (логические 1), вторую такую же ветвь обработки посылок с частотами 100Гц (логические 0), включающую модули 5, 7, 9 и устройство определения номера ветви (0 или 1), формирующей сигнал большего уровня (модуль 10, см. Help SysView).

Когерентный ЧМ-2 демодулятор содержит две аналогичные ветви обработки посылок с частотами 100Гц и 120Гц, выдающие свои выходные сигналы на устройство определения номера ветви (0 или 1), формирующей сигнал большего уровня (модуль 20). Это устройство соединено с одновибратором 27, выдающим выходной сигнал ЧМ когерентного канала в виде бинарных посылок стандартной длительности и амплитуды. Ветви отличаются только частотами генераторов (модули 14 и 15) – 120 Гц и 100 Гц.

При обработке сигналов в каждой ветви происходит синхронное детектирование частотных посылок (модули 12, 14 и 13, 15), накопление сигналов в течение времени действия каждой частотной посылки (модули 17, 19), выдача накопленных сигналов через инверторы и ключи (23, 21 и 24, 22) в устройство определения ветви (0 или 1), в которой сформирован сигнал большего уровня. Синхронизация работы демодулятора осуществляется генератором 16, синхронным с источником дискретных сообщений.

В работе необходимо исследовать процессы преобразования исходных частотных посылок в сообщения, восстанавливаемые на выходе каналов. Требуется объяснить необходимость тех или иных преобразований при выделении информационных признаков сигнала, установить, какая исходная априорная информация о сигналах и помехах заложена в алгоритмы работы демодуляторов каналов связи.

Необходимо также установить степень помехоустойчивости каждого из рассматриваемых каналов. В качестве меры помехоустойчивости может быть использована статистическая оценка вероятности ошибочного приема, определяемая как отношение числа ошибочных бит в переданном фрагменте сообщения к полному количеству переданных. Данные исследования могут быть выполнены с помощью модели, изображенной на рисунке 10.2.

Рисунок 10.2 – Структурная схема модели для исследования характеристик помехоустойчивости дискретных каналов связи.

Модель включает две группы каналов, состоящие из каналов АМ-2, ЧМ-2 - некогерентный и ЧМ-2 - когерентный. Отличие этих групп в том, что каналы верхней по схеме группы работают в условиях помех, а каналы нижней группы работают без помех, восстанавливают передаваемое сообщение без ошибок и являются в этом смысле эталонными. Сравнивая состояния выходов соответствующих каналов верхней и нижней групп на предмет их соответствия можно обнаруживать ошибки в работе каждого из каналов верхней группы. Подсчитывая количество ошибок, допущенных в каждом канале за сеанс передачи, содержащем известное и достаточно большое число передаваемых бит можно найти оценку вероятности ошибки бита для каждого канала.

Для выполнения этих вычислений в состав модели включен анализатор ошибок, реализованный на элементе «Исключающее ИЛИ» (модуль 61). Анализатор может быть подключен своими входами к выходам соответствующих каналов верхней и нижней группы. При несоответствии выходных сигналов каналов на выходе элемента «Исключающее ИЛИ» появляется логическая единица, указывая на ошибку приема бита каналом верхней группы.

Подсчет количества ошибок (накопление) осуществляется интегратором (модуль 62), подключенным к выходу анализатора. К этому же выходу подключен элемент текущей статистической обработки данных, поступающих с анализатора (модуль 63). Вычисляемая им величина – статистическая оценка вероятности ошибки бита

,

где - число переданных бит;

- число ошибочно принятых бит.

Моделирование прекращается по достижению числом ошибочных бит некоторого максимального значения, записанного в элементе «Стоп» (модуль 67).

Рассмотренная модель реализует метод статистических испытаний (Монте-Карло) и позволяет получать точечные оценки вероятностей ошибок для каждого канала при заданных параметрах. Получая эти значения оценок при различных параметрах канала, сигналов и помех можно построить соответствующие зависимости и графики. Достоверность результатов, получаемых с помощью данной модели, возрастает при увеличении количества накопленных ошибок и количества переданных бит.

В качестве характеристики помехоустойчивости канала связи, широкое распространение на практике получила зависимость вероятности ошибочного приема бита от отношения энергии, приходящейся на один передаваемый бит, к спектральной плотности мощности (СПМ) помехи:

,

где – энергия сигнала s(t) длительностью T_б, который соответствует одному передаваемому биту;

N₀ – СПМ помехи.

В работе необходимо построить зависимости вероятности ошибочного приема бита от отношения энергии на бит к СПМ помехи для каждого из исследуемых каналов, для чего анализатор (модуль 61) последовательно подключается к выходам соответствующих каналов.