Лабораторная работа № 2 исследование многоканальной цифровой системы связи

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Целью работы является изучение работы компьютерной модели многоканальной цифровой системы передачи информации с временным разделением каналов.

ЗАДАНИЕ К РАБОТЕ

1. Ознакомиться с устройством компьютерной модели цифровой многоканальной системы связи с временным разделением каналов.

2. По заданию преподавателя выбрать источники сигналов, модель помех в линии с вязи.

3. В выбранных преподавателем точках модели снять осциллограммы сигналов.

4. На выходе линии связи снять осциллограммы сигналов при пяти различных значениях уровня помех.

5. В выбранных преподавателем точках модели измерить спектры сигналов.

6. Сделать выводы по результатам работы.

ПОЯСНЕНИЯ К РАБОТЕ

Теоретической основой для построения многоканальных цифровых систем связи является теорема Котельникова. Любой непрерывный сигнал, ограниченный некоторыми предельными значениями, может быть дискретизирован по времени и по уровню (квантован).

Дискретизация – физическая операция преобразования непрерывной по времени величины в дискретную, при которой сохраняются ее мгновенные значения (т. е. значения величины, соответствующие моментам времени дискретизации). Дискретный сигнал представляет собой последовательность чисел.

Квантование – физическая операция преобразования непрерывной по уровню величины в дискретную (квант), т. е. замена ее мгновенных значений цифровым кодом определенной разрядности.

Обработка и передача дискретной последовательности (информации) имеет ряд преимуществ по сравнению с обработкой информации, заданной в непрерывном виде. Дискретные сигналы в меньшей степени подвержены искажениям в процессе передачи и хранения. Они легко преобразуются в двоичный код и обрабатываются с помощью ЭВМ.

При выполнении некоторых условий, определяемых теоремой Котельникова, операции дискретизации и восстановления сигнала (функции) взаимно обратны.

Аналоговый сигнал a(t), имеющий ограниченную ширину спектра дискретизируется в отсчетные моменты времени кратные шагу дискретизации ΔtT=const. Результатом дискретизации по времени является получение последовательности значений (чисел) x(nT)≡x_n, где n = 0, 1, 2,…. Пример дискретного сигнала показан рис. 2.1. По своей сути дискретизация сигнала является процедурой АИМ-I [1]. Для осуществления достоверного кодирования полученных отсчетов требуется точно фиксировать мгновенное значение сигнала в точке отсчета. Для этого производится процедура АИМ-II, т. е. процедура расширения сигнала АИМ-I, что поясняется временной диаграммой (рис. 2.2).

Рис. 2.1 Рис. 2.2

После процедуры АИМ-II производится квантование и кодирования отсчетов сигнала. В результате процедуры квантования формируется цифровой сигнал x_ц(nT). Отличительной особенностью квантования является замена значений дискретного сигнала дискретной шкалой h1, h2,…, hN, что показано на рис. 2.3. При этом разность между уровнями кратна некоторому фиксированному значению, называемому шагом квантования Δ. Каждому уровню квантования дискретного сигнала ставится в соответствие определенный код, т. е. уровни квантования связываются с числами в выбранной системе счисления. В технике, как правило, используются целые числа в двоичной системе счисления с ограниченным количеством разрядов.

Рис. 2.3

В таблице представлено кодирование отсчетов сигнала на рис. 2.3 четырехразрядными целыми беззнаковыми числами в двоичной системе. В данном случае каждый уровень кодируется четырехразрядным кодом с общим числом комбинаций M=2⁴=16. Согласно представлению в двоичной системе 0=0000, 1=0001, 2=0010, 3=0011, 4=0100, 5=0101, 6=0110, 7=0111, 8=1000, 9=1001, 10=1010, 11=1011 и т. д.

Таблица

n	0	1	2	3	4	5	6	7
xц(nT)	7	9	10	11	10	9	5	3
код	0111	1001	1010	1011	1010	1001	0101	0011

В случае, если необходимо передать последовательность рассмотренных чисел в линию связи, можно друг за другом передавать разряды двоичных кодов этих чисел. При этом в простейшем случае значения логического нуля и логической единицы могут быть представлены двумя уровнями напряжения U₀ и U₁ соответственно. Эти уровни напряжения могут быть переданы в линию связи и получены приемником. Таким образом, для передачи цифровых сигналов по линии связи должны быть сформированы аналоговые сигналы. Сущность передачи последовательности чисел из таблице показана на рис. 2.4. В данном случае x_a(t) – временная форма аналогового сигнала в линии связи, соответствующая передаче последовательности значений x_ц(nT); t₀ – длительность передачи двоичного символа.

x_a(t)

x_ц(nT)=7

x_ц(nT)=9

x_ц(nT)=3

…

U₁

1

1

1

1

0

0

0

0

1

1

0

…

1

U₀

0

T

t₀

t

Рис. 2.4

При временном разделении каналов общая линия связи представляется для каждого из каналов поочередно. Следовательно, в каждый момент времени в линии связи должен существовать сигнал, относящийся только к одному из каналов. В групповой тракт поочередно передаются кодированные дискретные отсчеты каждого из каналов. При этом, как правило, передача каждого отсчета сигнала представляет собой последовательную передачу его бит от старшего к младшему (см. рис. 2.4).

При кодовом разделении каналов  каждому  индивидуальному каналу назначается  свой характерный ключевой признак (код). Таким признаком может быть номер приемника получателя информации. Затем сигналы от индивидуальных каналов объединяются в передатчике в групповой сигнал, который передается по каналу связи. Так как коды каналов отличаются, они могут быть легко выделены на приемной стороне.

ХОД РАБОТЫ

1. Запустить программную среду Matlab, установить активную директорию X:\MATLAB…\work\Komplex_OTT, где X – наименование литеры диска с установленной системой Matlab. Поле для установки активной директории показано на рис. 2.5;

Рис. 2.5

2. Открыть файл, содержащий компьютерную модель (рис. 2.6);

3. Подключить блоки просмотра осциллограмм сигналов Scope к выбранным преподавателем точкам модели;

4. По заданию преподавателя установить значение соотношения сигнал/шум в настройках блока AWGN Channel (параметр Signal to noise ratio);

5. Подключить блоки анализаторов спектра Spectrum Analyzer к выбранным преподавателем точкам модели;

6. Установить удобные значения параметров Start Time и Stop Time;

7. Запустить компьютерную модель дождаться ее остановки;

8. Открыть окна просмотра блоков Scope и Spectrum Analyzer;

9. Установить удобный масштаб отображения осциллограмм. Занести построенные компьютерной моделью графики в отчет;

10. Установить удобный масштаб отображения результатов анализа спектров сигналов. Занести построенные компьютерной моделью графики в отчет;

11. Подключить блок Scope на выход блока AWGN Channel. Открыть окно просмотра блока Scope на выходе блока AWGN Channel, остальные открытые окна просмотра закрыть;

12. Для пяти различных значений параметра Signal to noise ratio блока AWGN Channel повторить выполнение п. 7 и 9. Сделать выводы по работе с обоснованием полученных результатов.

Рис. 2.6

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Приведите формулировку теоремы Котельникова, изложите ее сущность.

2. Поясните сущность кодового разделения каналов в цифровых многоканальных системах связи.

3. Изложите принцип временного уплотнения каналов в системах передачи информации. Нарисуйте и опишите структурную схему временного уплотнения каналов.

4. Изложите принцип импульсно-кодовой модуляции. Опишите ее свойства, приведите характеристики спектров АИМ и ИКМ сигналов.

5. Нарисуйте и опишите структурную схему временного уплотнения каналов системы ИКМ-30. Изложите структуру цикла и сверхцикла системы ИКМ-30.

6. Чем обусловлена высокая помехоустойчивость сигналов ИКМ?

7. Из каких условий выбирается частота дискретизации аналоговых сигналов?

ЛИТЕРАТУРА

1. Вешкурцев Ю. М., Бычков Е. Д., Титов Д. А. Основы телекоммуникационных технологий. – Омск: ОмГТУ. 2009. –172 с.

2. Многоканальные системы передачи / Под ред. Н. Н. Баевой. – М.: Радио и связь, 1997. –560 с.

3. Телекоммуникационные системы и сети. Том.1 / Б. И. Крук, В. Н. Попантонопуло, В. П. Шувалов; под ред. В. П. Шувалова. – М.: Горячая линия-Телеком, 2003. – 647 с.

4. Основы построения телекоммуникационных систем и сетей / В. В. Крухмалев, В. Н. Гордиенко, А. Д. Моченов и др.; под ред. В. Н. Гордиенко и В. В. Крухмалева. – М.: Горячая линия-Телеком, 2004. – 510 с.

5. Цифровые и аналоговые системы передачи / В. И. Иванов, В. Н. Гордиенко, Г. Н. Попов и др.; под ред. В.И. Иванова. – М.: Горячая линия-Телеком, 2003. –232 с.