Обеспечение дальности и помехоустойчивости связи

Размещено на http://allbest.ru

Введение

В настоящее время серьезной проблемой становится обеспечение связи с высокой помехоустойчивостью, скрытностью и имеющей значительную дальность связи.

В связи с ростом числа радиостанций, абонентов сотовой связи увеличивается число помех, что отрицательно сказывается на качестве связи. Чтобы исправить сложившуюся ситуацию разрабатывают все новые и новые способы передачи информации. Одним из этих способов является многоканальная широкополосная система связи с мажоритарным уплотнением.

В данной курсовой работе будет разработана именно такая система связи, а также отображен принцип работы системы.

В ходе выполнения курсовой работы будут отработаны навыки составления структурных схем системы передачи информации, систем синхронизации, структурных схем устройств обработки и формирования сложных сигналов.



1. Разработка структурной схемы системы связи

1.1 Разработка структурной схемы передающей части многоканальной системы связи с мажоритарным уплотнением

Структурная схема передающей части многоканальной системы связи изображена на рисунке 1.

Рис.1 Структурная схема передающей части многоканальной системы.

Двоичное сообщение каждого источника информации (ИИ₁…ИИ₅) подается на сумматоры по модулю два (М₁…М₅), на второй вход которых подается соответствующая канальная ПСП. Путем суммирования по модулю два формируются противоположные сигналы.

Для получения неинвертированной ПСП на выходе сумматора канальная ПСП суммируется с 0 и проходит на выход без изменения, суммирование с 1 означает инверсию ПСП, так как суммирование с 1 любого символа приводит к его инверсии.

Канальные ПСП (ПСП с модуляцией) с выходов сумматоров поступают на входы мажоритарного элемента (МЭ), на выходе которого формируется групповой сигнал, полученный по мажоритарному правилу (по большинству). Затем групповой сигнал поступает на вход фазового модулятора (ФМ) где производится модуляция информационного сигнала высокочастотным сигналом.

1.2 Разработка структурной схемы приемной части многоканальной системы с мажоритарным уплотнением

Структурная схема приемной части многоканальной системы с мажоритарным уплотнением приведена на рисунке 2.

Рис.2 Структурная схема приемной части многоканальной системы.



На схеме:

ПРМ-приемник, он принимает сигнал, производит селекцию и усиливает сигнал до необходимого уровня;

УКО-устройство корреляционной обработки сигнала;

Синхронизатор-обеспечивает синхронную работу системы;

Генератор копий ПСП-формирует копии последовательностей Голда, которые поступают на УКО;

ПУ-пороговые устройства сравнивают поступающие на вход сигналы, выбирают максимальный, и выносят решение в пользу приема этого сигнала;

DC-дешифратор. Преобразует сигналы с выходов пороговых устройств в канальные сигналы;

ПИ1…ПИ5 получатели информации.

1.3 Расчет высоты установки передающей и приемной антенн и их параметры

Согласно заданию на курсовую работу максимальная дальность связи равна 15 км (r_max=15км). Для обеспечения условий прямой видимости, высот поднятия антенн определяются с помощью соотношения:

(1)

антенна информация многоканальный генератор

где расстояние прямой видимости r выражено в километрах, а высота поднятия антенн Н₁ и Н₂ в метрах.

Для расчета параметров антенн необходимо найти длину волны на которой работает система связи:



где с=3?10⁸м/с-скорость света в вакууме, f₀=200МГц-заданная несущая частота. В результате расчета выясяем, что длина волны на которой работает система связи равна л=1.5 м.

В соответствии с заданием антенна на абонентской станции типа «волновой канал», т.е. антенна «Уда-Яги». Антенна «Уда-Яги» является направленной антенной. Которую используют в тех случаях, когда необходима максимальная дальность связи в определенном направлении и в случаях, когда необходимо уменьшить помехи другим системам связи. Направленные антенны относятся к дорогостоящим устройствам, поэтому их используют там, где акторы дальности и достоверности передачи информации являются приоритетными. В данной курсовой работе в качестве антенны АС будем использовать шестиэлементную антенну типа «волновой канал», которая изображена на рисунке 3.

Рис.3 шестиэлементная антенна типа «волновой канал»



Данная антенна состоит из 6 основных элементов: активного вибратора, рефлектора и 4 директоров.

Длину активного вибратора выбирают равной половине длины волны:

Длина активного вибратора равна 0.75м.

Оптимальная длина рефлектора должна быть незначительно больше половины длины волны:

Оптимальная длина рефлектора 0.88м. Длина директора L_д?л/2:

Таким образом длина рефлектора равна 0.5м.

Все элементы должны отстоять друг от друга на величину равную 0.25л.

Выясняем, что все элементы антенны располагаются на расстоянии 37,5 см друг от друга.

Общая длина антенны в таком случае получается: l_a=1.875м.



Коэффициент направленного действия (КНД) рассчитывается по следующей формуле:

Где -коэффициент, зависящий от отношения длины антенны к длине волны, лежащий в пределах от 4 до 10 и определяется по графику представленному на рисунке 4.

Рис. 4 график зависимости коэффициента от волновой длины антенны.

Волновая длинна антенны в нашем случае равна:

Отсюда следует что коэффициент =9.5. В итоге получаем .

Коэффициент усиления антенны:

(8)

где -коэффициент полезного действия антенны равный 90%.

Коэффициент усиления антенны .

Согласно заданию на центральной станции будет расположена спиральная антенна, представленная на рисунке 5.

Рис.5 спиральная антенна

Шаг спиральной антенны S определяется следующим образом:

Шаг спирали S=0.25?1.5=0.375 м.

Длина антенны определяется следующим образом:

n-число витков спирали.

В итоге получим L=5?0.375=1.875м.

Диаметр спирали D находится по следующей формуле:

Диаметр спирали равен D=3.14/1.5=2,093 м.

Зная все размеры спиральной антенны можно определить КНД:



На основании этой формулы получим КНД .

Коэффициент усиления антенны находим так же как и у предыдущей антенны:

В итоге .

1.4 Выбор типа местности и определение потерь при распространении радиоволн

Связь ЦС с АС осуществляется в пригородной зоне.

Для расстояния 15 км можно рассчитать по формуле 14[1].

В итоге получим .

В пригородной зоне следует добавить 20 дБ на потери за счет дифракции, а также 10дБ как поправочный коэффициент на высоту поднятия антенны.

В итоге получим .

Для случая метровых волн и неровной поверхности значение дисперсии д=10дБ. Большая часть значений потерь находится в пределах . Поэтому суммарные потери с учетом этого будут определяться следующим образом:



1.5 Расчет импульсной мощности передатчика

Средняя мощность передатчика Р_спер с учетом коэффициентов усиления антенн и :

Минимальная средняя мощность сигнала Р_сmin:

Где -коэффициент помехозащищенности; -средняя мощность шума, которая определяется по формуле:

Где -спектральная плотность мощности шума в полосе частот пропускания приемника, которая вычисляется по формуле:

Где k - постоянная Больцмана (k=1.3810^-23Втс/К); Т-температура окружающей среды, выраженная по шкале Кельвина; -коэффициент шума приемника, показывающий во сколько раз отношение сигнал/шум по мощности на выходе приемника(до детектора) меньше такого же отношения на его входе, который определяется по графику изображенному на рисунке 6.



Рис.6 Значение коэффициента шума для различных устройств

Кроме внутренних шумов приемника, спектральная плотность которых рассчитывается по формуле (18), следует учитывать шумы антенны и фидерного тракта.

В этом случае спектральная плотность мощности шума рассчитывается по формуле:

Где Т_экв=T_ф ?K_ш - эквивалентная шумовая температура; Т₀=300К-комнатная стандартная температура в Кельвинах; Т_а=0.1? Т₀=30К-шумовая температура антенны.

На АС в качестве входного каскада целесообразно использовать кристаллические смесители, имеющие на частоте 200 МГц коэффициент шума K_ш=7.5 дБ или эквивалентную шумовую температуру 1900К. Тогда



Коэффициент помехозащищенности:

Где В=2^к-1=31-база сигнала, которая определяется с учетом числа уплотняемых источников К; - коэффициент помехозащищенности противоположных сигналов, который в соответствии с графиком представленным на рисунке 7 при вероятности ошибки Р₂=2?10^-3 дает значение 7 дБ; -коэффициент потерь, который определяется не только с учетом неточности синхронизации и аппаратных потерь (на все это даем 2 дБ), а также с учетом, что для сигнала предназначенного одной АС и база которого рассчитывается расходуется часть мощности передатчика. Коэффициент потерь за счет этого практически совпадает с энергетической ценой многоканального сигнала, которую мы находим по таблице 1.

Рис. 7 Кривая помехоустойчивости для двоичных сигналов

Табл.1 энергетические характеристики мажоритарного уплотнения

K	(Рс / Рш)вх при вероятностях ошибки	Эму , раз	с-1му
	10-3	10-4	10-5	10-6		раз	дБ
3 5 7 9 11 13 15	5,62 1,14 0,4 0,13 4•10-2 1,2•10-2 3,4•10-3	8,6 1,33 0,45 0,15 4,6•10-2 1,4•10-2 4•10-3	13 1,49 0,5 0,154 5,1•10-2 1,6•10-2 4,4•10-3	18,9 1,6 0,54 0,176 5,4•10-2 1,6•10-2 4,7•10-3	7,9-19,6 7,1-7,35 10,1 13,3 16,5 19,6 22,8	2,63-6,5 1,4-1,17 1,44 1,48 1,5 1,51 1,52	4,2-8,1 1,5-1,7 1,6 1,7 1,76 1,79 1,82

Из таблицы 1 получаем, что энергетическая цена при мажоритарном уплотнении 5 каналов, при (Р_с/Р_ш)_вх=2?10^-3: Э_му=7.1 или 8.5 дБ. В итоге получаем : К_пот=8.5 +2=10.5дБ. База сигнала В=31 или 15 дБ.

Теперь определяем коэффициент помехозащищенности:

К_п=15-7-10.5=-2.5 дБ.

Полоса пропускания приемника по сравнению с линейным уплотнением увеличивается на 3 дБ.

Полосу пропускания приемника находим по формуле:

В результате получаем =600?31=18600=18.6кГц=43дБ.

Так как полоса пропускания увеличивается, то:=43+2=46дБ.

Средняя мощность шума:Р_ш=-195+46=-149дБ.

Минимальная средняя мощность сигнала: Р_сmin=-149-(-2.5)=-147дБ.

Средняя мощность передатчикаР_спер=-147-10.7-1.05+161.9=3.15дБ=2.5 Вт.

При расчете пиковой мощности передатчика необходимо учитывать что она в два раза больше средней мощности передатчика.

Пиковая мощность передатчика:

.



2 Выбор сигнала и расчет параметров

2.1 Расчет группового сигнала

Принцип мажоритарного уплотнения заключается в формировании группового сигнала из n- го количества каналов по мажоритарному правилу. В данной курсовой работе используются 5. Элементы группового сигнала принимают значения 0 или 1 в зависимости от того, каких символов будет больше на соответствующих позициях канальных сигналов. На рисунке 8 представлена структурная схема устройства мажоритарного уплотнения.

Рис. 8 структурная схема устройства мажоритарного уплотнения.

Двоичное сообщение каждого источника подается на сумматор по модулю 2, на второй вход которого подается соответствующая канальная ПСП. Путем суммирования по модулю два формируются противоположные сигналы.

Для получения на выходе сумматора М неинвертированной ПСП при символе 1 источника, как было обусловлено выше, на входе М сообщение инвертируется(это обозначено знаком «0» на входе М).

Тогда при символе 1 источника канальная ПСП суммируется с 0 и проходит на выход М без изменения,а при символе 0-суммируется с 1, что означает инверсию ПСП, так как суммирование с 1 любого символа приводит к его инверсии.

Длина канальных ПСП определяется следующей формулой:

Так как к=5, то N=31.

Согласно заданию в данной курсовой работе будут использоваться последовательности Голда.

2.2 Построение генератора Голда

В широкополосных системах передачи информации для получения сложных сигналов часто используются М-последовательности благодаря простоте их формирования. Последовательности Голда представляют собой последовательность, образованную сложением по два двух М-последовательностей одинаковой длинны, что увеличивает объем ансамбля сигнала.

Тактовая частота генератора ПСП должна быть равна ширине спектра сигнала:

Для построения генератора воспользуемся предпочтительными М-последовательностями, найденными Питерсоном и Уэлдоном, которые описываются полиномами:

,



Иначе эти полиномы обозначают так: g₁=100101, g₂=110111.

Регистры сдвига для генерирования двух -последовательностей и соответствующих последовательностей Голда показаны на рисунке 9.

В этом случае имеется 33 различных последовательностей, соответствующие 33 различным взаимным сдвигам двух -последовательностей. Из них 31 последовательность не является последовательностями максимальной длины.

Рис.9 Генератор последовательностей Голда длины N=31

Последовательность Голда формируется путем поразрядного сложения по модулю 2 двух М - последовательностей длины N = 31.

Любое относительное изменение сдвигов исходных М - последовательностей приводит к формированию новой последовательности.

Поэтому ансамбль последовательности Голда равен N+2: он состоит из различных последовательностей, формируемых при различных сдвигах, и двух исходных М - последовательностей.

Простейший М-генератор состоит из регистра сдвига и сумматора по модулю 2.

Связи регистра сдвига с сумматором по модулю 2 устанавливаются в соответствии с проверочным полиномом.

К сумматору по модулю 2 подключаются только те номера разрядов, которые имеют коэффициент равный 1 при степени n (n-номер разряда) проверочного полинома.

Выход последнего разряда регистра сдвига является выходом М-генератора.

Коэффициент равный единице при нулевой степени в проверочном полиноме означает, что выход сумматора по модулю 2 связан со входом регистра сдвига.

2.3 Расчет взаимнокорреляционной функции группового сигнала

Для определения корреляционной функции между групповым сигналом и канальными ПСП воспользуемся выражением для корреляционной функции R_n между двумя двоичными последовательностями с числом переименованных символов Z:

Для расчета АКФ воспользуемся формулой:

В результате расчета получили:



Рис.10 АКФ группового сигнала.

Согласно заданию необходимо найти взаимнокорреляционную функцию. Для этого воспользуемся формулой:

В результате расчета получили следующий график:

Рис.11 ВКФ группового сигнала.



2.4 Расчет кривой помехоустойчивости

Вероятность ошибки в любом из каналов (вероятность ошибки в расчете на один двоичный сигнал) определяется как условная вероятность (при условии ошибочного отождествления группового сигнала)

При использовании для уплотнения К-бинарных каналов ортогонального кода и когерентном приеме сигналов вероятность ошибки на один двоичный символ

(26)

где - энергия, затрачиваемая на передачу одного двоичного символа сообщения;

P_с - мощность сигнала;

,

Т - длительность символа входных канальных сигналов - объем алфавита кода;

N₀ - односторонняя спектральная плотность флюктуационного шума.



Рис.12 Кривая помехоустойчивости при мажоритарном уплотнении каналов.

Из рисунка 12 видно, что увеличение кратности каналов К приводит к снижению нормированных энергетических затрат Е₁/N₀.



3. Оценка электромагнитной совместимости

Под ЭМС понимают способность радиосредств совместно функционировать в реальных условиях эксплуатации с требуемыми (допустимыми) значениями показателей качества при воздействии различных помех и не создавать помехи недопустимого уровня другим радиосредствам.

Поскольку ЭМС зависит от большого числа разнообразных источников помех, то для ее количественной характеристики приходится применять совокупность большого числа показателей и параметров. Ниже приведены некоторые из них.

Нормы по ограничению уровня помех:

Для обеспечения ЭМС также необходимо правильно выбрать рабочую частоту системы связи. Длч данной системы связи рабочая частота равна несущей f₀=200 МГц.

Нормы на относительную нестабильность частоты передатчиков для систем связи УКВ диапазона составляют дf/f₀=10^-5…10^-6, следовательно:

дf=( дf/f₀)* f=10^-6*200?10⁶=200Гц,

дf- f_max- f_min.

Обеспечение ЭМС достигается комплексом дополнительных мер, принимаемых как в отношении помех, так и в отношении приемников. Для различных характерных помех используются следующие основные меры для ослабления их мешающего действия.

Для уменьшения помех от радиостанций :

-увеличение направленности излучения при неизменной мощности;

-ослабление уровня боковых лепестков диаграммы направленности антенной системы;

-ослабление нежелательных видов излучения;

Сложность технической реализации мажоритарного уплотнения является примерно такой же, как и при линейном.

При этих методах уплотнения осуществляется формирование канальных сигналов для каждого источника, а затем их объединение.

Отличие состоит в том, что при линейном уплотнении объединение канальных сигналов производится с помощью линейной операции суммирования, а при мажоритарном с помощью нелинейной операции.

Принципиальным различием мажоритарного и линейного методов является следующее: мажоритарное используется только для синхронных источников, а линейное и для синхронных и для асинхронных источников.

Энергетическая цена мажоритарного уплотнения определяется как отношение средних мощностей сигнала на входе приемника при мажоритарном уплотнении и в одноканальной системе, которые обеспечивают одинаковое соотношение сигнал/шум.

Для К равного 5 приведены значения энергетической цены, рассчитанной для всех значений вероятности ошибки, приведенных в табл.3. Сравнение мажоритарного уплотнения с линейным показывает, что мажоритарный имеет некоторый проигрыш

Значения с^-1 му приведены в последнем столбце таблицы. Как следует из данных таблицы, энергетический проигрыш мажоритарного уплотнения имеет максимальное значение с^-1 му = 4,2-8,1 дБ для трех источников. Для К = 5-15 проигрыш мажоритарного уплотнения небольшой; он равен 1,5-1,8 дБ.

Мажоритарное уплотнение можно рассматривать как результат предельного ограничения группового сигнала при линейном уплотнении).

Значение проигрыша мажоритарного уплотнения с^-1му = 2+6 дБ по сравнению с линейным уплотнением совпадает приблизительно с результатами, приведенными в таблице.

Однако для уплотнения синхронных источников использование мажоритарного элемента предпочтительнее жесткого ограничителя. Это обусловлено, прежде всего преимуществами использования цифровых микросхем, к которым относится мажоритарный элемент. Кроме того, с использованием мажоритарного элемента легче реализовать каскадный принцип мажоритарного уплотнения.



Заключение

В ходе выполнения данной курсовой работы была разработана пятиканальная широкополосная система связи с мажоритарным уплотнением между абонентской и базовой станциями. Дальность данной системы составляет 15 км.

Произведен выбор сигнала и расчет его параметров, рассчитаны параметры антенн, помехоустойчивость. Был рассмотрен вопрос электромагнитной совместимости.

По результатам выполненной курсовой работы можно увидеть, что применение широкополосных многоканальных систем связи весьма перспективное направление. При использовании небольшого количества источников эти системы обладает лучшей помехоустойчивостью помехозащищенностью.



Список литературы

1. А.А. Бессарабова, В.И. Ледовских/ Системы передачи информации с кодовым разделением каналов/2006

2. А.А. Бессарабова, В.И. Ледовских Псевдослучайные двоичные последовательности/2006

3. Н.И. Сорока, Г.А. Кривинченко ТЕЛЕМЕХАНИКА/2005

4. Гуткин Л.С. Проектирование радиосистем и радиоустройств. М. :Радио и связь, 1986. 267 с.

5. Бессарабова А.А. Системы передачи информации с кодовым разделением каналов: учеб. пособие / А.А. Бессарабова, В.И. Ледовских. - Воронеж: ВГТУ, 2006. 182 с.

6. Гололобов, Кирильчук Антенны/2002

Размещено на Allbest.ru

...