Разработка квазиоптимальной по критерию минимума вероятности ошибки системы связи

Министерство образования и  науки Республики Казахстан

Северо-Казахстанский государственный  университет им. М. Козыбаева

 

 

 

 

 

 

 

 

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

 

 

На тему: «Разработка квазиоптимальной

 по критерию минимума вероятности ошибки системы связи»

по дисциплине «Теория электрической  связи»

 

 

 

по специальности  5B071900 – «Радиотехника, электроника и телекоммуникации»

 

 

 

Выполнила                                                                   А.С. Бергалеева

 

Руководитель

к.т.н., доцент                                                               Б.М.Абильмажинов

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Петропавловск

2012

 

Исходные данные к расчетам:

 

Вид модуляции – АМ (амплитудная  модуляция)

 

Способ приема сигнала – оптимальный, некогерентный

 

Ширина спектра сигнала ΔF=3,4 кГц

 

Число уровней квантования  N =128

 

Вероятность ошибки Р_ош=2 10^-5

 

Спектральная плотность мощности .

 

 

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

 

Разработать квазиоптимальную по критерию минимума вероятности ошибки систему связи, рассчитать ее основные параметры и указать пути совершенствования разработанной системы связи.

Необходимо:

1. Разработать  в аналитическом, структурном,  расчетно-графическом виде систему  связи для амплитудной модуляции  и оптимального, некогерентного  способа приема.

2. Предполагая,  что передаваемый информационный  сигнал является аналоговым с  шириной спектра ΔF=3,4кГц,необходимо провести аналитическое, структурное и графическое описание преобразования, которым он подвергается в АЦП при переходе к первичному цифровому сигналу ИКМ.

Число уровней  квантования  N=128

3. Описать аналитически, структурно, в расчетно-графическом виде процесс  помехоустойчивого кодирования,  если используется код с проверкой  на четность и составить структурную  схему кодера.

4.1. Рассчитать длительность единичного элемента кодовой комбинации цифрового ИКМ сигнала с проверкой на четность.

4.2. Определить характеристики источника независимых двоичных сообщений, если вероятность появления символа «1»  p(1)=0,001+0,01=0,011

4.3. Определить величину параметра h² на входе детектора, при которой достигается заданная вероятность ошибки Р_ош=2^·10^-5,  если помеху, воздействующую на сигнал, считать «белым шумом» со спектральной плотностью мощности G₀=10^-6 В²/Гц.

4.4. Определить пропускную способность канала связи.

Сформулировать  теорему Шеннона о пропускной способности канала и параметры  разработанной системы связи, сравнить с потенциальными возможностями, указанными в теореме Шеннона.

5. Разработать  алгоритм (аналитически) и соответствующую  структурную схему дискретно-аналогового  модулятора.

6. Разработать  алгоритм (аналитически) и соответствующую  структурную схему дискретно-аналогового  демодулятора.

7. Предложить  способ кодирования в аналитической,  структурной, расчетно-графической  формах (через сравнение качественных  и количественных характеристик  и параметров сигналов, помех  и отдельных звеньев) устройств  системы (модулятора-демодулятора, кодера-декодера и т.д.) позволяющей повысить более чем на 2 порядка качественные показатели системы.

8. Провести  анализ (аналитически, структурно,  расчетно-графически) качественных показателей разрабатываемой системы передачи информации Рош=f(с/ш) (в том числе модулятора-демодулятора, кодера-декодера)

9. Провести  анализ показателей информационной  эффективности системы и показателей  эффективности по основным затратам (временным, спектральным, энергетическим).

10. Выполнить  расчет энергетического баланса  системы по разработанной структурной  схеме.

 

Содержание

 

Введение	6
1 Разработка в системы связи для заданного вида модуляции и способа приёма	7
2 Преобразование сигнала в АЦП	12
3 Описания процесса помехоустойчивого кодирования с проверкой на чётность	18
4.1 Расчёт длительности единичного  элемента кодовой комбинации	21
4.2 Характеристики источника независимых двоичных сообщений	21
4.3 Определение величины параметра  h2	22
4.4 Теорема Шеннона для пропускной  способности канала связи	23
5 Разработка дискретно-аналогового модулятора	26
6 Разработка дискретно-аналогового демодулятора	29
7 Предложенный способ кодирования	34
8 Анализ качественных показателей разрабатываемой системы передачи информации	38
9 Анализ показателей информационной эффективности системы и показателей эффективности по основным затратам	41
10 Расчёт энергетического баланса системы	43
Заключение	45
Список литературы	46

 

 

Введение

 

В наши дни радиосвязь является бурно  развивающейся научно-прикладной областью. Говоря о ближайших перспективах ее развития, следует подчеркнуть  тенденцию перехода ко все более высокочастотным диапазонам электромагнитных колебаний и волн. Так, колебания сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона, ранее применявшиеся в основном в радиолокации, стали широко использоваться в телевизионных, связных и телеметрических радиоканалах.

Быстрыми  темпами развивается элементная база радиотехники и радиоэлектроники. Если традиционные радиотехнические цепи представляли собой почти исключительно комбинации линейных и нелинейных электрических цепей, то сейчас интенсивно исследуются и внедряются в практику функциональные устройства и системы, производящие обработку сигналов за счет специфических волновых и колебательных явлений в твердых телах — полупроводниках, диэлектриках и магнитных материалах.

Есть все  основания ожидать, что отрасли  радиотехники будут и впредь расширяться  и развиваться на базе прогресса  во многих смежных областях науки  и техники.

Целью данной курсовой работы является разработка квазиоптимальной по критерию минимума вероятности ошибки системы связи, расчет ее основных параметров и указание пути совершенствования разработанной системы связи.

Передача  сообщения от источника к получателю с помощью радиотехнических методов осуществляется по радиоканалу. Основные элементы радиоканала — передатчик, приемник и физическая среда, в которой происходит распространение электромагнитных волн. В то же время, передача сообщений по радиоканалу сопровождается разнообразными преобразованиями сигналов. Эти преобразования осуществляются посредством соответствующих физических систем — радиотехнических цепей. Каждая радиотехническая цепь выполняет определенную операцию над сигналами, характер которой целиком зависит от внутренней структуры цепи. Так, принято различать усилители, фильтрующие частотно-избирательные системы, преобразователи формы электрических колебаний, модуляторы, детекторы и многие другие виды радиотехнических цепей, рассматриваемые в данном курсе.

В любом реальном радиоканале помимо полезного сигнала неизбежно  присутствуют помехи, возникающие по многим причинам, - из-за хаотического теплового движения электронов в элементах цепей, несовершенства контактов в аппаратуре, влияния соседних радиоканалов с близкими несущими частотами, наличия в пространстве шумового космического радиоизлучения и т. д.

 

Задание 1 Разработать в аналитическом, структурном, расчетно-графическом виде систему связи для амплитудной модуляции и  оптимального, некогерентного способа приема.

 

Основной  задачей связи является восстановление (точное или приближенное) в данной точке сигнала, отправленного в  другую точку. Система связи должна одинаково хорошо работать со всеми  возможными вариантами сообщения, а  не только с тем, который будет  выбран в действительности - на этапе  разработки системы это еще неизвестно.

Пусть требуется передать некоторое  сообщение s(t), которое на выходе передающего устройства приняло вид канального сигнала u(t). При передаче сигнал искажается, и на него могут накладываться помехи: аддитивные η(t) и мультипликативные M(t). Приемное устройство обрабатывает принятое колебание z(t)=M(t)∙u(t)+η(t) и восстанавливает по нему сообщение , которое с некоторой погрешностью отображает переданное сообщение.

 

 

Рисунок 1.1  Функциональная схема общей системы связи

 

Для того чтобы  дать математическое описание канала необходимо и достаточно указать  множество сигналов, которые могут  быть поданы на его вход, и для  любого допустимого входного сигнала  задать случайный процесс на его  выходе. Задать процесс – это  значит задать в той или иной форме  распределение вероятностей.

Линией связи  называется среда, используемая для  передачи сигналов от передатчика к  приемнику. При передаче сигнал может  искажаться, и на него могут воздействовать помехи n(t). Приемник обрабатывает принятый сигнал z(t), искаженный помехой, и восстанавливает по нему переданное сообщение s(t). Обычно в приемнике выполняются операции, обратные тем, которые были осуществлены в передатчике.

Каналом связи  принято называть совокупность технических  средств, служащих для передачи сообщения  от источника к потребителю. Этими  средствами являются передатчик, линия  связи и приемник.

Канал связи  вместе с источником и получателем  образуют систему передачи и обработки  информации. Источником сообщений является физический объект, который формирует  конкретное сообщение. Получатель этого  сообщения и является получателем  этой информации, т.е. между источником и получателем происходит обмен  информацией. В одном случае отправителем и получателем информации служит человек, в другом случае это может  быть компьютер.

Поступающее от источника сообщение s(t) в передатчике обрабатывается определенным образом, и формируется сигнал u(t), удобный для передачи по линии связи. Передатчик информационного сообщения состоит из двух основных узлов: кодера и модулятора.

Аналоговый  первичный сигнал подвергается преобразованию в цифровую форму с помощью  трех операций: дискретизации во времени, квантования по уровню и кодирования.

 Полученный с выхода АЦП  сигнал ИКМ поступает на вход  модулятора, где последовательность  двоичных импульсов преобразуется  в радиоимпульсы.

 

Математическое описание передающей части устройства:

 

где s(t) – гармоническое сигнал; b(t) – цифровой сигнал; s_k(t) – квантованный сигнал в двоичной системе исчисления; h_i-k(t) – дискретный сигнал, являющийся реакцией цифрового сигнала на единичный импульс, b(t) – входной сигнал; m – глубина модуляции; u(t) – модулированный сигнал на входе канала связи; А₀ – амплитуда несущего колебания; ω₀ – частота несущего колебания; φ₀ – начальная фаза несущего колебания.

На основании математического  описания реализуется функциональная и структурная схемы передающей части устройства.

Рисунок 1.2 Функциональная схема передатчика сообщений.

Рисунок 1.3 Структурная схема передатчика дискретных сообщений

 

Следующим этапом при разработке системы  связи является определение канала связи, его характеристик и свойств. По заданию рассматривается канал  с аддитивным и мультипликативным  шумами.

Математическое описание для канала с аддитивным и мультипликативным  шумами представится в виде:

 

,

 

где – сигнал на входе канала связи; τ – задержка по времени; – мультипликативный шум; – аддитивный шум; z(t) – сигнал на выходе канала связи.

На основании математического  описания реализуется функциональная и структурная схемы канала связи.

 

 

Рисунок 1.4 Функциональная схема канала с помехами

 

 

Рисунок 1.5 Структурная схема канала связи

 

Такая модель удовлетворительно описывает  многие проводные каналы, радиоканалы  при связи в пределах прямой видимости, а также радиоканалы с медленными общими замираниями.

Далее проводится анализ приема сигнала. Приемник выполняет задачи, противоположные  выполняемым передатчиком, а именно - восстановления сообщения из сигнала.

Прием осуществляется оптимальным  способом. Необходимо провести демодуляцию  сигнала.

Математическое описание принимающей  части системы:

,

где z(t) – аддитивная смесь сигнала и шума; b’(t) – сигнал на входе декодера; s’(t) – сигнал на выходе цепи.

 

Рисунок 1.6 Функциональная схема приемника