Теория электрической связи. Методические указания. Задание на курсовую работу (стр. 2 )

9  Почему для борьбы с многолучевостью можно использовать шумоподобные сигналы?

10 Назовите способы борьбы с импульсными, сосредоточенными и межсимвольными помехами.

11 Назовите критерии помехоустойчивости передачи непрерывных сигналов.

12 Объясните величину выигрыша при переходе от АМ к балансной и однополосной модуляции и причину возникновения этого выигрыша.

13 Поясните сущность порогового эффекта при использовании широкополосных систем модуляции.

14 В чём суть задачи синтеза оптимального линейного фильтра непрерывного сигнала, наблюдаемого в смеси с шумом?

15 Объясните принципы формирования сигналов ИКМ, ДИКМ и ДМ.

16 Назовите причины возникновения шума квантования и методы его уменьшения.

17 Приведите структурные схемы систем с ИКМ, ДИКМ и ДМ.

18 Поясните причину порога помехоустойчивости систем с ИКМ.

19 Поясните достоинства передачи непрерывных сообщений цифровыми способами.

1.3 Принципы многоканальной связи и распределения информации

[1, с. 257-281]; [2, с. 260-285].

Непрерывное развитие земной цивилизации неизбежно связано с увеличением потоков информации, которые необходимо передавать по каналам связи. В связи с этим, экономически и технически оказалось целесообразным использовать не одноканальные системы связи, а системы связи, в которых по одной линии связи одновременно передаётся большое число сообщений от отдельных источников информации. Такие системы, обеспечивающие взаимно независимую передачу нескольких или многих сообщений по одной линии связи, называют многоканальными. При этом суммарная производительность всех источников сообщений на входе линии связи не может быть больше её пропускной способности. Основная проблема построения таких систем связи заключена в устранении взаимных помех между отдельными каналами. Для разделения каналов на приёме могут быть использованы как линейные, так и нелинейные методы. Первые реализуются на линейных элементах, а вторые - на нелинейных.

Общая теория разделения сигналов хорошо разработана для линейных методов и только для отдельных частных методов нелинейного разделения сигналов. Поэтому в нашем курсе основное внимание уделено линейным методам, широко применяемым на практике. Основы теории линейного разделения сигналов и соответствующие способы формирования многоканального сигнала (частотное, временное, фазовое и кодовое уплотнение линий связи) сводятся к следующему.

При частотном разделении канальные сигналы от различных источников передаются одновременно, но занимают практически неперекрывающиеся полосы частот. Операция разделения группового сигнала на канальные в приёмном устройстве осуществляется полосовыми фильтрами с неперекрывающимися полосами пропускания. Частотное разделение не требует в принципе временной синхронизации, поэтому оно относится к классу асинхронных методов. Студент должен обратить внимание на основной недостаток систем с частотным разделением: высокие требования к линейности группового тракта системы связи. Этот тракт кроме линии связи включает каскады усиления группового сигнала как на передаче, так и на приёме.

При временном разделении канальные сигналы от различных источников передаются в общей полосе частот, но поочерёдно (разнесены) во времени. Два синхронно и синфазно работающих на передаче и на приёме коммутатора последовательно во времени подключают канал связи к источникам и получателям сообщений. Такой метод разделения относится к классу синхронных методов.

Ограниченность отведённой системы полосы частот, а также неидеальность синхронизации приводит к появлению взаимных помех каналов. Уровень этих помех уменьшают, вводя защитные временные интервалы между каналами, что приводит либо к расширению спектра группового сигнала (при неизменном числе каналов), либо к уменьшению числа каналов (при фиксированной ширине спектра группового сигнала).

При фазовом разделении канальные сигналы от различных источников передаются одновременно, имеют одинаковые несущие и занимают общую полосу частот. Несущие сигналов имеют различные начальные фазы, а информация содержится в изменении их амплитуд. На одной несущей частоте можно получить только два линейно независимых сигнала, при этом сдвиг фаз между несущими частотами сигналов составляет 90°.

Операция разделения линейного сигнала на канальные в приёмном устройстве осуществляется с помощью двух синхронных (фазовых) детекторов, опорные колебания на которые подаются с фазовым сдвигом, равным 90°.

При разделении сигналов по форме канальные сигналы передаются одновременно, а их частотные спектры перекрываются. В качестве канальных сигналов могут быть использованы различные ортогональные функции: полиномы Чебышева, Лаггера, Эрмитта, функции Уолша и др.

Операция разделения группового сигнала на канальные в приёмном устройстве осуществляется с помощью набора корреляторов, опорные колебания на которые подаются от генератора канальных функций и устройств формирования соответствующих весовых коэффициентов. Разделение сигналов возможно также с помощью согласованных фильтров, "настроенных" на канальные функции.

Разделение сигналов по форме широко используется в асинхронных адресных системах связи (ААСС), где каждому абоненту присваивается своя форма сигналов (адрес абонента), т. е. канальные сигналы отличаются друг от друга по форме. Различные формы сигналов всех абонентов образуют ансамбль почти ортогональных (квазиортогональных) сигналов, как правило, так называемых шумоподобных сигналов. Благодаря этому и обеспечивается возможность одновременной работы многих абонентов в общей полосе частот. Такие системы получили название широкополосных.

Для обмена информацией только между двумя пунктами можно воспользоваться, в зависимости от потока сообщений, одноканальной или многоканальной системой связи. Практически встаёт более сложная задача: обеспечить обмен информацией между большим числом пунктов таким образом, чтобы абонент любого пункта мог передать сообщение абоненту любого другого пункта.

Эту задачу решает сеть связи. Её можно рассматривать как сложную систему, которая позволяет с помощью различных каналов связи и узлов коммутации объединить в требуемых сочетаниях большое число источников и потребителей информации.

Различают два метода функционирования сети связи:

1) метод коммутации каналов, состоящий в создании путём соединения в узлах связи на некоторое время прямого соединения абонентов. По такому каналу не требуется передавать адрес абонента;

2) метод коммутации сообщений, состоящий в передаче сообщения вместе с адресом абонента в ближайший узел коммутации, где оно записывается в запоминающее устройство, становится на очередь и передаётся при освобождении канала на один из следующих узлов коммутации. Этот процесс записи и отправления продолжается до прихода сообщения в узел назначения.

Основная тенденция при внедрении и развитии систем связи состоит в вытеснении аналоговых методов передачи и переходе к цифровым методам, которые позволяют обеспечить гибкую и высококачественную передачу информации по сетям связи.

Вопросы для самопроверки

1  В чём суть линейной теории разделения сигналов, на которой базируется построение многоканальных систем связи?

2  Какие основные преимущества и недостатки многоканальных систем связи с частотным и временным разделением сигналов?

3  При каких нарушениях режима работы возникают взаимные помехи каналов в многоканальных системах с частотным и временным разделением каналов?

4  Как подсчитать полосу частот, занимаемую многоканальной системой связи, при частотном и временном разделении каналов?

5  Назовите несколько путей формирования шумоподобных сигналов.

6  Сопоставьте два способа разделения шумоподобных сигналов: с помощью корреляторов и с помощью согласованных фильтров.

7  На каком принципе функционируют асинхронно-адресные системы?

8  Что такое комбинационное разделение сигналов?

9  Что такое сеть связи?

10 Какое различие между сетями связи с коммутацией каналов и коммутацией сообщений?

1.4 Методы повышения эффективности систем передачи информации

[1, с. 282-302]; [2, с. 255-259].

Системы связи, обеспечивающие необходимую скорость передачи информации R при заданной верности, различаются степенью использования ими основных ресурсов канала: пропускной способности C, мощности сигнала PS и занимаемой полосы частот FS.

Наиболее общей характеристикой эффективности систем связи является коэффициент использования канала связи по пропускной способности (информационная эффективность) h =R /C.

Эффективность также часто оценивается коэффициентом использования канала по полосе частот (частотная эффективность) g =R / FS и коэффициентом b использования канала по мощности (энергетическая эффективность) b =R / (PS / N0), где PS / N0 – отношение мощности сигнала к спектральной плотности мощности шума. Введя обозначение h2=PS / Pш (отношение мощности сигнала к мощности шума в полосе FS) и учитывая формулу Шеннона C = FS×log(h2+1), нетрудно определить связь между этими коэффициентами эффективности:

g = h2 ×b; h = g / [log (g /b +1)].

Методы повышения эффективности систем передачи направлены на реализацию резервов в системе связи, указанных Шенноном и Котельниковым. Согласно теореме Шеннона величина h соответствующими способами модуляции – демодуляции и кодирования – декодирования может быть сделана сколь угодно близкой к единице при сколь угодно малой вероятности ошибок. Для такой идеальной системы связи получаем, приняв h = 1, предельную зависимость b = g× (2g – 1). Эту зависимость удобно представить кривой на плоскости b g , где g меняется от 0 до при аналоговой передаче и от 0 до log2 mk при передаче дискретных сигналов с основанием mk , а коэффициент b ограничен значением bmax = . Эта кривая является предельной и характеризует наилучший обмен между b и g .

В реальных системах связи вероятность ошибки pош ¹ 0 и h < 1. Кривые b = f (g ) зависят от вида сигнала (модуляции), кода, способа обработки сигнала. Каждому варианту системы соответствует точка на плоскости в координатах b и g . Все эти точки располагаются на кривых ниже предельной кривой Шеннона. Чем ближе точка к предельной кривой, тем эффективнее система.

Методы повышения эффективности за счёт выбора способа модуляции и кодирования зависят от того, какой из параметров (b, g , h) максимизируется.

Так, в некоторых системах проводной связи важнейшим показателем увеличения мощности является частотная эффективность g . Условию наилучшего использования полосы частот при заданной верности передачи наиболее полно отвечает однополосная модуляция. В этой же однополосной системе достигается наибольшая информационная эффективность h = 1, однако помехоустойчивость низкая и повышена может быть лишь увеличением мощности сигнала. При жёстких ограничениях, накладываемых на мощность излучения, целесообразно осуществить обмен полосы пропускания на мощность сигнала. Это достигается путём перехода к многопозиционным сигналам (mk > 2) и комбинированным видам модуляции. Обмен энергетической эффективности на частотную можно осуществить с помощью многопозиционных сигналов с ФМ и АФМ.

Наряду с системами, описанными выше, обеспечивающими выигрыш по g и проигрыш по b, используются системы с помехоустойчивыми кодами, обеспечивающие выигрыш по b и проигрыш по g . Применение корректирующих кодов позволяет повысить верность передачи информации или при заданной верности повысить энергетическую эффективность системы связи. Последнее особенно важно для систем с малой энергетикой (спутниковая, космическая связь).

Для повышения информационной эффективности h нужно повысить как эффективность системы кодирования, так и эффективность системы модуляции. Так, применение циклического кода в канале с ФМ или свёрточного кода в канале с АФМ позволяют получить одновременно выигрыш как по b , так и по g , или, во всяком случае, выигрыш по одному из показателей без ухудшения другого. Однако, построение таких высокоэффективных систем (h > 0,5) на основе сложных сигнально-кодовых конструкций ведёт к неизбежному увеличению сложности системы.

В технике связи используются различные методы повышения эффективности за счёт выбора способа передачи и обработки сигналов:

- разнесённый приём – передача одной и той же информации по параллельным каналам; при реализации разнесённого приёма существенно повышается помехоустойчивость приёма замирающих сигналов;

- приём в целом – демодулятор строится сразу на всё кодовое слово, что позволяет в сравнении с посимвольным приёмом, повысить верность. Этот приём технически осуществим только для коротких кодов;

- обратная связь. Системы с решающей обратной связью являются примером системного подхода к кодированию и модуляции с учётом свойств канала связи. В этих системах используются корректирующие коды небольшой длины, необходимые, как правило, только для обнаружения ошибок. В случае обнаружения ошибки в декодере по обратному каналу посылается сигнал запроса, и кодовая комбинация передаётся ещё раз. Таким образом, небольшая постоянная избыточность наращивается в соответствии с помеховой ситуацией в реальном канале, что означает простоту и адаптивность систем с решающей обратной связью;

- применение шумоподобных сигналов – позволяет повысить верность передачи в условиях многолучевости распространения сигнала за счёт повышения отношения сигнал-шум на входе решающего устройства;

- адаптивная коррекция. Осуществление адаптивной коррекции характеристики канала связи позволяет повысить скорость передачи информации за счёт ослабления межсимвольных искажений;

- эффективное кодирование источника. Кодирование источника со сжатием данных позволяет сократить избыточность источников сигналов (например, речи) и тем самым повысить эффективность систем передачи информации.

Вопросы для самопроверки

1  Дайте определения критериям эффективности систем связи.

2  Какими методами можно осуществить обмен показателей эффективности g на b и b на g ?

3  Какова связь между помехоустойчивостью и эффективностью?

4  Перечислите методы повышения эффективности за счёт выбора способа модуляции и кодирования.

5  Перечислите методы повышения эффективности за счёт выбора способа передачи и обработки сигнала.

6  В каких каналах целесообразно применение корректирующих кодов не для снижения вероятности ошибки, а для увеличения энергетической эффективности?

7  Сравните системы с решающей обратной связью с системами без обратной связи, использующими коды с исправлением ошибок.

8  Какие факторы в реальных системах приводят к снижению эффективности по сравнению с предельной?

2 ЗАДАНИЕ НА КУРСОВУЮ РАБОТУ И МЕТОДИЧЕСКИЕ

УКАЗАНИЯ ПО ЕЕ ВЫПОЛНЕНИЮ

2.1 ЗАДАНИЕ НА КУРСОВУЮ РАБОТУ

Разработать структурную схему системы связи, предназначенной для передачи данных и передачи аналоговых сигналов методом ИКМ для заданного вида модуляции и способа приема сигналов. Рассчитать основные параметры системы связи. Указать и обосновать пути совершенствования разработанной системы связи.

2.2 ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ К КУРСОВОЙ РАБОТЕ

Вариант № ... .

Способ модуляции - (ДАМ, ДЧМ, ДФМ, ОФМ, см. таблицу вариантов).

Способ приема - (КГ, НКГ — см. пояснения под таблицей вариантов).

Мощность сигнала на входе демодулятора приемника Рс = ... мВт.

Длительность элементарной посылки Т = ... мкс.

Помеха - белый шум с гауссовским законом распределения.

Спектральная плотность мощности помехи N0 = 0,001 мкВт/Гц.

Вероятность передачи сигнала "1" p(1) = ... .

Число уровней квантования N = ... .

Пик-фактор аналогового сигнала П = ... .

Таблица 1

ТАБЛИЦА ВАРИАНТОВ

(номер варианта соответствует двум последним цифрам номера студ. билета)

Первая цифра номера варианта	Способ модуляции	Pc, мВт	T, мкс	Последняя цифра номера варианта	p(1)	N	П
0	ДЧМ	2,8	5,0	0	0,10	128	3
1	ДФМ	2,2	6,0	1	0,75	256	2,5
2	ДАМ	2,4	8,0	2	0,80	512	2,7
3	ОФМ	3,2	4,0	3	0,15	128	2,9
4	ДЧМ	4,0	3,4	4	0,20	1024	3,1
5	ДАМ	3,2	6,0	5	0,70	256	2,5
6	ДЧМ	6,0	3,0	6	0,25	512	3,2
7	ДФМ	3,6	4,0	7	0,90	128	2,2
8	ДАМ	2,6	10,0	8	0,85	512	3,0
9	ОФМ	1,1	12,0	9	0,30	256	2,6

Способы приема сигналов:

Для нечетных вариантов, в случае ДАМ или ДЧМ — некогерентный способ приема, в случае ОФМ — способ сравнения фаз.

Для четных вариантов, в случае ДАМ, ДЧМ — когерентный способ приема, в случае ОФМ — способ сравнения полярностей.