1.2 Системы передачи цифровой информации

Для преобразования непрерывного сообщения в цифровую форму используются операции дискретизации и квантования. Полученная таким образом последовательность квантованных отчетов кодируется и передается по дискретному каналу как всякое дискретное сообщение. На приемной стороне непрерывное сообщение после декодирования восстанавливается (с той или иной точностью).

Основное техническое преимущество цифровых систем передачи перед непрерывными системами состоит в их высокой помехоустойчивости. Это преимущество наиболее сильно проявляется в системах передачи с многократной ретрансляцией сигналов.

При цифровой системе непрерывных сообщений можно повысить верность применением помехоустойчивого кодирования. Высокая помехоустойчивость цифровых систем передачи позволяет осуществлять практически неограниченную по дальности связь при использовании каналов сравнительно невысокого качества.

Импульсная модуляция

Характерной особенностью импульсных видов модуляции является то, что их спектр намного шире спектра сообщения. Его ширина независимо от вида модуляции определяется длительностью одиночного импульса переносчика и простирается от постоянной составляющей до частоты =1/τи.

Доля мощности, заключенная в составляющих с частотами выше , настолько мала, что эти составляющие можно не учитывать.

Несмотря на относительную широкополосность, спектр сигналов с

импульсной модуляцией расположен в низкочастотной области. Такие сигналы без дальнейших преобразований можно использовать в проводных линиях, однако для непосредственного применения в радиотехнических системах передачи информации они не пригодны. Поэтому для радиопередачи производится повторная модуляция: полученными в результате ИМ видеоимпульсами модулируется гармоническое колебание высокой частоты. В результате на выходе радиопередающего устройства имеется последовательность модулированных радиоимпульсов.

Амплитудно-импульсная модуляция

При амплитудно-импульсной модуляции (АИМ) в соответствии со значением модулирующего сигнала изменяется амплитуда импульсов, а остальные параметры последовательности остаются неизменными то есть

Где - периодическая последовательности прямоугольных немодулированных видеоимпульсов, имеющих амплитуду, длительностьи период повторения Т.

Широтно-импульсная модуляция

При ШИМ изменяется по закону передаваемого сообщения длительность (ширина) импульсов исходной последовательности.

Различают одностороннюю и двустороннюю ШИМ. На практике чаще всего используется односторонняя ШИМ. При этом в соответствии с модулирующим сигналом изменяется положение заднего фронта импульса, в то время как положение переднего фронта остается неизменным по отношению к тактовой точке. Для односторонней ШИМ:

, U=Uн=const; Tп = const.

Максимальный временной сдвиг модулируемого фронта относительно его начального значения называется девиацией фронта

импульса.

Время-импульсная модуляция

При время-импульсной модуляции (ВИМ) изменяется положение импульсов относительно тактовых точек t_ok немодулированной последовательности. Длительность импульсов и их амплитуда сохраняются неизменными. В соответствии с этим

, U=Uн=const; τи = const.

Максимальный временной сдвиг импульса относительно тактовой точки называется девиацией импульса. Изменение положения импульса при ВИМ относительно тактовой точки можно рассматривать как изменение «фазы» импульса.

На рисунке 1.7 представлены сигналы при различных видах импульсной модуляции

Рисунок 1.7 – Сигналы при различных видах импульсной модуляции.

Импульсно-кодовая модуляция

Процесс преобразования сигналов АИМ путем кодирования каждой квантованной выборки цифровым кодом) называется импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ) или согласно английской абривиатуре (PSM) .

Если между соседними отсчетами передаваемого сигнала имеется

значительная корреляция (высокая степень совпадения), которая слабо

убывает по мере увеличения интервала между отсчетами, то возникает возможность применять методы разностного квантования сигнала. Идея состоит в использовании метода кодирования с предсказанием или дифференциальной импульсно-кодовой модуляции (ДИКМ). В этом случае по каналу связи передается разность между действительным значением текущего отсчета сигнала и значением этого же отсчета, предсказанным по предыдущим отсчетам.

В цифровых системах передачи обычно используется гармоническое несущее колебание, один из параметров которого — амплитуда, фаза или частота — манипулируется по закону дискретной последовательности, отображающей кодовую комбинацию.

В зависимости от того, какой параметр выбран в качестве информационного, различают амплитудную манипуляцию (АМ), фазовую манипуляцию (ФМ) и частотную манипуляцию (ЧМ).

На рис. 1.8 приведены формы сигнала при двоичном коде для различных видов дискретной модуляции.

Рисунок 1.8 – Формы сигналов при двоичном коде для различных видов дискретной манипуляции.

При АМ символу 1 соответствует передача несущего колебания в течение времени T (посылка), символу 0 – отсутствие колебания (пауза). При

ЧМ передача несущего колебания с частотой f1 соответствует символу 1, а передача колебания с частотой f0 соответствует 0. При двоичной ФМ меняется фаза несущей на π при каждом переходе от 1 к 0 и от 0 к 1.

На практике применяют систему относительной фазовой модуляции (ОФМ). В отличие от ФМ при ОФМ фазу сигналов отсчитывают не от некоторого эталона, а от фазы предыдущего элемента сигнала. Например, символ 0 передается отрезком синусоиды с начальной фазой предшествующего элемента сигнала, а символ 1 — таким же отрезком с начальной фазой, отличающейся от начальной фазы предшествующего элемента сигнала на π. При ОФМ передача начинается с посылки одного не несущего информации элемента, который служит опорным сигналом для сравнения фазы последующего элемента.

2. РАСЧЕТ ХАРАКТЕРИСТИК СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ

Таблица №1 Исходные данные варианта 6.

Объем передаваемой информации за сеанс связи	760 Кбит
Время передачи	5,5 мин
Остаточное затухание канала	-
Эффективное значение напряжения помехи в полосе 3,1 кГц	1,2 мВ
Длина линии связи	6 км
Характер ошибок в дискр. канале (пакеты, символов не более)	6
Вероятность появления пакета ошибок, *10^-5	3

Километрическое затухание линии:

Определяется необходимая скорость передачи данных по каналу связи при условии, что объем служебной информации за сеанс не превысит 8%. Скорость передачи информации V равна количеству инфор­мации, передаваемой по каналу связи за единицу времени [бит/ с]:

₍₁₎

где I_п – объем передаваемой информации,

T_сс – время сеанса связи

_{Полученная скорость передачи информации, равная 2487,27 бит/с, не соответствует ГОСТу 17422-85. Следовательно, для передачи данного количества информации нужно использовать скорость 3600 бит/с.}

Скорость модуляции B определяется по формуле:

(2)

(3)

Откуда:

(4)

Вычисление количества позиций сигнала. Зная, что

, (5)

и подставив исходное значение для полосы пропускания:

 ,

т.е. имеется четырехпозиционный сигнал. Тогда скорость модуляции равна

Далее рассчитывается полоса пропускания для фильтра по формуле (5).

Ширина полосы пропускания фильтра не должна превышать допустимой полосы 3100 Гц. 3099 Гц  3100 Гц  можно использовать

скорость модуляции B = 2182 Бод.

Для того чтобы моделировать четырехпозиционный сигнал со скоростью передачи информации 3600 бит/с, понадобится использование двойной относительной фазовой манипуляции (ДОФМ).

Эффективное значение напряжения помехи при полосе пропускания фильтра ∆F_пф = 3099 Гц по формуле:

₍₆₎

Потенциальная помехоустойчивость при использовании метода ДОФМ:

, (7)

где Ф(q) - Функция Крампа

- вероятность ошибки

q - отношение сигнал/помеха

При скорости модуляции В=1800 Бод:



[по таблице значений функций Крампа]  q=4,15

Рассчитаем эффективное значение напряжения сигнала по формуле:

(8)

Уровни сигнала на входе и выходе канала:

, тогда

(9)

По формуле (9):

Для того чтобы передающее устройство не вышло из строя, должно выполняться условие:

(10)

где: P_свх – уровень сигнала на входе,

P_max – максимально допустимый уровень сигнала.

Для каналов тональной частоты P_max = -13 дБ.

-43.85дБ≤-13дБ  Условие (10) выполняется, следовательно, этот тип модуляции может быть использован для построения системы передачи с данными параметрами.

3. СХЕМЫ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ

Структурная схема системы передачи информации приведена на рисунке 3.1.

Р

Рисунок 3.1 - Структурная схема системы передачи информации

В модуляторе сигналов 4ФМ или сигналов с квадратурной фазовой манипуляцией (КФМ) два смежных двоичных символа дискретного сообщения определяют одно из четырех возможных значений фазы Acos(2πft). Поэтому скорость манипуляции (передачи сигналов) снижается вдвое. Модулированный сигнал можно рассматривать как сумму двух манипулированных по фазе модулирующими сигналами I(t) и Q(t) гармонических колебаний, находящихся в квадратуре, т.е. отличающихся начальным фазовым сдвигом, равным π/2. Схема модулятора 4ФМ сигналов представляет собой по существу два модулятора 2ФМ сигналов, выходы

которых связаны с помощью сумматора. Эти два квадратурных канала модулятора соответственно обозначают как I-канал (синфазный) и Q-канал (квадратурный).

1. Рассмотрим принцип работы системы передачи при ДОФМ.

На рисунке 3.2 приведена функциональная схема системы передачи информации.

Рисунок 3.2 – Функциональная схема системы передачи информации

Правило кодирования при ДОФМ иллюстрирует таблица 1 (Рекомендация V.26 МККТТ).

Таблица3.1. Правило кодирования при ДОФМ.

Символ 1 канала	0	0	1	1
Символ 2 канала	0	1	0	1
Разность фаз	π/4	3π/4	7π/4	5π/4

Из приведенного следует, что модемы ДОФМ реализуют кодирование при m = 4.

При ДОФМ для передачи информации по первому двоичному каналу используются, например, фазовые сдвиги π/2 и Зπ/2, а по второму двоичному

каналу 0 и π, что иллюстрируется векторными диаграммами (рисунок 3.3). Сплошными линиями показаны фазовые положения векторов отдельных каналов, а пунктиром — фазовые положения векторов при совместной работе двух каналов. Таким образом, любой комбинации единичных элементов в каждом из двоичных каналов соответствует определенный сдвиг по фазе.

Рисунок 3.3 – Векторные диаграммы сигналов ДОФМ.

Поступающая на передатчик последовательность импульсов разбивается на пары бит, называемые «дибит». Возможны четыре различных

дибита: 00, 01, 10 и 11. Фазовый модулятор использует импульсный принцип, т. е. фаза изменяется путём добавления импульсов в процессе деления частоты. При этом требуемый фазовый скачок получается как сумма трёх меньших скачков.

Демодулятор ДОФМ устроен так, что при сдвиге фаз между предыдущим и последующим единичными элементами на 45° на выходах обоих каналов получаются нули, при ∆=225° — единицы, при ∆=135° на выходе первого канала — ноль, второго — единица и при ∆=315° на выходе первого канала — единица, а второго — ноль. При ДОФМ на той же скорости модуляции, что и при ОФМ, обеспечивается вдвое большая эффективная скорость передачи, поскольку каждое фазовое состояние соответствует не одному биту информации (как при ОФМ), а двум (по одному в каждом канале).

I(t)

t

Q(t)

t

Рисунок 3.4 – Временные диаграммы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе выполнения курсового проекта были изучены различные виды модуляции.

В результате выполнения данного курсового проекта было спроектировано устройство преобразования сигналов, основной задачей которого является передача сигналов данных по каналу связи с требуемой скоростью и вероятностью ошибки.Была проведена сравнительная характеристика возможных вариантов построения систем передачи информации для заданных параметров. При выборе наиболее оптимального варианта вида модуляции учитывались такие критерии: помехоустойчивость, требуемая полоса частот, относительная сложность аппаратуры.

Были разработаны структурная и функциональная схемы приемного и передающего устройства, временные диаграммы его работы.

Для его проектирования были рассчитаны параметры системы связи. При данной скорости модуляции была выбрана ДОФМ, обеспечивающая заданную помехоустойчивость на определенной частоте.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Белов С.П. Методические рекомендации по выполнению курсовых проектов (работ) по дисциплине "Теория электрической связи" для студентов специальности 210406 "Сети связи и системы коммутации"/С.П. Белов, Е.И. Прохоренко. – Белгород:, 2005.

2. Гаранин М.В., Журавлев В.И., Кунегин С.В. Системы и сети передачи информации. – М.: "Радио и связь", 2001. – Душин В.К. Теоретические основы информационных процессов и систем: Учебник.- Издательско-торговая корпорация <Дашков и К>, 2004

3. Емельянов Г.А., Шварцман В.О. Передача дискретной информации. – Издательство М., “Радио и связь”, 1982.

4. Марков В.В. Радиорелейная связь. – М., Связь, 1979