АЛМАТИНСКИЙ ИНСТИТУТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ

Кафедра телекоммуникационных систем

 

ТЕОРИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СВЯЗИ

  

 Методические указания и задания к выполнению расчетно-графической работы

для студентов очной формы обучения специальности

 050719 – Радиотехника, электроника и телекоммуникации

 

Алматы 2009 

 

СОСТАВИТЕЛИ: Г. С. Казиева, Л. И. Сарженко, Э. К. Темырканова. Теория электрической связи. Методические указания и задания к выполнению расчетно-графической работы для студентов всех форм обучения специальности 050719 – Радиотехника, электроника и телекоммуникации. – Алматы: АИЭС, 2009. – 19 с. 

Данная разработка предназначена для студентов всех форм обучения  специальности 050719 – Радиотехника, электроника и телекоммуникации.

В методических указаниях к изучению курса приводятся задания и исходные данные для вариантов расчетно-графической работы, методические указания по выполнению расчетно-графической работы, требования к ее содержанию и оформлению, список рекомендуемой литературы.

Введение 

Курс «Теория электрической связи» является обязательным предметом для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности 050719 – Радиотехника, радиоэлектроника и телекоммуникации, и включается в учебные планы в качестве базовой дисциплины.

Цель курса – изучение основных закономерностей передачи информации в телекоммуникационных системах с помощью электрических сигналов. Изучаются также виды сигналов, параметры сигналов и методы преобразования сигналов. Кроме того, студенты должны ознакомиться с основными концепциями, моделями и принципами построения телекоммуникационных систем и сетей, методами помехоустойчивого кодирования, оптимального приема сообщений, принципами многоканальной передачи, вопросами оптимизации систем связи, современными тенденциями развития и стандартами в области телекоммуникаций.

Задачи курса: в результате изучения дисциплины у студентов должны сформироваться знания, навыки и умения, позволяющие самостоятельно проводить математический анализ электрических сигналов, физических процессов в аналоговых и цифровых устройствах формирования, преобразования и обработки сигналов, оценивать реальные и предельные возможности пропускной способности и помехоустойчивости телекоммуникационных систем.

В курсе ТЭС принят единый методологический подход к анализу и синтезу современных телекоммуникационных систем и устройств на основе вероятностных моделей сообщений, сигналов, помех и каналов в системах связи. Теоретической базой курса ТЭС являются основные сведения из дисциплин естественно-научного и профессионального циклов: математики, информатики, физики, теории вероятностей и математической статистики, теории электрических цепей, основ радиотехники и электроники, основ схемотехники. Предусмотренные программой ТЭС знания являются не только базой для последующего изучения специальных дисциплин базового и профилирующего циклов, но имеют также самостоятельное значение для формирования дипломированных специалистов направлений телекоммуникации.

 В рамках учебного плана в 4 кредита из 180 часов, выделенных на изучение дисциплины ТЭС, аудиторные занятия составляют 68 часов (лекции – 34 час, практические занятия – 17 час, лабораторные занятия – 17 час). Оставшиеся 112  часов выделены на самостоятельные занятия студентов, в том числе и на СРСП (самостоятельная работа студентов с преподавателем). Предусмотрено выполнение и защита 1 расчетно-графической работы (РГР), 1 курсовой работы, лабораторных работ и сдача экзамена по курсу.

Расчетно-графическая работа (РГР), выполняемая студентами в процессе учебы, поможет студентам более основательно освоить разделы курса ТЭС, получить навыки в решении задач, встречающихся в практике.

В РГР вошли четыре задачи по различным разделам дисциплины ТЭС.

Прежде чем приступить к выполнению заданий по РГР, ознакомьтесь с

требованиями по выполнению и оформлению РГР, а также с порядком выбора варианта.

Защита расчетно-графической (РГР) работы проводится до экзамена в назначенное преподавателем время. Без защищенной РГР студент к экзамену не допускается.

На основании посещения студентами лекций и практических занятий, результатов защиты РГР, курсовой работы и лабораторных работ преподаватель определяет рейтинг допуска студента к экзамену по дисциплине. Перед экзаменом проводится обязательное тестирование. Результаты тестирования могут войти в рейтинг допуска (по усмотрению преподавателя). Вес рейтинга допуска в общей оценке знаний студента составляет 60%.

Затем необходимо сдать экзамен по дисциплине. В экзаменационный билет входят 1 задача и 2 теоретических вопроса. Вес результатов, полученных на экзамене, составляет 40% в общей итоговой оценке знаний студента. Однако, если оценка знаний, полученная студентом на экзамене, меньше, чем 50%, студент получает общую неудовлетворительную оценку и результаты рейтинга допуска аннулируются. 

Алматинский институт энергетики и связи просит студентов бережно относиться к методической литературе, выпускаемой институтом. 

 

1 Требования к выполнению и оформлению РГР 

1.1  Выбор варианта

 

Вариант задания выбирается по  таблицам и рисункам, соответствующих номеров задач. 

 

1.2 Требования к выполнению РГР

 

Решение каждой задачи следует начать с изучения относящегося к теме задания теоретического материала. В этом поможет учебная литература, приведенная в методических указаниях к решению каждой задачи. Выполнять задания нужно вдумчиво, четко представляя ход решения, умея обосновать полученный результат. Выполненная работа сдается на проверку  преподавателю (рецензенту). После проверки, если работа не допущена к защите, она возвращается на доработку. Студент должен или переделать ее, или исправить все отмеченные ошибки и выполнить все указания рецензента в соответствии с его замечаниями, а затем работа вновь отдается на рецензию. Все исправления и дополнения, сделанные по указаниям рецензента, помещаются на чистой стороне листа в том месте, где обнаружены ошибки или заданы вопросы. При решении рекомендуется использовать Mathcad и другие прикладные программы.

Проверенная работа должна быть защищена. После допуска к защите, студент защищает ее в назначенное преподавателем время. Для  успешной защиты необходимо: внести исправления по замечаниям рецензента, ответить письменно или устно (в зависимости от требований рецензента) на поставленные вопросы, уметь полностью объяснить ход решения задач, обосновать правильность использования расчетных формул, смысл входящих в них символов, уметь обосновать полученный результат.

  Следует помнить, что работа, выполненная небрежно, не полностью или не по своему варианту, с отклонениями от стандарта по оформлению РГР, не рецензируется и возвращается студенту на переоформление, доработку или переделку по своему варианту.

Рекомендуется выполнять, сдавать на проверку и защищать РГР по частям, по мере изучения материала на теоретических занятиях в сроки, установленные преподавателем, но в окончательном варианте РГР должна быть оформлена единым документом. 

 

1.3 Требования к оформлению РГР

 

1.3.1 РГР выполняется на листах белой бумаги формата А4. Она должна быть аккуратно оформлена, текст разборчиво написан или напечатан (компьютерный набор) на одной стороне листа. Другая сторона листа предназначена для внесения студентом исправлений и дополнений по результатам рецензии.

1.3.2 Титульный лист РГР оформляется в соответствии с правилами оформления расчетно-графических работ и включает название дисциплины, ФИО студента, номер группы и номер зачетной книжки. РГР необходимо начинать с введения.

1.3.3 В начале каждой задачи приводится условие задачи и исходные данные для своего варианта.

1.3.4  Страницы текста, рисунки, таблицы и формулы нумеруются. Все вычисления приводят достаточно полно. Чтобы можно было проверить правильность вычислений, их сопровождают необходимыми пояснениями.

1.3.5 Расчетные формулы записывают в общем виде с расшифровкой буквенных обозначений и указанием размерностей. Все числовые значения необходимо затем подставлять только в основных единицах.

1.3.6 В конце РГР должно быть заключение, приведен список использованной студентом в работе литературы. В тексте работы должны быть ссылки на использованную литературу при приведении формул, схем, теоретического материала.

1.3.7 Студент подписывает свою работу с указанием даты выполнения.

Внимание! РГР, выполненные без соблюдения перечисленных требований, возвращаются на доработку.

2 Задание на выполнение расчетно-графической работы

 

Задача 1

 

На вход линейного элемента (электрического фильтра) подается периодический сигнал.

Требуется:

а) разложить в ряд Фурье (в тригонометрической форме) сигнал на входе фильтрующей цепи, определить постоянную составляющую и коэффициенты первых пяти гармоник, не равных нулю;

б) записать мгновенные значения напряжений на входе;

в) изобразить дискретный спектр входного сигнала;

г) построить график входного напряжения по пяти гармоникам и постоянной составляющей;

д) начиная со второй по пятую гармоники, расчет произвести на ЭВМ. Исходные данные к задаче приведены в таблице 1 и рисунке 1.

 

Таблица 1

Последняя цифра зачетной книжки

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

 U1, мВ

60

70

80

90

100

110

120

130

140

150

Предпоследняя цифра зачетной книжки

 

9

 

8

 

7

 

6

 

5

 

4

 

3

 

2

 

1

 

0

Форма сигнала- рисунок 1

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

 

Рисунок 1

Методические указания к задаче 1

С материалом по спектральному представлению сигналов можно ознакомиться в [4, с. 20–27;  6, с. 38–43]. Рассматривается тригонометрическая форма ряда Фурье, как наиболее часто употребляющаяся в радиотехнике.

Рассмотрим задачу на примере сигнала, изображенного на рисунке 2.

Последовательность треугольных униполярных импульсов – функция четная относительно оси ординат, поэтому

 

U(t)=  ∑an cos nω1t;

 

;

 

.

Рисунок 2

 

Cоставим уравнение сигнала на участке 0≤t≤0,5 Т:

t=0;          U(t)=10 мВ;

t=0,5Т;     U(t)=0;

Следовательно:

 

;

 

а0=;

 

=

 

;

 

 

Построение спектрограммы тригонометрического ряда Фурье – [4, рисунок 2 .4 (б); 6, рисунок 2.1].

 

Задача 2

 

Вольт – амперная характеристика (ВАХ) биполярного транзистора амплитудного модулятора аппроксимирована выражением

 

где Iк – ток коллектора транзистора, мА;

UБЭ – напряжение на базе транзистора, В;

S- крутизна характеристики (ВАХ), мА/В;

E0 – напряжение отсечки, В.

Требуется:

          а) объяснить назначение модуляции несущего сигнала и кратко описать различные виды аналоговой модуляции;

          б) изобразить упрощенную схему транзисторного амплитудного модулятора, описать принцип его работы и назначение элементов схемы;

в) дать определение статической модуляционной характеристики (СМХ),  рассчитать и построить СМХ при заданных S, Е0 и значении амплитуды несущего высокочастотного (ВЧ) сигнала Um – таблица 4.1.;

          г) с помощью СМХ определить оптимальное напряжение смещения

Еб опт. и допустимую величину амплитуды UΩmax модулирующего сигнала uмод(t)= UΩcosΩt, соответствующие неискаженной модуляции (Ω=2πF);

д) рассчитать коэффициент модуляции М для выбранного режима, записать математическое выражение модулированного сигнала.

Исходные данные к задаче приведены в таблице 2.

 

Таблица 2

Предпоследняя

цифра номера

зачетной  книжки

 

0

 

1

 

2

 

3

 

4

 

5

 

6

 

7

 

8

 

9

 S, мА/В

100

95

110

85

120

75

115

90

105

80

Последняя

цифра номера

зачетной книжки

 

9

 

8

 

7

 

6

 

5

 

4

 

3

 

2

 

1

 

0

f0, кГц

300

350

400

450

500

550

600

650

700

750

E0, В

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,35

0,45

0,5

0,6

0,5

Um, В

0,4

0,5

0,6

0,7

0,7

0,4

0,5

0,6

0,7

0,6

F, кГц

3,5

4,0

4,5

5,0

5,5

6,0

6,5

5,0

4

3,0

 

Методические указания к задаче 2

С материалом по амплитудной (АМ), угловой (ЧМ и ФМ) модуляциями можно ознакомиться в литературе [4, с. 72–109; 8, с.64-70; 9, с. 115-122].  С материалом по амплитудным модуляторам и их характеристикам можно ознакомиться в литературе [4, с. 255–257;  6, с. 291–293; 8, с.118-120; 19, с. 291-294].

Под СМХ понимается зависимость амплитуды первой гармоники тока коллектора Iк1 транзистора от постоянного напряжения смещения на базе Uбэ, при постоянной амплитуде напряжения несущего колебания.

Расчет СМХ следует производить для пяти – семи значений напряжения смещения  на интервале от (Е0  - Um) до (Е0 + Um), и в пределах которого угол отсечки изменяется от 00 до 1800 (от 0 до π рад). Для значений  Uбэ  и заданных  Е0 и Um  определяется угол отсечки Ө [6, с. 280; 9, с. 293].

 

 

С помощью Ө определяется значение амплитуды первой гармоники тока коллектора Iк1 [6, пример 11.2; 9,  пример 4.4]

 

 

где γ1(Ө) – коэффициент Берга. Формулы расчета коэффициентов Берга (Приложение А).

Для исключения нелинейных искажений необходимо использовать только линейный участок модуляционной характеристики в диапазоне токов IкminIкmax. Оптимальное напряжение смещения Uбэоп лежит на середине линейного участка СМХ, а допустимая величина амплитуды модулирующего напряжения UΩmax выбирается так, чтобы напряжение на базе транзистора не выходило за пределы линейного участка СМХ.

Коэффициент модуляции определяется по СМХ для выбранного режима по формуле

 

 

где Iкmax   и Iкmin – максимальное и минимальное значения тока Iк1 по СМХ для U БЭmax и U БЭvin.

Задача 3

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) диода линейного диодного детектора аппроксимирована отрезками двух прямых линий

 

 

где  I – ток диода;

S– крутизна вольт – амперной характеристики (ВАХ);

U– напряжение на диоде.

АМ сигнал с однотональной модуляцией, аналитически записанный как

 

 

где Um – амплитуда несущего сигнала, В;

М – коэффициент модуляции;

F– частота модулирующего колебания, Гц;

f0–частота несущего сигнала, Гц

подан на вход детектора.

Требуется:

а) пояснить назначение детектирования модулированных колебаний;

б) изобразить схему линейного диодного детектора, описать принцип его работы и назначение элементов, входящих в схему детектора;

в) рассчитать сопротивление нагрузки Rн для получения заданного коэффициента детектирования КД;

г) выбрать значение емкости нагрузки детектора СН при заданных f0 и F;

д) рассчитать и построить спектры напряжений на входе и выходе детектора.

Исходные данные к задаче приведены в таблице 3.

 

Таблица 3

Последняя цифра номера зачетной

книжки

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

S. мА/В

35

40

45

50

55

60

35

40

45

50

М

0,7

0,8

0,9

0,75

0,85

0,65

0,75

0,85

0,8

0,85

F, кГц

3,5

4,0

4,5

5,0

5,5

6,0

6,5

5,0

4,5

3,0

Предпоследняя

цифра номера

зачетной

книжки

 

9

 

8

 

7

 

6

 

5

 

4

 

3

 

2

 

1

 

0

Um, В

1,1

1,0

1,2

1,3

1,5

1,4

1,7

1,4

1,5

,1,3

f0, кГц

300

350

400

450

500

550

600

650

700

750

КД

0,65

0,75

0,7

0,8

0,85

0,65

0,7

0,75

0,8

0,85

 

Методические указания к задаче 3

С материалом по детектированию можно ознакомиться в литературе [4, с. 239–247; 6, с. 297–299; 9, с.299-301].

Линейный режим детектирования – это режим больших амплитуд с кусочно-линейной аппроксимацией ВАХ.

Чтобы цепь реальной нагрузки любого детектора эффективно отфильтровывала полезный модулирующий сигнал и подавляла паразитные высокочастотные составляющие, необходимо выполнение двух неравенств

 

1/(ΩCН)>>RН;   1/(ω0CH)<< RН.

 

Определяем CH, удовлетворяющее этим неравенствам.

Второе условие хорошей работы детектора: необходимо, чтобы сопротивление нагрузки RН значительно превышало сопротивление диода в его прямой проводимости, т.е., чтобы SRН>>1.

Коэффициент передачи детектора

 

КД=cos Ө;  tgӨ – Ө=π/(SRH)

 

где Ө -  угол отсечки в радианах.

Определяем RН, удовлетворяющее этим выражениям.

Амплитуды входного и выходного напряжений связаны соотношением

 

.

 

Постоянная составляющая тока амплитудного детектора

 

.

 

Поэтому среднее значение выходного напряжения

 

 

где γо – коэффициент Берга, его нахождение – методические указания к задаче 2.

Аналитическая запись НЧ и ВЧ сигналов, а также АМК в виде, удобном для построения спектрограмм, методические указания к задаче 2.

Задача 4

Задана кодовая комбинация простого первичного кода Q(0,1)

Требуется:

а) закодировать ее помехоустойчивым циклическим кодом, исправляющим однократную ошибку (tиспр.=1);

б) проверить правильность построения кодовой комбинации циклического кода F(0,1);

в) составить таблицу синдромов циклического кода;

г) проверить, будет ли исправлена однократная ошибка в i – м разряде кодовой комбинации циклического кода;

д) построить структурную схему кодера циклического кода.

Исходные данные к задаче приведены в таблице 4.

 

Таблица 4

Последняя цифра

зачетной книжки

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Первая половина кодовой

комбинации

10

11

10

01

10

11

01

01

11

10

Предпоследняя цифра

зачетной книжки

 

9

 

8

 

7

 

6

 

5

 

4

 

3

 

2

 

1

 

0

Вторая половина кодовой комбинации

11

10

01

11

00

11

10

10

11

01

Номер ошибочного разряда i

2

3

4

1

2

3

4

2

3

4

 

Методические указания к задаче 4

С материалом по корректирующим кодам можно ознакомиться в литературе [1 , с.273 – 282; 8, с. 307–319; 10, с.110–118, 123–124, 127-129].

Циклические коды относятся к классу линейных систематических кодов. Кодовые комбинации циклического кода удобно рассматривать в виде полинома некоторой степени

 

где

x – основание системы счисления;

 ai – цифры данной системы счисления;

 n – 1, n – 2,…а– показатель степени, в которую возводится основание, и одновременно порядковые номера.

Минимальное кодовое расстояние связано с количеством исправляемых ошибок зависимостью

 

.

 

Следует помнить, что только для кода с d0 = 3 известно точное соотношение для определения количества проверочных символов r: (6.9) [12],где n=k+r. Здесь k – длина кодовой комбинации простого кода (количество информационных символов), n – общая длина корректирующего кода. Это соотношение можно представить в виде

 

.

 

Подбором определяется значение r, удовлетворяющее этому соотношению.

Величина r является также показателем степени образующего полинома, который можно выбрать из таблицы 18.1 [8, с. 316] или из таблицы 6.2 [10, с. 114].

Пункт 1 задания следует выполнять в последовательности.

Определить d0, затем r и n, выбрать образующий полином и составить кодовую комбинацию циклического кода. Кодирование можно проводить как в алгебраическом, так и в цифровом виде. Кодирование циклическим кодом рассмотрено в примерах 18.5 [8] и 6.3 [10] .

Правильность построения кодовой комбинации проверяется делением составленной комбинации на образующий полином. Если при делении получится ненулевой остаток, это говорит о неверном кодировании, т. е. полученная кодовая комбинация относится к запрещенным комбинациям этого кода. Получение нулевого остатка (деление без остатка) говорит о верном кодировании, т. е. кодовая комбинация является разрешенной.

Построение производящей матрицы циклического кода рассмотрено в примере 6.9. [10].

Построение проверочной матрицы из производящей – материал [10, с. 121-122].

Построение матрицы синдромов производится транспонированием проверочной матрицы. В таблице 18.2. [8] приведена взаимосвязь между синдромом и искаженным символом циклического кода.

Проверка возможности исправления ошибки заключается во введении ошибки в заданный разряд кодовой комбинации, делении полученной комбинации на образующий полином, нахождении остатка и в  определении соответствия полученного остатка (синдрома) синдрому кода при ошибке в этом разряде.

Схему кодера выполнять по типу (рисунок 6.9) в [10] . Описание принципа построения кодирующего устройства циклического кода приведено в [10,  с.127-129]. Следует помнить, что число ячеек сдвигающего регистра и регистра задержек выбирается равным степени образующего полинома, а число сумматоров – на единицу меньше веса образующего полинома. Сумматоры по модулю два включаются перед ячейками, которые стоят на позициях единиц в образующем полиноме, за исключением старшего разряда. Например, если образующий полином P(x)= x3+x2+1, что соответствует P(0,1)=1101, тогда регистр сдвига должен иметь 3 ячейки (образующий полином 3-й степени), в него включаются два сумматора (так как вес образующего полинома W=3), сумматоры включаются перед первой и третьей ячейками.

 

Приложение А

 

А1 – тригонометрические формулы преобразования

 

 

А2 – формулы расчета коэффициентов Берга

 

 

А3 – формулы расчета различных интегралов

 

 

А4 – интегрирование по частям

 

;

 

Пример –

 

А5 – интегрирование методом замены переменной

 

Приложение Б

 

Таблица Б1 – 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

 

Примечания:

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 

Основная литература

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 Требования к выполнению и оформлению РГР…………………………4

2 Задание на выполнение расчетно-графической работы………...............5

Приложение А……………………………………………………………...14

Приложение Б……………………………………………………………....15

Список используемой литературы………………………………………..16