Программа Радиотех_системы ПИ_магистратура

РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ
Учебная программа дисциплины
Министерство образования и науки российской федерации
Владивостокский государственный университет экономики
и сервиса
РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ
Учебная программа дисциплины
по направлению подготовки
210400.68 Радиотехника. Методы, системы и комплексы
радиоэлектронной борьбы
Владивосток
Издательство ВГУЭС
2013
ББК 32
Рабочая программа учебной дисциплины «Радиотехнические
системы передачи информации» составлена в соответствии с
требованиями ООП 210400.68 Радиотехника. Методы, системы и
комплексы радиоэлектронной борьбы на базе ФГОС ВПО.
Составитель: Гаврилов В.Ю., доцент кафедры электроники.
Утверждена на заседании кафедры электроники от 16.02.2011 г.,
протокол № 5.
Рекомендована к изданию учебно-методической комиссией Института
информатики, инноваций и бизнес систем ВГУЭС.
© Издательство Владивостокский
государственный университет
экономики и сервиса, 2013
ВВЕДЕНИЕ
Магистерский курс «Радиотехнические системы передачи
информации» посвящен рассмотрению современных технологий
высокоскоростной передачи данных по радиоэфиру. Современные
системы цифрового телевидения, спутниковой связи, сотовых сетей
3G,4G, сетей Wi-Fi, WiMAX используют сложные виды модуляции,
характеризующиеся высокой эффективностью использования полосы
частот, устойчивостью к помехам и многолучевому распространению
сигнала. Указанные системы выдвигают новые повышенные требования
к параметрам приемного и передающего трактов, и строятся на основе
применения современных технологий цифровой обработки сигналов.
В лекционной части курса рассматриваются основные
теоретические ограничения на скорость и дальность передачи
информации, общие требования к аппаратуре передающего и приемного
трактов, типовая структура цифрового потока данных.
Для обсуждения на практических занятиях сформулированы темы
докладов, охватывающие современные методы и устройства цифровой
модуляции и демодуляции, принципы обнаружения и исправления
ошибок.
Дисциплина тесно связана с курсом «Теория и техника
радиоуправления и передачи информации», в котором даются
теоретические основы цифровой обработки сигналов и который
читается семестром ранее. Помимо знаний, полученных при изучении
вышеупомянутого курса, настоящая дисциплина требует знаний в
области
программирования,
построения
приемопередающих
радиотехнических устройств.
1. ОРГАНИЗАЦИОННО-МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
1.1 Цели освоения учебной дисциплины
Целью настоящей дисциплины является формирование у студентов
знаний, умений и навыков в области разработки аппаратуры и систем
связи с цифровой обработкой сигналов. В ходе ее достижения решаются
следующие задачи:

анализ взаимосвязи ограничений на скорость и дальность передачи
данных;

изучение требований к приемопередающей аппаратуре;

изучение видов модуляции, используемых при беспроводной
передаче данных;

введение в теорию кодов, контролирующих ошибки.
В ходе освоения дисциплины студенты приобретают практические
навыки в области выделения полезных сигналов из типовых помех, а
также моделирования отдельных узлов систем передачи информации.
1.2 Место учебной дисциплины в структуре ООП (связь
с другими дисциплинами)
Место дисциплины в структуре основной образовательной
программы (ООП) ВПО
ООП
Форма
Блок
ТрудоФорма
обучения
емкость
проме(З.Е.)
жуточного
контроля
210400.68
Радиотехника.
Методы, системы и
ОФО
М.2
3
Э
комплексы
радиоэлектронной
борьбы
1.3 Компетенции обучающегося, формируемые
в результате освоения учебной дисциплины
В результате освоения дисциплины у обучающегося должны быть
сформированы компетенции:
Результаты освоения дисциплины (формируемые компетенции и
ЗУВ)
ООП
Вид компетенций
210400.68
Радиотехника.
Методы, системы
и комплексы
радиоэлектронной
борьбы
Профессиональные
Компетенции
ПК-3 способностью
понимать основные
проблемы в своей
предметной области,
выбирать методы и
средства их решения
ПК-17 способностью
выполнять моделирование
объектов и процессов с
целью анализа и
оптимизации их
параметров с
использованием
имеющихся средств
исследований, включая
стандартные пакеты
прикладных программ
В результате освоения дисциплины у обучающегося должны быть
сформированы знания, умения, владения:
Формируемые знания, умения, владения
ООП
210400.68
Радиотехника.
Методы, системы и
комплексы
радиоэлектронной
борьбы
Коды
компетенций
Знания, Умения, Владения
ПК-3
Знания:
ПК-17
Владения:
методы
разделения
каналов,
модуляции и
кодирования,
разнесенного
приема и
синхронизации
в РТС
математическим
аппаратом для
решения задач
теоретической и
прикладной
радиотехники,
методами
исследования и
моделирования
объектов
радиотехники
1.4 Основные виды занятий и особенности их
проведения
Объем и сроки изучения дисциплины:
Общая трудоемкость дисциплины составляет 3 зачетных единицы,
108 часов. Из них 24 часа – аудиторной работы, 48 часов –
самостоятельной работы, 36 часов - экзамен. Удельный вес занятий,
проводимых в интерактивных формах, составляет 25 процентов
аудиторных занятий.
Промежуточная аттестация по курсу – экзамен.
Дисциплина включает следующие виды занятий:
- лекционные занятия;
- практические занятия, доклады и консультации;
- лабораторные занятия;
- самостоятельная работа студентов.
1.5 Виды контроля и отчетности по дисциплине
2. СТРУКТУРА И СОДЕРЖАНИЕ УЧЕБНОЙ
ДИСЦИПЛИНЫ
2.1 Темы лекций
Тема 1. Виды модуляции, используемые при беспроводной
передаче данных (2 часа)
Аналоговый сигнал и цифровая последовательность битов: проблемы
приема и передачи. Проблемы высокоскоростной передачи данных в
канале связи с ограниченной полосой пропускания и наличием помех.
Дальность радиосвязи, скорость передачи данных и ширина полосы
излучения. Теорема Шеннона о пропускной способности канала связи с
шумами. Формула Найквиста для предельной скорости передачи
нескольких битов за такт. Эффективность использования полосы.
Тема 2. Организация высокоскоростной передачи данных по
радиоканалу (2 часа)
Выводы по спектральным характеристикам сигналов,
обсуждавшихся на докладах. Требования к спектру сигнала.
Требования к временным характеристиками сигнала. Джиттер,
глазковая диаграмма.
Технологии OFDM. Поведение глазковой диаграммы при уменьшении
длины символа.
Типовая структура сообщений, передаваемых по радиоканалу. Стандарт
MPT1327. Назначение преамбулы, символов битовой и байтовой
синхронизации.
Помехоустойчивое кодирование.
2.2 Практические занятия
В ходе практических занятий осуществляется заслушивание и
обсуждение докладов студентов, подготовленных ими в ходе
самостоятельной работы. Доклады могут быть индивидуальными и
парными, в зависимости от численности студентов в группе. Каждый
студент в течение семестра должен сделать минимум 2 доклада.
Перечень тем докладов приведен в п. 2.4. Темы практических занятий (6
занятий по 2 часа) совпадают с первыми шестью темами докладов из п.
2.4.
2.3 Перечень тем лабораторных занятий
Тема 1. Выделение сигнала из помех (4 часа)
Проектирование цифровых фильтров в среде MatLab для
выделения сигнала на фоне белого шума, разделения сигналов,
занимающих разные полосы частот, точечной фильтрации наводки
сетевой частоты.
Тема 2. Глазковые диаграммы (2 часа)
Формирование зашумленного сигнала и наблюдение глазковых
диаграмм в среде MatLab.
Тема 3. Применение фазового детектора для демодуляции
различных сигналов (2 часа)
Моделирование сигналов АМ, ФМ, КАМ, исследование
прохождения зашумленных модулированных сигналов через фазовый
детектор.
Тема 4. Формирование сигналов OFDM с использованием быстрого
преобразования Фурье (2 часа)
2.4 Самостоятельная работа студентов (СРС)
Самостоятельная работа студентов заключается в подготовке
докладов и рефератов по предложенным темам. Общее число часов,
отводимое на СРС (48), делится на 2 равные части. Половина времени
отводится на подготовку докладов, заслушивание и обсуждение
которых происходит на практических занятиях. Общая трудоемкость
подготовки докладов по всем темам превышает отведенный под эту
работу объем часов (24), темы эти распределяются по разным
студентам.
Тема 1. Простейшие методы модуляции (19 часов, подготовка
доклада)
1.1 Основные виды аналоговой модуляции: AM,ФМ,ЧМ. АРУ в АМ
приемнике и ограничитель в ЧМ приемнике: влияние на
продетектированный сигнал при разных мощностях сигнала.
1.2 Простейшие виды цифровой модуляции (манипуляции). AМн,
FSK,PSK.
1.3 FFSK, передача модулирующего сигнала без фазовых разрывов
1.4 Гауссовская модуляция
Спектры модулированных сигналов для каждого из типов модуляции.
Способы модуляции и демодуляции. Помехоустойчивость различных
методов модуляции. Требования к аппаратуре приемника и передатчика
для AM,ФМ,ЧМ.
Справка: модемы фирмы CML www.cmlmicro.com/products/wireless-data/
Особенности аппаратуры модемов: FFSK и гауссовского.
Ключевые фразы для поиска: амплитудная манипуляция спектр,
быстрая частотная модуляция, виды цифровой модуляции,
помехоустойчивость методов модуляции.
Тема 2. Квадратурная модуляция (19 часов, подготовка доклада)
Определения BPSK, QPSK, 8-PSK, QAM.
Понятие сигнального созвездия (constellation diagram) — положение
множества передаваемых символов на комплексной плоскости.
Влияние помех на положение символов в созвездии. Определение
помехоустойчивости по созвездию. Построение диаграмм рассеяния
(созвездий) в MatLab. Приборы для наблюдения диаграмм рассеяния
http://www.youtube.com/watch?v=C8kJ3rq5ENo
Методы кодирования и декодирования. Требования к параметрам
передатчика и приемника.
Справка: модемы фирмы CML www.cmlmicro.com/products/wireless-data/
- конкретные особенности QAM модемов.
Ключевые фразы для поиска: constellation diagram, квадратурная
модуляция, сигнальное созвездие
Тема 3. Джиттер в системах передачи цифровой информации.
Наблюдение и измерение джиттера. (19 часов, подготовка доклада)
Определение и причины возникновения джиттера. Способы измерения
джиттера.
Определение BER.
Борьба с джиттером опорных генераторов. Сравнение кварцевых
опорных генераторов и PLL http://kit-e.ru/articles/elcomp/2009_08_65.php
Глазковая диаграмма. Определение, способы и приборы для
отображения.
Ссылки: http://citforum.ru/nets/hard/jitter/
http://en.wikipedia.org/wiki/Bit_error_rate
Тема 4. Применение преобразования Фурье для формирования и
декодирования OFDM-сигналов. (8 часов, подготовка доклада)
COFDM – определение, области применения. Блок-схемы аппаратуры и
алгоритмов.
Тема 5. Коды, контролирующие ошибки (19 часов, подготовка
доклада)
Понятия проверки на четность и контрольной суммы. Различия в
обнаружении и исправлении ошибок. Повтор информации как
простейший метод исправления ошибок.
Классификация ошибок при передаче информации.
Основы терминологии теории кодов, исправляющих ошибки:
контрольная сумма, синдром, кодовое расстояние.
Блоковые коды. Систематические и несистематические блоковые коды.
Ссылки:
http://www.ie.tusur.ru/books/COI/page_08.htm
http://ru.wikibooks.org/wiki/Помехоустойчивое_кодирование
http://ru.wikipedia.org/wiki/Линейный_код
Тема 6. Формирование зашумленного сигнала в MatLab и
наблюдению глазковых диаграмм в среде MatLab. (19 часов, подготовка
рекомендаций к лабораторной работе)
Тема 7. Применение фазового детектора для демодуляции
AM,ФМ,ЧМ сигналов, сигналов с цифровой модуляцией QPSK,QAM. (19
часов, подготовка рекомендаций к лабораторной работе)
Предложения по формированию зашумленного модулированного
сигнала и наблюдению продетектированного сигнала в среде MatLab.
3. ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
Программой дисциплины предусмотрено чтение
проведение лабораторных работ и руководство СРС.
лекций,
Лекции проводятся как в традиционной форме, так и с
использованием мультимедийных технологий.
Лабораторные занятия проводятся в активной (выполнение
лабораторных работ) и в интерактивной форме (компьютерное
моделирование, мозговой штурм, разбор практических задач,
обсуждение)
Для студентов в качестве самостоятельной работы предлагается
подготовка рефератов, докладов и сообщений, выполнение расчетнографических работ.
4. МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО
ИЗУЧЕНИЮ КУРСА
4.1 Перечень и тематика самостоятельных работ
студентов по дисциплине
Темы для докладов и рефератов:
1. Простейшие методы модуляции
2. Квадратурная модуляция
3. Джиттер в системах передачи цифровой информации
4. Применение преобразования Фурье для формирования и
декодирования OFDM-сигналов..
5. Коды, контролирующие ошибки.
6. Наблюдение глазковых диаграмм в среде MatLab.
7. Применение фазового детектора для демодуляции различных
сигналов.
4.2 Контрольные вопросы для самостоятельной оценки
качества освоения учебной дисциплины
Виды модуляции, используемые при беспроводной передаче данных
1. В чем состоят основные недостатки кода NRZ
применительно к беспроводной передаче?
2.
Код Манчестер-II: принцип формирования, ширина спектра,
борьба с проблемой инвертирования данных.
3.
Как связаны между собой скорость передачи, полоса пропускания
канала связи и вероятность ошибки?
4.
Каковы требования к форме спектра модулированного ВЧ
сигнала?
5.
Каково теоретическое ограничение на число бит, передаваемых за
один такт в канале связи с шумами?
6.
Какие виды модуляции обеспечивают максимальную
эффективность использования полосы частот?
7.
Какие виды модуляции позволяют использовать передатчики с
максимальным КПД?
8.
Почему при КАМ предъявляются повышенные требования к
линейности передатчика?
9.
Как взаимосвязаны между собой линейность и КПД передатчика?
Организация высокоскоростной передачи данных по радиоканалу
10.
В чем заключаются основные проблемы сокращения
длительности передаваемого символа?
11.
С помощью каких приборов можно наблюдать глазковую
диаграмму?
12.
Для чего служат межсимвольные охранные интервалы?
13.
Поясните причины возникновения межсимвольной
интерференции.
14.
Каковы принципы измерения джиттера?
15.
Каковы причины возникновения джиттера при передаче данных
по радиоканалу?
16.
В чем заключается преимущества применения OFDM перед ЧМ
при одинаковых скоростях передачи?
17.
Почему при OFDM спектры поднесущих перекрываются и как
при этом можно разделить сигналы поднесущих?
18.
В чем состоит отличие COFDM от OFDM?
19.
Для чего служит преамбула при пакетной передаче данных?
20.
Каково назначение символов битовой и байтовой
синхронизации?
21.
В чем состоит отличие контрольной суммы от синдрома?
22.
Как связаны между собой кодовое расстояние и число
исправимых ошибок?
23.
Дайте определение блокового кода (n,k).
24.
Что такое избыточность кода?
25.
Что называют скоростью блокового кода?
4.3 Методические рекомендации по организации СРС
В рамках общего объема часов самостоятельной работы студентов
(СРС), отведенных для изучения дисциплины, предусматриваются
следующие виды работ: выполнение
индивидуальных домашних
заданий по одной из тем, перечисленных в п.2.3, изучение
теоретического материала с самоконтролем по приведенным выше
вопросам, оформление и защита лабораторных работ, подготовка к
экзамену.
На подготовку индивидуальных домашних заданий и написание
рефератов планируется 10 часов.
Для самостоятельного изучения дисциплины и закрепления
теоретического материала в программу включены контрольные вопросы
для самостоятельной оценки студентом качества изучения дисциплины
и возможность консультаций у ведущего преподавателя.
Планируемое время СРС на эту работу – 10 часов.
Кроме того, для контроля этого вида СРС на лекционных занятиях
предусматриваются два письменных теста в середине и конце семестра
Для выполнения лабораторных работ в соответствии с разделом 2.2
настоящей учебной программы студент должен предварительно
самостоятельно освоить теоретический материал соответствующих тем.
Для защиты работы он должен знать теоретический материал и
продемонстрировать навыки компьютерного расчета и моделирования
цифровых фильтров.
Объем СРС, отведенный на эту работу, составляет 10 часов.
На подготовку к экзамену и тестам отводится 16 часов СРС.
4.4 Рекомендации по работе с литературой
Для освоения теоретического материала в области обработки
сигналов рекомендуются учебники [1], [2], [5]. Книга [3] является
основным теоретическим источником в области кодов, исправляющих
ошибки. Пособие [4] незаменимо при знакомстве с пакетом MatLab в
части применения его для решения задач цифрового формирования и
обработки сигналов.
При выполнении индивидуальных домашних заданий, помимо
перечисленных источников, рекомендуется использовать также
перечисленные ниже интернет-ресурсы.
5. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ И ИНФОРМАЦИОННОЕ
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
5.1 Основная литература
1. Радиотехнические цепи и сигналы. Учебник // Под ред. Баскакова
С.И. – М.: Высшая школа, 2000. – 462 с.
2. Смит С. Цифровая обработка сигналов. Практическое руководство
для инженеров и научных работников. – М.: Додэка XXI, 2008. –
720 с.
3. Блейхут Р. Теория и практика кодов, контролирующих ошибки. – М.:
Мир, 1986— 576 с.
5.2 Дополнительная литература
4. А.Б. Сергиенко. Цифровая обработка сигналов. Учебник для вузов. –
Спб: БХВ-Петербург, 2013. – 768 с.
5. Лайонс Р. Цифровая обработка сигналов. Пер. с англ. Под ред. А. А.
Бритова. – 2-е изд. – М. : Бином-Пресс, 2007. – 656 с.
5.3 Полнотекстовые базы данных
Полнотекстовые базы данных, библиотека ВГУЭС URL: http://lib.vvsu.ru
5.4 Интернет-ресурсы
http://www.cmlmicro.com/products/wireless-data/
http://kit-e.ru/articles/elcomp/2009_08_65.php
http://citforum.ru/nets/hard/jitter/
http://www.ie.tusur.ru/books/COI/page_08.htm
http://en.wikipedia.org/wiki/Bit_error_rate
http://ru.wikibooks.org/wiki/Помехоустойчивое_кодирование
http://ru.wikipedia.org/wiki/Линейный_код
6. МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
ДИСЦИПЛИНЫ
Программное обеспечение:
1. MathWorks MatLab версии 10 и выше
2. Agilent ADS 2012 и выше
7. СЛОВАРЬ ОСНОВНЫХ ТЕРМИНОВ
BER (bit error rate) – отношение числа ошибочных битов к общему числу
принятых битов.
OFDM — ортогональная модуляция с частотным разделением, вид
современной цифровой модуляции, характеризующийся одновременной
передачей нескольких цифровых потоков на разных поднесущих.
FFSK (fast frequency shift keying) — вид частотной манипуляции,
характеризующийся отсутствием резких перепадов и изломов на
временной диаграмме, а также равной амплитудой модулирующих
сигналов логического нуля и единицы. FFSK обеспечивает достаточно
узкую ширину спектра, необходимую для надежной передачи цифровых
сигналов на большие расстояния.
Глазковая диаграмма — осциллограмма демодулированного цифрового
сигнала при длительности развертки, в точности равной (или кратной)
битовому интервалу.
Джиттер — хаотическое дрожание фронта цифрового сигнала,
вызванное нестабильностью задающего генератора, эфирными шумами
и наложением нескольких принятых сигналов при многолучевом
распространении.
КАМ (QAM) — квадратурная амплитудная манипуляция, вид цифровой
модуляции,которая представляет собой сумму двух несущих колебаний
одной частоты, сдвинутых по фазе относительно друг друга на 90°,
каждое из которых модулировано по амплитуде своим модулирующим
сигналом.
Контрольная сумма — дополнение блока цифровых данных,
позволяющее обнаруживать и исправлять ошибки в блоке.
Помехоустойчивое кодирование — преобразование входного цифрового
потока данных в новый поток, позволяющий исправлять заданное
предельное число ошибок.
Преамбула — несколько первых бит в цифровой посылке,
предназначенных не для передачи информации, а для синхронизации
схемы демодулирования, иногда для автоопределения скорости
передачи данных.
Сигнальное
созвездие
—
представление
манипулированного
радиосигнала на комплексной плоскости в виде двухмерной точечной
диаграммы. Как правило, применимо к различным видам амплитудно- и
фазоманипулированного сигнала, а также к комбинированному КАМсигналу.
Синдром — результат прохождения блока данных (включая
контрольную сумму) через специальную схему обнаружения ошибок.
Как правило, безошибочно принятому блоку данных соответствует
нулевой синдром.