Информационно-измерительная система

Министерство образования Российской Федерации

УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

КАФЕДРА РТС

"ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА"

КУРСОВАЯ РАБОТА

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

Екатеринбург 2007

Содержание

Техническое задание

Перечень используемых сокращений

Введение

Основная часть

Расчет параметров радиотехнической системы

1. Расчет параметров преобразования сообщения в цифровую форму

1.1 Случай №1

1.2 Случай №2

1.3 Случай №3

2. Расчет и выбор параметров для радиолинии передачи информации с объекта

2.1 Определение параметров системы с ВРК и АМН

2.2 Расчет энергетических характеристик

3. Организация синхронизации

4. Расчет параметров радиолинии «ЦП – объект»

5. Выбор характеристик системы определения координат объекта

6. Описание структурной схемы центральной станции

7. Описание структурной схемы объекта

Заключение

Библиографический список

Приложение №1. Структурная схема центральной станции

Приложение №2. Структурная схема объекта

Техническое задание

Исходные данные:

1. Параметры преобразования сообщения:

1. среднеквадратическое (эффективное) значение сообщения X, В 0,5;

2. плотность распределения:

3. нормированная величина:

4. параметр распределения:

5. спектральная плотность распределения: G(w)=

6. Число k: 3

7. суммарная относительная среднеквадратическая ошибка

входных преобразований: 0.05;

2. Параметры радиолинии передачи информации с объекта:

1. вид модуляции АМн;

2. число сигналов ;

3. число каналов ;

4. число служебных канальных промежутков в кадре ;

5. надежность передачи информации ;

6. допустимая вероятность ошибки на один разряд цифрового сообщения:

7. время передачи сообщения с

3. Параметры радиолинии измерения координат объекта:

1. расположение: центральный пункт наземный,

объект наземный;

2. максимальное расстояние до объекта: Rmax=30 км;

3. вероятность ложной тревоги: ;

4. рабочая длина волны: λ=0.2 м;

5. измеряемые параметры: R, a

4. Константы:

1. скорость света м/с;

2. постоянная Больцмана Дж/К.

Выбрать и рассчитать:

1. Частоту дискретизации Fд и Fв, а также Fэ;

2. Шаг (интервал) квантования сообщения h;

3. Максимальное отклонение сообщения от среднего значения х_m и пик-фактор П_х;

4. Число разрядов двоичного кода n;

5. Число уровней квантования m;

6. Длительность канального сигнала Тк;

7. Длительность разрядного импульса t_n;

8. Структуру информационного пакета со служебными сигналами

9. Полосу частот группового сигнала Df_е;

10. Параметры модуляции сигнала во второй ступени;

11. Полосу частот радиолинии Df_рл;

12. Спектральную плотность шумов N₀, приведенных ко входу приемника;

13. Пороговое отношение мощности сигнала к мощности шума q_пор², обеспечивающее заданное значение допустимой вероятности ошибки Р_Д (1/бит);

14. Рабочее отношение мощности сигнала к мощности шума q²_раб, обеспечивающее заданную надежность передачи информации Р_Н;

15. Основные параметры приемной и передающей антенн: коэффициенты полезного и направленного действия, значения ширины диаграммы направленности каждой из них;

16. Пиковую и среднюю мощность излучаемого сигнала;

17. Вероятность ошибки приема (выделения) кодовой комбинации при допустимой вероятности ошибки выделения разрядного импульса Р_Д;

18. Эффективное значение результирующей относительной ошибки сообщения на выходе системы с учетом действия шумовой помехи;

19. Параметры канала управления, способ его организации, протокол взаимодействия.

Перечень используемых сокращений

АМ – амплитудная модуляция;

ВРК – временное разделение каналов;

ДН – диаграмма направленности;

АМн – амплитудная манипуляция;

КИ – канальный интервал;

КИМ – кодовая импульсная модуляция;

КНД – коэффициент направленного действия;

ОБП – одна боковая полоса;

РЛС – радиолокационная станция;

СПИ – система передачи информации;

ТЗ – техническое задание;

УДС – угломерно-дальномерная система;

ФАР – фазированная антенная решетка;

ЦП – центральный пункт.

Введение

Объектом курсовой работы является радиоэлектронная система передачи непрерывных сообщений по цифровым каналам. В качестве источников сообщений предусматривается совокупность процессов, характеризующих состояние некоторой испытуемой системы, не допускающей иного наблюдения, кроме использования радиотелеметрии. Таким образом, задание предусматривает выполнение работы, состоящей из двух основных частей – расчета параметров цифровой радиотелеметрической системы и формирование её детальной структурной схемы.

Комплекс подлежащих передаче сообщений является совокупностью непрерывных, независимых процессов, каждый из которых характеризуется видом спектральной плотности мощности (функции корреляции) и одномерной плотностью вероятности мгновенных значений. Указанные характеристики необходимы для расчета параметров входных преобразований по заданному значению эффективной относительной ошибки преобразований, включающей в себя ошибку временной дискретизации, ошибку, вызванную ограничением динамического диапазона, и ошибку квантования. При фиксировании значения результирующей относительной среднеквадратичной ошибки (с.к.о.) входных преобразований, уровня ограничения входного преобразователя сообщения и параметров сообщения определяется частота временной дискретизации, число разрядов и другие сопутствующие параметры преобразования аналогового процесса в дискретную форму.

В дальнейшем ищутся характеристики канального сигнала с учетом того, что в рассматриваемых системах применяется только временное разделение каналов при использовании как кодово-импульсной или дельта–модуляции с последовательной или параллельной передачей разрядных сигналов, так и квантованной время–импульс модуляции. Определив длительность канального интервала с учетом необходимости надежной кадровой, канальной и разрядной синхронизации, а также ширину спектра группового сигнала по заданной полосе частот, выделенной для радиолинии с учетом вида и параметров второй ступени модуляции, находится возможное число каналов. Последним этапом является определение требуемой мощности сигнала на входе приемника и мощности излучаемого сигнала на передающей стороне по допустимым значениям вероятности ошибки воспроизведения символа дискретного сообщения и надежности связи.

В целом выбор ряда технических решений – защитных промежутков по времени и частоте, способов синхронизации, параметров и конструкции антенн – должен учитывать необходимость экономии полосы частот, мощности передатчика и, по возможности, стоимости отдельных элементов, определяющих стоимость производства и эксплуатации системы в целом.

Основная часть

Расчет параметров радиотехнической системы

1. Расчет параметров преобразования сообщения в цифровую форму

Одним из важнейших вопросов при разработке систем передачи информации с временным разделением каналов является выбор частоты дискретизации сообщений [1], [2]. Основой для её расчёта является равенство (1.1) относительной с.к.о. дискретизации.

При этом частота дискретизации определяет ошибку дискретизации, включающую в себя ошибку ограничения спектра сообщения, и ошибку интерполяции при характеристиках формирующего и интерполирующего фильтров близких к идеальному ФНЧ. Таким образом, необходимо выбрать соотношение между тремя слагаемыми равенства (1.2), задавшись значением каждого из них при необходимом значении суммы их квадратов d_вх. При различном соотношениями между слагаемыми равенства (1.2), можно получить набор значений частоты дискретизации F_Д, относительного уровня ограничения мгновенных значений Н сообщения (пик-фактора) и числа разрядов n. Поэтому необходимо сравнить несколько вариантов разбиений d_е, и остановиться на одном из вариантов, обеспечивающем наибольшую длительность импульсов двоичного кода t_n–целевая функция.

При определении частоты дискретизации необходимо исходить из эффективного значения относительной ошибки дискретизации:

; F_д/2=F_в (1.1)

Эффективное значение результирующей относительной ошибки сообщения на входе системы:

d²_вх=d²_д +d²_кв +d²_огр (1.2)

Для расчета оставшихся параметров–числа разрядов n и пик-фактора сообщения Н – необходимо использовать формулы:

(1.3)

(1.4)

(1.5)

(1.6)

где x_м – максимально возможное значение сообщения после его прохождения через амплитудный ограничитель мгновенных значения сообщения.

Равенства (1.3) – (1.5) справедливы при симметричной форме плотности вероятности сообщения относительно математического ожидания

В этой части необходимо выбрать и рассчитать параметры преобразования аналогового сообщения в цифровой первичный сигнал (двоичный код) для передачи в информационном канале системы измерения и сбора информации. Сообщение представлено в виде реализации случайного стационарного процесса, заданного плотностью распределения своих мгновенных значений W(x) и спектральной плотностью G(w) и подвергается преобразованию в цифровой сигнал с заданной суммарной ошибкой преобразования d_S.

Рис. 1. Нормированная плотность распределения мгновенных значений.

Перейдем к другой переменной (зависимости от самой величины х, а не от нормированного значения y):

Рис. 2. Нормированная плотность распределения мгновенных значений.

Математическое ожидание величины х равно [2]:

В.

Расчет рекомендуется провести, по крайней мере, для трех вариантов распределения между составляющими суммарной ошибки и выбрать параметры, обеспечивающие большую длительность t₀ [5].

1.1 Случай №1

Рассмотрим вариант, когда δ_д² = δ_кв²= δ_огр²= δ_S²/3, то есть значения ошибок дискретизации, квантования и ограничения равны

; ; ;

; ; .

где δ_S²=0,05

Максимальное отклонение сообщения от среднего значения выбираем при величине ошибки ограничения динамического диапазона из выражения [5]:

.

решая которое, находим числовое значение искомой величины

,

.

Проверим правильность выбора . Для этого вычисляем среднеквадратическое отклонение ограниченного сообщения:

Пик-фактор сообщения вычисляем по формуле [5]:

Верхняя частота спектра определяется из трех условий [5]:

а) как частота соответствующая

Вычисляем значение верхней частоты из следующего уравнения:

Найдем G0:

Затем определим максимальное значение спектральной плотности:

Тогда

Значение верхней частоты в Гц.

б) как эквивалентная полоса частот

в) как частота при выбранной ошибке дискретизации.

Частоту находим из выражения [3]:

Тогда

Вид спектральной плотности сообщения представлен на рисунке 3.

Вычисляем шаг квантования исходя из заданной ошибки квантования:

Число уровней квантования находим по формуле:

Число разрядов двоичного кода сообщения:

Период дискретизации:

Длительность канального сигнала:

где число каналов N_кан=8, а число служебных канальных промежутков в кадре N_с>1, примем N_с=2.

Длительность разрядного импульса многоканального сигнала:

1.2 Случай №2

Рассмотрим вариант, когда δ_д²=0,5 δ_S², δ_кв²=0,2 δ_S², δ_огр²= 0,3δ_S²,

; ; ;

; ; .

где δ_S²=0,05.

Максимальное отклонение сообщения от среднего значения выбираем при величине ошибки ограничения динамического диапазона из выражения [5]:

.

решая которое, находим числовое значение искомой величины

.

Проверим правильность выбора . Для этого вычисляем среднеквадратическое отклонение ограниченного сообщения:

Пик-фактор сообщения вычисляем по формуле [5]:

Верхняя частота спектра определяется из трех условий [5]:

а) как частота соответствующая

Вычисляем значение верхней частоты из следующего уравнения:

Найдем G0:

Затем определим максимальное значение спектральной плотности:

Тогда

Значение верхней частоты в Гц.

б) как эквивалентная полоса частот

в) как частота при выбранной ошибке дискретизации.

Частоту находим из выражения [3]:

Тогда

Вид спектральной плотности сообщения представлен на рисунке 4.

Вычисляем шаг квантования исходя из заданной ошибки квантования:

Число уровней квантования находим по формуле:

Число разрядов двоичного кода сообщения:

Период дискретизации:

Длительность канального сигнала:

где число каналов N_кан=8, а число служебных канальных промежутков в кадре N_с>1, примем N_с=2.

Длительность разрядного импульса многоканального сигнала:

1.3 Случай №3

Рассмотрим вариант, когда

; ;

; ; .

где δ_S²=0,05

Максимальное отклонение сообщения от среднего значения выбираем при величине ошибки ограничения динамического диапазона. из выражения [5]:

.

решая которое, находим числовое значение искомой величины

,

.

Проверим правильность выбора . Для этого вычисляем среднеквадратическое отклонение ограниченного сообщения:

Пик-фактор сообщения вычисляем по формуле [5]:

Верхняя частота спектра определяется из трех условий [5]:

а) как частота соответствующая

Вычисляем значение верхней частоты из следующего уравнения:

Найдем G0:

Затем определим максимальное значение спектральной плотности:

Тогда

Значение верхней частоты в Гц.

б) как эквивалентная полоса частот

в) как частота при выбранной ошибке дискретизации.

Частоту находим из выражения [3]:

Тогда частота дискретизации:

Верхняя частота спектра:

Вид спектральной плотности сообщения представлен на рисунке 5.

Вычисляем шаг квантования исходя из заданной ошибки квантования:

Число уровней квантования находим по формуле:

Число разрядов двоичного кода сообщения:

Период дискретизации:

Длительность канального сигнала:

где число каналов N_кан=8, а число служебных канальных промежутков в кадре N_с>1, примем N_с=2.

Длительность разрядного импульса многоканального сигнала:

Проведя аналогичные вычисления для трех вариантов распределения ошибок, заполним сводную таблицу:

Таблица 1

В таблице ошибки заданы процентах (%) от суммарной ошибки. Как видно, наибольшая длительность разрядного импульса t₀ обеспечивается во втором случае.

Вероятность попадания сообщения в i й интервал , .

Вычислим значение энтропии сообщения [3]:

При большом пик-факторе П_х>3 и большом значении числа разрядов кода n>6 рекомендуется применять компрессию динамического диапазона сообщения, используя нелинейный функциональный преобразователь мгновенных значений сообщения, который также обеспечивает неравномерное квантование исходного сообщения. Для сообщений, плотность вероятности которых W(x) содержит экспоненциальные функции, часто применяется логарифмический преобразователь с коэффициентом сжатия, определяемым как

Кс=(h_m/h) і П_х

где h_m–максимальное, а h минимальное значение шага квантования нелинейного преобразователя. При одинаковой ошибке требуемое число уровней квантования для этих преобразователей соотносится как

где М число уровней нелинейного квантователя. Применение компрессии особенно выгодно в групповом тракте систем с ВРК при разбросе эффективных уровней сообщений т.е.после коммутатора каналов. В этом случае число разрядов у нелинейного двоичного кодера на 1–2 разряда меньше, чем у равномерного кодера при одинаковых характеристиках [7].Для получения линейной характеристики всего тракта передачи необходимо иметь на приёмной стороне устройство с обратным компрессору законом преобразования – экспандер.

2. Расчет и выбор параметров для радиолинии передачи информации с объекта

Непрерывные сообщения, преобразованные в цифровую форму (код), передаются пакетом в течение 20 секунд по многоканальной радиолинии после обнаружения объекта. Число каналов системы N=8, а вид модуляции – АМн. Предполагается реализация принципа временного разделения каналов и разрядов цифрового сообщения. При этом структура пакета, помимо информационных сигналов, должна содержать служебную информацию для систем синхронизации и разделения разрядов и кодов для приемника на Ц.П. В этой части курсовой работы определяются параметры цифрового потока: разрядность (n), длительность канального интервала Т_к, длительность тактового (разрядного) импульса, требуемая полоса частот радиолинии f_рл с учётом особенностей АМн модуляции, ёмкость запоминающего устройства (З.У.) на Ц.П. для однократного сеанса связи, скорость передачи цифрового потока, скорость модуляции.

2.1 Определение параметров системы с ВРК и АМН

При расчете параметров радиотехнической системы (длительности канального сигнала и длительности разрядного импульса) подразумевалось, что вся информация (вместе с признаками синхронизации) передается со скоростью преобразования сообщения в цифровую форму (с частотой дискретизации). Длительность временного интервала, отводимого на передачу одного разряда, вычислялась исходя из того, что за один канальный интервал передается 7 информационных разрядов.

На рисунке ниже приведена структура информационной посылки.

Рис. 3. Временная диаграмма информационной посылки.

Скорость передачи одного разряда информации:

Так как импульсы синхронизации (ИС) не несут информации, то скорость передачи полезной информации равна:

Для однократного сеанса связи достаточно 8 ми разрядного ОЗУ. Емкость ЗУ, которая обеспечит хранение информации, принятой с объекта в течение 20с, т.е. за один сеанс связи

,

При формировании канальных сигналов необходимо учесть, что для уменьшения межсимвольных (при последовательной передаче разрядов) искажений длительности разрядных импульсов должны быть меньше : [5]. Выберем:

Полоса группового сигнала определяется из следующего выражения [5]:

Где g_к=1 коэффициент, определяемый видом манипуляции сигнала в канале (КИМ-АМн).

Для передачи информации используем перенос на несущую частоту с помощью ОБП (т.е. во второй ступени используется амплитудная модуляция), тогда требуемая полоса радиолинии составит:

где – параметр, зависящий от вторичной ступени модуляции.

2.2 Расчет энергетических характеристик

К энергетическим характеристикам относятся: мощность сигнала на входе приемника, мощность излучаемого сигнала, а также мощность шума, приведенная ко входу приемника. Качество выделения информации приемным устройством цифровой системы передачи информации обычно характеризуется вероятностью ошибки выделение символы сообщения. Связь между допустимым значением вероятности ошибки Р_д, равным 1*10^-5 и пороговым отношением мощности сигнала к мощности шума q²_пор для АМн модуляции при некогерентном приеме может быть представлена в виде [4, 5]:

Откуда

Рабочее отношение мощности сигнала к мощности шума, обеспечивающее заданную надежность Р_н =0,8_, находим из выражения:

Откуда

Квадраты этих отношений:

Считаем, что полоса пропускания линейной части приемника на 10% превышает полосу частот радиолинии:

Мощность шума Р_ш может быть найдена из выражения:

– полоса пропускания линейной части приемника;

k₀ = 1,38^.10^-23 Дж/град – постоянная Больцмана;

Т_эф=Т_к+Т_З+Т_А+Т_пр – эффективная шумовая температура приемника, складывающаяся из температуры космоса (небесной сферы), атмосферы, земли и эффективной шумовой