Расчет основных характеристик системы передачи аналоговых сообщений с дискретной фазовой модуляцией (ДФМ)

Доступные файлы (1):

1104kb.

27.01.2014 12:33

n1.doc

1 2 3

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Читинский государственный университет

Институт технологических и транспортных систем

Технологический факультет

Кафедра «Физики и техники связи»

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по Теории электрической связи

Выполнила студентка гр. ТКР-06

.

Проверил доцент

К защите ___________
^{подпись дата}

Защищено на оценку ________________

Члены комиссии:
____________
^{подпись дата} / ___________ /____________
^{подпись ФИО дата} /____________/____________
^{подпись ФИО дата}

ЧИТА 2009

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Читинский государственный университет

Институт технологических и транспортных систем

Технологический факультет

Кафедра «Физики и техники связи»

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовому проекту по дисциплине

«Теория электрической связи»

На тему

__ Расчет основных характеристик системы передачи аналоговых сообщений с дискретной фазовой модуляцией (ДФМ)___________________________________

Проектировал студент группы ____________________________________________________________________

Руководитель курсового проекта

ЗАДАНИЕ №___18____
на курсовой проект по дисциплине
«Теория электрической связи»

студентке гр. ТКР-06

_____________________________________________________________________________

Тема курсового проекта

Расчет основных характеристик системы передачи аналоговых сообщений с дискретной фазовой модуляцией (ДФМ)_____________________________________________________

1.Исходные данные:

Параметр	Обозначение	Значение
Нижняя граница интервала значений сигнала a(t)	a_min_,В	_0,1
Верхняя граница интервала значений сигнала a(t)	a_max_,В	_9,5
Частота ограничения спектра сигнала a(t)	F_B_,КГц	₆₂
Шаг квантования дискретизатора	a, В	0,15
Номер квантования	J	52
Спектральная плотность средней мощности шума	N_0, В²/Гц
Вид модуляции	ДФМ
Тип модулятора	Определить
Тип демодулятора	Некогерентный

Дата выдачи задания «21» февраля 2009г.

Студент

^{подпись}Дата представления работы руководителю «___»__________200 г.

Преподаватель

^{подпись}

УТВЕРЖДАЮ

руководитель курсовой работы
___________________________

ГРАФИК

выполнения курсовой проекта по дисциплине

«Теория электрической связи »

№ п/п

Объем выполняемых работ

недели

10 11

15 \1б

Оформление задания

Оформление

Защита работы

Содержание
Задание на курсовой проект. Исходные данные…………………………………………...….….6

1 Структурная схема системы связи и назначение ее элементов…………………………….….7

2 Источник сообщений……………………………………………………………………………12

3 Дискретизатор……………………………………………………………………………………14

4 Кодер……………………………………………………………………..………………….……17

5 Модулятор………………………………………………………………………………………..19

6 Канал связи…………………………………………………………………………………….…26

7 Демодулятор……………………………………………………………………………………..28

8 Декодер…………………………………………………………………………………….……..31

9 Фильтр-восстановитель…...…………………………………………………………….............33

10 Принципиальная схема модулятора ……………………..…………………………….……..35

11 Принципиальная схема демодулятора ……………………..………………………………...36

12 Индивидуальное задание………………………………………………………………………38

Заключение…………………………………………………………………………………………40

Список источников...……………………………….……………………………………………...41
Задание на курсовой проект
Рассчитать основные характеристики системы передачи сообщений, включающий в себя источник сообщений, дискретизатор, кодирующее устройство (кодер), модулятор, канал связи, демодулятор, декодер и фильтр-восстановитель.
Исходные данные:

Параметр	Обозначение	Значение
Нижняя граница интервала значений сигнала a(t)	a_min_,В	_0,1
Верхняя граница интервала значений сигнала a(t)	a_max_,В	_9,5
Частота ограничения спектра сигнала a(t)	F_B_,КГц	₆₂
Шаг квантования дискретизатора	a, В	0,15
Номер квантования	J	52
Спектральная плотность средней мощности шума	N_0, В²/Гц
Вид модуляции	ДФМ
Тип модулятора	Определить
Тип демодулятора	Некогерентный

Таблица. Исходные данные

1 Структурная схема системы связи и назначение ее элементов
Данная курсовая работа посвящена расчету основных характеристик Системы Передачи Сообщений - совокупности технических средств, обеспечивающих передачу сообщений с определенными свойствами, и является важным практическим шагом на пути освоения курса Теории Электрической Связи, а значит и на пути формирования технического образования студентов.

Каналом передачи называют совокупность технических средств и среды распространения, обеспечивающих передачу электрических сигналов с ограниченной мощностью и в ограниченной полосе частот (т.е. с ограниченной скоростью), электрическим сигналом в общем смысле называется изменяющееся во времени и пространстве параметры электромагнитного поля. Под модуляцией понимается процесс изменения тех или иных параметров одного сигнала под воздействием каких-либо параметров другого. В случае если в качестве передаваемого сигнала используется синусоидально изменяющееся напряжение или ток, его параметрами можно считать амплитуду и полную фазу, содержащую в себе частоту и начальную фазу.

u

u

u

u

t

t

t

t

а)

б)

в)

г)

Рис. 1.1 Временные диаграммы сигналов:

а - сигнал непрерывный по времени и по состояниям,

б - дискретный по состояниям и по времени сигнал,

в - непрерывный по состояниям и дискретный по времени сигнал,

г - сигнал дискретный и по состояниям, и по времени
Аналитически сигналы есть функции от времени и бывают дискретными и непрерывными или аналоговыми. Если сигнал как функция u(t) принимает только определенные дискретные значения и (например, 0 и 1), то он называется, дискретным по состояниям. Если же сигнал может принимать любые значения в некотором интервале, то он называется аналоговым или непрерывным по состояниям. Под дискретным по времени сигналом необходимо понимать сигнал, заданный не на всей области значений времени, а только в определенные моменты t_u. Рисунок 1.1 поясняет эти отличия. Здесь а - сигнал непрерывный по времени и по состояниям, б - дискретный по состояниям и по времени сигнал, в - непрерывный по состояниям и дискретный по времени сигнал, г - сигнал дискретный и по состояниям, и по времени.

Поскольку заранее известный (детерминированный) сигнал не может нести никакой информации, то все сигналы, рассматриваемые нами в курсе ТЭС и работе, являются случайными процессами.

Длительность сигнала Тс - интервал времени в пределах которого он существует, его динамическим диапазоном Dc - отношение наибольшей мгновенной мощности сигнала к той наименьшей мощности, которую необходимо отличать от нуля при заданном качестве передачи. За ширину спектра сигнала Fc примем диапазон частот, в пределах которого сосредоточена основная его энергия. В технике связи спектр сигнала часто сознательно сокращают, т.к. аппаратура и линии связи имеют ограниченную полосу пропускаемых частот. Сокращение спектра осуществляется исходя из допустимых норм искажений сигнала.

Сообщение - совокупность знаков (символов), содержащих ту или иную информацию, подлежащую передачи на расстояние
Рассмотрим структурную схему Системы Электросвязи и ее основные элементы (рисунок 1.2).

Рис. 1.2 Структурная схема системы электросвязи

На рис.1.2 приведена структурная схема системы передачи непрерывного сообщения методом импульсно-кодовой модуляции (ИКМ). Она позволяет решить проблему передачи непрерывного сообщения по дискретному каналу связи (ДКС). Данная схема состоит из источника сообщений (ИС), аналого-цифрового преобразователя (АЦП), фазового модулятора, двоичного дискретного канала связи (ДКС), фазового детектора (прием некогерентный), цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) и получателя сообщений (ПС).

Источник cообщений – объект, которому необходимо передать некое сообщение в виде сигнала a(t).

Дискретизатор – устройство, которое по теореме Котельникова заменяет непрерывное сообщение на множество его мгновенных значений.

Квантователь - устройство, которое квантует непрерывное сообщение на множество его мгновенных значений по уровню

Кодер – устройство в котором последовательность элементов сообщения заменяется последовательностью кодовых символов.

Модулятор – устройство в котором первичный сигнал преобразуется во вторичный (высокочастотный) сигнал пригодный для передачи по используемому каналу.

Канал cвязи - обеспечивает физический перенос сигнала на расстоянии по линии связи, внося в него при этом шумы и искажения.

Демодулятор – обрабатывает принятое колебание и восстанавливает переданное сообщение.

Декодер – устройство, предназначенное для преобразования кодовых комбинаций в квантованную последовательность отсчетов.

Фильтр-восстановитель – Фильтр Нижних Частот (далее ФНЧ), устройство в котором восстанавливается непрерывное сообщение по квантованным значениям.

Линией связи называется среда, используемая для передачи сигналов от передатчика к приемнику. При передаче сигнал может искажаться и на него могут накладываться шумы n(t).

Для непрерывных каналов связи характерно: во-первых, линейность – тогда выходной сигнал является суперпозицией передаваемого сигнала и помехи, во-вторых, наличие помех на выходе канала, даже если на его вход не поступает сигнал, в-третьих, сигнал при передаче по каналу связи претерпевает задержку по времени и затухание по уровню. В реальных каналах всегда имеют место искажения сигнала, обусловленные несовершенством характеристик канала и, нередко, изменением параметров канала во времени.

Практически в любом диапазоне частот имеют место внутренние шумы аппаратуры.

Шум бывает аддитивным (зашумленный сигнал есть арифметическая сумма полезного сигнала и шума, существующего во времени постоянно) и мультипликативным (то же, только наличие шума в канале в каждый момент времени определяется случайным процессом). Среди аддитивных шумов особое место занимает флуктуационная помеха, имеющая нормальное (гауссовское) распределение.

Источник сообщений - это некий объект или система (подразумевается либо человек, либо ЭВМ, либо автоматическое устройство или что-либо другое), информацию о состоянии или поведении которого следует передать на определенное расстояние. Информация передаваемая от ИС является непредвиденной для получателя. Поэтому количественную меру передаваемой по системе связи (СС) информации в теории электрической связи выражают через вероятностные характеристики сигналов (сообщений). Сообщение - это форма представления информации. Например информация может быть представлена в изменении тока или напряжения на выходе какого-либо устройства под действием порождающих факторов.

В ФНЧ (фильтре нижних частот) сообщение (сигнал) вначале фильтруется с целью ограничения его спектра некоторой верхней частотой

. Полученный таким образом сигнал в дальнейшем необходим для представления его в виде последовательности отсчетов

, k=0,1,2…, наблюдаемых на выходе дискретизатора. Далее отсчеты сообщения квантуются по уровню в АЦП. Уровень квантования зависит от разрядности АЦП. Чем больше разрядность АЦП, тем с большей достоверностью преобразуется исходный аналоговый сигнал, действующий на вход АЦП. Например, на практике используют не более 16-ти разрядные АЦП, т.к. с увеличением разрядности увеличивается и время преобразования в кодовую комбинацию на выходе АЦП. Квантовые уровни затем кодируются двоичным безызбыточным кодом.

Образовавшаяся последовательность кодовых комбинаций образует сигнал ИКМ, который подводится к модулятору-устройству, предназначенному для согласования ИС с используемой линией связи. В модуляторе формируется сигнал

, способный распространятся по линии связи в виде электрического или электромагнитного колебания.

Для необходимого отношения мощностей сигнала и помехи (шума) на входе приемника сигнал, прошедший по каналу связи с источником помех, фильтруется и усиливается в выходных каскадах ПДУ (передающего устройства).

Помехой называется любое случайное воздействие на сигнал, которое ухудшает верность воспроизведения передаваемых сообщений. В проводных каналах связи основным видом помех являются импульсные шумы и прерывания связи. Появление импульсных помех часто связано с автоматической коммутацией и перекрестными наводками. Прерывание связи есть явление в канале, когда передаваемый сигнал резко затухает или исчезает

Сигнал с выхода ПДУ поступает в линию связи, где на него накладывается помеха

и на вход ПРУ (приемного устройства) воздействует смесь переданного сигнала и помехи

. В нем принятый сигнал фильтруется и подается на детектор.

В результате демодуляции, из принятого сигнала

выделяется закон изменения информационного параметра, который в нашем случае пропорционален сигналу ИКМ. Для регистрации переданных двоичных символов к выходу демодулятора подключено решающее устройство (РУ). В условиях действия помех в НКС РУ принимает решения неоднозначно, что в свою очередь может привести к двум возможным ошибкам (при передаче двоичных сигналов

или 1):

При определенном значении - порога срабатывания РУ не смотря на то, что сигнал отсутствует, шум может превысить установленное значение порога и примется ошибочное решение о наличие сигнала. Так происходит при наличии помехи положительной полярности, т.е. помехи, которая складывается с сигналом. Это, так называемая, ошибка первого рода.
При определенном значении - порога срабатывания РУ несмотря на то, что сигнал и присутствует, но установленное значение порога решающего устройства не будет превышено и примется решение об отсутствии сигнала. Так происходит при наличии помехи отрицательной полярности, т.е. помехи которая вычитается из сигнала. Это ошибка второго рода.

Все эти ошибки вызывают несоответствия переданных и принятых кодовых комбинаций.

Наконец, для восстановления переданного непрерывного сообщения

принятые кодовые комбинации подвергаются декодированию, интерполяции и низкочастотной фильтрации. При этом в декодере по двоичным кодовым комбинациям восстанавливаются

ичные уровни

2 Источник сообщений
Источник выдает сообщение a(t), представляющее собой непрерывный стационарный процесс, мгновенные значения которого в интервале от

до

равновероятны, а основная доля мощности сосредоточена в полосе частот от 0 до

.

Требуется:

Записать аналитическое выражение и построить график одномерного закона распределения плотности вероятности мгновенных значений случайного процесса а(t).
Найти математическое ожидание и дисперсию D процесса а(t).

1. Для нахождения одномерной плотности вероятности мгновенных значений случайного процесса а(t) учтем, что все его мгновенные значения в заданном интервале равновероятны, и, следовательно. Плотность вероятности будет постоянна в этом интервале и равна нулю вне этого интервала.

Значение плотности вероятности внутри интервала от

до

определим из условия нормировки:

;

.

Таким образом, аналитическое выражение для плотности распределения вероятности случайного процесса а(t) имеет вид:

Тогда построим график одномерного закона распределения плотности вероятности мгновенных значений случайного процесса а(t):

Рис 2.1. график одномерного закона распределения плотности вероятности мгновенных значений случайного процесса а(t)
2. Найдем математическое ожидание М случайного процесса а(t):

Так как W(а) вне интервала от

до

равно 0, то получим:

То есть получили, что среднее значение случайного процесса a(t) равно 4,8.

Найдем дисперсию или математическое ожидание квадрата D случайного процесса a(t):

;

3 Дискретизатор
Дискретизация – первый шаг при преобразовании аналогового сигнала в цифровую форму. Передача аналоговых сигналов цифровыми методами сопровождается шумом квантования, возникающим из-за деления динамического диапазона кодека на конечное число дискретных величин (ступеней квантования).

Передача информации от источника осуществляется по дискретной системе связи. Для этого сообщение a(t) в дискретизаторе квантуется по времени и по уровню равномерным шагом. Шаг квантования по уровню

.

Требуется:

1) Определить шаг квантования по времени

.

2) Определить число уровней квантования L.

3) Рассчитать относительную мощность шума квантования, определив ее как отношение средней мощности шума квантования Р_шк к средней мощности сигнала, т.е. дисперсии ?².

4) Рассматривая дискретизатор, как дискретный источник информации с объемом алфавита L, определить его энтропию Н и производительность Нґ (отсчеты, взятые через интервал

, считать независимыми).
1. Шаг квантования по времени

определим из теоремы Котельникова:

2. Число уровней квантования L при равномерном шаге

=0,15 определятся как частное от деления размаха сигнала (a_max-a_min) на шаг квантования

3. Для нахождения средней мощности шума квантования надо знать закон распределения шума -

. Так как мгновенные значения равновероятны в заданном интервале, то закон распределения шума

в интервале

будет равномерным и не будет зависеть от номера интервала.

Следовательно, средняя мощность шума квантования будет равна:

Закон определения шума определим из условия нормировки:

;

Тогда средняя мощность шума квантования:

Относительную величину мощности шума квантования получим, взяв отношение Р_шк к дисперсии случайного процесса a(t):

4. Энтропия – это математическое ожидание количества информации или мера неопределенности сообщений.

При заданном законе распределения мгновенных значений процесса a(t) все уровни квантования равновероятны. Для этого найдем вероятность j-го уровня квантования, что равносильно вероятности попадания a(t) в интервал

Видно, что

не зависит от j.

Тогда энтропия будет определяться как энтропия дискретного источника независимых сообщений, все символы которого вероятны:

Производительностью такого источника будет суммарная энтропия сообщений, переданных за единицу времени:

4 Кодер
Шифратор (кодер) - это устройство, представляющее собой преобразователь позиционного кода в двоичный.

В кодере процесс кодирования осуществляется в два этапа. На 1-ом этапе производится безызбыточное (примитивное) кодирование каждого уровня квантованного сообщения a(t₁) к-разрядным двоичным кодом. На 2-ом этапе к полученной к-разрядной двоичной кодовой комбинации добавляется один проверочный символ, формируемый простым суммированием по модулю 2 всех информационных символов. В результате этих преобразований на выходе кодера образуется синхронная двоичная случайная последовательность b(t) (синхронный случайный телеграфный сигнал), состоящая из последовательности биполярных импульсов единичной высоты, причем положительные импульсы в ней соответствуют нулевым символам кодовой комбинации, а отрицательные - единичным.
Требуется:

1) Определить минимальное значение к, необходимое для кодирования всех L уровней квантованного сообщения a(t₁).

2) Определить избыточность кода с одной проверкой на четность Р_к.

3) Записать двоичную кодовую комбинацию, соответствующую передаче a_j-го уровня, считая, что при примитивном кодировании на 1-м этапе a_j-му уровню ставится в соответствие двоичная кодовая комбинация, представляющая собой запись числа в двоичной системе.

4) Определить число двоичных символов, выдаваемых кодером в секунду V_к и длительность двоичного символа Т.
1. Найдем минимальное значение к, необходимое для кодирования всех L уровней квантованного сообщения a(t₁).

Определим избыточность кода с одной проверкой на четность.

n=k+1=7

Представим число j=52 в двоичной системе счисления:

Следовательно к-6 информационных символов кодовой комбинации будут иметь вид:

Определим проверочный символ в₇ путем суммирования по модулю 2 всех к=6 информационных символов

Учитывая, что правило суммирования по модулю 2 имеет вид:

получим, что в₇=1.

Т

аким образом, искомая кодовая комбинация, соответствующая передаче а₄₆ уровня квантованного сообщения, будет иметь вид:

4. Число двоичных символов, выдаваемых кодером в секунду

, определяется числом отсчетов (1/?t) и числом двоичных символов n, приходящихся на один отсчет.

Длительность двоичного символа определяется как величина, обратная

5 Модулятор
В модуляторе синхронная двоичная случайная последовательность биполярных импульсов в(t) осуществляет манипуляцию гармонического переносчика U(t)=U_mcos(2?f₀t).

Параметры несущей: