Разработка системы связи для передачи непрерывных сообщений дискретными сигналами

                                   

            Министерство Российской Федерации по связи и информатизации.

             Сибирский  государственный   университет телекоммуникаций  и информатики.

 

 

 

                             

Кафедра РТС

      

            Курсовая работа

 

            по дисциплине «Теория электрической связи».

 

             Разработка системы связи для  передачи непрерывных сообщений  дискретными сигналами.

              

                 Вариант №11.

 

                                                                 

 

 

 

                                                       Выполнил: студент группы А-13 Квашнин Ф.В.

 

Проверил: Резван И.И.

 

 

 

 

 

 

 

                          Новосибирск, 2003 г.

Содержание.

 

1. Введение…………………………………………………………………3
2. Задание…………………………………………………………………..5
3. Исходные данные……………………………………………………….5
4. Структурная схема системы связи…………………………………….7
5. Структурная схема приемника……………………………………….10
6. Принятие решения приемником по одному отсчету………………..11
7. Вероятность ошибки на выходе приемника…………………………15
8. Выигрыш в отношении сигнал/шум при применении оптимального приемника……………………………………………………………...16
9. Максимально возможная помехоустойчивость при заданном виде сигнала………………………………………………………………….16
10. Принятие решения приемником по трем независимым отсчетам…17
11. Вероятность ошибки при использовании метода синхронного накопления……………………………………………………………..18
12. Применение импульсно-кодовой модуляции для передачи аналоговых сигналов…………………………………………………..19
13. Использование сложных сигналов и согласованного фильтра…….21
14. Импульсная характеристика согласованного фильтра……………...23
15. Схема согласованного фильтра для приема сложных сигналов. Форма сигналов на выходе согласованного фильтра при передаче символов "1" и "0"……………………………………………………..23
16. Оптимальные пороги решающего устройства при синхронном и асинхронном способах принятия решения при приеме сложных сигналов согласованным фильтром………………………………….28
17. Энергетический выигрыш при применении согласованного фильтра.
18. Вероятность ошибки на выходе приемника при применени сложных сигналов и согласованного фильтра………………………………….31
19. Пропускная способность разработанной системы связи…………...32
20. Заключение…………………………………………………………….33
21. Приложение. Расчет исходных данных для заданного варианта работы…………………………………………………………………..34
22. Список литературы……………………………………………………35

 

 

 

 

 

Введение.

 

В настоящее время теория электрической  связи (ТЭС) является неотъемлемой частью общей теории связи и представляет собой единую научную дисциплину. Основу этой дисциплины 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:

-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.

-Приём сигналов на фоне помех  как статистическая задача.

-Критерии качества приёма дискретных  сигналов.

-Оптимальный приём дискретных  сигналов в канале связи с  флуктуационной помехой.

-Потенциальная помехоустойчивость  приёма дискретных сигналов при  различных видах модуляции (ДАМ, ДЧМ, ДФМ. ДОФМ).

-Оптимальный алгоритм приёма  при полностью известных сигналах (когерентный приём).

-Оптимальный приём сигналов  с неопределённой фазой (некогерентный  приём).

-Реализация алгоритма оптимального  приёма на основе согласованного фильтра.

-Скорость передачи информации, пропускная способность и эффективность  системы связи.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задание.

 

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.

 

 

Исходные  данные.

 

Курсовая работа выполняется для следующих исходных данных:

1. Номер варианта N =11.
2. Вид сигнала в канале связи (ДАМ).
3. Скорость передачи сигналов V = 33000 Бод.
4. Амплитуда канальных сигналов А = 5,74*10^-3 В.
5. Дисперсия шума s² = 6,19*10^-6 Вт.
6. Априорная вероятность передачи символов "1" p(1) = 0,82.
7. Способ приема сигнала (НКГ).
8. Полоса пропускания реального приемника, определяемая шириной спектра сигналов двоичных ДАМ, вычисляется по формуле

Df _прДАМ = 2/T=66000 Гц,

где T = 1/V =3,03*10^-5 с - 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) = 1,45*10^-3 В.
10. Значения отсчетов принятой смеси сигнала и помехи при приеме  по  совокупности трех независимых (некоррелированных) отсчетов

Z(t₁)= 1,45*10^-3 В,

Z(t₂) = 8,7*10^-4 В,

Z(t₃) = 1,59*10^-3 В.

11. Максимальная  амплитуда  аналогового  сигнала на входе  АЦП  
    b_max  = 5,3 В.
12. Пик-фактор входного сигнала  П =2,6.
13. Число разрядов двоичного кода (при передаче сигналов методом ИКМ) n =9.
14. Вид дискретной последовательности сложного сигнала.

2305(8)=10011000101(2).

 

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

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Структурная схема системы связи.

 

Система связи представляет собой  совокупность радиотехнических средств, обеспечивающих передачу информации от источника к получателю. Рассмотрим структурную схему системы цифровой передачи непрерывных сообщений  дискретными сигналами:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Опишем назначение блоков, входящих в данную схему, одновременно иллюстрируя преобразования сообщения и сигналов в системе связи качественным приведением временных и спектральных диаграмм на выходе каждого блока.

Источник  сообщения – 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 выбирается так, чтобы сохранялась эффективная ширина спектра сигнала. На выходе источника сообщения будет непрерывный аналоговый сигнал:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ФНЧ - фильтр нижних частот. ФНЧ отфильтровывает высокочастотную составляющую сигнала, тем самым сглаживая его:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

АЦП – аналого-цифровой преобразователь. Аналого-цифровое преобразование состоит из трех операций:

1. Сначала непрерывное  сообщение подвергается дискретизации  по времени.

2. 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.

3.Полученная последовательность  квантованных значений передаваемого  сообщения представляется посредствам  кодирования в виде последовательности двоичных кодовых комбинаций.

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.

Такое преобразование называется импульсно-кодовой  модуляцией.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Дальше сигнал попадает на ДАМ (дискретный амплитудный модулятор), где модулирует высокочастотный сигнал. Высокочастотный  аналоговый сигнал модулированный дискретными импульсами поступает в линию связи, где на модулированный сигнал воздействуют различные помехи, что приводит к некоторому искажению формы сигнала.

 

 

В приемнике происходит демодуляция  и регенерация сигнала, и на его выходе будет сигнал, подобный сигналу на выходе АЦП. Далее сигнал поступает на цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), назначение которого состоит в обратном преобразовании (восстановлении) непрерывного сообщения. В нем происходят преобразование кодовой комбинации в квантованную последовательность отсчетов и их сглаживание до непрерывного сообщения, то есть на выходе ЦАП будет примерно такой же сигнал, что и на выходе источника сигнала.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Структурная схема приемника.

 

 

 

 

 

 

 

 

На рисунке приведена структурная  схема приемника для дискретной амплитудной модуляции (ДАМ) и некогерентном  способе приема. Элементами сигналов ДАМ являются  посылки (кодовый  элемент «1») и паузы (кодовый элемент  «0») При этом мы будем иметь следующую временную функцию:

             S1(t)=Uо* cos ωоt

S(t)=                                                 0 ≤ t ≤ T

             S2(t)=0

При этом Z(t)=S(t) + ξ(t).

Изобразим векторную диаграмму:

 

 

Опишем работу приемника:

На вход приемника поступает смесь сигнала с помехой Z(t). В полосовом фильтре (ПФ) с полосой пропускания полезный сигнал частично отфильтровывается от наложенной на него помехи. После чего сигнал Z’(t) поступает на амплитудный детектор и ФНЧ, где выделяется низкочастотная огибающая сигнала Е(t), которая в свою очередь поступает на решающее устройство и сравнивается с некоторым пороговым уровнем Uпорог. После чего в результате сравнения мы получаем результат на выходе – сигнал S1(t) или S2(t).

 

 

 

Принятие  решения приемником по одному отсчету.

 

Сообщения передаются последовательностью двоичных символов "1" и "0", которые появляются с априорными вероятностями соответственно p(1) = 0.82 и р(0) = 0.18. 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 = 6,19*10^-6 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)=1,45*10^-3 В на интервале элемента сигнала длительности T = 1/V =3,03*10^-5 с. Амплитуда канальных сигналов А = 5,74*10^-3 В.