Размещено на http://www.allbest.ru/

Зміст

• Анотація
• Вступ
• 1. Розробка технічного завдання
• 2. Аналіз сучасного стану розробок та обґрунтування оптимального варіанту вирішення поставленої задачі
• 3. Розробка структурної схеми системи доступу
• 3.1 Розрахунок частоти дискретизації та числа розрядів
• 3.2 Опис структури системи доступу на основі технології VDSL
• 4. Розробка та обґрунтування схеми електричної принципової демодулятора
• 4.1 Розробка структури демодулятора
• 4.2 Розробка схеми електричної принципової та вибір елементної бази демодулятора
• 4.3 Розрахунок балансу потужності демодулятора ДІКМ
• 5. Комп'ютерне моделювання
• 5.1 Обґрунтування моделювальної програми та конфігурації ПК
• 5.2 Обґрунтування модельованої схеми
• Висновки
• Перелік посилань

Анотація

В даному курсовому проекті розроблено систему доступу на основі модему технології VDSL. Розроблена структурна схема приймальної частини модему на основі ДІКМ. Обґрунтовано елементну базу і розроблено принципову схему демодулятора, а також проведено комп'ютерне моделювання за допомогою моделювального пакету PROTEUS 7 PROFESSIONAL DEMO.

Вступ

модем vdsl дікм демодулятор proteus professional demo

В даному курсовому проекті, з навчальною метою, пропонується розробити систему доступу на основі модему, яка б використовувала протокол абонентського доступу VDSL та ДІКМ модуляцію групового тракту. Кількість каналів даної системи - 12, довжина лінії зв'язку 8,1 км.

Актуальність та сучасність даної розробки пов'язана із використанням сучасного абонентського протоколу VDSL, який дозволяє збільшити швидкість передавання даних та використовувати в якості лінії зв'язку ВОЛЗ. Використання ж ВОЛЗ, в свою чергу, крім високої швидкості передавання, надає системі доступу такі властивості як відсутність накопичення завад із збільшенням довжини тракту, та стійкість до електромагнітних наводок.

Використанні ДІКМ в якості групової модуляції дозволяє спростити передавальне та приймальне обладнання, зменшити розрядність кодування (порівняно із ІКМ), та дає змогу при необхідності застосувати завадостійке кодування, криптографічне шифрування, лінійне кодування та інші види перетворення цифрового сигналу.

Для досягнення поставленої мети необхідно проаналізувати сучасний стан розробок, здійснити вибір оптимального варіанту рішення поставленої задачі, розробити структурну схему системи доступу та демодулятора, на основі структурної схеми демодулятора розробити схему електричну принципову, виконати комп'ютерне моделювання.

1. Розробка технічного завдання

Розроблювана система повинна відповідати наступним вимогам:

- Протокол абонентського доступу - VDSL;

- Вид модуляції групового сигналу - ДІКМ;

- Кількість каналів системи доступу - 12;

- Довжина лінії зв'язку - 8,1 км.

VDSL - Very High Bit-Rate Digital Subscriber Line - високошвидкісна цифрова абонентська лінія. Дана технологія дозволяє забезпечити обмін даними до 52 Мбіт/с у прямому напрямку, та до 6,5 Мбіт/с у зворотному при асиметричному режимі зв'язку, та від 13 Мбіт/с до 26 Мбіт/с при симетричному. Смуга частот, що займає сигнал VDSL складає 12 МГц, потужність сигналу 14,5 дБп, модуляція сигналів QAM або DMT, кількість пар проводів, що використовуються - 1.

ДІКМ - Диференціальна імпульсно-кодова модуляція. Метод перетворення аналогового сигналу в цифрову форму, при якому вихідний сигнал визначається як різниця між сусідніми відліками вхідного сигналу. У кодері ДІКМ такий спосіб обробки сигналу дозволяє усунути надмірність і знизити швидкість передачі в каналі зв'язку.

Існує два варіанти реалізації ДІКМ:

Варіант 1: приймати значення двох послідовних вибірок; якщо це аналогові вибірки, квантувати їх; обчислити різницю між першим і наступним; результат - отримана різниця, і вона може бути ентропійно закодована.

Варіант 2: замість взяття різниці щодо попередньої вхідної вибірки, беремо різницю відносно вихідної локальної моделі декодуючого процесу; в цьому варіанті різниця може бути квантована, що дає можливість контролювати втрати при кодуванні.

У будь-якому з цих двох варіантів ДІКМ значно зменшується локальна надмірність (позитивна кореляція прилеглих значень) сигналу. При цьому може бути досягнутий коефіцієнт стиснення від 2 до 4, якщо різницеві значення будуть потім піддані ентропійному кодуванню, оскільки у різницевих сигналів часто відома функція розподілу (з точністю до значень невеликої кількості параметрів).

2. Аналіз сучасного стану розробок та обґрунтування оптимального варіанту вирішення поставленої задачі

Технологія VDSL використовує в якості середовища передачі мідну телефонну лінію, приблизно так само як ADSL, але з парою відмінностей. VDSL здатна досягти швидкості до 52 Mбіт/с у напрямку до абонента (downstream) і в напрямку від абонента (upstream) до 16 Мбіт/с. Швидкості передачі VDSL набагато швидше, ніж стандарт ADSL, що забезпечує до 8 Мбіт/с downstream і 0,8 Мбіт/с upstream. Другою відмінністю є робоча відстань. Такі привабливі швидкості для VDSL можна отримати тільки на відстані до 1200 метрів по існуючим телефонним кабелям.

Тенденція розвитку телекомунікаційних компаній зводиться до того, щоб поступово виключити довгі численні мідні кабелі, а замість них використовувати волоконно-оптичні лінії зв'язку. Такий метод організації одержав назву FTTC / FTTH (оптичний кабель до розподільника / оптичний кабель у кожен будинок). При даній топології, де застосовуються проміжні шлюзи VDSL (оптика-мідь) технологія VDSL стає єдино вірним рішенням для надання широкосмугових послуг зв'язку.

Через численні битви за прийняття єдиного стандарту між виробниками, деякі з яких підтримували DMT (Discrete MultiTone), інші QAM (Quadrature Amplitude Modulation і CAP (Carrierless Amplitude Phase) перемога виявилася за DMT. Сьогодні більшість устаткування ADSL використовує технологію DMT.

DMT ділить сигнал на 247 незалежних канали, кожний по 4 кГц. Теоретично, даний алгоритм можна представити одночасним підключенням до вашого комп'ютера 247 модемів, кожен з яких працює в смузі 4кГц. Якість зв'язку на кожному каналі контролюється і якщо воно знижується, то сигнал переходить на інший канал. Система постійно шукає найкращий канал для передачі і прийому. Деякі з каналів, об'єднуються (починаючи від 8 кГц) і використовуються як двонаправлені канали для прийому і передачі одночасно. Контроль і розподіл інформації в двонаправлених каналах, дотримується з якістю всіх 247 каналів. Такі алгоритми роблять DMT більш складним, але і більш гнучким, що дозволяє працювати з трактами із змінним рівнем якості.

Як відомо VDSL спектр розподілений в діапазоні від 200 кГц до 30 МГц, але стандартний діапазон обмежений порогами 1.1-12 МГц для того, щоб знизити вплив інтерференції, що вноситься ADSL в діапазоні нижче 1.1 МГц.

Існує 2 основних частотних плани: 997 (для ряду європейських країн) і 998, які в свою чергу дозволяють розподілити смуги пропускання для потоків upstream і downstream. Наприклад, для 997 частотного плану, характерним є розподіл смуги пропускання: два діапазони 1.1-3 МГц і 5.1-7.05 МГц для downstream, і третій діапазон 3-5.1 МГц для upstream. Для кожного плану можна використовувати до 5-ти діапазонів. Таким чином, за допомогою частотних планів 997 і 998 можна обирати смугу пропускання для каналу VDSL.

В розроблюваній системі використовується QAM модуляція. Алгоритм квадратурної амплітудної модуляції (QAM - Quadrature Amplitude Modulation) являє собою різновид багатопозиційної-фазової модуляції. Цей алгоритм широко використовується в сучасних модемах для каналів ТЧ (комутовані лінії).

При використанні даного алгоритму сигнал кодується одночасними змінами амплітуди синфазної і квадратурної компонентами несучого гармонійного коливання, які зрушені по фазі один щодо одного на /2. Результуючий сигнал формується в результаті підсумовування цих коливань. Таким чином, QAM-модульований дискретний сигнал може бути представлений виразом:



де I(t) та Q(t) -- модулюючи сигнали;

f₀ -- несуча частота.

Таким чином, при використанні квадратурної амплітудної модуляції інформація кодується одночасними змінами амплітуди і фази несучого коливання.

При модуляції синфазної і квадратурної складової несучого коливання використовується одне й те ж значення кроку зміни амплітуди. Тому закінчення векторів модульованого коливання утворюють прямокутну сітку на фазовій площині дійсною - Re {Z} і уявної - Im {Z} складових вектора модульованого сигналу. Число вузлів цієї сітки визначається типом використовуваного алгоритму QAM. Схему розташування вузлів на фазовій площині модульованого QAM коливання прийнято називати сузір'ям (constellation).

Сузір'я 16 позиційного QAM сигналу показано на рисунку 2.1

Рисунок 2.1 Сигнальне сузір'я QAM16

Спрощена схема QAM модулятора показана на рисунку 2.2.



Рисунок 2.2 Спрощена схема QAM модулятора

В даний час найбільшого поширення набули кілька варіантів QAM. Алгоритм модуляції QAM-4, який кодує сигнал зміною фази несучого коливання з кроком /2 має назву QPSK (Quadrature Phase Shift Keying - квадратурна фазова маніпуляція).

Широке поширення отримали також алгоритми QAM-16, 32, 64, 128 і 256. Алгоритм квадратурної амплітудної модуляції, по суті, є різновидом алгоритму гармонійної амплітудної модуляції і тому володіє такими важливими властивостями:

- ширина спектра QAM модульованого коливання не перевищує ширину спектру модулюючого сигналу;

- положення спектру QAM модульованого коливання в частотній області визначається номіналом частоти несучого коливання.

Алгоритм квадратурної амплітудної модуляції є відносно простим у реалізації і в той же час досить ефективним алгоритмом лінійного кодування xDSL-сигналів. Сучасні реалізації цього алгоритму забезпечують досить високі показники спектральної ефективності. Як вже було зазначено вище, обмеженість спектру і відносно високий рівень завадостійкості QAM-модульованого сигналу забезпечують можливість побудови на основі цієї технології високошвидкісних ADSL, VDSL-систем передачі даних по двопровідній лінії з частотним поділом прийнятого і переданого інформаційних потоків.

До недоліків алгоритму можна віднести відносно невисокий рівень корисного сигналу в спектрі модульованої коливання. Цей недолік є загальним для алгоритмів гармонійної амплітудної модуляції і виражається в тому, що максимальну амплітуду в спектрі модульованої коливання має гармоніка з частотою несучого коливання. Тому даний алгоритм у чистому вигляді досить рідко використовується на практиці. Набагато більш широке поширення набувають алгоритми, які використовують основні принципи QAM і в той же час вільні від його недоліків (наприклад - алгоритм CAP).

3. Розробка структурної схеми системи доступу

3.1 Розрахунок частоти дискретизації та числа розрядів

Сигнал VDSL є широкосмуговим аналоговим сигналом, Тому частоту дискретизації визначимо за теоремою Котєльнікова (Найквіста), тобто з умови (3.1):

(3.1)

Де - верхня межа вхідного сигналу (в нашому випадку 12 МГц).

Підставивши числові значення у вираз (3.1), отримаємо:

.

Оберемо частоту дискретизації

Кількість переприймань можна оцінити за допомогою виразу (3.2):

(3.2)

Де L - довжина тракту (в нашому випадку 8,1 км);

ц - означає що необхідно взяти цілу частину числа;

l - максимальна довжина ділянки регенерації (для VDSL становить 1,2 км).

Підставивши числові значення у вираз (3.2), отримаємо:

Статистичні параметри QAM сигналу, такі як кореляційна функція, пік-фактор та ін. залежать від налаштування системи, та можуть бути закладені при проектуванні СД.

Для знаходження кількості рівнів квантування для ДІКМ використовується формула [1]:

, (3. 3)

де - пік-фактор (приймемо 2 рази);

- динамічний діапазон (приймемо 40 дБ);

- кореляційна функція (приймемо 0,95).

Для подальших розрахунків необхідно перевести динамічний діапазон з дБ у рази за формулою:

. (3. 4)

Підставивши у (3.14) числові значення отримаємо:

(раз).

Тоді кількість рівнів квантування буде:

.

Кількість інформаційних символів знаходиться за формулою [5]:

(3.5)

де оператор ent означає, що необхідно взяти цілу частину числа.

Підставивши у (3.5) числові значення отримаємо:

.



Вибирається найближче ціле число, .

Знайдемо тактову частоту первинного потоку за виразом (3.6) [3,4]:

, (3.6)

де k - кількість каналів (в нашому випадку 12).

Підставивши числові значення у вираз (3.6), отримаємо:

Тактова частота агрегатного цифрового сигналу визначається за виразом (3.7):

, (3.7)

де М - кількість поєднуваних компонентних сигналів (в нашому випадку М=1);

r - відношення кількості додаткових символів у циклі агрегатного сигналу до загальної кількості символів у циклі (в нашому випадку r=0,01..0,02).

Підставивши числові значення у вираз (3.7), отримаємо:

.

Отже після розрахунку усіх основних параметрів системи можна скласти структурну схему системи абонентського доступу.

3.2 Опис структури системи доступу на основі технології VDSL

У найпростішій версії архітектури у абонента стоїть лише VDSL модем. В ньому передбачений роз'єм RJ-11, що підтримує існуючі аналогові телефони. Інші порти, 10BASE-T Ethernet, для з'єднання персонального комп'ютера або телевізійної приставки з набором служб, подібних до високошвидкісного доступу до Інтернету або відео за вимогою. Розподільник служить для виведення телефонних сигналів.

На центральній, або місцевій станції за допомогою іншого розподільника аналоговий телефонний сигнал передається телефонному комутаторові. Локальні лінії VDSL тепер закінчуються на вузлі доступу VDSL, а не йдуть безпосередньо до комутатора центральної станції. Вузол доступу (який є типом мультиплексора доступу DSL або DSLAM) поєднує безліч ліній VDSL. На "зворотній" до мережного вузла стороні може підтримуватися з'єднання з маршрутизатором TCP/IP або комутатором ATM.

Ці пристрої надають користувачеві доступ до обраних служб. Служби можуть розташовуватися в центральній станції і забезпечуватися компанією місцевого доступу. У багатьох випадках служби можуть знаходитися поза будинком центральної станції і з'єднуватися з нею коротким кабелем.

Звичайно до таких служб відносять доступ до Інтернету, відео за вимогою і навіть сервери інформації й оголошень (фінансові новини і т.д.). Доступ до цих служб може виконуватися за протоколом TCP/IP або ATM - VDSL допускає використання кожного з них.

Довжина лінії зв'язку між вузлом доступу VDSL та абонентськими модемами становить 8,1 км. Так як технологія VDSL не може підтримувати таку дальність зв'язку, використовується система передачі 12 каналів VDSL на базі ДІКМ між абонентами та вузлом доступу VDSL. Лінія зв'язку буде використовуватись волоконно-оптична, тому необхідно через рівні проміжки довжини поставити на лінії регенератори сигналів - 6 штук.

Схема електрична структурна системи доступу на основі VDSL подана у додатку А 08-34.СД.024.000.00 Е2.

4. Розробка та обґрунтування схеми електричної принципової демодулятора

4.1 Розробка структури демодулятора

На приймальному боці груповий сигнал буде розділений за допомогою демультиплексора на компонентні сигнали промодульовані за допомогою ДІКМ. Безпосередньо демодулятор складатиметься з двох частин, а саме з демодулятора ДІКМ та генераторного обладнання. Структура такого приймальної частини СД показана на рисунку 4.1.

Рисунок 4.1 Структура приймальної частини СД

Наведена структура складається з розділювача сигналу (РС), ДІКМ демодуляторів (ДІКМ1..ДІКМ12) та генераторного обладнання (ГО).

З метою зменшення вартості, збільшення гнучкості та враховуючи можливість майбутніх модернізацій системи використаємо у складі демодулятора сучасний сигнальний мікропроцесор.

Класична схема ДІКМ демодулятора зображена на рисунку 4.2.

Рисунок 4.2 Класична схема демодулятора ДІКМ

Враховуючи сучасні досягнення мікропроцесорної техніки можна стверджувати, що функції цифрового суматора (ЦС), цифро-аналогового перетворювача (ЦАП) та регістра (РГ), а також ГО.

4.2 Розробка схеми електричної принципової та вибір елементної бази демодулятора

Отже розроблюваний демодулятор складатиметься з мікроконтролера та ФНЧ. Мікроконтролер повинен відповідати вимогам швидкодії, мати достатній об'єм пам'яті, мати вбудований ЦАП.

Мікроконтролер повинен перетворити послідовний вхідний код у паралельний, додати значення попереднього відліку та вивести отриману суму на ЦАП, отже можна стверджувати, що у випадку вхідного сигналу з частотою 30 МГц нам достатньо буде мікроконтролера з 60 MIPS (MIPS - мільйон інструкцій в секунду). В таблиці 1 наведені основні параметри деяких мікроконтролерів.

Таблиця 4.1 Основні параметри МК

Тип мікросхеми	ATmega644	LPC2132	TMS320C6416T
Розмір Flash пам'яті (кБ)	64	64	1024
Кількість портів I/O	4	2	8
Швидкодія (MIPS)	20	60	8000
Наявність ЦАП	-	+	-
Розрядність АЦП	10	10	24

Отже визначившись із вимогами оберемо мікроконтролер PLC2132 (додаток Г) через його задовольняючу швидкодію та наявність ЦАП.

Розроблюваний ФНЧ буде активним, тобто коефіцієнт передачі цього ФНЧ буде рівним, або більшим за одиницю. Для цього в схему ФНЧ необхідно включити активний елемент. Активним елементом оберемо операційний підсилювач, тому що це спростить розробку та покращить її параметри, порівняно з активним ФНЧ на транзисторах.

Основні параметри ФНЧ це крутість спаду частотної характеристики в зоні зрізу, та лінійність частотної характеристики в зоні пропускання. Чим вище порядок фільтру, тим ближча характеристики до ідеальних, але збільшення порядку призводить до ускладнення апаратної реалізації. Тому бажано обирати мінімально необхідний порядок фільтра. Для фільтрів Чебишева мінімально необхідний порядок фільтра можна обрахувати за виразом [9]:

(4.1)

де - максимально допустимий рівень згасання в полосі пропускання;

- мінімально допустимий рівень згасання в полосі затримки;

- частота зрізу;

- гранична частота перехідної області.

Розроблюваному фільтру необов'язково мати прецизійні характеристики, тому оберемо

Підставивши у вираз (4.1) числові значення, отримаємо:

Порядок фільтра не може бути дробовим числом, тому оберемо G=2.

Розроблюваний фільтр зображений на рисунку 4.3.



Рисунок.4.3 Активний ФНЧ другого порядку

Для порівняння в таблиці 4.2 наведемо основні параметри декількох операційних підсилювачів (Додаток Г).

Оберемо в якості активного елементу фільтра мікросхему МАХ4223. Це швидкісний, високочастотний ОП малого споживання.

Номінал ємності розраховується за виразом (4.2) [9]:

(4.2)

Підставивши числові значення у вираз (4.2) отримаємо наступний вираз:

Отже оберемо радіоелемент К10-23 - 1 пФ ?16В ± 5% [10]

Номінал ємності розраховується за виразом (4.3) [9]:

(4.3)

де - коефіцієнт підсилення фільтра;

та довідникові дані (=1,42; L=1,51).

Таблиця 4.2 Основні параметри ОП різних типів

Тип мікросхеми	МАХ4223	AD8099ARD	LMH6733
Вхідний опір, кОм	700	10000	200
Частота одиничного підсилення, МГц	1000	700	870
Напруга живлення, В	12	5	12
Струм живлення, мА	350	150	170
Час встановлення, нс	8	18	10

Підставивши числові значення у вираз (4.3) отримаємо:

Отже оберемо радіоелемент К10-23 - 1 пФ ?16В ± 5% [10]

Номінал резистора розраховується за виразом [9]:

(4.4)

де - циклічна частота зрізу.

Циклічна частота розраховується за виразом:

Підставивши числові значення отримаємо наступний вираз:

Підставивши числові значення у вираз (4.4) отримаємо наступний вираз:



Отже оберемо радіоелемент С2-10 - 22 кОм ? 0,125Вт 5% [10].

Номінал резистора розраховується за виразом [9]:

(4.5)

Підставивши числові значення у вираз (4.5) отримаємо наступний вираз:

Отже оберемо радіоелемент С2-10 - 22 кОм ? 0,125Вт 5% [10].

Розроблюваний ФНЧ має достатню крутість АЧХ, допустиму нелінійність характеристики в зоні пропускання, та не послаблює сигнал, отже можна зробити висновок, що розроблюваний ФНЧ задовольняє всім вимогам.

4.3 Розрахунок балансу потужності демодулятора ДІКМ

Баланс потужності демодулятора ДІКМ визначається як сума потужностей споживання всіх елементів за виразом:

(4.6)

де - потужність споживання мікроконтролера;

- потужність споживання ОП.

Потужність споживання визначається як добуток напруги споживання та струму споживання за виразом:

, (4.7)

Отже, підставивши відповідні значення напруг живлення та струмів живлення в формулу (4.7) отримаємо:

.

Підставивши відповідні потужності споживання в формулу (4.6) отримаємо:

Отже, споживана потужність декодера ДІКМ дорівнює 4,75 Вт, що є задовільним результатом, враховуючи те що декодер розрахований на живлення від промислової мережі.

Схема електрична принципова знаходиться в графічній частині курсового проекту. Код креслення 08-34.СД.024.00.000 Е3.

5. Комп'ютерне моделювання

5.1 Обґрунтування моделювальної програми та конфігурації ПК

Моделювання проходження сигналу демодулятором буде проводитись в моделювальному пакеті PROTEUS 7 PROFESSIONAL DEMO. Вибір програмного пакету обумовлений тим, що це один з небагатьох програмних пакетів, що дозволяють моделювати схеми в складі яких є мікроконтролери та мікропроцесори. Також перевагою цього пакету над іншими є зручний інтерфейс та повним комплексом необхідних для моделювання елементів.

Програма PROTEUS 7 PROFESSIONAL DEMO має невисокі вимоги до параметрів комп'ютера. Процесор Pentium III, або новіші процесори, 250 МБ вільного місця на жорсткому диску. Операційну систему - Windows 98, ME, або XP, 128 МБ оперативної пам'яті.

5.2 Обґрунтування модельованої схеми

Для того, щоб провести моделювання необхідно скласти схему декодера відповідно до схеми електричної принципової. Для моделювання схеми також знадобиться джерело сигналу, параметри якого відповідали б параметрам сигналу у лінії зв'язку.

Для цього додамо до схеми джерело ЧМ сигналу, АЦП та мікросхему яка буде перетворювати паралельний код з виходу АЦП у послідовний, перетворювала б його на сигнал ДІКМ та додавала б сигнали інших каналів.

Отже, досліджувана схема наведена на рисунку 5.1. Елементи виділені жирною лінією присутні на схемі тільки для того щоб імітувати сигнали у лінії звязку, на схемі електричній принциповій їх немає.



Рисунок 5.1 Досліджувана схема

Осцилограма сигналу джерела показана на рисунку 5.2. Спектр сигналу джерела показана на рисунку 5.3. Осцилограма сигналу з виходу демодулятора показана на рисунку 5.4. Спектр сигналу з виходу демодулятора показаний на рисунку 5.5. Осцилограма сигналу з виходу ФНЧ показана на рисунку 5.6. Спектр сигналу з виходу ФНЧ показаний на рисунку 5.7.

Рисунок 5.2 Осцилограма вхідного сигналу



Рисунок 5.3 Спектр вхідного сигналу

Рисунок 5.4 - Осцилограма сигналу на виході ДІКМ



Висновки

У ході виконання курсового проекту було розроблену систему доступу на основі VDSL та з використанням ДІКМ у якості модуляції групового сигналу для 12 абонентів з довжиною тракту 8,1 км. Також було складено структурну схему системи доступу та розроблено схему електричну принципову демодулятора ДІКМ з використанням мікроконтролера. У роботоздатності побудованого демодулятора можна переконатися з результатів комп'ютерного моделювання. Комп'ютерне моделювання виконувалось у програмному пакеті PROTEUS 7 PROFESSIONAL DEMO.

Размещено на Allbest.ru