Некоммерческое акционерное общество

Алматинский университет энергетики и связи

Кафедра инженерной кибернетики 

 

 

 

 

ОСНОВЫ СБОРА И ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ

Методические указания к выполнению лабораторных работ

для студентов всех форм обучения

специальности 5В070200 – Автоматизация и управление

  

 

 

 

                 Алматы 2011

СОСТАВИТЕЛИ: Ю.В. Шевяков, Ш.М. Байматаева. Основы сбора и передачи информации. Методические указания к выполнению лабораторных работ для студентов всех форм обучения специальности 5В070200 – Автоматизация и управление. – Алматы: АУЭС, 2011. – 32 с.

 

         Настоящие методические указания включают 8 лабораторных работ по дисциплине «Основы сбора и передачи информации», которые позволят студентам закрепить полученные теоретические знания и получить практические навыки в исследовании систем передачи данных в информационных подсистемах АСУТП. В работах используется программный комплекс САЕ – System View.

         Методические указания предназначены для студентов всех форм обучения специальности 5В070200 – Автоматизация и управление.

         Табл. 9, библиогр. 21 назв.  

 

         Рецензент: канд. техн. наук, профессор Ибраева Л.К. 

 

         Печатается по плану издания некоммерческого акционерного общества «Алматинский университет энергетики и связи» на 2011 г. 

 

 

© НАО «Алматинский университет энергетики и связи», 2011 г.

 

 

Содержание

1 Лабораторная работа № 1 Формирование дискретных сигналов                   3        

Лабораторная работа №2 Формирование потенциального и  импульсного

 кода при физическом кодировании.                                                                     5

3 Лабораторная работа № 3 Изучение методов восстановления дискретных сигналов.                                                                                                                   7

4 Лабораторная работа №4 Передача данных в канале с однородными

помехами                                                                                                                12

5 Лабораторная работа №5 Передача данных в канале с нормально-распределенными помехами                                                                                 15

6 Лабораторная работа № 6 Регистрация сигналов с помощью усреднения   18

7 Лабораторная работа № 7 Изучение методов построения циклических

кодов                                                                                                                       20

8 Лабораторная работа № 8 Исследование декодирующих устройств            24

Список литературы                                                                                                27

 

1 Лабораторная работа № 1. Формирование дискретных сигналов

 

Цель работы: Изучение методов формирования и передачи дискретных сообщений.

        

 1.1 Предварительная подготовка

 

Изучить методы формирования дискретных сообщений, методы построения линейных кодов.

 

1.2 Рабочее задание

        

1.2.1 Исследовать характеристики системы связи при передаче импульсными сигналами малой длительности.

         1.2.2 Исследовать методы формирования прямоугольных импульсных сигналов для передачи по линиям связи.

          

 1.3 Методические указания по выполнению работы

          

 1.3.1 Передача импульсными сигналами малой длительности

Если мы должны передать данные в двоичном коде (то есть 0' и 1'), возможна передача короткими импульсами, имеющими уровень +1 В при двоичной "1" и 1 В при двоичном "0". Цифровая система связи (DSP), передает данные со скоростью 1/T символов в секунду. Однако ширина полосы, требуемая для передачи этих данных, значительно выше, чем скорость передачи, так как каждый бит представлен импульсным сигналом, имеющим очень короткую длительность. Как известно, спектр одиночного импульса описывается выражением [2]:

 

 

 
                     

Спектр одиночного импульса затухает в общем случае лишь при бесконечно больших значениях аргумента (имеет бесконечный спектр).

1.3.2 Определение характеристик импульсных сигналов малой длительности

Выполнение работы:

- использовать систему impulse_data.svu (рисунок 1.1);

      

 

 

Рисунок 1.1

 

- установить скорость передачи данных равной 2400 бит/с ;

- определяем период повторения импульсов

 

                                             

 

- установить частоту выборок моделирования на более высоком уровне 96 000 Гц (40×2400) для моделирования «аналогового» выходного сигнала;

- запустить систему;

- используя окно анализа, зафиксируйте то, что импульсные данные требуют для передачи бесконечной полосы пропускания, в чем можно убедиться по форме БПФ последовательности данных.

- определите АЧХ сигнала и спектральную характеристику сигнала.

Результаты исследования свести в отчёт.

 

1.4 Контрольные вопросы

 

1.4.1 Объясните различие в спектральном составе сигналов, передаваемых короткими импульсами (τи << Tп), и сигналов прямоугольной формы.

          1.4.2 Объясните принцип формирования прямоугольного сигнала в схеме, приведенной на рисунке 2.4.

          1.4.3 Объясните принципы построения устройств формирования кодов RZ, ЧПИ, «Манчестер II».

 

 2 Лабораторная работа №2. Формирование потенциального и  импульсного кода при физическом кодировании.

 

Цель работы: изучение методов формирования дискретных сообщений.

 

          2.1 Предварительная подготовка

 

Изучить методы формирования дискретных сообщений, методы построения линейных кодов.

 

2.2 Рабочее задание

 

2.2.1 Провести исследование формирования двуполярного кода с возвращением к нулю(RZ).

2.3.2 Провести исследование методов формирования линейных кодов RZ, ЧПИ, «МанчестерII» и сравнить спектральные характеристики сообщений при передаче короткими импульсами, прямоугольными импульсами, спомощью кодов RZ, ЧПИ, «МанчестерII».

 

2.3 Указания к выполнению работы

 

Используйте систему squ_pulse_rz.svu (рисунок 2.1), изменяя параметры фильтра, формирующие импульс, получите длительность импульс равной 1/4800с. Полученная последовательность прямоугольных импульсов имеет название двуполярного кода с возвращением к нулю (return to zero).

Это преобразование осуществляется с помощью цифрового фильтра с

прямоугольной импульсной передаточной характеристикой длительностью 1/4800 с.

 

 

Рисунок 2.1

 

2.3.1     Изучите импульсную передаточную характеристику.

Зафиксируйте то, что:

- весовые коэффициенты фильтра, формирующего прямоугольный импульс, соответствуют 1/20 = 0.05;

- частота дискретизации выбрана равной 96 000 Гц,

- длительность импульсной передаточной функции этого фильтра равна 1/4800-ая секунды;

- убедитесь, что частотная характеристика величины фильтра соответствует рисунку (график показан только до частоты 10000 Гц), и что фильтр имеет линейную характеристику.

2.3.2 Запустите систему и перейдите в окно анализа.

Определите полосу пропускания последовательности прямоугольных

импульсов с помощью спектра сигнала из последовательности прямоугольных импульсов и их амплитудно-частотную характеристику;

Увеличьте число выборок до 8192 и  запустите систему снова,  в окне анализа определите на амплитудно-частотную характеристику.

Численно сравните полученные АЧХ.

         Результаты сведите в отчёт.

 

         2.4 Линейные коды

 

Формы цифровых сигналов, предназначенных для передачи по линии связи, получили наименование линейных кодов (ПК). ЛК применяются для передачи данных без модуляции в первичной полосе частот, начинающейся с нуля. Иначе говоря, данные, представляющие собой обычные двоичные последовательности, перед подачей в линию связи подвергаются соответствующему преобразованию в линейном кодере. Наиболее широкое применение в аппаратуре связи получили такие линейные коды, как код без возвращения к нулю (Non Return to Zero NRZ), код с чередующейся полярностью импульсов (ЧПИ) (Alternate Mark Inversion AMI), корреляционные коды («Манчестер II»).

         2.4.1 Для построения кодов используйте схему binary_signalling.svu (рисунок 2.2). Кодеры ЧПИ и манчестерского кода формируются с помощью метасистем, структура которых приведена на рисунках 2.3 и 2.4.

 

 

Рисунок 2.2

 

Сигнальная продолжительность импульса – 0,1 с, следовательно, скорость передачи данных - 10 бит/с. Частота дискретизации –100 Гц, следовательно один бит представлен 10 выборками. Источник данных - текстовый файл из единиц и нулей, который имеет начальную последовательность 0101011100100101000000....

Запустите процесс моделирования, и сравните различные сигнальные последовательности в окне анализа;

 

 

 

                                        Рисунок 2.3                                       Рисунок 2.4

 

Увеличьте число выборок до 10000, и запустите систему снова. В окне анализа рассмотрите величину частоты спектра, которая была сгенерирована. Зарисуйте спектры исследуемых сигналов.

  

2.5 Контрольные вопросы

 

2.5.1 Объясните различие в спектральном составе сигналов, передаваемых короткими импульсами (τи << Tп), и сигналов прямоугольной формы.

          2.5.2 Объясните принцип формирования прямоугольного сигнала в схеме, приведенной на рисунке 2.4.

          2.5.3 Объясните принципы построения устройств формирования кодов RZ, ЧПИ, «Манчестер II».

 

3 Лабораторная работа № 3. Изучение методов восстановления дискретных сигналов

 

Цель работы: исследование помехоустойчивости  каналов связи при различных видах помех.

 

          3.1 Предварительная подготовка

 

Изучить разделы:

- информационные характеристики каналов связи;

- методы моделирования помех в каналах связи.

 

3.2 Рабочее задание

 

3.2.1 Исследование метода восстановления данных с помощью выборок.

3.2.2 Исследовать влияние помех на передачу данных в канале с нормально-распределенными помехами.

3.2.3 Исследовать влияние помех на передачу данных в канале с однородными помехами.

 

3.3 Указания к выполнению

 

3.3.1 Исследование метода восстановления данных с помощью выборок.

Наиболее простым способом восстановления данных является метод стробирования. При регистрации методом стробирования вид принимаемого элемента («0» или «1») определяется на основании анализа знака импульса в середине единичного интервала. Любое смещение момента регистрации относительно середины единичного интервала приводит к увеличению вероятности неправильной регистрации сигнала. Если смещение значащего момента относительно идеального положения не превышает 0,5 τ0, то элемент сигнала регистрируется правильно. Величина, на которую допускается смещение значащего момента, не вызывающее неправильный прием, определяет исправляющую способность приемника.

В нашем случае исправляющая способность (теоретическая) равна 0,5 τ0 или 50%.

 

 

Рисунок 3.1

 

В нашем случае для размещения стробирующего импульса в середине значащего интервала используется простое устройство выборки с запуском выборки в середине импульса (рисунок 3.2).

 

Задание 1.

а) Откройте систему squ_pulse_recover.svu (рисунок 3.2).

 

 

Рисунок 3.2

 

б) Запустите систему, и убедитесь в окне анализа, что первоначальные данные на скорости 2400 бит/ с восстановлены правильно. Определите величину задержки, связанной с восстановлением каждой выборки.

в) Проведите три запуска, фиксируя сообщение на входе и выходе в окне анализа.

г) Результат свести в отчёт.

 

3.3.2 Исследование влияния помех на передачу данных в дискретном канале

Описание работы схемы.

Откройте систему squ_pulse_noisy.svu (рисунок 3.3).

Рисунок 3.3

 

Данные передаются по каналу, имеющему низкий уровень шума. Формирование импульса осуществляется так же как в лабораторной работе №1.

Из-за шума канала, когда импульсный модулятор производит вывод каждые T секунды, фактически, результатом будет

                                       Y (k) = z (kT) + n (kT).

Выборка принимается, равной 1, если шум в момент осуществления выборки n (kT) > 1. Если же n (kT) < 1, а данные имеют значение 1, то выборка принимается, равной (0). Эти ошибки приводят к неправильно определенным битам.

Модуль BER (bit error rate - скорость появления ошибочных бит) используется для подсчета количества ошибочных бит. Модуль производит сравнение двух  бит – переданные и полученные биты. Результаты сравнения, отражают число обнаруженных ошибок.

Выполнение работы

Запустите систему.

Уровень помех, (модуль – Noiz) установлен со среднеквадратичным отклонением 0.1/40 = 2.5·10-3,

Определите в окне анализа:

- ошибочные биты (отсутствуют).

- амплитуду прямоугольного импульса после его формирования (равна 0.025 В.)

Установите гауссовый шум в канале(модуль – Noiz) со среднеквадратичным отклонением - 1/40 = 2.5·10-2.

Увеличьте число выборок до 40·1000=40 000, что соответствует 1000 бит-данных.

Определите в окне анализа:

- ошибочные биты;

- амплитуду прямоугольного импульса после его формирования

Увеличьте шум канала выше до среднеквадратичного отклонения 3.5·101.  Результаты сведите в таблицу.

 

3.3.3 Передача данных в канале с однородными помехами

Описание работы схемы.

 

Откройте систему uniform_noise_channel.svu (рисунок 3.4).

Рисунок 3.4

 

Шум на канале(модуль – Noise)  равномерно распределен по функции плотности вероятности, как показано на рисунке 3.5. Шумовые выборки будут иметь амплитуду между ±1.2/40. После формирования импульса импульсы данных имеют амплитуду ±1/40. Если данные на входе усилителя

 -ограничителя           имеют величину больше 0 В (двоичная 1),то на выход поступает 1 В, и если меньше чем 0 В (двоичный 0), то тогда на выход выдается минус 1.

Поэтому возможны два случая, когда могут произойти ошибки:

-     P(0/1), когда передан "1" (1/40 В) и обнаружен "0";

-     P(1/0) когда передан "0" (1/40 В) и обнаружена "1".

По принятой системе обозначений вероятность P(A/B) обычно называют "условной вероятностью".

                         Рисунок 3.5                                    Рисунок 3.6

 

         В симметричном двоичном канале выполняется условие

 

P(1) = P(0) = 0.5.

Таким образом, полная вероятность появления ошибок в двоичном симметричном канале связи определяется равенством

 

Pош = P(1)P(0/1) + P(0)P(1/0).

 

По форме кривой функция плотности (ФПВ) вероятности можно определить область шумов, которые могут вызвать ошибку при передаче символа «1» (то есть 1/40 В). Как известно из курса теории вероятностей общая площадь под кривой ФПВ равна 1. Поэтому для нахождения вероятности попадания сигнала в определенную область нужно выполнить интегрирование по соответствующей области под кривой ФПВ (рисунок 2.6). Для равномерной ФПВ вычисление осуществляется очень просто

                                    

 

Следовательно, вероятность ошибки для двоичного симметричного канала с помехами, имеющими равномерное распределение определится, как

                                          

Выполнение работы

 

Задание 1. Установите временные настройки системы равными 4000 выборок, что соответствует передаче 100 бит:

а) запустите систему, в окне анализа определите общее количество ошибок, обнаруженных маркером BER, установленным в схеме. (Маркер BER увеличивает свое содержимое на 1 при каждом обнаружении ошибки).

В схеме использован модуль«FINAL VALUE sink», показывающий текущее общее количество ошибок;

б) запустите систему 10 раз, каждый раз подсчитывая среднее число ошибок на отдельный запуск

          где nошi  - число ошибок в отдельном запуске;

 m - число запусков.

 в) увеличьте число выборок до 40000, то есть будет передаваться 1000 битов. Выполните п. б) при данном числе выборок;

 г) Выполните п. б) при числе выборок равном 400 000;

 д) рассчитайте дисперсию и среднеквадратическое отклонение результатов каждого опыта для п.п. б), в) и г). Полученные результаты свести в таблицу.

Задание 2.

Увеличьте диапазон шума до ±1.4/40.

Изменить как максимальное значение, так и минимальные значение (Maximum Value and Minimum Value) параметров для модуля «uniform noise»(«однородный шум»).

Определите количество ошибок в этом случае для 100, 1000 и 10000 переданных бит.

Вычислите теоретическое значение Pош для нового значения шума. Полученные результаты свести в таблицу

Сравните расчеты с результатами моделирования.

 

3.4 Контрольные вопросы

        

3.4.1 В каких случаях используется регистрация сигналов методом стробирования и в чём его принцип?

         3.4.2 Дайте краткую характеристику помех – однородных и гауссовских.

          3.4.3 Дать определение и основные характеристики дискретному двоичному каналу.

    

4 Лабораторная работа №4. Передача данных в канале с однородными помехами

 

Цель работы: исследование помехоустойчивости  каналов связи при различных видах помех.

          

4.1 Предварительная подготовка

 

Изучить разделы:

- информационные характеристики каналов связи;

- методы моделирования помех в каналах связи.

 

4.2 Рабочее задание

 

4.2.1 Исследовать влияние помех на передачу данных в канале с однородными помехами

 

Описание работы схемы.

 

Откройте систему uniform_noise_channel.svu (рисунок 4.1).

Рисунок 4.1

 

Шум на канале(модуль – Noiz)  равномерно распределен по функции плотности вероятности, как показано на рисунке 3.5. Шумовые выборки будут иметь амплитуду между ±1.2/40.

После формирования импульса импульсы данных имеют амплитуду ±1/40. Если данные на входе усилителя-ограничителя            имеют величину больше 0 В (двоичная 1),то на выход поступает 1 В, и если меньше чем 0 В (двоичный 0), то тогда на выход выдается минус 1.

Поэтому возможны два случая, когда могут произойти ошибки:

-     P(0/1), когда передан "1" (1/40 В) и обнаружен "0";

-     P(1/0) когда передан "0" (1/40 В) и обнаружена "1".

По принятой системе обозначений вероятность P(A/B) обычно называют "условной вероятностью".

                         Рисунок 4.2                                                      Рисунок 4.3

        

В симметричном двоичном канале выполняется условие

P(1) = P(0) = 0.5.

Таким образом, полная вероятность появления ошибок в двоичном симметричном канале связи определяется равенством

 

Pош = P(1)P(0/1) + P(0)P(1/0).

 

По форме кривой функция плотности (ФПВ) вероятности можно определить область шумов, которые могут вызвать ошибку при передаче символа «1» (то есть 1/40 В). Как известно из курса теории вероятностей общая площадь под кривой ФПВ равна 1. Поэтому для нахождения вероятности попадания сигнала в определенную область нужно выполнить интегрирование по соответствующей области под кривой ФПВ (рисунок 2.6). Для равномерной ФПВ вычисление осуществляется очень просто

                                    

Следовательно, вероятность ошибки для двоичного симметричного канала с помехами, имеющими равномерное распределение определится, как

                                 

       

Выполнение работы

 

Задание 1. Установите временные настройки системы равными 4000 выборок, что соответствует передаче 100 бит:

а) запустите систему, в окне анализа определите общее количество ошибок, обнаруженных маркером BER, установленным в схеме. (Маркер BER увеличивает свое содержимое на 1 при каждом обнаружении ошибки).

В схеме использован модуль«FINAL VALUE sink», показывающий текущее общее количество ошибок;

б) запустите систему 10 раз, каждый раз подсчитывая среднее число ошибок на отдельный запуск

          где nошi  - число ошибок в отдельном запуске;

 m - число запусков.

в) увеличьте число выборок до 40000, то есть будет передаваться 1000 битов. Выполните п. б) при данном числе выборок;

г) Выполните п. б) при числе выборок равном 400 000;

д) рассчитайте дисперсию и среднеквадратическое отклонение результатов каждого опыта для п.п. б), в) и г). Полученные результаты свести в таблицу;

Задание 2.

Увеличьте диапазон шума до ±1.4/40.

Изменить как максимальное значение, так и минимальные значение (Maximum Value and Minimum Value) параметров для модуля «uniform noise»(«однородный шум»).

Определите количество ошибок в этом случае для 100, 1000 и 10000 переданных бит.

Вычислите теоретическое значение Pош для нового значения шума. Полученные результаты свести в таблицу

Сравните расчеты с результатами моделирования.

 

4.2 Контрольные вопросы

        

4.2.1 В каких случаях используется регистрация сигналов методом стробирования и в чём его принцип?

         4.2.2 Дайте краткую характеристику помех – однородных и гауссовских.

          4.2.3 Дать определение и основные характеристики дискретному двоичному каналу.

    

5 Лабораторная работа №5. Передача данных в канале с нормально-распределенными помехами

 

Цель работы: Исследование помехоустойчивости  каналов связи при различных видах помех.

          

5.1 Предварительная подготовка

 

Изучить разделы:

- информационные характеристики каналов связи;

- методы моделирования помех в каналах связи.

 

5.2 Рабочее задание

 

5.2.1 Исследовать влияние помех на передачу данных в канале , используя аддитивный белый гауссов шум (АБГШ или AWGN)

 

Описание работы схемы.

Откройте систему gaussian_noise_channel.svu (рисунок 5.1).

Для выполнения этой работы используется шум канала аддитивный белый гауссов шум (АБГШ или AWGN) со среднеквадратичным отклонением у = 1/40.

 

 

Рисунок 5.1

 

Для шума, имеющего значение σ2 меньше чем-1/40 вероятность выборки равна около P(n(k)<-1/40) = 0.15. Вследствии этого вероятность ошибки определяется как:

 

 

Рисунок 5.2

 

 

Рисунок 5.3

 

Вычисленное теоретическое значение вероятности ошибки равно 0.15 необходимо подтвердить с помощью моделирования. Принцип работы моделирующей установки поясняется схемой показанной на рисунке 5.3 .

Выполнение работы

Система настроена на 4000 выборок, что соответствует передаче 100 бит:

а) запустите систему, и определите в окне анализа:

общее количество ошибок, обнаруженных маркером BER;

б) запустите систему 10 раз, каждый раз подсчитывая среднее число ошибок на отдельный запуск

 

                                            

          где     nошi  - число ошибок в отдельном запуске;

                    m - число запусков.

Результаты сведите в таблицу.

в) увеличьте число выборок до 40000 (1000 переданных бит)

Определите в окне анализа:

- ошибочные биты ;

- выполните п. б) при данном числе выборок;

г) повторите предыдущий пункт при числе выборок, равном 400 000. Выполните п. б) при данном числе выборок;

д) рассчитатайте дисперсию и среднеквадратическое отклонение результатов каждого опыта для п.п. б), в) и г). Результаты сведите в таблицу.

е) увеличьте среднеквадратичное отклонение шума до 1/20. Выполните п. б) и г).

ж) вычислите теоретическую Pош для нового значения шума, повторно масштабируя ФПВ как на рисунке 4.2. Ваши результаты должны соответствовать результатам моделирования.

5.3 Контрольные вопросы

 

         5.3.1 В каких случаях используется регистрация сигналов методом стробирования и в чём его принцип?

         5.3.2 Дайте краткую характеристику помех – однородных и гауссовских.

          5.3.3 Дать определение и основные характеристики дискретному двоичному каналу.

    

6 Лабораторная работа №6. Регистрация сигналов с помощью усреднения

 

Цель работы: исследование помехоустойчивости  каналов связи при различных видах помех.

 

         6.1 Предварительная подготовка

 

Изучить разделы:

- информационные характеристики каналов связи;

- методы моделирования помех в каналах связи.

 

6.2 Рабочее задание

 

6.2.1 Исследование метода восстановления данных с помощью усреднения.

 

6.3 Указания к выполнению

 

Данные передаются по каналу, который имеет низкий уровень шумов. В лабораторной работе №3 способом восстановления данных является метод стробирования, в котором значение бита, равное 1 или -1, определялось по одной отдельно принятой выборке на середине прямоугольного импульса. Если момент осуществления выборки совпадает с уровнем шума, большим порогового уровня, то принятый бит будет ошибочным. Более высокая достоверность достигается в случае анализа полной длительности импульса.

Для достижения более высокой достоверности, до усилителя-ограничителя       необходимо проинтегрировать по длительности бит данных, произвести выборку результата и наконец, с помощью усилителя-ограничителя принять решение о значении принимаемого элемента (+1 или-1).

Описание работы схемы.

Принцип работы лабораторной установки поясняется на схеме приведённой на рисунке 6.1

 

Рисунок 6.1- Структурная схема системы с предварительным усреднением

 

Основной коррелятор производит интегрирование полученного сигнала. Интегрирование/усреднение, используемое в схеме, представляет корреляцию полученного зашумленного импульса с идеальным импульсом единичной амплитуды.

Символ интегрирования часто используется для усреднения. Модуль, используемый при моделировании в SystemView, является модулем простого скользящего среднего значения, который выводит среднее число за последние k секунды.

Выполнение работы

Откройте систему gaussian_noise_channel.svu (рисунок 6.2):

Среднее число за последние k секунды при моделировании эта величина устанавливается равной 40/92000 = 416.×10-6 ,что соответствует среднему числу последних 40 выборок. Они представляют один прямоугольный импульс.

а) установите среднеквадратичное отклонение шума равным 1/20. Предварительно вероятность ошибки может быть рассчитана так

                                

т.е. 300 бит ошибок для каждых 1000 бит (используйте интегралы вероятности ошибки из учебника, чтобы вычислить);

б) в системе gaussian_noise_chan_averg.svu (рисунок 6.2) значение прямоугольного импульса усредняется по 40 выборкам его длительности и соответствует усреднению по времени  40/96000 = 0.00041667 с. Определите усреднение в окне анализа(ошибочных бит);

 

Рисунок 6.2

в) увеличьте число выборок до 401000 = 40 000, что соответствует 1000 бит данных. Определите в окне анализа принятое число ошибочных бит (BER);

г) увеличьте шум канала еще выше до среднеквадратичного отклонения 2.5 ∙10-1. Определите в окне анализа принятое число ошибочных бит (BER).

Результат сведите в таблицу.

В этой схеме ошибка фиксируется только в том случае, если сумма предыдущих 40 шумовых выборок больше, чем 1/40. Учитывая, что канал в этом упражнении имеет нулевые помехи, появление ошибки маловероятно.

        

6.4 Контрольные вопросы

 

         6.4.1 В каких случаях используется регистрация сигналов методом стробирования?

         6.4.2 В каких случаях используется регистрация сигналов методом усреднения?

         6.4.3 Дайте краткую характеристику однородных, гауссовских и импульсных помех.

         6.4.4 Сравните по помехоустойчивости методы стробирования и метод с усреднением (интегральный).

 

7 Лабораторная работа №7. Изучение методов построения циклических кодов

          Цель работы: изучение методов построения кодеров и декодеров циклических кодов с различными видами образующих многочленов.

        

7.1 Предварительная подготовка

         7.1.1 Изучить методы кодирования и декодирования циклическими

кодами.

         7.1.2 Изучить технические средства, применяемые при кодировании и

декодировании циклическими кодами.

         7.1.3 Изучить возможности обнаружения и исправления ошибок

циклических кодов.

        

7.2 Рабочее задание

        

7.2.1 Исследовать кодирующее устройство циклического кода,

обнаруживающего одиночную ошибку.

        

7.3 Методические указания по выполнению работы

 

         7.3.1 Исследование кодирующих устройств

Все известные кодирующие устройства для любых типов циклических кодов, выполненные на регистрах сдвига, можно свести к двум типам схем. Схемы первого типа вычисляют значения проверочных символов путем непосредственного деления многочлена а(х)хm на образующий многочлен g(x). Это делается с помощью регистра сдвига, содержащего n-k разрядов (рисунок 7.1). В данной схеме коэффициенты кодируемого многочлена участвуют в обратной связи не через n-k сдвигов, а сразу с первого такта. Это позволяет устранить разрыв между информационными и проверочными символами. В исходном состоянии ключ K1 находится в положении 1.

Информационные символы одновременно поступают как в линию связи, так и в регистр сдвига, где за k тактов образуется остаток. Затем ключ К1 переходит в положение 2 и остаток поступает в линию связи.

 

Рисунок 7.1-Обобщённая схема кодера циклического кода

 

Рассмотрим процесс деления многочлена а(х)хm= (x+1)x на многочлен

g(x) = x3+x2+ 1 за k тактов.

 

Рисунок 7.2- Структурная схема кодера циклического кода 

с образующим многочленом g(x)= x3+ x2+1

 

Схема кодирующего устройства для заданного g(x) приведена на рисунке 7.2. Процесс формирования кодовой комбинации шаг за шагом представлен в таблице 7.1, где черточками отмечены освобождающиеся ячейки, занимаемые новыми информационными символами. С помощью схем второго типа вычисляют значения проверочных символов как линейную комбинацию информационных символов, т. е. Они построены на использовании основного свойства систематических кодов. Кодирующее устройство строится на основе k-разрядного регистра сдвига (рисунок 4.3). Выходы ячеек памяти подключаются к сумматору в цепи обратной связи в соответствии с видом генераторного многочлена

 

                                

В исходном положении ключ K1 находится в положении 1.  За первые k тактов поступающие на вход информационные символы заполняют все ячейки регистра. После этого ключ переводят в положение 2. На каждом из последующих тактов один из информационных символов выдается в канал связи и одновременно формируется проверочный символ, который записывается в последнюю ячейку регистра. Через n-k тактов процесс формирования проверочных символов заканчивается, и ключ K1 снова

переводится в положение 1.

 

 

             

 

Рисунок 7.3- Структурная схема кодера циклического кода с сумматорами в цепи обратной связи

 

 

Таблица 7.1

В течение последующих k тактов содержимое регистра выдается в канал связи с одновременным заполнением ячеек новой последовательности информационных символов. Рассмотрим процесс формирования кодовой комбинации с использованием генераторного многочлена для случая

Определяем генераторный многочлен

                           

Соответствующая h(x) схема кодирующего устройства приведена на рисунке 7.4.

Формирование кодовой комбинации поясняется таблице 7.2. Оно начинается после заполнения регистра информационными символами.

                    

Рисунок 7.4- Кодер циклического кода с сумматорами в цепи обратной связи

  

 

   Таблица 7.2

7.4 Выполнение работы

 

Задание 1.

 Откройте систему crc_encoder.svu (рисунок 7.5)

 

                  Рисунок 7.5- Схема исследуемого кодера циклического кода (7,4)

 

Схема осуществляет формирование циклического кода (7,4). Эта схема формирует 3 дополнительных контрольных разряда для каждых 4-х информационных символов с помощью вычисления остатка от деления на образующий полином. В течение первых 4 тактов через ключ 1 данные поступают в регистр сдвига и через ключ 2 поступают на выход устройства. После четырех тактов регистр сдвига формирует контрольные разряды. Ключ 1 размыкается, и через ключ 2 контрольные разряды поступают на выход схемы.

Образующий полином - Первое входное сообщение - {1011} (самый правый бит сначала). Определите значения выходных символов при использовании этих входных данных и указанного выше образующего многочлена. Запустите систему на выполнение и проверьте правильность полученных значений.

Задание 2.

В соответствии с вариантом соберите и проверьте правильность работы кодера циклического кода для одного из полиномов, приведенных в таблице 7.3.

 

Таблица 7.3

Схема построенного кодера и результаты работы привести в отчёте.

 

7.5 Контрольные вопросы

        

7.5.1 Какие коды называют помехоустойчивыми?

         7.5.2 За счет чего помехоустойчивый код получает способность обнаруживать и  исправлять ошибки?

         7.5.3 Запишите соотношения, связывающие минимальное кодовое расстояние с числом обнаруживаемых и исправляемых ошибок.

         7.5.4 Каким требованиям должен удовлетворять образующий многочлен циклического кода?

         7.5.5 Какие устройства составляют основу технической реализации циклических кодов?

        

8 Лабораторная работа № 8. Исследование декодирующих устройств

 

Цель работы: изучение методов построения декодеров циклических кодов с различными видами образующих многочленов.

        

8.1 Предварительная подготовка

 

         8.1.1 Изучить методы кодирования и декодирования циклическими

кодами.

         8.1.2 Изучить технические средства, применяемые при кодировании и

декодировании циклическими кодами.

         8.1.3 Изучить возможности обнаружения и исправления ошибок

циклических кодов.

        

8.2 Рабочее задание

 

         8.2.1 Исследовать декодирующее устройство циклического кода,

обнаруживающего одиночную ошибку.

        

8.3 Методические указания по выполнению работы

 

         8.3.1 Исследование декодирующих устройств

Работа схемы

Декодирующие устройства для кодов, обнаруживающих ошибки, по существу ничем не отличаются от схем кодирующих устройств. В них добавляется лишь буферный регистр для хранения принятого сообщения на время проведения операции деления. Если остатка не обнаружено (случай отсутствия ошибки), то информация с буферного регистра считывается в дешифратор сообщения. Если остаток обнаружен (случай наличия ошибки), то информация в буферном регистре уничтожается и на передающую сторону посылается импульс запроса повторной передачи. В случае исправления ошибок схема несколько усложняется. Информацию о разрядах, в которых произошла ошибка, несет, как и ранее, остаток. Схема декодирующего устройства представлена на рисунке 8.1

    

                             

              Рисунок 8.1- Структурная схема декодера циклического кода

 

 Символы подлежащей декодированию кодовой комбинации, возможно, содержащей ошибку, последовательно, начиная со старшего разряда, вводятся в n-разрядный буферный регистр сдвига и одновременно в схему деления, где за п тактов определяется остаток, который в случае непрерывной передачи сразу же переписывается в регистр второй аналогичной схемы деления. Начиная с (n+l)-го такта в буферный регистр и. первую схему деления начинают поступать символы следующей кодовой комбинации.

Одновременно на каждом такте буферный регистр покидает один символ, а в регистре второй схемы деления появляется новый остаток (синдром). Детектор ошибок, контролирующий состояния ячеек этого регистра, представляет собой комбинаторно-логическую схему, построенную с таким расчетом, чтобы она отмечала все те синдромы («выделенные синдромы»), которые появляются в схеме деления, когда каждый из ошибочных символов занимает крайнюю правую ячейку в буферном регистре.

При последующем сдвиге детектор формирует сигнал «l», который, воздействуя на сумматор коррекции, исправляет искаженный символ. Одновременно по цепи обратной связи с выхода детектора подается сигнал «1» на входной сумматор регистра второй схемы деления. Этот сигнал изменяет выделенный синдром так, чтобы он снова соответствовал более простому типу ошибки, которую еще подлежит исправить. Продолжая сдвиги, обнаружим и другие выделенные синдромы.

После исправления последней ошибки все ячейки декодирующего регистра должны оказаться в нулевом состоянии. Если в результате автономных сдвигов состояние регистра не окажется нулевым, это означает, что произошла неисправимая ошибка.

          Задание 1

Откройте систему crc_decoder.svu (рисунок 8.2)

Схема вычисляет синдром получаемых данных, защищенных циклическим кодом (7,4). Семь битов полученной комбинации поступают в регистр сдвига, с замкнутой обратной связью (ключ 1 - замкнут). После семи тактов в регистре сдвига образуется синдром ошибки. Он может быть использован для исправления ошибок. Если некоторые разряды синдрома не равны нулю, тогда в принятой комбинации имеется ошибка.

        Рисунок 8.2- Схема исследуемого декодера циклического кода (7,4)

 

При отсутствии ошибок значения всех разрядов синдрома должны быть равны нулю. Запустите систему и проверьте, что входная комбинация принята без ошибок. При передаче комбинации в канале связи вводится одиночная ошибка. Определите номер ошибочного бита. Измените время ввода ошибки и повторно запустите систему на выполнение. Проверьте правильность работы декодера в этом случае.

         Задание 2

В соответствии с вариантом  (работа №7) соберите и проверьте правильность работы декодера циклического кода для одного из полиномов, приведенных в таблице 7.3.

 

         8.4 Контрольные вопросы

 

         8.4.1 Какие коды называют помехоустойчивыми?

         8.4.2 За счет чего помехоустойчивый код получает способность обнаруживать и  исправлять ошибки?

         8.4.3 Запишите соотношения, связывающие минимальное кодовое расстояние с числом обнаруживаемых и исправляемых ошибок.

         8.4.4Каким требованиям должен удовлетворять образующий многочлен циклического кода?

         8.4.5 Какие устройства составляют основу технической реализации циклических кодов?

         8.4.6 Нарисуйте схему кодирующего устройства циклического кода и поясните ее работу.

         8.4.7 Поясните процесс декодирования циклического кода.

 

 

Список литературы 

1. Лазарев Ю.Ф. MatLAB 5.x. – К.: Издательская группа BHV, 2000 (Серия «Библиотека студента»).

2. Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов. – СПб.: Питер, 2002.

3. Гультяев А.К. MATLAB 5.2. Имитационное моделирование в среде Windows: Практическое пособие. – СПб.: КОРОНА принт, 1999.

4. Потемкин В.Г. Система MatLAB: Справочное пособие. – М.: ДИАЛОГ-МИФИ, 1997.

5. Медведев В.С., Потемкин В.Г. Control System Toolbox. MatLAB 5 для студентов. – М.: ДИАЛОГ-МИФИ, 1999.

6. Гоноровский И.С.  Радиотехнические цепи и сигналы. – М.: Радио и связь, 1994.

7. Дмитриев В.И. Прикладная теория информации. – М.: Высшая школа, 1989.

8. Назаров М.В. и др. Теория передачи сигналов. – М.: Связь, 1980.

9. Зюко А.Г. Теория передачи сигналов. – М.: Радио и связь, 1986.

10. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы. – М.: Высшая школа, 2000.

11. Бойко В.М. Основы сбора, передачи и обработки информации. Методические указания к лабораторным работам. Алматы, АЭИ, 1995.

12. Баранов А.А. Квантование по уровню и временная дискретизация в цифровых системах управления. – М., 1990.

13. Баричев С.Г. Основы современной криптографии: Учебный курс. – М.: 2001.

14. Куприянов М.С. Техническое обеспечение цифровой обработки сигналов: Справочник. – СПб.: Наука и техника, 2000.

15. Разевиг В.Д., Лаврентьев Г.В., Златин И.Л. SystemView средство

системного проектирования радиоэлектронных устройств - М.:

Горячая линия-Телеком, 2002.

16. Дмитриев В.И. Прикладная теория информации: Учебник.-М.: Высш.шк., 1989.

17. Скляр Б. Цифровая связь: Теоретические основы и практическое

применение.- М.: Вильямс, 2003.

18. Гаранин М.В., Журавлев В.И., Кунегин С.В. Системы и сети передачи информации. - М.: Радио и связь, 2000.

19. Телекоммуникационные системы и сети: Учебное пособие.- Под ред. В.П. Шувалова.-М.: Горячая линия-Телеком, 2003.

20. Передача дискретных сообщений: Учебник/Под ред. В.П. Шувалова. - М.: Радио и связь, 1990.

21. Боккер П. Передача данных. Техника связи в системах телеобработки данных./Пер. с нем. - М.: Связь, 1980.  

          Дополнительный план 2011 г., поз.