КОЛЛЕДЖ КОСМИЧЕСКОГО МАШИНОСТРОЕНИЯ И ТЕХНОЛОГИЙ Курсовой проект По МДК 01.01 Приемо-передающие устройства, линейные сооружения связи и источники электропитания Разработка схем приемного и передающего устройств Пояснительная записка КП.10.02.04.24.16ПЗ Обучающегося группы БТС3-20 Руднев С.С. Руководитель курсового проекта Филькин А.Б. Результат защиты___________ Королёв, 2023 КОЛЛЕДЖ КОСМИЧЕСКОГО МАШИНОСТРОЕНИЯ И ТЕХНОЛОГИЙ «УТВЕРЖДАЮ» Заместитель директора по учебной работе __________ Е.В. Антропова 29 ноября 2023 г. ЗАДАНИЕ на курсовой проект МДК.01.01 Приемо-передающие устройства, линейные сооружения связи и источники электропитания обучающегося специальности 10.02.04 «Обеспечение информационной безопасности телекоммуникационных систем» группы БТС3-20, 4 курса Руднев Степан Сергеевич Тема курсового проекта «Разработка схем приемного и передающего устройств» Утверждена приказом от «23» ноября 2023 года. №01-05/2544 Содержание проекта: Введение. Глава 1. Анализ существующих методов передачи информации в ИТС Глава 2. Передача непрерывных сообщений и виды модуляции Глава 3. Структурная и функциональная схема систем передачи информации Список использованной литературы и интернет - ресурсов. Приложения. Презентация. Срок выполнения курсового проекта «20» января 2024 года Председатель цикловой комиссии ______________________ А.Б. Филькин подпись Руководитель курсового проекта _______________________ А.Б. Филькин подпись Задание принял к исполнению _________________________ С.С. Руднев подпись студента Дата выдачи задания «29» ноября 2023 года Оглавление Введение .................................................................................................................................................. 4 Глава 1. Анализ существующих методов передачи информации в ИТС .................................. 5 1.1 Анализ сообщений различной физической природы ............................................................... 5 1.2 Передача непрерывных сообщений и виды модуляции ......................................................... 5 1.3 Передача дискретных сообщений и виды манипуляции ........................................................ 8 Глава 2. Системы передачи информации цифровыми методами ............................................ 15 2.1 Помехоустойчивое кодирование ................................................................................................ 16 2.2 Системы с обратной связью ....................................................................................................... 22 2.3 Системы с информационной обратной связью ....................................................................... 23 Глава 3. Структурная и функциональная схема систем передачи информации ................... 29 3.1 Система передачи сигнала состоит из передающего устройства ........................................ 29 3.3 Полосовой фильтр УПСпр .......................................................................................................... 29 Заключение........................................................................................................................................... 33 Список литературы ............................................................................................................................ 34 Введение В цифровых системах сигналы передаются в виде различных комбинаций импульсов постоянной амплитуды, отображающих числовое значение сигнала в каждый данный момент времени (кодовыми группами). Чтобы каждое значение сигнала можно было преобразовать в соответствующую кодовую группу, количество таких значений должно быть ограничено. Поэтому в кодовые группы можно преобразовывать только дискретные во времени сигналы. Для возможности передачи непрерывных по времени сигналов в цифровой форме, т.е. в виде кодовых групп, их необходимо предварительно преобразовать в дискретные. Передавать дискретизированный сигнал по линии нецелесообразно, т.к. он очень чувствителен к влиянию помех. Поэтому в цифровых системах передачи его преобразуют в цифровую форму. С этой целью сигнал подвергают процессам квантования и кодирования. Далее происходит преобразование цифровых символов в сигналы - модуляция. В данной курсовой работе необходимо разработать структурную схему системы и функциональную схему приемного или передающего устройства. Определить скорость передачи информации, вид модуляции, тип избыточного кода с использованием заданного варианта и разработать схемные решения устройств, реализующие выбранные параметры. Глава 1. Анализ существующих методов передачи информации в ИТС 1.1 Анализ сообщений различной физической природы Информационная наука находит применение в самых разнообразных областях. В связи с этим нет всеобщего для всех наук классического определения понятия “информация”. Под информацией понимают не все получаемые сведения, а только те, которые еще не известны и являются новыми для получателя. В этом случае информация является мерой устранения неопределенности. Передача информации на расстояние осуществляется при помощи сообщения. Сообщение - информация, выраженная в определенной форме и предназначенная для передачи ее от источника к получателю с помощью сигналов различной физической природы. Сообщением могут быть телеграмма, фототелеграмма, речь, телевизионное изображение, данные на выходе ЭВМ и т.д., передаваемые по различным каналам связи, а также сигналы различной физической природы, исходящие от объектов. Сигнал передаёт сообщение во времени. Следовательно, он всегда является функцией времени, даже если сообщение (например, неподвижное изображение) таковым не является. Если сигнал представляет собой функцию х(t), принимающую только определенные дискретные значения х, то его называют дискретным или дискретным по уровню (амплитуде). Точно так же и сообщение, принимающее только некоторые определенные уровни, называют дискретным. Если же сигнал (или сообщение) может принимать любые уровни в некотором интервале, то они называются непрерывными или аналоговыми. В настоящее время происходит непрерывное расширение областей применения систем передачи цифровой информации и все большее число различных видов аналоговой информации стремятся передавать в цифровой форме. Это относится к передаче телефонных сообщений, фотоизображений, данных телеметрии и т. п. Таким образом, дискретные сообщения могут быть как первичными, так и вторичными, полученными из непрерывных. 1.2 Передача непрерывных сообщений и виды модуляции Для передачи информации на расстояние необходимо передать содержащее эту информацию сообщение. Системы передачи информации состоит из следующих основных элементов: источник, кодер, модулятор, канал, демодулятор, декодер и приемник. Кодер осуществляет отображение генерируемого сообщения в дискретную последовательность. Модулятор и демодулятор в совокупности реализуют операции по преобразованию кодированного сообщения в сигнал и обратные преобразования. Декодер отображает дискретную последовательность в копию исходного сообщения. При радиопередаче низкочастотный информационный сигнал передается на несущей радиочастоте и должен ее изменять (модулировать). При модуляции могут изменяться амплитуда, частота или фаза несущей. Модуляцию применяют для того, чтобы: передать информацию с минимумом искажений; провести передачу и прием с минимальными потерями; эффективно использовать частотный спектр. Существует три основных вида аналоговой модуляции: . Амплитудная модуляция (АМ) - модуляция, при которой незатухающие колебания изменяются по амплитуде в соответствии с модулирующими его колебаниями более низкой частоты. AM является наиболее простым и распространенным способом изменения параметров носителя информации, частота и начальная фаза колебания поддерживаются неизменными. Вид амплитудной модуляции представлен на рисунке 1. Рис. 1. Амплитудная модуляция Частотная модуляция (ЧМ) - модуляция, при которой несущая частота сигнала изменяется в соответствии с модулирующим колебанием. Основными достоинствами частотной модуляции являются: высокая помехоустойчивость, возможность использования статистических свойств многоканального сообщения для повышения помехоустойчивости, возможность простыми средствами обеспечить постоянство остаточного затухания каналов связи. Частотная модуляция показана на рисунке 2. Рис. 2. Частотная модуляция Фазовая модуляция (ФМ) - изменение фазы несущей пропорционально мгновенным значениям модулирующего сигнала. При ФМ по закону модулирующего колебания uΩ(t) изменяется фаза колебаний: Ф(t)= ω0t+kфм uΩ(t), где kфм - коэффициент пропорциональности, численно равный крутизне характеристики фазового модулятора. При ЧМ и ФМ в процессе модуляции осуществляется воздействие на фазу (фазовый угол) несущего колебания, т.е. эти два вида модуляции являются разновидностями, так называемой угловой модуляции. 1.3 Передача дискретных сообщений и виды манипуляции Дискретное сообщение, последовательность формируемое знаков, выбираемых источником, из представляет определенного набора. собой Для преобразования последовательности знаков дискретного сообщения в первичный сигнал сначала производится их кодирование, т.е. каждый знак сообщения заменяется комбинацией из небольшого числа стандартных символов, а далее эти стандартные символы преобразуются в стандартные электрические сигналы ui (рис.3). Знаки Т П С Кодовые комбинации 00001 01101 10100 Рис. 3. Преобразование сообщений при кодировании Информация, сообщения, сигналы Под термином “информация” понимают различные сведения, которые поступают к получателю. В более строгой форме определение информации следующее: Информация - это сведения, являющиеся объектом передачи, распределения, преобразования, хранения или непосредственного использования. В дальнейшем нас будут интересовать лишь вопросы, связанные с информацией как объектом передачи. Сообщение является формой представления информации. Одно и то же сведение может быть представлено в различной форме. Например, сведение о моменте начала наступления может быть передано по телефону или телеграфом или тремя зелеными ракетами. В первом случае мы имеем дело с информацией, представленной в непрерывном виде (непрерывное сообщение). Будем считать, что это сообщение вырабатывается источником непрерывных сообщений. Во втором и в третьем случае - с информацией, представленной в дискретном виде (дискретное сообщение). Это сообщение вырабатывается источником дискретных сообщений. Основное отличие дискретного и непрерывного источников состоит в следующем. Множество всех различных сообщений, вырабатываемых дискретным источником всегда конечно. Поэтому на конечном отрезке времени количество символов дискретного источника так же является конечным. В то же время число возможных различных значений звукового давления (или напряжения в телефонной линии), измеренное при разговоре, даже на конечном отрезке времени, будет бесконечным. В нашем курсе мы будем рассматривать вопросы передачи именно дискретных сообщений. При этом в случае телефонной связи под сообщением будем понимать некоторую последовательность отсчетов квантованного аналогового сигнала, передаваемую в канале связи в виде последовательности кодовых комбинаций. Информация, содержащаяся в сообщении, передается от источника сообщений к получателю по каналу передачи дискретных сообщений (ПДС) (рис.1.). Рис.1. Тракт передачи дискретных сообщений Характеристики источника дискретных сообщений Сообщение поступает от источника дискретных сообщений, который характеризуется алфавитом передаваемых сообщений . Алфавит – есть совокупность всех возможных (различных) сообщений (знаков) данного источника. Объем алфавита – число различных символов алфавита К. Каждое сообщение алфавита появляется с некоторой вероятностью. Вероятность выдачи символа (сообщения) – . Количество информации в сообщении(символе) определяется вероятностью его появления. Чем меньше вероятность появления того или иного сообщения, тем большее количество информации мы извлекаем при его получении. В 1928г. Хартли предложил определять количество информации, которое приходится на одно сообщение , выражением . Энтропия. Среднее количество информации Н(А), которое приходится на одно сообщение, поступающее от источника без памяти, получим, применяя операцию усреднения по всему объему алфавита , (1) Выражение (1) известно как формула Шеннона для энтропии источника дискретных сообщений. Энтропия - мера неопределенности в поведении источника дискретных сообщений. Энтропия равна нулю, если с вероятностью единица источником выдается всегда одно и то же сообщение (в этом случае неопределенность в поведении источника сообщений отсутствует). Энтропия максимальна, если символы источника появляются независимо и с одинаковой вероятностью. Один бит - это количество информации, которое переносит один символ источника дискретных сообщений в том случае, когда алфавит источника состоит из двух равновероятных символов. Среднее количество информации, выдаваемое источником в единицу времени, называют производительностью источника , [бит/с], (2) где - среднее время, отводимое на передачу одного символа (сообщения). Среднее время может быть определено выражением . Основные характеристики канала ПДС Для каналов передачи дискретных сообщений вводят аналогичную характеристику - скорость передачи информации по каналу R. Она определяется количеством бит, передаваемых в секунду. Максимально возможное значение скорости передачи информации по каналу называется пропускной способностью канала и обозначается С. Пропускная способность непрерывного канала с белым гауссовским шумом определяется известной формулой Шеннона . Как видно из выражения данная величина определяется шириной полосы пропускания и соотношением сигнал-шум. Сигналы – форма сообщения для передачи по каналу связи Любая система связи обеспечивает передачу именно сигналов, а не сообщений. Поэтому сообщение, поступающее от источника, предварительно должно быть преобразовано в сигнал определенной природы (электрический, оптический …), который является его переносчиком в данной системе связи. Виды сигналов. Различают четыре вида сигналов: непрерывный непрерывного времени, непрерывный дискретного времени, дискретный непрерывного времени и дискретный дискретного времени. Непрерывные сигналы непрерывного времени называют сокращенно непрерывными (аналоговыми) сигналами. Они могут изменяться в произвольные моменты, принимая любые значения из непрерывного множества возможных значений (рис.2). К таким сигналам относится и известная всем синусоида. Рис.2. Непрерывный сигнал непрерывного времени Рис.3. Непрерывный сигнал дискретного времени Непрерывные сигналы дискретного времени могут принимать произвольные значения, но изменяться только в определенные, наперед заданные (дискретные) моменты t1, t2, t3, ... (рис.3). Дискретные сигналы непрерывного времени отличаются тем, что они могут изменяться в произвольные моменты, но их величины принимают только разрешенные (дискретные) значения (рис.4). Дискретные сигналы дискретного времени(сокращенно дискретные) (рис.5) в дискретные моменты времени могут принимать только разрешенные (дискретные) значения. Рис.4. Дискретный сигнал непрерывного времени Рис.5. Дискретный сигнал дискретного времени Сигналы, формируемые на выходе преобразователя дискретного сообщения в сигнал, как правило, являются по информационному параметру дискретными, то есть описываются функцией дискретного времени и конечным множеством возможных значений. В технике передачи данных такие сигналы называют цифровыми сигналами данных (ЦСД). Рассмотрим далее основные определения, относящиеся к ЦСД. Представляющий (информационный) параметр сигнала данных - параметр сигнала данных, изменение которого отображает изменение сообщения. На рис.6. изображен ЦСД, представляющим параметром которого является амплитуда, а множество возможных значений представляющего параметра равно двум (U=U1 и U=0). Рис.6. Цифровой сигнал данных Элемент ЦСД - часть цифрового сигнала данных, отличающаяся от остальных частей значением одного из своих представляющих параметров. Значащая позиция - фиксируемое значение состояния представляющего параметра сигнала. Значащим моментом (ЗМ) - момент, в который происходит смена значащей позиции сигнала. Значащим интервалом времени - интервал времени между двумя соседними значащими моментами сигнала. Единичный интервал- минимальный интервал времени, которому равны значащие интервалы времени сигнала, (интервалы а-б, б-в и другие на рис.6). Единичный элемент (е.э.) - элемент сигнала, имеющий длительность, равную единичному интервалу времени. Различают изохронные и анизохронные сигналы данных. Изохронные сигналы это сигналы для которых любой значащий интервал времени равен единичному интервалу или их целому числу. Анизохронными называются сигналы, элементы которых могут иметь любую длительность, но не менее чем . Кроме того, анизохронные сигналы могут отстоять друг от друга на произвольном расстоянии. В результате кодирования каждый знак сообщения представляется в виде последовательности символов вторичного алфавита - кодовых комбинаций. Кодирование может производиться вручную или автоматически. Устройство, осуществляющее операцию кодирования автоматически, называется кодером. Обратная операция, т.е. восстановление знаков сообщения из кодовых комбинаций, называется декодированием, а устройство, выполняющее эту операцию - декодером. Обычно кодер и декодер выполняют также операции преобразования символов в первичный сигнал и первичного сигнала в символы, их часто объединяют в единое устройство - кодек. Процесс преобразования дискретного сообщения в сигнал и обратного преобразования сигнала в сообщение показан на рисунке 4. Сообщение a Код 01101 Принятое колебание z(t) Вторичный (модулированный) сигнал Первичный сигнал u(t) b(t) Принятый первичный сигнал Регенерированный сигнал b (t ) Код 01101 Сообщение в Рис. 4 Дискретная модуляция является частным случаем модуляции гармонической несущей, когда модулирующий сигнал u(t) дискретный. Таким дискретным модулирующим сигналом обычно является первичный сигнал, отображающий символы кодовых комбинаций дискретных сообщений. Дискретную модуляцию называют еще манипуляцией. Управляя с помощью первичного сигнала параметрами гармонической несущей, можно получить амплитудную, частотную и фазовую манипуляцию. На рис. 5 приведены формы сигнала при двоичном коде для различных видов дискретной модуляции. 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. Рис. 5. Формы сигналов при двоичном коде для различных видов дискретной модуляции В системах передачи дискретных сообщений решающая схема состоит их двух частей: демодулятора и декодера. Глава 2. Системы передачи информации цифровыми методами 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. Рассмотрим структурную схему цифрового канала передачи непрерывных сообщений (рис. 6). Рис. 6. Структурная схема системы цифровой передачи В составе цифрового канала передачи предусмотрены устройства для преобразования непрерывного сообщения в цифровую форму - аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) на передающей стороне и устройства преобразования цифрового сигнала в непрерывную форму - цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) на приемной стороне. Полученный на выходе АЦП цифровой сигнал передаётся по дискретному каналу. Дискретный канал содержит кодер, модулятор, линию связи, демодулятор, декодер. На приёмной стороне из принятого цифрового сигнала ЦАП восстанавливает с той или иной точностью непрерывный сигнал. В устройстве преобразования сообщения в сигнал непрерывное сообщение, поступающее с выхода источника, преобразуется в цифровой сигнал. Преобразование аналог - цифра состоит из трех операций: сначала непрерывное сообщение подвергается дискретизации по времени через интервалы; полученные отсчеты мгновенных значений квантуются; наконец полученная последовательность квантованных значений передаваемого сообщения представляется посредством кодирования в виде последовательности двоичных символов «0» и «1». Такое преобразование называется импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ). Чаще всего кодирование здесь сводится к записи номера уровня в двоичной форме счисления. Полученный с выхода АЦП сигнал ИКМ поступает или непосредственно в линию связи, или на вход передатчика. На приемной стороне линии связи последовательность импульсов после демодуляции и регенерации в приемнике поступает на цифро-аналоговый преобразователь ЦАП, назначение которого состоит в обратном преобразовании (восстановлении) непрерывного сообщения по принятой последовательности кодовых комбинаций. В состав ЦАП входят декодирующее устройство, предназначенное для преобразования кодовых комбинаций в квантовую последовательность отсчетов, и сглаживающий фильтр, восстанавливающий непрерывное сообщение по квантовым значениям. Преобразование непрерывных сообщений в цифровую форму в системах ИКМ сопровождается округлением мгновенных значений до ближайших разрешенных уровней квантования. Возникающая при этом погрешность представления является неустранимой, но контролируемой (так как не превышает половины шага квантования). Выбрав малых шаг квантования, можно обеспечить эквивалентность по заданному критерию исходного и квантованного сообщений. Погрешность (ошибку) квантования, представляющую собой разность между исходным сообщением и сообщением, восстановленным по квантованным отсчетам, называют шумом квантования. Анализ методов повышения помехоустойчивости систем передачи информации. 2.1 Помехоустойчивое кодирование Любое мешающее внешнее или внутреннее воздействие на сигнал, вызывающее случайные отклонения принятого сигнала от передаваемого, называется помехой. Классифицируют помехи по следующим признакам: по происхождению, по физическим свойствам, по характеру воздействия на сигнал. По происхождению надо отметить внутренние шумы аппаратуры, входящей в канал связи, - так называемые тепловые шумы. По физическим свойствам различают флуктуационные и сосредоточенные помехи. Флуктуационные помехи - случайные отклонения физических величин. К сосредоточенным по спектру помехам относятся помехи посторонних радиостанций, генераторов высоких частот различного назначения, переходные помехи от соседних каналов многоканальных систем. По характеру воздействия на сигнал различают аддитивные и мультипликативные помехи. Аддитивной называется помеха, мгновенные значения которой складываются с мгновенными значениями сигнала. Аддитивные помехи воздействуют на приемное устройство независимо от сигнала и имеют место даже тогда, когда на входе приемника отсутствует сигнал. В реальных каналах связи обычно имеет место не одна помеха, а их совокупность. Применение кодов, исправляющих ошибки, или помехоустойчивое кодирование является эффективным средством повышения достоверности передачи информации при сохранении неизменными скорости передачи и энергетических параметров канала связи и снижения отношения сигнал/шум, требуемого для обеспечения заданной достоверности приема информации. Кодирование с обнаружением и исправлением ошибок, как правило, связано с понятием избыточности кода, что приводит в конечном итоге к снижению скорости передачи информационного потока по тракту связи. Избыточность заключается в том, что цифровые сообщения содержат дополнительные символы, обеспечивающие индивидуальность каждого кодового слова. Вторым свойством, связанным с помехоустойчивым кодированием является усреднение шума. Этот эффект заключается в том, что избыточные символы зависят от нескольких информационных символов. При увеличении количества избыточных символов доля ошибочных символов в блоке стремится к средней частоте ошибок в канале. Обрабатывая символы блоками, а не одного за другим можно добиться снижения общей частоты ошибок и при фиксированной вероятности ошибки блока долю ошибок, которые нужно исправлять. Все известные в настоящее время коды могут быть разделены на две большие группы: блочные и непрерывные. Блочные коды характеризуются тем, что последовательность передаваемых символов разделена на блоки. Операции кодирования и декодирования в каждом блоке производится отдельно. Непрерывные коды характеризуются тем, что первичная последовательность символов, несущих информацию, непрерывно преобразуется по определенному закону в другую последовательность, содержащую избыточное число символов. При этом процессы кодирования и декодирования не требует деления кодовых символов на блоки. Это продолженеие статьи о помехоустойчивом кодировании, которая очень долго лежала в черновиках. В прошлой части нет ничего интересного с практической точки зрения — лишь общие сведения о том, зачем это нужно, где применяется и т.п. В данной части будут рассматриваться некоторые (самые простые) коды для обнаружения и/или исправления ошибок. Итак, поехали. Попытался все описать как можно легче для человека, который никогда не занимался кодированием информации, и без каких-либо особых математических формул. Когда мы передаем сообщение от источника к приемнику, при передаче данных может произойти ошибка (помехи, неисправность оборудования и пр.). Чтобы обнаружить и исправить ошибку, применяют помехоустойчивое кодирование, т.е. кодируют сообщение таким образом, чтобы принимающая сторона знала, произошла ошибка или нет, и при могла исправить ошибки в случае их возникновения. По сути, кодирование — это добавление к исходной информации дополнительной, проверочной, информации. Для кодирования на передающей стороне используются кодер, а на принимающей стороне — используют декодер для получения исходного сообщения. Избыточность кода — это количество проверочной информации в сообщении. Рассчитывается она по формуле: k/(i+k), где k — количество проверочных бит, i — количество информационных бит. Например, мы передаем 3 бита и к ним добавляем 1 проверочный бит — избыточность составит 1/(3+1) = 1/4 (25%). Код с проверкой на четность Проверка четности – очень простой метод для обнаружения ошибок в передаваемом пакете данных. С помощью данного кода мы не можем восстановить данные, но можем обнаружить только лишь одиночную ошибку. В каждом пакет данных есть один бит четности, или, так называемый, паритетный бит. Этот бит устанавливается во время записи (или отправки) данных, и затем рассчитывается и сравнивается во время чтения (получения) данных. Он равен сумме по модулю 2 всех бит данных в пакете. То есть число единиц в пакете всегда будет четно . Изменение этого бита (например с 0 на 1) сообщает о возникшей ошибке. Ниже показана структурная схемы кодера для данного кода Пример: Начальные данные: 1111 Данные после кодирования: 11110 ( 1 + 1 + 1 + 1 = 0 (mod 2) ) Принятые данные: 10110 (изменился второй бит) Как мы видим, количество единиц в принятом пакете нечетно, следовательно, при передаче произошла ошибка. Как говорилось ранее, этот метод служит только для определения одиночной ошибки. В случае изменения состояния двух битов, возможна ситуация, когда вычисление контрольного бита совпадет с записанным. В этом случае система не определит ошибку, а это не есть хорошо. К примеру: Начальные данные: 1111 Данные после кодирования: 11110 ( 1 + 1 + 1 + 1 = 0 (mod 2) ) Принятые данные: 10010 (изменились 2 и 3 биты) В принятых данных число единиц четно, и, следовательно, декодер не обнаружит ошибку. Так как около 90% всех нерегулярных ошибок происходит именно с одиночным разрядом, проверки четности бывает достаточно для большинства ситуаций. Код Хэмминга Как говорилось в предыдущей части, очень много для помехоустойчивого кодирования сделал Ричард Хэмминг. В частности, он разработал код, который обеспечивает обнаружение и исправление одиночных ошибок при минимально возможном числе дополнительных проверочных бит. Для каждого числа проверочных символов используется специальная маркировка вида (k, i), где k — количество символов в сообщении, i — количество информационных символов в сообщении. Например, существуют коды (7, 4), (15, 11), (31, 26). Каждый проверочный символ в коде Хэмминга представляет сумму по модулю 2 некоторой подпоследовательности данных. Рассмотрим сразу на примере, когда количество информационных бит i в блоке равно 4 — это код (7,4), количество проверочных символов равно 3. Классически, эти символы располагаются на позициях, равных степеням двойки в порядке возрастания: первый проверочный бит на 20 = 1; второй проверочный бит на 21 = 2; третий проверочный бит на 22 = 4; но можно и разместить их в конце передаваемого блока данных (но тогда формула для их расчета будет другая). Теперь рассчитаем эти проверочные символы: r1 = i1 + i2 + i4 r2 = i1 + i3 + i4 r3 = i2 + i3 + i4 Итак, в закодированном сообщении у нас получится следующее: r1 r2 i1 r3 i2 i3 i4 В принципе, работа этого алгоритма разобрана очень детально в статье Код Хэмминга. Пример работы алгоритма, так что особо подробно описывать в этой статье не вижу смысла. Вместо этого приведу структурную схему кодера: и декодера (может быть, довольно запутано, но лучше начертить не получилось) e0,e1,e2 опрделяются как функции, зависящие от принятых декодером бит k1 — k7: e0 = k1 + k3 + k5 + k7 mod 2 e1 = k2 + k3 + k6 + k7 mod 2 e2 = k4 + k5 + k6 + k7 mod 2 Набор этих значений e2e1e0 есть двоичная запись позиции, где произошла ошибка при передаче данных. Декодер эти значения вычисляет, и если они все не равны 0 (то есть не получится 000), то исправляет ошибку. Коды-произведения В канале связи кроме одиночных ошибок, вызванных шумами, часто встречаются пакетные ошибки, вызванные импульсными помехами, замираниями или выпадениями (при цифровой видеозаписи). При этом пораженными оказываются сотни, а то и тысячи бит информации подряд. Ясно, что ни один помехоустойчивый код не сможет справиться с такой ошибкой. Для возможности борьбы с такими ошибками используются коды-произведения. Принцип действия такого кода изображён на рисунке: Передаваемая информация кодируется дважды: во внешнем и внутреннем кодерах. Между ними устанавливается буфер, работа которого показана на рисунке: Информационные слова проходят через первый помехоустойчивый кодер, называемый внешним, т.к. он и соответствующий ему декодер находятся по краям системы помехоустойчивого кодирования. Здесь к ним добавляются проверочные символы, а они, в свою очередь, заносятся в буфер по столбцам, а выводятся построчно. Этот процесс называется перемешиванием или перемежением. При выводе строк из буфера к ним добавляются проверочные символы внутреннего кода. В таком порядке информация передается по каналу связи или записывается куда-нибудь. Условимся, что и внутренний, и внешний коды – коды Хэмминга, с тремя проверочными символами, то есть и тот, и другой могут исправить по одной ошибке в кодовом слове (количество «кубиков» на рисунке не критично — это просто схема). На приемном конце расположен точно такой же массив памяти (буфер), в который информация заносится построчно, а выводится по столбцам. При возникновении пакетной ошибки (крестики на рисунке в третьей и четвертой строках), она малыми порциями распределяется в кодовых словах внешнего кода и может быть исправлена. 2.2 Системы с обратной связью Системами передачи дискретной информации с обратной связью (ОС) называют системы, в которых повторение ранее переданной происходит лишь после приема сигнала ОС. Системы с обратной связью делятся на системы с решающей ОС и информационной ОС. Системы с решающей обратной связью В приемнике системы правильно принятые комбинации накапливаются в накопителе и, если после приема блока хотя бы одна из комбинаций не будет принята, то формируется сигнал переспроса, единый на весь блок. Повторяется снова весь блок, а в приемнике системы из блока отбираются комбинации, не принятые при первой передаче. Переспросы производятся до тех пор, пока не будет приняты все комбинации блока. После приема всех комбинаций посылается сигнал подтверждения. Получив его, передатчик передает следующий блок комбинаций (системы с адресным переспросом - РОС-АП). Эти системы во многом аналогичны системам с накоплением, но в отличие от последних приемник их формирует и передает сложный сигнал переспроса, в котором указываются условные номера (адреса) не принятых приемником комбинаций блока. В соответствии с этим сигналом, передатчик повторяет не весь блок, как в системе с накоплением, а лишь не принятые комбинации (системы с последовательной передачей кодовых комбинаций - РОС-ПП). Известны различные варианты построения систем РОС-ПП, основными из которых являются: Системы с изменением порядка следования комбинаций (РОС-ПП). В этих системах приемник стирает лишь комбинации, по которым решающим устройством принято решение на стирание, и только по этим комбинациям посылает на передатчик сигналы переспроса. Остальные комбинации выдаются в ПИ по мере их поступления. Системы с восстановлением порядка следования комбинаций (РОС-ПП). От систем РОС-ПП данные системы отличаются лишь тем, что приемник их содержит устройство, восстанавливающее порядок следования комбинаций. Системы с переменным уплотнением (РОС-ПП). Здесь передатчик поочередно передает комбинации из последовательностей, причем число последних выбирается так, чтобы ко времени передачи комбинаций на передатчике уже был принят сигнал ОС по ранее переданной комбинации этой последовательности. Системы с блокировкой приемника на время приема комбинаций после обнаружения ошибки и повторением или переносом блока из комбинаций (РОСПП). Системы с контролем заблокированных комбинаций (РОС-ПП). В этих системах после обнаружения ошибки в кодовой комбинации и передачи сигнала переспроса производится контроль на наличие обнаруженных ошибок h -1 комбинаций, следующих за комбинацией с обнаруженной ошибкой. 2.3 Системы с информационной обратной связью Различие в логике работы систем с РОС и ИОС проявляется в скорости передачи. В большинстве случаев передача служебных знаков требуют меньших затрат энергии и времени, чем передача по прямому каналу опознавателей в системе с РОС. Поэтому скорость передачи сообщений в прямом направлении в системе с ИОС больше. Если помехоустойчивость обратного канала выше помехоустойчивости прямого, то достоверность передачи сообщений в системах с ИОС также выше. В случае полной бесшумной информационной обратной связи можно обеспечить безошибочную передачу сообщений по прямому каналу независимо от уровня помех в нем. Для этого надо дополнительно организовать корректировку искажаемых в прямом канале служебных знаков. Такой результат, в принципе, недостижим в системах с РОС распределенного типа. В случае группирующихся ошибок существенную роль играют условия, в которых передаются информационная и контрольная части кодовых комбинаций в обеих системах связи. При использовании ИОС часто имеет место единственная декорреляция ошибок в прямом и обратном каналах. Важную роль при сравнении передачи сообщений с РОС и ИОС играют также длина используемого кода n и его избыточность s/t. Если избыточность невелика (s/n<0,3), то даже при бесшумном обратном канале ИОС практически не обеспечивает по достоверности преимущества перед РОС. Однако скорость передачи у систем с ИОС по-прежнему выше. Следует указать еще одно преимущество систем с ИОС, обусловленное различием в скорости. Каждому заданному значению эквивалентной вероятности ошибки соответствует оптимальная длина кода, при отклонении от которой скорость передачи в системе с РОС уменьшается. В системах с ИОС при s/n>0,3 передачу сообщений выгоднее вести короткими кодами. При заданной наперед достоверности скорость передачи от этого становится больше. Это выгодно с практической точки зрения, т.к осуществлять кодирование и декодирование при коротких кодах легче. С увеличением избыточности кода преимущество систем с ИОС по достоверности передачи возрастает даже при одинаковых по помехоустойчивости прямом и обратном каналах, особенно если передача сообщений и квитанции в системе с ИОС организована так, что ошибки в них оказываются некорректированными. Энергетический выигрыш в прямом канале системы с ИОС оказывается на порядок выше, чем в системе с РОС. Таким образом, ИОС во всех случаях обеспечивает равную или более высокую помехозащищенность передачи сообщений по прямому каналу, особенно при больших s и бесшумном обратном канале. ИОС наиболее рационально применять в таких системах, где обратный канал по роду своей загрузки может быть без ущерба для других целей использован для эффективной передачи квитирующей информации. Однако общая сложность реализации систем с ИОС больше, чем систем с РОС. Поэтому системы с РОС нашли более широкое применение. . Расчёт характеристик систем передачи информации Объем передаваемой информации за сеанс связи Время передачи Остаточное затухание канала Эффективное значение напряжения помехи в полосе 3,1 кГц Характер ошибок в дискретном канале Вероятность появления пакета ошибок, *10-5 Длина линии связи 800 кБит 6 мин 10 дБ 1,2 мВ независим ые 3 - В ходе работы необходимо: •определить скорость передачи информации; •выбрать вид модуляции; •выбрать вариант построения системы передачи информации, обеспечивающий передачу заданного объема информации за сеанс связи при наиболее эффективном использовании каналов связи; •разработать структурную схему системы; •разработать функциональную схему приемного или передающего устройства и построить временные характеристики сигналов в различных сечения устройства. . Определим необходимую 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]: V 1,08 Iп , Tсс (3.1) где Iп - объем передаваемой информации,сс - время сеанса связи 1,08 800 000 бит V 2400бит/ с 360 с Полученная скорость передачи информации, равная 2400 бит/с, соответствует ГОСТу 17422-82. Скорость модуляции B определяется по формуле: Вычислим количество позиций сигнала. Зная, что , и подставив исходное значение для полосы пропускания, получим: т.е. имеем четырехпозиционный сигнал. Тогда скорость модуляции равна . Рассчитаем полосу пропускания для фильтра Ширина полосы пропускания фильтра не превышать допустимой полосы 3100 Для того чтобы моделировать четырехпозиционный сигнал со скоростью передачи информации 2400 бит/с, понадобится использование двойной относительной фазовой манипуляция (ДОФМ). . Рассчитаем эффективное значение напряжения помехи при полосе пропускания фильтра ∆Fпф = 1700 Гц по формуле: Uпэф Uп 2 Fпф/Fкан , Uпэф 1,2 2 1700 / 3100 0,89 мВ , . Потенциальная помехоустойчивость при использовании метода ДОФМ: , где Ф(q) - Функция Крампа PДОФМ - вероятность ошибки- отношение сигнал/помеха При скорости модуляции В=1200 Бод вероятность ошибки , получим: . Рассчитаем эффективное значение напряжения сигнала по формуле: Уровни сигнала на входе и выходе канала: тогда Для того чтобы передающее устройство не вышло из строя, должно выполняться условие: Pсвх Pmax, (3.13) где: Pсвх - уровень сигнала на входе,- максимально допустимый уровень сигнала. Для каналов тональной частоты Pmax = -13 дБ. Условие (3.13) выполняется, следовательно, этот тип модуляции может быть использован для построения системы передачи с данными параметрами. Глава 3. Структурная и функциональная схема систем передачи информации дискретный цифровой помехоустойчивость манипуляция 3.1 Система передачи сигнала состоит из передающего устройства преобразования сигналов (УПСпер), канала связи и принимающего устройства преобразования сигналов (УПСпр). Структурная схема системы передачи информации приведена на рисунке 7. Рис. 7. Структурная схема системы передачи информации К - кодер, ФМ - фазовый модулятор сигнала, Г - генератор, ПФ - полосовой фильтр, ОА - ограничитель амплитуды, ДФ - фазовый демодулятор, ФНЧ - фильтр нижних частот, ВУ - выходное устройство, ДК - декодер. Сигнал из кодера поступает в модулятор, на выходе которого получается последовательность положительных и отрицательных импульсов, умноженных на синусоидальное несущее колебание, создаваемое генератором импульсов Г. Преобразователь обеспечивает изменение фазы несущей частоты. Полосовой фильтр УПСпер служит для ограничения спектра сигнала, передаваемого в канал связи. 3.3 Полосовой фильтр УПСпр предназначен для уменьшения помех, приходящих из канала связи. Ограничение амплитуды ОА позволяет, во-первых, почти полностью устранить влияние изменений амплитуды сигнала в канале связи на длительность принимаемых сигналов и, во-вторых, значительно уменьшить искажения элементов сигнала в результате нестационарных процессов. Кроме того, ОА уменьшает действие импульсных помех. Демодулятор превращает сигнал в импульсы постоянного тока. Фильтр нижних частот ФНЧ подавляет в выпрямленном сигнале высшие гармоники и остатки несущей. Выходное устройство ВУ обеспечивает форму и амплитуду сигналов на выходе, необходимую для нормального функционирования приемника информации ПИ. Рассмотрим принцип работы системы передачи при ДОФМ. На рис. 8. приведена функциональная схема системы передачи информации. Рис. 8. Функциональная схема системы передачи информации. Правило кодирования при ДОФМ иллюстрирует таблица 1 (Рекомендация V.26 МККТТ). Таблица. 1. Правило кодирования при ДОФМ. Символ 1 канала Символ 2 канала Разность фаз 0 0 1 1 0 1 0 1 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 9). 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. Рис. 9. Векторные диаграммы сигналов ДОФМ. Поступающая на передатчик последовательность импульсов разбивается на пары бит, называемые «дибит». Возможны четыре различных дебита: 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 битам (по одному в каждом канале). Заключение В ходе выполнения курсового проекта мной были изучены виды модуляции, выявлены достоинства и недостатки каждого из них. В результате выполнения данного курсового проекта было спроектировано устройство преобразования сигналов, основной задачей которого является передача сигналов данных по каналу связи с требуемой скоростью V и вероятностью ошибки P0. Для его проектирования были рассчитаны параметры системы связи. При данной скорости модуляции была выбрана ДОФМ, как наиболее оптимальный режим работы, обеспечивающий заданную помехоустойчивость на определенной частоте. Для выбранного типа системы разработана структурная и функциональная схемы. Список 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. - 32с. 2. Гаранин М.В., Журавлев В.И., Кунегин С.В. Системы и сети передачи информации. - М.: "Радио и связь", 2001. - 366с. 3. Дж. Дэвис, Дж. Карр. Карманный справочник радиоинженера/ Пер. с англ. - М.: «Додэка-XXI», 2002. - 544 с. 4. Кловский Д.Д. Теория электрической связи. - М.: «Радио и связь»,1999. - 433с. 5. С.И. Баскаков. Радиотехнические цепи и сигналы, 2-е издание. - М.: Высшая школа, 2005. - 462с.
