Методические указания к курсовой работе по курсу
“Теория электрической связи”
Цель курсовой работы: приобрести и закрепить знания и навыки, полученные при изучении курса теории электрической связи при построении и расчете основных характеристик систем, построенных на основе современных стандартов IEEE 802.11, IEEE 802.16.
Новая курсовая работа по ТЭС посвящена изучению и использованию современных цифровых систем связи. Она ориентирована на использование новых теоретических и практических достижений и технологий в области цифровой связи. Из прежней курсовой работы было сохранено рассмотрение таких блоков, как: источник сообщений (ИС), а также блоков аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и цифро-аналогового преобразователя (ЦАП)(см.рис.1) с целью закрепления практическими расчетами таких разделов курса ТЭС, как: вероятностные характеристики случайных сигналов, дискретизация и восстановление непрерывных (аналоговых) сигналов, теорема Котельникова. При расчетах, связанных с этими блоками студенты на примере конкретных систем связи применяют общетеоретические формулы для определения математического ожидания, дисперсии, корреляционной функции и спектра случайного сигнала (процесса). Используют и закрепляют практическими расчетами определения и понятия, связанные со стационарными и эргодическими случайными процессами, получают практический пример того, как первичные непрерывные информационные сигналы передаются дискретными сигналами по цифровой системе связи.
Если в предыдущей курсовой работе учитывался только один вид помех – флуктуационная помеха в виде аддитивного белого шума, то в новой курсовой работе студенты знакомятся с построением оптимальных систем связи, в которых помимо флуктуационной помехи (приводящие к пакетам ошибок) и межсимвольная интерференция (межсимвольная помеха). Импульсные помехи могут стереть (уничтожить) передаваемые информационные символы на протяжении большого числа подряд идущих тактовых интервалов. Достаточно простые блоковые или сверточные помехоустойчивые коды с такими ошибками, как правило, не справляются. В данной курсовой работе студенты знакомятся с методом преодоления помех при последовательном использовании операций перемежения и деперемежения информационных символов в сочетании с использованием простого сверточного кодера. При деперемежении пакет ошибок превращается практически в одиночные ошибки, с которыми сверточный декодер на основе алгоритма Витерби легко справляется.
Если в предыдущей курсовой работе студенты знакомились с простейшим методом помехоустойчивого кодирования, который позволял только обнаруживать одиночные ошибки (без их исправления), то в новой курсовой работе студенты знакомятся с простым, но весьма эффективным методом сверточного кодирования и декодирования, который получил широкое практическое использование в современных системах цифровой связи. Сверточное кодирование позволяет также эффективно исправлять ошибки на выходе демодулятора, которые возникают из-за действия не только импульсных помех, но также и из-за действия флуктуационной (белый шум) и межсимвольной помех.
В курсовой работе студенты изучают работу и рассчитывают характеристики одной из двух современных систем цифровой связи:
В первой системе используется один из следующих видов модуляции:
Квадратичная амплитудная модуляция (16-КАМ, 64-КАМ);
Квадратичная фазовая модуляция (QPSK).
Структурная схема первой системы связи представлена на рис.1. В этой системе связи для преодоления действия межсимвольной помехи используется преобразование импульсов прямоугольной формы в импульсы со спектром «приподнятого косинуса» (импульсы Найквиста), которые устойчивы к действию межсимвольной интерференции. Более подробно об этом будет сказано в пояснении к соответствующему разделу курсовой работы.
В результате оказывается возможным построить демодулятор, на который, во-первых не оказывает влияния межсимвольная помеха и, во-вторых, демодулятор будет оптимален в отношении действующей флуктуационной помехи – аддитивного белого гауссовского шума.
Во второй системе связи используется один из самых современных видов
модуляции – частотная модуляция со многими ортогональными поднесущими – OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex). Структурная схема этой системы связи представлена на рис.2.
В различных системах OFDM число используемых ортогональных поднесущих может быть от нескольких десятков или сотен до более восьми тысяч в системах передачи цифровых телевизионных сигналов. По причине большого числа поднесущих аналоговый сигнал OFDM на выходе передающего устройства формируется не традиционными аналоговыми методами (что потребовало бы использования соответствующего большого числа генераторов), а на основе методов программирования с применением алгоритмов быстрого преобразования Фурье (реализующих дискретное преобразование Фурье – ДПФ), с использованием программируемого быстродействующего микропроцессора. На основе этого подхода, в цифровой форме (т.е. в виде двоичных последовательностей) формируются отсчеты соответствующего (нужного) аналогового сигнала (т.е. сигнала, который, как уже отмечалось, мог бы, в принципе, быть получен традиционным способом). Затем эти отсчеты поступают на вход цифро-аналогового преобразователя (ЦАП), на выходе которого и получается нужный аналоговый сигнал, представляющий собой сумму большого цисла радиоимпульсов (у каждого из них огибающая имеет прямоугольную форму и своя поднесущая частота). После этого осуществляется операция транспонирования спектра этого аналогового сигнала, в результате чего спектр смещается в более высокочастотную область и затем передается по радиоканалу.
В системе OFDM переход от импульсов прямоугольной формы к импульсам Найквиста не производится и поэтому из-за неизбежного ограничения спектра этих прямоугольных импульсов при прохождении их по радиоканалу возникают межсимвольная помеха, природа которой, как уже выше отмечалось, будет описана далее в соответствующем разделе. Для защиты от этой межсимвольной помехи, а также для защиты от нежелательных явлений, связанных с возможным многолучевым распространением электромагнитной волны от передающей антенны до приемной антенны в сигнал OFDM вводится защитный интервал – циклический префикс. На временном интервале циклического префикса угасает межсимвольная помеха, вызванная прямоугольной формой радиоимпульсов, а также существенно снижают негативные явления, вызванные многолучевым распространением электромагнитных волн.
Рис.1. Структурная схема системы связи.
1 – источник сообщений (ИС);
2 – аналого-цифровой преобразователь (АЦП);
3 – кодер (К);
4 – перемежитель информационных символов (П);
5 – вложение преамбулы (ВП);
6 – формирователь комплексной огибающей (ФКО);
7 – сглаживающий фильтр Найквиста (СФН);
8 – перемножитель;
9 – генератор гармонического колебания с частотой fп;
10 – фазовращатель;
11 – сумматор;
12 – перемножитель;
13 – СВЧ генератор;
14 – непрерывный канал;
15 – перемножитель;
16 – СВЧ генератор;
17 – демодулятор (ДМ);
18 – восстановитель структуры символов(ВСС);
19 – удаление преамбулы;
20 – деперемежитель информационных символов (ДП);
21 – декодер (ДК);
22 – цифроаналоговый преобразователь (ЦАП);
23 – получатель сообщений (ПС).