Многоканальная система передачи информации

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники»

КУРСОВАЯ РАБОТА

Тема: «Многоканальная система передачи информации»

Предмет: «Электросвязь»

г. Томск– 2010 г.

СОДЕРЖАНИЕ

1. Исходные данные и разрабатываемые вопросы

1.1 исходные данные

1.2 вопросы, подлежащие разработке

2. Назначение и возможное применение СПДИ

3. Определение возможности работы разрабатываемой СПДИ по аналоговому каналу связи

3.1 расчет показателей суммарной информационной производительности СПДИ IC и пропускной способности аналогового канала связи ск

3.1.1 Расчет показателей информационной производительности СПДИ

3.1.2 Расчет показателей пропускной способности канала связи

3.2 Расчет показателей объема сигнала vc СПДИ и объема канала связи

3.3 оценка возможности использования заданного аналогового канала электросвязи

4. Защита от ошибок. Помехоустойчивое (канальное) кодирование

4.1 определение оптимальных параметров помехоустойчивого кодирования

4.2 определение эффективной скорости приема сигналов данных и оптимальной длины передаваемых слов

5. Определение вида синхронизации, используемой в разрабатываемой спди

6. Определение параметров временного уплотнения абонентских сигналов в различных условиях

6.1 Определение параметров временного объединения/разделения абонентских сигналов без применения помехоустойчивого кодирования

6.2 Определение параметров временного объединения/разделения абонентских сигналов с применением помехоустойчивого кодирования

7. Выбор схемы приемника СПДИ

8. Расчет вероятности ошибки на выходе приемника и битовой вероятности ошибки на входе и выходе декодера канала передачи данных и канала переспроса

8.1 расчет вероятности ошибки на выходе приемника и битовой вероятности ошибки на входе и выходе декодера дискретного канала передачи данных

8.2 расчет вероятности ошибки на выходе приемника и битовой вероятности ошибки на входе и выходе декодера канала переспроса

9. Способы сопряжения разрабатываемой СПДИ со стандартной аппаратурой частотного уплотнения каналов тональной частоты

10. Функциональная схема передающего и приемного оборудования СПДИ

Заключение

Список использованной литературы

1. Исходные данные и РАЗРАБАТЫВАЕМЫЕ вопросы

1.1 Исходные данные

Разработать многоканальную когерентную систему передачи дискретной информации (СПДИ), предназначенную для передачи цифровых сигналов от М однотипных источников информации по одному или нескольким арендуемым стандартным аналоговым каналам.

Технические характеристики и параметры разрабатываемой системы:

число абонентских каналов М=80;

длина двоичной кодовой комбинации (слова) на входе канала Кс=10,бит;

средняя скорость на входе канала Vc=10 словс;

тип корректирующего кода Цикл-3

тип манипуляции - ФМн

способ уплотнения каналов - Врем

суммарная средняя мощность сигналов на входе приёмника в прямом канале Р=2,148·10-7,Вт;

спектральная плотность мощности аддитивного белого шума на входах приёмников прямого и обратного каналов N0=4,001·10-11 ВтГц

суммарная средняя мощность сигналов на входе приёмника в каналах переспроса Робр=8,951·10-8Вт

Выбор численных значений параметров корректирующего кода, при которых обеспечивается минимальная битовая вероятность ошибки на выходе декодера;

разработка детальной функциональной схемы кодера и декодера заданного корректирующего кода либо составление программы кодирования и декодирования для персонального компьютера (по выбору студента);

вычисление вероятности ошибки при приёме кодового слова и битовой вероятности ошибки а выходе декодера;

оценка частоты появления ошибок и заключение о ее соответствии назначению системы;

выбор способов введения и численных значений параметров синхронизации;

выбор методов селекции синхросигналов в приёмном устройстве;

выбор численных значений параметров модуляции в первой и, в случае необходимости, последующих ступенях уплотнения;

расчет значений всех временных интервалов, определяющих структуру цифровых каналов и (при временном уплотнении каналов) группового сигналов;

расчет полос частот, необходимых для передачи каждого из канальных сигналов с учетом полосы обратного канала, полосы группового сигнала и сигнала (сигналов) на выходе системы;

разработка способа сопряжения системы с аналоговой аппаратурой частотного уплотнения телефонных каналов для передачи групповых сигналов по одному или нескольким арендуемым стандартным трактам;

разработка функциональной схемы системы в целом для передачи в одном направлении.

2. Назначение И ВОЗМОЖНОЕ ПРИМЕНЕНИЕ СПДИ

В настоящее время системы передачи дискретной информации (СПДИ) становятся все более привлекательными вследствие постоянно растущего спроса из-за того, что дискретная передача предлагает несравненно большие возможности обработки информации, не доступные при использовании аналоговой передачи. Отличительным преимуществом всех СПДИ является простота восстановления дискретных сигналов по сравнению с аналоговыми системами.

В работе рассмотрен частный случай СПДИ – система связи с применением цифровых (бинарных) сигналов.

Предположительно, разрабатываемая система связи может найти применение для передачи низкоскоростных потоков данных, таких как телеграфные сигналы со скоростью до 100 бит в секунду (с учетом использования дополнительных преобразований), сигналы телесигнализации от М источников информации, а также, факсимильных сообщений путем предварительного объединения индивидуальных сигналов.

Разрабатываемая СПДИ будет иметь следующий вид, представленный на рис. 2.1:

Рис.2.1 Общая схема СПДИ.

Источники дискретных сообщений (М=80);

Устройство объединения (мультиплексор) – устройство, в котором сообщения источников объединяются в групповой видеосигнал;

Кодер канала– устройство, в котором групповая последовательность элементов сообщений источников заменяется последовательностью кодовых символов, т.е. производится помехоустойчивое кодирование;

Передатчик (модулятор) – устройство в котором групповой сигнал преобразуется во вторичный (высокочастотный) сигнал пригодный для передачи по используемому каналу;

Прямой канал связи;

Приемник (демодулятор) – обрабатывает принятое ВЧ-колебание и восстанавливает переданное дискретное сообщение;

Декодер – устройство, в котором происходит декодирование принятого группового дискретного сообщения;

Устройство разуплотнения (демультиплексор) – устройство, в котором групповой видеосигнал разъединяется на исходные сообщения источников дискретной информации

Получатели сообщения;

Обратный канал связи (канал переспроса).

3. Определение возможности работы разрабатываемой СПДИ по аналоговому каналу связи

Расчет разрабатываемой СПДИ необходимо начать с определения возможности работы этой системы по заданному аналоговому каналу связи. Для этого необходимо рассчитать показатели суммарной информационной производительности всей СПДИ Ic и пропускной способности аналогового канала связи Ск. А также определить объем канального сигнала Vc СПДИ и объем канала связи Vk. На основании сравнения численных значений Ic с Ск, и Vc и Vk сделать вывод о способности функционирования разрабатываемой СПДИ по заданному каналу связи.

3.1 Расчет показателей суммарной информационной производительности СПДИ Ic и пропускной способности аналогового канала связи Ск

3.1.1 Расчет показателей информационной производительности СПДИ

Производительность источника сообщений определяется количеством передаваемой информации за единицу времени.

В соответствии с исходными данными, производительность одного источника Ici без применения помехоустойчивого кодирования будет определена по формуле:

(3.1)

Тогда суммарная производительность СПДИ будет определена:

(3.2)

При введении помехоустойчивого кодирования кодом Хэмминга вида (15,11), получим производительность одного источника информации:

(3.3)

А суммарная производительность СПДИ будет иметь значение:

(3.4)

Количество информации Ici - это логарифмическая функция вероятности logрi, где рi - вероятность возникновения сообщения источника М из ансамбля L. Тогда

Ici= -log2 рi=log2(1/ рi). (3.3)

Иначе производительность источника дискретной информации можно определить как:

(3.4)

где Тпi - длительность элементарной посылки; Ft – частота следования посылок (тактовая частота), L – количество разрешенных состояний (в нашем случае L=2, т.е.сигнал может принимать только два значения), Нci - энтропия источника сообщения

Вероятность рi в нашем случае для всех сообщений М-источников одинакова рi=0.5, тогда и .

Следовательно, энтропия каждого из М источников составит:

(3.5)

Подставив значения L и рi в формулу (3.4), получим что

(3.6)

Таким образом, - тактовая частота М-источника информации, - длительность посылки сигнала М-источника информации.

Следовательно, суммарная тактовая частота канального сигнала СПДИ будет равна: , а длительность посылки канального сигнала (видеоимпульса) СПДИ составит .

Суммарная энтропия СПДИ составит:

и будет равна энтропии каждого из источников.

3.1.2 Расчет показателей пропускной способности аналогового канала связи Ск

К типовым стандартным аналоговым каналам связи относят канал тональной частоты (КТЧ). Канал тональной частоты (КТЧ) характеризуется следующими интересующими нас параметрами:

- полоса частот Fкн=0.3 (кГц); Fкв=3.4 (кГц); ∆Fк=3.1 (кГц).

Пропускная способность КТЧ определяется формулой Шеннона:

(3.7)

где Рс – средняя мощность сигнала на входе приемника канала. По условию работы . Рп – средняя мощность помехи (шума) на входе приемника канала, определяемая по формуле:

(3.8)

где - доступная полоса пропускания приемника, - длительность посылки группового канального сигнала, Р0=4,001·10-11 (Вт)- спектральная плотность мощности аддитивного БГШ на входе приемника СПДИ (согласно исходных данных), то таким образом: - не зависит от типа канала связи и определяется исключительно параметрами приемного устройства.

Однако не следует путать среднюю мощность помехи (шума) на входе приемника системы Рп и среднюю мощность помехи в полосе частот сигнала равную:

.

Пропускная способность канала тональной частоты (КТЧ) рассматриваемой системы без учета помехоустойчивого кодирования кодом Хэмминга и введения сигналов синхронизации составит:

(3.9)

Пропускная способность типового канала тональной частоты (КТЧ) рассчитывается также по формуле (3.7) и имеет нормированную величину: , что практически более чем в 1.6 раза превышает пропускную способность рассчитанного канала связи Ск.

Это является следствием того, что мощность шума в рассчитываемом КТЧ превышает мощность полезного сигнала по величине примерно на 20 (дБ), а в нормированном КТЧ выполняется условие =40-45 (дБ).

Полученные результаты расчета свидетельствуют, что суммарная производительность СПДИ без учета помехоустойчивого кодирования в 1.93 раза меньше пропускной способности аналогового канала тональной частоты: , а с учетом помехоустойчивого кодирования кодом Хэмминга значение .

Таким образом, для рассчитываемой СПДИ рассмотренный КТЧ может быть использован в качестве среды передачи группового канального сигнала как при введении помехоустойчивого кодирования, так и без него.

3.2 Расчет показателей объема сигнала Vc СПДИ и объема канала связи Vk

При оценке возможности использования канала электросвязи для передачи того или иного сигнала удобно наряду со сравнением информационной производительности и пропускной способности канала сравнивать объем канала Vк с объемом сигнала Vс, определяемые соответственно выражениями:

Vк=Θк·∆Fк·Dк (3.10)

Vс=Θс·∆Fc·Dс (3.11)

где Θк, Θс – время занятия канала, время передачи сигнала соответственно; Dк, Dс – динамический диапазон канала и сигнала соответственно; ∆Fк,∆Fc - полоса пропускания канала и ширина полезного сигнала соответственно.

Условием возможности использования данного типа канала электросвязи для передачи того или иного сигнала является неравенство вида:

(3.12)

На практике используют частные случаи неравенства (12)

; ; ;

Проведем расчет составляющих параметров Vс и Vк:

1. В нашем случае, СПДИ будет предоставлять ресурс канала связи каждому из М источников информации на все время передачи цифровой информации источником Θс, иными словами на время передачи кодового слова (временного интервала) Тсл=0.1(с). В свою очередь, время занятия канала ТЧ Θк численно равно длительности кадра системы Тк=8(с), поэтому т.к. Тк>Тсл, следовательно, неравенство будет выполняться.

2. В разрабатываемой системе, полоса частот канала ТЧ предоставляется на время Тви =Тсл каждому конкретному источнику информации.

Ширина полезного сигнала ∆Fс численно равна ширине импульса группового радиосигнала СПДИ и будет иметь значение . Причем, энергетический спектр такого сигнала будет иметь значение , в следствие чего, основная энергия сигнала будет расположена в полосе частот канала ТЧ. Учитывая, что , информационный сигнал удовлетворяет неравенству .

3. Динамический диапазон СПДИ будет определятся нормированным динамическим диапазоном канала тональной частоты , поэтому в нашем случае условимся, что динамический диапазон группового сигнала будет выбран при проектировании СПДИ меньше значения 42-45(дБ), иными словами .

В связи с тем, что , можно сделать однозначный вывод, что КТЧ, удовлетворяющий исходным данным, подходит для передачи сигналов разрабатываемой СПДИ.

3.3 Оценка возможности использования заданного аналогового канала электросвязи

Необходимо отметить, что для рассматриваемой СПДИ выполняются необходимые условия функционирования многоканальной системы электросвязи, а именно и .

Целесообразно запас рассматриваемого канала связи по пропускной способности Ск>Iс =1.93 раза (без применения кодирования) и (с применением кодирования) использовать для введения дополнительных мер повышающих помехоустойчивость системы связи в целом, а также сигналов синхронизации.

4. Защита от ошибок. Помехоустойчивое (канальное) кодирование

4.1 Определение оптимальных параметров помехоустойчивого кодирования

Необходимо отметить, существует два основных метода защиты от ошибок передаваемых сигналов: 1 - обнаружение ошибок и повторная передача ошибочной последовательности, 2 – обнаружение ошибок и их исправление в приемном устройстве. Примем, что в рассматриваемой СПДИ применяется первый метод защиты от ошибок, при котором для проверки наличия ошибок используется контрольный бит четности (дополнительный бит, присоединяемый к данным). При этом приемное устройство не предпринимает попыток исправить обнаруженную ошибку, оно просто посылает запрос на повторную передачу данных. Для осуществления такого исправления ошибок рассматриваемая СПДИ имеет канал переспроса и в целом является полудуплексной системой, т.е. передача полезной информации от М источников производится только в одном направлении, в обратном же направлении передаются автоматические запросы на повторную передачу ошибочных сообщений. Причем передающее устройство перед началом очередной передачи ожидает подтверждения об успешном приеме.

Помехоустойчивое (или канальное) кодирование представляет собой класс преобразований канального видеосигнала для повышения качества связи, в результате которых информационный сигнал становится менее уязвимым к помехам. Существует условно два способа канального кодирования: кодирование самого сигнала, (когда в передающей части СПДИ производятся ряд процессов над формой передаваемого сигнала), и метод структурированных последовательностей (когда в цифровой сигнал вводится по определенному закону информационная избыточность, которая и служит для определения ошибок на приемной стороне).

Рассмотрим только второй способ канального кодирования, который нашел применение в исследуемой СПДИ. Заметим, что помехоустойчивое кодирование делится на три подкатегории помехоустойчивых кодов: блочные, сверточные и турбокоды.

В нашем случае для сравнения характеристик помехоустойчивого кодирования рассмотрим варианты блочного линейного корректирующего кодирования кодами Хэмминга.

При использовании блочных кодов исходные данные делятся на блоки (слова) Кс из к бит, которые называют битами сообщения. В нашем случае длина слова Кс=10 бит. В процессе помехоустойчивого кодирования каждый Кс блок данных преобразуется в больший блок из n бит, который называется кодовым словом, или канальным символом Кк. К каждому слову кодирующее устройство прибавляет r = (n-k) проверочных бит, которые также называются избыточными битами, или битами четности, и новой информации не несут.

Необходимо, исходя из разницы между пропускной способностью аналогового канала связи Ск и информационной производительностью СПДИ Ic, определить все необходимые числовые значения параметров заданного помехоустойчивого кода и выбрать наиболее оптимальные из них. Для этого воспользуемся методикой расчета параметров кода Хэмминга, приведенной в источнике [7].

Коды Хэмминга – это простой класс блочных кодов, которые имеют следующую структуру:

(4.1)

где - основание блочного кода.

Рассмотрим случаи, когда основание кода m=2,3,4…, и определим оптимальные параметры кода.

Из формулы (4.1) вычислим: значения n и к. Где n – число бит кодового слова; к - число информационных бит.

Тогда число проверочных бит кода:

(4.2)

Избыточность кода составит:

(4.3)

Степень кодирования информации, показывающая долю кода, приходящуюся на полезную информацию:

(4.4)

т.е. каждый кодовый бит несет k/n бит информации.

Минимальное расстояние кодов Хэмминга dmin равно 3, поэтому, способность кода к исправлению ошибок t и возможность определения наличия ошибки e будут определяться соответствующими выражениями:

(4.5)

(4.6)

Так как , то эти коды способны исправлять все однобитовые ошибки, или определять все модели ошибки из двух или меньшего числа ошибок в блоке (слове), т.к. .

Вероятность появления битовой ошибки при кодировании кодами Хэмминга Рbкх в нашем случае можно записать в следующем виде:

(4.7)

где j - кратность ошибки, а именно количество неверно принятых символов в блоке (слове); ркс – вероятность ошибочного приема канального символа (кодового слова) Кк. В частности, для кодов Хэмминга вместо уравнения (4.7) можно использовать другое эквивалентное уравнение:

(4.8)

Для описания гауссовского канала с использованием когерентной бинарной фазовой манипуляции, вероятность ошибочного приема канального символа (кодового слова) можно выразить через соотношение:

(4.9)

Здесь Q() – Гауссов интеграл ошибок, значения которого приведены в [3,стр.1060]; - отношение энергии кодового символа к спектральной плотности мощности помехи. Чтобы связать с - отношение энергии одного бита сигнала к спектральной плотности мощности помехи на входе приемника, используем следующее выражение:

(4.10)

Для кодов Хэмминга уравнение (4.10) примет вид:

(4.11)

Среднее время безошибочной работы в одном телеметрическом канале (канале источника сообщения) Θбрi (без учета помехоустойчивого кодирования) определяется выражением:

(4.12)

где - битовая вероятность появления ошибки на выходе декодера (без учета помехоустойчивого кодирования), выражение для нахождения численного значения которой будет рассмотрено ниже, - производительность источника информации.

Среднее время безошибочной работы в групповом канале передачи данных Θбр (без учета помехоустойчивого кодирования) определяется выражением:

(4.13)

где - производительность СПДИ информации.

Таким образом, согласно вышеизложенной методики, рассчитаем параметры помехоустойчивого кодирования при различных значениях основания кода m.

Для m=2:

;

;

;

Согласно формулы (4.11) получим:

при значении (рассчитанном в п.8.1).

Тогда

из [3,стр.1060]

Для m=3:

;

;

;

, где

Для m=4:

; ;