Многоканальная система передачи информации с импульсно-кодовой модуляцией с разработкой кодирующего устройства

 

МПС РОССИИ

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального  образования

«Ростовский государственный  университет путей сообщения

Министерства  путей сообщения Российской Федерации»

Кафедра «Связи»

 

 

 

МНОГОКАНАЛЬНАЯ  СИСТЕМА ПЕРЕДАЧИ

ИНФОРМАЦИИ С ИМПУЛЬСНО-КОДОВОЙ

МОДУЛЯЦИЕЙ  С РАЗРАБОТКОЙ 

КОДИРУЮЩЕГО УСТРОЙСТВА

 

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовой работе

по дисциплине «Теория передачи сигналов»

 

 

 

Работа защищена    с оценкой

 

Руководитель  работы Шандыбин А.В.  (   )

Студент группы         АТ-2-171           шифр            190402

 

  Дергунов И.Н.   23.10.12.         (   )

 

 

 

Ростов-на-Дону

 

2012

 

 

Содержание

 

1. Введение   …………………………………………………………..…….…4

2. Структурная схема МСПИ с КИМ   ……………………………………….5

3. Выбор способа квантования.   ……………………………………………...8

4. Выбор амплитудной характеристики квантующего устройства   ……….9

5. Определение разрядности кодовых  комбинаций. Выбор типа линейного  кода   ……………………………………………………………………........11

6. Выбор частоты дискретизации   ……………………………………………12

7. Тактовая частота  и полоса пропускания группового  канала   ……………13

8. Допустимая вероятность  ошибочного приема символов в  групповом канале.   ……………………………………………………………………….14

9. Выбор кабеля.   ……………………………………………………………….15

10. Длина регенерационных участков и их количество   …………………….16

11. Допустимая вероятность  ошибочного приема символа на  регенерационном участке   ………………………………………………….17

12. Допустимое отношение  сигнал/шум на входе решающего устройства  ...18

13. Уровень шума на входе решающего  устройства   ………………………...19

14. Требуемый уровень сигнала  на выходе регенератора   …………………..20

15. Структура сигналов в групповом канале   ………………………………...21

16. Энтропия квантирующего устройства   …………………………………...22

17. Избыточность квантующего устройства   ………………………………...25

18. Пропускная способность  группового канала   ……………………………26

19. Объем канала   ………………………………………………………………27

20. Структурная схема  регенераторного устройства   ………………………..28

21. Заключение   …………………………………………………………………30

22. Список использованной литературы……………………………………….31

 

1. Введение.

 

В результате проектирования необходимо выбрать, обосновать, рассчитать следующие  параметры :

- структурную схему  многоканальной системы передачи  информации (МСПИ) с импульсно-кодовой  модуляцией (ИКМ) ;

- способ квантования непрерывных сигналов ( линейное, нелинейное ) ;

- амплитудную характеристику  квантующего устройства ;

- разрядность кодовых  комбинаций, тип линейного кода ;

- тактовую частоту и полосу  пропускания группового канала ;

- допустимую вероятность ошибочного приёма символов в групповом канале ;

- тип кабеля для линии связи  ;

- допустимую вероятность ошибочного  приёма символа на регенерационном  участке ;

- допустимое отношение сигнал /шум  на входе решающего устройства  в регенераторе ;

- уровень шума на входе решающего устройства ;

- требуемый уровень сигнала  на выходе регенератора ;

- структуру сигналов в групповом  канале ;

- энтропию квантующего устройства ;

- избыточность квантующего устройства ;

- пропускную способность группового  канала ;

- объём канала ;

- структурную схему кодирующего  устройства .

 

Исходные данные: длина линии связи L =200 км, количество каналов N=10, динамический диапазон D=60 дБ, верхняя частота в спектре первичных сигналов F_в =3,4 кГц , рекомендуемое затухание сигналов в кабеле на регенерационном участке ℒ_p ≤ 35 дБ , время непрерывной работы системы     T =24 ч, закон распределения сигналов на выходе квантующего устройства – нормальный.

В проекте необходимо разработать структурную схему регенераторного устройства.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Структурная схема МСПИ с  КИМ.

 

Структурная схема МСПИ с КИМ на 50  каналов представлена на рис. 1.

Аналоговые  сигналы С₁, С₂,…, С₅₀ от абонентов через дифференциальные системы ДФ и фильтры низкой частоты передаются на аналоговые ключи К₁, К₂,…, К₅₀, представляющие модулятор АИМ –1. Ключи открываются поочередно кратковременными импульсами, которые поступают от генераторного оборудования передачи ГО Пер. Выходы ключей соединяются параллельно и

 

 

 

 

                                                                                                      АИМ-1

           С50

         C2

 

                                                                                                                              АИМ-2

 С1

  Л.С.

 

 

 

                                                C’1

 Л.С.

 

                                                C’2

   

                                                 C’50

 

 

 

 

сформированный таким образом  групповой сигнал посылается на амплитудный  модулятор АИМ-2. Этот модулятор расширяет  импульсы до продолжительности интервала, отводимого для передачи каждого  импульса группового сигнала (каждой выборки аналоговых сигналов). Все импульсы АИМ-2 имеют плоскую вершину, что позволяет выполнить их кодирование. В кодере КОД осуществляется кодирование каждого импульса группового АИМ сигнала. Устройство объединения УО включает в цифровую последовательность сигналы синхронизации, поступающие от передатчика синхроимпульсов ПС, а также сигналы управления и взаимодействия, приходящие от абонентов через передатчик сигналов управления и взаимодействия ПСУВ и далее последовательность импульсов подается в преобразователь кода ПК, где униполярный сигнал преобразуется в биполярный с чередованием полярности импульсов (код ЧПИ). С выхода ПК сигнала через станционный регенератор поступают в линию связи (л. с.).

В приемной части оконечной  станции, пришедшие из линии связи искаженные биполярные импульсы, подвергаются стробированию и исправлению в станционном регенераторе, на выходе которого появляется последовательность импульсов, свободная от помех. Преобразованный в ПК однополярный сигнал поступает в устройство разделения УО. С выходов этого устройства в приемник ПрС поступают синхросигналы, которые синхронизируют работу генераторного оборудования приема ГО Пр, сигналы управления и взаимодействия через Пр СУВ поступают на к абонентам, обеспечивая работу соответствующих приборов, кодовые комбинации каналов подаются в декодер ДЕК. На выходе ДЕК появляется групповой АИМ сигнал, который поступает на ключи К^’₁, K^’₂,…, K^’₁₀ , работающие от генераторного оборудования приема, где происходит разделение импульсов по каналам. Аналоговые сигналы С₁, С₂,…, С_8, выделенные фильтрами нижних частот через ДФ, поступают к абонентам.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Выбор способа квантования.

 

Решающим фактором при  выборе способа квантования является динамический диапазон квантуемых сигналов. Для заданного динамического диапазона D=66 дБ при использовании равномерного  (линейного) квантования необходимы 2048 уровня квантования в одной ветви АХ квантующего устройства. Общее количество уровней в два раза больше и равно 4096. Для кодирования такого количества уровней требуется 8-разрядные комбинации двоичного кода. При использовании неравномерного  (нелинейного) квантования необходимое количество уровней можно значительно сократить, уменьшить разрядность комбинаций, уменьшить требуемую полосу пропускания линейного (группового) канала и тем самым улучшить технико-экономические характеристики системы. В связи с этим остановим свой выбор на нелинейном квантовании.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Выбор амплитудной  характеристики квантующего устройства.

 

При нелинейном квантовании  используются гладкие и сегментные АХ квантования. При количестве сегментов, равном пяти и более, уровень нелинейных искажений оказывается не намного выше, чем при использовании гладких АХ, в то же время реализация квантующих устройств с сегментными АХ проще и дешевле. При D =66 дБ рекомендуется использовать семисегментную АХ с параметром компрессии А = 87,6 и коэффициентом сжатия динамического диапазона G_H/G = 0.062. Количество уровней квантования в одной ветви АХ равно G_H =112. Полное количество уровней 2∙G_H= 256. На рис. 2 представлена выбранная АХ, рассчитанная в соответствии  с выражением :

 

  

  

 

 

 

С8

Рисунок 2. Амплитудная  характеристика квантующего устройства.

 

Каждый сегмент С  состоит из одинакового количества уровней квантования G_Hi= 16. Сегменты С₁ и С₂ имеют одинаковый шаг квантования

 

 

• q_o. Для сегментов С₃, С₄, С₅, С₆, С₇,C₈ шаги квантования имеют значения 2q_o, 4q_o, 8q_o, 16q_o, 32q_o,64 q_o

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Определение  разрядности кодовых комбинаций.

Выбор типа линейного  кода.

 

Сигнал может принимать как  положительные, так и отрицательные  значения напряжения. В связи  с этим первый разряд в двоичной комбинации используется для обозначения полярности сигнала: положительной полярности соответствует двоичная единица, отрицательной- двоичный нуль. Второй, третий и четвертый разряды кодовой комбинации несут информацию о номере сегмента.

Поскольку в каждом сегменте содержится 16 уровней квантования, то для определения номера уровня внутри сегментов используется еще  четыре разряда – пятый, шестой, седьмой, восьмой. Итак, общее количество разрядов в комбинации n = 8.

В качестве линейного кода в проектируемой системе передачи информации предполагается использовать код ЧПИ (с чередованием полярности импульсов).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6. Выбор частоты  дискретизации.

 

Согласно теореме Котельникова, частота дискретизации f_g ≥ 2F_в.

На практике пользуются соотношением f_g = m*F_в, где m =2,3 ; …, 3.

 

f_g = m*F_в= 3,4∙2,35 = 8 кГц   - стандартная частота

дискретизации для телефонных каналов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7. Тактовая  частота и полоса пропускания  группового канала.

 

Требуемая полоса пропускания  определяется тактовой частотой, длительностью  и формой сигналов, представляющих двоичные символы линейного (группового) канала системы. В цифровых системах передачи информации установлены требования к сигналам, используемым в линейном канале :

- энергетический спектр  сигнала должен ограничиваться  снизу и сверху, быть достаточно  узким, располагаться на сравнительно  низких частотах и не содержать  постоянной составляющей ;

- в составе спектра  должна присутствовать составляющая на тактовой частоте ;

- сигналы должны обладать  информационной избыточностью.

 

 

Тактовая частота и  полоса пропускания канала для сигналов ЧПИ равны и определяются выражением

 

f_Т =∆ f = f_g * n * (N+2),

 

где n –разрядность кодовых комбинаций;

      N – количество каналов.

В нашем проекте n = 8, N = 50, поэтому

 

f_Т =8*8*52 = 3,328 МГц.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8. Допустимая вероятность ошибочного  приема символов в групповом  канале.

 

Неверная регенерация символов в регенераторе приводит к появлению  ошибки в линейном цифровом сигнале, в результате чего искажается форма сигнала на выходе ФНЧ приёмника канала цифровой системы в виде появляющихся выбросов тока, которые на слух воспринимаются как щелчки.

Экспериментальные исследования показали, что щелчки наиболее заметны при ошибочной регенерации одного из двух символов старших разрядов кодовой комбинации, так как в этом случае разница между уровнями АИМ сигналов на выходе декодера для верной и ошибочной кодовых комбинаций велика и вызывает на выходе ФНЧ достаточно большой по величине выброс тока. По существующим нормам удовлетворительное качество канала обеспечивается при наличии не более одного щелчка в минуту. При частоте дискретизации f_g в одну минуту передаётся 60f_g комбинаций, т.е. 2*60f_g символов старших разрядов, искажение которых приводит к щелчкам. При равной вероятности ошибочного приёма любого разряда кодовой комбинации допустимая вероятность ошибочного приёма символа в линейном пункте должна удовлетворять условию :

P_oш ≤   

2*60*f_g

 

Допустимая вероятность ошибочного приема символов в групповом канале определяется :

 

 

 P_oш ≤   =  = 1,04*10^-6

                         2*60*f_g           2*60*8*10³

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

9. Выбор кабеля.

 

Для цифровых систем связи  используются симметричные и коаксиальные кабели. При использовании симметричного кабеля связь, как правило, организуют по двухкабельным линиям. Основным видом помех в

этом случае являются переходные (помехи от других систем передачи информации, использующих эти же кабели) на дальнем  конце регенерационного участка. При использовании коаксиальных кабелей переходные помехи оказываются несущественными и учитываются только тепловые, вызванные хаотическим тепловым движением носителей тока.

Поскольку в задании  на настоящий проект отсутствуют  данные о других системах передачи информации, полагаем, что выбранный кабель используется только для заданной системы, и поэтому переходных помех нет и в случаях использования симметричных кабелей.

Поскольку полоса пропускания проектируемой  системы не является слишком высокой, используем симметричный кабель типа ЗК. Из таблицы 7 или из [7,8] для кабеля ЗК1х4 километрическое затухание на полутактовой частоте f_T/2 =1,38МГц составляет

                      ℒ_К = 6,8 дБ/км,

волновое сопротивление | Z_b | =140 Ом.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10. Длина регенерационных  участков и их количество.

 

Выбрав кабель, можно определить длину регенерационного участка :

ℓ_P =

 

где ℒ_P – рекомендуемое затухание сигналов в кабеле на регенерационном участке (исходные данные) ;

ℒ_К ( f_T/2 ) – километрическое затухание кабеля на полутактовой частоте

В соответствии с заданием затухание  на регенерационном участке не должно превышать ℒ_P ≤ 35 дБ.

Для выбранного кабеля длина регенерационных  участков

ℓ_P ≤  = 5,15 км.

                                                                                       6,8

                                                                                                                                                                  Выберем ℓ_P =5 км.

 

Количество регенерационных участков

 

 

 

 

                        L             150

            m =  =  = 30

ℓ_P                    5

 

Выберем m = 30.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

11. Допустимая вероятность  ошибочного приема символа на  регенерационном участке.

 

Ошибки, возникающие в каждом регенераторе линейного тракта, зависят от уровня помех на его входе и не зависят от помех на входах других регенераторов. Поэтому ошибки, появляющиеся на входах в разных регенераторах, независимы.

Вероятность ошибок в линейном тракте, содержащем m регенераторов

 

i

 

где Р_{ош ỉ} - вероятность появления ошибки в i-м регенераторе.

Если считать : что  Р_{ош ỉ} = Р_{ош р} = const, то допустимая вероятность ошибочного приема символа на регенерационном участке определяется соотношением :

 

P_oшp = P_oш/m = 1,04*10^-6 /30 = 3,47*10^-8.

 

Количество регенерационных  участков в системе передачи информации зависит от допустимого затухания  на регенерационном участке и  от характеристик кабеля, выбранного для системы передачи.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

12. Допустимое отношение сигнал/шум на входе решающего устройства.

 

В цифровых системах передачи информации распознавание сигналов осуществляется оптимальным когерентным  приёмником. Сигналы, представляющие символы  кода ЧПИ или МЧПИ, являются ортогональными. Вероятность ошибочного распознавания символов в регенераторе при оптимальном когерентном приёме ортогональных сигналов определяется выражением

 

 

P_oш =1,04*10^-6

 

 

 

где Р_с/Р_ш – отношение мощности сигнала к мощности шума, выраженное в разах, на входе решающего устройства в регенераторе.

Формула справедлива  при Р_с/Р_ш > 2, что всегда выполняется в системах с ИКМ.

После определения допустимой вероятности ошибочного приёма символа  на регенерационном участке, можно  найти допустимое отношение сигнал/шум  на входе решающего устройства в регенераторе :

 

(P_c /Р_ш) _{вх ру} ≥ -2ln (2 P_{oш p}).

 

Тогда при  P_{oш p} = 3,47*10^-8 получим :

 

(P_c /P_ш)_{вх ру} ≥ -2ln(2*3,47*10^-8) =33.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                13. Уровень шума на входе решающего устройства.

 

Учитывая только тепловые шумы, мощность шума на входе решающего устройства можно представить выражением :

 

P_{ш вx ру}  = Р_шк + Р_шу = k * ∆f * T_o * k_ру*( ℒ_P + k_шу – 1) ,

 

где Р_шк – мощность шума, порождаемого кабелем на выходе входного усилителя регенератора ;

Р_шу – мощность собственных шумов усилителя на его выходе;

k = 1,38 * 10^-23 Дж/град – постоянная Больцмана ;

∆f – полоса пропускания канала ;

Т₀ = 293 К – абсолютная температура кабеля и усилителя в градусах Кельвина ;

ℒ_P - затухание сигнала в кабеле на регенерационном участке ;

k_ру – коэффициент усиления усилителя по мощности ;

k_шу – коэффициент шума усилителя.

 

Полагая коэффициент  усиления усилителя равным затуханию  кабеля на регенерационном участке  k_ру = ℒ_P  и учитывая, что ℒ_P >> k_шу и ℒ_P >> 1 получим мощность шума на входе решающего устройства в регенераторе :

 

P_{ш вx ру}  = k * ∆f * T_o * ℒ²_P,

 

Допустимое затухание  на регенерационном участке ℒ_P ≤35  дБ, выраженное в разах:

 

 

 

ℒ^’_P =10^ℒ_P ^/10 = 10^35/10 = 10^3,5 = 3162,28

Мощность шума

 

P_швxру = 1,30 *10^-23 *3,3 * 10⁶ *293 *(3162,28)² = 1,26 *10^-7 Вт.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

            14. Требуемый уровень сигнала на выходе регенератора.

 

Для обеспечения необходимого качества передачи информации, требуемый  уровень сигнала на выходе регенератора Р_{с вых р} может быть определён из формулы (P_c /Р_ш) _{вх ру} ≥ -2ln (2 P_{oш p}). :

 

P_{c вх ру} = -2ln (2 P_{oш p})* Р_{ш вх ру}

 

Поскольку мы полагали, что  k_ру = ℒ_P  , т.е. входной усилитель регенератора компенсирует затухание в кабеле между выходом предыдущего регенератора и входом решающего устройства в последующем регенераторе, то можно считать, что

 

P_{c вх ру} = P_{c вых р}

 

Таким образом получим, что требуемая мощность сигнала  на выходе регенератора будет равна :

Р_{с вых р} = -2 * k * ∆f * Т_о *ℒ²_P ln(2Р_{ош р}).

 

Р_{с вых р} =-2*1,38*10^-23 *3,3*10⁶*293*3162,28² *ln (2*3,47*10^-8)= 43,99*10^-7 Вт.

 

Амплитуда импульсов  на выходе регенератора

U_выхр = √ Р_{с выхр}  |Ζ_в|   =  √ 43,99*10^-7 *140   = 25 мВ.

 

В цифровых системах передачи информации используются сигналы амплитудой 3В.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

15. Структура  сигналов в групповом канале.

 

Временная диаграмма используемых сигналов (рис. 3). На диаграмме следует  отразить конкретные значения амплитуды  импульсов, их длительности и периода  повторения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 3. Временная диаграмма используемых сигналов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

16. Энтропия  квантирующего устройства.

 

Исходными данными для  расчета энтропии являются закон  распределения мгновенных значений сигнала на входе квантующего  устройства, уровень ограничения  сигналов U_огр (максимально допустимая амплитуда сигналов U_max), допустимая вероятность Р искажений из-за превышения сигналом уровня U_огр , количество уровней квантования G или G_H, шаг квантования q, тип АХ квантователя.

 

Исходные данные для  расчета :

• динамический диапазон сигналов D = 66 дБ, G = 2048 ;
• закон распределения мгновенных значений входных сигналов – нормальный :

 

 

где δ – параметр распределения

Важной характеристикой  квантующего устройства является уровень  ограничения U_огр. Если сигнал на входе устройства превышает U_огр, то в дальнейшем при демодуляции возникают нелинейные искажения. Вероятность появления таких искажений определяется выражением

 

 

Величину U_огр в зависимости от δ выбирают так, чтобы вероятность Р не

 

 

превышала допустимого  уровня. В настоящем курсовом проекте  величины Р, δ , U_огр являются заданными и имеют следующие значения :

 

Р = 0,001 ;   U_огр = 10 В ;   δ = 3,333 В.

 

при этом

ω (U)_н = 0,120 * e^-0,045∙U² ;

 

• АХ квантующего устройства: восьмисегментная с параметром компрессии А = 87,6 , с коэффициентом сжатия динамического диапазона

G_H /G = 0,062, распределение количества уровней квантования в каждом сегменте и шагов квантования представлены в табл. , (выбраны из табл. 5).

 

№ сегм.	1	2	3	4	5	6	7	8
GHi	16	16	16	16	16	16	16	16
qi	qo	qo	2qo	4qo	8qo	16qo	32qo	64 qo