Размещено на http://www.allbest.ru/

Зміст

• Анотація
• Вступ
• 1. Розробка технічного завдання
• 2. Аналіз сучасного стану розробок та обґрунтування оптимального варіанту вирішення поставленої задачі
• 3. Розробка структурної схеми системи доступу
• 3.1 Розробка структури системи доступу
• 3.2 Розрахунок частотних параметрів системи доступу
• 4. Розробка та обґрунтування схеми електричної принципової модулятора
• 4.1 Розробка структури модулятора
• 4.2 Розробка схеми електричної принципової та вибір елементної бази модулятора
• 4.3 Розрахунок балансу потужності модулятора ІКМ
• 5. Комп'ютерне моделювання
• 5.1 Обґрунтування моделювальної програми та конфігурації П
• 5.2 Обґрунтування модельованої схеми
• Висновки
• Перелік посилань


Анотація

В даному курсовому проекті розроблено систему доступу на основі радіомодему. Розроблено структурну схему системи доступу на основі радіомодему, з використанням ІКМ в якості групової модуляції. Обґрунтовано елементну базу і розроблено електричну принципову схему модулятора, а також проведено комп'ютерне моделювання за допомогою моделювального пакету PROTEUS 7 PROFESSIONAL DEMO.

Вступ

В даному курсовому проекті, з навчальною метою, пропонується розробити систему доступу на основі радіомодему, яка б використовувала ІКМ модуляцію групового тракту. Кількість каналів даної системи - 10, довжина лінії зв'язку 0,7 км.

Актуальність та сучасність даної розробки пов'язана із використанням радіоканалу в якості лінії зв'язку. Таке рішення дозволяє значно здешевити систему, та дозволяє змінювати конфігурацію та топологію мережі без додаткових витрат. Крім того значно полегшується та здешевлюється модернізація та переоснащення системи доступу.

Використанні ІКМ в якості групової модуляції дозволяє спростити передавальне та приймальне обладнання, та дає змогу при необхідності застосувати завадостійке кодування, криптографічне шифрування, лінійне кодування та інші види перетворення цифрового сигналу.

Також використання цифрової модуляції групового тракту дозволяє використовувати в якості лінії зв'язку ВОЛЗ. Використання ж ВОЛЗ, в свою чергу, крім високої швидкості передавання, надає системі доступу такі властивості як відсутність накопичення завад із збільшенням довжини тракту, та стійкість до електромагнітних наводок.

Для досягнення поставленої мети необхідно проаналізувати сучасний стан розробок, здійснити вибір оптимального варіанту рішення поставленої задачі, розробити структурну схему системи доступу та демодулятора, на основі структурної схеми демодулятора розробити схему електричну принципову, виконати комп'ютерне моделювання.

1. Розробка технічного завдання

Для використанні у системі доступу оберемо радіомодем «прозорий» для усіх протоколів призначених для роботи телефонних модемів. Отже оберемо в якості рекомендованого для використання в розробленій системі доступу протокол V.34.

Основні характеристики протоколу V.34 наступні:

- дуплексна передача по двопровідним телефонним каналам загального користування;

- використання КАМ зі швидкістю модуляції 2400 Бод;

- підтримка швидкостей передачі в 9600, 4800, 2400 біт / с;

- реалізація альтернативних схем модуляції при швидкості 9600 біт/с;

- можливість підтримки асинхронного режиму передачі;

- значення частоти несучої становить 1800 ± 7 Гц;

- смуга частот, займана сигналом, від 600 до 3000 Гц [6].

Як видно із вищевказаних параметрів вони дещо не співпадають із характеристиками радіомодему, але це компенсується само налаштуванням протоколу, та можливістю програмної корекції параметрів модему.

Протокол V.34 передбачає велику кількість режимів роботи та сервісу [1]. У попередніх поколіннях модемів адаптивне налаштування під конкретні характеристики каналу здійснювалася виключно на приймальному кінці. На відміну від них в модемах V.34 ідея адаптації носить глобальний характер.

У передавальну частина модему введений так званий генератор кілець, що сприяє синтезу необхідної форми вихідного сигналу. При КАМ з великим сигнальним простором діапазон можливих амплітуд сигналів досить великий. Через це може виникнути статистична залежність між переданої інформацією і рівнем сигналу на виході. Що може призвести до ситуації, при яких вихідний сигнал буде мати малу амплітуду протягом тривалого часу. У таких ситуаціях можливі збої декодера і втрата сигналу на приймальній стороні. Також можливе формування сигналу з великим пік-фактором (відношення пікового значення потужності до середнього значення), що призводить до погіршення загальних характеристик системи (збільшує рівень взаємних та нелінійних спотворень). Для вирішення цієї проблеми пропонується спеціальне передкодування, в якому двовимірне сузір'я розбивається на концентричні кільця, що містять рівні кількості сигнальних точок з близькою або однаковою амплітудою [3].

FSK модуляція (частотна маніпуляція, Frequency Shift Keying) є найбільш поширеним видом цифрової модуляції радіочастотних сигналів і знайшла широке застосування у зв'язку і телефонії.

Двійкова FSK (зазвичай звана просто FSK) являє собою спосіб модуляції, що зазвичай використовуються для передачі цифрової інформації між цифровими пристроями, такими як телетайпи або комп'ютери. Дані передаються шляхом зсуву частоти безперервно переданої несучої поперемінно на одну з двох дискретних частот. Одна з цих частот визначена як частота «mark», а інша - як частота «space». Mark і space відповідають двійкової одиниці і нуля відповідно. Є угода, що mark відповідає більшій частоті несучої. Рисунок 2.1 показує залежність між двійковими даними і переданим сигналом.

Рисунок 2.1 Принцип утворення FSK



Мінімальна тривалість умови mark або space називається довжиною елемента. Типове значення довжини елемента лежить між 5 і 22 мс, однак, може використовуватися довжина елемента менша, ніж 1 мкс, або більша, ніж 1 с. Використовувана смуга частот повинна «вміщатися» у телефонному каналі, а умови поширення сигналу в ВЧ каналах зазвичай вимагає довжину елемента, більше ніж 0.5 мс. Альтернативний спосіб визначення довжини елемента використовує поняття швидкості передачі. Швидкість передачі в бодах є зворотною величиною від довжини елемента в секундах. Наприклад, якщо довжина елемента становить 20 мс (0.02 с), це еквівалентно швидкості 50 бод.

Частотні вимірювання FSK сигналу зазвичай ґрунтуються на поняттях зсуву та центральної частоти. Зсув представляє собою різницю між частотами mark і space. Зсув звичайно лежить в інтервалі від 50 до 1000 Гц. Центральна частота представляє собою середню частоту між частотами mark і space. Іноді використовується термін «девіація», застосовуваний для частотної модуляції. Девіація дорівнює абсолютному значенню різниці між центральною частотою і частотою mark або space. Девіація також чисельно дорівнює половині зсуву.

2. Аналіз сучасного стану розробок та обґрунтування оптимального варіанту вирішення поставленої задачі

Розроблювана система передбачає передавання даних за допомогою радіомодемів РМД400 або їх функціональних аналогів.

Радіомодеми РМД400 володіють високою чутливістю приймача при низьких швидкостях передачі і можливістю компенсації втрат потужності сигналу - це робить ефективним їх використання для побудови мереж на великій території.

Передача даних і керування здійснюється через інтерфейси RS-232 і RS-485. Модеми управляються за допомогою AT-подібних команд. Дані передаються «прозоро», так само як і по дроту, виключаючи додаткову затримку. Режим роботи - напівдуплексний.

РМД400 дозволяють будувати лінії зв'язку «точка-точка» і складні виробничо-технологічні мережі типу «зірка» чи «дерево». При заміні дротових мереж вони легко адаптуються до їх протоколів, без необхідності доопрацювання програмного забезпечення. При роботі модеми можуть використовувати як безпосереднє з'єднання один з одним, так і з'єднання через радіомодем-ретранслятор без підключення до стільникових мереж.

Радіомодеми застосовуються в системах збору даних для комерційного і технологічного обліку електроенергії, теплової енергії, води, у системах диспетчеризації ліфтів, системах технологічного контролю і управління (котельні, водозабір, водогони, газопроводи, лінії електропередачі, нафтові і газові промисли, шахти, залізничний транспорт), в системах телеметрії, телесигналізації, охоронної та пожежної сигналізації, телекерування.

Радіомодеми також як і GSM-модеми не вимагають реєстрації та ліцензування, а також додаткових дозволів на експлуатацію, але на відміну від рішень для стільникових мереж не створюють додаткових операційних витрат - трафік безкоштовний. Характеристики РМД400 [Додаток Д]:

- Живлення: 5-18 В - номінал 12В, 90 мА;

- Діапазон робочих частот: 433,1-434,7 МГц;

- Сітка частот: 12,5 кГц;

- Кількість частотних каналів: до 128;

- Режим роботи: напівдуплексний;

- Метод модуляції: FSK (частотна маніпуляція);

- Чутливість приймача при швидкості в ефірі 1,2 кбіт / с -118 дБм (0,28 мкВ);

- Швидкість передачі інформації по радіоканалу: програмована 1200/9600/19200/38400 бод;

- Кодування з виправленням помилок: каскадне;

- Кодування з виявленням помилок: CRC;

- Комунікаційний інтерфейс: RS-232, RS-485;

- Протокол передачі: прозорий, потоковий;

- Смуга звукових частот при передачі мови: 200-2700 Гц.

3. Розробка структурної схеми системи доступу

3.1 Розробка структури системи доступу

Розроблювана система доступу складається з десяти радіомодемів (РМД), та десяти модуляторів ІКМ, формувача синхропослідовностей (ФСП), об'єднувача сигналів (ОС), оптоелектронного перетворювача (ОЕП), ВОЛЗ, зворотного оптоелектронного перетворювача (ЗОЕП), схеми автосинхронізації (САС) десяти демодуляторів ІКМ, які можуть підключатись до відповідних інтерфейсних модулів різних цифрових служб, зокрема ІР шлюзів, цифрової телефонної мережі, мережі ISDN, та ін.

Схема електрична структурна системи доступу на основі радіомодему наведено у додатку Б 08-34.СД.021.000.00 Е2.

3.2 Розрахунок частотних параметрів системи доступу

Вхідними сигналами СД є цифрові дані із швидкістю до 38400 бод, які перетворюються, за допомого радіомодемів, у FSK-модульовані сигнали з частотою 433,1-434,7 МГц. Перед подальшими перетвореннями доцільно перенести спектр корисного сигналу у область більш низьких частот. Смугу частот FSK-модульованого сигналу розрахуємо за виразом (3.1):

де та - верхня та нижня частота сигналу.

Підставивши у (3.1) відповідні числові значення, отримаємо:



Після перенесення спектру в область більш низьких частот отриманого сигналу дорівнюватиме 0 Гц, а відповідно 600 кГц. Таким чином отриманий сигнал є широкосмуговим, тому частоту дискретизації цього сигналу розрахуємо за теоремою Котельникова (3.2).

(3.2)

Підставивши у (3.2) відповідні числові значення, отримаємо:

Оберемо частоту дискретизації 1,5 МГц.

Мінімальну величину захищеності від спотворень квантування при нерівномірному квантуванні з характеристикою типу А в діапазоні рівнів 0?р?-36дБ можна оцінити так [5]:

, (3.3)

де m - кількість розрядів у кодовому слові.

Якщо в ЦСП, що проектується, передбаченні переприймання по ТЧ, то захищеність на виході кожного з каналів буде меншою за розраховану за формулою (3.3) і буде розраховуватись так:

. (3.4)

Звідси можна вивести формулу для визначення кількості розрядів у кодовому слові [2,4,5]:



. (3.5)

де А_кв - рівень захищеності від спотворень квантування на виході каналу;

n - кількість переприймань. Оскільки в нас немає переприймань, то величиною в формулі (3.5) можна знехтувати.

Нехай А_кв=32 дБ (оскільки захищеність повинна бути не меншою 30 дБ), тоді за формулою (3.5) визначимо кількість розрядів:

.

Тепер визначається мінімальна величина захищеності сигналу в пункті приймання в діапазоні рівнів 0?р?-36 дБ за формулою (3.3):

.

Максимальна величина захищеності в тому ж діапазоні буде приблизно на 3дБ більшою за мінімальну:

.

Звідки:

.

Захищеність при р=-36 дБ приблизно на 2 дБ вища :



.

Тактову частоту цифрового потоку на виході кожного з ІКМ розрахуємо за виразом:

Підставивши числові значення отримаємо:

Знайдемо тактову частоту цифрового групового потоку за виразом [3,4]:

, (3.6)

де а - кількість каналів.

Підставивши у (3.6) числові значення отримаємо:

Врахувавши, що в цифровому потоці присутні також службові дані (припустимо 1%) розрахуємо тактову частоту цифрового потоку за виразом (3.7):

(3.7)

Підставивши у (3.6) числові значення отримаємо:



Отже визначившись із основними параметрами можемо перейти до розробки модулятора.

4. Розробка та обґрунтування схеми електричної принципової модулятора

4.1 Розробка структури модулятора

Модулятор складатиметься з БМ модуляторів, в якості використаємо аналогові помножувачі частот, ФНЧ та ІКМ. Структура передавальної частини СД показана на рисунку 4.1.

Рисунок 4.1 Структура передавальної частини СД

4.2 Розробка схеми електричної принципової та вибір елементної бази модулятора

В якості БМ модулятора оберемо аналоговий помножувач частот. Даний помножувач повинен задовольняти вимогам швидкодії та мати малу похибку. У таблиці 4.1 наведені основні параметри деяких аналогових помножувачів частот.



Таблиця 4.1 Основні параметри АПЧ

Тип мікросхеми	AD532	ADL5391	AD834
Максимальна частота (ГГц)	1	3	0,5
Напруга живлення (В)	5	5	12
Струм споживання (мА)	20	50	20
Похибка (%)	2	1	2

В якості БМ модулятора оберемо мікросхему AD532 через її достатню швидкодії та малу похибку.

В якості об'єднувача сигналів використаємо мультиплексор. В таблиці 4.2 наведені основні параметри мультиплексорів різних типів.

Таблиця 4.2 Основні параметри мультиплексорів різних типів

Тип мікросхеми	МАХ4501	DG413	ADG732
Кількість каналів	8	16	16
Паразитна ємність (пФ)	8	35	5
Максимальна частота (МГц)	20	8	1300
Напруга живлення, В	5	5	5
Струм живлення, мА	1	2	10

З наведених вище варіантів обирається демультиплексор фірми Analog Devices ADG732 у зв'язку з тим, що він задовольняє поставленим вимогам швидкодії, та має достатню кількість каналів.

АЦП повинен бути вісьми розрядним та швидкодіючим. В таблиці 4.3 наведені основні параметри АЦП різних типів.

Таблиця 4.3 Електричні параметри АЦП

АЦП	AD7710	AD7715	AD9220
Число розрядів	24	16	8
Час встановлення, (нс)	100	50	100
Напруга живлення, (В)	+5?+15	+5 ? +15	+5 ? +15
Частота перетворення (МГц)	100	250	1000
Вхідний опір, (кОм)	10	10	10



З наведених вище варіантів обирається АЦП фірми Analog Devices AD9220 у зв'язку з тим, що він задовольняє поставленим умовам швидкодії, розрядності, та має широкий діапазон напруг живлення.

Розроблюваний ФНЧ буде активним, тобто коефіцієнт передачі цього ФНЧ буде рівним, або більшим за одиницю. Для цього в схему ФНЧ необхідно включити активний елемент. Активним елементом оберемо операційний підсилювач, тому що це спростить розробку та покращить її параметри, порівняно з активним ФНЧ на транзисторах.

Основні параметри ФНЧ це крутість спаду частотної характеристики в зоні зрізу, та лінійність частотної характеристики в зоні пропускання. Чим вище порядок фільтру, тим ближча характеристики до ідеальних, але збільшення порядку призводить до ускладнення апаратної реалізації. Тому бажано обирати мінімально необхідний порядок фільтра. Для фільтрів Чебишева мінімально необхідний порядок фільтра можна обрахувати за виразом [9]:

(4.1)

де - максимально допустимий рівень згасання в полосі пропускання;

- мінімально допустимий рівень згасання в полосі затримки;

- частота зрізу;

- гранична частота перехідної області.

Розроблюваному фільтру необов'язково мати прецизійні характеристики, тому оберемо

Підставивши у вираз (4.1) числові значення, отримаємо:

Порядок фільтра не може бути дробовим числом, тому оберемо G=2.

Розроблюваний фільтр зображений на рисунку 4.2.

Рисунок.4.2 Активний ФНЧ другого порядку

Для порівняння в таблиці 4.4 наведемо основні параметри декількох операційних підсилювачів (Додаток Г).

Оберемо в якості активного елементу фільтра мікросхему МАХ4223. Це швидкісний, високочастотний ОП малого споживання.

Номінал ємності розраховується за виразом (4.2) [9]:

(4.2)

Підставивши числові значення у вираз (4.2) отримаємо наступний вираз:

Отже оберемо радіоелемент К10-23 - 16 пФ ?16В ± 5% [10]

Номінал ємності розраховується за виразом (4.3) [9]:

(4.3)

де - коефіцієнт підсилення фільтра;

та довідникові дані (=1,42; L=1,51).

Таблиця 4.4 Основні параметри ОП різних типів

Тип мікросхеми	МАХ4223	AD8099ARD	LMH6733
Вхідний опір, кОм	700	10000	200
Частота одиничного підсилення, МГц	1000	700	870
Напруга живлення, В	5	5	12
Струм живлення, мА	350	150	170
Час встановлення, нс	8	18	10

Підставивши числові значення у вираз (4.3) отримаємо:

Отже оберемо радіоелемент К10-23 - 5,6 пФ ?16В ± 5% [10]

Номінал резистора розраховується за виразом [9]:

(4.4)

де - циклічна частота зрізу.

Циклічна частота розраховується за виразом:

Підставивши числові значення отримаємо наступний вираз:



Підставивши числові значення у вираз (4.4) отримаємо наступний вираз:

Отже оберемо радіоелемент С2-10 - 22 кОм ? 0,125Вт 5% [10].

Номінал резистора розраховується за виразом [9]:

(4.5)

Підставивши числові значення у вираз (4.5) отримаємо наступний вираз:

Отже оберемо радіоелемент С2-10 - 22 кОм ? 0,125Вт 5% [10].

Розроблюваний ФНЧ має достатню крутість АЧХ, допустиму нелінійність характеристики в зоні пропускання, та не послаблює сигнал, отже можна зробити висновок, що розроблюваний ФНЧ задовольняє всім вимогам.

4.3 Розрахунок балансу потужності модулятора ІКМ

Споживана потужність модулятора визначається як сума потужностей споживання всіх елементів за виразом:



(4.6)

де - потужність споживання операційного підсилювача;

- потужність споживання АПЧ;

- потужність споживання АЦП.

Потужність споживання визначається як добуток напруги споживання та струму споживання за виразом:

, (4.7)

Отже, підставивши відповідні значення напруг живлення та струмів живлення в формулу (4.7) отримаємо:

Підставивши відповідні потужності споживання в формулу (4.1) отримаємо:

Отже, споживана потужність модулятора ІКМ становить менше 2 Вт, що є задовільним результатом, враховуючи те що модулятор розрахований на живлення від промислової мережі.

Схема електрична принципова знаходиться в графічній частині курсового проекту. Код креслення 08-34.СД.021.00.000 Е3.

5 Комп'ютерне моделювання

5.1 Обґрунтування моделювальної програми та конфігурації ПК

Моделювання проходження сигналу модулятором буде проводитись в моделювальному пакеті PROTEUS 7 PROFESSIONAL DEMO. Вибір програмного пакету обумовлений тим, що це один з небагатьох програмних пакетів, що дозволяють моделювати схеми в складі яких є мікроконтролери та мікропроцесори. Також перевагою цього пакету над іншими є зручний інтерфейс та повним комплексом необхідних для моделювання елементів.

Програма PROTEUS 7 PROFESSIONAL DEMO має невисокі вимоги до параметрів комп'ютера. Процесор Pentium III, або новіші процесори, 250 МБ вільного місця на жорсткому диску. Операційну систему - Windows 98, ME, або XP, 128 МБ оперативної пам'яті.

радіомодем доступ ikm модулятор proteus professional demo

5.2 Обґрунтування модельованої схеми

Для того, щоб провести моделювання необхідно скласти схему модулятора відповідно до схеми електричної принципової. Досліджувана схема наведена на рисунку 5.1.

Рисунок 5.1 Досліджувана схема

Осцилограма вхідного сигналу зображено на рисунку 5.2. Осцилограма сигналу на виході ФНЧ показана на рисунку 5.3. Осцилограма вихідного цифрового сигналу зображено на рисунку 5.4.

В цілому результати моделювання підтверджують правильність розрахунків та вибору елементів.

Рисунок 5.2 Осцилограма вхідного сигналу

Рисунок 5.3 Осцилограма з ФНЧ вхідного сигналу



Рисунок 5.4 Осцилограма з ФНЧ вхідного сигналу



Висновки

У ході виконання курсового проекту було розроблену систему доступу на основі радіомодему з використанням ІКМ у якості модуляції групового сигналу для 10 абонентів з довжиною тракту 0,7 км. Також було складено структурну схему системи доступу та розроблено схему електричну принципову модулятора ІКМ. У роботоздатності побудованого модулятора можна переконатися з результатів комп'ютерного моделювання. Комп'ютерне моделювання виконувалось у програмному пакеті PROTEUS 7 PROFESSIONAL DEMO.

Размещено на Allbest.ru

...