Разработка системы связи для передачи непрерывных сообщений дискретными сигналами

Министерство  Российской Федерации

по информационным технологиям  и связи,

Сибирский  Государственный  Университет

Телекоммуникаций  и  Информатики

 

 

 

Кафедра  РТС            

 

 

 

 

 

 

 

Курсовая работа по ТЭС

 

Разработка  системы связи для передачи непрерывных сообщений дискретными сигналами.

 

                                           

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                                         Выполнил: Гражданкин П.

                                                                                             Проверил: Сидельников Г.М.

 

 

 

 

 

 

 

Новосибирск 2004 
Оглавление.

Оглавление                                

Введение.

1. Исходные данные.                                

2. Задание на курсовую работу.         

3. Выполнение работы        

1.      Структурная схема системы связи.
2.      Структурная схема приемника.        

3.3       Принятие решения приемником по одному отсчету.      

3.4. Вероятность ошибки на выходе приемника.      

3.5. Выигрыш в отношении сигнал/шум при применении оптимального приемника.

3.6       Максимально возможная помехоустойчивость при заданном виде сигнала.  

3.7       Принятие решения приемником по трем независимым отсчетам.   

3.8       Вероятность ошибки при использовании метода синхронного накопления.  

3.9.      Применение импульсно-кодовой модуляции для передачи аналоговых сигналов. 

10.      Использование сложных сигналов и согласованного фильтра.    
11.      Импульсная характеристика согласованного фильтра.     
12.      Схема согласованного фильтра для приема сложных сигналов.    

3.13    Форма сигналов на выходе согласованного фильтра при передаче символов "1" и "0". 

3.14     Оптимальные пороги решающего устройства при синхронном и асинхронном способах принятия решения при приеме сложных сигналов согласованным фильтром.   

3.15    Энергетический выигрыш при применении согласованного фильтра.   

3.16.    Вероятность ошибки на выходе приемника при применении сложных сигналов и согласованного фильтра.          

17.      Пропускная способность разработанной системы связи (энтропия).      

4. Список литературы.          

 

Введение.

Теория электрической  связи (ТЭС) является неотъемлемой частью общей теории связи и представляет собой единую научную дисциплину, основу которой составляют: теория сигналов, теория помехоустойчивости и теория информации. Принципы и методы курса ТЭС являются теоретической основой для развития инженерных методов расчёта и проектирования аналоговых и цифровых систем связи.

Современный инженер  при разработке, проектировании и  эксплуатации систем связи различного назначения, удовлетворяющим конкретным техническим требованиям, должен уметь оценивать, насколько полно реализуются в них потенциальные возможности выбранных способов передачи, модуляции, кодирования и определять пути улучшения характеристик систем связи для приближения их к потенциальным.

Правильная эксплуатация систем связи также требует знания основ теории передачи сигналов, выбора оптимального режима работы, критериев  оценки достоверности передачи сообщений, причин искажения сигналов и т.д.

Главными задачами курсовой работы являются:

-изучить фундаментальные  закономерности, связанные с получением  сигналов, их передачей по каналам  связи, обработкой и преобразованием  в радиотехнических устройствах;

-закрепление навыков  и формирование умений по математическому описанию сигналов, определению их вероятностных и числовых характеристик;

-научиться выбирать  математический аппарат для решения  конкретных научных и технических задач в области связи; видеть тесную связь математического описания с физической стороной рассматриваемого явления.

Кроме этого, иметь глубокое знание обобщенной структурной схемы  системы передачи сообщений и  осуществляемых в ней многочисленных преобразований.

Курсовая работа учитывает  устойчивые тенденции перехода от аналоговых систем к цифровым системам передачи и обработки непрерывных сообщений на основе дискретизации, квантования и импульсно-кодового преобразования исходных непрерывных сообщений.

Она охватывает следующие  ключевые вопросы теории помехоустойчивости систем связи:

1. Составление обобщенной структурной схемы системы передачи непрерывных сообщений дискретными сигналами и описание функциональных преобразований сообщений и сигналов в ней с приведением графических иллюстраций во временной и частотной областях.
2. Приём сигналов на фоне помех как статистическая задача.
3. Критерии качества приёма дискретных сигналов.
4. Оптимальный приём дискретных сигналов в канале связи с флуктуационной помехой.
5. Потенциальная помехоустойчивость приёма дискретных сигналов при различных видах модуляции (ДАМ, ДЧМ, ДФМ. ДОФМ).
6. Оптимальный алгоритм приёма при полностью известных сигналах (когерентный приём).
7. Оптимальный приём сигналов с неопределённой фазой (некогерентный приём).
8. Реализация алгоритма оптимального приёма на основе согласованного фильтра.
9. Скорость передачи информации, пропускная способность и эффективность системы связи.

 

 

 

1. Исходные данные.

 

1. Номер варианта N = 3.
2. Вид сигнала в канале связи ДФМ.
3. Скорость передачи сигналов V =9000   Бод.
4. Амплитуда канальных сигналов А = 3,2863∙10 В.
5. Дисперсия шума s² =1,3392∙10 .
6. Априорная вероятность передачи символов "1" p(1) = 0,27.
7. Способ приема сигнала КГ.
8. Полоса пропускания реального приемника, определяемая шириной спектра сигналов двоичных, ДФМ, вычисляется по формулам

 

           Df_прДФМ  = 2/T=2V=18000 Гц=18 кГц

 

          где T = 1/V - длительность элемента сигнала, определяемая скоростью передачи       (модуляции) сигналов V.

9. Значение отсчета принятой смеси сигнала и помехи на входе решающей схемы приёмника при однократном отсчете Z(t₀) = 0,8215∙10^-3 в.
10. Значения отсчетов принятой смеси сигнала и помехи при приеме по совокупности трех независимых (некоррелированных) отсчетов:

       Z(t₁) = 0,8215∙10^-3 в 
      Z(t₂) =0,429∙10^-3 в 
      Z(t₃) =0,903∙10^-3 в.

11. Максимальная амплитуда аналогового сигнала на входе АЦП 
    b_max =2,9 В.
12. Пик-фактор входного сигнала  П = 1,8 .
13. Число разрядов двоичного кода (при передаче сигналов методом ИКМ) n =10.

14. Вид дискретной последовательности сложного сигнала: 106₍₈₎=1000110₍₂₎

     S₁(t)=  1,-1,-1,-1,1,1,-1

   S₂(t)= -1,1,1,1,-1,-1,1.

Расчет численных  значений этих параметров приводится в приложении 
в конце работы.

 

2. Задание на курсовую.

 

Разработать обобщенную структурную схему системы связи  для передачи  непрерывных сообщений дискретными сигналами, разработать структурную схему приемника и структурную схему оптимального фильтра, рассчитать основные характеристики разработанной системы связи и сделать обобщающие выводы по результатам расчетов.

 

3. Выполнение работы.

3.1. Структурная  схема системы связи.

 

Обобщенная структурная схема системы связи для передачи непрерывных сообщений дискретными сигналами, подробное описание назначения входящих в нее блоков.

Преобразования  сообщения и сигналов в системе  связи проиллюстрировать качественным приведением временных и спектральных диаграмм на выходе каждого блока системы связи с соблюдением единого масштаба по оси абсцисс. Описать временные и спектральные диаграммы.

 

Структурная схема  системы передачи непрерывных сообщений дискретным сигналом.

Рисунок 1. Обобщенная структурная схема системы связи.

 

Под системой связи понимают совокупность технических средств  и среды распространения сигналов, обеспечивающих передачу сообщения  от источника к потребителю.

Описание работы схемы:

1.Источник непрерывных сообщений - устройство, на выходе которого имеется непрерывный электрический сигнал.

Так как спектр сигнала бесконечен (если сигнал ограничен по времени) необходимо включить в схему фильтр для восстановления сигнала после дискретизации. Частота среза фильтра выбираются так, чтобы сохранялась эффективная ширина спектра сигнала.

 

1. АЦП (аналого- цифровой преобразователь). Операция преобразования аналог – цифра непрерывного сигнала, состоит из трех операций:

Непрерывное сообщение  подвергается дискретизации по времени  через интервалы Dt;

Полученные отсчеты мгновенных значений квантуются. Операция квантования  сводится к тому, что вместо данного  мгновенного значения первичного сигнала  передаются ближайшие значения по установленной шкале дискретных уровней;

Наконец, полученная последовательность кодируется. Кодирование представляет собой преобразование сообщения  в последовательность кодовых импульсов.

При кодировании происходит увеличение помехоустойчивости; при этом возрастает скорость передачи информации, а длительность передачи соответственно уменьшается. Кроме того, кодирование позволяет обнаружить и даже устранить возможную ошибку.

Достоинством систем связи с  дискретизацией является также удобство обработки сигналов и сопряжения устройств связи с цифровыми ЭВМ.

 

2. .Полученный код поступает на модулятор, который преобразует дискретный сигнал в аналоговый и передатчик передает модулированный сигнал в линию связи. В линии связи на передаваемый сигнал действует помеха.

 

 

3. В приемнике, чтобы выделить полезный сигнал, искаженный наличием помехи , можно прибегнуть к частотной фильтрации - на выходе линии связи поставить полосовой фильтр. Подав на вход такого фильтра сумму сигнала и помехи, на выходе можно получить заметное увеличение относительной доли полезного сигнала. Далее сигнал подается на демодулятор, который после демодуляции передается в виде кода на ЦАП.

 

4. ЦАП (цифроаналоговый преобразователь) предназначен для обратного преобразования (восстановления) непрерывного сообщения по принятой последовательности кодовых комбинаций.

В состав ЦАП входят декодирующее устройство, предназначенное для  преобразования кодовых комбинаций в квантованную последовательность отсчетов, и сглаживающий фильтр, восстанавливающий  непрерывное сообщение по квантованным значениям.

 

Далее сообщение подается на преобразователь (например, громкоговоритель) и потребитель может получить исходное сообщение.

 

 

3.2. Структурная схема приемника

 

Задание:

В соответствии с исходными данными задания привести выражение временной функции используемого сигнала и его векторную диаграмму.

Изобразить структурную  схему приемника и описать  ее работу (предполагается, что приемник не является оптимальным).

Выполнение:

 

;         0£ t £ T.                     

 

 

 

Рисунок 2. Структурная схема приемника.

1.Умножитель частоты на два.

2.Узкополосный фильтр, настроенный  на частоту 2w₀.

3.Делитель частоты на два.

4.Перемножитель.

5.ФНЧ (фильтр нижних частот).

6.Решающее устройство.

Описание работы приемника:

Пусть на вход “1” поступает сигнал вида U₁=cos(w₀t+4p+j₀), и может принимать значения “0” или “1”. Тогда сигнал на выходе умножителя U₂=cos(2w₀t+2j₀), следовательно, сигнал на выходе делителя U₃=cos(w₀t+j₀). Но все схемы опорного сигнала таковы, что в следствии различных неконтролируемых фактов возможны случайные изменения знака опорного сигнала. После этого может возникнуть явление “обратной работы”, в следствии которого внедрение системы с двоичной фазой модуляции оказалось невозможным.

 

 

 

 

 

3.3. Принятие решения приемником по одному отсчету

 

Сообщения передаются последовательностью двоичных символов "1" и "0", которые появляются с априорными вероятностями соответственно p(1)=0,27 и p(0)=0,73.

 

Этим символам соответствуют  канальные сигналы S₁(t) и S₂(t), которые точно известны в месте приема.

В канале связи на передаваемые сигналы воздействует Гауссовский  стационарный шум с дисперсией s²=1,3392∙10 Вт.

Приемник, оптимальный по критерию идеального наблюдателя (минимума средней вероятности ошибки), принимает решение по одному отсчету смеси сигнала и помехи

Z(t₀) = S_i (t₀ )+ x(t₀) = 0,8215∙10^-3 в, на интервале элемента сигнала длительности c.

Амплитуда канальных сигналов А = 3,2863∙10 В.

Задание:

Найти и изобразить графически кривые плотностей распределения W(x) и условных вероятностей W(z/0) и W(z/1).