Исследование характеристик системы передачи сообщений

Содержание

 

Задание на курсовой проект. Исходные данные………………………………….……..…….….4

1 Структурная схема системы связи и назначение ее элементов…………………………….….5

2 Источник сообщений……………………………………………………………………………..9

3 Дискретизатор……………………………………………………………………………………11

4 Кодер……………………………………………………………………..………………………14

5 Модулятор……………………………………………………………………………………….17

6 Канал связи………………………………………………………………………………………26

7 Демодулятор……………………………………………………………………………………..28

8 Декодер…………………………………………………………………………………………...33

9 Фильтр-восстановитель…...……………………………………………….................................37

10 Принципиальная схема модулятора ……………………..…………………………………...39

11 Принципиальная схема демодулятора ……………………..………………………………...39

Заключение…………………………………………………………………………………………44

Список литературы………………………………………………………………...........................45

 

 

Задание на курсовой проект

 

Рассчитать основные характеристики системы передачи сообщений, включающий в себя источник сообщений, дискретизатор, кодирующее устройство (кодер), модулятор, канал связи, демодулятор, декодер и фильтр-восстановитель.

 

Исходные данные:

Параметр	Обозначение	Значение
Нижняя граница  интервала значений сигнала a(t)	amin, В	0,13
Верхняя граница  интервала значений сигнала a(t)	amax,  В	8,2
Частота ограничения  спектра сигнала a(t)	FB,  КГц	30
Шаг квантования  дискретизатора	Da, В	0,2
Номер квантования	J	29
Спектральная  плотность средней мощности шума	N0, В2/Гц
Вид модуляции	ДФМ
Тип модулятора	Определить
Тип демодулятора	Когерентный

 

Таблица. Исходные данные 
1 Структурная схема системы связи и назначение ее элементов

 

Данный курсовой проект посвящен расчету основных характеристик системы передачи сообщений - совокупности технических средств, обеспечивающих передачу сообщений с определенными свойствами, и является важным практическим шагом на пути освоения курса Теории Электрической Связи, а значит и на пути формирования технического образования студентов.

Каналом передачи называют совокупность технических средств и среды распространения, обеспечивающих передачу электрических сигналов с ограниченной мощностью и в ограниченной полосе частот (т.е. с ограниченной скоростью), электрическим сигналом в общем смысле называется изменяющееся во времени и пространстве параметры электромагнитного поля. Под модуляцией понимается процесс изменения тех или иных параметров одного сигнала под воздействием каких-либо параметров другого. В случае если в качестве передаваемого сигнала используется синусоидально изменяющееся напряжение или ток, его параметрами можно считать амплитуду и полную фазу, содержащую в себе частоту и начальную фазу.

 

Рис. 1.1  Временные диаграммы сигналов:

а - сигнал непрерывный по времени  и по состояниям,

 б - дискретный по состояниям  и по времени сигнал,

 в - непрерывный по состояниям и дискретный по времени сигнал,

 г - сигнал дискретный и  по состояниям, и по времени

 

Аналитически сигналы есть функции  от времени и бывают дискретными  и непрерывными или аналоговыми. Если сигнал как функция u(t) принимает только определенные дискретные значения и (например, 0 и 1), то он называется, дискретным по состояниям. Если же сигнал может принимать любые значения в некотором интервале, то он называется аналоговым или непрерывным по состояниям. Под дискретным по времени сигналом необходимо понимать сигнал, заданный не на всей области значений времени, а только в определенные моменты t_u. Рисунок 1.1 поясняет эти отличия. Здесь а - сигнал непрерывный по времени и по состояниям, б - дискретный по состояниям и по времени сигнал, в - непрерывный по состояниям и дискретный по времени сигнал, г - сигнал дискретный и по состояниям, и по времени.

Поскольку заранее известный (детерминированный) сигнал не может нести никакой  информации, то все сигналы, рассматриваемые  нами в курсе ТЭС и работе, являются случайными процессами.

Длительность сигнала Тс - интервал времени в пределах которого он существует, его динамическим диапазоном Dc - отношение наибольшей мгновенной мощности сигнала к той наименьшей мощности, которую необходимо отличать от нуля при заданном качестве передачи. За ширину спектра сигнала Fc примем диапазон частот, в пределах которого сосредоточена основная его энергия. В технике связи спектр сигнала часто сознательно сокращают, т.к. аппаратура и линии связи имеют ограниченную полосу пропускаемых частот. Сокращение спектра осуществляется исходя из допустимых норм искажений сигнала.

Сообщение - совокупность знаков (символов), содержащих ту или иную информацию, подлежащую передачи на расстояние

 

Рассмотрим структурную схему Системы Электросвязи и ее основные элементы (рисунок 1.2).

Рис. 1.2  Структурная схема системы электросвязи

На рис.1.2 приведена структурная схема системы передачи непрерывного сообщения методом импульсно-кодовой модуляции (ИКМ). Она позволяет решить проблему передачи непрерывного сообщения по дискретному каналу связи (ДКС). Данная схема состоит из источника сообщений (ИС), аналого-цифрового преобразователя (АЦП), фазового модулятора, двоичного дискретного канала связи (ДКС), фазового детектора (прием некогерентный), цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) и получателя сообщений (ПС).

Источник cообщений – объект, которому необходимо передать некое сообщение в виде сигнала a(t).

Дискретизатор – устройство, которое по теореме Котельникова заменяет непрерывное сообщение на множество его мгновенных значений.

Квантователь - устройство, которое квантует непрерывное  сообщение на множество его мгновенных значений по уровню

Кодер – устройство в котором последовательность элементов сообщения заменяется последовательностью кодовых символов.

Модулятор – устройство в котором первичный сигнал преобразуется во вторичный (высокочастотный) сигнал пригодный для передачи по используемому каналу.

Канал cвязи - обеспечивает физический перенос сигнала на расстоянии по линии связи, внося в него при этом шумы и искажения.

 Демодулятор – обрабатывает принятое колебание и восстанавливает переданное сообщение.

Декодер – устройство, предназначенное для преобразования кодовых комбинаций в квантованную последовательность отсчетов.

Фильтр-восстановитель – Фильтр Нижних Частот (далее ФНЧ), устройство в котором восстанавливается непрерывное сообщение по квантованным значениям.

Линией связи называется среда, используемая для передачи сигналов от передатчика к приемнику. При передаче сигнал может искажаться и на него  могут накладываться шумы n(t).

Для непрерывных каналов связи характерно: во-первых, линейность – тогда выходной сигнал является суперпозицией передаваемого сигнала и помехи, во-вторых, наличие помех на выходе канала, даже если на его вход не поступает сигнал, в-третьих, сигнал при передаче по каналу связи претерпевает задержку по времени и затухание по уровню. В реальных каналах всегда имеют место искажения сигнала, обусловленные несовершенством характеристик канала и, нередко, изменением параметров канала во времени.

Практически в любом  диапазоне частот имеют место внутренние шумы аппаратуры.

Шум бывает аддитивным (зашумленный  сигнал есть арифметическая сумма полезного  сигнала и шума, существующего  во времени постоянно) и мультипликативным (то же, только наличие шума в канале в каждый момент времени определяется случайным процессом). Среди аддитивных шумов особое место занимает флуктуационная помеха, имеющая нормальное (гауссовское) распределение.

         Источник сообщений - это некий объект или система (подразумевается либо человек, либо ЭВМ, либо автоматическое устройство или что-либо другое), информацию о состоянии или поведении которого следует передать на определенное расстояние. Информация передаваемая от ИС является непредвиденной для получателя. Поэтому количественную меру передаваемой по системе связи (СС) информации в теории электрической связи выражают через вероятностные характеристики сигналов (сообщений). Сообщение - это форма представления информации. Например информация может быть представлена в изменении тока или напряжения на выходе какого-либо устройства под действием порождающих факторов.

         В ФНЧ (фильтре нижних частот) сообщение (сигнал) вначале фильтруется  с целью ограничения его спектра  некоторой верхней частотой . Полученный таким образом сигнал в дальнейшем необходим для представления его в виде последовательности отсчетов , k=0,1,2…, наблюдаемых на выходе дискретизатора. Далее отсчеты сообщения квантуются по уровню в АЦП. Уровень квантования зависит от разрядности АЦП. Чем больше разрядность АЦП, тем с большей достоверностью преобразуется исходный аналоговый сигнал, действующий на вход АЦП. Например, на практике используют не более 16-ти разрядные АЦП, т.к. с увеличением разрядности увеличивается и время преобразования в кодовую комбинацию на выходе АЦП. Квантовые уровни затем кодируются двоичным безызбыточным кодом.

         Образовавшаяся последовательность  кодовых комбинаций образует  сигнал ИКМ, который подводится к модулятору-устройству, предназначенному для согласования ИС с используемой линией связи. В модуляторе формируется сигнал , способный распространятся по линии связи в виде электрического или электромагнитного колебания.

         Для необходимого отношения мощностей  сигнала и помехи (шума) на входе  приемника сигнал, прошедший по  каналу связи с источником  помех, фильтруется и усиливается  в выходных каскадах ПДУ (передающего  устройства).

Помехой называется любое случайное воздействие на сигнал, которое ухудшает верность воспроизведения передаваемых сообщений. В проводных каналах связи основным видом помех являются импульсные шумы и прерывания связи. Появление импульсных помех часто связано с автоматической коммутацией и перекрестными наводками. Прерывание связи есть явление в канале, когда передаваемый сигнал резко затухает или исчезает

         Сигнал  с выхода ПДУ поступает в  линию связи, где на него  накладывается помеха  и на вход ПРУ (приемного устройства) воздействует смесь переданного сигнала и помехи . В нем принятый сигнал фильтруется и подается на детектор.

        В  результате демодуляции, из принятого  сигнала  выделяется закон изменения информационного параметра, который в нашем случае пропорционален сигналу ИКМ. Для регистрации переданных двоичных символов к выходу демодулятора подключено решающее устройство (РУ). В условиях действия помех в НКС РУ принимает решения неоднозначно, что в свою очередь может привести к двум возможным ошибкам (при передаче двоичных сигналов или 1):

1. При определенном значении - порога срабатывания РУ не смотря на то, что сигнал отсутствует, шум может превысить установленное значение порога и примется ошибочное решение о наличие сигнала. Так происходит при наличии помехи положительной полярности, т.е. помехи, которая складывается с сигналом. Это, так называемая, ошибка первого рода.
2. При определенном значении - порога срабатывания РУ несмотря на то, что сигнал и присутствует, но установленное значение порога решающего устройства не будет превышено и примется решение об отсутствии сигнала. Так происходит при наличии помехи отрицательной полярности, т.е. помехи которая вычитается из сигнала. Это ошибка второго рода.

Все эти ошибки вызывают несоответствия переданных и принятых кодовых комбинаций.

         Наконец,  для восстановления переданного  непрерывного сообщения  принятые кодовые комбинации подвергаются декодированию, интерполяции и низкочастотной фильтрации. При этом в декодере по двоичным кодовым комбинациям восстанавливаются ичные уровни , ,

 

2 Источник сообщений

 

Источник выдает сообщение  a(t), представляющее собой непрерывный стационарный процесс, мгновенные значения которого в интервале от до равновероятны, а основная доля мощности сосредоточена в полосе частот от 0 до .

Требуется:

1. Записать аналитическое выражение и построить график одномерного закона распределения плотности вероятности мгновенных значений случайного процесса а(t).
2. Найти математическое ожидание и дисперсию D процесса а(t).

 

1. Для нахождения одномерной  плотности вероятности мгновенных  значений случайного процесса  а(t) учтем, что все его мгновенные значения в заданном интервале равновероятны, и, следовательно. Плотность вероятности будет постоянна в этом интервале и равна нулю вне этого интервала.