Загальні відомості про системи передачі інформації

Размещено на http://www.allbest.ru/

Зміст

Вступ

1. Загальні відомості про системи передачі інформації

Висновки

Перелік посилань

Вступ

В наш час широкого розповсюдження системи передачі даних різного призначення. На теперішній час їхвикористовуються навіть у побуті для дистанційного керування приладами. При цьому слід не забувати, що будь-яка система передачі даних це набір функціональних вузлів які забезпечують її роботу із необхідними характеристиками. А саме: інформативністю джерела інформації, ймовірністю правильної передачі та прийому інформації, а також шириною каналу зв'язку. Останнє є особливо актуальним, оскільки велика кількість систем вимагає узгодження їх роботи з метою уникнення створення взаємних перешкод.

Питаннями вивчення особливостей передачі та прийому інформації, оцінки її кількості та ін. займається наука, яку називають по різному: теорія інформації, математична теорія зв'язку.

Застосування постулатів зазначеної науки дозволяє на етапі проектування здійснити розрахунок основних елементів системи передачі даних з метою визначення та забезпечення її найкращих характеристик.

Саме етапу попереднього проектування і присвячено дану курсову роботу. В роботі буде розглянуто загальний варіант побудови системи передачі даних з розрахунком її структурних елементів.

1. Загальні відомості про системи передачі інформації

Системою передачі даних (СПД) називають функціонально об'єднану сукупність пристроїв і ланок, за допомогою яких можна передавати повідомлення з одного пункту до іншого.

Як приклад розглянемо роботу одноканальної СПД (рис 1.1) [5, 8].

Рисунок 1.1 Структурна схема системи передачі інформації

Як видно з рисунка 1.1 джерело повідомлень формує аналоговий сигнал, наприклад аналогове значення температури на певному об'єкті. Даний сигнал описується функцією аналогового параметра від часу

, (1.1)

Безпосередньо передавати повідомлення по лінії зв'язку можливо лише у деяких випадках. У більшості випадків повідомлення, що передаються необхідно перетворювати в сигнали, які грають роль передавача інформації по фізичних лініях зв'язку. Таке перетворення виконується у передавальному пристрої і в загальному випадку складається з двох процедур: кодування та модуляції [5, 8].

При побудові системи передачі інформації необхідно враховувати ряд факторів серед яких основними є особливості первинних сигналів [8]. На сучасному етапі розвитку радіоелектронних технологій все частіше намагаються перетворювати аналогові сигнали до цифрової форми, що дозволяє значно спростити процес їх передачі та обробки. Це робить будь-які джерела інформації дискретними [5]. Використання дискретного джерела повідомлень вимагає наявності у схемі кодера джерела, який призначено для перетворення аналогового сигналу до цифрового вигляду, щодозволяє зробити обробку інформації більш зручною. В якості такого кодеру зазвичай використовуються аналогово-цифрові перетворювачі (АЦП). Таким чином, кодер джерела повідомлень забезпечує перетворення аналогового сигналу в цифрову форму, яку можна записати у вигляді дискретних інформаційних посилок

, (1.2)

де Ї оператор дискретизації з періодом .

Іншою метою кодування є зменшення впливу різних перешкод на передачу повідомлень. Існує велика кількість видів завадостійких кодів [8], в даній курсовій роботі буде розглянуто код Хеммінга з можливістю виявлення двократних та виправлення однократних помилок. На основі дискретних посилок інформації джерела в кодері каналу формується послідовність бінарного коду, яка містить закодовані повідомлення і може бути описана функціональною залежністю

, (1.3)

Залежно від виду каналу зв'язку різні види сигналів мають різні умови передачі. Так наприклад, використання провідних каналів може забезпечувати передачу лише низькочастотних сигналів, оскільки в протилежному випадку значно зростає потужність втрат каналу[4].Використання радіоканалів вимагає перетворення відеосигналів у радіосигнали, особливості розповсюдження яких залежать від частоти. Крім того, використання модульованих сигналів забезпечує підвищення завадостійкості сигналу при передачі його по каналу зв'язку [8]. Тому в системі передачі інформації обов'язковим є наявність модулятора, на виході якого формується радіосигнал .

При передачі сигналу каналом зв'язку на нього впливатимуть перешкоди. В найпростішому випадку це внутрішні шуми лінійного тракту приймального та передавального пристрою, а також шуми атмосфери чи іншого середовища в якому відбувається передача сигналу. Такі перешкоди є адитивними і сигнал на вході демодулятора можна описати функціональною залежністю

, (2.4)

де - функціональна залежність перешкод, що впливають на сигнал.

В такому випадку на виході демодулятора буде формуватися відеосигнал у вигляді спотвореної послідовності двійкових символів, який позначено, як . В ідеальному випадку, на виході декодера каналу всі помилки буде усунено, але існує деяка ймовірність, що кратність помилок буде більшою за можливість коду і в такому випадку на вході декодера джерела будуть інформаційні повідомлення з помилками, що призведе до невірності отримань повідомлень користувачем інформації.

Слід відмітити, що застосування додаткових елементів СПД, а саме кодера каналу та модулятора дозволяє значно зменшити ймовірність помилки у прийнятому повідомленні.

Таким чином, в даному розділі запропоновано структурну схему СПД, яка містить всі традиційні елементи, що дозволяє здійснити отримання аналогового повідомлення від джерела інформації, здійснити його перетворення у цифрову форму та забезпечити передачу каналом зв'язку із зменшеною ймовірність виникнення помилок.

Розрахунок структурних елементів цифрової системи передачі інформації

СПД складається з таких елементів як: джерело повідомлень, кодер джерела, кодер каналу, модулятор, канал зв'язку, демодулятор та декодер каналу. В даному розділі розраховано параметри кожного з цих елементів.

Джерело повідомлень

1) Аналітичний вираз одномірної щільності ймовірності миттєвих значень

Графік одномірно щільності ймовірності має наступний вигляд (рис.3.1)

Рисунок 3.1 Щільністьрозподілуймовірності

2) Математичне очікування повідомлення

Дисперсія повідомлення

Середньо квадратичне відхилення повідомлення

3) Графік випадкового процесу зображено на рис 3.2. Штриховою лінією показано математичне очікування. Штрих пунктиром показано середньоквадратичне відхилення. Точками показано максимальне та мінімальне значення сигналу.

Кодер джерела

1) Частоту дискретизації сигналу оберемо виходячи з частотного критерію Котельникова. Функція, що описує заданий сигнал задовольняє умовам Діріхле, а її частотний спектр обмежений частотою Fс=3,4 кГц. Тоді вона цілком визначається послідовністю своїх значень у точках, що стоять на інтервалі:

2) Для двійковогокодуванняL=16 рівнів квантованого повідомлення необхідно

Розряди вихідної кодової комбінації АЦП.

3) Крок квантування визначається як

Середня потужність шуму квантування

Двійкові комбінації, що відповідають L=16 рівням квантування представлені в таблиці 2.1

квантування цифровий повідомлення

Рівень квантування	Напруга Рівня квантування, В	Рівень квантування	Напруга Рівня квантування, В
10000	-2,8	01000	1,466667
10001	-2,266666667	01001	2
10010	-1,733333333	01010	2,533333
10011	-1,2	01011	3,066667
10100	-0,666666667	01100	3,6
10101	-0,133333333	01101	4,133333
00110	0,4	01110	4,666667
00111	0,933333333	01111	5,2

5) Визначимо ентропію джерела дискретних повідомлень. Оскільки повідомлення рівно ймовірні, то їх ймовірності є рівними і становлять

то середня ентропія джерела є максимальною і дорівнює

6) Кількість двійкових символів, що видає АЦП в одиницю часу (продуктивність кодера) становить

Тривалість символів двійкового коду Т квантованого повідомлення

Кодер каналу

1) Двійкові кодові комбінації завадостійкого коду Хеммінга представлені в таблиці 2.

Таблиця 2

k	Uk	k	Uk
1	0000111	9	1001100
2	0011001	10	1010010
3	0011110	11	1010101
4	0101010	12	1100001
5	0101101	13	1100110
6	0110011	14	1111000
7	0110100	15	1111111
8	1001011

Приклад кодування інформаційного слова (j=11) Z.

Z = 10112 (U7=1; U6 =0; U5=1; U3=1)

Визначення параметрів завадостійкого коду:

m = 4 - кількість інформаційних символів;

n =7 - значність коду ( знаходиться з умови 2m? ) ;

k = n - m = 3-кількістьперевірочнихсимволів;

Для того щоб повідомлення будо закодовано без помилок необхідно, щоб код синдрому був нульовим, тобто .

Складаємо рівняння, для знаходження перевірочних символів:

U1U3 U5U7=S1=> U1=1;

U2U3U6U7=S2=> U2=0;

U4U5U6U7=S3 => U4=0;

Вихідний код: U=1010101

2) Функціональна схема кодера завадостійкого коду представлена на рис.3.3



Рисунок 3.3 Структурна схема кодера каналу

Нарисунку in - інформаційні символи , rn - перевірочні символи.

3) Надмірність отриманого коду визначається як відношення кількості перевірочних розрядів до загальної кількості символів закодованого повідомлення

Де k - перевірочні розряди,

m - інформаційні розряди,

n - довжина кодової комбінації.

Модулятор

1) Структурна схема модулятора ВФМ представлена на рис.3.4.



Рисунок 2.4 Структурна схема модулятора ВФМ

На один вхід елемента АБО (1) надходять імпульси від генератора тактових імпульсів (ГТІ), на інший вхід елемента АБО надходять імпульси інформаційного повідомлення. Частота тактових імпульсів повинна бути в два рази вищою відчастотинесучої.

2) Аналітичний вираз для модульованого сигналу має наступний вигляд. Частота несучої визначається як f0=100·Vk.

Тобто позитивним імпульсам відповідають початкові фази 0, а негативним імпульсам - р.

3) П'ятому рівню повідомлення, представленого кодовим словом 1010101, відповідають часові діаграми модулюючого U(t) сигналу (ФМ) (рис.3.5), модулюючого Uk=1010101 (ВФМ) (рис.3.6) та модульованого сигналу s(t) (рис.2.7).



Рисунок 3.5 Інформаційна послідовність після

Рисунок 3.6 Часова функція перетвореної послідовності

Рисунок 3.7 Часова функція коливального процесу

4) Вираз кореляційної функції модулюючого сигналу має наступний вигляд

Графік кореляційної функції модулюючого сигналу зображений на рисунку 3.8

Рисунок 3.8 Авто Кореляційна Функція

5) Вираз спектральної щільності потужності модулюючого сигналу має наступний вигляд

,

Графік спектральної щільності модулюючого сигналу має наступний вигляд (рис.2.9). Шкала частот в МГц.



Рисунок 3.9 Спектральна щільність модулюючого сигналу

6) Практичну ширину енергетичного спектру модулюючого сигналу визначимо як:

7) Вираз спектральної щільності потужності модульованого сигналу має наступний вигляд (рис.3.10). Шкала частот в Гц.



Рисунок 2.10 Спектральна щільність модульованого сигналу

8) Ширину енергетичного спектру модульованого сигналу визначимо як

Канал зв'язку

1) Потужність шуму в смузі частот каналу визначимозіспіввідношення

2) Відношення сигнал-шум визначається як:



3) Пропускна здатність каналу

4) Ефективність використання пропускної здатності каналу визначимо як відношення продуктивності джерела до пропускної здатності каналу

Демодулятор

1) Алгоритм оптимального когерентного прийому за критерієм максимуму функції при рівно ймовірних символах для каналу з білим гауссівським шумом можна записати у наступному вигляді

Причому y(t) - прийнятий сигнал, x(t) - очікуваний сигнал.

2) Структурна схема оптимального когерентного демодулятора ВФМ приведена на рис 2.11. При такому методі прийому демодуляція ВФМ сигналів здійснюється фазовим детектором, а опорна напруга формується з прийнятого сигналу. Рішення про те, який символ був переданий, здійснюється за результатами порівняння обвідної прийнятої посилки з полярністю обвідної попередньої посилки.

Рисунок 2.11 Демодулятор ВФМ

3) Ймовірність помилки для оптимального демодулятора визначимо за виразом

4)Очевидно, що для зменшення ймовірності помилки необхідно збільшувати енергію сигналу.

Декодер

1) Алгоритм виявлення помилок полягає у визначенні синдромуS(x). Нульове значення синдрому свідчить про відсутність помилки у прийнятій кодовій комбінації.

Згідно варіанту завдання неспотворена кодова комбінація повідомлення 1010101. Якщо помилка виникає в і=3 розряді, то прийнята кодова комбінація матиме наступний вигляд 1010001.

При перемноженні матриць



отриманий синдром матиме вигляд:

що свідчить про наявність помилки у 3 біті повідомлення.

2) На суматори за mod 2 надходять відповідні інформаційні символиi відповідний вихід декодера.

При правильному прийомі на виходахдекодера - логічні нулі i на виходах суматорів з'являться інформаційні символи без змін.

В разі спотворення одного з символів, наприклад, третього, на третьому виході декодера з'явиться рівень логічної одиниці i на виході першого суматора за mod2 спотворений символ автоматично інвертується, перетворюючись у правильний.



Рисунок 2.12 Декодер коду Хеммінга

Аналіз отриманих результатів розрахунку

Вході виконання розрахунків окремих функціональних елементів цифрової системи передачі інформації були отримані наступні результати:

Розрахований інтервал дискретизації становить 147 мкс або частота дискретизації 6,8 кГц, яка визначається частотним спектром випадкового процесу;

Для двійкового кодування 16 рівнями необхідна розрядність АЦП повинна складати не менше 4 розряди;

Середня ентропія джерела повідомлень складає 4 біт/повідомлення і є максимально можливою для даного випадку (вважаючи, що повідомлення рівно ймовірні);

Розрахована продуктивність кодера становить 27210 символів/секунда;

Розрахована тривалість двійкового коду складає 36,75 мкс; Обраний завадостійкий циклічний код дозволяє виправляти однократні помилки. Значення надмірності коду становить 0,428; Практична ширина енергетичного спектру модульованого сигналу становить 27,21 кГц; При обраній амплітуді вхідного сигналу 100 мВ відношення сигнал/шум становить 12,8; пропускна здатність каналу при цьому складає 99,53 кГц, а ефективність його використання - 27%;

Висновки

Система забезпечує отримання повідомлення від аналогового джерела, його квантування за рівнем, з використанням 4-розрядного АЦП. З метою зменшення ймовірності помилки при прийомі сигналу використовується завадостійке кодування з використанням коду Хемінга. В роботі запропоновано використовувати код з можливістю виправлення 1-кратних помилок. Використання завадостійкого кодування вимагає певної надмірності коду, яка становить 0,428 та більшої пропускної здатності каналу зв'язку, але при цьому спостерігається значне зменшення ймовірності помилки на вході користувача повідомлень, порівняно з ймовірністю неправильного прийому символу при демодуляції.

При передачі інформації використовується відносна фазова модуляція, яка забезпечує досить малу ймовірність помилки прийому символу повідомлення. При цьому доведено, що вказана ймовірність залежить від відношення сигнал/шум.

З метою полегшення розрахунків розрахунків та спростування завдання побудови графіків було використано MathCad та MicrosoftExcel.

Таким чином, в даній курсовій роботі здійснено розробку варіанту побудовицифрової системи передачі інформації.

Перелік посилань

1. Сіденко В.П. Основитеорії передачі інформації. Частина 1. Основи теорії інформації та кодування: Навчальний посібник. - Житомир, ЖВІРЕ, 2002.

2. Андрощук Р.А., Петраш С.В., Леонтьєв О.Є. Основи теорії передачі інформації. Частина ІI. Методи передачі інформації: Навчальний посібник. - Житомир: ЖВІРЕ, 2006. - 168 с.

3. Панчук О.О., Мішин О.Г., Логінов О.І. Основи теорії передачі інформації: Навчальний посібник. - Житомир: ЖВІРЕ, 2004. - 192 с.

4. Тихонов В.И. Оптимальный прием сигналов. - М.: Радио и связь, 1983.

5. Основы теории информации и кодирования /И.В.Кузьмин, В.А. Кедрус 2-е изд. перераб. и доп. - Киев: Вища школа. Головное изд-во, 1986.

6. Цымбал В.П. Теория информации и кодирование. - Киев: Вища школа, 1982. - 304 с.

7. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. Учебник для вузов. Изд. 3-е, пере раб. и доп. - М.: Сов. радио, 1977.

8. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы. - М: Высш. школа, 1988. - 448 с.

9. Колесник В.Д., Полтырев Г.Ш. Курс теории информации. - М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1982. - 416 с.

10. Колесник В.Д., Полтырев Г.Ш. Введение в теорию информации (кодирование источников). - Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1980. - 164 с.

11. Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. 2-е издание.: Пер. с англ. - М.: Издательский дом «Вильямс». 2003. - 1104 с.

12. Пенин П.И. Системы передачи цифровой информации: Учебное пособие для вузов. - М.: Сов. радио, 1976. - 368 с.

13. Основы теории связи. Часть 1. Теория и практика кодирования / В.И. Шульгин. - Учеб. пособие. - Харьков: Нац. аэрокосм. ун-т «Харьк. авиац. ин-т» , 2005. - 194 с. [Электронный ресурс] -Режим доступа:http://k501.xai.edu.ua/lib/ots_uchpos_part1.pdf.

14. Основы теории передачи информации. Ч. 1. Экономное кодирование / В.И. Шульгин. - Учеб. пособие. - Харьков: Нац. аэрокосм. ун-т «Харьк. авиац. ин-т» , 2003. - 102 с. [Электронный ресурс] -Режим доступа: http://k501.xai.edu.ua/lib/otpi_uchpos_part1.pdf

15. Основы теории передачи информации. Часть 2. Помехоустойчивое кодирование / В.И. Шульгин. - Учеб. пособие. - Харьков: Нац. аэрокосм. университет «Харьковский авиационный институт» , 2003. - 87с.[Электронный ресурс] - Режим доступа: http://k501.xai.edu.ua/lib/otpi_uchpos_part2.pdf

16. Википедия - свободная энциклопедия, Статья: Код Хэмминга[Электронный ресурс] - Режим доступа:http://ru.wikipedia.org/wiki/Код_Хэмминга

Размещено на Allbest.ru

...