МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ „ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА”
Кафедра теоретичної радіотехніки та радіовимірювань
РОЗРАХУНОК ТА ОПТИМІЗАЦІЯ ХАРАКТЕРИСТИК
СИСТЕМ ЕЛЕКТРОЗВ'ЯЗКУ
ЗАВДАННЯ
на виконання курсової роботи з дисципліни
“Теорія електричного зв'язку” та
Методичні вказівки
до її виконання
Львів 2005
ПЕРЕДМОВА
Учбовими планами напряму базового вищої освіти “Телекомунікації” 6.0924 передбачене виконання курсової роботи з дисципліни “Теорія електричного зв'язку”. Мета КР - закріплення знань основних положень курсу “Теорія електричного зв'язку” (ТЕЗ) шляхом проведення розрахунків характеристик систем електрозв'язку.
Ці вказівки є узагальненням досвіду кафедри ТЕЗ з організації та методичного забезпечення виконання курсової роботи. Великий вклад в цю роботу внесли професор Банкет В. Л. і доцент Дирда В. Ю.
Методичні вказівки містять три варіанти завдань, що відрізняються видами повідомлень і методами їхньої передачі:
Варіант А – система передачі неперервних повідомлень аналоговим методом;
Варіант Ц – система передачі неперервних повідомлень цифровим методом;
Варіант Д – система передачі дискретних повідомлень.
Для виконання КР студент отримує від керівника КР індивідуальне завдання, що вказує номер варіанту (наприклад, “Виконати КР за варіантом Ц 47”). Отримавши завдання в такій формі, студент повинен виписати з розд. 1 цього методичного посібника для відповідного варіанту (у даному випадку “Ц”) перелік вихідних даних, а з відповідного додатку (у даному випадку з Додатку 2, варіант № 47) – числові значення вихідних даних.
У розд. 1 методпосібника для кожного з варіантів наведене "Завдання", у якому вказані перелік та послідовність розрахунків, що необхідно виконати. Кожний з пунктів завдання повинен бути виконаний у вигляді розділу КР.
У методпосібнику використані умовні позначення, які застосовуються на лекціях та на практичних і лабораторних заняттях.
У Додатку 4 наведені основні правила оформлення КР.
Основною літературою для виконання КР є підручники [1, 2].
1 ЗАВДАННЯ НА КУРСОВУ РОБОТУ
1.1 Варіант А
Повідомлення неперервного джерела передається каналом зв'язку аналоговим методом. В каналі зв'язку з постійними параметрами і адитивним білим гауссовим шумом використовується модуляція гармонійного переносника.
В табл. Д1 наведені вихідні дані.
Джерело повідомлень задане характеристиками первинного сигналу b(t):
- середнє значення дорівнює нулю;
- густина ймовірності миттєвих значень p(b) - гауссів розподіл (ГР), двосторонній експоненційний розподіл (ДЕР) або рівномірний розподіл на інтервалі (–bmax, bmax) (PP);
- середня потужність сигналу Рb;
- коефіцієнт амплітуди Кa;
- максимальна частота спектру Fmax.
2. Допустиме відношення сигнал/шум на вході одержувача EMBED Equation.2 .
3. Метод модуляції.
4. Для порівняння аналогового і цифрового методів передачі задані:
- метод передачі - ІКМ з рівномірним квантування, допустиме відношення сигнал/шум квантування EMBED Equation.2 ;
- енергетичний виграш кодування (ЕВК), що забезпечується при використанні в каналі зв'язку завадостійкого кодуванням;
- метод дискретної модуляції і спосіб прийому: когерентний або некогерентний.
Завдання
1. Структурна схема аналогової системи передачі. Зобразити структурну схему аналогової системи передачі неперервних повідомлень. Пояснити призначення кожного блоку, дати визначення основних параметрів, що характеризують кожний блок, і навести часові діаграми характерних сигналів на входах і виходах блоків.
2. Розрахунок інформаційних характеристик джерела повідомлень. Для заданих статистичних характеристик джерела неперервних повідомлень і якості відтворення повідомлення на вході одержувача зробити розрахунок епсилон-ентропії Н?(В), надмірності æ і продуктивності джерела Rд. Пояснити причини надмірності джерела. Сформулювати вимоги до пропускної здатності каналу зв'язку.
3. Розрахунок завадостійкості демодулятора. Для заданого методу модуляції розрахувати і побудувати графік залежності EMBED Equation.2 = f(?вх). Якщо використовується ЧМ, необхідно вибрати і обгрунтувати індекс модуляції. Визначити необхідне відношення середніх потужностей сигналу і шуму на вході демодулятора, EMBED Equation.2 при якому забезпечується задане допустиме відношення сигнал/шум на вході одержувача EMBED Equation.2 .
4. Розрахунок основних параметрів цифрової системи передачі. Зобразити структурну схему цифрової системи передачі методом ІКМ з використанням в каналі зв'язку завадостійкого кодування і дискретної модуляції гармонійного переносника. Пояснити призначення кожного блоку та дати визначення основних параметрів, що характеризують кожний блок.
Розрахувати основні параметри АЦП: число рівнів квантування, відношення сигнал/шум квантування при вибраному числі рівнів квантування, допустиму ймовірність помилки символу на вході ЦАП, інтервал дискретизації, тривалість двійкового символу.
Для заданих методу дискретної модуляції та способу прийому розрахувати і побудувати графік залежності ймовірності помилки двійкового символу на виході демодулятора від відношення сигнал/шум на вході демодулятора р = f(EMBED Equation.2); визначити необхідне відношення сигнал/шум EMBED Equation.2 на вході демодулятора, при якому ймовірність помилки символу на виході демодулятора дорівнює допустимій ймовірності помилки символу на вході ЦАП pб.
Вибрати коректуючий код, що забезпечує заданий енергетичний виграш кодування при допустимій ймовірності помилки символу на вході ЦАП. Розрахувати і побудувати залежність імовірності помилки символу на виході декодера від відношення сигнал/шум на вході демодулятора рд = f1(EMBED Equation.2). Визначити необхідне відношення сигнал/шум на вході демодулятора EMBED Equation.2, при якому забезпечується допустима ймовірність помилки символу на вході ЦАП. Визначити одержаний ЕВК.
5. Розрахунки і порівняння ефективності систем передачі неперервних повідомлень. Зробити розрахунки і порівняння інформаційної, енергетичної і частотної ефективності системи зв'язку, що розраховується, для варіанту аналогової передачі і двох варіантів цифрової передачі – з завадостійким кодуванням та без нього. Побудувати графік граничної залежності ? = f(?). На цьому рисунку точками відбити ефективність трьох варіантів передачі. Порівняти показники ефективності трьох варіантів передачі між собою та з граничною ефективністю. Зробити висновки за результатами порівняння.
6. Заключення. Зробити висновки по курсовій роботі в цілому.
1.2 Варіант Ц
Повідомлення неперервного джерела передається каналом зв'язку методом ІКМ. В дискретному каналі зв'язку використовується завадостійке кодування. Для передачі неперервним каналом зв'язку з постійними параметрами і адитивним білим гауссовим шумом використовується модуляція гармонійного переносника.
В табл. Д2 наведені вихідні дані.
Джерело повідомлень задане характеристиками первинного сигналу b(t):
- середнє значення дорівнює нулю;
- густина ймовірності миттєвих значень р(b) – гауссів розподіл (ГР), двосторонній експоненційний розподіл (ДЕР) або рівномірний розподіл на інтервалі (–bmax, bmax) (PP);
- середня потужність сигналу Рb;
- коефіцієнт амплітуди Кa;
- максимальна частота спектру Fmax.
2. Допустиме відношення сигнал/шум на вході одержувача EMBED Equation.2 .
3. ІКМ перетворення неперервного сигналу в цифровий виконується з використанням рівномірного квантування, допустиме відношення сигнал/шум квантування EMBED Equation.2 .
4. Метод модуляції гармонійного переносника.
5. Спосіб прийому: когерентний або некогерентний.
6. Енергетичний виграш кодування (ЕВК).
Завдання
1. Структурна схема ЦСП. Зобразити структурну схему цифрової системи передачі неперервних повідомлень. Пояснити призначення кожного блоку, дати визначення основних параметрів, що характеризують кожний блок, і навести тимчасові діаграми характерних сигналів на входах і виходах блоків.
2. Розрахунок параметрів АЦП і ЦАП. Скласти і описати структурні схеми АЦП і ЦАП, визначити число рівнів квантування, відношення сигнал/шум квантування при вибраному числі рівнів квантування, допустиму ймовірність помилки символу на вході ЦАП pб, частоту дискретизації, інтервал дискретизації і тривалість двійкового символу.
3. Розрахунок інформаційних характеристик джерела повідомлень і первинних сигналів. Для заданих статистичних характеристик джерела неперервних повідомлень і якості відтворення повідомлення на вході одержувача виконати розрахунок епсилон-ентропії H?(B), надмірності æ і продуктивності джерела Rд. Пояснити причини надмірності джерела. Сформулювати вимоги до пропускної здатності каналу зв'язку.
4. Розрахунок завадостійкості демодулятора. Для заданих методу модуляції і способу прийому розрахувати і побудувати графік залежності ймовірності помилки двійкового символу на виході демодулятора від відношення сигнал/шум на вході демодулятора р = f(EMBED Equation.2); визначити необхідне відношення сигнал/шум на вході демодулятора EMBED Equation.2, при якому ймовірність помилки символу на виході демодулятора дорівнює допустимій ймовірності помилки символу на вході ЦАП pб.
5. Вибір коректуючого коду розрахунок завадостійкості системи зв'язку з кодуванням. Для заданих методу модуляції і способу прийому вибрати коректуючий код, що забезпечує заданий енергетичний виграш кодування при ймовірності помилки символу на виході декодера pд = pб. Розрахувати і побудувати залежність імовірності помилки символу на виході декодера від відношення сигнал/шум на вході демодулятора pд = f1(EMBED Equation.2). Визначити необхідне відношення сигнал/шум на вході демодулятора EMBED Equation.2, при якому забезпечується ймовірність помилки символу на виході декодера pб. Визначити одержаний ЕВК.
6. Розрахунок основних параметрів аналогової системи передачі. Зобразити структурну схему аналогової системи передачі методом ЧМ. Пояснити призначення кожного блоку і дати визначення основних параметрів, що характеризують кожний блок.
Характеристики повідомлення, що передається, відношення сигнал/завада EMBED Equation.2 і смуга пропускання неперервного каналу зв'язку ті ж, що і в системі цифрової передачі з завадостійким кодуванням. З метою порівняння аналогового і цифрового методів передачі визначити необхідне відношення сигнал/шум на вході демодулятора EMBED Equation.2 . Індекс модуляції визначити за двох умов: обмеженої смуги частот каналу зв'язку та роботи демодулятора вище порога.
7. Розрахунки і порівняння ефективності систем передачі неперервних повідомлень. Виконати розрахунки і порівняння інформаційної, енергетичної і частотної ефективності системи зв'язку для двох варіантів цифрової передачі з завадостійким кодуванням і без нього та варіанту аналогової передачі методом ЧМ. Побудувати графік граничної залежності ? = f(?). На цьому рисунку точками відбити ефективність трьох варіантів передачі. Порівняти показники ефективності трьох варіантів передачі між собою і з граничною ефективністю. Зробити висновки за результатами порівняння.
8. Заключення. Зробити висновки по курсовій роботі в цілому.
1.3 Варіант Д
Повідомлення дискретного джерела кодується двійковим кодом і передається дискретним каналом зв'язку з завадостійким кодуванням. Для передачі неперервним каналом зв'язку з постійними параметрами і адитивним білим гауссовим шумом використовується модуляція гармонійного переносника.
В табл. Д3 наведені вихідні дані:
1. Джерело виробляє послідовність незалежних знаків з розподілом імовірностей: або рівноймовірним при об'ємі алфавіту Ма, або з розподілом букв українського тексту, або з розподілом букв російського тексту, або з розподілом букв англійського тексту.
2. Допустима ймовірність помилки знаку на вході одержувача Рзн.
3. Швидкість модуляції на виході кодера простого коду В.
Метод модуляції.
Спосіб прийому: когерентний або некогерентний.
6. Енергетичний виграш кодування (ЕВК).
Завдання
1. Структурна схема СПДП. Зобразити структурну схему системи передачі дискретних повідомлень. Пояснити призначення кожного блоку, дати визначення основних параметрів, що характеризують кожний блок, і навести часові діаграми характерних сигналів на входах і виходах блоків.
2. Розрахунок параметрів кодера і декодера простого коду. Розрахувати параметри кодера і декодера простого коду: довжину коду n, тривалість двійкового символу Тб, час передачі одного знаку Тзн, допустиму ймовірність помилки символу на вході декодера рб.
3. Розрахунок інформаційних характеристик джерела повідомлень. Для заданих статистичних характеристик джерела дискретних повідомлень виконати розрахунок ентропії Н(А), надмірності æ і продуктивності джерела Rд. Пояснити причини надмірності джерела. Сформулювати вимоги до пропускної здатності каналу зв'язку.
4. Розрахунок завадостійкості демодулятора. Для заданих методу модуляції і способу прийому розрахувати і побудувати графік залежності ймовірності помилки двійкового символу на виході демодулятора від відношення сигнал/шум на вході демодулятора р = f(EMBED Equation.2); визначити необхідне відношення сигнал/шум на вході демодулятора EMBED Equation.2, при якому ймовірність помилки символу на виході демодулятора дорівнює допустимій ймовірності помилки символу на вході декодера простого коду рб.
5. Вибір коректуючого коду і розрахунок завадостійкості системи зв'язку з кодуванням. Для заданих методу модуляції і способу прийому вибрати коректуючий код, що забезпечує заданий енергетичний виграш кодування при ймовірності помилки символу на виході декодера рд = pб. Розрахувати і побудувати залежність ймовірності помилки символу на виході декодера від відношення сигнал/шум на вході демодулятора pд = f1(EMBED Equation.2). Визначити необхідне відношення сигнал/шум на вході демодулятора EMBED Equation.2, при якому забезпечується ймовірність помилки символу на виході декодера рб. Визначити досягнутий ЕВК.
6. Розрахунок ефективності системи передачі дискретних повідомлень. Виконати розрахунки і порівняння інформаційної, енергетичної і частотної ефективності системи зв'язку, що розраховується, для двох варіантів передачі – з завадостійким кодуванням і без нього. Побудувати графік граничної залежності ? = f(?). На цьому рисунку точками відбити ефективність двох варіантів передачі. Порівняти ефективність двох варіантів передачі між собою і з граничною ефективністю. Зробити висновки за результатами порівняння.
7. Заключення. Зробити висновки по курсовій роботі в цілому.
2 СТРУКТУРНА СХЕМА СИСТЕМИ ПЕРЕДАЧІ ПОВІДОМЛЕНЬ
У цьому розділі КР необхідно навести опис структурної схеми системи електрозв'язку, принципу дії і особливостей роботи окремих блоків для заданого виду повідомлення і способу передачі (кодування і модуляції). При описі необхідно дати визначення основних параметрів, що характеризують кожний блок, і навести часові діаграми характерних сигналів на входах і виходах блоків.
При розгляді систем передачі неперервних повідомлень вважають, що первинний сигнал b(t) пропорційний повідомленню а(t): b(t) = c?a(t), c – коефіцієнт пропорційності. Тому повідомлення на виході джерела і вході одержувача представлені первинними сигналами b(t) і EMBED Equation.2(t) відповідно.
Структурна схема системи передачі неперервних повідомлень аналоговим методом наведена на рис. 1а. Для її опису можна скористуватися матеріалом розділу 1 в підручниках [1, 2].
Структурна схема цифрової системи передачі неперервних повідомлень наведена на рис. 1б. Для її опису див. [1, гл. 1, розд. 8.1; 2, гл. 1, розд. 16.1]. Оскільки в системі передачі використовується завадостійке кодування, то між АЦП і модулятором вімкнений кодер коректуючого коду, а між демодулятором і ЦАП – декодер коректуючого коду.
Структурна схема системи передачі дискретних повідомлень наведена на рис. 1в. Для її опису див. [1, гл. 1; 2, гл. 1, розд. 18.2]. Оскільки за завданням об'єм алфавіту джерела повідомлень Ма > 2, а в каналі зв'язку використовується завадостійке кодування, то схема містить два кодери – простого коду і коректуючого коду і, відповідно, два декодери – коректуючого коду і простого коду.
3 РОЗРАХУНОК ПАРАМЕТРІВ КОДЕРА І ДЕКОДЕРА ПРОСТОГО КОДУ
Вихідні дані:
- об'єм алфавіту джерела дискретних повідомлень Ма;
- швидкість модуляції на виході кодера простого коду В;
- допустима ймовірність помилки знаку на виході декодера Рзн.
Вимагається визначити:
- тривалість двійкового символу (біта*) ) на виході кодера Тб;
- довжину простого коду n;
- час передачі одного знаку Тзн;
- допустиму ймовірність помилки біта на вході декодера рб.
Розрахункові співвідношення й порядок розрахунку
Припускається, що кодування ведеться рівномірним кодом, при якому, на відміну від нерівномірного коду, більш прості в реалізації кодер та декодер.
Довжина коду визначається за умови, що число можливих комбінацій не менш за об'єм алфавіту джерела
2n ? Мa або n ? log2Ma. (3.1)
