Дипломная работа: Разработка цифровой системы связи для передачи непрерывных сообщений

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Омский государственный университет путей сообщения

Кафедра «Инфокоммуникационные системы и информационная безопасность»

Пояснительная записка к курсовой работе

РАЗРАБОТКА ЦИФРОВОЙ СИСТЕМЫ СВЯЗИ ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ НЕПРЕРЫВНЫХ СООБЩЕНИЙ

Студент гр. 22 - Б В.Е. Соколов

Руководитель - доцент кафедры ИСИБ

О.В. Литвинова

Омск 2015

Реферат

цифровой сигнал связь преобразователь

Курсовая работа содержит 33 страницы, 16 рисунков, 46 формул, 13 таблиц, использовано 4 источника.

Модуляция, полезный сигнал, дискретизация, спектр сигнала, аналогово-цифровой преобразователь, граничная частота.

Целью курсового проекта является разработка цифровой системы связи для передачи непрерывных сообщений. Курсовой проект содержит основные сведения о характеристиках и параметрах сигналов и каналов связи, примеры и методы их расчета, графики различных характеристик сигналов. Рассмотрены принципы преобразования сигналов в цифровую форму и требования к аналогово-цифровому преобразователю (АЦП).

Использованное ПО:Mathsoft MathCAD 14, Microsoft Word 2007, Microsoft Excel 2007, Аскон Компас.

Оглавление

• Введение
• 1. Характеристики сигналов
• 1.1 Временные функции сигналов
• 2. Частотные характеристики сигналов
• 2.1 Общие сведения по спектру сигналов
• 2.2 Спектральные характеристики сигналов
• 2.3 Спектральная плотность второго (случайного) сигнала
• 2.4 Энергии сигналов
• 3. Расчёт технических характеристик АЦП
• 3.1 Дискретизация сигнала и построение выборки
• 3.2 Дискретизация случайного сигнала и построение выборки
• 3.3 Выбор сигнала для передачи
• 4. Цифровой сигнал и выбор АЦП
• 5. Характеристики модулированного сигнала
• 5.1 Расчёт модулирующего сигнала
• 5.2 Расчет модулированного сигнала
• 6. Расчет информационных характеристик канала
• 7. Расчет вероятности ошибки оптимального демодулятора
• Заключение
• Библиографический список
• Введение
• Глобализация и персонализация два направления развития связи в современном обществе. Реализация теоретических основ происходит на основе современной микроэлементной электронной базе, микропроцессорной и вычислительной техники, оптических полупроводниковых приборов.
• Ситуация в отрасли железнодорожного транспорта во многом аналогична общемировым тенденциям. На текущем этапе развития перед железнодорожным транспортом стоят задачи по увеличению пропускной и перевозной способности, грузовых и пассажирских перевозок, уменьшению времени оборотов вагонов и повышению производительности труда. Эти задачи решаются по двум основным направлениям: техническим переоснащением систем отрасли и совершенствованием системы управления перевозочным процессом.
• Система управления же во многом зависит от грамотной и, что не менее важно, скоординированной работы обслуживающего персонала. Модернизация приемников и передатчиков, каналов связи и систем связи вообще, увеличение помехоустойчивости аппаратуры и уменьшение помех в условиях повышенного фона электромагнитных полей - это один из важнейших действующих процессов в реконструкции современного железнодорожного транспорта. Именно поэтому изучение курса теории передачи сигналов - это так важно для квалифицированного инженера.

Цель курсового проекта - спроектировать одноканальную цифровую систему связи для чего необходимо: провести анализ сигналов, несущих информацию, выбрать оптимальный сигнал по заданному критерию, произвести его оцифровку, привести к виду пригодному для передачи по линии связи, построить схему оптимального приемника и оценить его помехоустойчивость.

Для современного общества немаловажно также и повышение эффективности расчетов, в связи с чем в данном проекте была применена компьютерная вычислительная среда Mathsoft MathCAD 14.

1. Характеристики сигналов

1.1 Временные функции сигналов

Рисунок 1.1 Структурная схема цифрового канала связи

На вход преобразователя П^-1 подается непрерывное сообщение, несущее некоторую информацию. В блоке П^-1 получаем некоторую непрерывную зависимость напряжения от времени, которая ставится в соответствие передаваемым сообщениям. Далее сигнал подвергается цифровой обработке, которая заключается в дискретизации по времени и квантованию по уровню и производится соответственно в блоках Дt и ДU. После этого сигнал кодируется; три вышеназванные операции выполняет блок АЦП (аналогово-цифровой преобразователь). Кодер источника формирует первичный код, каждое сообщение записывается им в форме двоичного представления. Собственно, на этом этапе преобразований сигнал можно передавать до потребителя, но в таком виде он будет не защищен от помех, и достоверность передачи будет низка. Поэтому далее идут преобразования, направленные на повышения помехоустойчивости канала. Кодер канала по первичному коду формирует помехоустойчивый код. Здесь в код закладывается определенная избыточность, что позволяет в декодере канала обнаружить, либо исправить ошибки, возникшие при передаче. Спектр закодированного сигнала переносится в область высоких частот, чтобы оградиться от помех (в частности индустриального характера), в блоке «Модулятор». Линия связи осуществляет передачу сигнала от передатчика к приемнику, демодулятор выполняет обратное преобразование спектра из области несущей в область низких частот. Цифро-аналоговый преобразователь преобразует цифровой сигнал в аналоговый, и на выходе получаем искаженные сообщения a`(t).

1.1.1 Временная функция детерминированного сигнала

Временная зависимость первого (детерминированного) сигнала, график которой представлен на рисунке 2.1, имеет следующий аналитический вид:

, (1.1)

где h = 0.2 В, - амплитуда регулярного сигнала.

, - амплитуда регулярного сигнала.

Рисунок 1.2 Временная зависимость первого сигнала

Ниже приведем таблицу, отражающую зависимость напряжения сигнала от времени.

Таблица 1.1

Зависимость напряжения первого сигнала от времени

1.1.2 Временная функция случайного сигнала

Второй (случайный сигнал) - Гауссовский сигнал (равномерное распределение вероятностей). В общем представлении это может быть случайная функция времени.

В математическом представлении это случайный процесс, для которого вводятся следующие неслучайные параметры:

- характеристика множества, закон распределения плотности W(s),

- числовые константы: среднее (постоянная составляющая) М_S и дисперсия (средняя мощность) D_S или ее производная среднеквадратичное отклонение ,[4].

- функция автокорреляции (скорость изменения) K(ф).

Для построения воспользуемся возможностями программы MathCAD.

Рисунок 1.3 Плотность нормального закона распределения

Ниже приведем таблицу, отражающую зависимость напряжения сигнала от времени.

Таблица 1.2

Нормальный закон распределения вероятностей

По заданной функции автокорреляции вычислим интервал корреляции:

Этот параметр характеризует статистическую связь, скорость случайной функции источника. Функция АКФ задана в виде

где

л = 2•10³ 1/с,

D_S = 0.7 Вт,

f = 400 Гц.

Таким образом, получаем

Функция автокорреляции представлена на рисунке 1.4.

Таблица 1.3

Значения функции автокорреляции

Рисунок 1.4 Функция автокорреляции

Интервал корреляции:

2. Частотные характеристики сигналов

2.1 Общие сведения по спектру сигналов

Спектр сигнала (его частотный состав) является важнейшей характеристикой сигнала. Он определяет требования к узлам аппаратуры связи помехозащищенность, возможность уплотнения. Подробные сведения о спектральном анализе сигнала можно получить из литературы [2 5]. Далее мы воспользуемся математическим аппаратом непрерывного спектрального анализа.

Спектральная плотность это характеристика сигнала в частотной области, определяемая прямым преобразованием Фурье:

(2.1)

где временная функция сигнала;

круговая частота,

Спектральная плотность комплексная величина, она может быть представлена двумя формами:

алгебраическая -

(2.2)

где (2.3)

показательная -

(2.4)

Самое важное достоинство введенного интегрального преобразования Фурье заключается в том, что решение любой практической задачи может быть перенесено с помощью спектральной плотности из временной области в частотную, и лишь на заключительном этапе расчетов результат вновь переводится во временную область с помощью обратного интегрального преобразования:

(2.5)

2.2 Спектральные характеристики сигналов

Спектральная плотность первого (детерминированного) сигнала имеет следующий аналитический вид:

Модуль спектральной плотности первого сигнала находится из текущего аналитического вида спектральной плотности. График модуля спектральной плотности изображён на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 Модуль спектральной плотности первого сигнала

Таблица 2.1

Модуль спектральной плотности первого сигнала

Рисунок 2.2 Фаза спектральной плотности первого сигнала

Таблица 2.2

Фазочастотная характеристика второго сигнала

2.3 Спектральная плотность второго (случайного) сигнала

Функция корреляции определяет, среди прочего, и скорость случайного сигнала S(t), следовательно, и его спектр G(щ). В отличие от спектра детерминированного сигнала, это энергетический спектр с размерностью Вт/Гц. Энергетический спектр (спектральная плотность мощности) стационарного случайного сигнала и его функция корреляции связаны через преобразование Фурье:

где K(ф) - ненормированная функции корреляции.

Для сигнала с заданной K(ф) спектральная плотность мощности имеет вид:

Зависимость спектральной плотности мощности случайного сигнала от частоты изображена на рисунке 2.3.

Рисунок 2.3 Спектральная плотность мощности случайного сигнала

Таблица 2.3

Зависимость спектральной плотности мощности случайного сигнала от частоты

2.4 Энергии сигналов

Показатели энергии и мощности сигналов важнейшие характеристики, определяющие коэффициент полезного действия передатчика и качество работы приемника системы связи. Поскольку существует два вида представления сигналов временное и спектральное, то данные показатели могут быть вычислены двумя способами[4].

Полная энергия одиночного сигнала (детерминированного) вычисляется через временную функцию сигнала по формуле:

Неполная энергия, необходимая для вычисления граничных частот, определяется как процент от полной, в данной работе процент составляет 97. Получается, что:

W₂ = 0.97•W_1.

Спектральное представление сигнала позволяет определить эти же энергетические характеристики по спектрам сигнала при помощи равенства Парсеваля для непериодических функций:

Знак «?» в этих выражениях означает, что в создании энергии и мощности сигнала участвует бесконечный спектр частот. Если знак «?» заменить на конечную величину щ, то по полученной формуле определяется только часть мощности и энергии сигнала. Этим способом пользуются при ограничении спектров сигналов [4].

Вычисление полной энергии первого сигнала:

Вычисление неполной энергии первого сигнала:

Вычисление энергии первого сигнала через равенство Парсеваля:

Графики зависимости энергии первого сигнала от частоты приведены соответственно на рисунке 2.4.

Рисунок 2.4 - Зависимость энергии первого сигнала от частоты

Таблица 2.3

Зависимость энергии первого сигнала от частоты