Расчет параметров системы передачи дискретных сообщений

Размещено на http://www.allbest.ru/

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине «Передача дискретных сообщений»

ПАРАМЕТРЫ СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ

ДИСКРЕТНЫХ СООБЩЕНИЙ

ВВЕДЕНИЕ

Электросвязь - это совокупность человеческой деятельности, главным образом технической, связанной с передачей сообщений на расстояние с помощью электрических сигналов. Непрерывное развитие народного хозяйства и культуры приводит к интенсивному росту передаваемой информации, поэтому значение электросвязи в современной технике и в современной жизни огромно. Уже в настоящее время хорошо развитая сеть электросвязи облегчает управление государством. В будущем , когда методы управления с помощью ЭВМ будут преобладающими , наличие хорошо развитой сети электросвязи будет обусловливать управление государством.

В системах передачи сообщений используются как аналоговые , так и цифровые сигналы. В настоящее время широко применяются цифровые системы передачи. Так как они обладают более высокой помехоустойчивостью, что позволяет передавать на более далекие расстояния. Так же цифровые системы передачи в аппаратуре преобразования сигналов используют современную элементарную базу цифровой вычислительной технике и микропроцессоров. Поэтому аналоговый сигнал преобразуется в цифровой сигнал и в таком виде передается по линии связи; на приемной стороне происходит обратный процесс - преобразование цифрового сигнала в аналоговый.

В данной курсовой работе необходимо рассчитать технические характеристики цифровой системы связи.

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

Исходная скорость модуляции Vзад: 1200 бод

Число служебных разрядов псл: 9 бит

Способ модуляции: амплитудная

Допустимая вероятность ошибки единичных элементов рдоп: 1*10-4

Вероятность ошибки в канале связи, p: 10-6

Длина линии связи L: 200 км

Скорость распространения сигналов по каналу Vp: 25*10 4 км/с

Объем передаваемого сообщения N: 900 байт

Используется модель дискретного канала с независимыми ошибками.

СТРУКТУРНАЯ СХЕМА ДИСКРЕТНОГО КАНАЛА СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ ДИСКРЕТНЫХ СООБЩЕНИЙ

Для передачи непрерывных сообщений можно воспользоваться дискретным каналом. При этом необходимо преобразовать непрерывное сообщение в цифровой сигнал, то есть в последовательность импульсов , сохранив содержащуюся в сообщении существенную часть информации. Типичным примером цифровой системы передачи непрерывных сообщений являются системы с импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ).

Структурная схема системы цифровой передачи непрерывных сообщений , для ЧМ и некогерентного способа приема представлена на рис.1. Рассмотрим назначение и работу блоков данной схемы.

Источник непрерывных сообщений ,в качестве которого может выступать человек, ЭВМ и т.д. формирует непрерывный сигнал U(t) -- который изменяется в любые моменты и принимает любые из возможных значения Потом этот аналоговый сигнал поступает на АЦП ( аналогово-цифровой преобразователь ).Аналогово-цифровое преобразование состоит из трех этапов.

Дискретизация - производится выборка значений аналогового сигнала с интервалом .

Квантование - выборочное значение аналогового сигнала заменяется ближайшим значением уровня квантования (заранее установленными).

Кодирование - значение уровня квантования преобразуется в двоичное число.

В результате такого преобразования мы сами искажаем сигнал, так как приближаем его к уровню квантования .Для уменьшения этих искажений применяется нелинейная шкала квантования . С выхода кодера двоичный ИКМ сигнал поступает на модулятор, где происходит образование ЧМ сигнала. В модулятор подаются два гармонических сигнала с разными частотами. В первом перемножителе происходит перемножение первого гармонического сигнала с информационным сигналом, во втором перемножение второго гармонического сигнала и инверсией информационного. В сумматоре происходит сложение результатов перемножений. В итоге на выходе сумматора будет сигнал с частотой первого гармонического сигнала там где был единичный уровень информационного сигнала, и частота второго гармонического сигнала, там где был единичный уровень инверсии информационного сигнала. Для ограничения спектра сигнала передаваемого в канал на выходе передатчика ставится полосовой фильтр. Далее сигнал поступает в линию, где на него влияют помехи и вместе с помехами сигнал приходит на демодулятор, состоящий из ПФ ( ограничивает спектр принимаемого сигнала), АД (амплитудные детекторы), которые выделяют огибающую сигнала, в разностном устройстве происходит вычитание сигналов полученных на выходе амплитудных детекторов. Далее если напряжение на выходе ФНЧ пересекает заранее заданный положительный пороговый уровень, то на выходе решающего устройства формируется единичный уровень, а если напряжение пересекает отрицательный пороговый уровень, то вырабатывается нулевой уровень. Затем сигнал поступает на ЦАП (цифро-аналоговый преобразователь),в котором на декодере кодовые комбинации преобразуются в квантованную последовательность, далее фильтр восстанавливает непрерывное сообщение по квантованным значениям. Полученный сигнал U*(t) поступает получателю.

Рис. 1. Структурная схема дискретного канала системы передачи дискретных сообщений

Источник сообщений - устройства ввода передаваемой информации (например, клавиатура) или файловое хранилище.

Кодер - устройство преобразования исходного двоичного кода передаваемой информации в пакеты, содержащие помехоустойчивые коды информации и служебные данные.

Модулятор - устройство, преобразующее двоичный код пакетов в сигнал (модуляция амплитуды, частоты или фазы) для передачи по каналу связи.

Выходной блок сопряжения с каналом - устройство, обеспечивающее необходимые параметры сигнала для передачи по каналу связи (усиление, инвертирование и т.д.).

Входной блок сопряжения с каналом - устройство, обеспечивающее первичную обработку сигнала после передачи по каналу связи (усиление, ограничение, фильтрация и т.д.).

Демодулятор - устройство, преобразующее принятый сигнал в двоичный код со стандартными электрическими параметрами.

Декодер - устройство, проверяющее принятый двоичный код на наличие ошибок, исправляющее ошибки при их обнаружении и выделяющее информационную часть пакета.

Запоминающее устройство - хранилище принятой информации.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАКСИМАЛЬНОЙ СКОРОСТИ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ ПО КАНАЛУ СВЯЗИ С ЗАДАННЫМИ ПАРАМЕТРАМИ, ПРИ ОПРЕДЕЛЕННОМ СПОСОБЕ МОДУЛЯЦИИ

В качестве основного параметра, характеризующего канал связи, используется вероятность ошибки р в зависимости от отношения h средних мощностей сигнала Wс и помехи Wп, где последняя представляет собой аддитивный белый шум:

Зависимость р =f (h2) представлена в виде графика на рис. 2, где по оси ординат в логарифмическом масштабе отложены значения вероятности ошибки р при приеме единичного элемента, а по оси абсцисс - значения отношения сигнал/помеха h2 , дБ, где:

Рис. 2. Зависимость вероятности ошибки от отношения сигнал/шум при амплитудной модуляции

При построении графика: p=f(h2) для определенного вида модуляции используются формулы табл. 1, где Ф(х) - функция Крампа, значения которой приведены в прил. 1.

Таблица 1

Если при передаче данных задана допустимая вероятность ошибки единичного элемента Pдоп ,то максимальную скорость Vmax можно определить с помощью следующего выражения:

где Vзад - заданная скорость передачи;

- значения при p = 10-6 и заданной рдоп ,соответственно, в дБ.

Значения h1 и h2 определяется по формулам табл. 1 с использованием таблицы приложения 1 путем подстановки величину p и рдоп:

Тогда

бод

Полученное Vmax округляется до ближайшего значения из стандартного ряда МККТТ (1200, 1800, 2400, 3600, 4800, 7200, 9600, 14400, 19200, 28800 бод). Таким образом Vmax принимается равным 2400 бод.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОЙ СКОРОСТИ ПРИЕМА СИГНАЛОВ ДАННЫХ И ОПТИМАЛЬНОЙ ДЛИНЫ ПЕРЕДАВАЕМЫХ БЛОКОВ

данные передача сигнал сообщение

Для обеспечения заданной достоверности при передаче данных применяют обратные связи и помехоустойчивое кодирование, использование которых приводит к появлению избыточности и, следовательно, к уменьшению скорости передачи данных.

Эффективная скорость Vэф зависит от состояния канала связи, оптимальной длины передаваемых блоков и числа служебных разрядов.

Блоки данных передаются пакетами, которые состоят из nсл (байт служебных разрядов), r (байт проверочных разрядов) и k (байт информационных разрядов). Обратная связь осуществляется с помощью управляющих кадров, которые состоят из ncл2 (байт служебных разрядов). При этом необходимо учитывать время распространения сигналов по каналу tp.

Если в системе передачи данных используется модель дискретного канала с независимыми ошибками и обратной связью, то число служебных разрядов nск=(ncк1 + ncк2) , а эффективная скорость

где п = к + r - число байт в принимаемом блоке;

к, r - числа информационных и проверочных байт соответственно;

Рко( 1, n)=npдоп - вероятность ошибки в принятом блоке;

Pдоп - вероятность ошибки единичного элемента.

Для определения максимальной эффективной скорости приема данных и оптимальной длины передаваемых блоков данных необходимо построить график зависимости эффективной скорости от длины принимаемых блоков путем подстановки в выражение для Vэф значений к, которое может изменяться от 15 до 500 байт. Значение псл задано и равно 9 байт, r принимается равным 2, Vmax определено ранее - 1800, tp равно отношению длины канала L и скорости распространения сигнала по каналу Vp . Для заданных значений L и Vр это отношение равно 0.0008 с.

Рис. 3. Зависимость Vэф=f(k)

Из анализа графика на рис. 3 определяются соответствующие максимуму построенной функции максимальная эффективная скорость (~1650 бит/с) и оптимальная длина принимаемого информационного блока kopt =278. Тогда nopt= kopt+r = 278 + 2 = 280

ПОМЕХОУСТОЙЧИВОЕ КОДИРОВАНИЕ

В связи с тем, что при приеме сообщений необходимо обеспечить вероятность ошибки не более 10-6 , используются помехоустойчивые коды, исправляющая и обнаруживающая способности которых определяются их кодовым расстоянием d - минимальным расстоянием между комбинациями, входящими в код. Максимальная кратность обнаруживаемых ошибок при этом равно d -1, максимальная кратность исправляемых ошибок d/2-1 для четного d и (d-1)/2 для нечетных d.

В данной курсовой работе используется модель дискретного канала с независимыми ошибками, поэтому для определения вероятности необнаруженной ошибки Рно в принятом блоке при использовании циклического корректирующего кода можно воспользоваться следующим выражениям:

где: - число сочетаний из п по i,

- число ошибок, обнаруживаемых кодом;

Циклические коды получили широкое распространение вследствие удобства формирования этих кодов и их синдрома ошибки. Расчет Рно для рассматриваемых параметров дискретного канала (r = 2, рдоп = 5*10-3 , nopt = 402, принимается равным 2) дает величину 5,763Е-04, что выше установленной в задании величины 10-6 для вероятности ошибки в канале связи. Поиск решения для формулы вероятности Рно , обеспечивающего величину 10-6 , дает значения для nopt = 125. При этом Рно = 8,75Е-07, а эффективная скорость передачи Vэфф =5229 бит/с.

Один из возможных вариантов аппаратурной реализации кодера для циклического кода изображен на рис. 4 вместе с последовательностью сигналов, подтверждающей получение тех же проверочных разрядов (010) на восьмом такте. Кодер представляет собой сдвиговый регистр с обратными связями, организуемыми с помощью элементов М2 (исключающее ИЛИ, сумматор по модулю 2). Структура обратных связей полностью определяется ненулевыми коэффициентами порождающего полинома. На первых восьми тактах ключ Кл. находится в верхнем положении, формируются проверочные разряды. Затем ключ Кл устанавливается в нижнее положение, что соответствует разрыву цепей обратных связей и передаче непосредственно в канал связи или на модулятор проверочных разрядов. Для временного хранения информационной части сообщения с целью последующей ее передачи вместе с проверочными разрядами кодер, очевидно, должен быть дополнен сдвиговым регистром длиной в к разрядов, ключами и соответствующими цепями управления. Однако в целом аппаратурные затраты при реализации кодеров в случае циклических кодов невелики - общее число триггеров и элементов М2 (исключая регистр временного хранения информационной части сообщения) не превышает 2r и не зависит от длины информационной части сообщения.

Рис. 4. Кодер циклического кода (сигнал обратной связи отличен от нуля на 5-м и 6-м тактах)

На рис. 5 представлена структурная схема декодера с исправлением ошибки. Принятый из канала код в параллельном виде записывается в сдвиговый регистр-приемник. Далее на его основе вычитается синдром ошибки. При его ненулевом значении синдрома делается вывод о наличии ошибок и формируется вектор ошибки -параллельный код, содержащий 1 в разрядах, где была обнаружена ошибка, который фиксируется в регистре вектора ошибки . Далее на регистр-приемник и регистр вектора ошибки подаются сдвигающие тактовые импульсы и осуществляется поразрядное сложение их coдержимoгo на схеме ИЛИ, на выходе которой формируется исправленный код принятого сообщения.

Рис. 5. Декодер корректирующего кода

ПОВЫШЕНИЕ ВЕРНОСТИ ПРИНИМАЕМЫХ СООБЩЕНИЙ

Существуют два метода повышения верности принимаемых сообщений. Первый метод основан на улучшении качественных показателей каналов, что достигается обычно либо путем устранения самих причин появления ошибок, либо включением в канал некоторых дополнительных устройств, уменьшающих влияние помех.

Основными причинами, вызывающими ошибки, являются импульсные помехи и кратковременные перерывы.

Импульсные помехи обычно появляются при снижении переходного затухания между парами в одном кабеле, а также проникают из цепей питания. Поэтому поддержание на должном уровне переходного затухания между парами в кабеле, а также улучшение фильтрации в цепях питания, применение развязывающих питающих агрегатов приводит к существенному снижению потока импульсных помех и улучшению качественных показателей канала. Другая причина появления импульсных помех носит эксплуатационно-технический характер. Поток импульсных помех значительно возрастает при проведении обслуживающим персоналом всевозможных профилактических работ на магистрали во время работы связи (всякого рода переключения, подключения измерительных приборов, чистка контактов и т. п.). Устранение появления импульсных помех в данном случае может быть достигнуто только путем повышения технической культуры эксплуатации связей.

Причиной возникновения кратковременных перерывов является обычно низкое качество контактов аппаратуры связи, а также причины, имеющие эксплуатационный характер. Значительное снижение частности появления кратковременных перерывов достигается использованием аппаратуры связи с более качественными контактами (например, при замене декадно-шагового коммутационного оборудования на координатное, квазиэлектронное и электронное), а также повышением технической культуры эксплуатации связей.

Значительное улучшение качества канала связи, особенно при организации связей большой протяженности или использование сравнительно высоких скоростей передачи, достигается включением в канал дополнительных устройств -- регенеративных трансляций и фазовых корректоров. В ряде случаев это значительно повышает верность приема.

Улучшение качественных характеристик каналов с целью повышения верности приема всегда связано с определенными материальными затратами, которые в ряде случаев могут оказаться весьма высокими. Поэтому большое значение имеют широко применяющиеся в технике передачи данных методы повышения верности приема, не требующие улучшения качества канала. Эти методы основаны на внесении в передаваемый сигнал определенной избыточности. Вводимая в передаваемый сигнал избыточность вносит дополнительные условия, проверка соблюдения которых на приеме позволяет обнаружить факт искажения сигнала, а также сравнить принятый искаженный сигнал с соответствующим неискаженным.

Любые методы внесения избыточности в передаваемый сигнал связаны с увеличением объема сигнала, т. е. с увеличением либо мощности сигнала, либо ширины спектра, либо времени передачи. Возможности повышения верности приема путем увеличения мощности и ширины спектра при передаче дискретной информации по стандартным каналам связи довольно ограничены, поэтому преимущественное применение, получил метод введения избыточности путем увеличения времени передачи сигнала Этот метод может быть реализован в двух разновидностях - использованием для передачи дискретной информации пониженной по отношению к номинальному значению скорости и применением корректирующих кодов. Понижение скорости при работе по каналам невысокого качества получило широкое применение. Так, во многих типах АПД, работающих по каналам тч, предусматриваются две и более скорости модуляции (например, 600 и 1200 бод), причем с меньшей скоростью обычно ведется работа на большие расстояния, а также работа по каналам с суженной полосой пропускания (300--2700 Гц).

Применение корректирующих кодов является более эффективным методом повышения верности, чем работа с пониженной скоростью. Оба этих метода не следует противопоставлять друг другу. Использование корректирующих кодов является методом более общим, а понижение скорости передачи можно считать частным случаем применения корректирующего кода.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВРЕМЕНИ ДОСТАВКИ СООБЩЕНИЯ ПОЛУЧАТЕЛЮ

Время доставки сообщения Тд получателю складывается из времени установления цикловой tцc синхронизации, времени передачи сообщения tпр, времени распространения сигналов по каналу tр и некоторых других временных интервалов, которыми можно пренебречь в силу их относительной малости.

Время установления цикловой синхронизации

Время передачи

где N-- объем передаваемого сообщения.

Время распространения

Для рассматриваемой системы передачи дискретных сообщений:

Тогда

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Фундаментальными работами В.А.Котельникова и К.Шенонна было положено начало современной теории передачи сообщений. Классическая теория помехоустойчивости при флуктуационных помехах развита для каналов со случайно изменяющимися параметрами и продолжает развиваться в направлении учета реальных характеристик сигналов и помех, в том числе нестационарных. Вопросы синтеза оптимальных приемников непрерывных и импульсных сигналов успешно решаются на основании теории нелинейной фильтрации. Дальнейшим шагом является разработка и применение методов построения оптимальных схем, позволяющих обеспечить высокую достоверность передачи сообщений в каналах с переменными параметрами при неполной априорной информации о сигналах и помехах.

Современная теория передачи сообщений позволяет достаточно полно оценить различные системы связи по их помехоустойчивости и эффективности и тем самым определить, какие из этих систем являются наиболее перспективными. Теория достаточно четко указывает не только возможности совершенствования существующих систем связи, но и пути создания новых, более совершенных систем.

В настоящее время речь идет о создании систем, в которых используются показатели эффективности, близкие к предельным. Одновременное требование высоких скоростей и верности передачи приводит к необходимости применения систем, в которых используются многопозиционные коды и мощные корректирующие коды.

В реальных условиях системы связи должны выполнять большой объем вычислений и логических операций, связанных с изменением и регулированием параметров сигнала, а также с операциями кодирования и декодирования. Наиболее совершенная система связи должна быть сложной саморегулирующейся системой. Практически реализация таких систем должна базироваться на использовании микропроцессоров и ЭВМ.

ЛИТЕРАТУРА

Передача дискретных сообщений: учебник для вузов/Под ред. Б. П. Шувалова. М.: Радио и связь, 1990.

Чернега B.C. и др. Расчет и проектирование технических средств обмена и передачи информации: учеб. пособие. М.: Высш. шк., 2010.

Когновицкий О.С. Основы циклических кодов: учеб. пособие. /ЛЭИС. Л, 1990.

Абдулаев В. А., Арипов М. Н. Передача дискретных сообщений в задачах и упражнениях: учеб. пособие. М.: Радио и связь,2014.

Коржик В.И. и др. Расчет помехоустойчивости систем передачи дискретных сообщений: справочник. М.: Радио и связь, 2011.

Клюев Л.Л. “Теория электрической связи». Минск, «Дизайн ПРО», 2009 г.

ПРИЛОЖЕНИЕ

Таблица значений функции Крампа.

Размещено на Allbest.ru