Реферат: Многоканальная система передачи информации

Государственноеобразовательное учреждение

высшегопрофессионального образования

«Томскийгосударственный университет систем управления и радиоэлектроники»

/>КУРСОВАЯ РАБОТА

Тема:«Многоканальная система передачи информации»

Предмет:«Электросвязь»

г. Томск– 2010 г.

СОДЕРЖАНИЕ

1. Исходные данные и разрабатываемые вопросы

1.1 исходные данные

1.2 вопросы, подлежащие разработке

2. Назначение и возможное применение СПДИ

3. Определение возможности работы разрабатываемой СПДИ поаналоговому каналу связи

3.1 расчет показателей суммарной информационной производительностиСПДИ IC и пропускной способности аналогового канала связи ск

3.1.1 Расчет показателей информационной производительностиСПДИ

3.1.2 Расчет показателей пропускной способности канала связи

3.2 Расчет показателей объема сигналаvc СПДИ и объема канала связи

3.3 оценка возможности использования заданного аналоговогоканала электросвязи

4. Защита от ошибок. Помехоустойчивое(канальное) кодирование

4.1 определение оптимальных параметров помехоустойчивого кодирования

4.2 определение эффективной скоростиприема сигналов данных и оптимальной длины передаваемых слов

5. Определение вида синхронизации,используемой в разрабатываемой спди

6. Определение параметров временногоуплотнения абонентских сигналов в различных условиях

6.1 Определение параметров временногообъединения/разделения абонентских сигналов без применения помехоустойчивогокодирования

6.2 Определение параметров временногообъединения/разделения абонентских сигналов с применением помехоустойчивогокодирования

7. Выбор схемы приемника СПДИ

8. Расчет вероятности ошибки на выходе приемника и битовойвероятности ошибки на входе и выходе декодера канала передачи данных и каналапереспроса

8.1 расчет вероятности ошибки на выходе приемника и битовойвероятности ошибки на входе и выходе декодера дискретного канала передачиданных

8.2 расчет вероятности ошибки на выходе приемника и битовойвероятности ошибки на входе и выходе декодера канала переспроса

9. Способы сопряжения разрабатываемой СПДИ со стандартнойаппаратурой частотного уплотнения каналов тональной частоты

10. Функциональная схема передающего и приемного оборудованияСПДИ

Заключение

Списокиспользованной литературы

1.Исходные данные и РАЗРАБАТЫВАЕМЫЕ вопросы

1.1 Исходные данные

Разработатьмногоканальную когерентную систему передачи дискретной информации (СПДИ),предназначенную для передачи цифровых сигналов от М однотипных источниковинформации по одному или нескольким арендуемым стандартным аналоговым каналам.

Техническиехарактеристики и параметры разрабатываемой системы:

1.число абонентских каналов М=80;

2.длина двоичной кодовой комбинации(слова) на входе канала Кс=10, бит;

3.средняя скорость на входе канала Vc=10 слов\с;

4.тип корректирующего кода Цикл-3

5.тип манипуляции — ФМн

6.способ уплотнения каналов — Врем

7.суммарная средняя мощность сигналовна входе приёмника в прямом канале Р=2,148·10-7, Вт;

8.спектральная плотность мощностиаддитивного белого шума на входах приёмников прямого и обратного каналов N0=4,001·10-11 Вт\Гц

9.суммарная средняя мощность сигналовна входе приёмника в каналах переспроса Робр=8,951·10-8Вт

1.2 Вопросы, подлежащие разработке

2. Выбор численных значений параметровкорректирующего кода, при которых обеспечивается минимальная битоваявероятность ошибки на выходе декодера;

3. разработкадетальной функциональной схемы кодера и декодера заданного корректирующего кодалибо составление программы кодирования и декодирования для персональногокомпьютера (по выбору студента);

4. вычислениевероятности ошибки при приёме кодового слова и битовой вероятности ошибки авыходе декодера;

5. оценка частотыпоявления ошибок и заключение о ее соответствии назначению системы;

6. выбор способоввведения и численных значений параметров синхронизации;

7. выбор методовселекции синхросигналов в приёмном устройстве;

8. выбор численныхзначений параметров модуляции в первой и, в случае необходимости, последующихступенях уплотнения;

9. расчет значенийвсех временных интервалов, определяющих структуру цифровых каналов и (привременном уплотнении каналов) группового сигналов;

10. расчет полос частот,необходимых для передачи каждого из канальных сигналов с учетом полосыобратного канала, полосы группового сигнала и сигнала (сигналов) на выходесистемы;

11. разработкаспособа сопряжения системы с аналоговой аппаратурой частотного уплотнения телефонныхканалов для передачи групповых сигналов по одному или нескольким арендуемымстандартным трактам;

12. разработкафункциональной схемы системы в целом для передачи в одном направлении.

2.Назначение И ВОЗМОЖНОЕ ПРИМЕНЕНИЕ СПДИ

В настоящее время системы передачи дискретнойинформации (СПДИ) становятся все более привлекательными вследствие постояннорастущего спроса из-за того, что дискретная передача предлагает несравненнобольшие возможности обработки информации, не доступные при использовании аналоговойпередачи. Отличительным преимуществом всех СПДИ является простотавосстановления дискретных сигналов по сравнению с аналоговыми системами.

В работе рассмотрен частный случай СПДИ – системасвязи с применением цифровых (бинарных) сигналов.

Предположительно, разрабатываемая система связи можетнайти применение для передачи низкоскоростных потоков данных, таких как телеграфныесигналы со скоростью до 100 бит в секунду (с учетом использованиядополнительных преобразований), сигналы телесигнализации от М источниковинформации, а также, факсимильных сообщений путем предварительного объединенияиндивидуальных сигналов.

Разрабатываемая СПДИ будет иметь следующий вид,представленный на рис. 2.1:

Рис.2.1 Общая схема СПДИ.

1. Источники дискретныхсообщений (М=80);

2. Устройствообъединения (мультиплексор) – устройство, в котором сообщения источниковобъединяются в групповой видеосигнал;

3. Кодер канала–устройство, в котором групповая последовательность элементов сообщений источниковзаменяется последовательностью кодовых символов, т.е. производитсяпомехоустойчивое кодирование;

4. Передатчик(модулятор) – устройство в котором групповой сигнал преобразуется во вторичный(высокочастотный) сигнал пригодный для передачи по используемому каналу;

5. Прямой каналсвязи;

6. Приемник (демодулятор)– обрабатывает принятое ВЧ-колебание и восстанавливает переданное дискретное сообщение;

7. Декодер –устройство, в котором происходит декодирование принятого группового дискретногосообщения;

8. Устройстворазуплотнения (демультиплексор) – устройство, в котором групповой видеосигналразъединяется на исходные сообщения источников дискретной информации

9. Получателисообщения;

10. Обратный каналсвязи (канал переспроса).

3. Определение возможности работы разрабатываемойСПДИ по аналоговому каналу связи

Расчет разрабатываемой СПДИ необходимоначать с определения возможности работы этой системы по заданному аналоговомуканалу связи. Для этого необходимо рассчитать показатели суммарной информационнойпроизводительности всей СПДИ Ic и пропускной способности аналогового каналасвязи Ск. А также определить объем канальногосигнала Vc СПДИ и объем канала связи Vk. На основании сравнения численных значений Icс Ск, и Vcи Vkсделать вывод о способности функционированияразрабатываемой СПДИ по заданному каналу связи.

3.1 Расчет показателейсуммарной информационной производительности СПДИ Ic и пропускной способности аналогового канала связи Ск

3.1.1 Расчетпоказателей информационной производительности СПДИ

Производительность источника сообщений определяетсяколичеством передаваемой информации за единицу времени.

В соответствии с исходными данными, производительностьодного источника Iciбезприменения помехоустойчивого кодирования будет определена по формуле:

/> (3.1)

Тогда суммарная производительность СПДИ будет определена:

/> (3.2)

При введении помехоустойчивого кодирования кодомХэмминга вида (15,11), получим производительность одного источника информации:

/> (3.3)

А суммарная производительность СПДИ будет иметьзначение:

/>(3.4)

Количество информации Ici — это логарифмическая функция вероятностиlogрi, где рi — вероятность возникновения сообщенияисточникаМ из ансамбля L. Тогда

Ici= -log2рi=log2(1/ рi). (3.3)

Иначе производительность источника дискретнойинформации можно определить как:

/> (3.4)

где Тпi — длительность элементарной посылки; Ft– частота следования посылок(тактовая частота), L– количество разрешенных состояний (в нашем случаеL=2, т.е.сигнал может приниматьтолько два значения), Нci — энтропия источника сообщения

Вероятность рiв нашем случае для всех сообщений М-источниководинакова рi=0.5, тогда /> и />.

Следовательно, энтропия каждого из М источниковсоставит:

/> (3.5)

Подставив значения L и рi в формулу (3.4), получим что

/> (3.6)

Таким образом, />-тактовая частота М-источника информации, /> -длительность посылки сигнала М-источника информации.

Следовательно, суммарная тактовая частота канальногосигнала СПДИ будет равна: />, адлительность посылки канального сигнала (видеоимпульса) СПДИ составит />.

Суммарная энтропия СПДИ составит:

и будет равна энтропии каждого из источников.

3.1.2 Расчетпоказателей пропускной способности аналогового канала связи Ск

К типовым стандартным аналоговым каналам связи относятканал тональной частоты (КТЧ). Канал тональной частоты (КТЧ) характеризуетсяследующими интересующими нас параметрами:

— полоса частот Fкн=0.3 (кГц); Fкв=3.4 (кГц); ∆Fк=3.1 (кГц).

Пропускная способность КТЧ определяется формулойШеннона:

/> (3.7)

где Рс – средняя мощность сигнала навходе приемника канала. По условию работы />.Рп – средняя мощность помехи (шума) на входе приемника канала,определяемая по формуле:

/> (3.8)

где /> -доступная полоса пропускания приемника, />-длительность посылки группового канального сигнала, Р0=4,001·10-11(Вт)- спектральная плотность мощности аддитивного БГШ на входеприемника СПДИ (согласно исходных данных), то таким образом: /> - не зависит от типаканала связи и определяется исключительно параметрами приемного устройства.

Однако не следует путать среднюю мощность помехи(шума) на входе приемника системы Рпи среднююмощность помехи в полосе частот сигнала равную:

/>.

Пропускная способность канала тональной частоты (КТЧ)рассматриваемой системы без учета помехоустойчивого кодирования кодом Хэммингаи введения сигналов синхронизации составит:

/> (3.9)

Пропускная способность типового канала тональнойчастоты (КТЧ) рассчитывается также по формуле (3.7) и имеет нормированнуювеличину: />, что практически более чемв 1.6 раза превышает пропускную способность рассчитанного канала связиСк.

Это является следствием того, что мощность шума врассчитываемом КТЧ превышает мощность полезного сигнала по величине примерно на20 (дБ), а в нормированном КТЧ выполняется условие />=40-45(дБ).

Полученные результаты расчета свидетельствуют, чтосуммарная производительность СПДИ без учета помехоустойчивого кодирования в 1.93раза меньше пропускной способности аналогового канала тональной частоты: />, а с учетомпомехоустойчивого кодирования кодом Хэмминга значение />.

Таким образом, для рассчитываемой СПДИ рассмотренный КТЧможет быть использован в качестве среды передачи группового канального сигналакак при введении помехоустойчивого кодирования, так и без него.

3.2 Расчетпоказателей объема сигнала VcСПДИ и объема канала связи Vk

При оценке возможности использования каналаэлектросвязи для передачи того или иного сигнала удобно наряду со сравнениеминформационной производительности и пропускной способности канала сравниватьобъем канала Vк с объемом сигнала Vс, определяемые соответственно выражениями:

Vк=Θк·∆Fк·Dк (3.10)

Vс=Θс·∆Fc·Dс (3.11)

где Θк, Θс – время занятия канала, времяпередачи сигнала соответственно;Dк, Dс – динамический диапазон канала и сигналасоответственно; ∆Fк,∆Fc — полоса пропускания канала и ширина полезного сигнала соответственно.

Условием возможности использованияданного типа канала электросвязи для передачи того или иного сигнала является неравенствовида:

/> (3.12)

На практике используют частные случаинеравенства (12)

/>; />; />;

Проведем расчет составляющих параметров Vс и Vк:

1. В нашем случае, СПДИ будет предоставлять ресурс каналасвязи каждому из М источников информации на все время передачи цифровойинформации источником Θс, инымисловами на время передачи кодового слова (временного интервала) Тсл=0.1(с).В свою очередь, время занятия канала ТЧ Θк численно равно длительности кадрасистемы Тк=8(с), поэтому т.к. Тк>Тсл, следовательно,неравенство />будет выполняться.

2. В разрабатываемой системе, полоса частот канала ТЧ />предоставляется на время Тви=Тслкаждому конкретному источнику информации.

Ширина полезного сигнала ∆Fс численно равна ширине импульса групповогорадиосигнала СПДИ и будет иметь значение />.Причем, энергетический спектр такого сигнала будет иметь значение />, в следствие чего,основная энергия сигнала будет расположена в полосе частот канала ТЧ. Учитывая,что />, информационный сигналудовлетворяет неравенству />.

3. Динамический диапазон СПДИ будет определятся нормированнымдинамическим диапазоном канала тональной частоты />,поэтому в нашем случае условимся, что динамический диапазон группового сигналабудет выбран при проектировании СПДИ меньше значения 42-45(дБ), иными словами />.

В связи с тем, что />,можно сделать однозначный вывод, что КТЧ, удовлетворяющий исходным данным,подходит для передачи сигналов разрабатываемой СПДИ.

3.3 Оценка возможностииспользования заданного аналогового канала электросвязи

Необходимо отметить, что для рассматриваемой СПДИвыполняются необходимые условия функционирования многоканальной системы электросвязи,а именно /> и />.

Целесообразно запас рассматриваемого канала связи попропускной способности Ск>Iс=1.93 раза (без применения кодирования) и /> (с применениемкодирования) использовать для введения дополнительных мер повышающихпомехоустойчивость системы связи в целом, а также сигналов синхронизации.

4. Защита от ошибок. Помехоустойчивое (канальное) кодирование

4.1 Определениеоптимальных параметров помехоустойчивого кодирования

Необходимо отметить, существует два основных методазащиты от ошибок передаваемых сигналов: 1 — обнаружение ошибок и повторная передачаошибочной последовательности, 2 – обнаружение ошибок и их исправление вприемном устройстве. Примем, что в рассматриваемой СПДИ применяется первыйметод защиты от ошибок, при котором для проверки наличия ошибок используетсяконтрольный бит четности (дополнительный бит, присоединяемый к данным). Приэтом приемное устройство не предпринимает попыток исправить обнаруженнуюошибку, оно просто посылает запрос на повторную передачу данных. Дляосуществления такого исправления ошибок рассматриваемая СПДИ имеет каналпереспроса и в целом является полудуплексной системой, т.е. передача полезнойинформации от М источников производится только в одном направлении, в обратномже направлении передаются автоматические запросы на повторную передачуошибочных сообщений. Причем передающее устройство перед началом очереднойпередачи ожидает подтверждения об успешном приеме.

Помехоустойчивое (или канальное) кодированиепредставляет собой класс преобразований канального видеосигнала для повышениякачества связи, в результате которых информационный сигнал становится менееуязвимым к помехам. Существует условно два способа канального кодирования:кодирование самого сигнала, (когда в передающей части СПДИ производятся рядпроцессов над формой передаваемого сигнала), и метод структурированныхпоследовательностей (когда в цифровой сигнал вводится по определенному законуинформационная избыточность, которая и служит для определения ошибок наприемной стороне).

Рассмотрим только второй способ канального кодирования,который нашел применение в исследуемой СПДИ. Заметим, что помехоустойчивоекодирование делится на три подкатегории помехоустойчивых кодов: блочные, сверточныеи турбокоды.

В нашем случае для сравнения характеристикпомехоустойчивого кодирования рассмотрим варианты блочного линейногокорректирующего кодирования кодами Хэмминга.

При использовании блочных кодов исходные данныеделятся на блоки (слова) Кс из к бит, которые называют битамисообщения. В нашем случае длина слова Кс=10 бит. В процессепомехоустойчивого кодирования каждый Кс блок данных преобразуется вбольший блок из nбит, которыйназывается кодовым словом, или канальным символом Кк. К каждому словукодирующее устройство прибавляет r = (n-k) проверочных бит, которые также называютсяизбыточными битами, или битами четности, и новой информации не несут.

Необходимо, исходя из разницы между пропускнойспособностью аналогового канала связи Ск и информационнойпроизводительностью СПДИ Ic, определитьвсе необходимые числовые значения параметров заданного помехоустойчивого кода ивыбрать наиболее оптимальные из них. Для этого воспользуемся методикой расчетапараметров кода Хэмминга, приведенной в источнике [7].

Коды Хэмминга – это простой класс блочных кодов,которые имеют следующую структуру:

/> (4.1)

где /> -основание блочного кода.

Рассмотрим случаи, когда основание кода m=2,3,4…, и определим оптимальные параметрыкода.

Из формулы (4.1) вычислим: значения nик. Где n– число бит кодового слова; к — числоинформационных бит.

Тогда число проверочных бит кода:

/> (4.2)

Избыточность кода составит:

/> (4.3)

Степень кодирования информации, показывающая долюкода, приходящуюся на полезную информацию:

/> (4.4)

т.е. каждый кодовый бит несет k/n бит информации.

Минимальное расстояние кодов Хэмминга dminравно 3, поэтому, способность кода кисправлению ошибок t и возможностьопределения наличия ошибкиe будут определяться соответствующими выражениями:

/> (4.5)

/> (4.6)

Так как />, то этикоды способны исправлять все однобитовые ошибки, или определять все модели ошибкииз двух или меньшего числа ошибок в блоке (слове), т.к. />.

Вероятность появления битовой ошибки при кодированиикодами Хэмминга Рbкх в нашем случае можно записать в следующем виде:

/> (4.7)

где j — кратность ошибки, а именно количество неверно принятых символов в блоке(слове); ркс– вероятность ошибочного приема канальногосимвола (кодового слова) Кк. В частности, для кодов Хэммингавместо уравнения (4.7) можно использовать другое эквивалентное уравнение:

/> (4.8)

Для описания гауссовского канала с использованиемкогерентной бинарной фазовой манипуляции, вероятность ошибочного приемаканального символа (кодового слова) можно выразить через соотношение:

/> (4.9)

Здесь Q()– Гауссов интеграл ошибок, значения которого приведены в [3, стр.1060]; /> - отношение энергиикодового символа к спектральной плотности мощности помехи. Чтобы связать /> с /> - отношение энергии одногобита сигнала к спектральной плотности мощности помехи на входе приемника,используем следующее выражение:

/> (4.10)

Для кодов Хэмминга уравнение (4.10) примет вид:

/> (4.11)

Среднее время безошибочной работы в одномтелеметрическом канале (канале источника сообщения) Θбрi(без учета помехоустойчивого кодирования)определяется выражением:

/> (4.12)

где /> -битовая вероятность появления ошибки на выходе декодера (без учетапомехоустойчивого кодирования), выражение для нахождения численного значениякоторой будет рассмотрено ниже, /> -производительность источника информации.

Среднее время безошибочной работы в групповом каналепередачи данных Θбр(без учетапомехоустойчивого кодирования) определяется выражением:

/> (4.13)

где /> -производительность СПДИ информации.

Таким образом, согласно вышеизложенной методики,рассчитаем параметры помехоустойчивого кодирования при различных значенияхоснования кода m.

Для m=2:

/>;

Согласно формулы (4.11) получим:

при значении /> (рассчитанномв п.8.1).

Тогда

/> из [3, стр.1060]

Для m=3:

/>;

/>, где />

Для m=4:

/>; />; />

Как показали расчеты вероятность появления битовойошибки при кодировании кодами Хэмминга Рbкх тем меньше, чем больше основание кодаm, т.е.чембольшее количество проверочныхсимволов вводится в информационный сигнал.

Рассчитаем, оптимальные параметры кода Хэмминга (сточки зрения обеспечения СПДИ наименьшей вероятностью Рbкх). С этой целью рассчитаем количествоконтрольных бит r, котороеможно ввести в систему, исходя из того, что при расчетах пропускной способностиканала связи (КТЧ) и информационной производительности СПДИ было полученосоотношение /> или иначе

/> (4.14)

Как было рассчитано ранее в (3.9):

Подставим в предыдущее выражение вместо Скзначение ∆Ск

Выразим и рассчитаем

/>-

эквивалентную ширину полосы пропускания.

Используя последнюю формулу, выразим r! – количество бит четности, которые можно ввести вкодовое слово в передаваемом сигнале (исходя из условия, что пропускнаяспособность канала ТЧ – главный сдерживающий фактор увеличения возможного числапроверочных бит и как следствие этому — повышения помехоустойчивости системы):

/>.

где Tб –длина одного тактового импульса.

Таким образом, в заданных условиях функционированияСПДИ, оптимальным количеством проверочных битов на каждый блок исходного сообщениякода Хэмминга, при котором вероятность появления битовой ошибки Pbкх будет минимальной />, а среднее время безошибочнойработы М-го канала телеметрии будет максимальным />станетравным r!=r=5. В связи с этим, так как по условию к=10 (бит),то n=k+r=15 (бит). Код Хэмминга в этом случае будетиметь вид, показанный для m=4, аименно />, причем 1 бит из k бит кодового слова имеет смыслмаркера кадра системы синхронизации, которая будет рассмотрена ниже.

Помехоустойчивое кодирование кодами Хэмминга, какпоказали расчеты, приводит к необходимости решения компромисса в СПДИ:кодирование с коррекцией ошибок требует избыточности, следовательно, увеличенияскорости передачи информации и конечно увеличения полосы пропускания системы.Иными словами, в нашем случае, при кодировании кодом Хэмминга с параметрами (15,11)помехоустойчивость СПДИ увеличилась в 1.25 раза, т.е. />, производительность СПДИ Ic увеличилась примерно в 1.93 раза истала сопоставима с пропускной способностью канала ТЧ, т.е. />.

Схема кодера, удовлетворяющего условию (15,11) приведенана рис.4.1

Рис.4.1 Схема кодера, удовлетворяющего условию(15,11).

Схема декодера, удовлетворяющего условию (15,11)приведена на рис.4.2

Рис.4.2 Схема декодера, удовлетворяющего условию(15,11).

4.2Определение эффективной скорости приема сигналов данных и оптимальной длины передаваемыхслов

Для обеспечения заданной достоверности при передачеданных наряду с помехоустойчивым кодированием применяют обратные связи,использование которых также приводит к появлению избыточности и, следовательно,к уменьшению скорости передачи данных.

Эффективная скорость Iэфiисточника информации (или всей СПДИ IэфСПДИ)показывает,какизменится скорость передачи исходного сообщения источника (группового сигналасистемы) в канале связи, и зависит от состояния канала связи, оптимальной длиныпередаваемых слов, числа служебных разрядов, а также типа обратной связи. Как ужебыло сказано, в канале переспроса рассматриваемой СПДИ действует решающаяобратная связь в виде однобитовых посылок импульсов. Поэтому выражение для Iэфiбудет иметь вид:

/> (4.15)

Для кода Хэмминга вида (15,11) составляющие выражения(4.15) будут иметь значения: nсл =15-1=14 (бит) – разницамежду общим числом бит слова прямого канала и канала переспроса (nкп=1); к=10 (бит) иr=5 (бит); Ii – информационная производительность источника информации, Рbпк– битовая вероятность ошибки в каналепри применении кода (15,11), вероятность ошибки в принятом слове Рсл.

/> (4.16)

При этом необходимо учитывать время распространениясигналов по каналу tp. Примем /> - для стандартного КТЧ всепараметры нормируются к длине канала l=1000 (км); с – скорость распространениярадиоволны.

Таким образом, рассчитаем />:

Эффективная скорость приема сообщений всей СПДИ будетрассчитываться как сумма эффективных скоростей приема сообщений источников:

/> (4.17)

Следовательно:

Расчеты показали, что в процессе функционирования СПДИв рассматриваемых условиях, эффективная скорость приема сообщения М-источникаинформации в приемнике, строго говоря, не равна информационной производительностисамого источника информации, т.е.

/>,

такое же заключение можно сделать и для всей СПДИ,т.е.

Полученные значения/> и/>(при заданных условиях) показывают,что только на скорости передачи, не превышающей 25.5 (бит/с) сообщениеот источника информации к получателю будет передано с предельнойдостоверностью. И только на скорости, не превышающей 2.04 (кбит/с) информацияв СПДИ будет передаваться с предельной достоверностью.

Оптимальной длиной передаваемого слова Кс, какбыло отмечено, будет слово источника сообщения СПДИ, закодированноепомехоустойчивым кодом Хэмминга с параметрами (15,11), при этом длина словасоставит Кс=15 (бит).

5. Определение вида синхронизации, используемой вразрабатываемой СПДИ

Для цифровых систем передачи информации, к которымотносится разрабатываемая СПДИ, обязательным процессом при передаче сигналовявляется наличие синхронизации. В нашем случае для организации когерентногоприема фазоманипулированных сигналов, а также временного уплотнения/разуплотнениясигналов, поступающих от источников информации, необходимо наличие четырехсоставляющих процесса синхронизации цифровых сигналов, а именно:

1. тактовой (илифазовой)– для синхронизации фазы поступающей в приемник несущей и ее копии.Этот процесс называется фазовой автоподстройкой частоты (ФАПЧ), и характерендля когерентных СПДИ с бинарной фазовой манипуляцией. В результате ФАПЧдемодулятор приемника синхронизируется по частоте и фазе с несущей принятого сигнала.

2. канальной (илисимвольной) – для синхронизации моментов работы демодулятора приемника всоответствии с временными характеристиками несущей принятого сигнала, дискретноизлучаемой передатчиком (т.е. синхронизация по битам (символам)).

3. кадровой – для синхронизациизначимых моментов времени при временном способе уплотнения/ разделения каналов.Причем, на передаче — для уплотнения сигналов источников информации (канальныхинтервалов) в групповой цифровой сигнал (кадр), а на приеме – для разделения групповогосигнала (кадра) на сигналы источников информации (временные канальные интервалы).

4. цикловой – длясинхронизации значимых моментов времени при временном способеуплотнения/разделения кадров СПДИ. Причем, на передаче – для уплотнения кадровСПДИ в циклы системы, а на приеме – для разделения циклов СПДИ на кадрысистемы.

Рассмотрим подробнее эти составляющие процессасинхронизации, используемые в СПДИ. Для приемника когерентной бинарной фазовойманипуляции схема фазовой синхронизации будет иметь следующий вид,представленный на рис. 5.1

Рис.5.1 Схема фазовой (тактовой) синхронизации.

Контур ФАПЧ состоит из трех основных компонентов:детектора фазы (1), контурного фильтра (2) и генератора, управляемого напряжением(3).

Для любой СПДИ существуют ошибки синхронизации фазы ичастоты принимаемого сигнала. Если контур не способен отследить все фазовыеошибки, то битовая вероятность ошибки будет больше теоретически достижимой, внашем случае: />/>, где β– ошибка рассогласования принятого несущей и опорного сигнала по фазе. Вбольшинстве случаев, принимают β=0.5, тогда

/>, при /> (5.1)

Для оптимальной демодуляции приемник системы долженсинхронизироваться со значащими моментами поступающих цифровых символов. Вслучае если, исходные данные группового информационного радиосигнала приемникуне известны (как в нашем случае), то в качестве системы канальной (символьной)синхронизации используются синхронизаторы без использования данных. Характерно,что, как и в случае фазовой синхронизации, появляется дополнительная ошибкаприема значащих моментов сигнала. [3]

Выражение для битовой вероятности ошибки в этом случаебудет иметь следующий вид:

/> при /> (5.2)

Чтобы входной цифровой сигнал имел смысл дляприемника, приемник должен синхронизироваться с кадровой структуройпринимаемого сигнала. Самым простым методом, используемым для обеспечениякадровой синхронизации в системах непрерывного трафика данных (к которымотносится разрабатываемая СПДИ), является введение маркера кадровой синхронизации.В нашем случае, в качестве маркера кадра будем использовать отдельный бит, периодическивводимый передатчиком в групповой поток данных (а именно в начало каждогокодового слова). Приемник должен знать период введения бита кадровойсинхронизации Тбк, потому как именно в этот промежутоквремени система кадровой синхронизации будет сопоставлять (коррелировать) приемныйсигнал с эталонной последовательностью.

Для разрабатываемой системы период повторения маркеракадра Тбкбудет равен длительности кодового слова Тсл(или временного интервала Тви)

Для различения кадров (временных интервалов) СПДИпринимаемых в групповом сигнале приемником, передатчик излучает спериодичностью Тбц в канал связи маркер цикловойсинхронизации (как простейший из вариантов реализации системы цикловойсинхронизации). В нашем случае будем использовать отдельный бит, периодическивводимый передатчиком в групповой сигнал (в конце цикла, состоящего из 80 кадров).

Для разрабатываемой системы период повторения маркерацикла Тбцбудет равен длительности цикла Тц,а именно: />

Рассчитаем битовую вероятность ошибки для сигналовкадровой и цикловой синхронизации. Аналитические соотношения будут иметь вид:

для кадровой синхронизации:

/> (5.3)

/> (5.4)

где />; /> - рассчитаны ранее; /> - энергия одного битасигнала кадровой синхронизации, />-энергия одного бита сигнала цикловой синхронизации:

/>(5.5)

/>(5.6)

IкКС — скорость передачи маркеров кадровойсинхронизации, /> - скоростьпередачи маркеров цикловой синхронизации.

/>(5.7)

Подставим в (5.3) значение, полученное в (5.7),получим:

Тогда

Для сигналов цикловой синхронизации />, тогда в выражение (5.6)подставим значение />. Получим:

/>.

Тогда

Нарушение кадровой и цикловой синхронизации неминуемоприведет к срыву процесса передачи данных: приемник будет анализироватьвходящий сигнал до тех пор (при установленной тактовой и канальной синхронизации),пока не распознает маркерные биты кадровой и цикловой синхронизации.

6. Определение параметров временного УПЛОТНЕНИЯабонентских СИГНАЛОВ В РАЗЛИЧНЫХ УСЛОВИЯХ

Ресурс связи СПДИ при временном уплотнении/разуплотнениираспределяется между М источниками цифровой информации путем предоставления каждомуиз них всего спектра канала связи в течение отрезка времени, называемоговременным интервалом Тви. В нашем случае длительность временногоинтервала Твибудет равна />, гдеТсл– длительность кодового слова (сообщения) источника />,таким образом, время передачи 1 бита кодового слова Тб равна0.01(с). Временные интервалы в устройстве объединения (мультиплексоре)объединяются в цикл ТЦ, длительность которого будет составлять/>. Иными словами за время 8ссистема отработает цикл передачи/приема сообщений М источников информации.

6.1 Определение параметров временного объединения/разделенияабонентских сигналов без применения помехоустойчивого кодирования

Рассмотрим простейшую схему временногообъединения/разделения с фиксированным распределением временных интервалов,иными словами поканальное объединение сигналов источников информации.

Схема временного объединения СПДИ (без учетапомехоустойчивого кодирования) показана на рис. 6.1.

Рис. 6.1 Схема временного объединения СПДИ.

Условимся, что в групповой видеосигнал входит только информационнаячасть сообщений (временные интервалы источников информации).

Исходя из полученных результатов Тб, Тсл,Тви , Тк определим остальные показателисистемы. Количество передаваемой информации СПДИ за один временной интервал:

/>; за один кадр />.

Частотно-временные показатели сигналов СПДИ в целомсоставят значения: для прямого канала:

- длительность видеоимпульса (бита) групповогосигнала:

Твиспди=0.01(с)

— ширина видеоимпульса (бита) группового сигнала:

— периодичность повторения видеоимпульсов (тактоваячастота) в групповом сигнале:

— ширина энергетического спектра видеоимпульса (бита)группового сигнала:

— длительность радиоимпульса группового сигнала:

Триспди=Твиспди/2=0.01/2=0.005(с)

— ширина радиоимпульса группового сигнала:

— ширина энергетического спектра радиоимпульсагруппового сигнала:

Предположим, что величина импульса переспроса будетравна величине информационного импульса в прямом канале ТЧ (это связано снеобходимостью унификации оборудования системы синхронизации), иными словами />, а время повторения этихимпульсов Тпипбудет определяться длительностью временногоинтервала СПДИ, а именно />.

Следовательно, для канала переспроса ширина видеоимпульсапереспроса и его энергетический спектр, а также соответствующие параметры радиоимпульсовпереспроса будут иметь следующие значения:

— ширина видеоимпульса канала переспроса сигнала:

— ширина энергетического спектра видеоимпульса каналапереспроса составит:

— ширина радиоимпульса переспроса:

— ширина энергетического спектра радиоимпульсапереспроса:

Следует учесть, что частотно-временные показатели дляцифровых сигналов источников информации и каналов переспроса имеют одинаковыезначения, что обусловлено одинаковой длительностью информационных символов иимпульсов переспроса, т.е />.

Необходимо добавить, что рассмотренный тип временногообъединения/разделения каналов будет эффективен только при постоянной загруженностивременных интервалов, т.е. при постоянном трафике данных источников информации.

6.2 Определение параметров временного объединения/разделенияабонентских сигналов с применением помехоустойчивого кодирования

Рассмотрим вариант построения СПДИ, когда в групповойсигнал будет входить преамбула, состоящая из сигналов кадровой и цикловойсинхронизации, проверочных битов помехоустойчивого кодирования и, собственно,информационной части (временные интервалы источников информации).

В этом случае частотно-временные параметры СПДИизменят свою величину, вследствие появившейся избыточности в групповомдискретном сигнале. Рассмотрим подробнее каким образом трансформируются эти параметры.

С применением помехоустойчивого кодирования кодом вида(15,11) произойдут следующие изменения:

Кс=15 (бит) – длина кодового слова источника (послекодирования);

Ii= 10 (слов/с)=150(бит/с) – информационная производительностьМ-го источника информации;

/> -

информационная производительность СПДИ в целом.

В этом случае длительность временного интервала Твибудет равна />, гдеТсл– длительность кодового слова (сообщения) источника />,таким образом, время передачи 1 бита кодового слова Тб равна 0.06(с).Временные интервалы в устройстве объединения (мультиплексоре) объединяются вкадр (цикл) ТЦ, длительность которого будет составлять />. Иными словами за время 48ссистема отработает цикл передачи/приема сообщений М источников информации.

/>; за один цикл />.

Частотно-временные показатели сигналов СПДИ в целомсоставят значения: для прямого канала:

- длительность видеоимпульса (бита) групповогосигнала:

Твиспди=0.06(с)

— ширина видеоимпульса (бита) группового сигнала:

— периодичность повторения видеоимпульсов (тактоваячастота) в групповом сигнале:

— ширина энергетического спектра видеоимпульса (бита)группового сигнала:

— длительность радиоимпульса группового сигнала:

Триспди=Твиспди/2=0.06/2=0.003(с)

— ширина радиоимпульса группового сигнала:

— ширина энергетического спектра радиоимпульсагруппового сигнала:

Схема временного объединения СПДИ (с учетомпомехоустойчивого кодирования) показана на рис. 6.2.

Рис. 6.2 Схема временного объединения СПДИ.

Также отметим, что рассмотренный тип временногообъединения/разделения каналов с применением помехоустойчивого кодирования будетэффективен только при постоянной загруженности временных интервалов, т.е. припостоянном трафике данных источников информации.

Таким образом, как было сказано ранее, при введенииизбыточности в виде кодовых последовательностей помехоустойчивого кода,параметры системы изменяются, в конкретном случае: увеличилась информационнаяпроизводительность СПДИ; увеличилась помехоустойчивость системы, однако всоответствии с этим увеличились и энергетические показатели.

7. Выбор схемы приемника СПДИ

Процессом преобразованияпервичного цифрового информационного сигнала в синусоидальный видеосигналназывается манипуляция.

Так как в рассматриваемойСПДИ для детектирования сигналов приемник использует информацию о фазе несущей,то такая манипуляция называется когерентной. Таким образом, дискретная фазоваяманипуляция является оптимальной когерентной системой передачи двоичныхсигналов. По сравнению с другими видами когерентных манипуляций применение ФМнобеспечивает при одинаковой помехоустойчивости примерно двукратный выигрыш помощности и такой же выигрыш по полосе частот, занимаемой сигналом. Прикогерентом детектировании приемник системы содержит прототипы каждоговозможного сигнала. Эти сигналы дублируют алфавит переданных сигналов по всемпараметрам. В процессе демодуляции приемник перемножает и интегрирует входнойсигнал с каждым прототипом, т.е. определяет корреляцию.

В двоичных системах ФМнразность фаз манипулированных сигналов выбирается равной 180 градусам. Такиесигналы называются ортогональными.

Структурная схемаприемника имеет вид:

Рис. 7.1 Структурнаясхема когерентного приемника фазовой манипуляции.

где Ф – полосовой фильтр;Г – опорный гетеродин; ФД – фазовый детектор; ФНЧ – фильтр нижних частот; ПУ –пороговое устройство.

Полосовой фильтрпредназначен для предварительной фильтрации сигналов, для уменьшения влиянияпомех, с полосой пропускания 2\Т, в присутствии только гауссовских помех необязателен. Фазовый детектор выполняет роль корректора. Фильтр нижних частот выполняетроль интегратора. Опорный гетеродин — генератор, частота и фаза колебанийкоторого полностью совпадают с частотой и фазой одного из сигналов.

На рис. 6.2 представленывременные диаграммы процесса когерентной фазовой манипуляции.

Рис. 6.2 Временныедиаграммы процесса когерентной фазовой манипуляции.

Спектры различныхсигналов при ФМн будут иметь вид:

Рис. 6.3 Спектрыразличных сигналов при ФМн.

8. Расчетвероятности ошибки НА выходе приемника и битовой вероятности ошибки на входе ивыходе декодера КАНАЛА передачи данных и канала переспроса

8.1 Расчет вероятности ошибки навыходе приемника и битовой вероятности ошибки на входе и выходе декодерадискретного канала передачи данных

Важной меройпроизводительности, используемой для сравнения цифровых систем передачи,является вероятность ошибки на выходе приемника Ро, а также битоваявероятность ошибки на входе Рbи выходе декодера Рbвых.

Рассмотрим вероятностьошибки на выходе приемника Ро для когерентной фазовойманипуляции:

/>(8.1)

где />; />; Ф() – функция Крампа,тогда

Битовая вероятностьошибки на входе декодера Рb рассматриваемой СПДИ определяется формулой:

/>(8.2)

где Q() – Гауссов интеграл ошибок; Еb/Р0 –отношение энергии одного битасигнала к спектральной плотности мощности помехи на входе приемника, причем

/>; />

Таким образом: />

Битовая вероятностьошибки на выходе декодера Рbвых рассматриваемой СПДИ определяется изсоотношения:

/>, иными словами, для бинарных (М=2) ортогональныхкогерентных СПДИ существует равенство

Рb=Рbвых (8.3)

Таким образом:

Рb=Рbвых=0.2

8.2 Расчет вероятности ошибки навыходе приемника и битовой вероятности ошибки на входе и выходе декодера каналапереспроса

Учитывая степенькогерентности СПДИ определим вероятность ошибки на выходе приемника каналапереспроса Рокп, а также битовую вероятность ошибки на входе Рbкп и выходе Рbвыхкп декодера канала переспроса.

Рассмотрим вероятностьошибки на выходе приемника Рокп для когерентной фазовойманипуляции:

/>(8.4)

где /> –суммарная средняя мощность сигналов переспроса на входе приемника обратногоканала (по условию задачи);/>; Ф() –функция Крампа, тогда

Битовая вероятностьошибки на входе декодера канала переспроса Рbкп рассматриваемой СПДИ определяетсяформулой:

/>(8.5)

где Q() – Гауссов интеграл ошибок; Еbкп/Р0кп –отношение энергии одного бита сигналапереспроса к спектральной плотности мощности помехи на входе приемника каналапереспроса.

Так /> — энергия одного битасигнала переспроса, /> –суммарная средняя мощность сигналов переспроса на входе приемника обратногоканала (по условию задачи);

/> -

пропускная способностьканала переспроса в заданном режиме работы (причем />,т.к. канал переспроса и прямой канал ТЧ имеют одинаковые параметры).

Рассчитаем />:

/>);

/> - по условию задачи.

Таким образом:

Битовая вероятностьошибки на выходе декодера РbвыхКП канала переспроса рассматриваемой СПДИ определяется изсоотношения:

/>,

иными словами, длябинарных (М=2) ортогональных когерентных СПДИ существует равенство Рbкп=РbвыхКП.

Таким образом:

Рb=РbвыхКП=0.2

Исходя из полученныхзначений /> и />;/> и />; Рbвых=0.2 иРbвыхКП=0.2 можно сделать вывод, что для прямогоканала связи и обратного канала переспроса СПДИ вероятности ошибки на выходеприемника и битовые вероятности ошибки на входе/выходе декодеров приблизительноравны по значению. Это можно обусловить тем, что параметры рассмотренныхканалов данных обладают примерно одинаковыми значениями.

9. Способы сопряжения разрабатываемой СПДИ сОстандартной аппаратурой частотного уплотнения

Для сопряженияразрабатываемой СПДИ с аналоговой аппаратурой частотногоуплотнения/разуплотнения (ЧУ-РК) необходимо, как уже упоминалось, добитьсявыполнения условия />и/>, а также электрическиепараметры СПДИ удовлетворяли требованиям, предъявляемым аппаратурой ЧУ-РК.

В нашем случае СПДИ играетроль источника/потребителя сигнала и вырабатывает групповой сигнал с параметрами/>и Iс, а аппаратура ЧУ-РК играет роль каналообразующейаппаратуры и обеспечивает /> и Ск(т.е. стандартный аналоговый канал связи).

Расчеты показали, что дляразрабатываемой СПДИ в качестве среды передачи группового сигнала стандартныйканал тональной частоты (КТЧ) полностью удовлетворяет указанным условиям. Поэтомудля сопряжения СПДИ с аппаратурой ЧУ-РК не имеет значения какого типа будет этааппаратура, важным является возможность сопряжения электрических параметровСПДИ и образовываемого КТЧ аппаратурой ЧУ-РК.

Исходя из вышесказанного,необходимо обеспечить:

— равенство выходногосопротивления СПДИ и входного сопротивления аппаратуры ЧУ-РК;

— равенство уровнейпередачи и приема СПДИ и ЧУ-РК;

— равенство диапазонов частотсигналов СПДИ и трактов ЧУ-РК.

В противном случаесопряжение СПДИ и аппаратуры ЧУ-РК провести не удастся.

10. ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА ПЕРЕДАЮЩЕГОИ ПРИЕМНОГО ОБОРУДОВАНИЯ СПДИ

Функциональная схемапередающего тракта СПДИ будет иметь вид:

Рис. 10.1 Функциональнаясхема передающего тракта СПДИ будет иметь вид.

Функциональная схемаприемного тракта СПДИ будет иметь вид:

Рис. 10.2 Функциональнаясхема приемного тракта СПДИ будет иметь вид:

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной работе быларассчитана система передачи дискретной информации с заданными параметрами.

Учитывая исходные данныеи результаты проведенных расчетов, была обоснована сфера применения разрабатываемойСПДИ

На основании расчетаинформационных параметров системы был сделан вывод, что стандартный аналоговыйканал тональной частоты пригоден для использования в качестве средыраспространения группового дискретного сигнала СПДИ. Более того, излишнююпропускную способность канала было предложено использовать для искусственноговведения информационной избыточности, путем добавления проверочных битов.

Рассмотрен вариантприменения помехоустойчивого кодирования кодами Хэмминга, исходя из чего, былодоказано, что помехоустойчивое кодирование повышает наряду спомехоустойчивостью и информационную производительность системы. Разработанасхема канального (помехоустойчивого) кодера и декодара заданной структуры.

Рассчитаны временныехарактеристики группового сигнала СПДИ, а также параметры сигналовсинхронизации системы.

Произведен расчет иобоснование эффективности применения канала обратной связи в системе с цельюповышения достоверности передаваемых сообщений.

Рассмотрен вопрос выборасхемы приемника в соответствии с заданной системой широкополосной модуляции,сделан вывод о ее эффективности.

Проведены расчеты показателейпомехоустойчивости системы, т.е. определены такие параметры как битоваявероятность ошибки приема сообщения. Было доказано, что данная СПДИ обладаетдостаточно низкой помехоустойчивостью.

Обоснованы способы ипараметры сопряжения разрабатываемой СПДИ и аналоговой аппаратуры ЧР-УК.Расчеты показали, что СПДИ может работать с любым типом аппаратуры ЧР-УК,принимающей дискретные сигналы ФМн.

В результате проделаннойработы на основании исходных данных и проведенных расчетов была сформирована функциональнаясхема многоканальной когерентной системы передачи дискретной информации.

Список использованной литературы

1. Зюко А.Г. Помехоустойчивость и эффективность систем связи.М.:

Связь, 1985г.

2. Кириллов В.И. Многоканальные системы передачи. Минск.Новое издание, 2003г.

3. Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы ипрактическое применение. Москва. Вильямс, 2003г.

4. Курулев А.П., Батура М.П. Теория электрических цепей.Установившиеся процессы в линейных электрических цепях. Минск. Бестпринт,2001г.

5. Татур Т.А., Татур В.Е. Установившиеся и переходныепроцессы в электрических цепях. Москва. Высшая школа, 2001г.

еще рефераты

Еще работы по коммуникациям и связям

Реферат по коммуникациям и связям

Многоканальные системы передачи

19 Июня 2015