Женко Л.А. (сост.). Разработка системы передачи информации с временным уплотнением линиий связи (ВУЛС)

Подождите немного. Документ загружается.

Министерство путей сообщения РФ

Департамент кадров и учебных заведений

Самарская государственная академия путей сообщения

Кафедра автоматики, телемеханики и связи

на железнодорожном транспорте

Методические указания

и задания к курсовому проекту

по теории передачи сигналов

РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ

С ВРЕМЕННЫМ УПЛОТНЕНИЕМ ЛИНИЙ СВЯЗИ (ВУЛС)

для студентов дневного и заочного обучения специальности 210700

«Автоматика, телемеханика и связь на железнодорожном транспорте»

Составитель: Л.А. Женко

Самара 2002

УДК 62I.39I

Разработка системы передачи информации с временным уплотнением линий связи

(ВУЛС). Методические указания и задания к курсовому проекту по теории передачи

сигналов для студентов дневного и заочного обучения специальности 210700

«Автоматика, телемеханика и связь на железнодорожном транспорте» .- Самара:

СамГАПС, 2002.- 24 с.

Утверждено на заседании кафедры 15.02.2002г, протокол № 6.

Печатается по

решению редакционно-издательского совета академии.

Методические указания и задания к курсовому проекту охватывают почти все

разделы курса ТПС, состоят из 25 вариантов. При выполнении работы рекомендуется

использовать учебное пособие по ТОТС /1/, более конкретные сведения приведены в

методических указаниях к каждому разделу. Содержание курсового проекта позволит

студентам глубже освоить основные положения теории

связи.

Составитель: Лев Александрович Женко

Рецензенты: зав. Кафедрой АТС СамГАПС, проф Гуменников В.Б.;

начальник сектора службы НИС Кбш ж.д., доцент Коняшин В.А.

Редактор: Егорова И.М.

Компьютерная

верстка: Чертыковцева Н.В.

Подписано в печать 4.11.02 Формат 60х80 1/16

Бумага писчая. Печать оперативная. Усл. п.л.1,5

Тираж

200 Заказ № 135

©Самарская государственная академия путей сообщения

СОДЕРЖАНИЕ

Введение____________________________________________________________ 4

1. Теория построения многоканальных систем____________________________ 5

2. Расчет спектра системы передачи информации

с временным уплотнением линии связи_______________________________ 9

3. Статистические характеристики случайных сигналов на входе коммутатора_ 11

4. Энтропия дискретного источника. Статистическое кодирование___________ 12

5. Двоичный канал. Исследование системы передачи информации___________ 13

6. Корректирующее кодирование ______________________________________ 14

7. Использование статистических критериев обнаружения

и распознавания при

определении ошибки в демодуляторе______________ 17

8. Спектры сигналов в линии связи_____________________________________ 19

Библиографический список_____________________________________________ 21

Приложения_________________________________________________________ 22

ВВЕДЕНИЕ

В технике связи в последнее время наметилась тенденция к замене аналоговых

систем передачи информации на цифровые.

Причиной этому – существенные преимущества цифровых систем перед

аналоговыми, развитие волоконно-оптических линий связи (ВОЛС), все более широкое

использование ЭВМ при обработке и преобразовании сигналов.

Вместе с тем цифровые системы являются более сложными, нежели

аналоговые,

при их разработке требуется более глубокий анализ элементов системы, более широкое

использование основных положений теории связи, что должно способствовать изучению

студентами специальности 210700 «Автоматика, телемеханика и связь на

железнодорожном транспорте» дисциплины «Теория передачи сигналов».

1. ТЕОРИЯ ПОСТРОЕНИЯ МНОГОКАНАЛЬНЫХ СИСТЕМ

1.1. Принцип построения многоканальных цифровых систем связи

Поскольку сигналы каждого абонента имеют одинаковые частотные свойства, то

есть одинаковую частоту среза сигнала f

, то интервалы времени между подключениями

к линии связи данной пары абонентов определяются в соответствии с теоремой отсчета:

где

Δ - интервал времени между подключениями к линии связи данной пары абонентов,

- частота среза сигнала, при этом само время соединения или опроса T

может

быть как угодно коротким, лишь достаточным для передачи мгновенного значения

сигнала в момент отсчета T

. Все пары абонентов должны поочередно подключаться к

линиям связи за интервал

Δ , который фактически является временем цикла опросов. За

время опроса по линии связи должно быть передано мгновенное значение сигнала в виде

числа, записанного в той или иной системе счисления. Чаще всего основание кода m = 2.

Несмотря на относительную громоздкость записи, логические элементы,

соответствующие этой системе, должны иметь всего два устойчивых состояния, а

арифметические

действия также крайне просты:

0+0=0 0·0=0

1+0=1 0·1=0

0+1=1 1·0=0

1+1=10 1·1=1

При длине кодовой комбинации n самым большим двоичным числом является

N=2

–1. Так, если n=3, то самым большим числом из трех двоичных цифр является

111=7, а при n=6 получается 111111 =63.

Такой код называют примитивным, а данное число может быть получено при

суммировании чисел, начинающих разряды, например, для n=6.

-1=63.

100000 32 2

n-1

100000 32

10000 16 2

n-2

1000 8 2

n-3

100 4 2

n-4

10 2 2

n-5

10 2

1 1 2

1 1

111111 63 100011 35

При кодировании весь диапазон изменения сигнала разбивают на N квантов,

обычно N=2

, таким образом, динамический диапазон

ii minmax

/ =

−− nn

112

/−

где n- довольно большое число, например 10 или 11. Для простоты возьмем n=2.

N = 2

= 4.

Кванты нумеруем: 0,1, 2, 3. D=3.

Переход от кванта к кванту осуществляется с помощью пороговых уровней,

которые обычно выбирают посередине между квантами. Тогда если квантуемый

непрерывный сигнал меньше первого порога, ему приписывают "О", если больше - "1".

Тогда погрешность квантования не превосходит половины кванта

. При n=10 мы

имеем N=1024 кванта и максимальная погрешность квантования равна:

1024

≤δ

2000

≈ %,050

≈

Такая, или еще меньшая погрешность недостижима при аналоговых способах

передачи.

Передача, при которой вместо мгновенного значения напряжения сигнала,

передается номер кванта в виде последовательного n-разрядного кода носит название

импульсно-кодовой модуляции (ИКМ). В принципе, ИКМ - это не модуляция, а способ

преобразования напряжения в код, осуществляемый в довольно сложных устройствах

аналогово-

цифрового преобразования (АЦП).

Под цифроаналоговыми преобразователями (ЦАП) понимают устройства,

позволяющие осуществить переход от информации в цифровой форме к информации в

аналоговой форме.

Существует три способа построения АЦП и ЦАП - цифро-аналогового

преобразования.

1) АЦП последовательного счета.

Метод последовательного счета основан на уравновешивании входной величины

суммой одинаковых и минимальных по величине эталонов.

Момент уравновешивания определяется с помощью одного сравнивающего

устройства, а количество эталонов, уравновешивающих входную величину,

подсчитывается с помощью счетчика.

пн

=2f

F=K/

t=2f

;

АИМ

СС

счетчик

Л.С.

F=2f

n(t)

F=2fK*2

K+1

канал синхронизации

Рис. 1.1. АЦП последовательного счета

В начале каждого импульса отсчета Т

с амплитудой

′

включается генератор

линейно - нарастающего напряжения Г

пн

, максимальное значение которого достигается

в конце интервала Т

, т.е.

′

n max

≥

′

mах

. Эти два напряжения подаются на схему

сравнения, на выходе которого при условии

′

появляется "1", которая включает

генератор импульсов счета, в свою очередь подключенный к "триггерному" счетчику из

n триггеров.

max

шим

Рис.1.2

Генератор импульсов отключается в момент, когда

′

≥

′

, а в счетчиках

фиксируется двоичное число, соответствующее

′

. "Выталкивание" в линию связи

состояний триггеров счетчика происходит за n тактов генератора тактов с запаздыванием

на

Δ , что является недостатком АЦП последовательного счета.

2) АЦП поразрядного кодирования (уравновешивания).

Выше было показано, что любое число N

в интервале 0 – 2

n-1

можно получить,

суммируя по разрядам:

= a

n-1

+ a

n-2

…+ a2

+ a2

где а - значение символов 0 или 1 .

Операция преобразования напряжения в код осуществляется в n тактов.

Значение U

поступает на схему сравнения (СС), где в случае U

> 2

n-1

появляется

"1", а при U

≤ 2

n-1

- "0". Значение символа поступает в линию связи. Во втором такте к

значению 2

n-1

добавляется 2

n-2

. Если U

> 2

n-1

+ 2

n-2

, то на СС возникает "1", в противном

случае "0". Если U

< 2

n-1

+ 2

n-2

, то в третьем такте проверяется неравенство U

n-1

+ 2

n-3

и соответственно на выходе СС вырабатываются либо "1", либо "0". Так продолжается n

тактов. Основная сложность - в создании n эталонных уровней. Скорость преобразования

зависит от тактовой частоты и частотных свойств элементов. Никакого запаздывания в

передаче информации не возникает, символы в линию связи передаются синхронно с

тактами измерения. Время преобразования до 100 нс.

3) Метод считывания.

Метод

считывания подразумевает наличие 2

-1 эталонов при n -разрядном двоичном

коде. Входная величина одновременно сравнивается со всеми эталонами. В результате

преобразования получается параллельный код в виде уровней сигналов на выходах 2

-1

схем сравнения (компараторов).

Этот метод обладает наибольшим быстродействием (от 10нс). Измеряемое

напряжение

′

одновременно с опорными подаются на компараторы, с помощью

которых выбирается тот квант, для которого выход компараторов при условии

′

onj +1

=1 и

′

onj +1

=1 (больше меньшего, но меньше большего).

onj+1

onj

onj+1

Рис. 1.3. Схема сравнения

Выход каждого уровня содержит два компаратора, а результат сравнения через

фиксирующие триггеры подается на шифратор, преобразующий его в код. Недостаток

преобразования - большое число опорных уровней и компараторов.

После АЦП в линии связи возникает поток символов определенной статистики,

может быть определена энтропия источника и его избыточность. Особенно

велика

избыточность ночью, когда большинство каналов не работает, и в общей линии связи

вероятность ноля Р(0) значительно больше вероятности единицы Р(1). В этом случае

возможно перекодирование последовательности символов в статистический код.

Последовательность видеоимпульсов и радиоимпульсов длительностью

условно

принята периодической со скважностью Q. В том случае, когда в дальней линии связи

возможны большие флуктуационные помехи, приводящие к ошибкам с вероятностью Р

в пунктах регенерации и в демодуляторе приемника, в передающем устройстве

необходимо установить кодирующее устройство, например, для кода Хемминга.

Окончательно сформированная последовательность символов в виде видеоимпульсов

поступает на модулятор, преобразующий видеоимпульсы в радиоимпульсы ИКМ - АМ,

ИКМ - ЧМ или ИКМ -ФМ.

После модулятора групповой сигнал в виде радиоимпульсов поступает в линию

связи,

где на него воздействуют помехи, в виде смеси с h

, где P

– мощность

сигнала, а

– мощность помехи, и в демодуляторе возникает поток ошибок.

1.2. Системы синхронизации

Правильная работа передающих и приемных устройств ВУЛС невозможна без

соответствующей системы синхронизации. Задачи синхронизации можно обеспечить

тремя подсистемами.

Групповая синхронизация обеспечивает фиксацию временных границ групп

элементарных сигналов, например, циклов и полуциклов. Если число каналов невелико,

например К

≤ 16, один из каналов используется для формирования импульса начала

цикла. При К > 16 цикл разбивается на два полуцикла. Так, в системе ИКМ-30 два

канала- первый и шестнадцатый, - используются как синхронизирующие, всего их

вместе с информационными - 32. Синхронизация внутри цикла при этом может быть

инерционной или тактовой (стартстопной). При инерционном методе синхронизации

начало временного

интервала, отведенного на опрос данного канала может быть

осуществлено в приемнике, например, с помощью автоподстройки генераторов.

При тактовой синхронизации временные границы, отведенные каждому каналу,

определяются по числу тактов n, соответствующих разрядности отсчетов в двоичной

системе отсчетов N = 2

. Иногда, в частности, при использовании в передаче ИКМ-АМ с

гармоническим носителем в приемнике выделяют радионесущую, с помощью которой

формируют длительность каждого такта

, например:

= Т

* S,

здесь Т

- период несущей, а S - число периодов, укладывающихся в

. При отсутствии

несущей, например, при передаче по оптическому каналу, необходима перекодировка,

предназначенная, в частности, для того, чтобы избежать длинных последовательностей

нулей или единиц, когда границы символов (тактов) определить невозможно. При

перекодировке, кодовые символы формируются таким образом, чтобы в каждой кодовой

посылке был переход от 0 к 1 и от 1 к 0. Выделение импульса

производной (строба)

позволяет осуществить подсчет тактов, а знак производной - определить значение

символа.

. РАСЧЕТ СПЕКТРА СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ

С ВРЕМЕННЫМ УПЛОТНЕНИЕМ ЛИНИИ СВЯЗИ

При выполнении данного пункта следует прежде всего уяснить принцип образования

канального сигнала на примере многоканальной телефонии: линия связи поочередно

предоставляется каждой паре абонентов. Если это производить достаточно часто,

перерывы связи ощущаться не будут.

Нужно четко представлять, какие теоретические положения лежат

в основе

построения такой системы, какова простейшая структурная схема ее, необходимость

синхронизации для работы схемы, последствия при ее отсутствии.

Нужно иметь представление о плюсах и минусах такой системы, например в

сравнении с системой частотного уплотнения, понимать, что в таких системах можно

наблюдать сигналы

АИМ, ШИМ, т.е. аналоговые, а также ИКМ и ДМ - т.е. цифровые.

Учитывая, что целью данного раздела является расчет спектра в различных точках

схемы, задача сводится к тому, чтобы определять, при каких временных параметрах

данный сигнал будет иметь самый широкий спектр. Очевидно, это будет при самом

коротком интервале во временной последовательности соответствующего вида

модуляции. Необходимо также понимать, какое число лепестков спектра нужно

передать, чтобы обеспечить требуемое качество передаваемого сигнала.

Изображаемые временные диаграммы должны быть максимально информативными.

Так, на каждом рисунке должны быть видны интервал дискретизации

Δt , время опроса

каждого канала T

. Должно быть соответствие между исходными сигналами и

канальным сигналом при

АИМ, ШИМ, ИКМ, ДМ (нужно учитывать ординаты отсчетов

их отображение в канальном сигнале). Все действия необходимо кратко

комментировать.

При построении частотных диаграмм используйте логарифмический масштаб.

Сравнивая спектры при различных видах модуляции, найдите выигрыш одного вида

модуляции по сравнению с другим; определите полосу частот, занятую сигналом при

частотном уплотнении заданного числа каналов. Что

мы выигрываем, применяя

временное уплотнение, в сравнении с частотным? Почему системы временного

уплотнения, особенно цифровые, являются перспективными?

Данные для выполнения раздела приведены в табл.2.1.

Принцип временного уплотнения линий связи или временного разделения сигналов

(что одно и то же) подробно изложены в /2, стр.265/ и особенно в /3 стр.339/. Знакомство

с принципами синхронизации

Вы получите, изучив раздел 8,7 /3 стр. 352 и далее/.

Таблица 2.1

Вариант Частота среза

, кГц

Число символов

кодовой

комбинации,

Число каналов

1 6 8 5

2 5 7 6

3 4 6 7

4 3 5 8

5 3 7 9

6 4 8 10

7 5 6 11

8 6 8 12

9 4 7 13

10 5 6 14

11 6 5 15

12 4 8 16

13 5 7 17

14 6 6 18

15 5 5 19

16 4 8 20

17 3 7 21

18 6 7 22

19 5 6 23

20 4 5 24

21 3 8 25

22 3 7 26

23 4 6 27

24 5 5 28

25 6 8 29