Лабораторная работа №11 исследование дисркретного канала связи с расширенным спектром

Исследование модулированных сигналов с расширенным спектром на основе модуляции АМ-2

Цель работы: Изучить свойства и характеристики модулированного сигнала АМ-2, полученного методом прямого расширения спектра.

Задачи работы:

1. Изучить получение модулированного сигнала АМ-2 методом прямого расширения спектра и демодуляции этого сигнала.

2. Изучить частотные свойства и характеристики модулированного сигнала АМ-2 средствами периодограммного метода.

3. Дать качественную оценку помехоустойчивости дискретного канала, построенного на основе прямого расширения спектра, в условиях узкополосных помех и гауссова белого шума.

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

При выборе и реализации способа модуляции в системе связи, как правило, стремятся обеспечить минимальную ширину спектра передаваемого в линию связи сигнала, так как узкополосность способствует повышению эффективности использования выделенной полосы частот.

Напротив, модуляция с расширенным спектром приводит к необходимости использования полосы частот, на несколько порядков превышающей ширину спектра в сравнении с узкополосной модуляцией. Такая система будет иметь очень низкую частотную эффективность, если она используется одним абонентом. Однако, если такую систему одновременно используют несколько абонентов (например, применяя временное разделение каналов) можно за счет увеличения количества абонентов до некоторого предела достичь частотной эффективности, существенно превышающей значения достижимые в системах с узкополосной модуляцией.

Системы с расширенными спектрами сигналов обладают рядом привлекательных свойств:

• Качество функционирования таких систем не снижается при появлении узкополосных помех, имеющих полосу частот гораздо меньшую, чем полоса частот полезного сигнала системы;

• Большая скрытность передачи;

• Снимается необходимость решать вопросы распределения частот между абонентами;

• При работе в условиях многолучевого распространения радиосигналов система сохраняет работоспособность, когда качество работы узкополосных систем оказывается неприемлемым.

Для получения модулированных сигналов с расширенным спектром в настоящее время используются два основных способа – прямое расширение спектра (Direct Sequence Spread Spectrum) и расширение скачками по частоте (Frequency Hopping). В данной работе исследуется первый из указанных способов.

Структурная схема модели для исследования сигналов с расширенным спектром приведена на рисунке 1.

Рисунок 1. – Структурная схема модели для исследования сигналов с расширенным спектром

Модель содержит:

• источник сообщений (модуль 5);

• источник случайной импульсной последовательности (расширяющего кода) 6 и формирователь кодированного сигнала 8;

• генератор несущего колебания и АМ модулятор;

• источники аддитивных помех 0, 11 и сумматор 4;

• преобразователь (модуль 12), осуществляющий «свертывание» широкополосного модулированного сигнала в АМ-2 сигнал;

• анализаторы спектра шумоподобных сигналов – широкополосного модулированного сигнала – модули 2, 3, 7, 1 и восстановленного АМ-2 сигнала – модули 13, 14, 15, 16;

• демодуляторы сигналов АМ-2 широкополосного модулированного сигнала – модули 17, 19, 24 и восстановленного АМ-2 сигнала – модули 18, 21, 25.

Исследования данной работы включают спектральный анализ случайных процессов, отображающих сигналы. Для получения усредненных спектров в модели реализуется периодограммный метод, предполагающий вычисление преобразования Фурье частных реализаций сигналов (модули 2, 13), получение спектров мощности (модули 3, 14), масштабирование спектров (модули 7, 16,) и усреднение спектров (модули 1, 16). Для реализации алгоритма получения усредненных спектров модель после первичного (ручного) запуска автоматически запускается еще 24 раза. На множестве полученных результатов 25 циклов моделирования осуществляется усреднение спектров мощности в модулях 1 и 16. Процесс усреднения представляется графиками, выдаваемыми модулями 1 и 16. Результат последнего усреднения соответствует последним 512 отсчетам графика рис. 2.

Рис. 2. – Графическое представление процесса усреднения случайных (частных) спектров.

Результирующий спектр представляется симметричным спектром мощности, определенным как в положительной, так и отрицательной области (см. рис. 3). Ввиду полной симметрии спектра для анализа вполне достаточно его рассмотрения в одной из областей.

Качество сигналов, поступающих на входы устройств принятия решений (модули 24 и 25), а, следовательно, и качество восстановления передаваемых сообщений может быть оценено визуально с помощью так называемой «глазковой» диаграммы (см. рис.4, 5).

Глазковая диаграмма отображает наложенные друг на друга графики сигналов за выбранный интервал времени. В данной работе этот интервал целесообразно выбрать равным удвоенному (утроенному) значению длительности временного окна скользящего усреднения (модули 19 и 21).

Рисунок 3. – Результирующий усредненный спектр, представленный в областях положительный и отрицательных частот.

При отсутствии помех эти графики отображают детерминированные зависимости, при наличии помех – они носят случайный характер. По степени разброса графиков можно судить о действии помех на информативный сигнал, на степень перекрытия областей сигналов, соответствующих передаче 1 и 0 и, наконец, позволяет сделать вывод о возможности разделения этих областей пороговым уровнем устройства принятия решений.

Рисунок 4. – Глазковая диаграмма (Sink 26) при отсутствии помех в широкополосном модулированном сигнале

ХОД ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Загрузить исполняющий файл модели Com_dsss_exp.svu (см. рис. 1). Записать параметры модулей, настройки и системного времени.

2. Запустить модель на цикл моделирования. Получить усредненные спектры широкополосного модулированного сигнала (модуль 1) и восстановленного модулированного сигнала АМ-2 (модуль 16). Выделить области указанных спектров, соответствующие последнему усреднению. Объяснить структуру каждого спектра и отличие спектров.

3. Вывести на экран дисплея графики сигналов отображающих передаваемое сообщение (Sink 20) и демодулированные сигналы (Sink 22 и 23). Объясните их отличие. В каком случае графики этих сигналов совпадут по форме)?

4. Сделать уровень шумов и помех нулевым. Запустить модель на цикл моделирования. Определить информативную полосу частот широкополосного модулированного сигнала и сигнала АМ-2 на уровне -10 дБ относительно максимума соответствующего спектра. Оценить частотную эффективность каждого из рассматриваемых видов модуляции затратами частотного ресурса, приходящегося на единицу полосы сигнала.

Рисунок 5. – Глазковая диаграмма (Sink 26) при наличии помех в широкополосном модулированном сигнале

5. Получить глазковую диаграмму для реализации сигнала (Sink 26). Для этого в калькуляторе анализирующих окон следует выбрать закладку Style , а затем опцию Time Slice. Ввести параметры Start Time = - 1500 и Length = 100, а затем в окне Select of Window выбрать Sink 26. Определить момент времени, когда расстояние между сигналами, отображающими логический 0 и логическую единицу, будет максимальным.

6. Восстановите начальные настройки модели. Запустите модель на цикл моделирования и постройте глазковую диаграмму в соответствии с пунктом 5. Определите границы поля на глазковой диаграмме, отделяющие области, соответствующие сигналам, отображающим логические 0 от областей логических 1. Где, по вашим представлениям, следует разместить порог принятия решений, в какой момент времени следует принимать решения?

7. Устранив узкополосную помеху и изменяя уровень шумовой помехи в сторону увеличения с шагом 0,1, по глазковой диаграмме ориентировочно определите минимальную интенсивность шумовой помехи, при которой вероятность правильного и ошибочного приема символа сравняются.

8. Устранив шумовую помеху и изменяя уровень узкополосной помехи в сторону увеличения с шагом 0,1, по глазковой диаграмме ориентировочно определите минимальную интенсивность узкополосной помехи, при которой вероятность правильного и ошибочного приема символа сравняются.

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

1. Наименование, цель и задачи работы.

2. Структурная схема модели, параметры модулей, параметры системного времени.

3. Графики построенных зависимостей, сигналов и спектров, полученные в соответствии с пунктами 1 – 8 «Хода выполнения работы».

4. Вычисленные значения величин в соответствии с пунктами 4 – 8.

5. Ответы на вопросы по пунктам хода работы.

6. Выводы по пунктам выполненного плана и работе в целом.