 |
Передающая часть цифровой системы связи.
|
|
|
|
Кафедра Теория электрической связи
Переработанные методические указания
и контрольное задание
по курсу
ОБЩАЯ ТЕОРИЯ СВЯЗИ
для студентов 3-го курса заочного факультета
направление 210700
«Инфокоммуникационные технологии и системы связи»
Москва
2013 г.
План УМД 2012/2013 уч. г.
Методические указания
и контрольное задание
по курсу
ОБЩАЯ ТЕОРИЯ СВЯЗИ
Составители: А. С. Сухоруков, к.т.н., доцент
Г. К. Кожанова, ст. преподаватель
В. В. Павлюк, к.т.н., доцент
Работа содержит методические указания и контрольные вопросы по курсу "Общая теория" (часть 1), контрольное задание и методические рекомендации по его выполнению. Предназначено для студентов заочной формы обучения по направлению 210700 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи»
Отв. редактор В. Г. Санников, к.т.н., профессор
Издание переработанное. Утверждено на заседании кафедры ОТС 6.02.13
Рецензент Т. Л. Алексеева, к.т.н., доцент
ПРЕДИСЛОВИЕ
Курс "Общая теория связи " (ОТС) является одной из фундаментальных дисциплин, которые формируют теоретическую базу для подготовки современного специалиста в области телекоммуникации. Изучение курса ОТС позволяет специалисту овладеть единой методикой решения задач электросвязи на основе вероятностных представлений.
Курс ОТС изучается в течение двух семестров (пятого и шестого). Содержание первой части курса ОТС составляют следующие разделы:
• общие сведения о системах электросвязи;
• математические модели сообщений, сигналов и помех;
• основы теории модуляции и демодуляции;
• математические модели каналов связи и преобразование сигналов в каналах связи;
|
|
|
• основы цифровой обработки сигналов.
Курс ОТС базируется на таких дисциплинах, как Высшая математика, Физика, Теория электрических цепей, Электроника, Вычислительная техника и программирование, Теория вероятностей и математическая статистика.
Курс ОТС является теоретической базой для изучения техники связи в последующих инженерных дисциплинах.
Курс ОТС предназначен для подготовки специалистов в области телекоммуникации по направлению 210700 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи» профили: «Сети связи и системы коммутации», «Многоканальные телекоммуникационные системы», «Системы радиосвязи и радиодоступа» и «Системы мобильной связи».
В данной работе содержатся методические указания и контрольное задание по первой части курса, что соответствует программе дисциплины ОТС, утвержденной учебно-методическим объединением.
Контрольное задание состоит из задач средней сложности, по каждой из которых приведены методические рекомендации с примерами.
Изучение указанных выше разделов курса ОТС необходимо выполнить по литературе, список которой приведен ниже. Основным учебником по курсу является учебник " Теория электрической связи", авторы А.Г. Зюко, Д.Д. Кловский, З.И. Коржик, М.В. Назаров 1998 г.
Дополнительная литература используется в случае, если рассматриваемые вопросы не содержатся в основной.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСВЯЗИ.
[1. с. 10-28; 2. с. 9-16; 4. с. 6-8]
Структурная схема оптимальной системы связи
Современный этап развития телекоммуникационной техники характеризуется интенсивным внедрением оптимальных способов обработки сигналов. Успехи микропроцессорной техники сделали возможной реализацию самых сложных алгоритмов. Пожалуй, наиболее впечатляющие результаты получены в области кодирования и оптимальной обработки принятых сигналов, что позволило вплотную приблизиться к параметрам идеальной системы связи.
|
|
|
На рис. 1 показана обобщенная структурная схема цифровой системы связи.
Передающая часть цифровой системы связи.
Приемное устройство цифровой системы связи.
Рис. 1.
Назначение отдельных блоков будет рассматриваться по мере изучения очередного преобразования сигнала. Сокращенные обозначения на схеме расшифровываются так:
ИИ - источник информации,
ФНЧ – фильтр низких частот с верхней частотой пропускания Fв,
АЦП — аналогово-цифровой преобразователь,
БЭК – блок эффективного кодирования,
БПК – блок помехоустойчивого кодирования,
Мод – модулятор несущей,
Вых У – выходное устройство (выходные усилитель и фильтр),
ИП – источник помех ζ(t),
ЛС – линия (канал) связи,
Вх У – входное устройство (входной фильтр и усилитель приемника),
Демод – демодулятор входного сигнала,
БПД - блок декодирования помехоустойчивого кода,
БЭД - блок декодирования эффективного кода,
ЦАП - цифро-аналоговый преобразователь,
ПИ - приемник информации.
Системы электросвязи предназначены для передачи сообщений от источника сообщений к получателю.
Сообщения - это сведения, информация, отражающие объективную реальность. В системах электросвязи сообщение передается с помощью электрических сигналов, которые представляют собой электрическую копию сообщения. Обобщенная структурная схема системы электросвязи содержит следующие блоки.
• Источник информации - человек, автомат, ЭВМ, датчик. Сообщениями могут быть: речь (системы телефонной связи); текст (системы телеграфной связи); неподвижные изображения (фототелеграфные системы связи); подвижные изображения (телевизионные системы связи); параметры каких-либо устройств (системы телеизмерения); команды управления какими-либо устройствами (системы телеуправления); данные (системы передачи данных).
• ФНЧ ограничивает полосу частот передаваемого сообщения (например: телефонии 0.3 – 3.4 Кгц, аудиосигнал 16 – 15000 Гц, видеосигнал ТВ 0 – 6 Мгц).
• Кодирующее устройство (кодер) - в общем случае осуществляет:
- преобразование сообщения, поступающего от источника сообщения в электрический сигнал;
- преобразование в случае необходимости непрерывного сигнала в дискретный;
|
|
|
- статистическое (эффективное) кодирование с целью увеличения скорости передачи информации и устранения избыточности;
- помехоустойчивое кодирование с целью повышения помехоустойчивости связи (обнаружение и исправление ошибок).
• Модулятор - изменяет один из параметров несущей в соответствии с модулирующим сообщением, поступающим от кодера. Несущей обычно служит гармоническое колебание, либо периодическая последовательность импульсов, либо шумоподобный сигнал. В процессе модуляции могут изменяться амплитуда, частота или фаза гармонической несущей; амплитуда, частота следования, фаза, длительность импульсного переносчика; тип используемого шумоподобного сигнала.
• Выходное устройство - ограничивает спектр частот передаваемого сигнала для устранения помех соседним по частоте системам связи и увеличения эффективности использования полосы частот, выходной усилитель увеличивает мощность передаваемого сигнала для обеспечения требуемой помехоустойчивости приема информации, передает сигнал в среду распространения. Таким образом, выходное устройство содержит полосовые фильтры, усилитель мощности и излучатель сигнала.
Таким образом, кодирующее устройство, модулятор, генератор несущего колебания и выходное устройство образуют передатчик.
• Линия связи - совокупность технических средств (оптический или электрический кабель и т п.), либо окружающая среда, через которую сигнал поступает от передатчика к приемнику. В линии связи сигнал претерпевает изменения из-за затухания, воздействия помех и искажений.
• Помехи - это флюктуационный тепловой шум, атмосферные помехи, помехи от других передатчиков и т.п.
• Входное устройство - выделяет из линии связи сигнал нужного (требуемого) передатчика и усиливает его до необходимого уровня. Таким образом, входное устройство содержит полосовые фильтры и усилители.
• Демодулятор (детектор) - преобразует принятый сигнал в модулирующий сигнал, содержащий переданную информацию.
|
|
|
• Декодер - осуществляет обратное преобразование принятых кодовых сигналов (комбинаций) в исходное сообщение.
• Получатель сообщения - человек, ЭВМ, автомат и т.п.
Таким образом, входное устройство, демодулятор и декодер образуют приемник.
В процессе работы над данным разделом необходимо изучить и запомнить определения основных понятий теории связи (сообщение, сигнал, система связи, канал связи, сети связи); название и назначение блоков по структурной схеме; основные характеристики сигналов и систем связи.
Основные характеристики сигнала: длительность, ширина спектра и динамический диапазон; основные характеристики системы связи: помехоустойчивость и скорость передачи).
Вопросы для самопроверки
1. Что такое сообщение?
2. Что такое система электросвязи?
3. Нарисуйте обобщенную структурную схему системы связи и назовите функции каждого блока.
4. Что такое электрический сигнал?
5. Каковы основные характеристики сигнала?
6. Каковы основные характеристики системы связи?
7. Что такое канал связи?
2. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ СООБЩЕНИЙ, СИГНАЛОВ И ПОМЕХ.
[1. с. 29-81; 2. с. 36-62; 3. с. 8-17, 45-60]
В процессе изучения данного раздела необходимо понять и запомнить следующие определения и соотношения.
• Все процессы можно разделить на определенные точно (детерминированные) и предсказуемые только в вероятностном смысле (случайные).
• Непрерывные процессы (сигналы) могут принимать любые, сколь угодно близкие друг к другу значения в произвольные моменты времени.
• Дискретные или цифровые процессы (сигналы) могут принимать в определенные моменты времени только вполне определенные значения, отличающиеся друг от друга на конечную величину.
• Непрерывная функция x(t), интегрируемая в квадрате, может быть представлена в виде обобщенного ряда Фурье, каждое слагаемое которого есть произведение коэффициента разложения Ск на соответствующую ортонормированную функцию φк(t).
• Если в качестве ортонормированных функций выбрать sin(kωt) и cos(kωt), то получим ряд Фурье, коэффициенты которого представляют собой спектр сигнала.
• Если в качестве ортонормированных функций выбрать отсчетные функции, то получим ряд Котельникова, соответствующий теореме отсчетов: любая непрерывная функция s(t), спектр которой ограничен частотой ωв=2πfв, полностью определяется своими отсчетами, взятыми через интервал времени ∆t = π/ωв = 1/2fв
(ωв = 2πfв - максимальная частота в спектре функции);
• Случайный процесс может быть описан:
- своими реализациями,
- своими функциями распределения вероятностей и функциями плотности вероятностей,
|
|
|
- своими числовыми характеристиками.
• Случайный процесс, у которого функция плотности вероятностей описывается гауссовским распределением, называется нормальным.
• Функция корреляции B(t1,t2) - это второй смешанный центральный момент распределения. Для стационарного процесса она зависит только от разности (t2 - t1)= τ.
Функция корреляции характеризует степень статистической взаимосвязи двух значений случайного процесса, разделенных интервалом времени τ.
• Энергетический спектр G(ω) характеризует распределение энергии случайного процесса по частоте.
• Процесс, энергетический спектр которого постоянен, равномерен в бесконечной полосе частот, называется белым шумом.
• Функция корреляции и энергетический спектр связаны между собой преобразованиями Винера-Хинчина
В(τ) = 1/2π-¥∫¥G(ω)ejωτ dω... G(ω) = -¥∫¥B(τ)e-jωτdτ.
• Если на входе линейной цепи действует нормальный случайный процесс, то процесс на выходе линейной цепи также будет нормальным, изменятся только его параметры и характеристики.
Энергетический спектр на выходе будет равен
G(ω)вых = G(ω)вхК2(ω),
где К(ω) - амплитудно-частотная характеристика линейной цепи.
• Функция корреляции процесса на выходе линейной цепи В(τ)вых находится как преобразование Винера-Хинчина от выходного спектра. Дисперсия выходного процесса равна В(0)вых.
• Функция плотности вероятностей (ФПВ) процесса на выходе нелинейного безынерционного элемента находится по формуле
W(y) = W(x)dx/dy,
где у(х) - характеристика нелинейного элемента, (необходимо уметь рассчитывать ФПВ выходного процесса для типовых нелинейных элементов).
Вопросы для самопроверки
1.Что такое ансамбль сообщений?
2. Почему сигнал является детерминированным процессом для человека, передающего сообщение, и случайным для человека, принимающего сообщение?
3. Каково различие между случайной величиной и случайной функцией?
4. Что такое реализация случайного процесса и что такое ансамбль реализации случайного процесса?
5. Что такое одномерное и многомерное распределение случайного процесса?
6. Дайте определение числовым характеристикам случайного процесса.
7. Какой случайный процесс является стационарным?
8. Дайте определение эргодического случайного процесса.
9. Как вычисляется функция корреляции случайного процесса?
10. Почему для случайных функций вводится понятие энергетический спектр?
11. Какова связь между функцией корреляции и энергетическим спектром?
12. Что такое белый шум?
13. Как ведет себя случайный процесс, подчиняющийся закону Гаусса?
3. ОСНОВЫ ТЕОРИИ МОДУЛЯЦИИ И ДЕТЕКТИРОВАНИЯ
[1. с. 82-125; 2. с. 63-72; 4.с. 17-45]
В процессе работы над материалом данного раздела курса следует понять и запомнить следующие определения, зависимости и соотношения.
• Электрические цепи можно разделить на линейные (описываются дифференциальными уравнениями с постоянными коэффициентами), нелинейные (описываются дифференциальными уравнениями с коэффициентами, зависящими от токов или напряжений) и параметрические (описываются дифференциальными уравнениями с коэффициентами, зависящими от времени).
• Принцип суперпозиции (реакция цепи на суммарное воздействие равна сумме реакций на каждое воздействие в отдельности) справедлив для линейных и параметрических цепей, новые частоты могут образовываться в нелинейных и параметрических цепях.
• Аппроксимация - это замена истинной характеристики аналитическим выражением (степенным полиномом при полиномиальной аппроксимации, либо отрезками прямых при линейно-ломаной аппроксимации).
• Спектр тока на выходе нелинейного безынерционного элемента может быть найден методом "кратных дуг" при полиномиальной аппроксимации вольт-амперной характеристики (ВАХ) нелинейного элемента (НЭ), либо методом "угла отсечки" при линейно-ломаной аппроксимации, либо методом "трех ординат" и "пяти ординат".
• При амплитудной модуляции (AM) амплитуда несущей изменяется в соответствии с низкочастотным модулирующим сигналом (необходимо уметь нарисовать временную и спектральную диаграммы AM для гармонического модулирующего сигнала, а также принципиальную схему амплитудного модулятора).
• Статическая модуляционная характеристика (СМХ) амплитудного модулятора - это зависимость амплитуды первой гармоники выходного тока (напряжения) модулятора от напряжения смещения при постоянной амплитуде несущей на входе модулятора (амплитуда модулирующего сигнала равна нулю).
Рабочий участок СМХ - это линейный участок, в середине которого выбирается рабочая точка. Необходимо уметь рассчитывать СМХ и определять параметры модулированного сигнала.
• Недостатком АМ является низкая энергетическая эффективность (несущая содержит до 90% мощности всего сигнала) и полоса частот АМ сигнала в два раза больше полосы частот передаваемого сообщения. Наиболее эффективной является однополосная модуляция (ОМ). С помощью ОМ передается видеосигнал ТВ. Однополосная модуляция позволяет в два раза уменьшить ширину спектра модулированного сигнала (следует изучить способы формирования и детектирования однополосных сигналов, их преимущества и недостатки).
• Частота и фаза несущей взаимосвязанные величины ω = dφ/dt и φ = ∫ωdt. Поэтому частотная и фазовая модуляции взаимосвязанные процессы. Если передаваемое сообщение a(t), то при частотной модуляции (ЧМ) частота несущей изменяется в соответствии с низкочастотным модулирующим сигналом ω(t) = ω0 + ∆ωa(t). Здесь ∆ω – девиация частоты. Фаза ЧМ сигнала будет также изменяться
φ(t) = ω0t + ∆ω∫a(t)dt.
При фазовой модуляции (ФМ) φ = ω0t + Ма(t) (M - индекс фазовой модуляции). Мгновенная частота ФМ сигнала
ω = dφ/dt = ω0 + Мda(t)/dt. Поэтому ЧМ и ФМ можно рассматривать как единый вид модуляции – угловая модуляция (УМ) с параметрами ∆ω и М.
Если модулирующий сигнал а(t) = cosΩt, М = ∆ω/Ω.
Однако схема ЧМ существенно проще и она чаще используется на практике (УКВ ЧМ вещание, звуковая составляющая ТВ сигнала).
• Необходимо уметь нарисовать временную и спектральную диаграммы ЧМ для гармонического модулирующего сигнала, а также принципиальную схему частотного модулятора.
• Статическая модуляционная характеристика (СМХ) частотного модулятора – это зависимость частоты, генерируемой модулятором, от напряжения смещения. Рабочий участок выбирается на линейной части СМХ, в середине которого выбирается рабочая точка. Необходимо уметь рассчитывать СМХ и определять параметры модулированного сигнала ∆ω и М).
• Демодуляция (детектирование) операция обратная модуляции. Назначение детектора состоит в том, чтобы из модулированного сигнала получить низкочастотный модулирующий сигнал (необходимо уметь рассчитывать спектр тока на выходе амплитудного детектора для случаев квадратичного и линейного детекторов; уметь нарисовать схемы AM и ЧМ детекторов);
Вопросы для самопроверки
1. Какие способы аппроксимации характеристик Вы знаете?
2. Каким методом можно рассчитать спектр тока на выходе нелинейного безынерционного элемента, если его ВАХ аппроксимирована полиномом?
3. Каким методом можно рассчитать спектр тока на выходе нелинейного безынерционного элемента, если его ВАХ аппроксимирована отрезками прямых?
4. Как можно рассчитать спектр тока на выходе нелинейного безынерционного элемента методами "трех ординат" и "пяти ординат"?
5. Запишите аналитическое выражение для сигнала AM при гармонической модуляции.
6. Нарисуйте временную и спектральную диаграммы сигнала AM при гармонической модуляции.
7. Нарисуйте принципиальную схему амплитудного модулятора и поясните назначение ее элементов.
8. Что такое СМХ для амплитудного модулятора и как по ней выбирается рабочий режим?
9. Запишите аналитическое выражение для сигнала ЧМ при гармонической модуляции.
10. Нарисуйте временную и спектральную диаграммы сигнала ЧМ при гармонической модуляции.
11. Нарисуйте принципиальную схему частотного модулятора и поясните назначение ее элементов.
12. Что такое СМХ для частотного модулятора и как по ней выбирается рабочий режим?
13. Нарисуйте принципиальную схему диодного амплитудного детектора.
14.Рассчитайте спектр тока на выходе квадратичного и линейного амплитудных детекторов.
15. Нарисуйте принципиальную схему частотного детектора.
16. Нарисуйте спектр сигнала однополосной AM и поясните принципы когерентного детектирования такого сигнала.
4. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ КАНАЛОВ СВЯЗИ.
ПРЕОБРАЗОВАНИЕ СИГНАЛОВ В КАНАЛАХ СВЯЗИ
[1. с. 126-164, 3. с. 60]
В процессе работы над материалом данного раздела курса следует понять и запомнить следующие определения, зависимости и соотношения.
• Канал связи - это совокупность средств, предназначенных для передачи сигналов между различными точками системы связи.
• Каналы подразделяются на непрерывные (на входе и выходе - непрерывные сигналы), дискретные (на входе и выходе -дискретные сигналы) и дискретно – непрерывные.
• Модель канала связи - это математическое упрощенное описание реального канала, отражающее наиболее существенные для передачи сигнала свойства канала.
• Если для заданного канала справедлив принцип суперпозиции, то канал является линейным, в противном случае, канал - нелинейный.
• Математическая модель дискретного канала связи включает в себя задание числа всех возможных входных и выходных сигналов и указание условных вероятностей выходных сигналов при заданных входных (необходимо уяснить, что такое канал с памятью и без памяти, канал симметричный и несимметричный, канал со стиранием и без стирания).
• Для непрерывных каналов используются следующие модели:
идеальный канал без помех, канал с аддитивным гауссовским шумом, канал с неопределенной фазой сигнала и аддитивным шумом, канал с межсимвольной интерференцией и аддитивным шумом, канал без замираний и с замираниями.
Вопросы для самопроверки
1. Что мы называем каналом связи?
2. Что такое математическая модель канала связи?
3. Какие параметры определяют модель дискретного канала?
4. Какие модели дискретных каналов используются в теории связи?
5. Какие каналы называются дискретными и какие называются непрерывными?
6. Какие модели непрерывных каналов используются в теории связи?
7. Какие типы помех могут действовать в каналах связи?
5.0СНОВЫ ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ
[1. с. 381-400, 3. с. 60-61]
В этом разделе основное внимание следует уделить цифровым фильтрам.
Цифровой фильтр - это микроЭВМ, микропроцессор, которые осуществляют операцию фильтрации средствами вычислительной техники.
 |
Цифровой фильтр (ЦФ) описывается разностным уравнением:
где хi - сигнал на входе ЦФ,
yi - сигнал на выходе ЦФ,
al, bm, - коэффициенты.
Максимальное из чисел L, М определяет порядок ЦФ. Если все коэффициенты аl равны нулю, то ЦФ называется нерекурсивным.
Если хотя бы один из коэффициентов аl не равен нулю, то фильтр называется рекурсивным.
Основные характеристики ЦФ следующие:
- импульсная реакция цифрового фильтра gi,, т.е. реакция ЦФ на единичный импульс (хi = 1 при i = 0, xi = 0 при i ≠ 0);
- переходная характеристика цифрового фильтра hi, т.е. реакция ЦФ на дискретную функцию единичного скачка (хi = 1 при i ≥ 0, хi =0 при i < 0);
 |
- передаточная функция ЦФ, равная отношению Z преобразований выходного сигнала и входного:
Передаточная функция позволяет достаточно легко получить АЧХ и ФЧХ цифрового фильтра, подставив в выражение для К(z) вместо переменной z выражение еjωT. Более детально характеристики ЦФ второго порядка будут рассматриваться во второй части курса ТЭС, посвященной изучению цифровых телекоммуникационных систем.
Вопросы для самопроверки
1. Что такое цифровой фильтр?
2. Запишите разностное уравнение для ЦФ.
3. Что такое импульсная реакция ЦФ?
4. Что такое переходная характеристика ЦФ?
5. Что такое передаточная функция ЦФ?
6. Что такое z-преобразование заданного процесса?
|
|
|
