Синтез системы сжатия и уплотнения каналов

Размещено на http://www.allbest.ru/

19

МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

РЯЗАНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ РАДИОТЕХНИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ

КАФЕДРА РАДИОУПРАВЛЕНИЯ И СВЯЗИ

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по дисциплине «Основы теории сжатия информации и уплотнения каналов»

тема «Синтез системы сжатия и уплотнения каналов»

Выполнил: студент гр. 616

Якунин И. В.

Проверил: Макаров Д. А.

Рязань 2000

Техническое задание

Сжатие-АД АК -

Уплотнение - по форме +

Число каналов - 80 450 +/-

Вероятность ошибки на символ - 10^{-3 -} 10^-4 +/-

Ширина спектра сигнала - 3500 ГЦ - 1700Гц +/-

Показатель верности, % - 0,5-0,5 +

Адаптивная дельта-модуляция - ИКМ

В данном курсовом проекте разрабатывается система сжатия и уплотнения каналов, и определяются её основные параметры и характеристики. Проектирование и применение подобных систем в настоящее время считаются целесообразным, т. к. эти системы позволяют уменьшить плотность и сложность линий связи, увеличить число каналов, улучшить качество обслуживания абонентов, а так же предоставлять им дополнительные услуги.

сжатие уплотнение связь дискредитация

Определение частоты опроса

В нашем случае спектр сигнала равномерный. Из 2 по модели №1 сигнала с равномерным спектром (рис. 1) определяем частоту опроса F₀. По заданию на проект, показатель верности эф = 0.5 %, а ширина спектра сигнала f=3500 Гц. Применим эту модель к интерполяции по Лагранжу при n=1,2,3, используя также следующие соотношения:

Теперь проанализируем полученные результаты. Частота опроса F₀₂ имеет существенный выигрыш по сравнению с F₀₁ и проигрывает частоте F₀₃, так как больше неё.

Но выберем F₀₂, так как при реализации на этой частоте обеспечивается заданное качество и используются небольшие аппаратные затраты.

Адаптивная дискретизация

В системе с адаптивной дискретизацией в каждом измерительном канале сужение полосы пропускания частот канала связи может быть получено без буферной связи. При этом передача информации будет производиться в реальном масштабе времени, что является достоинством таких систем, именно поэтому мы выбрали эту структурную схему.

Структурная схема передающей части ТИС с адаптивной дискретизацией в каждом канале без буферной памяти представлена на рис.2.

В литературе такие системы названы асинхронно-циклическими. Схема работает следующим образом. Сигналы с датчиков Д анализируются адаптивными временными дискретизаторами АВД, которые решают задачу адаптивной дискретизации в каждом измерительном канале отдельно. Если в каком-либо канале погрешность аппроксимации достигает значения заданной допустимой погрешности д, то на выходе соответствующего АВД появится сигнал 1. В то же время импульсы от генератора тактовых импульсов ГТИ через открытую схему запуска СЗ с помощью распределителя Р поочерёдно поступают на схемы совпадения И.

Если на втором входе какой-либо схемы И появляется сигнал 1 от АВД, то схема И выдаёт сигнал 1 на ключ К и соответствующий датчик подключается к аналого-цифровому преобразователю АЦП. При этом через собирательную схему ИЛИ подаётся сигнал на СЗ, запрещающий дальнейшее прохождение импульсов с ГТИ до окончания преобразования и выдачи кода в линию связи. Распределитель останавливается, и параметр выбранного датчика преобразуется в код АЦП, который поступает в блок считывания БС. В БС поступает также код номера (адрес) выбранного канала. В БС код адреса и код параметра преобразуются из параллельного в последовательный и передаются в линию связи. По окончании считывания БС выдаёт сигнал на разрешение дальнейшего прохождения импульсов через СЗ на распределитель. Кроме того, сигнал окончания считывания от БС поступает также на один из входов схемы совпадения И1, служащей для формирования сигнала сброса АВД в момент отсчёта.

Так как на второй вход схемы И1 поступает сигнал от схемы И своего канала, то сброс АВД произойдёт только в выбранном канале. После этого распределитель Р продолжает опрос схем И, причём время прохождения канала, у которого погрешность аппроксимации меньше заданной, выбирается малым по сравнению со временем преобразования сигнала и выдачи сигнала в линию связи.

В асинхронно-циклических системах можно не передавать код адреса, а вместо него через канал связи передавать на приёмную сторону импульсы переключения распределителя Р от схемы запуска СЗ.

Адаптивная дельта-модуляция

Известен ряд методов АДМ. Большинство этих методов основано на адаптации по выходу, когда шаг квантования перестраивается по выходной последовательности кодовых слов. Общий вид системы на рис. 7,8.

Подобные схемы обладают тем преимуществом, что не требуют синхронизации по кодовым словам, поскольку при отсутствии ошибок шаг квантования, как передатчика, так и приёмника перестраивается в одной и той же кодовой последовательности. Шаг квантования подчиняется следующему правилу:

В этом случае множитель является функцией текущего и предшествующего кодовых слов c(n) и c(n-1). Это возможно, поскольку c(n) зависит только от знака d(n), который задаётся соотношением:

Т.о. знак d(n) определяется перед получением квантованного значения d^(n), которое возникает после вычисления (n). Алгоритм выбора множителя шага квантования в уравнении имеет вид:

Выбор такого метода объясняется видом последовательности кодовых слов, наблюдаемой в линейной - модуляции. Например, из рис. 4 видно, что период перегрузки по крутизне соответствует отрезкам последовательности, состоящим только из нулей или единиц. Период шума дробления соответствует последовательности из чередующихся нулей и единиц вида 010101 ... Границы шага квантования следует выбирать таким образом, чтобы обеспечить необходимый динамический диапазон входного сигнала. Отношение max/min должно быть достаточно большим, чтобы обеспечить большую величину отношения сигнал/шум в требуемом диапазоне уровней входного сигнала. Минимальный шаг квантования должен быть настолько малым, чтобы минимизировать шум незанятого канала. Р и Q должны удовлетворять соотношению:

для устойчивости системы, т. е. для поддержания шага квантования таким, чтобы он соответствовал уровню входного сигнала. На рис. 5 представлены результаты моделирования на речевом сигнале с PQ=1 для трёх различных частот дискретизации. Видно, что значение отношения сигнал/шум достигает максимума при Р=1,5, однако во всех трёх случаях отношение сигнал/шум мало меняется при изменении Р в пределах 1,25<P<2.

На рис. 6 для сравнения систем АДМ, ЛДМ и логарифмической ИКМ приведены зависимости отношения сигнал/шум от скорости передачи для всех трёх случаев. Представленные на рисунке результаты для ЛДМ соответствуют случаю Р=1/Q при дополнительном условии Р=1=1/Q. Результаты для АДМ получены при Р=1,5. В случае логарифмической ИКМ зависимость отношения сигнал/шум от скорости передачи вычислена в предположении частоты дискретизации Найквиста (2FN=6,6 кГц) при =100. Рисунок 6 показывает, что при АДМ отношение сигнал/шум на 8 дБ выше, чем при ЛДМ (скорость передачи 20 кбит/с). Этот выигрыш достигает 14 дБ при скорости 60 кбит/с. С удвоением частоты дискретизации (скорости передачи) отношение сигнал/шум увеличивается на 6 дБ при ЛДМ, и на 10 дБ при АДМ. Сравнивая АДМ и логарифмическую ИКМ, отметим, что при скоростях меньше 40 кбит/с АДМ имеет лучшие характеристики, чем логарифмическая ИКМ. Для больших скоростей логарифмическая ИКМ имеет лучшее соотношение сигнал/шум. Как следует из рис. 6, система с АДМ требует скорости, приблизительно равной 60 кбит/с для достижения того же качества, что и при семиразрядной логарифмической ИКМ со скоростью передачи около 46 кбит/с.

Улучшение качества системы АДМ достигнуто путём её незначительного усложнения. Поскольку адаптация осуществляется по выходному потоку двоичных символов, система АДМ сохраняет основное преимущество систем с дельта-модуляцией, т. е. не требует синхронизации по кодовым словам. Таким образом, во многих случаях целесообразно использовать АДМ вместо логарифмической ИКМ даже за счёт незначительного увеличения скорости передачи.

Схема дельта - модулятора с адаптацией по шагу:

Разделение каналов по форме

При разделении каналов по форме (РКФ) базисные функции е(t) должны быть минимально независимыми и желательно ортогональны. При этом передающаяся информация заключена в амплитуде базисных функций. В случае РКФ базисные функции имеют следующий вид:

где Ui - отсчёты первичного сигнала. Эта формула справедлива, если информация в амплитуде. В качестве базисных функций используются формулы, удобные с точки зрения технической реализации. Обычно это труды Лежандра, Матье, Уолша.

Рассмотрим полиномы Лежандра:

Это справедливо при n2. Специальные особенности полиномов Лежандра:

Условие ортогональности:

Средняя мощность каждого колебания (2n+1). Для выравнивания мощности каждого оптимального многочлена необходимо умножить на (2n+1) каждую базисную функцию.

Для нечётных полиномов Лежандра в сигнале появляются скачки, для передачи которых требуется широкая полоса пропускания (см. рис. 9)

Для устранения этого недостатка у нечётных полиномов через период меняется полярность (см. рис.10)

Рассмотрим структурную схему передающей и приёмной части системы уплотнения по форме с ортогональными сигналами:

На схеме следующие обозначения:

ГТЧ - генератор тактовой частоты,

ГНК - генератор несущего колебания,

Кi - ключи,

ГПФ - генератор полиномиальных функций,

СМУ - суммарно-масштабный усилитель,

С - синхронизатор.

На приёмной стороне ГТЧ формирует кратковременные импульсы с частотой повторения. Ключи хранят значение весь период повторения. Синхронизатор формирует синхросигнал. Групповой сигнал имеет вид:

Для разделения по форме используют свойство ортогональности. Математически эта операция выглядит так:

На приёмной стороне в синхронизаторе осуществляется выделение синхросигнала, который запускает ГПФ и сбрасывает интеграторы и ключи. Ортогональные полиномы являются непрерывными аналоговыми сигналами, что приводит к повышенным требованиям к устройствам генерирования и обработки. Но реализация таких систем на основе ЦОС позволяет получить лучшие технические характеристики, чем при использовании ансамбля Уолша (в частности, требуемая полоса меньше).

В данном проекте в качестве базисных функций будут использованы функции Уолша вследствие простоты использования на практике и при расчётах.

Краткие сведения о функциях Уолша

Эти функции известны с 1922 г., но практический интерес к ним возник только в последние 2 - 3 десятилетия в связи с развитием ЭВМ. Существует множество способов задания (определения) функций Уолша.

Математически можно записать так:

Количество таких функций определяется величиной n: N=2ⁿ - общее количество функций Уолша.

Для нашей системы достаточно пяти функций Уолша, т. к. на вход системы уплотнения по форме поступают 5 сигналов с пяти адаптивных дискретизаторов. Образование необходимых нам функций наглядно демонстрирует рис. 13, при N=2³=8, n=3 и W₀=0.

Для того, чтобы передать код функции Уолша, достаточно трёх бит (2³=8) информации.

Структура группового сигнала

За один период Т_д=1/F₀=1,5 мкс в линию связи должны быть переданы:

Информация со всех 5 устройств АД

Синхросигнал

Минимальная длина функции Уолша для 5 сигналов с выхода АД

Информация о времени выборки (сообщения о времени)

Рассмотрим формирование группового сигнала (рис. 14). На вход устройства АД с датчиков (Д) поступает аналоговый сигнал. На этом рисунке мы уже представили этот сигнал в виде отсчётов, взятых с частотой дискретизации (на рис это импульсы 116). Так как мы используем адаптивную дискретизацию, необходимо вставить импульсы И1 для организации сообщений о времени. Разделительные сообщения о времени передаются при каждой значащей части сообщения. Так, например, на рисунке сообщения о времени стоят через каждые 16 импульсов, что удобно для технических расчётов. Импульс каждого канала, выделенный жирнее, это та выборка, которая взята именно из этого канала при обработке в схеме АД. При быстром изменении информации с датчика, из 16 возможных выборок могут быть взяты несколько существенных отсчётов, вместо одного.

Так как на каждый АД поступает информация с 16 датчиков, то 2⁴=16 и вполне достаточно 4 бит адресной информации. Структура группового сигнала имеет вид:

где В - число уровней квантования. Так как мы используем адаптивную дельта-модуляцию, число уровней квантования равно двум, т. е. принимается решение 0 или 1. В итоге В=2.

При расчёте количества бит информации для адреса, получаем, что на входе АД 16 датчиков (2⁴=16) и для описания адреса необходимо 4 бита.

Итак, получаем:

где Вр - сообщения о времени. Мы получили количество символов на выходе АД.

На рисунке изображена общая структурная схема разрабатываемой системы сжатия и уплотнения по форме. На выходе системы уплотнения по форме сигналы с систем АД помножены на функцию Уолша. И соответственно длина группового сигнала увеличится на минимальную длину функции Уолша для пяти сигналов, поступающих на вход системы уплотнения по форме. Для пяти сигналов достаточно трёх бит информации, чтобы описать упомянутые функции.

Отсюда получаем:

Это длина группового сигнала. Теперь необходимо в зависимости от вероятности ошибки на символ рассчитать синхросигнал. По графику на рис. 15 при вероятности ошибки на символ Р_ош=10^-3 и задаваясь вероятностью ложного обнаружения синхросигнала Р_л=10^-6, определяем длину синхросигнала n=34. В итоге получим:

Это полная длина группового сигнала на выходе всей системы сжатия и уплотнения каналов.

Длительность передачи одного символа (бита):

Ширина спектра группового сигнала:

Длительность структурных единиц сигнала:

На рисунке 16 показана структура группового сигнала на выходе проектируемой системы со следующими обозначениями:

Т_с - длительность синхросигнала

Т_к - длительность передачи информации.

Основные временные диаграммы системы

На рис.17 показаны временные диаграммы в принципиально важных точках системы

На рис.17,а показан аналоговый сигнал, поступающий из какого-то датчика (Д) на вход системы сжатия АД. После обработки в АД сигнал приобретает вид рисунка 17,б. Этот сигнал уже содержит информацию о времени выборки, об адресе датчика, о разрядности квантователя (В), о данных с датчика. Затем сигналы с выходов АД параллельно поступают на вход системы уплотнения по форме. Там каждый сигнал умножается на свою базисную функцию в зависимости от номера АД, и суммируются. Сигнал на выходе схемы сжатия иллюстрирует рисунок 17,в. Перед каждой посылкой сжатой информации обязательно присутствует синхросигнал. Он может быть импульсом большой длины и т. п., главное, чтобы он был отличен от импульсов, передающих (содержащих) информацию. Довольно часто используют в качестве синхросигналов импульсы со сложной формой.

Список используемой литературы

Свиридов Н. Г. Проектирование РТС передачи информации Рязань, РРТИ, 1988 г.

Кириллов С. Н. Курс лекций по дисциплине «Основы теории сжатия информации и уплотнение каналов». Рязань, 2000 г.

Адаптивные телеизмерительные системы, под ред. А. Б. Фремке, М. 1981 г.

Левин, Плоткин, Цифровые системы передачи информации, 1982 г.

Рабинер Л. Р., Шафер Р. В., Цифровая обработка речевых сигналов. М., 1981 г.

Езерский В. В. Курс лекций по дисциплине «Техника микропроцессорных систем» Рязань, 2000 г.

Заключение

В данном проекте разработана система сжатия и уплотнения каналов, определены её основные параметры с учётом данных технического задания. Спроектированная система может использоваться как составная часть систем телеметрии или радионавигации. По сравнению с аналоговыми системами, данная цифровая система более стабильна в работе, обеспечивает передачу большего числа информации, обеспечивает лучшую точность передачи информации.

Размещено на Allbest.ru