Методические указания для проведения практических занятий для магистров, обучающихся по направлению 210400 Радиотехника и изучающих дисциплину «Цифровая связь» очной и заочной форм



Pdf просмотр
страница1/3
Дата16.02.2017
Размер0.58 Mb.
Просмотров288
Скачиваний1
ТипМетодические указания
  1   2   3

Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Тамбовский государственный технический университет»
ЦИФРОВАЯ СВЯЗЬ

Методические указания для проведения практических занятий для магистров, обучающихся по направлению 210400 – Радиотехника и изучающих дисциплину «Цифровая связь» очной и заочной форм обучения
Утверждено Редакционно-издательским советом ТГТУ для магистров по направлению 210400 – «Радиотехника»

УДК 004.451.6(075)
ББК 32.844.1.я73-5

Ц752
Р е ц е н з е н т ы :
Кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры
«Конструирование радиоэлектронных и микропроцессорных систем»
ФГБОУ ВПО «ТГТУ» О.А. Белоусов;
Кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры
«Материалы и технология»
ФГБОУ ВПО «ТГТУ» В.П. Шелохвостов
С о с т а в и т е л и :
С.П. Москвитин, А.В. Иванов
Ц752
Цифровая связь: методические указания для проведения практических занятий / сост. С.П. Москвитин, А.В. Иванов. –
Тамбов: Изд-во Першина Р.В., 2012. - 33с.
Представлены общие сведения о построении и принципах работы цифровой связи. Даны примеры решения задач и варианты индивидуальных заданий к выполнению практических работ по проектированию и расчету каналов связи, определения полосы пропускания, затухания, ошибок передачи и т.п.
Предназначены для магистров, обучающихся по направлению
210400 – «Радиотехника» и изучающих дисциплину «Цифровая связь» очной и заочной форм обучения.
© С.П. Москвитин, А.В. Иванов, составители
© Издательство Першина Р.В., 2012

3
Введение
Системы цифровой связи становятся все более привлекательными вследствие постоянно растущего спроса и из-за того, что цифровая передача предлагает возможности обработки информации, не доступные при использовании аналоговой передачи.
Особенность систем цифровой связи заключается в том, что они имеют дело с конечным набором дискретных сообщений, тогда как в системах аналоговой связи сообщения определены как непрерывные. Задача приемника цифровой системы – не точное воспроизведение сигнала, а определение, каким из конечного набора сигналов является принятый искаженный сигнал. Для выполнения этого и было разработано впечатляющее множество технологий обработки сигналов.
Цифровая связь в общем представлении – это область техники, связанная с передачей цифровых данных на расстояние.
В настоящее время цифровая связь повсеместно используется также и для передачи аналоговых (непрерывных по уровню и времени, например речь, изображение) сигналов, которые для этой цели оцифровываются (дискретизируют). Такое преобразование всегда связано с потерями, т.е. аналоговый сигнал представляется в цифровом виде с некоторой неточностью.
Современные системы цифровой связи используют кабельные
(в том числе волоконно-оптические), спутниковые, радиорелейные и другие линии и каналы связи, в том числе и аналоговые.

4
Краткое описание дисциплины

Дисциплина «Цифровая связь» рассматривает принципы построения систем цифровой связи (СЦС), оценку количественных показателей эффективности таких систем, описание путей совершенствования сигналов и методов приёма в СЦС. Изучаются вопросы множественного доступа, использования полосно- эффективных сигналов, методы расширенного спектра, методы обеспечения эффективной работы в каналах с замираниями, рассматриваются основы помехоустойчивого кодирования и проблемы синхронизации в СЦС.
Дисциплина «Цифровая связь» ставит своей целью подготовку студентов по теоретическим основам, принципам построения и практическому проектированию радиотехнических систем цифровой связи. Изучение дисциплины должно заложить у студентов навыки самостоятельного решения задач на высоком профессиональном уровне и воспитать стремление овладеть новыми научными и практическими знаниями в области цифровой связи.
В изучение дисциплине заложены следующие задачи:
1. Ознакомить студентов с концепцией системы цифровой связи (СЦС) и основными показателями качества СЦС;
2. Сообщить студентам необходимые сведения о структуре
СЦС и преобразованиях сигнала в системе;
3.
Научить студентов понимать принципы цифровой модуляции и демодуляции сигналов в СЦС;
4. Помочь студентам освоить методы расчёта основных показателей СЦС;
5. Привить студентам навыки самостоятельной работы с технической литературой;
6. Сформировать у студентов систему фундаментальных понятий, объединяющих физические представления и математические модели в области цифровой связи;
7. Дать представление о современных тенденциях развития
СЦС.
В результате изучения дисциплины студент должен:
Знать:
- основные принципы построения и функционирования СЦС;
- современные методы генерации и приёма сигналов с различным типом цифровой модуляции и алгоритмы их обработки, обеспечивающие надёжное выделение из шумов;
- способы помехоустойчивого кодирования;
- основные закономерности преобразования сигналов в СЦС;
- общие идеи обеспечения помехоустойчивости при работе
СЦС в каналах с замираниями.
Уметь:

5
- пользоваться математическими методами анализа детерминированных и случайных сигналов и их преобразования в радиотехнических цепях;
- методами статистического описания сигналов и помех;
-оценивать основные показатели системы цифровой связи;
Иметь навыки:
- использования вычислительной техники для решения радиотехнических задач;
- самостоятельной работы с литературой;
Иметь представление:
- о современных тенденциях развития радиоэлектронных систем передачи и обработки информации.
Преобразования сигнала в системе цифровой связи.
Отличительной особенностью систем цифровой связи (digital communication system — DCS) является то, что за конечный промежуток времени они посылают сигнал, состоящий из конечного набора элементарных сигналов (в отличие от систем аналоговой связи, где сигнал состоит из бесконечного множества элементарных сигналов). В системах DCS задачей приемника является не точное воспроизведение переданного сигнала, а определение на основе искаженного шумами сигнала, какой именно сигнал из конечного набора был послан передатчиком.
Важным критерием производительности системы DCS является вероятность ошибки (Ре).
Типичная функциональная схема, приведенная на рис. 1, иллюстрирует распространение сигнала и этапы его обработки в типичной системе цифровой связи (DCS).

6
Рисунок 1 - Функциональная схема типичной системы цифровой связи
Верхние блоки — форматирование, кодирование источника, шифрование, канальное кодирование, уплотнение, импульсная модуляция, полосовая модуляция, расширение спектра и множественный доступ — отражают преобразования сигнала на пути от источника к передатчику. Нижние блоки диаграммы — преобразования сигнала на пути от приемника к получателю информации, и, по сути, они противоположны верхним блокам. Блоки модуляции и демодуляции/детектирования вместе называются модемом. Для беспроводных приложений передатчик состоит из схемы повышения частоты в область радиочастот (RF), усилителя мощности и антенны, а приемник — из антенны и малошумящего усилителя (LNA). Обратное понижение частоты производится на выходе приемника и/или демодулятора.
Напомним, что модуляция – процесс изменения одного или нескольких параметров высокочастотного несущего колебания по закону низкочастотного информационного сигнала (сообщения). В цифровых системах связи используется импульсная модуляция
(рисунок 3) – это еще один необходимый этап, поскольку каждый символ, который требуется передать, вначале нужно преобразовать из двоичного представления (уровни напряжений представляются двоичными нулями и единицами) в видеосигнал (модулированный сигнал). При использовании импульсной модуляции для обработки двоичных символов результирующий двоичный сигнал называется

7
РСМ – сигналом (pulse-code modulation — импульсно-кодовая модуляция). Существует несколько разновидностей PCM модуляций:

дифференциальная (или дельта) импульсно-кодовая модуляция
(ДИКМ, DPCM) — кодирует сигнал в виде разности между текущим и предыдущим значением. Для звуковых данных такой тип модуляции уменьшает требуемое количество бит на отсчёт примерно на 25 %.

адаптивная ДИКМ (АДИКМ, ADPCM) — разновидность
ДИКМ, в которой изменяется уровень шага квантования, что позволяет ещё больше уменьшить требования к полосе пропускания при заданном соотношении сигнала и шума.
Рисунок 2 – Пример принципа кодирования аналогового сигнала при
PCM
После импульсной модуляции каждый символ сообщения или канальный символ принимает форму полосового сигнала g
i
(t),
где i =
1, ..., М. В любой электронной реализации поток битов, предше- ствующий импульсной модуляции, представляется уровнями напряжений.
Существует два важных отличия между уровнями напряжения и видеосигналами, используемыми для модуляции. Во-первых, блок импульсной модуляции позволяет использовать бинарные и М-арные сигналы. Во-вторых, фильтрация, производимая в блоке импульсной модуляции, формирует импульсы, длительность которых больше времени передачи одного бита. Фильтрация позволяет использовать импульсы большей длительности; таким образом, импульсы расширяются на соседние временные интервалы передачи битов. Этот процесс иногда называется формированием импульсов; он используется для поддержания полосы передачи в пределах некоторой желаемой области спектра.
Для систем передачи радиочастотного диапазона следующим важным этапом является полосовая модуляция; она необходима всегда, когда среда передачи не поддерживает распространение сигналов, имеющих форму импульсов. В таких случаях среда требует

8 полосового сигнала s
i
(t),
где i = 1, ..., М, видеосигнал g
i
(t)
сдвинут несущей волной на частоту, которая гораздо больше частоты спектральных составляющих. Далее сигнал s
i
(t)
проходит через канал, причем связь между входным и выходным сигналами канала полностью определяется импульсной характеристикой канала h
c
(t)
Кроме того, в различных точках вдоль маршрута передачи дополнительные случайные шумы искажают сигнал, так что сигнал на входе приемника r(t) отличается от переданного сигнала s
i
(t)
:
r(t)
= s
i
(t)
><h
c
(t)
+ n(t), i = 1,..., M (1)
где знак «><» представляет собой операцию свертки, a n(t) — слу- чайный процесс.
При обработке полученного сигнала в принимающем устройстве входной каскад приемника и/или демодулятор обеспечивают понижение частоты каждого полосового сигнала r(t). В качестве подготовки к детектированию демодулятор восстанавливает
r(t)
в виде оптимальной огибающей видеосигнала z(t). Обычно с приемником и демодулятором связано несколько фильтров — фильтрование производится для удаления нежелательных высокочастотных составляющих (в процессе преобразования полосового сигнала в видеосигнал) и формирования импульса.
Выравнивание можно описать как разновидность фильтрации, используемой в демодуляторе (или после демодулятора) для удаления всех эффектов ухудшения качества сигнала, причиной которых мог быть канал. Выравнивание необходимо в том случае, если импульсная характеристика канала h
c
(t)
настолько плоха, что принимаемый сигнал сильно искажен.
На этапе дискретизации сформированный импульс z(f) преобразовывается в выборку
z(T)
для восстановления
(приблизительно) символа канала u
t
или символа сообщения m
t
(если не используется канальное кодирование).

9
Рисунок 3 – Виды цифровой модуляции (манипуляции)
Кодирование источника (source coding) – это преобразование аналогового сигнала в цифровой (для аналоговых источников) и

10 удаление избыточной (ненужной) информации. Отметим, что типичная система DCS может использовать либо кодирование источника (для оцифровывания и сжатия исходной информации), либо более простое форматирование (только для оцифровывания).
Система не может одновременно применять и кодирование источника, и форматирование, поскольку первое уже включает необходимый этап оцифровывания информации. Шифрование, которое используется для обеспечения секретности связи, предотвращает понимание сообщения несанкционированным пользователем и введение в систему ложных сообщений. Канальное кодирование при данной скорости передачи данных может снизить вероятность ошибки Р
Е
или уменьшить отношение сигнал/шум, необходимое для получения желаемой вероятности Р
Е
за счет увеличения полосы передачи или усложнения декодера. Процедуры уплотнения (multiplexing) и множественного доступа (multiple access) объединяют сигналы, которые могут иметь различные характеристики или могут поступать от разных источников, с тем, чтобы они могли совместно использовать часть ресурсов связи (например, спектр, время). Значения этих двух тер- минов очень похожи; оба связаны с идеей совместного использования ресурсов. Основным отличием является то, что уплотнение реализуется локально (например, на печатной плате, в компоновочном узле или даже на аппаратном уровне), а множественный доступ — удаленно (например, нескольким пользователям требуется совместно использовать спутниковый транспондер).
При уплотнении применяется алгоритм, известный априорно; обычно он внедрен непосредственно в систему. Множественный доступ, наоборот, обычно адаптивен и может требовать для работы некоторых допол- нений. Расширение частоты (frequency spreading) может давать сигнал, относительно неуязвимый для интерференции (как естественной, так и умышленной), и может использоваться для повышения конфиденциальности сеанса связи. Также оно является ценной технологией, используемой для множественно доступа.
Кодирование сигнала включает использование новых сигналов, привносящих улучшенное качество детектирования по сравнению с исходным сигналом.
Структурированные последовательности включают применение дополнительных битов для определения наличия ошибки, вызванной шумом в канале. Одна из таких техноло- гий, автоматический запрос повторной передачи (automatic repeat request – ARQ), просто распознает появление ошибки и запрашивает отправителя повторно передать сообщение; другая технология, известная как прямая коррекция ошибок (forward error correction –
FEC), позволяет автоматически исправлять ошибки (с определенными ограничениями).

11
Основная терминология цифровой связи
Приведем некоторые основные термины, часто используемые в области цифровой связи.
Источник информации
(information source). Устройство, передающее информацию посредством системы DCS. Источник информации может быть аналоговым или дискретным. Выход аналогового источника может иметь любое значение из непрерывного диапазона амплитуд, тогда как выход источника дискретной информации — значения из конечного множества амплитуд.
Источники аналоговой информации преобразуются в источники цифровой информации посредством дискретизации или квантования.
Текстовое сообщение
(textual message). Последовательность символов. При цифровой передаче данных сообщение представляет собой последовательность цифр или символов, принадлежащих конечному набору символов или алфавиту.
Рисунок 4 – Пример текстового сообщения
Знак
(character). Элемент алфавита или набора символов (А, 9,
$). Знаки могут представляться последовательностью двоичных цифр.
Существует несколько стандартизованных кодов, используемых для знакового кодирования, в том числе код ASCII (American Standard
Code for Information Interchange — Американский стандартный код для обмена информацией), код EBCDIC (Extended Binaiy Coded
Decimal Interchange Code — расширенный двоичный код обмена информацией), код Холлерита (Hollerith code), код Бодо (Baudot code), код Муррея (Murray code) и код (азбука) Морзе (Morse code).
Двоичная цифра
(binary digit) (бит) (bit). Фундаментальная единица информации для всех цифровых систем. Термин “бит” также используется как единица объема информации.
Поток битов
(bit stream). Последовательность двоичных цифр
(нулей и единиц). Поток битов часто называют видеосигналом, или
низкочастотным сигналом
(baseband signal); это подразумевает, что его спектральные составляющие размещены от (или около) постоянной составляющей до некоторого конечного значения, обычно не превышающего несколько мегагерц.
Рисунок 5 – Пример потока бит.

12
На рис. 5 сообщение “HOW” представлено с использованием семибитового кода ASCII, а поток битов показан в форме двухуровневых импульсов.
Последовательность импульсов изображена в виде крайне стилизованных (идеально прямоугольных) сигналов с промежутками между соседними импульсами. В реальной системе импульсы никогда не будут выглядеть так, поскольку подобные промежутки абсолютно бесполезны. При данной скорости передачи данных промежутки увеличат ширину полосы, необходимую для передачи; или, при данной ширине полосы, они увеличат временную задержку, необходимую для получения сообщения.
Символ
(symbol) (цифровое сообщение) (digital message).
Символ — это группа из k бит, рассматриваемых как единое целое.
Далее мы будем называть этот блок символом сообщения (message symbol) т
i
(i
= 1, ..., М) из конечного набора символов или алфавита
(рис. 6).
Рисунок 6 – Символы сообщения.
Размер алфавита М равен 2
k
, где k – число битов в символе.
При низкочастотной (baseband) передаче каждый из символов т, будет представлен одним из набора видеоимпульсов g
1
(t), g
2
(t)…g
M
(t).
Иногда при передаче последовательности таких импульсов для выражения скорости передачи импульсов (скорости передачи символов) используется единица бод (baud). Для типичной полосовой
(bandpass) передачи каждый импульс g
i
(t)
будет представляться одним из набора полосовых импульсных сигналов g
1
(t), g
2
(t)…g
M
(t).
Таким образом, для беспроводных систем символ т
i

посылается путем передачи цифрового сигнала s
i
(t)
в течение Т секунд (Т - длительность символа). Следующий символ посылается в течение следующего вре- менного интервала, Т. То, что набор символов, передаваемых системой DCS, является конечным, и есть главным отличием этих систем от систем аналоговой связи. Приемник DCS должен всего лишь определить, какой из возможных М сигналов был передан; тогда как аналоговый приемник должен точно определять значение, принадлежащее непрерывному диапазону сигналов.
Цифровой сигнал
(digital waveform). Описываемый уровнем напряжения или силы тока, сигнал (импульс — для низкочастотной передачи или синусоида
— для полосовой передачи), представляющий цифровой символ.

13
Рисунок 7 - Пример полосового цифрового сигнала
Характеристики сигнала (для импульсов — амплитуда, длительность и положение или для синусоиды — амплитуда, частота и фаза) позволяют его идентифицировать как один из символов конечного алфавита. На рис. 7 приведен пример полосового цифрового сигнала. Хотя сигнал является синусоидальным и, следовательно, имеет аналоговый вид, все же он именуется
цифровым
, поскольку кодирует цифровую информацию. На данном рисунке цифровое значение указывает определенную частоту передачи в течение каждого интервала времени Т.
Скорость передачи данных
(data rate). Эта величина в битах в секунду (бит/с) дается формулой R = k/T = (1/Т)log
2
M
(бит/с), где k бит определяют символ из M = 2
k
– символьного алфавита, а Т – это длительность k-битового символа.

14
Практическое занятие №1.
Сигналы и спектры

Пример 1.1.
Средняя нормированная мощность а) Найдите среднюю нормированную мощность сигнала x(t)
= A cos πf
0
t,
используя усреднение по времени. б) Выполните п. а путем суммирования спектральных коэффициентов.
Решение
а) Используя уравнение


=
0
)
(
2
df
f
E
x
x
ψ
, получим следующее:
( )
2 2
)
4
cos
1
(
2
)
2
cos
(
1 2
0 0
2 2
/
2
/
0 0
2 2
/
2
/
0 2
2 0
0 0
0
A
T
T
A
dt
t
f
T
A
dt
t
f
A
T
P
T
T
T
T
x
=
=
+
=
=




π
π
б)
Используя уравнения


−∞
=

=
n
n
x
nf
f
c
f
G
)
(
)
(
0 2
δ
и






=
=
0
)
(
2
)
(
df
f
G
df
f
G
P
x
x
x
, получаем следующее:


−∞
=

=
n
n
x
nf
f
c
f
G
)
(
)
(
0 2
δ
,




±
±
=
=
=

,...
3
,
2
,
0
для
2 1
1
n
c
A
c
c
n
),
(
2
)
(
2
)
(
0 2
0 2
f
f
A
f
f
A
f
G
x
+






+







=
δ
δ
2
)
(
2
A
df
f
G
P
x
x
=
=




Пример 1.2.
Прохождение белого шума через идеальный
фильтр
Белый шум со спектральной плотностью мощности G
n
(f)=N
/2, показанный на рис 7, a, подается на вход идеального фильтра нижних частот, показанного на рис. 7, б. Определите спектральную плотность мощности G
Y
(f)
и автокорреляционную функцию R
Y
(τ) выходного сигнала.


а) б)
Рисунок 8 – а) спектральная плотность мощности; б) передаточная функция идеального фильтра нижних частот

15
Решение





<
=
=
f
f
f
N
f
H
f
G
f
G
u
n
Y
остальных для
0
для
2
)
(
)
(
)
(
0 2

Автокорреляционная функция – это результат применения обратного преобразования Фурье к спектральной плотности мощности. Определяется автокорреляционная функция следующим выражением:
τ
τ
π
τ
π
τ
u
u
u
u
u
Y
f
f
N
f
f
f
N
R
2
sinc
2 2
sin
)
(
0 0
=
=
Сравнивая полученный результат, видим, что R
Y
(τ) имеет тот же вид, что и импульсный отклик идеального фильтра нижних частот, показанный на рис. 9.
Рисунок 9 – Идеальный отклик идеального фильтра нижних частот
В этом примере идеальный фильтр нижних частот преобразовывает автокорреляционную функцию белого шума
(определенную через дельта-функцию) в функцию sinc. После фильтрации в системе уже не будет белого шума. Выходной шумовой сигнал будет иметь нулевую корреляцию с собственными смещенными копиями только при смещении на τ = n/2f
u
, где п – любое целое число, отличное от нуля.


Поделитесь с Вашими друзьями:
  1   2   3


База данных защищена авторским правом ©nethash.ru 2017
обратиться к администрации

войти | регистрация
    Главная страница


загрузить материал