Эскизное проектирование радиоэлектронной системы передачи информации

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

1. ЗАДАНИЕ НА КУРСОВОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ

2. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ РАСЧЁТА

3. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПРОТОКОЛА ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ

4. РАСЧЁТ И ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ АНАЛОГОВОГО СООБЩЕНИЯ В ЦИФРОВОЙ СИГНАЛ

4.1 Расчёт спектральной плотности сообщения G(w)

4.2 Расчет плотности распределения мгновенных значений сообщения

4.3 Определение параметров преобразования сообщения в цифровую форму

4.3.1 Определение параметров для равномерного распределения

4.3.2 Определение параметров для неравномерного распределения

4.3.3 Определение параметров для собственного распределения

4.3.4 Выбор оптимальной модели распределения

4.3.5 Компрессия динамического диапазона сообщения

5. РАСЧЁТ ПОЛОСЫ, ЗАНИМАЕМОЙ РАДИОСИГНАЛОМ

6. РАСЧЁТ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СИСТЕМЫ

6.1 Расчёт отношения сигнал/шум

6.2 Расчёт мощности шума

6.4 Расчёт мощности излучаемого сигнала

6.4 Расчёт вероятности ошибки приёма кодовой группы

7.ЗАКЛЮЧЕНИЕ

8. СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ



УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

- младший разряд номера варианта в пятеричной системе счисления;

- старший разряд номера варианта в пятеричной системе счисления;

- плотность распределения мгновенных значений сообщения;

- спектральная плотность сообщения;

- суммарная ошибка преобразования;

- среднеквадратичное значение ошибки дискретизации;

- среднеквадратичное значение ошибки амплитудного ограничения;

- среднеквадратичное значение ошибки квантователя;

- относительная среднеквадратичная ошибка воспроизведения сообщения, вызванной действием шумовой помехи на цифровой сигнал;

- Эффективное значение результирующей относительной ошибки сообщения на выходе системы;

- допустимое значение вероятности ошибки;

- надёжность;

- расстояние между центральным пунктом и объектом;

- угол места;

- азимут;

- длина волны несущей частоты;

- число объектов;

- число битов в пакете;

- длительность сеанса связи;

- среднеквадратичное значение сообщения;

- шаг квантования;

- частота дискретизации;

- верхняя частота спектра сигнала;

- максимальное значение динамического диапазона;

- максимально возможное значение сообщения после амплитудного ограничителя;

- пик-фактор;

- число уровней квантования;

- разрядность;

- коэффициент сжатия;

- требуемое число уровней квантования;

- длительность разрядного импульса;

- полоса радиолинии;

- пороговое значение отношения мощности сигнала к мощности шума;

- среднее за длительный период значение отношения мощности сигнала к мощности шума;

- мощность шума, приведённого ко входу приёмника;

- спектральная плотность мощности шума;

- пороговая мощность сигнала на входе приёмника;

- рабочая мощность сигнала на входе приёмника

- требуемая мощность излучаемого сигнала;

- вероятность ошибки приёма кодовой группы при независимых ошибках приёма разрядов.



ЗАДАНИЕ НА КУРСОВОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ

Задание на курсовую работу нацелено на эскизное проектирование совмещённой радиоэлектронной системы измерения координат подвижного объекта и передачи по цифровому радиоканалу информации с объекта на центральный пункт измерения и сбора информации. В качестве источников сообщений рассматривается совокупность из N процессов, характеризующих состояние объекта и окружающей среды. При этом мобильные источники сообщения, обслуживаемые одним центральным пунктом, могут находиться на земле, на надводном, воздушном или космическом объекте. Аналогичная ситуация возможная и для расположения центрального пункта, что сопровождается спецификой требований к техническим устройствам, входящим в состав системы: габаритам, массе, источникам электропитания, расположению антенн, режиму передачи информации в сеансе измерения и т.д.

Задание предусматривает выполнение следующих основных частей работы:

расчёт и выбор основных параметров преобразования аналоговых сообщений в цифровую форму;

разработка и обоснование подробной функциональной схемы объекта для передачи информации на центральный пункт в пакетном (сеансовом) режиме;

разработка подробной функциональной схемы центрального пункта, реализующего функции измерения координат объекта, приёма и хранения информации;

разработка алгоритма поиска объекта, измерения его координат, сопровождения объекта и протокола связи.

Параметры радиолиний и устройство, обеспечивающих измерение и передачу информации, должны быть максимально совместимыми. Система сбора информации должна хранить её в виде цифровых пакетов, содержащих признак объекта, время сеанса, координаты объекта, признаки разделения пакета на отдельные сообщения, признаки синхронизации и т.д., т.е. необходимую служебную информацию.

Сеанс связи с объектом состоит из следующих этапов:

поиск и обнаружение объекта по его ответному сигналу;

измерение координат объекта (дальность, угловое положение) относительно центрального пункта;

передача и приём пакета информации в реальном времени в течении 20 секунд;

окончание сеанса связи и переход к поиску следующего объекта.



2. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ РАСЧЁТА

№ = 51b2 + 50b1, где b1,2=0,1,…,4.

№ = 4, поэтому 5 = 51b2 + 50b1 = 510 + 504 => b1=4, b2=0

1. Плотность распределения мгновенных значений сообщения:

,

где ,

2. Спектральная плотность сообщения:

,

где ,

3. Суммарная ошибка преобразования:

4. Параметры радиолинии передачи информации с объекта:

преобразование сигнал цифровой связь

Вид модуляции	Число сигналов, M	PД, 1/разр	Надежность,PН	Число каналов, N
ФМ4	4	2№10-6 = 810-6	0.92	12



5. Параметры радиолинии измерения координат объекта

Расположение	Измеряемые параметры	Rmax, км	л0, см
Центральный пункт	Объект
Вертолёт	Наземный	R, б, г	100	15



3. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПРОТОКОЛА ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ

Необходимо спроектировать совмещенную радиоэлектронную систему измерения координат подвижного объекта и передачи по цифровому радиоканалу информации с центрального пункта сбора информации на измеряемый объект.

Радиоизмерительная система центрального пункта осуществляет поиск объектов, их опознавание по ответному сигналу, измерение заданных параметров взаимного расположения центрального пункта и объекта, прием и хранение информации. Точность измерения и разрешения координат объекта не хуже 1% от максимальной величины измеряемого параметра (угла или дальности), причем угловое или дальномерное разрешение измерителя в зоне поиска позволяет проводить сеанс связи только с одним из объектов.

В нашем случае измеряемыми параметрами являются расстояние до объекта R, азимут б и угол места г. Максимальная величина дальности составляет Rmax = 100 км. Минимально необходимая точность передачи дальности: 1% от Rmax = 1 км. Необходимое число бит для передачи координаты дальности: 7.

Минимально необходимая точность передачи азимутальной координаты: 1% от бmax = 3.60

Будем передавать угловые координаты с точностью до 3°. Для передачи потребуется 7 бит.

Минимально необходимая точность передачи азимутальной координаты:

1% от гmax = 0.90 . Зададимся точностью 0.50. Для передачи потребуется 8 бит.

Итоговое число бит для передачи координат объекта: 7+7+8=22 бит.

Для передачи адреса каждого из 12 объектов потребуется 4 бита.

Итого, для передачи координат объекта и его адреса понадобится 26 бит.

Полученную 26-битовую последовательность закодируем помехоустойчивым БЧХ-кодом (31,26), который имеет минимальное кодовое расстояние dmin=3 и позволяет исправлять 1 ошибку.

Информационная + служебная часть кадра: 31 бит.

Т.к. объект может запросить координаты в произвольный момент и идентифицируется адресом, то проектируемая система является асинхронной адресной СПД с временным разделением каналов.

Каждому из 12 объектов соответствует свой кадр. Для кадровой синхронизации используем 15-элементную М-последовательность.

Итоговое число бит в кадре: 31+15=46 бита.

Для входа в синхронизм тактового генератора объекта перед приёмом информации о координатах необходима тактовая синхронизация. Для асинхронной системы её длина должна быть больше общей длительности кадров.

Число бит в кадрах: 1246=552 бита.

Для обеспечения тактовой синхронизации будем использовать последовательность Баркера («точки») длиной 600 бит.

Общая длительность пакета: 600+552=1152 бита.

Рис. 3.1. Битовая структура передаваемого пакета

Таким образом, сеанс связи с объектом состоит из следующих этапов:

Отправка центральным пунктом последовательности Баркера длиной 600 бит для синхронизации тактового генератора подвижного объекта;

Передача центральным пунктом кадров, содержащих координаты R и б, измеренные ЦП;

Объект, зная свой адрес, считывает предназначенную ему информацию.



4. РАСЧЁТ И ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ АНАЛОГОВОГО СООБЩЕНИЯ В ЦИФРОВОЙ СИГНАЛ

4.1 Расчёт спектральной плотности сообщения G(w)

Согласно исходным данным, среднеквадратичное значение сообщения

Среднеквадратичное значение сообщения связано со спектральной плотностью следующим выражением:

Рис.4.1.1 Спектральная плотность сообщения

Расчет плотности распределения мгновенных значений сообщения

Согласно заданию на проектирование, плотность распределения мгновенных значений сообщения задана в виде:

,

где ,

Рис.4.2.1 Плотность распределения мгновенных значений сообщения

4.3 Определение параметров преобразования сообщения в цифровую форму

Сообщение в виде реализации случайного стационарного процесса, заданного плотностью распределения своих мгновенных значений и спектральной плотностью , подвергается преобразованию в цифровой сигнал с заданной суммарной ошибкой преобразования , состоящей из трёх составляющих: относительной ошибки дискретизации , ошибка амплитудного ограничения и ошибка квантования . Зависимость между ними описывается выражением:

При заданном значении существует множество вариантов распределения составляющих среднеквадратической ошибки преобразования сигнала в цифровую форму, поэтому, согласно заданию на проектирование, приведём расчёт основных параметров для трёх распределений:

Равномерное распределение:

Неравномерное распределение:

Собственное распределение:

4.3.1 Определение параметров для равномерного распределения

Вычислим значения составляющих суммарной ошибки преобразования:

Величина шага квантования:



С помощью графического метода определим значение верхней частоты спектра сигнала соответствующей среднеквадратичному значению ошибки дискретизации .

Рис. 4.3.1.1 График зависимости среднеквадратичного значения ошибки дискретизации от верхней частоты спектра сигнала

Исходя из полученного пересечения графиков:



C помощью графического метода рассчитаем максимальное значение динамического диапазона ymax соответствующее среднеквадратичному значению ошибки амплитудного ограничения .

Для вычисления максимального значения динамического диапазона воспользуемся следующей формулой:

, отсюда подберём ymax=3.9978

Максимально возможное значение сообщения после его прохождения через амплитудный ограничитель мгновенных значений сообщения

Рассчитаем величину пик-фактора :

Вычислим число уровней квантования :

Найдём значение числа разрядов кода :

Частота разрядного импульса:

4.3.2 Определение параметров для неравномерного распределения

Вычислим значения составляющих суммарной ошибки преобразования:

,

Величина шага квантования:

С помощью графического метода определим значение верхней частоты спектра сигнала соответствующей среднеквадратичному значению ошибки дискретизации .

Рис. 4.3.2.1 График зависимости среднеквадратичного значения ошибки дискретизации от верхней частоты спектра сигнала

Исходя из полученного пересечения графиков:

Определим максимальное значение динамического диапазона ymax:

Максимально возможное значение сообщения после его прохождения через амплитудный ограничитель мгновенных значений сообщения

Рассчитаем величину пик-фактора :

Вычислим число уровней квантования :

Найдём значение числа разрядов кода :

Частота разрядного импульса:

4.3.3 Определение параметров для собственного распределения

Вычислим значения составляющих суммарной ошибки преобразования:

, ,

Величина шага квантования:

С помощью графического метода определим значение верхней частоты спектра сигнала соответствующей среднеквадратичному значению ошибки дискретизации .

Рис. 4.3.3.1 График зависимости среднеквадратичного значения ошибки дискретизации от верхней частоты спектра сигнала

Исходя из полученного пересечения графиков:

Определим максимальное значение динамического диапазона ymax соответствующее среднеквадратичному значению ошибки амплитудного ограничения :

Максимально возможное значение сообщения после его прохождения через амплитудный ограничитель мгновенных значений сообщения

Рассчитаем величину пик-фактора :

Вычислим число уровней квантования :

Найдём значение числа разрядов кода :

Частота разрядного импульса:

4.3.4 Выбор оптимальной модели распределения

Параметры распределения	Равномерное распределение	Неравномерное распределение	Собственное распределение
, Гц
, Гц		7270	7740
	3.9978	3.998	3.998
			14.393
n	7	7	7
	3.9978	3.998
	-		-
	-	0.06	-

Одним из основных требований, предъявляемых к радиолинии, является минимизация полосы. Наиболее полно этому требованию удовлетворяет неравномерное распределение.

4.3.5 Компрессия динамического диапазона сообщения

Так как и , то необходимо применять компрессию динамического диапазона сообщения, используя нелинейный функциональный преобразователь мгновенных значений сообщения, который также обеспечивает неравномерное квантование исходного сообщения. Для сообщений, плотность вероятности которых содержит экспоненциальные функции, часто применяется логарифмический преобразователь с коэффициентом сжатия, величина которого определяется выражением:

Требуемое число уровней квантования для этих преобразователей:



5. РАСЧЁТ ПОЛОСЫ, ЗАНИМАЕМОЙ РАДИОСИГНАЛОМ

Одним из важных требований к радиосистемам передачи информации является требование минимизации полосы частот радиолинии , что достигается, в основном, при максимальной длительности разряда цифрового сигнала . Определим величину длительности разрядного импульса многоканального сигнала:

Полоса радиолинии определяется длительностью самого короткого импульса (или паузы) в составе группового сигнала, т.е. длительности разряда и видом модуляции в радиолинии, и выбирается из соотношения:

,

где - коэффициент, зависящий от формы импульса и способа обработки сигнала в приемнике. Для АФМн, ФМн и AMн он изменяется в пределах от 0.35 до 1.25 и имеет меньшее значение для когерентного приема.

Пусть приёмник является когерентным и



6. РАСЧЁТ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СИСТЕМЫ

6.1 Расчёт отношения сигнал/шум

Качество выделения информации приёмным устройством цифровой системы передачи информации обычно связано с вероятностью ошибки приёма разряда сообщения. Связь между допустимым значением вероятности ошибки и пороговым отношением мощности сигнала к мощности шума можно представить следующим выражением:

Вводя понятие надёжности связи. Представляющее собой вероятность того, что за сеанс связи вероятность ошибки не превышает допустимой , можно получить:

При ФМ4:

C помощью графического метода оценим величину среднего отношение мощности сигнала к мощности шума, обеспечивающее заданную надёжность связи:

Рис. 6.1.1 График зависимости надёжности от среднего за длительное время отношения сигнал/шум

6.2 Расчёт мощности шума

Для расчёта рабочей мощности сигнала на входе приёмника необходима оценка мощности шума, приведённого ко входу приёмника. Мощность шума может быть найдена из выражения:

Для расчёта спектральной плотности шума , в силу специфики решаемой задачи, будем учитывать следующие шумы:

шумы ламп;

шумы молекул воды и кислорода (антенна наклонена к горизонту);

шумы параметрических усилителей.

Частота несущей сигнала:

,

Зададимся спектральной плотностью шума:

.

Вычислим значение мощности шума, приведённого ко входу приёмника:

Пороговая мощность сигнала на входе приёмника:

Рабочая мощность сигнала на входе приёмника:

6.3 Расчёт мощности излучаемого сигнала

Для расчёта требуемой мощности излучаемого сигнала необходимо воспользоваться соотношением между мощностями излучаемого и принимаемого сигналов при распространении радиоволн в свободном пространстве:



6.4 Расчёт вероятности ошибки приёма кодовой группы

Расчёт вероятности ошибки приёма кодовой группы при независимых ошибках приёма разрядов можно произвести, используя равенство:

Расчёт относительной среднеквадратичной ошибки воспроизведения сообщения, вызванной действием шумовой помехи на цифровой сигнал, можно выполнить по формуле:

Эффективное значение результирующей относительной ошибки сообщения на выходе системы:



7.ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполнения данной курсовой работы был разработан протокол передачи данных асинхронно - адресной системы с временным разделением каналов. При проектировании были учтены требования 1% точности передаваемой информации, предприняты меры повышения помехоустойчивости с помощью кода БЧХ (31,26), отображена битовая структура радиоканала включая служебную (синхронизирующую) часть.

Рассчитаны параметры преобразования аналогового сигнала в цифровую форму для 3х распределений среднеквадратической ошибки преобразования и выбрано оптимальное из них по критерию минимума полосы сигнала радиолинии - неравномерное распределение. Были получены основные энергетические характеристики, оценено отношение сигнал/шум, а также мощность передатчика и приёмника удовлетворяющая заданной вероятности ошибки.



8. СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Осинцев Д.А. «Методические указания к курсовой работе по курсу «Сети и системы связи с подвижными объектами»», Екатеринбург 2009, 24 с.

2. Современные технологии беспроводной связи / И.В. Шахнович. Москва: Техносфера, 2004.

3. Цифровая связь / Б. Скляр. Москва: 2003.

4. http://eewiki.ru/wiki/Код_БЧХ

1. Размещено на www.allbest.ru