АЛМАТИНСКИЙ ИНСТИТУТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ
Кафедра телекоммуникационных систем
.
ТЕОРИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СВЯЗИ
Методические указания и задания к выполнению курсовой работы
для студентов всех форм обучения специальности
050719 – Радиотехника, электроника и телекоммуникации
Алматы 2009
СОСТАВИТЕЛИ: Г. С. Казиева, Л. И. Сарженко, Э.К. Темырканова Методические указания и задания к выполнению курсовой работы для студентов всех форм обучения специальности 050719 – Радиотехника, электроника и телекоммуникации. – Алматы: АИЭС, 2009. – 18 с.
Данная разработка предназначена для студентов всех форм обучения специальности 050719 – Радиотехника, электроника и телекоммуникации.
В методических указаниях содержатся общие положения по выполнению курсовой работы по теории электрической связи. Приводятся задания и индивидуальные исходные данные для вариантов курсовой работы, методические указания по выполнению заданий курсовой работы, требования к ее содержанию и оформлению, список рекомендуемой литературы.
Введение
История развития человеческого общества постоянно связана с обменом сведений сообщений и всем тем, что мы сегодня называем информацией между отдельными людьми и их сообществами.
Практические потребности техники связи, связанные с ее усложнением и проблемой борьбы с помехами, привели к появлению в 40-х годах науки о передаче информации на расстоянии – теории электрической связи. Именно теория электрической связи указывает перспективные направления развития техники электросвязи.
Последние годы отмечены не только интенсивным развитием волоконно-оптических систем связи, но и заметным развитием систем радиосвязи. Помимо традиционных радиорелейных и спутниковых систем радиосвязи быстро развиваются сети мобильных цифровых сотовых систем радиосвязи. Разработки систем связи последнего времени используют не только возможности современных технологий, но и достижения современной теории связи, позволяющие повысить не только объемы передаваемой информации, но и качество передачи сообщений (верность связи).
В системах электрической связи имеют место различные преобразования сигналов. Одним из важнейших преобразований сигналов является модуляция – изменение параметров некоторого сигнала- переносчика (несущего сигнала) по закону изменения мгновенных значений первичного информационного сигнала (модулирующего сигнала). Так образуется на выходе модулятора модулированный сигнал, способный с лучшим качеством передаваться по заданной линии связи.
Знание принципов и способов преобразования сигналов, классических видов модуляции необходимо специалисту по электро - и радиосвязи не только на стадии разработки систем связи, но и при их эксплуатации, так как позволяет правильно организовать борьбу с помехами для достижения требуемого качества и скорости передачи информации. Вопрос выбора вида модуляции и вида несущего сигнала для системы связи решается с точки зрения способности вида модуляции обеспечить заданное качество передачи сообщений (по верности и скорости передачи) при наличии помех, а также с точки зрения эффективности прохождения сигнала по линии связи (по каналу), простоты операций модуляции и демодуляции.
В настоящее время сигнал, несущий информацию передается по системе связи, в основном, в цифровой форме и, бурное развитие цифровых технологий во многом изменило как стиль самого понятия «радиотехника». Цифровая форма сигнала обеспечивает его более высокую помехоустойчивость, а также более эффективные способы обработки сигнала. Для преобразования аналогового сигнала (например, речевого) в цифровой сигнал необходимо выполнить несколько операций: дискретизацию, квантование и кодирование. Цифровым сигналом также можно модулировать несущее колебание и передать сигнал по системе связи, которую проектируют, исходя из способов модуляции, приема сигналов, а также требований максимальной помехоустойчивоти системы связи.
Целью данного методического указания к выполнению курсовой работы является обобщение и закрепление теоретического материала по вопросам модуляции, а также аналого-цифрового преобразования сигналов в системах связи и построению систем связи. Данный материал изложен в учебной литературе по электро- и радиосвязи, однако, рекомендуется решать вышеуказанные задачи с учетом опыта чтения лекций по дисциплине «Теория электрической связи» для студентов направления «Радиоэлектроника и телекоммуникации».
1 Общие положения по выполнению курсовой работы
1.1 Основные требования к курсовой работе
Оформление курсовой работы должно отвечать следующим основным требованиям:
- объем не должен превышать 30 рукописных листов стандартного формата А4 (210х297 мм);
- текст должен быть набран на компьютере или написан четко без помарок и исправлений с надлежащей расстановкой знаков препинания;
- чертежи выполняются на компьютере или миллиметровой бумаге черной пастой, карандашом или на кальке – тушью, должны иметь название и номер, проставляемый под рисунком;
- таблицы рассчитанных или заимствованных величин должны иметь нумерацию и названия, написанные сверху справа каждой таблицы.
1.2 Порядок оформления курсовой работы
Каждая курсовая работа должна содержать следующие разделы:
- титульный лист;
- содержание;
- введение;
- общее задание;
- исходные данные по вариантам;
- отдельные главы соответственно общему заданию;
- заключение;
- список литературы.
Курсовая работа оформляется в соответствии с правилами оформления расчетно-графических работ.
Текст общего задания переписывается полностью, из данных выбирается тот вариант, который соответствует последним двум цифрам номера зачетной книжки, и выписываются все исходные данные, касающиеся выполнения задания в соответствии с методическими указаниями. Указывается также фамилия студента и номер зачетной книжки.
2 Задание на выполнение курсовой работы
2.1 Выбор варианта задания
Каждый студент выполняет 2 задачи:
- по различным видам модуляции;
- по построению системы связи и расчетам некоторых ее параметров.
Задания на курсовую работу включают в себя 100 вариантов. Номер варианта выбирается в соответствии с двумя последними цифрами номера зачетной книжки.
2.2 Общее понятие о модуляции. Виды модуляции
Первичные сигналы, поступающие из источника сообщений (микрофон, передающая телевизионная камера и т.п.), как правило, не могут быть непосредственно переданы по радиоканалу или оптическому каналу, так как являются низкочастотными.
Чтобы осуществить эффективную передачу сигналов в какой-нибудь направляющей среде, необходимо использовать сигналы, соответствующие параметрам этой среды. Как правило, необходимо перенести спектр сигналов, содержащих сообщение из низкочастотной области в область высоких частот, тех частот, которые способны распространяться в данной среде наилучшим образом. Эта процедура переноса получила в радиотехнике название модуляции.
Для осуществления модуляции в передатчике формируется
вспомогательный высокочастотный сигнал, называемый несущим колебанием
.
Модуляция – это процесс изменения одного или нескольких параметров несущего колебания по закону изменения мгновенных значений первичного информационного (модулирующего) сигнала, воздействующего на него.
В подавляющем большинстве случаев используется изменение одного из параметров несущего сигнала при постоянстве остальных его параметров.
Параметр несущего сигнала, изменяющийся во времени под
воздействием модулирующего сигнала, называется информационным, так как в
его изменении заложено передаваемое сообщение, несущее информацию. Первичный
информационный сигнал 
является модулирующим сигналом, устройство, осуществляющее модуляцию – модулятором. Вторичный
сигнал, полученный в результате модуляции несущего сигнала – модулированный
сигнал 
.
Любой модулятор (рисунок 1.1) имеет два входа и один
выход. Здесь: – первичный, информационный (модулирующий) сигнал,
несущий сообщение (информацию); – несущее колебание (сигнал-переносчик), параметры
которого соответствуют параметрам линии (канала); –модулированный
ВЧ сигнал.
Рисунок 1.1 – Структурная схема модулятора
Таким образом, назначение модуляции с информационной точки зрения – введение передаваемого сообщения, несущего информацию, в несущий сигнал, соответствующий параметрам линии (канала).
Кроме того, главной особенностью любой модуляции является преобразование спектра информационного модулирующего сигнала в процессе модуляции, из-за чего модуляторы часто называют преобразователями частоты. В общем случае происходит расширение спектра, а при гармоническом несущем сигнале спектр информационного сигнала переносится в область частот в окрестность частоты несущего сигнала (обычно из НЧ диапазона в ВЧ диапазон).
Модулированные сигналы и виды модуляции различаются по виду несущего сигнала и по модулируемому (информационному) параметру. Наиболее часто в качестве несущего сигнала используются:
- гармоническое колебание (при аналоговой и дискретной модуляциях);
- периодическая последовательность видеоимпульсов (при импульсной модуляции). В таблице 1.1 дана общая классификация видов модуляции по виду несущего и модулирующего сигналов.
Таблица 1.1 – Общая классификация видов модуляции
|
Вид модуляции |
Вид модулирующего (информационного) сигнала
|
Вид несущего сигнала
|
|
Аналоговая |
Аналоговый |
Аналоговый (обычно гармонический) |
|
Дискретная (цифровая) |
Дискретный (двоичный или цифровой) |
Аналоговый (обычно гармонический) |
|
Импульсная |
Аналоговый |
Импульсный (обычно периодическаяпоследовательность прямоугольных видеоимпульсов) |
Даже при гармоническом несущем сигнале теоретически возможно бесконечное число видов модуляции. Практически в настоящее время в системах связи используются более пятидесяти видов модуляции, и число их продолжает расти. Это связано с тем, что различные виды модуляции имеют разную помехоустойчивость, ширину спектра и сложность реализации модуляторов и демодуляторов.
Вопрос выбора вида модуляции и вида несущего сигнала для системы связи решается с точки зрения эффективности прохождения сигнала по линии связи (по каналу) и простоты операций модуляции и демодуляции. При этом учитывается способность вида модуляции обеспечить заданное качество передачи сообщений (по верности и скорости передачи) при наличии помех.
Задача 1
Заданы: несущее колебание
;
(1.1)
модулирующий сигнал
(1.2)
где U0 - амплитуда несущего колебания, В;
ω0 - частота несущего колебания, рад;
φ - начальная фаза несущего колебания, рад;
S0 - амплитуда модулирующего колебания, В;
Ώ – частота модулирующего колебания, рад;
Ψ – начальная фаза модулирующего колебания, рад.
Требуется:
а) в соответствии с вариантом записать аналитические выражения амплитудно-модулированного колебания с коэффициентом модуляции М; частотно-модулированного колебания с девиацией частоты ωд; фазо-модулированного колебания с индексом модуляции m;
б) изобразить качественно графики несущего, модулирующего и модулированного АМ, ЧМ и ФМ колебаний (временные диаграммы);
в) построить амплитудно-частотный и фазо-частотный спектры АМ, ЧМ и ФМ колебаний.
Исходные данные к задаче приведены в таблицах 1.2 и 1.3
Таблица 1.2
|
Предпоследняя цифра номера зачетной книжки |
0 |
1 |
2 |
3 |
4
|
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
|
U0, В |
3,4 |
1,2 |
2,6 |
1,5 |
0,8 |
0,7 |
0,4 |
1,2 |
0,2 |
3,2 |
|
f0 , МГц |
8,1 |
2,0 |
3,0 |
3,6 |
4,2 |
5,1 |
6,2 |
7,1 |
4,1 |
2,2 |
|
φ0 , рад |
π/10 |
π/4 |
4/3 |
π/5 |
π/6 |
π/18 |
π/12 |
π/18 |
π/9 |
π/7 |
|
S0 , В |
1.3 |
0,3 |
0,4 |
0,5 |
0,6 |
0,7 |
0,8 |
0,9 |
1,1 |
1,2 |
|
F, кГц |
1,8 |
0,4 |
0,6 |
0,8 |
1,2 |
2,4 |
4,2 |
2,6 |
3,2 |
3,6 |
|
Ψ, рад |
0 |
π/10 |
π/9 |
π/8 |
π/7 |
π/6 |
π/5 |
π/4 |
π/3 |
π/2 |
Таблица 1.3
|
Последняя цифра номера зачетной книжки |
9 |
8 |
7 |
6 |
5 |
4 |
3 |
2 |
1 |
0 |
|
ωд,, кГц |
1,6 |
1,25 |
1,4 |
1,0 |
1,2 |
1,65 |
1,5 |
1,3 |
1,35 |
1,55 |
|
m |
6 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
2 |
3 |
5 |
|
Глубина модуляции k, % |
50 |
30 |
40 |
60 |
70 |
80 |
45 |
65 |
75 |
85 |
Методические указания к задаче 1
С материалом по амплитудной (АМ), угловой (ЧМ и ФМ) модуляциями можно ознакомиться в литературе [4; с. 72–109; 8; с. 56-70; 9; с.107-129].
Следует уяснить, что в гармоническом несущем колебании
можно изменять пропорционально модулирующему колебанию
,
однозначно связанному с передаваемым сообщением,
амплитуду 
;
начальную фазу 
;
частоту 
.
В соответствии с этим получим амплитудно-модулированное (АМ), фазомодулированное (ФМ) и частотно-модулированное (ЧМ) колебания.
Полная фаза АМК - 
;
ФМК - 
;
ЧМК - 
.
Аналитические выражения для мгновенных значений тонально - модулированных колебаний в общем случае имеют вид
АМК:
, (1.3)
где
; (1.4)
ФМК:
, (1.5)
где
;
(1.6)
ЧМК:
, (1.7)
где
.
(1.8)
В развернутом виде, удобном для построения спектрограмм модулированных колебаний, выражения для мгновенных значений тональных модулированных колебаний преобразуем к виду
АМК 
(1.9)
Так как 
в равной степени соответствует ЧМК и ФМК, для построения выражения в развернутом виде для колебаний с угловой модуляцией воспользуемся соотношениями из теории Бесселевых функций и получим
(1.10)
где
Jn(m) – функции Бесселя первого рода n – го порядка с индексом m в качестве аргумента. Значения функций Бесселя приведены в таблице приложения. Учитываем, что:
- для нечетных n J-n(m)= - Jn(m);
- для четных n J-n(m)=Jn(m).
На рисунке 1.2 показаны спектры низкочастотного и несущего сигналов в отсутствии модуляции, а также амплитудный и фазовый спектры амплитудно-модулированного колебания.
Примечание:
Для получения аналитического выражения ЧМ-колебания необходимо вычислить индекс угловой модуляции m, соответствующий заданному ЧМ-колебанию. Если полученный индекс угловой модуляции будет гораздо меньше единицы, то выражение модулированного колебания примет вид
(1.11)
Амплитудный и фазовый спектры такого ЧМ-колебания похожи на спектр АМ-колебания, но в амплитудном спектре нижняя боковая составляющая имеет отрицательное значение.
Спектры колебания с угловой модуляцией при индексе модуляции m больше единицы имеют более сложную структуру, чем спектры однотонального АМ-сигнала. В курсовой работе достаточно вычислить пять значений амплитуд верхних боковых составляющихи пять значений амплитуд нижних боковых составляющих по формуле (1.11). Это же касается фаз.
Рисунок 1.2 – Спектрограмма АМ-колебания:
а) спектры ВЧ и НЧ-колебания в отсутствии модуляции; б) амплитудный спектр АМ-колебания; в) фазовый спектр АМ-колебания.
Контрольные вопросы к задаче 1
1.1 Для каких целей используется модуляция в системах связи?
1.2 Перечислите основные параметры АМ, ЧМ и ФМ сигналов. Какие ограничения накладываются на их значения?
1.3 Какое свойство функций Бесселя позволяет считать спектр сигналов с угловой модуляции ограниченным?
1.4 Как рассчитать ширину спектров АМ, ЧМ и ФМ сигналов?
1.5 Как изменится ширина спектров однотональных АМ, ЧМ и ФМ сигналов, если частоту модулирующего сигнала увеличить вдвое? Если амплитуду модулирующего сигнала увеличить вдвое? Почему?
1.6 Какова причина искажений модулированных сигналов, наблюдаемых при перемодуляции?
1.7 В каком соотношении обычно находятся между собой частоты несущего и модулирующего колебаний?
1.8 Чем принципиально отличаются осциллограммы сигналов с балансной амплитудной модуляцией и обычных АМ сигналов?
1.9 В чем заключаются сходство и различия между сигналами с ЧМ и ФМ?
1.10 Как связаны между собой частота модуляции, индекс и девиация частоты при ЧМ и ФМ?
2. 3 Помехоустойчивость приема дискретных сигналов. Способы приема дискретных сигналов
Под потенциальной помехоустойчивостью понимают предельно достижимую помехоустойчивость при заданных сигналах и видах помех. Ее нельзя превысить никакими способами обработки сигналов при существующей помехе в заданной системе связи.
Приемник, обеспечивающий максимальную (потенциальную) помехоустойчивость приема, называют оптимальным.
Помехоустойчивость приема дискретных сигналов оценивается вероятностью ошибки при приеме заданных сигналов. Он зависит от вида модуляции и от способа приема. Для передачи дискретных сигналов используют дискретную амплитудную (ДАМ), частотную (ДЧМ), фазовую (ДФМ), относительную фазовую (ДОФМ) модуляции.
Наибольшую потенциальную помехоустойчивость (возможную минимальную вероятность ошибки) дает система с ДФМ, затем идут системы с ДОФМ, ДЧМ, ДАМ. Использование ДФМ дает энергетический выигрыш по сравнению с ДЧМ в 2 раза (на 3дБм), а по сравнению с ДАМ – в 4 раза (на 6 дБм). ДОФМ использует преимущества ДФМ. Данный вид модуляции менее помехоустойчив, чем ДФМ и более помехоустойчив, чем ДАМ. По сравнению с ДЧМ, ДОФМ более помехоустойчива при малых помехах и менее помехоустойчива при сильных помехах.
ДЧМ используется при необходимости обеспечить помехоустойчивость, в каналах с высоким уровнем помех, где ДОФМ и ДАМ дают меньшую помехоустойчивость. Используется чаще всего в радиоканалах с высоким уровнем помех при высокой скорости передачи.
Существуют два способа приема:
- когерентный, где при демодуляции используется информация о фазе принимаемого сигнала выносятся по мгновенным значениям напряжениям сигнала;
- некогерентный, при котором сведения о фазе сигнала не используются, а решения о принимаемом сигнале выносятся по значениям его огибающей.
Эти способы приема могут использоваться для любых видов модуляции. Когерентные методы приема требуют значительного усложнения схем приемника, для оценки фазы принимаемого сигнала. Поэтому здесь целесообразно использовать ДФМ, дающую наибольшую помехоустойчивость, а некогерентный прием лучше совмещать с ДАМ и ДЧМ, что упрощает схемы приемников и определяет менее жесткие требования к стабильности частоты сигнала.
В каналах различного типа есть ограничения на вид модуляции и способа приема. В каналах с быстрыми флуктуациями фазы и частоты неэффективно использовать ДФМ и ДЧМ (усложняются схемы приемников, что не окупается достигнутым при этом увеличением помехоустойчивости). Систему с ДФМ нельзя использовать при некогерентном приеме так как. при ДФМ информация заложена в изменении фазы сигнала, а при неизвестной или неопределенной фазе сигналов они неразличимы.
В каналах с неопределенной фазой сигнала на приеме приходится отказываться от применения когерентного метода приема даже в тех случаях, когда с помощью сложных устройств можно оценить начальную фазу принимаемого сигнала. При этом используют алгоритм приема, построенный в предположении, что начальная фаза принимаемого сигнала неизвестна, т.е. некогерентный способ приема.
Однако в каналах с медленными флуктуациями фазы путем ее оценки можно достаточно надежно предсказать ее на интервале анализа. При этом можно реализовать оптимальный когерентный прием, так как фаза изменяется достаточно медленно, и разности фаз между соседними единичными элементами практически сохраняются. Здесь вполне возможен когерентный прием с применением ДОФМ. Тоже и с ДЧМ в каналах с медленными флуктуациями частоты.
Оптимальный когерентный приемник ДЧМ сигналов является оптимальным в каналах с медленными флуктуациями фазы и частоты, позволяющими реализовать когерентность приема при требовании обеспечения высокой помехоустойчивости.
Задача 2
Разработать структурную схему системы связи и рассчитать основные ее параметры, а именно:
а) разработать структурную схему системы связи для заданного вида модуляции и способа приема;
б) предполагая, что передаваемый информационный сигнал является аналоговым с шириной спектра F, описать преобразования, которым он подвергается в АЦП при переходе к цифровому ИКМ сигналу (число уровней квантования М, код двоичный);
в) определить тактовый интервал ТТ длительность единичного элемента кодовой комбинации и скорость передачи информации ИКМ сигнала в N-канальной цифровой системе передачи (в качестве положительного импульса взять число, равное двум последним цифрам зачетной книжки, а в качестве отрицательного символа взять половину выбранного числа) шаг квантования равен Δ=2 у. е.;
г) определить полосу пропускания канала системы связи.
Исходные данные к задаче приведены в таблицах 2.1, 2.2 и 2.3.
Таблица 2.1
|
Последняя цифра номера варианта |
Вид модуляции и способ приема |
|
1, 7 2, 8 3, 9 4, 0 5
6 |
ДАМ, оптимальный когерентный прием ДАМ, неоптимальный прием ДЧМ, оптимальный когерентный прием ДЧМ, неоптимальный прием ДОФМ, оптимальный когерентный прием (сравнение полярности) ДОФМ, неоптимальный прием (сравнение фаз) |
Таблица 2.2
|
Предпоследняя цифра номера варианта |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
|
F, кГц
М |
25
128 |
5
128 |
20
256 |
600
512 |
20
256 |
10
128 |
35
256 |
3
512 |
15
512 |
100
128 |
Таблица 2.3
|
Последняя цифра номера варианта |
0
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
|
N |
1 |
3 |
6 |
8 |
10 |
20 |
18 |
15 |
17 |
13 |
Методические указания к задаче 2
Структурная схема простейшей системы связи показана на рисунке 2.1.
Каждый элемент схемы выполняет определенную функцию. Устройство, преобразующее сообщение в сигнал, называется передающим, а устройство, преобразующее принятый сигнал в сообщение – приемным.
Рисунок 2.1 – Структурная схема системы связи
1 – источник сообщений а;
2 – преобразователь непрерывных сообщений а, в непрерывный аналоговый сигнал Ua(t);
3 – АЦП – аналого-цифровой преобразователь, преобразующий аналоговый первичный сигнал Ua(t) в цифровой Uц(t);
4 – кодер – для преобразования цифрового сигнала Uц(t) в кодовые комбинации простого двоичного помехоустойчивого кода с проверкой на четность Uцк(t);
5 – модулятор – для преобразования первичного закодированного цифрового сигнала Uцк(t) во вторичный высокочастотный сигнал Uм(t), лучше проходящий по линии связи. Это дискретный модулятор, в котором информация вкладывается в изменение параметра несущего гармонического сигнала, по закону изменения значений первичного, информационного цифрового сигнала Uцк(t);
6 – выходное устройство, формирующее сигнал UПРД(t), включающее в большинстве случаев усилитель сигналов, полосовой фильтр, ограничивающий полосу частот сигнала для уменьшения помех взаимного влияния в различных каналах, согласующее устройство передатчика с линией связи;
7 – линия связи – физическая среда для передачи сигнала;
8 – источник помех ξ (t), вызывающий отклонения принятых сигналов от переданных (к приемнику приходит не сигнал UПРД(t), а сигнал UПРМ=UПРД(t)+ξ(t));
9 – входное устройство, производящее фильтрацию входного сигнала UПРМ для уменьшения уровня помех на входе демодулятора, усиление сигнала и согласование приемника с линией связи для получения сигнала Ûм(t);
10 – демодулятор, служащий для обратного преобразования принятого ВЧ сигнала Ûм(t) в первичный цифровой низкочастотный сигнал Ûцк(t), несущий информацию (информационный сигнал выделяется из того параметра ВЧ сигнала, в который он был заложен при модуляции);
11 – декодер, который декодирует кодовые комбинации помехоустойчивого кода Ûцк(t) с целью обнаружения ошибок в ней Ûц(t) (код с проверкой на четность сигнализирует о наличии ошибки в принятой кодовой комбинации, но не может указать количество ошибок их местоположение);
12 – ЦАП – цифро-аналоговый преобразователь, который преобразует цифровой сигнал Ûц(t) в аналоговый сигнал Ûa(t);
13 – преобразователь аналогового сигнала Ûa(t) в сообщение â;
14 – получатель сообщений.
Для преобразования аналогового сигнала в цифровой сигнал в АЦП осуществляются последовательно три операции:
- дискретизация аналогового сигнала во времени, то есть замена исходного аналогового сигнала Ua(t) его дискретными отчетами Uд(nTд), взятыми через интервал времени (интервал дискретизации Tд), который выбирается согласно теореме Котельникова: Tд ≤ 1/2Fв, где Fв – верхняя частота в спектре аналогового сигнала (для НЧ сигнала в спектре которого есть постоянная составляющая Tд ≤ 1/2ΔF, с, где ΔF –ширина спектра сигнала, Гц);
- квантование дискретных отсчетов сигнала по амплитуде (по уровню), т.е. замена значений дискретных отсчетов Uд(nTд) на значение ближайших разрешенных уровней квантования – Uкв(nTд);
- кодирование номеров уровней, соответствующих значениям квантованных отсчетов сигналов (кодирование заключается в замене квантованных отсчетов кодовыми комбинациями двоичного кода номера уровня квантования, которому соответствует значение квантованного отсчета).
Порядок преобразования сигнала из аналогового в цифровой приведен на рисунке 2.2
Рисунок 2.2 – Преобразование сигнала из аналогового в цифровой
Импульсно – кодовый модулирований сигнал (ИКМ) – это последовательность К-разрядных кодовых комбинаций двоичного кода. Код симметричный двоичный. В нем 1-й элемент кодирует знак напряжения (полярность): положительное напряжение – «1», отрицательное напряжение – «0». Последующие (К-1) элементов кодируют информационный символ и определяются по номеру уровня квантования. Общее количество элементов (разрядов) кодовой комбинации определяется числом уровней квантования – М по формуле: K =log2М+1.
В реальных цифровых системах частоту дискретизации Fд выбирают большей, чем 2ΔF-Fд>2ΔF для создания полосы расфильтровки в спектре дискретизованного АИМ сигнала, что облегчает восстановление аналогового сигнала по дискретным отсчетам на приемной стороне. Кроме того Fд выбирают кратной частоте 8 кГц для унификации цифровых систем передачи.
Например, если ΔF= 10 кГц, М=512, то:
- частота дискретизации по формуле Fд>2ΔF равна 2*10=20 кГц, а с учетом полосы расфильтровки и кратности 8 кГц, частота дискретизации равна Fд =24 кГц;
- интервал дискретизации (период, шаг дискретизации) определяется по формуле Tд=1/Fд и равен Tд = 1/24*103 = 41,7*10-6 с =41,7мкс;
- длина кодовой комбинации с
учетом знака полярности равна 
элементов.
1. Если в качестве импульса положительной полярности, который необходимо закодировать (соответствующего двум последним цифрам зачетной книжки) выбрано число 53, а в качестве импульса отрицательной полярности выбрано вдвое меньшее число, т. е. 26,5, то
Uд1=53 y.e. Uд2= -26,5 y.e. Uкв1= 52 y.e. Uкв2= -26 y.e.
Кодовые комбинации номера уровней квантования соответственно равны:
52 у.е.: так как шаг квантования равен Δ=2 у.е., кодируем число 26.
2610=110102, разрядность с учетом знака полярности равна 10, следовательно, кодовая комбинация имеет вид 1000011010;
-26 у. е.: Δ=2 у.е., кодируем число -13.
1310=11012, дополняем полученное число знаковым символом и нулями для получения разрядности 10. Получим 0000001101.
Графические кодовые комбинации номеров уровней квантования показаны на рисунке 2.3.
Рисунок 2.3 – Графическое изображение уровней квантования (уровни дискретизированного сигнала), которые необходимо закодировать
Изобразим временные диаграммы кодовых комбинаций в виде импульсов (1 – импульс есть, 0 – импульс отсутствует), как показано на рисунке 2.4.
Рисунок 2.4 – Временные диаграммы кодовых комбинаций простого кода
2. При кодировании помехоустойчивым (корректирующим) кодом, с проверкой на четность, который позволяет обнаружить наличие ошибки в кодовой комбинации, к информационной кодовой комбинации длиной «К» элементов добавляется один проверочный элемент, доводящий число единиц в полной кодовой комбинации до четного числа. Проверочный элемент ставится в конце кодовой комбинации после информационных элементов. Длина кодовой комбинации кода с проверкой на четность равна n =K+1 , где К – длина кодовой комбинации простого кода.
Проверочный элемент r определяется суммой по модулю два информационных элементов кодовой комбинации простого кода
,
где 
– сумма по модулю два;
К1 , К2 , Кk – элементы кодовой комбинации простого двоичного кода.
Для кодовой комбинации 1000011010: r= 1+0+0+0+0+1+1+0+1+0 = 0.
Полная кодовая комбинация кода с проверкой на четность имеет вид (длина кодовой комбинации n=k+r)
10000110100 К=10, n=11 Код (11,10).
Для кодовой комбинации 0000001101: r= 0+0+0+0+0+0+1+1+0+1=1.
Полная кодовая комбинация 0000001101.
Временная диаграмма цифрового сигнала, закодированного кодом с проверкой на четность, показана на рисунке 2.5.
Рисунок 2.5 – Временные диаграммы кодовых комбинаций кода с проверкой на четность
3. Кодирование осуществляется в кодерах, структурная схема которого с проверкой на четность показана на рисунке 2.6.
Рисунок 2.6 – Структурная схема кодера кода с проверкой на четность
4. Длительность единичного элемента кодовой комбинации цифрового ИКМ сигнала с проверкой на четность определяется, исходя из величин интервала дискретизации – Тj и длины кодовой комбинации кода с проверкой на четность n. Ее называют тактовым интервалом – Ттакт, а частоту следования элементов – тактовой частотой – Fтакт.
Ттакт = Тд/n, c; Fтакт = 1/Ттакт, Гц; или Fтакт =nFд, Гц и Ттакт = 1/Fтакт, Гц;
Ттакт = 1/264*103 = 3,8*10-6 = 3,8 мкс; Fтакт = 24*11 = 264 кГц.
Требования к выполнению задачи 2
1. Структурная схема должна включать на передающей стороне источник непрерывных сообщений преобразователь сообщения в аналоговой сигнал, устройства преобразования аналогового сигнала в цифровой ИКМ сигнал, модулятор, фильтр и устройства обратно преобразования на приемной стороне.
Отдельно нарисовать более подробные схемы модулятора и демодулятора в соответствии с заданным видом модуляции и способом приема. Записать алгоритмы их работы. Нарисовать осциллограммы и спектральные диаграммы сигналов на входе и выходе модулятора и демодулятора.
2. Определить интервал дискретизации Тд сигнала, верхнюю частоту спектра аналогового сигнала взять равной Fв = F, квантование равномерное, код – двоичной симметричный.
3. Учесть использование одного канального интервала для передачи синхросигнала.
4. Полоса пропускания канала определяется исходя из ширины спектра модулированного сигнала:
Fдам = Fдофм =2/T; Fдчм = 4/T;
где Т – длительность единичного элемента.
Составить кодовые комбинации цифрового ИКМ сигнала, в соответствии с заданным числом уровней квантования М. Уровень сигнала равен номеру своего варианта с положительным знаком (две последние цифры зачетной книжки) и половине номере варианта с отрицательным знаком. В случае превышения номера варианта над заданным количеством уровней квантования взять отсчеты, соответствующее уровням номера половины и четверти номера варианта.
Контрольные вопросы к задаче 2
2.1 Какое приемное устройство (решающую схему) называют оптимальной?
2.2 Что понимают под алгоритмом работы приемника (решающей схемой)?
2.3 Поясните смысл критерия идеального наблюдателя (Котельникова) при передаче дискретных сообщений.
2.4 Что понимают под потенциальной помехоустойчивостью системы связи?
2.5 В чем заключается явление «обратной работы», наблюдаемое в системах ФМ?
2.6 Почему в системах ОФМ можно успешно бороться с явлением «обратной работы»?
2.7 Какой схемой осуществляется оптимальный когерентный прием сигналов ОФМ и как определяется вероятность ошибочного приема в этой схеме при учете флуктуационного шума в канале?
2.8 Как можно записать алгоритм оптимального некогерентного приема дискретных сообщений при неопределенной фазе сигнала?
2.9 Как определяется вероятность ошибки при оптимальном приеме сигнала ОФМ и неопределенной фазе?
2.10 Поясните возможности повышения качества систем связи (особенно в каналах с замиранием) за счет разнесенного приема.
Приложение А
Таблица А1 – Функции функций Бесселя первого рода для больших индексов модуляции
|
n |
Jn(1) |
Jn(2) |
Jn(3) |
Jn(4) |
Jn(5) |
Jn(6) |
Jn(7) |
|
0 |
0,765 |
0,224 |
-0,260 |
-0,397 |
-0,178 |
0,150 |
0,300 |
|
1 |
0,440 |
0,577 |
0,339 |
-0,066 |
-0,328 |
-0,277 |
-0,005 |
|
2 |
0,115 |
0,353 |
0,486 |
0,364 |
0,047 |
-0,243 |
-0,301 |
|
3 |
0,020 |
0,129 |
0,309 |
0,430 |
0,365 |
0,115 |
-0,168 |
|
4 |
0,003 |
0,034 |
0,132 |
0,281 |
0,391 |
0,358 |
0,158 |
|
5 |
|
0,007 |
0,043 |
0,132 |
0,261 |
0,362 |
0,348 |
|
6 |
|
0,001 |
0,011 |
0,049 |
0,131 |
0,246 |
0,339 |
|
7 |
|
|
0,003 |
0,015 |
0,053 |
0,130 |
0,234 |
|
8 |
|
|
|
0,004 |
0,018 |
0,057 |
0,128 |
|
9 |
|
|
|
|
0,006 |
0,021 |
0,059 |
|
10 |
|
|
|
|
0,001 |
0,007 |
0,024 |
|
11 |
|
|
|
|
|
0,002 |
0,008 |
|
12 |
|
|
|
|
|
|
0,003 |
П р и м е ч а н и я
1 Значения функций Бесселя, равные нулю, означают не абсолютное их равенство нулю, а очень малую величину, которой можно пренебречь.
2 Отрицательные значения функций Бесселя говорят о начальной фазе этих составляющих, равных 1800 (π радиан).
Список литературы
1. Теория электрической связи: Учебник для вузов/ Зюко А.Г., Кловский Д.Д., Коржик В.И., Назаров М.В. - М.: Радио и связь, 1999.
Дополнительная литература
2. Зюко А.Г., Кловский Д.Д., Назаров М.В., Финк Л.М. Теория передачи сигналов. - М.: Радио и связь, 1986.
3. Кловский Д.Д., Шилкин В.А. Теория электрической связи. Сб. задач и упражнений: Учебное пособие для вузов. - М.: Радио и связь, 1990.
4. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. - М.: Радио и связь, 1986.
5. Кловский Д. Д.Теория передачи сигналов. – М.: Радио и связь, 1973.
6. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы. - М.: Высшая школа, 2000.
7. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы. Руководство к решению задач. – М.: Высшая школа, 2002.
8. Панфилов И. П., Дырда В. Е. Теория электрической связи. – М.: Радио и связь,1991.
9. Нефедов В.И. Основы радиоэлектроники и связи. – М.: Высшая школа, 2002.
10. Емельянов Г. А., Шварцман В. О. Передача дискретной информации. – М.: Радио и связь,1982.
11. Справочник по специальным функциям с формулами, графиками и математическими таблицами / Под ред. М. Абрамовица и И. Стиган. – М.: Наука,1979.
12. Прудников А.П. и др. Интегралы и ряды. Элементарные функции. – М.: Наука, 1981.
Содержание
|
Введение…………………………………………………………... |
3 |
|
1 Общие положения по выполнению курсовой работы……….. |
4 |
|
2 Задание на выполнение курсовой работы |
5 |
|
Приложение А |
21 |
|
Список литературы |
22 |