Разработка каналообразующего устройства передачи дискретной информации

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Модем (modem) - устройство для преобразования цифрового информационного сигнала в аналоговый (модуляция) для передачи по аналоговым линиям связи и обратного преобразования принятого аналогового сигнала снова в цифровой (демодуляция). По своему определению модемы всегда связывают два цифровых терминала, например, компьютеры.

Слово модем - акроним, то есть слово, полученное из первых букв двух слов (МОдулятор - ДЕМодулятор).

Аппаратура образования каналов связи имеет много разновидностей. Используется разнообразное оборудование обработки данных, различные каналы связи, поэтому для обеспечения возможности совместной работы оборудования различных систем с оборудованием обработки данных и каналами связи имеются международные рекомендации, разрабатываемые МККТТ (Международным Консультативным Комитетом по Телефонии и Телеграфии, ныне: МСЭ - Международный Союз Электросвязи).

Создание оптимальных технических решений для построения стандартизированных модемов на разные скорости передачи, с одной стороны, и последние достижения интегральной схемотехники, с другой стороны, стали базой для разработки специализированных интегральных схем (БИС) для модемов. Эти БИС выполняют практически все функции модемов. Для полной реализации модема требуется от двух до семи специализированных модемных БИС, в зависимости от скорости передачи, типа модема и реализованного в нем набора функций.

1. Расчет параметров

1.1 Расчет количества позиций модуляции

Основная функция модема - преобразование несущего гармонического колебания (одного или нескольких его параметров) в соответствии с законом изменения передаваемой последовательности двоичных символов. Такое преобразование называется модуляцией.

Способ модуляции (амплитудная, частотная, фазовая, квадратурно-амплитудная) определяет в основном такой параметр модема, как максимально возможная скорость передачи информации при заданной вероятности ошибки приёма сообщения.

Предельную скорость любой системы передачи можно оценить с помощью формулы Шеннона, устанавливающей зависимость пропускной способности С непрерывного канала с белым гауссовским шумом от используемой полосы частот F канала и отношения мощностей сигнала и шума P_S/P_N:

C = Flog₂(1+ P_S/P_N),

где P_S = E_BV - средняя мощность сигнала; E_B - энергия, затрачиваемая на передачу, одного бита информации; V - скорость передачи информации;

P_N = N₀F

- средняя мощность шума в полосе частот F;

N₀ - спектральная плотность мощности шума. Это выражение позволяет определить предельное значение скорости передачи информации, которое может быть достигнуто в гауссовском канале с заданными значениями F и P_S/P_N.

Определим значение скорости передачи по следующей формуле:

C = Blog₂(M),

Тогда выразим не заданное нам по условию значение числа позиций М и найдем его по следующей формуле:

Подставив исходные данные (С = 51200 бит/с, B = 3200 Бод) получаем М = 65536 позиций. Зная значение скорости передачи, выразим отношение мощностей сигнала и шума P_S/P_N, и получим следующую формулу:

Подставив исходные данные:

получаем отношение мощностей сигнала и шума P_S/P_N, равным:

Вероятность битовой ошибки:

Получаем:

1.2 Расчет вероятности битовой ошибки

Для оценки вероятности ошибки при ЧМ воспользуемся формулой:

,

где Q - функция Крампа.

=

Вероятность ошибки равна 0.

2. Построение структурной схемы

2.1 Построение структурной схемы скремблера

Двоичный сигнал на входе модема может иметь произвольную статистическую структуру, которая не всегда удовлетворяет требованиям, предъявляемым синхронным способом передачи. Среди этих требований основными являются следующие.

Частота смены символов (1,0) должна обеспечивать надежное выделение тактовой частоты непосредственно из принимаемого сигнала.

Спектральная плотность мощности передаваемого сигнала должна быть, по возможности, постоянной и сосредоточенной в заданной области частот с целью снижения взаимного влияния каналов.

Приведенные требования должны выполняться независимо от структуры передаваемого сообщения. Поэтому в синхронных модемах исходная последовательность двоичных посылок часто подвергается определенной обработке. Смысл такой обработки состоит в получении последовательности, в которой статистика появления нулей и единиц приближается к случайной, что позволяет удовлетворить двум названным выше требованиям.

Одним из способов такой обработки является скремблирование. Скремблирование -- это обратимое преобразование структуры цифрового потока без изменения скорости передачи с целью получения свойств случайной последовательности. Скремблирование производится на передающей стороне с помощью скремблера, реализующего логическую операцию суммирования по модулю два исходного и псевдослучайного двоичных сигналов. На приемной стороне осуществляется обратное преобразование -- дескремблирование, выполняемое дескремблером. Дескремблер выделяет из принятой последовательности исходную информационную последовательность.

По заданию необходимо построить скремблер с параметрами М = 10 и N = 7. Число M показывает разрядность регистра, а N - ячейка памяти регистра с которой происходит суммирование по модулю два разряда M регистра.

Построим схемы.

Рисунок 1 - Схема скремблирования

Как видим, устройство скремблера предельно просто. Его реализация возможна как на электронной, так и на электрической базе, что и обеспечило его широкое применение в полевых условиях. Более того, тот факт, что каждый бит выходной последовательности зависит только от одного входного бита, еще более упрочило положение скремблеров в защите потоковой передачи данных. Это связано с неизбежно возникающими в канале передаче помехами, которые могут исказить в этом случае только те биты, на которые они приходятся, а не связанную с ними группу байт, как это имеет место в блочных шифрах.

Декодирование заскремблированных последовательностей происходит по той же самой схеме, что и кодирование. Именно для этого в алгоритмах применяется результирующее кодирование по модулю два - схема, однозначно восстановимая при раскодировании без каких-либо дополнительных вычислительных затрат. Произведем декодирование полученного фрагмента.

Рисунок 2 - Схема дескремблирования

В последнее время сфера применения скремблирующих алгоритмов значительно сократилась. Это объясняется в первую очередь снижением объемов побитной последовательной передачи информации, для защиты которой были разработаны данные алгоритмы. Практически повсеместно в современных системах применяются сети с коммутацией пакетов, для поддержания конфиденциальности которой используются блочные шифры. А их криптостойкость превосходит, и порой довольно значительно, криптостойкость скремблеров.

2.2 Построение структурной схемы кодера

Корректирующими называют коды, позволяющие обнаруживать и исправлять независимые и зависимые ошибки в принимаемых кодовых последовательностях.

По заданию необходимо построить кодер циклического кода по полиному:

.

Схема кодирования представлена на рисунке 3.

Основу схем направления и декодирования составляет регистр сдвига, который выполняет операции умножения и деления.

Схема умножения состоит из регистра сдвига, число элементов которого равно степени порождающего многочлена и сумматоров по модулю два.

В исходном состоянии во всех элементах регистра находятся нули, после первого тактового импульса в элемент 1 цепи поступает первый информационный символ.

В последующих тактах этот информационный символ последовательно передвигается по регистру.

модем скремблирование информационный цифровой

Рисунок 3 - Схема кодирования циклическим кодом

2.3 Построение структурной схемы каналообразующего устройства

По заданию необходимо построить двухпроводный тракт с синхронным режимом передачи. Режим использования канала - полудуплексный, структура сети передачи данных - коммутируемая.

Для построения структурной схемы модема с заданными характеристиками, рассмотрим каждую из характеристик взятую в отдельности.

В синхронном режиме данные передаются одним потоком. Стартовые и стоповые биты отсутствуют. Поэтому при одинаковой скорости в синхронном режиме можно передать больше полезной информации, чем в асинхронном.

Двухпроводные каналы позволяют использовать два провода, как для передачи, так и приема сигналов. Такие каналы позволяют экономить на стоимости кабелей, но требуют усложнение каналообразующей аппаратуры и аппаратуры пользователя. Двухпроводные каналы требуют решение задачи разделения принимаемого и передаваемого сигналов. Такая развязка реализуется при помощи дифференциальных систем, обеспечивающих необходимое затухание по встречным направлениям передачи.

Коммутируемые каналы представляются потребителям на время соединения по их требованию (звонку). Такие каналы принципиально содержат в своем составе коммуникационное оборудование телефонных станций (АТС).

Полудуплексный режим разрешает передачу информации в обоих направлениях, однако одновременно информация передается только в одном направлении. Когда данные передаются по телефонной сети, приемник и передатчик модема или акустического соединителя должны включаться и выключаться в соответствии с изменением направления передачи. Полудуплексный режим передачи для своей реализации требует двух проводов. Для организации двухстороннего обмена необходимо предусмотреть устройство коммутации линии, которое своевременно производит переключение линии на приемник или передатчик. Для этого мы в схеме будем использовать ключ.

Так как режим полудуплексный, то передатчик и приемник работают поочередно. Для организации двухстороннего поочередного обмена в схеме КОУ предусмотрен ключ КЛ, который и производит своевременное переключение линии на приемник и передатчик. Так как при передаче данных по телефонной сети приемник и передатчик модема должны включаться и выключаться в соответствии с изменением направления передачи.

Работа модема по 2-х проводной абонентской линии осуществляется следующим образом. Информация от источника сообщений поступают через входное устройство на вход кодера и на скремблер и далее на вход модулятора. Модулированные сигналы проходят через усилитель, полосопропускающий фильтр. Поступают в абонентскую линию АЛ.

На приемной станции эти сигналы проходят через полосопропускающий фильтр, усилитель-ограничитель приходят в демодулятор. Демодулированные сигналы поступают через дескремблер на декодер. Если кодовая комбинация принята правильно, то информация через выходное устройство поступает к получателю сообщения.

Рисунок 4 - Структурная схема каналообразующего устройства

Заключение

В данной контрольной работе был произведен расчет параметров каналообразующего устройства, расчет спектра модулированного сигнала и построена коммутируемая схема каналообразующего устройства, работающая по двухпроводной схеме в синхронном полудуплексном режиме передачи.

Литература

1. Горелов Г.В. Каналообразующие устройства железнодорожной автоматики, телемеханики и связи: Учебник для вузов ж.-д. трансп. / Г.В. Горелов, А.А. Волков, В.И. Шелухин - М.: Транспорт, 1994. - 239с.

2. Семенюта Н.Ф. Каналообразующие устройства передачи дискретных сообщений: Пособие по дисциплине «Каналообразующие устройства». - Гомель: БелГУТ, 2003.-137с.

3. Проектирование модемов передачи данных: Пособие / А.М. Демидов, В.Е. Минин, С.С. Татур. - Гомель: БелГУТ, 2004. - 144с.

4. Кудряшов В.А., Семенюта Н.Ф. Передача дискретной информации на железнодорожном транспорте: Учебник для вузов ж.-д. трансп. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Транспорт, 1986. - 295с.

Размещено на Allbest.ru