Проектирование СПД

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
«Тихоокеанский государственный университет»
ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ
Утверждено издательско-библиотечным советом университета
в качестве учебного пособия
Хабаровск
Издательство ТОГУ
2018
УДК 004.03
ББК З 971.351я7
С334
А в т о р ы:
С. В. Сай, С. В. Плесовских, Г. Я. Маркелов
Р е ц е н з е н т ы:
кафедра вычислительной техники и компьютерной графики
Дальневосточного государственного университета путей сообщения
(завкафедрой канд. физ.-мат. наук, доц. Ю. В. Пономарчук);
кафедра математики и математических методов в экономике
Хабаровского государственного университета экономики и права
(завкафедрой канд. физ.-мат. наук, доц. Ю. В. Диреев)
Проектирование систем передачи данных: учеб. пособие / С. В. Сай,
С. В. Плесовских, Г. Я. Маркелов. – Хабаровск: Изд-во Тихоокеан. гос. ун-та,
2018. – 68 с.
ISBN 978-5-7389-2553-5
Учебное пособие представляет собой методическое обеспечение для выполнения
практических, лабораторных и самостоятельных работ по курсам «Системы передачи
данных» и «Проектирование и эксплуатация систем передачи». В работе содержится краткое
изложение теоретического материала, приводятся структурные схемы отдельных блоков
системы передачи данных и примеры расчета параметров цифровых схем, даются задания
для выполнения практических и лабораторных работ.
Издание предназначено для студентов, обучающихся по направлению подготовки
бакалавров 09.03.01 «Информатика и вычислительная техника» и другим смежным
направлениям.
УДК 004.03
ББК З 971.351я7
ISBN 978-5-7389-2553-5
© Тихоокеанский государственный
университет, 2018
© Сай С. В., Плесовских С. В.,
Маркелов Г. Я., 2018
Введение
В учебном пособии рассматривается решение задач проектирования
отдельных блоков и устройств систем передачи данных. Описаны структурные схемы блоков и методы расчета основных параметров цифровых
систем передач.
В первой главе описываются основные блоки системы передачи данных, приводятся характеристики каналов и основы расчетов скорости передачи информации.
Во второй главе рассматриваются амплитудно-импульсная модуляция
сигналов и система передачи данных с временным разделением каналов.
В третьей главе изложены принципы построения кодеров и декодеров
с нелинейной шкалой квантования.
Четвертая глава посвящена синхронизации в системах передачи данных. Приводится описание систем и параметров цикловой и поэлементной
синхронизации.
В пятой главе приводится описание структурной схемы неадаптивного приемника синхросигнала, рассматриваются причины сбоя цикловой
синхронизации.
В шестой главе изложены основы моделирования схем обработки
сигналов в программе SystemView. Для освоения программы предлагаются
практические задания по моделированию гармонического сигнала, фильтров нижних и верхних частот, генераторов фазоманипулированного и амплитудно-модулированного сигналов.
Практические задания, представленные в конце 2, 3, 4 и 5-й глав, содержат необходимые для выполнения заданий структурные и функциональные схемы компонентов систем передачи, методы для расчетов нужных параметров.
Начинающим специалистам учебное пособие может помочь в знакомстве с технологиями проектирования систем передачи и с основными
принципами кодирования, синхронизации и модуляции цифровых данных.
3
1. Система передачи данных
Техника передачи дискретных сообщений (ПДС) играет все большую
роль в жизни человеческого общества. Жизнь современного общества уже
невозможно представить без тех достижений, которые были сделаны в
этой отрасли за более ста лет развития. Отличительная особенность нашего
времени - непрерывно возрастающая потребность в передаче потоков информации на большие расстояния. Для этого применяется техника ПДС,
которая позволяет создать мощные вычислительные сети и сети передачи
данных.
1.1. Основные блоки системы
Структурная схема системы передачи данных показана на рис. 1.1.
Рис. 1.1. Структурная схема системы передачи данных
Кодер источника предназначен для устранения избыточности на передаче. Избыточность приводит к тому, что за заданный промежуток времени будет передано меньше сообщений, и, следовательно, менее эффективно будет использоваться канал передачи дискретных сообщений. Декодер
источника осуществляет декомпрессию сообщений на приеме.
Процесс кодирования источника имеет своей главной целью сокращение объема передаваемой информации, т.е. снижение требований к таким
ресурсам системы, как время передачи, полоса пропускания, объем памяти
при обработке или при хранении информации.
4
Кодирование канала используется для исправления ошибок, возникающих при приеме цифрового сигнала из-за действия различных помех и
искажений. В трактах вещания информации программных служб применяется только прямое исправление ошибок, а в обратных каналах интерактивных систем, особенно в телефонных каналах, возможно также использование перезапросов. В любом случае кодирование канала приводит к
увеличению объема передаваемых данных, т.к. алгоритмы обнаружения и
исправления ошибок требуют добавления специальных служебных символов, а повторы перезапрошенных блоков непосредственно увеличивают
время передачи.
Кодер канала предназначен для повышения верности передачи. С этой
целью используется избыточное кодирование, позволяющее на приеме обнаруживать или даже исправлять ошибки. Часто кодер и декодер канала
называют устройствами защиты от ошибок (УЗО).
С целью согласования кодера канала и декодера канала с непрерывным каналом связи (средой, в которой осуществляется, как правило, передача непрерывных сигналов) используются на передаче и приеме устройства преобразования сигналов (УПС). В частном случае это модулятор и
демодулятор.
УПС согласует параметры внутристанционных сигналов (с выхода
кодера) с характеристиками НКС (по разным параметрам). В УПС приемной стороны происходит обратное преобразование модулированных сигналов в исходные единичные элементы (демодуляция). Декодер преобразует принятые кодовые комбинации и символы сообщения. Пороговое
устройство (ПУ) производит сравнение детектированного сигнала с пороговым уровнем.
Модуляция используется для преобразования сигналов, представленных в основной (исходной) полосе частот, в радиосигналы заданной полосы частот, что обеспечивает возможность их передачи по конкретному физическому каналу. Дополнительным свойством сложных видов модуляции
является более плотная упаковка данных в частотной области, когда на
единицу полосы приходится больше передаваемой информации.
В цифровых системах передачи процесс модуляции-демодуляции
можно рассматривать как способ преобразования кода в сигнал и обратно.
5
Конкретный метод модуляции выбирается, исходя из особенностей построения системы, требуемой скорости передачи по предоставленному каналу, заданной вероятности приема (включая возможности системы защиты от ошибок) и пр. Таким образом, постановка проблемы совместной оптимизации модема и кодека направлена на решение одной важной задачи –
наилучшего согласования сигнала с характеристиками канала. При поиске
оптимального варианта согласования чаще всего останавливаются на выборе одного из двух критериев: высокой спектральной эффективности,
т.е. передачи с высокой скоростью в узкой полосе; высокой энергетической эффективности, т.е. передачи с низким отношением несущая/шум и
с максимальным занятием всей доступной полосы.
В первом случае применяют плотные созвездия сигналов (например,
модуляция 64QAM или 16QAM) совместно с мало избыточными кодами,
исправляющими ошибки. Во втором случае используются разреженные созвездия (QPSK) совместно с высоко избыточными корректирующими кодами. С учетом реальных ограничений на допустимую полосу канала и достижимое отношение несущая/шум выбирается необходимый компромисс
между спектральной и энергетической эффективностями.
1.2. Типы каналов
Непрерывный канал – это канал связи, предназначенный для передачи
непрерывных (аналоговых) сигналов. Например, абонентская телефонная
линия, канал тональной частоты (ТЧ).
Дискретный канал. Совместно с каналом связи УПС образуют дискретный канал, то есть канал, предназначенный для передачи только дискретных сигналов (цифровых сигналов данных). Различают синхронные и
асинхронные дискретные каналы.
Расширенный дискретный канал. Дискретный канал в совокупности с
кодером и декодером канала (УЗО) называется расширенным дискретным
каналом (РДК).
Применительно к дискретному каналу, рассматривается передача единичных элементов, принимающих значение "0" или "1". Алфавит "источника", работающего на дискретный канал, можно считать равным 2. Применительно к расширенному дискретному каналу рассматривается переда6
ча кодовых комбинаций длиной n элементов. Следовательно, алфавит "источника", работающего на расширенный дискретный канал, можно считать
n
равным 2 – отсюда и название "расширенный". В технике передачи данных РДК называют каналом передачи данных.
Полунепрерывный канал (дискретный канал непрерывного времени).
В системе ПДС иногда выделяют дискретный канал непрерывного времени.
Для определения выхода данного канала необходимо более детально
рассмотреть УПС приема. Он состоит из демодулятора, порогового
устройства и регенератора. Выход ПУ одновременно является и выходом
дискретного канала непрерывного времени. Сигнал на выходе данного канала будет иметь искажения типа краевых и дроблений. Если на выходе
дискретного канала имеем сигнал, являющийся дискретной функцией дискретного времени, то на выходе полунепрерывного канала сигнал является
дискретной функцией непрерывного времени.
1.3. Определение скорости передачи информации
В дискретной системе связи при отсутствии помех информация на
выходе канала связи (канала ПИ) полностью совпадает с информацией на
его входе, поэтому скорость передачи информации численно равна производительности источника сообщений:
R  x, y  
H  x
 H  x 

(1.1)
При наличии помех часть информации источника теряется, и скорость
передачи информации оказывается меньшей, чем производительность источника. Одновременно в сообщение на выходе канала добавляется информация о помехах.
Поэтому при наличии помех необходимо учитывать на выходе канала
не всю информацию, даваемую источником, а только взаимную информацию:
7
I  x, y 

R  x, y  
(1.2)
На основании формулы (1.2) имеем
1
1
 H  x   H  x / y     H  y   H  y / x  


R  x, y   H   x   H   x / y   H   y   H   y / x 
R  x, y  
или
(1.3)
где H(x)  производительность источника; H(x/y)  ненадёжность канала
(потери) в единицу времени; H(y)  энтропия выходного сообщения в единицу времени; H(y/x)=H(n) – энтропия помех (шума) в единицу времени.
Пропускной способностью канала связи (канала передачи информации) C называется максимально возможная скорость передачи информации по каналу C  max R  x, y  .
Для достижения максимума учитываются все возможные источники
на выходе и все возможные способы кодирования. Таким образом, пропускная способность канала связи равна максимальной производительности источника на входе канала, полностью согласованного с характеристиками этого канала, за вычетом потерь информации в канале из-за помех.
В канале без помех C = max H(x), так как H(x/y) = 0. При использовании равномерного кода с основанием k, состоящего из n элементов длительностью э, в канале без помех
C  max
H  x
log k n log k
,



n э
э
(1.4)
при k = 2
C
8
1
.
э
(1.5)
Для эффективного использования пропускной способности канала
необходимо его согласование с источником информации на входе. Такое
согласование возможно как для каналов связи без помех, так и для каналов
с помехами на основании двух теорем, доказанных К. Шенноном.
Первая теорема (для канала связи без помех):
Если источник сообщений имеет энтропию H (бит на символ), а канал
связи – пропускную способность C (бит в секунду), то можно закодировать
сообщения таким образом, чтобы передавать информацию по каналу со
средней скоростью, сколь угодно близкой к величине C, но не превзойти
её. К. Шеннон предложил и метод такого кодирования, который получил
название статистического или оптимального кодирования.
Вторая теорема (для каналов связи с помехами):
Если пропускная способность канала равна C, а производительность
источника H(x) < C, то путём соответствующего кодирования можно передавать информацию по каналу связи со скоростью, сколь угодно к C и с
вероятностью ошибки, сколь угодно близкой к нулю. Если же H(x) > C, то
можно закодировать источник таким образом, что ненадёжность будет
меньше, чем H(x) – C +, где  – сколь угодно малая величина.
Не существует способа кодирования, обеспечивающего ненадёжность,
меньшую, чем H(x) – C.
К сожалению, теорема К. Шеннона для каналов с шумами (помехами)
указывает только на возможность такого кодирования, но не указывает
способа построения соответствующего кода. Однако известно, что при
приближении к пределу, устанавливаемому теоремой Шеннона, резко возрастает время запаздывания сигнала в устройствах кодирования и декодирования из-за увеличения длины кодового слова n. При этом вероятность
ошибки на выходе канала стремится к величине
pэ  2
 nэ C  H '( x )
.
(1.6)
Очевидно, что pэ  0, когда nэ  , и следовательно, имеет место
“обмен” верности передачи на скорость и задержку передачи.
9
2. Амплитудно-импульсная модуляция и временное разделение
каналов
2.1. Амплитудно-импульсная модуляция
Переносчиком сообщения в амплитудно-импульсной модуляции
(АИМ) является серия прямоугольных импульсов. Под воздействием
мгновенных значений сообщения (тока или напряжения) амплитуда импульсов переносчика изменяется, как показано на рисунке 2.1.
Рис. 2.1.Временная диаграмма амплитудно-импульсной модуляции
Амплитудно-импульсная модуляция (АИМ) заключается в изменении
приращения амплитуды импульсов пропорционально функции управляющего сигнала при постоянной длительности импульсов и периоде их следования:
Спектр АИМ рассмотрим на примере модулирования однотонального
сигнала s(t), приведенного на рис. 2.1. Напишем уравнение модулированного сигнала в следующей форме:
10
u (t )  (1  M cos wt ) f (t ) ,
(2.1)
где f(t) – периодическая последовательность прямоугольных импульсов с
частотой 𝜔o, которую можно аппроксимировать рядом Фурье (без учета
фазы):

f (t )  U 0  U n cos nwot
(2.2)
n 1
Подставляя (2.2) в (2.1), получим:

u (t )  (1  M cos t )U 0  U n cos nwot (1  M cos t ) 
n 1


n 1
n 1
 U 0  U 0 M cos t  U n cos nwot  0.5M U n cos(nwo  )t 
(2.3)

0.5M U n cos(nwo  )t
n 1
Форма спектра, в начальной части спектрального диапазона, приведена на рис. 2.2.
Рис. 2.2. Форма спектра в начальной части спектрального диапазона
В целом, спектр бесконечен, что определяется бесконечностью спектра прямоугольных импульсов. Около каждой гармоники 𝑛𝜔0 спектра
прямоугольных импульсов появляются боковые составляющие, соответствующие спектру моделирующей функции (при многотональном сигнале
– боковые полосы спектров). При дополнительном высокочастотном заполнении импульсов весь спектр смещается в область высоких частот на
частоту заполнения.
11
2.2. Временное разделение каналов
Временное разделение каналов (ВРК) – разделение каналов во времени, при котором каждому каналу выделяется квант времени (таймслот). В
другой транскрипции – временное мультиплексирование (англ. Time
Division Multiply Access, TDMA) – технология аналогового или цифрового
мультиплексирования, в котором два и более сигнала или битовых потока
передаются одновременно как подканалы в одном коммуникационном канале.
В многоканальных системах (МКС) с ВРК (рис 2.3.) канальные сигналы передаются в строгой очередности без перекрытия по времени. В качестве переносчиков первичных сигналов λk(t) используются периодические
последовательности импульсов yk(t), ортогональные по времени.
Рис. 2.3. Структурная схема МКС с ВРК
Отличительной ее особенностью является наличие элементов синхронизации, к которым относятся генератор тактовых импульсов (ГТИ), линии задержки (ЛЗ) обеспечивающие формирование ортогональных по времени опорных импульсных последовательностей на передающей и на приемной стороне, а также система формирования импульса синхронизации
(ФИС) при передаче и селектор импульсов синхронизации (СИС) при приеме.
Выделение канальных сигналов из принятого группового осуществляется при помощи специальных электронных коммутаторов (ЭК1, ЭК2 и
12
ЭК3). Управляются электронные коммутаторы синхронизирующими импульсами с селектора импульсов синхронизации. Необходимость решения
проблемы синхронизации является существенным недостатком систем с
ВРК.
В модуляторах осуществляется один из видов импульсной модуляции
переносчиков (опорных импульсных последовательностей) yk(t), в результате которой формируются канальные сигналы Sk(t). После линейного сложения канальных сигналов образуется групповой сигнал Sa(t). Для формирования группового сигнала могут использоваться различные виды импульсной и цифровой модуляции (АИМ, ШИМ, ФИМ, ИКМ, дельтамодуляция и т.д.).
При передаче данных в системе с ВРК используется дискретизация во
времени (импульсная модуляция). Групповой канальный тракт разделен на
временные интервалы (таймслоты) фиксированной длины, отдельные для
каждого индивидуального канала (подканала). Сначала передается импульс 1-го подканала, затем следующего подканала и т.д. После передачи
фрейма последнего из подканалов происходит передача фрейма первого
подканала и т. д. по порядку. Один фрейм TDMA состоит из одного временного интервала, выделенного одному определенному подканалу. На
приеме устанавливается аналогичный коммутатор, который поочередно
подключает групповой тракт к соответствующим приемникам. В определенный короткий промежуток времени к групповой линии связи оказывается подключенной только одна пара приемник/передатчик.
Это означает, что для нормальной работы многоканальной системы с
ВРК необходима синхронная и синфазная работа коммутаторов на приемной и передающей сторонах. Для этого один из каналов занимают под передачу специальных импульсов синхронизации.
На рис. 2.4 приведены временные диаграммы, поясняющие принцип
ВРК. На рис. 2.4 (а, б, в) приведены графики трех непрерывных аналоговых сигналов U1(t), U2(t) и U3(t) и соответствующие им амплитудноимпульсно-модулируемые (АИМ) сигналы. Импульсы разных АИМсигналов сдвинуты друг относительно друга по времени. При объединении
индивидуальных каналов в канальном тракте (линии связи) образуется
13
групповой сигнал UГ с частотой следования импульсов в N раз большей
частоты следования индивидуальных импульсов.
Рис. 2.4. Создание группового сигнала при ВРК
Интервал времени между ближайшими импульсами группового сигнала называется канальным интервалом (ТК) или тайм-слотом (Time Slot).
Промежуток времени между соседними импульсами одного индивидуального сигнала называется циклом передачи - периодом дискретизации (ТД).
14
2.3. Практические задания
Цель работы – экспериментально собрать модель системы передачи с
временным разделением каналов и амплитудно-импульсной модуляцией
(далее - ВРК–АИМ). Исследовать параметры и характеристики узлов оборудования систем передачи с ВРК–АИМ. Приобрести навыки работы с
программой Multisim, моделирующей электронные схемы.
Порядок выполнения работы
1. Изучить структурную схему системы передачи с временным разделением каналов.
Структурная схема изображена на рис 2.5. На станции А показано
оборудование тракта передачи, а на станции Б – оборудование тракта приема.
Рис.2.5. Схема исследования модели системы передачи с временным разделением
каналов
Система передачи формирует три канала (один - синхронизации V1 и
два информационных V2, V3). Рассмотрим состав оборудования тракта передачи.
Блоки AIM – амплитудно-импульсные модуляторы (АИМ), осуществляют амплитудно–импульсную модуляцию сигналов, формируя АИМ 1.
Два источника гармонических сигналов имеют амплитуду 10 и 20 мВ, ча-
15
стоту 1 и 5 кГц соответственно. Сигнал цикловой синхронизации формируется верхним АИМ модулятором, отличительный параметр – амплитуда
импульсов 30 мВ.
Источник сигналов прямоугольной формы V4 с частотой 24 кГц является задающим генератором, входящим в состав генераторного оборудования тракта передачи. Блок Raspred_kanalov - генераторное оборудование,
формирует три импульсных последовательности с частотой 8 кГц сдвинутых по фазе на 1/3 периода.
Блок FILTR имеет свойства фильтра нижних частот, характеризуется
частотой среза 3,4 кГц. Блок Summator осуществляет временное объединение сигнала синхронизации и двух АИМ 1 сигналов под управлением сигналов генераторного оборудования.
В состав оборудования тракта приема входит блок Priemnik_CS – приемник циклового синхросигнала, представляющий собой амплитудный селектор, выделяющий синхросигнал амплитудой 30 мВ из группового сигнала.
Источник сигналов прямоугольной формы V5 с частотой 24 кГц и
блок Raspred_kanalov аналогичны по назначению в тракте передачи, но
управляет временными селекторами. Логический элемент 2& обеспечивает
синхронную работу генераторного оборудования. Блоки Wrem_selector –
временные селекторы, распределяют импульсы группового сигнала по соответствующим каналам. Блоки FILTR – фильтры нижних частот для восстановления исходного сигнала на приеме.
Осциллограф позволяет исследовать одновременно информационные
сигналы на входе и выходе системы передачи. Выбор канала клавишей
Space (пробел).
2. Изучить свойства фильтров нижних частот на входе и выходе схемы системы передачи с ВРК.
2.1. Собрать схему измерения параметров фильтра, представленную
на рис. 2.6.
2.2. Включить схему клавишей O/I. Активизировать характериограф
(Bode Plotter), передняя панель которого приведена на рис. 2.7 и зарисовать
АЧХ фильтра.
16
Рис 2.6. Схема для исследования параметров фильтра НЧ
2.3. Определить граничную частоту фильтра Fs (частоту среза), на которой уровень сигнала понизится не более 3 дБ. Для более точного определения экспериментально подобрать верхнюю и нижнюю частоты диапазона, а также диапазон измерения уровней. Маркер (вертикальная линия) перемещается стрелками или мышью.
Рис. 2.7. Передняя панель характериографа
2.4. Определить затухание, вносимое ФНЧ, для сигналов с частотой 1
и 5 кГц с помощью мультиметра, настроенного на измерение уровня сигнала (режим дБ). Переключение с входа на выход осуществляют клавишей
Space (пробел). Частота сигнала изменяется в соответствующем окне
функционального генератора. Результаты записать в таблицу 2.1.
17
Таблица 2.1. Результаты измерений
F, кГц
Lвх, дБ
1
5
Lвых, дБ
aост, дБ
3. Изучить принцип действия амплитудно–импульсного модулятора
(рис. 2.8).
Рис. 2.8. Схема для исследования АИМ – модулятора
3.1. Схема содержит три источника гармонических сигналов с частотой 500; 1000; 5000 Гц. Источник сигнала прямоугольной формы с частотой 8000 Гц управляет АИМ – модулятором, осуществляя дискретизацию
входных сигналов.
К выходу АИМ – модулятора подключена нагрузка сопротивлением
1кОм. Осциллографом контролируют параметры и форму сигнала на входе
и выходе схемы. Сигналы подключают на вход АИМ – модулятора по очереди с помощью переключателей, управляемых клавишами 1 и 2.
3.2. Определить расчетом периоды (T = 1/F) трех исследуемых сигналов.
3.3. Исследовать работу АИМ модулятора по осциллограммам сигналов (рис. 2.9). Включить схему, активизировать осциллограф. Зарисовать
три пары входных/ выходных сигналов. Используя маркеры и окно Т2 – Т1,
определить периоды сигналов и длительность импульсов дискретного сиг-
18
нала. При необходимости изменить частоту развертки (Time base), а также
смещение сигнала по вертикали (Y position).
Рис. 2.9. Временные диаграммы сигналов
3.4. Сделать вывод о возможности восстановления выходных сигналов и степени искажения с учетом условия дискретизации.
4. Изучить принцип действия устройства объединения.
4.1. Собрать схему, приведенную на рис. 2.10.
В первый канал осциллографа поступает сигнал с тактовой частотой, а
во второй канал –групповой сигнал, передаваемый в линию связи. Синхросигнал имеет прямоугольную форму с амплитудой 30 мВ.
4.2. Включить схему, активизировать осциллограф и зарисовать в
масштабе осциллограммы тактового сигнала и группового сигнала на выходе мультиплексора.
4.3. Определить и подписать на графике синхросигнал, дискретный
сигнал первого и второго канала.
19
Рис. 2.10. Схема для исследования устройства объединения
5. Изучить принцип действия временных селекторов.
5.1. Собрать схему, приведенную на рис. 2.11.
Рис. 2.11. Схема для исследования работы временных селекторов
20
Временные селекторы размещены в тракте приема. Приемник циклового синхросигнала (PRIEM_CS) выделяет сигнал с амплитудой не менее
30 мВ, является амплитудным селектором. Логический элемент 2И обеспечивает синхронизацию с задающим генератором с частотой 24 кГц.
В первый канал осциллографа поступает групповой сигнал, а во второй канал выделенные сигналы АИМ (в зависимости от переключателя
Space).
5.2. Включить схему, активизировать осциллограф и зарисовать в
масштабе все сигналы: групповой, индивидуальные АИМ (рис. 2.12).
5.3. Сделать вывод о правильности распределения индивидуальных
АИМ сигналов.
Рис. 2.12. Временные диаграммы сигналов
6. Изучить принцип действия фильтров в тракте приема.
6.1. Собрать схему, приведенную на рис. 2.13.
В тракте передачи источники сигналов имеют частоту 1 кГц и 5 кГц.
На Станции Б на выходе включены фильтры, аналогичные входным
передающей станции. В первый канал осциллографа поступают входные
сигналы, а во второй канал – восстановленные выходные сигналы.
21
6.2. Включить схему, активизировать осциллограф и зарисовать временные диаграммы сигналов на выходах фильтров.
6.3. Сделать вывод о выполнении условия дискретизации и возможности (или невозможности) восстановления сигналов на приеме.
Рис. 2.13. Принципиальная схема системы передачи с ВРК
Требования к оформлению отчёта
Отчёт должен содержать: титульный лист; задание; рисунки исследуемых и реализованных принципиальных схем; графики сигналов полученных в ходе выполнения работы.
Контрольные вопросы
1. Указать назначение фильтра нижних частот.
2. Указать назначение амплитудно-импульсного модулятора.
3. Принцип действия временных селекторов.
4. Основные свойства фильтра нижних частот.
22
3. Кодеры и декодеры с нелинейной шкалой квантования
Необходимая разрядность кодовой комбинации при линейном квантовании для речевого (двухполярного) сигнала, поступающего на вход канала тональной частоты (КТЧ) от различных источников, определяется требованиями к защищенности от шумов Акв и равна
m
Aкв  42,2
6
(3.1)
где Акв – допустимая защищенность от шумов квантования.
Помехозащищенность сигнала на выходе КТЧ по нормам МЭС-Т
должна быть не менее 25 дБ. Если считать, что в КТЧ цифровых систем
передачи единственным видом шумов являются шумы квантования, то Акв
=25дБ. Подставив значение Акв в (3.1) и округляя результат до большего
целого, получим m = 12. Для кодирования двухполярных отсчетов с использованием симметричного кода кодовая комбинация будет иметь вид
РХХХХХХХХХХХ, где Р – символ равный 1 или 0, определяющий полярность отсчета, а символы X, принимающие значения 1 или 0, отображают
его абсолютное квантованное значение при шаге квантования, равном 𝛿0 .
Таким образом, для кодирования абсолютного значения квантованного отсчета требуется 11-разрядная кодовая комбинация вида
|𝐼𝑗𝑛𝑐 | = 210 𝛿0 + 29 𝛿0 + ⋯ 22 𝛿0 + 21 𝛿0 + 20 𝛿0 ,
(3.2)
Входным сигналом для нелинейного кодера данного типа является
квантованный отсчет, полученный в результате равномерного квантования
с шагом квантования соответствующего требованиям защищенности от
шумов квантования. При линейном кодировании этому соответствует 2048
положительных и 2048 отрицательных уровней (3.2).
При нелинейном кодировании по закону А-87,6/13 (с коэффициентом
сжатия А = 87,6 и числом сегментов для положительной и отрицательной
полярности, равным восьми) для такой же защищенности от шумов кван-
23
тования потребуется 128 положительных и 128 отрицательных уровней, а
кодовая комбинация должна быть 8-разрядной.
3.1. Структурная схема нелинейного кодера
Структурная схема нелинейного кодера взвешивающего типа с цифровой компрессией эталонов приведена на рис. 3.1.
Назначение и принцип работы компаратора К, генераторов эталонных
токов ИЭ1 и ИЭ2, устройства формирования цифрового сигнала ПК такие
же, как и в схеме линейного кодера для двухполярного сигнала. Однако в
отличие от линейного кодера ИЭ1 и ИЭ2 содержат 11 ключей, а веса подключаемых ими эталонных токов равны. После каждого такта кодирования
решение компаратора К записывается в цифровой регистр ЦР.
В зависимости от решения компаратора ЦР выбирает полярность ИЭ
и управляет работой цифровой логики, которая преобразует 7-разрядный
код в 11-разрядный и формирует в блоке выбора и коммутации эталонных
токов БКЭ цепи ИЭ, определяя величины эталонов, подключаемых на вход
второго компаратора. Устройство формирования ИКМ сигнала УФ ИКМ
считывает состояние выходов ЦР и преобразует параллельный код в последовательный.
Рис. 3.1. Структурная схема нелинейного кодера
24
Кодирование осуществляется за восемь тактов и включает три основных этапа, на которых определяется и кодируется:
- полярность входного сигнала;
- номер сегмента, в котором находится кодируемый отсчет;
- номер уровня квантования сегмента, в зоне которого заключена амплитуда кодируемого отсчета.
Процесс формирования ИКМ сигнала принято называть аналогоцифровым преобразованием. Обратное цифро-аналоговое преобразование
или декодирование, осуществляется декодером. Декодер осуществляет
цифро-аналоговое преобразование кодовой комбинации в отсчеты АИМ
сигнала соответствующей амплитуды и полярности.
3.2. Структурная схема нелинейного декодера
Структурная схема нелинейного декодера приведена на рис. 3.2.
Декодер содержит цифровой регистр ЦР, блок экспандирующей логики ЭЛ, блок коммутации эталонов БЭК и два генератора эталонных токов
ГЭТ1 и ГЭТ2 положительной и отрицательной полярности.
Рис. 3.2. Структурная схема нелинейного декодера
25
Принятый ИКМ сигнал, представляющий восьмиразрядную кодовую
комбинацию, записывается в ЦР и в виде параллельного кода формируется
на его выходах 1...8. Высший разряд, определяющий полярность отсчета,
записывается на 8-м выходе, символы, определяющие код сегмента, записываются на 7, 6 и 5 выходах, символы кода номера уровня квантования
записываются на 4, 3, 2 и 1 выходах ЦР. В соответствии с принятой кодовой комбинацией осуществляется включение эталонных токов. Их суммарная величина и определяет амплитуду принимаемого отсчета. Необходимо отметить, что для уменьшения погрешности преобразования уровни
квантования декодера смещены на половину шага квантования по отношению к уровням кодера. Для этого в БЭК добавлен еще один, 12-й корректирующий эталон, равный 0,5 шага квантования соответствующего сегмента.
3.3. Практические задания
Цель работы - исследовать работу основных узлов нелинейного кодера. Изучить алгоритм нелинейного кодирования типа А-87,6/13.
Порядок выполнения работы
1. Изучить состав принципиальной схемы нелинейного кодера, структурная схема которого приведена на рис. 3.3.
Преобразователь кода
2
3
4
5 6
7
8
8
6 7
5
1
ГЭТ
Циф ровой
регистр
" -"
3 4
Э
2
2 3 4 5 6 7
1
1
2 … 11
1
Б
К
1
" +"
ГЭТ
8 9 10 11 12
К
2 … 11
А И М -2
Компрессирующая
логика
С и гн а л
Г е н е р а то р н о е о б ор у до в а н и е
Рис. 3.3. Структурная схема нелинейного кодера
26
С и гн а л
И КМ
2. Исследовать работу генератора эталонных токов на матрице резисторов R – 2R.
2.1. Собрать ГЭТ со схемой резистивной матрицы R – 2R, изображенной на рис. 3.4. Изучить назначение элементов.
Рис. 3.4. Схема изучения работы генератора эталонных токов
Принципиальная схема формирует 11 эталонных сигналов – напряжений (1 - 2 – 4 – 8 – 16 – 32 – 64 – 128 – 256 – 512 - 1024) мВ. Включение
выбранного эталона осуществляют переводом вправо переключателя клавишами 1, 2 … 9, A, B. Максимальное значение напряжения составляет
2047 мВ.
2.2. Изучить принцип работы схемы, для этого переключателями задать управляющий цифровой сигнал (в таблице 3.1 слева – старший разряд, управляется клавишей B). Определить показания мультиметра (вольтметра), записать в таблицу 3.1.
Таблица 3.1. Результаты преобразования
Двоичный 11-разрядный код
10001011001
01100101010
00110001001
Десятичное значение сигнала, мВ
27
2.3. Выполнить преобразование десятичного значения сигналов в двоичный код, включая определенные эталоны, проверить по мультиметру.
Результат в двоичном коде записать в таблицу 3.2.
Таблица 3.2. Результаты преобразования
Десятичное значение сигнала, мВ
1032
245
19,4
Двоичный 11-разрядный код
Определить ошибку квантования (абсолютную погрешность) и относительную ошибку квантования:
 кв  U вх  U кв ,
(3.2)
 кв
(3.3)
 отн 
U кв
.
3. Изучить принцип работы компаратора.
3.1. Собрать схему, изображенную на рис. 3.5. Изучить назначение
элементов.
3.2. Установить потенциометром напряжение на входе компаратора в
соответствии с таблицей 3.3.
Таблица 3.3. Результаты измерений
Номера эталонов Напряжение ГЭТ
Uвх, мВ
ГЭТ
Uэт., мВ
40
260
Компаратор 0/1
3.3. Произвести нелинейное кодирование напряжений (выбрать основной и четыре дополнительных эталона).
3.4. Переключателями 1…А, В включить рассчитанные эталоны. Контролировать действия по индикатору на выходе компаратора (0/1) и вольтметров на входе/выходе. Результат записать в отчет и сделать вывод.
28
Рис.3.5. Схема для изучения работы компаратора
4. Изучить принцип работы цифрового экспандера (компрессирующей
логики).
4.1. Собрать схему, изображенную на рис. 3.6. Изучить назначение
элементов. Схема цифрового экспандера (Expander) построена на логических элементах в базисе И – ИЛИ – НЕ и предназначена для преобразования 7-разрядного входного кода в 11-разрядный выходной. Схема содержит около 50 элементов и ввиду сложности здесь не рассматривается.
Индикаторы отображают выходной управляющий сигнал в двоичном
коде. Слева - старший разряд. Эти сигналы управляют включением соответствующих эталонов (1024 … 1) блоком коммутации эталонов.
Рис. 3.6. Схема для изучения цифрового экспандера
29
Переключатели моделируют работу регистра памяти с логикой управления. Управляются клавишами 2 .. 8, в правом положении формируется
логическая 1.
Алгоритм обработки сигнала состоит из выбора основного эталона
клавишами 2, 3, 4 за три такта и выбора дополнительных эталонов (клавиши 5, 6, 7, 8) за четыре такта.
5. Изучить принцип работы блока коммутации эталонов (БКЭ).
5.1. Собрать схему, изображенную на рис. 3.7. Изучить назначение
элементов схемы.
Рис. 3.7. Схема для изучения работы БКЭ
Переключатель (клавиша Space – пробел) формирует логические 1/0,
соответствующие положительной/отрицательной полярности.
С помощью индикаторов контролируют уровни управляющих сигналов на входе/выходе БКЭ. GETPlus и GETMinus – источники положительных и отрицательных эталонных токов. К выходу подключен вольтметр
для измерения выходного напряжения.
5.2. Включить схему, перевести переключатель несколько раз в противоположное положение, контролировать работу БКЭ по индикаторам.
5.3. Определить, какие напряжения коммутирует ГЭТ. Записать показания вольтметра в отчет.
6. Изучить принцип работы цифрового регистра.
6.1. Собрать схему, изображенную на рис. 3.8. Изучить назначение
элементов схемы.
30
Рис. 3.8. Схема для изучения цифрового регистра
Элементы DD2 и DD3 – ячейки памяти, а DD1 – логика для формирования двоичного кода. Всего таких схем 8 по числу разрядов. Распределитель сигналов Raspred управляет работой всей схемы. Источник с напряжением U=230 мВ имитирует входной АИМ – 2 сигнал. Источники с
напряжением 128 и 512 мВ - эталоны, входят в состав ГЭТ. Они переключаются вручную переключателем 1.
6.2. Установить эталон 128 мВ, включить схему, записать показания
индикаторов.
6.3. Установить эталон 512 мВ, выполнить второй такт, запустив генератор (нажав Pause). Записать результат в таблицу 3.4.
Таблица 3.4. Результаты измерений
Uвх, мВ
Uэтап., мВ
230
128
230
512
Компаратор
«2» код
7. Изучить принцип работы преобразователя кода.
7.1. Собрать схему, изображенную на рис. 3.8. Изучить назначение
элементов схемы. Генератор цифровых слов формирует сигнал, имитирующий 8-разрядный параллельный код (d0 – d7) кодера. Преобразователь
кода синхронизируется сигналом Clock. Загрузка параллельного кода происходит по срезу сигнала Shift / Load
7.2. Включить схему, активизировать окно осциллографа. Загрузить в
генератор код 011011012, (6D16), двойным щелчком активизировать окно
31
генератора. Зарисовать осциллограммы сигнала загрузки и выходного сигнала за 2 – 3 периода.
Рис. 3.8. Схема для изучения преобразователя кода передач
Требования к оформлению отчёта
Отчёт должен содержать: титульный лист; задание; рисунки исследуемых и реализованных принципиальных схем; графики и диаграммы исследуемых и полученных в ходе выполнения работы сигналов.
Контрольные вопросы
1. Сколько и какие эталоны токов используются в генераторе эталонных токов?
2. Каково назначение блока компрессирующей логики?
3. Объяснить работу блока коммутации эталонов.
4. Объяснить работу преобразователя кода.
5. Объяснить назначение и принцип работы компаратора.
6. Объяснить назначение цифрового регистра.
32
4. Синхронизация в системах передачи данных
4.1. Классификация систем синхронизации
Синхронизация есть процесс установления и поддержания определенных временных соотношений между двумя и более процессами. Ниже
приведена классификация систем синхронизации.
Системы синхронизации
1. Цикловая
2. Групповая: маркерный, безмаркерный.
3. Поэлементная:
3.1. С автономным генератором: синхронизация старт-стопная.
3.2. Принудительная:
3.2.1. Передача синхросигнала по отдельному каналу;
3.2.2. Использование рабочей последовательности:
а) Разомкнутые системы;
б) Замкнутые системы:
– с непосредственным воздействием на частоту генератора (дискретное изменение частоты; непрерывное изменение частоты);
– с косвенным воздействием на частоту генератора (с n коэффициентом деления; добавление и вычитание импульсов).
Поэлементная синхронизация позволяет на приеме правильно отделить один единичный элемент от другого и обеспечить наилучшие условия
для его регистрации.
Групповая синхронизация обеспечивает правильное разделение принятой последовательности на кодовые комбинации.
Цикловая синхронизация обеспечивает правильное разделение циклов
временного объединения элементов на приеме. Обычно задачи цикловой и
групповой синхронизаций решаются одними и теми же методами.
К системам синхронизации предъявляются следующие требования:
1. Высокая точность синхронизации.
2. Малое время вхождения в синхронизм, как при включении оборудования, так и после перерыва связи.
3. Сохранение синхронизации при действии помех и кратковременных
перерывах связи.
33
4. Независимость точности синхронизации от статистической структуры, передаваемой последовательности.
4.2. Оценка параметров систем цикловой синхронизации
Оценку основных параметров систем цикловой синхронизации проведем применительно к неадаптивному приемнику синхросигнала.
Система цикловой синхронизации может находиться в одном из следующих состояний:
1) система находится в синхронизме и режиме захвата (основное состояние);
2) система находится в состоянии синхронизма, но в режиме поиска;
3) система вне синхронизма, но в режиме захвата (ложный синхронизм);
4) система вне синхронизма и в режиме поиска;
5) система в синхронизме и в режиме контроля;
6) система вне синхронизации, но в режиме контроля.
Рассмотрим параметры, характеризующие процесс перехода системы
из основного режима в режим поиска. Будем считать, что система переходит в режим поиска в том случае, если при v последовательных опробований не подтверждается наличие циклового синхросигнала на контролируемых позициях цикла. Значение v фактически определяет емкость накопителя по выходу из синхронизма. Поскольку точный момент выхода системы из синхронизма является случайным, то можно считать, что в среднем
он возникает в середине цикла. Тогда минимальное время обнаружения
выхода из синхронизма:
tвых. мин  Tn (v  0,5)
(4.1)
где Tn – длительность одного цикла.
Если цикловой синхросигнал состоит из dцc, символов и при каждом
опробовании допускается искажение не более С символов синхросигнала
(при этом он считается правильно принятым), то вероятность имитации рим
синхросигнала, т.е. возникновения ложной синхрогруппы, будет складываться из вероятностей полной имитации, имитации с искаженными од34
ним, двумя и, наконец, с символами. В этом случае вероятность имитации
синхросигнала равна
pим 
1
2
d ЦС
d ЦС !
C
 k !(d
k 0
ЦС
 k)
,
(4.2)
а вероятность обнаружения выхода из синхронизма
pобн  1  pим
(4.3)
Выбор структуры синхросигнала
Анализ результатов свидетельствует о том, что существует оптимальная длина циклового синхросигнала, при которой обеспечивается минимальное время обнаружения выхода из синхронизма. При этом, с
точки зрения обеспечения минимального среднего времени обнаружения
выхода из синхронизма, наилучшими являются короткие цикловые синхросигналы, а для достижения высокой вероятности обнаружения (свыше
90%) предпочтительными выглядят более длинные синхросигналы.
Определение оптимальной структуры синхросигнала заключается в
выборе такой комбинации символов, которая при фиксированной длительности цикла обеспечивает минимальное время поиска. При равной вероятности формирования 1 и 0 в групповом ИКМ сигнале вероятность
формирования кодовых групп любой структуры одинакова, следовательно,
одинаково их среднее число в рассматриваемом отрезке группового сигнала. Однако среднее время поиска синхросигнала при использовании в качестве синхронизирующих кодовых групп различной структуры весьма
различно.
Поэтому при выборе структуры синхросигнала необходимо оценить
суммарное время его поиска:
M (tп )  M (tп )сл  M (tп )с ,
35
(4.4)
где 𝑀(𝑡п )сл – среднее время поиска синхросигнала в зоне случайного сигнала, включающего в себя 𝐷 − 𝑑цс импульсных позиций в цикле, на которых кодовые группы символов формируются без участия символов синхросигнала; 𝑀(𝑡п )с – среднее время поиска синхросигнала, включающего в
себя 2𝑑цс − 1 импульсных позиций, на которых кодовые группы длиной 𝑑цс формируются с использованием хотя бы одного символа синхросигнала.
Поскольку кодовые группы различной структуры группируются в случайном цифровом потоке по-разному, то в зависимости от структуры синхросигнала будет изменяться время его поиска в каждой из указанных зон.
В результате многочисленных исследований было предложено несколько групп импульсных последовательностей определенной структуры,
рекомендованных к использованию в качестве синхросигнала. Один из методов анализа различных кодовых групп основан на понятии критических
точек.
В соответствии с этим понятием кодовая группа длиной 𝑑цс символов
имеет критические точки после тех первых i символов, которые оказываются идентичными последним j символам. Тогда наименьшее число критических точек в кодовых группах – одна (например, в группе 0111...1 – на
последнем символе), а наибольшее – 𝑑цс (в кодовой группе 111... 1 – на
каждом символе). Кодовая группа вида 0101...01 имеет в своем составе 𝑑цс /2 критических точек на всех символах.
Сравним среднее время поиска синхросигнала при использовании в
качестве синхрогрупп с одной и 𝑑цс критическими точками. Среднее время
поиска синхросигнала в зоне случайного сигнала определяется выражением:
d

2 цс
1 
 Tц ,
M (tп )сл  (a  dцс  1)  d

k
 (2 цс  1) i 1 2bi a  dцс 
(4.5)
где а – число информационных символов в цикле; b – число символов от
начала кодовой комбинации до i-й критической точки; k – число критических точек; Tц – период следования циклов.
36
Тогда при использовании кодовых групп с одной критической точкой
получим:
 2dцс
1 
M (tп )сл  (a  dцс  1)  dцс

 Tц .
 (2  1) a  dцс 
(4.6)
В этом случае, когда поиск ведется в зоне самого синхросигнала и в
качестве синхрогрупп выбраны кодовые группы с одной критической точкой, вероятность формирования ложного синхросигнала равна нулю, а
время поиска синхросигнала в этой зоне равно ее длительности, т.е.:
M 1 (tп ) 
2Tц (dцс  1)
a  dцс
.
(4.7)
Для кодовых групп с 𝑑цс критическими точками среднее время поиска
в зоне синхросигнала можно определить по формуле:
 2dцс (a  dцс  1)
a  dцс  1 
dцс 1
M 2 (tп )сл  


 s1 2s1 (a  d )  Tц ,
dцс
2
(2

1)
цс 


(4.8)
Тогда общее время поиска синхросигнала при использовании в качестве синхрогруппы кодовых комбинаций с одной критической точкой составит:
 a  d  1 a  dцс  1 
M 1 (tп )   dцс цс

 Tц ,
a

d
2

1

цс 

(4.9)
Рассмотрим в качестве примера цикл вторичной ЦСП, имеющий следующие параметры: число информационных символов в цикле а = 1048,
число синхросимволов 𝑑цс = 8, 𝑇ц = 125 мкс. В этом случае 𝑀1 (𝑡п ) =
(1041/255 + 1055/1056) 125 = 625 мкс и 𝑀2 (𝑡п ) = (1041/2552 + 1055/1056 +
3,2) 125 = 775 мкс.
37
Применение в качестве синхрогрупп кодовых комбинаций с одной
критической точкой обеспечивает меньшее время восстановления синхронизма. При более длинных циклах кодовые группы, имеющие в своем
составе 𝑑цс критических точек, оказываются более эффективными.
4.3. Поэлементная синхронизация
Рассмотрим устройство поэлементной синхронизации с добавлением
и вычитанием импульсов (рис. 4.1).
От порогового
устройства
Тактовый
импульс
ФД
-
+
РС
Г
Д
+
УДВИ
Рис. 4.1. Схема устройства синхронизации
Это устройство синхронизации без непосредственного воздействия на
частоту задающего генератора состоит из следующих блоков:
- Задающего генератора ЗГ (Г);
- Фазового детектора ФД, в состав которого входит формирователь импульсов фронта Ф.И.Ф.;
- Делителя частоты ДЧ (Д) с постоянным коэффициентом деления m;
- Устройства добавления и вычитания импульсов УДВИ;
- Реверсивного счетчика РС емкостью S, работающего в режимах: а –
нормальный процесс деления (m = 4); б – добавление импульса; в –
исключение импульса.
ЗГ вырабатывает колебания с частотой fзг. Фазовый детектор определяет величину расхождения по ЗМ и ТИ генератора. Если частота генератора приемника больше, чем частота генератора передатчика (приемник
«спешит»), то на входе схемы появится управляющий сигнал, который,
38
пройдя реверсивный счетчик (усредняющее устройство), поступит на вход
УДВИ, которая запретит прохождение одного импульса от ЗГ, в результате
чего тактовая последовательность сдвинется на величину Δt в сторону отставания (в). Если же частота генератора приемника частоты генератора
передатчика (приемник «отстает»), то на выходе схемы появится сигнал
управления, который укажет УДВИ добавить еще один импульс, в результате чего тактовая последовательность на выходе делителя сдвинется на Δt
в сторону опережения (б).
При пропадании входного сигнала положение тактовой последовательности на выходе делителя обусловлено лишь значением коэффициента
деления и нестабильностью ЗГ.
Реверсивный счетчик включен в схему для уменьшения влияния краевых искажений, величина которых носит случайный характер. Он играет
роль усредняющего устройства и представляет собой элемент задержки
управляющих сигналов не менее, чем на S тактов, где S – емкость счетчика. При поступлении на один из входов подряд S импульсов на выходе РС
появится управляющий сигнал. Если же в процессе синхронизации на левый вход поступит (S – 1) импульс, а затем на правый вход также поступит
(S – 1) импульс, то счетчик возвращается в исходное состояние. Включение РС приводит к увеличению времени синхронизации. Ложное корректирование фазы может произойти лишь в том случае, когда в S подряд
принимаемых информационных элементах ЗМ смещены влево или вправо
относительно идеального положения. Такое событие маловероятно.
4.4. Оценка параметров поэлементной синхронизации
1. Шаг коррекции (Δφ) – смещение фазы ТИ в долях единичного интервала (τ0) на выходе делителя частоты (ДЧ) при добавлении или вычитании одного корректирующего импульса.
 
t
0

1
,
m
где m – коэффициент деления делителя частоты.
39
(4.10)
2. Интервал времени между двумя подстройками. Минимальный интервал времени между двумя подстройками равен τ0, если передается последовательность вида 10101010… и отсутствует усредняющее устройство
(реверсивный счетчик), т.е. S = 1. Если есть реверсивный счетчик, то этот
интервал равен Sτ0. В общем случае интервал времени между двумя подстройками определяется как lS0 , где l – среднее число принимаемых подряд элементов одного знака, определяющее период корректирования.
3. Время вхождения в синхронизм (время синхронизации) t c. Это время зависит от первоначального расхождения по фазе тактовой последовательности, вырабатываемой на приеме, и принимаемой последовательности ЗМ. Рассмотрим случай, когда сдвиг по фазе максимален, и ТИ сдвинуты относительно идеального положения на 0,5τ0.
Подстройка производится шагами, при каждом шаге ТИ смещаются
на время Δt. Тогда число шагов, необходимое для подстройки, будет равно
nш 
0 m
 .
2 t 2
(4.11)
Если подстройка осуществляется через интервал l0 , то время, необ-
0
 l0 . Учитывая
2 t
увеличение интервала между подстройками за счет реверсивного счетчика,
окончательно получаем:
ходимое для вхождения в синхронизм, определится как
tc 

1
mSl
, m 0 ; B
2B
t
0
(4.12)
Для случая передачи текста ( l = 3) время синхронизации равно
3 mS
tc  
.
2 B
40
(4.13)
4. Время поддержания синхронизма tп.с.. Это время, в течение которого фаза синхроимпульсов не выйдет за допустимые пределы при прекращении работы устройства синхронизации.
t п .с . 
 доп.
,
2kB
(4.14)
где εдоп.– допустимая величина смещения ТИ в долях единичного интервала. В качестве εдоп. обычно используют величину теоретической исправляющей способности приемника, уменьшенную на величину погрешности
синхронизации, т.е. εдоп. = μ – ε. Тогда
t п .с . 
 
.
2kB
(4.15)
Поскольку величина теоретической исправляющей способности приемника определяется способом регистрации заранее известна, то увеличение времени tп.с при заданной скорости модуляции В может быть достигнуто лишь уменьшением коэффициента нестабильности задающих генераторов.
5. Погрешность синхронизации. Погрешность синхронизации целесообразно рассматривать как сумму двух погрешностей:
– статической погрешности синхронизации εст., определяемой нестабильностью задающего генератора и шагом коррекции;
– динамической погрешности εдин., вызываемой краевыми искажениями единичных элементов:
ε = εст.+ εдин..
(4.16)
В свою очередь, статическая погрешность синхронизации εст. складывается из двух составляющих: погрешности, обусловленной дискретным
шагом синхронизации, и погрешности, обусловленной смещением ТИ за
время между двумя подстройками:
41
 ст.    2kSl 
1
 2kSl ,
m
(4.17)
где Δφ – шаг коррекции; 2k – суммарный коэффициент нестабильности задающих генераторов передатчика и приемника; S – емкость реверсивного
счетчика; l – среднее число принимаемых элементов одного знака, определяющее период корректирования. Динамическая погрешность εдин. является случайной величиной и подчиняется гауссовскому закону с плотностью вероятности
f   дин.  
1
 дин.
  2дин. 
exp   2  .
2
 2 дин. 
(4.18)
Среднеквадратическое значение σдин. можно рассчитать по следующей
формуле:
 дин. 
0,628 кр.
mS
,
(4.19)
где σкр. – среднеквадратическое значение краевых искажений единичных
элементов.
С вероятностью, близкой к единице, можно утверждать что случайная
величина εдин. не будет превышать своего утроенного среднеквадратического значения (правило «трех сигм»). Следовательно, для оценки значения εдин. можно воспользоваться выражением
дин.  3дин.  3
0,628 кр.
mS
.
(4.20)
Общее выражение для оценки погрешности синхронизации имеет вид:

0,628 кр.
1
 2kSl  3
.
m
mS
42
(4.21)
6. Вероятность срыва синхронизации по элементам Рс.с. – это вероятность того, что фаза синхроимпульсов под действием помех сместится на
величину 0,5 0 . Такой сдвиг фазы нарушает работу устройств синхронизации и приводит к сбою групповой синхронизации. Уменьшить величину
Рс.с можно путем увеличения времени усреднения сигналов корректирования, т.е. уменьшить емкость реверсивного счетчика S. Однако время синхронизации будет также расти пропорционально S, а период корректирования уменьшаться. Следовательно, необходимо решать и другую оптимизационную задачу – выбора параметров с учетом конкретных условий передачи для обеспечения минимума.
При проектировании и расчете устройств синхронизации обычно задаются следующие параметры: погрешность синхронизации ε; скорость
модуляции В; среднеквадратическое значение краевых искажений σкр.; исправляющая способность приемника μ; время синхронизации tc; время
поддержания синхронизма tп.с. на основании заданных параметров рассчитываются: частота задающего генератора fзг; допустимый коэффициент нестабильности генератора k; емкость реверсивного счетчика S; коэффициент
деления делителя m. Коэффициент нестабильности задающего генератора
определяется значением:
k ≤ (μ – ε)/(2Btп.с).
(4.22)
Емкость реверсивного счетчика S и коэффициент деления делителя
определим из системы уравнений (1) и (3) относительно S и m:
S
   дин.
1
2kl 
tc B
;
m
tc B
.
S
Частота задающего генератора определяется как fзг = m B.
4.5. Практические задания
43
(4.23)
Цель работы - изучение параметров систем синхронизации, принципов расчета характеристик дискретных каналов передачи.
Порядок выполнения работы
1. Коэффициент нестабильности задающего генератора устройства
синхронизации K = 10-6. Исправляющая способность приемника μ = 40%.
Краевые искажения отсутствуют. Постройте зависимость времени нормальной работы (без ошибок) приемника от скорости телеграфирования
после выхода из строя фазового детектора устройства синхронизации. Будут ли возникать ошибки, спустя минуту после отказа фазового детектора,
если скорость телеграфирования В = 9600 Бод?
2. В системе передачи данных используется устройство синхронизации без непосредственного воздействия на частоту задающего генератора.
Скорость модуляции равна В, шаг коррекции должен быть не более Δφ.
Определить частоту задающего генератора и число ячеек делителя частоты, если коэффициент деления каждой ячейки равен двум. В = 1000 + 10N;
Δφ = 0,01 + 0,003N, где N – номер варианта.
3. Рассчитать параметры устройства синхронизации без непосредственного воздействия на частоту задающего генератора со следующими
характеристиками: время синхронизации не более 1 c, время поддержания
синфазности не менее 10 c, погрешность синхронизации не более 10%
единичного интервала τ0, среднеквадратическое значение краевых искажений равно 0.1τ0, исправляющая способность μ = 45%, коэффициент нестабильности генераторов K = 10-6. Скорость модуляции В = 600 + 10N, где N
– номер варианта. Будет ли реализуемо устройство синхронизации без
непосредственного воздействия на частоту задающего генератора, обеспечивающее погрешность синхронизации ε = 0,5N% единичного интервала
при данных условиях.
Требования к оформлению отчёта
Отчёт должен содержать: титульный лист; задание на практическую
работу; результаты расчетов и выполнения задания.
Контрольные вопросы
1. Общая схема системы передачи дискретных сообщений.
2. Основные виды и назначение систем синхронизации.
3. Параметры систем цикловой синхронизации.
44
4. Схема устройства поэлементной синхронизации.
5. Параметры системы синхронизации с добавлением и вычитанием
импульсов.
6. Методы определения скорости передачи информации для дискретного и расширенного дискретного каналов.
5. Неадаптивные приемники синхросигнала
5.1. Структурная схема неадаптивного приемника синхросигнала
Структурная схема неадаптивного приемника синхросигнала показана
на рис. 5.1 Групповой ИКМ сигнал поступает на вход опознавателя, построенного по схеме, показанной на рис. 5.1. Анализатор содержит схемы
(элементы) НЕТ и И2. Появление импульса на выходе схемы И2 означает
совпадение по времени синхросигнала и контрольного импульса от ГОпр.
Появление импульса на выходе схемы НЕТ означает отсутствие синхросигнала в момент появления контрольного импульса от ГОпр.
Решающее устройство (РУ) содержит накопитель по выходу из синхронизма, накопитель по входу в синхронизм и схему И3. Накопители по
входу в синхронизм и выходу из синхронизма выполнены по схеме счетчика со сбросом. Накопитель по выходу из синхронизма необходим для
исключения ложного выхода из синхронизма, когда в групповом ИКМ
сигнале произошло изменение структуры синхросигнала. Обычно накопитель по выходу из синхронизма содержит четыре-шесть разрядов (на рис.
5.1 накопитель содержит четыре разряда). Это обеспечивает помехозащищенность приемника синхросигнала от искажений синхрогруппы в групповом ИКМ сигнале по каким-либо причинам.
Накопитель по входу в синхронизм обеспечивает защиту приемника
синхросигнала от ложного синхронизма в режиме поиска синхрогруппы,
когда на вход опознавателя поступают случайные комбинации группового
цифрового сигнала, совпадающие с синхросигналом. Обычно накопитель
по входу в синхронизм содержит два-три разряда (на рис. 5.1 накопитель
содержит три разряда).
45
Рис. 5.1. Структурная схема неадаптивного приемника синхросигнала
Управление работой ГОпр производится схемой И4, которая в режиме
поиска синхронизма при поступлении синхросигнала установит в начальное положение разрядный РР и канальный РК распределители, определяя
тем самым начало их работы. На выходе схемы И4 формируется контрольный импульс синхронизма от ГОпрм. Появление этого импульса по времени
должно произойти в определенный разрядный интервал определенного канального интервала в соответствии с тактовой частотой. Для этого используется схема И с тремя входами.
Если система передачи находится в состоянии синхронизма, то сигнал
с выхода опознавателя совпадает по времени с сигналом от ГОпр (выход
схемы И4). При этом на выходе схемы НЕТ, соединенной с накопителем по
выходу из синхронизма, сигнал отсутствует, а на выходе схемы И4, соединённой с накопителем по входу в синхронизм, формируется сигнал, соответствующий моменту опознания синхрогруппы. В результате накопитель
по входу в синхронизм оказывается заполненным, а накопитель по выходу
46
из синхронизма - разряженным до нулевого состояния. Ложные синхрогруппы, формируемые в групповом ИКМ сигнале, вследствие случайного
сочетания 1 и 0 не совпадают по времени с сигналом на выходе ГОпр, следовательно, и не участвуют в процессе накопления.
При кратковременных искажениях (один - три цикла подряд для данной схемы) синхросигнала, возникающих либо при сбоях синхронизации в
цифровых потоках более высокого порядка, либо под действием помех,
сигнал с выхода ГОпр проходит через схему НЕТ на вход накопителя по
выходу из синхронизма, который не успеет заполниться. Сбоя синхронизации при этом не происходит, и первый же сигнал, с выхода накопителя по
входу в синхронизм осуществляет сброс накопителя по выходу синхронизма в нулевое состояние. Таким образом, кратковременные искажения
синхросигнала не нарушают работу ГОпр.
При длительном нарушении синхронизма (синхросигнал отсутствует
четыре цикла подряд для схемы рис. 2.1) накопитель по выходу из синхронизма будет полностью заполнен и на его выходе появится 1, что является
сигналом к поиску синхронизма. Теперь первый же импульс от опознавателя при появлении синхросигнала пройдет через схему И3 и установит 0 в
последнем разряде накопителя по выходу из синхронизма и во всех разрядах накопителя по входу в синхронизм, а также установит в начальное положение РР и КР генераторного оборудования приема. Следующее опознание синхросигнала будет произведено ровно через цикл. Если синхросигнал выделен верно, то через цикл произойдет совпадение очередного
синхросигнала и контрольного сигнала от ГОпр. В этом случае в накопитель по входу в синхронизм поступает 1. Когда это произойдет три раза
подряд (для схемы рис. 5.1), накопитель по входу в синхронизм заполнится
и установит 0 в первых трех разрядах накопителя по выходу из синхронизма (в четвертом разряде 0 уже установлен сигналом со схемы И4).
Трехкратное совпадение синхросигнала и контрольного сигнала от схемы
И4 ГОпр подтверждает установление синхронного режима работы передающей и приемной станций.
Возможно, но маловероятно, что в режиме поиска будет выделена
опознавателем случайная кодовая группа, совпадающая с синхросигналом.
В этом случае сигнал от опознавателя пройдет схему И4 и также установит
47
в начальное состояние РР и РК. Следующее опознавание синхросигнала
произойдет через цикл. Так как кодовые группы ИКМ сигнала носят случайный характер, то через цикл синхросигнал не будет выделен. В накопитель по выходу из синхронизма поступит 1, а он уже заполнен, и опять
начнется поиск синхросигнала. Процесс будет повторяться, пока не будет
выделен истинный синхросигнал.
5.2. Причины сбоя цикловой синхронизации
Рассмотрим причины, вызывающие сбой цикловой синхронизации.
Основными из них являются выход из синхронизма по тактовой частоте,
что приводит к изменению длительности цикла, так как в цикле появятся
или пропадут один или несколько тактовых интервалов, и искажение символов синхросигнала в результате воздействия помех. Главным источником последнего является оборудование линейного тракта. На временных
диаграммах (рис. 5.2) показано возникновение сбоев синхронизации, вызванных различными причинами для цифрового потока Е1. На временной
диаграмме 1 условно показан групповой сигнал, содержащий несколько
циклов. Каждый цикл содержит 256 информационных и служебных символов. Синхросигнал, например, имеет кодовую группу вида 111. На временных диаграммах 2 и 3 показаны импульсы от опознавателя и контрольные импульсы от ГОпр.
Из приведенных примеров можно сделать вывод, что в первом случае
защиту приемника синхронизации от сбоя обеспечивает накопитель по выходу из синхронизма, тогда как во втором случае желательно начинать поиск синхросигнала по первому его пропаданию. В этом случае накопитель
по выходу из синхронизма будет увеличивать время восстановления синхронизма, которое является одним из основных параметров системы цикловой синхронизации ЦСП.
При использовании ЦСП для организации соединительных линий
между АТС время восстановления синхронизма ограничивается несколькими миллисекундами. При передаче телефонных сообщений абонент
практически не заметит перерыва связи в несколько десятков миллисекунд, однако при сбое синхронизации нарушается работа каналов передачи
СУВ что может привести к разъединению абонентов. Допустимое время
48
пропадания каналов передачи СУВ, которое не отражается на работе приборов АТС и определяет допустимое время восстановления синхронизма,
обычно составляет около 2 мс. Для ЦСП более высокого порядка это время
очень ограничено.
Рис. 5.2. Временные диаграммы возникновения сбоев синхронизации
Диаграмма восстановления синхронизма tB неадаптивного приемника
синхросигнала показана на рис. 5.3. Полное время восстановления синхронизма состоит из времени накопления по выходу из синхронизма времени
поиска синхросигнала tn и времени накопления по входу в синхронизм.
Недостатки такого способа построения приемника циклового синхросигнала определяются прежде всего тем, что значения емкости накопите49
лей по входу и выходу из синхронизма фиксированы, а поиск синхронизма
при его сбое начинается только после времени накопления по выходу из
синхронизма. При увеличении вероятности ошибок в линейном тракте,
следовательно, и в групповом ИКМ сигнале время удержания синхронизма, определяемое емкостью накопителя по выходу из синхронизма, оказывается меньше требуемого значения, а при уменьшении вероятности
ошибки имеет место запас по времени удержания синхронизма и, следовательно, необоснованное время восстановления синхронизма, определяемое
емкостью накопителя по входу в синхронизм. Поскольку значение вероятности ошибки в линейном тракте ЦСП никогда не может быть точно установлено заранее, в неадаптивных приемниках синхросигнала практически
никогда не могут быть получены оптимальные параметры времени восстановления синхронизма.
tи.вых
tn
tи.вх
t
tв
Рис. 5.3. Диаграммы работы приемника синхросигнала
Указанный недостаток становится особо важным, когда передача
группового ИКМ сигнала осуществляется не по отдельной, а по нескольким ЦСП, которые к тому же могут работать не только по кабельным, но и
радиорелейным и спутниковым линиям передачи. При этом если передача
по кабельным линиям осуществляется обычно с достаточно низкой вероятностью ошибок (не более 10), то на радиорелейных и спутниковых линиях, характеризующихся наличием замираний, возможно временное повышение вероятности ошибок свыше 10-3. Поэтому при организации составных трактов ЦСП с использованием линий передачи с высокой и низкой
вероятностями ошибок емкость накопительных устройств приемника син-
50
хросигнала должна соответствовать режиму работы с высокой вероятностью ошибок. Очевидно, это требование не может быть реализовано при
фиксированных значениях емкости накопителей. Кроме того, для неадаптивного приемника синхросигнала характерно сравнительно большое время восстановления синхронизма из-за того, что процессы накопления и
поиска синхросигнала осуществляются последовательно.
Отмеченные недостатки практически устраняются при использовании
адаптивных приемников циклового синхросигнала, в которых процессы
накопления по выходу из синхронизма и поиска синхросигнала осуществляется параллельно.
5.3. Практические задания
Цель работы - исследовать работу приемника цикловой синхронизации. Научиться производить измерения параметров в цифровых устройствах.
Порядок выполнения работы
1. Собрать структурную схему неадаптивного приемника циклового
синхросигнала.
1.1. Зарисовать принципиальную схему, приведенную на рис. 5.4.
Рис. 5.4. Структурная схема неадаптивного приемника синхросигнала
Генератор цифровых слов формирует цифровой линейный сигнал со
структурой циклового синхросигнала 1101100.
При изучении работы неадаптивного приемника нужно изменять
структуру сигнала.
51
Контроль состояния узлов осуществляют с помощью индикаторов.
2. Изучить структурную схему опознавателя неадаптивного приемника циклового синхросигнала.
2.1. Опознаватель построен на сдвиговом регистре и логической схеме
7&. Сдвиговый регистр построен на D – триггерах. Три инвертора, подключенные к определенным прямым выходам триггеров, при приеме синхросигнала вида 1101100 формируют логические 1. При правильном приеме синхросигнала на выходе опознавателя формируется 1, иначе 0.
Условное обозначение регистра сдвига - Register. Схема приведена на
рис. 5.5. На вход «Синхронизация» подаются сигналы синхронизации, под
действием которых осуществляется сдвиг вправо информации, поступающей на «Вход».
Схема для исследования опознавателя приведена на рис. 5.6.
Рис. 5.5. Принципиальная схема регистра сдвига
Генератор цифровых слов настроен для работы в пошаговом режиме
(Step). Работа схемы контролируется индикатором HL. Логический индикатор позволяет контролировать входной, семь промежуточных и один
выходной сигнал.
2.2. Зарисовать принципиальную схему регистра сдвига, приведенную
на рис. 5.5.
2.3. Зарисовать схему для изучения работы опознавателя, приведенную на рис. 5.6 (без окна генератора и логического анализатора). Собрать
схему, изображенную на рис. 5.6.
2.4. Включить схему и активизировать окно логического индикатора,
зарисовать временные диаграммы сигналов в контрольных точках для синхронного режима.
52
Рис. 5.6. Схема для изучения работы опознавателя
3. Исследовать работу схемы анализатора.
3.1. Собрать схему, изображенную на рисунке 5.7. Анализатор состоит
из двух логических элементов - 2& и схемы НЕТ (ЗАПРЕТ).
Рис. 5.7. Схема для изучения анализатора
3.2. Изучить работу логического элемента 2-И:
Установить переключатель влево (клавишей Q), активизировать логический преобразователь (Logic Converter) и выбрать режим представления
логических уровней в виде таблицы истинности (верхняя клавиша на лицевой панели). Записать результаты в таблицу.
3.3. Изучить работу логического элемента «Запрет»:
53
Установить переключатель вправо (клавишей Q), получить таблицу
истинности и записать результат в отчет.
4. Изучить принцип действия схемы накопителя по входу в синхронизм.
4.1. Схема накопителя по входу в синхронизм, изображенная на рис.
5.8, представляет собой трехразрядный счетчик с возможностью установки
(сброса) в 0 сигналом Сброс.
Рис. 5.8. Принципиальная схема накопителя по входу
На левые входы подаются:
- Вход - информационный сигнал с анализатора. В синхронном режиме – последовательность 1, а в асинхронном – случайная последовательность 0 и 1;
- Синхр. - сигнал синхронизации от генераторного оборудования.
Выходной сигнал в синхронном режиме имеет высокий уровень 1, а
при 3 и более сбоях – низкий уровень.
4.2. Собрать схему, изображенную на рис 5.9.
В левом положении переключателя Space - синхронный режим, в правом - сброс (очистка) накопителя.
4.3. Включить схему, активизировать осциллограф и зарисовать осциллограммы в синхронном режиме.
54
Рис. 5.9. Схема для изучения работы накопителя по входу
4.4. Кратковременно несколько раз нажать клавишу Space (имитация
сбоя синхронизации), наблюдать искажение выходного сигнала, зарисовать осциллограммы.
4.5. Перевести переключатель Space вправо (режим потери синхронизма), зарисовать осциллограммы. Сделать вывод о состоянии счетчика в
различных режимах.
5. Исследовать работу схемы накопителя по выходу из синхронизма.
5.1. Схема накопителя по выходу из синхронизма, представляет собой
четырехразрядный счетчик с возможностью установки (сброса) в 0 сигналом Сброс 1 -3 первых трех разрядов, а Сброс 4 - независимо четвертого
разряда.
5.2. Собрать схему, изображенную на рис 5.10.
Переключателем 1 осуществляют сброс (активный уровень 1) трех
первых разрядов счетчика, это происходит в синхронном режиме сигналами от накопителя по входу.
Переключателем 2 - сбрасывают (активный уровень 1) четвертый разряд счетчика сигналом, подстраивающим ГО в момент обнаружения синхросигнала.
55
Рис. 5.10. Схема для изучения работы накопителя по выходу
5.3. Исследовать работу накопителя по выходу:
- включить схему, оба переключатели влево, активизировать логический индикатор. Приостановить работу симулятора (Pause), зарисовать все
сигналы в отчет;
- продолжить работу симулятора, повторно нажав Pause, организовать
сброс четвертого разряда несколько раз нажав клавишу 2. Зарисовать сигналы в отчет;
- изучить работу накопителя при кратковременном сбросе первых трех
разрядов клавишей 1.
Требования к оформлению отчёта
Отчёт должен содержать: титульный лист; задание; рисунки исследуемых и реализованных принципиальных схем; графики и диаграммы исследуемых и полученных в ходе выполнения работы сигналов.
Контрольные вопросы
1. Указать назначение опознавателя.
2. Указать назначение анализатора.
3. Каково назначение решающего устройства?
4. В каких режимах предусмотрена работа приемника цикловой синхронизации?
5. В чем недостаток неадаптивного приемника циклового синхросигнала?
6. Каково наибольшее время для восстановления синхронизма?
56
6. Моделирование схем обработки сигналов в программе
SystemView
Программа System View предназначена для моделирования различных
систем обработки сигналов, систем связи, систем автоматического управления и др. Она представляет собой «конструктор», позволяющий из стандартных кубиков создавать функциональные схемы устройств и выполнять
моделирование при воздействии различных сигналов и помех. Возможности System View расширяются за счет создания иерархических структур
(макромоделей или метасистем по принятой в System View терминологии),
библиотек пользователей, написанных на языке Си и реализуемых в виде
DLL-библиотек, и моделей, созданных в программе Matlab. По завершении
моделирования цифрового устройства данные о его структуре могут быть
переданы программе синтеза ПЛИС фирмы Xilinx. System View отличается
от известной программы LabView наличием большого количества специализированных библиотек.
6.1. Краткий обзор System View
Интерфейс System View состоит из двух основных окон: окна функциональных схем System (далее — окно System) и окна результатов моделирования Analysis (далее — окно Analysis). Функциональная схема моделируемого устройства создается в окне System (пример представлен на рис.
6.1), с использованием функциональных блоков (Tokens) из различных
библиотек, пиктограммы которых расположены в левой части экрана.
С помощью переключателя Select Library Reservoir (расположен с левого края панели инструментов) выбирается библиотека. В основной набор
(Main Libraries) входят библиотеки: Source (источники сигналов), Operator
(линейные операторы), Function (нелинейные функции), Sink (измерители,
анализаторы данных), а также Adder (сумматор) и Multiplier (умножитель).
Состав каталога дополнительных библиотек (Optional Libraries) таков:
Custom (библиотеки пользователей), Communication (устройства систем
связи – кодеры, декодеры, модуляторы, демодуляторы, модели каналов систем связи), DSР1 (элементы устройств цифровой обработки сигналов),
Logic (стандартные цифровые устройства), RF2/Analog (элементы трактов
57
аналоговой обработки сигналов), M-Link (связь с моделями, созданными в
программе Matlab).
Рис. 6.1 Окно функциональных схем System View
6.2. Моделирование гармонического сигнала
1. Создайте простейшую систему, в которой генерируется гармонический (синусоидальный) сигнал и вычисляется его квадрат. Схема представлена на рис. 6.2.
Рис. 6.2. Схема в окне ввода функциональных схем System View
58
Для проведения моделирования необходимо задать параметры моделирования: частоту моделирования (Sample Rate) и длительность реализации, которая обычно задается числом отсчетов (No. Of Samples). Для этого
имеется специальное окно, которое раскрывается после нажатия кнопки
«System Time». Щелчком по кнопке «System Time» откроем диалоговое
окно «System Time Specification». В простейшем случае можно принять параметры моделирования, заданные по умолчанию. Для этого надо в открывшемся диалоговом окне нажать «ОК».
Создайте схему, приведенную на рис. 6.2. На этой схеме четыре элемента, причем два из них одинаковые.
Поместите на рабочее поле источник гармонического сигнала. Для
этого дважды щелкнем левой кнопкой мыши на пиктограмме «Generic
Source» библиотеки «Main». Переместим элемент на рабочее поле.
Задайте параметры источника сигнала: двойным щелчком по символу
элемента откроем библиотеку «Source». Выберите группу «Periodic», затем
– источник синусоидального напряжения «Sinusoid». Параметры источника задаются в окне после нажатия кнопки «Parameters…». В поле
«Frequency» вводите значение частоты, например 4, остальные параметры
не изменяем и нажимаем «ОК». После этого на рабочем поле появится
первый элемент – источник гармонического сигнала с единичной амплитудой и частотой 4 Гц.
Выберете элемент квадратор из библиотеки «Generic Function». Поместите элемент «Function» на рабочее поле (блок 2). Двойным щелчком по
символу элемента откройте библиотеку «Function». Выберете группу
«Algebraic», затем – элемент возведения в степень х^а. В окне
«Parameters…» в поле «Exponent» вводим значение показателя степени 2 и
нажимаем «ОК». На рабочем поле появился второй элемент – устройство
возведения в квадрат мгновенных значений входного колебания.
Разместите на схеме анализатор данных «Sink». В каталоге библиотеки выберете группу «Graphic» и в ней элемент «System View» (виртуальный осциллограф). Рядом с этим анализатором автоматически располагается поле графика, на котором будет нарисована эпюра напряжения в процессе моделирования. Расположим поле графика так, чтобы оно не закрывало элементы схемы.
59
Для размещения второго анализатора данных «Sink» удобно продублировать уже имеющийся на схеме анализатор. Для этого воспользуйтесь
контекстным меню (меню правой кнопки мыши) анализатора данных
«Sink», где выбирайте команду «Duplicate Token».
Очевидно, что второй анализатор данных можно было бы разместить,
как и первый, с использованием библиотеки «Sink».
Расположите все четыре элемента в соответствии со схемой.
Установите связи между элементами. Для этого имеются две возможности. Первая – с использованием элементов панели инструментов. Альтернативой является соединение элементов при нажатой клавише Ctrl клавиатуры.
2. Выполните команду Run System (нажмите F5 или щелкните по
кнопке с зеленым треугольником на панели инструментов окна ввода схемы).
В графических окнах появятся графики процессов на выходе генератора и выходе квадратора. Для детального рассмотрения графиков каждое
окно можно увеличить после щелчка по нему левой кнопкой мыши.
3. Перейдите в окно анализа данных «Analysis», щелкнув по крайней
правой кнопке на панели инструментов. В нем должны появиться два графика. Если этого не произойдет, нажмите на кнопку «Load New System
Data», расположенную на панели инструментов окна анализа с левого края,
и затем кнопку «Open All Windows». В результате должны быть построены
два графика: синусоидального напряжения с частотой 4 Гц и его квадрата.
4. Нажмите на кнопку «Sink Calculator» и выберите группу «Operator».
Затем пункт «Overlay Plot» (наложение графиков). В окне заголовков графиков в правой верхней части диалогового окна надо отметить названия
двух виртуальных осциллографов (при нажатой клавише Ctrl). После
нажатия «ОК» в окне анализа данных будет построен новый график, на котором совмещены две осциллограммы.
5. Нажмите снова на кнопку «Sink Calculator» и выберем группу
«Spectrum». Затем выберем тип спектра «20 log |FFT|» и в списке окон отметим название графика, на котором построены два сигнала. В результате
откроется новое графическое окно с изображением спектров сигналов.
Проверим, что один спектр имеет максимум на частоте 4 Гц, а второй – на
60
частоте 8 Гц. Для упорядочивания всех графиков нажмем кнопку «Tile
Vertical» на панели инструментов окна «Analysis».
6.3. Моделирование фильтров нижних и верхних частот
1. Включение сигнала постоянного уровня на фильтры нижних частот
(ФНЧ) и верхних частот (ФВЧ) представлено на рис. 6.3.
Рис. 6.3. Схема для изучения ФНЧ и ФВЧ
Генератор: Source Library → Aperiodic/ Step Fct.
Параметры:
До создания схемы необходимо задать параметры моделирования:
Sample Rate = 100 Гц, No. Of Samples = 500.
Блоки, соответствующие моделям фильтров, можно найти в библиотеке Optional Libraries, затем войдите в библиотеку Rf/Analog → RCCircuits. Выберите блоки, указанные на рис. 6.3. Параметры этих блоков
(значения сопротивлений резисторов и емкостей конденсаторов) оставьте
без изменения.
Соберите схему до конца. Параметры источника сигнала: Amplitude
(v) = 1; Start Time (sec) = 0; Offset (v) = 0.
Проведите моделирование. Рассмотрите переходные процессы на выходах ФНЧ и ФВЧ. Измените уровень входного сигнала с 1 В на 2 В. Проведите моделирование и рассмотрите переходные процессы на выходах
фильтров.
Занесите в отчет схему моделирования, параметры моделирования,
параметры модели, переходные процессы на выходах фильтров. Поясните
вид переходных характеристик для этих двух фильтров.
61
Постройте АЧХ и ФЧХ для ФНЧ и ФВЧ на экране (в окне System) и
занесите их в отчет. Для построения частотных характеристик фильтров
надо дважды щелкнуть левой кнопкой мыши на пиктограмме блока, на
вкладке «Параметры» нажать кнопку «Bode Plot».
Желтым цветом на экране нарисована АЧХ, синим цветом — ФЧХ.
2. Воздействие линейно нарастающего сигнала на фильтр верхних частот (ФВЧ) (схема представлена на рис. 6.4).
Рис. 6.4. Схема для изучения ФВЧ
Генератор: Source Library → Aperiodic/Time.
Задайте параметры моделирования: Sample Rate = 100 Гц, No. Of
Samples = 500. Параметры модели ФВЧ оставьте без изменения. Параметры источника сигнала: Gain (v/sec) = 10; Offset (v) = 0.
Проведите моделирование (нажмите F5). Рассмотрите переходные
процессы на выходе фильтра. Поясните характер зависимости сигнала на
выходе фильтра от времени. Почему в установившемся режиме на выходе
фильтра устанавливается не нулевое напряжение, как в предыдущем случае, а имеется выходной сигнал некоторого уровня? Определите, как зависит этот уровень от скорости изменения воздействия.
Занесите в отчет схему моделирования, параметры моделирования,
параметры модели, переходные процессы на выходе фильтра при разных
значениях скорости изменения воздействия.
3. Прохождение одиночного импульсного сигнала на выход фильтров
нижних (ФНЧ) и верхних частот (ФВЧ) (схема представлена на рис.6.5).
62
Рис. 6.5 Схема для изучения прохождения одиночного импульса через ФНЧ и
ФВЧ
Генератор: Source Library → Aperiodic/ Step Fct.
Задайте параметры моделирования: Sample Rate = 100 Гц, No. Of
Samples = 1000. Параметры моделей фильтров такие же, как в примере 1.
Видеоимпульс формируется как сумма двух полубесконечных ступенчатых функций. Параметры блока 4: Amplitude (v) = 1; Start Time (sec) = 0;
Offset (v) = 0. Параметры блока 6: Amplitude (v) = – 1; Start Time (sec) = 5;
Offset (v) = 0.
Проведите моделирование (нажмите F5). Рассмотрите переходные
процессы на выходах ФНЧ и ФВЧ. Поясните характер зависимостей сигнала на выходе ФВЧ от времени. Поясните характер зависимостей сигнала
на выходе ФНЧ от времени. Занесите в отчет схему моделирования, параметры моделирования, параметры модели, переходные процессы на выходах фильтров.
4. Воздействие периодического импульсного сигнала на фильтры
ФНЧ и ФВЧ.
Генератор: Source Library → Aperiodic/PulseTrain.
Задайте параметры моделирования: Sample Rate = 100 Гц, No. Of
Samples = 1000. Параметры моделей фильтров такие же, как в примере 1.
Параметры источника сигнала: Amplitude (v) = 1; Frequency (Hz) = 0,5;
Pulse Width (sec) = 1; Offset (v) = 0; Phase (deg) = 0.
Проведите моделирование. Рассмотрите переходные процессы на выходах ФНЧ и ФВЧ. Поясните характер зависимостей сигнала на выходе
ФВЧ от времени. Поясните характер зависимостей сигнала на выходе ФНЧ
от времени.
63
Занесите в отчет схему моделирования, параметры моделирования,
параметры модели, переходные процессы на выходах фильтров. Опишите
словами особенности сигнала на выходе фильтров обоих типов и поясните
характерный вид этих зависимостей.
6.4. Генератор фазоманипулированного сигнала
Фазоманипулированный сигнал получается перемножением знакопеременной последовательности импульсов и синусоидального сигнала
(рис.6.6).
Рис. 6.6. Схема генератора фазоманипулированного сигнала
Генератор: Source Library → Noise/PN.
Параметры моделирования: Sample Rate = 1000 Гц, No. Of Samples =
2048. Параметры источника сигнала: Amplitude (±v) = 1; Rate (Hz) = 4,8;
No. Levels = 2; Offset (v) = 0; Phase (deg) = 0.
Предусмотрите вывод графиков модулирующей функции (выход блока 17) и модулированного сигнала выход блока 16).
Постройте и проанализируйте спектры этих колебаний.
6.5. Генератор амплитудно-модулированного (АМ) сигнала
Постройте схему формирования сигнала АМ (рис. 6.7), смоделировав
выражение: u (t )  [1  0,8cos(2 Ft )]sin(2 ft ) .
Параметры моделирования: Sample Rate = 1000 Гц, No. Of Samples =
2048. Параметры двух гармонических составляющих сигнала (блоки 0 и 1,
рисунок 9) F=10 Гц, f=100 Гц. Предусмотрите вывод графиков модулирующей функции и модулированного сигнала.
64
Добавьте белый гауссовский шум (блок 7). Смесь АМ сигнала и шума
подайте на полосовой фильтр (блок 8).
Рис. 6.7. Схема генератора АМ-сигнала
Параметры фильтра: аналоговый, Баттерворта, полосовой, порядок 3,
частоты среза Low Cutoff (f-F) Гц и Hi Cutoff (f+F) Гц. Выбор параметров
линейной системы осуществляется последовательно в окнах библиотеки
операторов и пояснено в п.п. а, б, в.
а) Фильтр: Operator → Linear Sys Filters.
б) Выберите тип фильтра – аналоговый (Analog), порядок 3.
в) Параметры фильтра: фильтр Баттерворта (Butterworth), полосовой
(Bandpass), порядок 3, частоты среза: Low Cutoff = (f-F) Hz, Hi Cutoff =
(f+F) Hz.
Постройте и проанализируйте спектры полученных сигналов.
В соответствии с заданными значениями частот модулирующего и несущего колебания выберите значения параметров моделирования: Sample
Rate, No. Of Samples, фильтра, обеспечивающих адекватное отображение
результатов моделирования. Постройте спектры полученных сигналов,
сравните с результатами предыдущей модели.
65
Заключение
Учебное пособие представляет собой методическое обеспечение для
выполнения практических, лабораторных и самостоятельных работ по курсам «Системы передачи данных» и «Проектирование и эксплуатация систем передачи». В работе содержится краткое изложение теоретического
материала с описанием отдельных блоков и структурных схем цифровых
систем передачи данных. В практических заданиях приводятся примеры
схем с использованием среды проектирования Multisim и SystemView.
В пособие не рассматриваются такие блоки системы как кодер источника и кодер канала, и основное внимание уделяется блокам модуляциидемодуляции, кодерам с нелинейной шкалой квантования, системе синхронизации. Отметим, что вопросы, связанные с изучением систем кодирования информации и защиты от помех изучаются в других курсах
направления подготовки бакалавров 09.03.01 «Информатика и вычислительная техника».
Библиографический список
1. Крухмалев В. В. Цифровые системы передачи: учебное пособие для
вузов /В.В. Крухмалев, В.Н. Гордиенко, А.Д. Моченов – М.: Горячая
линия - Телеком, 2007. – 352 с.
2. Иванов В. И. Цифровые и аналоговые системы передачи: Учебник для
вузов/ В. И. Иванов, В. Н. Гордиенко, Г. Н. Попов и др.; Под ред. В. И.
Иванова. - 2-еизд. - М.: Горячая линия – Телеком ,2003. – 232 с.
3. Алексеев Е. Б. Проектирование и техническая эксплуатация цифровых телекоммуникационных систем и сетей. Учебное пособие для вузов/ Е.Б. Алексеев, В.Н. Гордиенко, В.В. 2. Крухмалев и др.; Под ред.
В.Н. Гордиенко и М.С. Тверецкого. - М.: Горячая линия - Телеком,
2008. - 392 с.
4. Гордиенко В.Н., Тверецкий М.С. Многоканальные телекоммуникационные системы: учебник для вузов/ М.: Горячая линия - Телеком 2005. - 416с: ил.
5. Тверецкий М.С. Проектирование цифровых телекоммуникационных
систем: Учебное пособие / МТУСИ. - М, 2007. - 85 с.
66
Оглавление
Введение…………………………………………………………………………
1. Система передачи данных …………………………………………………..
1.1. Основные блоки системы ………………………………………………
1.2. Типы каналов ……………………………………………………………
1.3. Определение скорости передачи информации………………………...
2. Амплитудно-импульсная модуляция и временное разделение каналов …
2.1. Амплитудно-импульсная модуляция …………………………………
2.2. Временное разделение каналов …………………………………..........
2.3. Практические задания…………………………………………………..
3. Кодеры и декодеры с нелинейной шкалой квантования …………………
3.1. Структурная схема нелинейного кодера ………………………………
3.2. Структурная схема нелинейного декодера…………………………….
3.3. Практические задания…………………………………………………..
4. Синхронизация в системах передачи данных ……………………………..
4.1. Классификация систем синхронизации ……………………………….
4.2. Оценка параметров систем цикловой синхронизации ……………….
4.3. Поэлементная синхронизация …………………………………………
4.4. Оценка параметров поэлементной синхронизации…………………...
4.5. Практические задания…………………………………………………..
5. Неадаптивные приемники синхросигнала …………………………………
5.1. Структурная схема неадаптивного приемника синхросигнала ……...
5.2. Причины сбоя цикловой синхронизации ……………………………..
5.3. Практические задания…………………………………………………...
6. Моделирование схем обработки сигналов в программе SystemView…….
6.1. Краткий обзор System View …………………………………………….
6.2. Моделирование гармонического сигнала ……………………………..
6.3. Моделирование фильтров нижних и верхних частот…………………
6.4. Генератор фазоманипулированного сигнала………………………….
6.5. Генератор амплитудно-модулированного (АМ) сигнала……………..
Заключение……………………………………………………………………...
Библиографический список……………………………………………………
67
3
4
4
6
7
10
10
18
15
23
24
25
26
33
33
34
38
39
44
45
45
48
51
57
57
58
61
64
64
66
66