Цифровая радиолиния КИМ-АМ-ФМ

Цифровая радиолиния КИМ-АМ-ФМ

Размещено на http://www.allbest.ru/

Курсовой проект на тему:

"Цифровая радиолиния КИМ-АМ-ФМ"

Рязань 2004 г.

Содержание

Задание по курсовому проектированию

Введение

1. Общая характеристика системы управления

2. Расчет и выбор основных технических характеристик системы

2.1 Определение частоты дискретизации

2.2 Определение разрядности квантования

2.3 Структура группового сигнала

2.4 Выбор несущей частоты передатчика

2.5 Расчет энергетического потенциала

3. Контур управления и его анализ

4. Разработка функциональной схемы передатчика

5. Разработка функциональной схемы приемника

6. Конструкция бортового приемника

7. Заключение

8. Список литературы

Введение

Необходимость достоверного приёма цифровой информации при больших дальностях и жёстких ограничениях на габаритные размеры, массу и потребляемую мощность в значительной мере определяет структуру радиолинии. Приёмный тракт должен проектироваться таким образом, чтобы в нём отсутствовал эффект подавления сигнала шумом. Это достигается, если на выходе нелинейных элементов (детекторов) обеспечивается большое отношение сигнал/шум.

В реальных радиолиниях такое условие достаточно просто достигается при импульсных методах модуляции сигнала, например, при ВИМ-АМ. Однако такие радиолинии не нашли широкого применения, т.к. возникают трудности при проектировании бортовых передатчиков с большой пиковой мощностью, необходимых при организации радиолинии большой протяжённости. Кроме того, импульсный режим затрудняет совмещение линий передачи информации с траекторными изменениями, т.к. он мало пригоден для точного измерения скорости по доплеровскому сдвигу частот. Поэтому широкое применение находят непрерывные радиосигналы со сравнительно большой мощностью на входе приёмного устройства. Чтобы такой сигнал не подавлялся шумом, для его модуляции используют фазовые (или синхронные) детекторы.

При передаче цифровой информации на первой ступени чаще всего используется кодо-импульсная модуляция (КИМ). В сигналах с двумя ступенями модуляции (КИМ-ФМ, КИМ-ЧМ) сигнал КИМ (т.е. последовательность символов) непосредственно модулирует несущую. Непосредственная модуляция несущей позволяет более экономично использовать полосу частот, отведённую для радиолинии. Такие сигналы более пригодны для высоких скоростей передачи информации (Мбит/сек), что характерно для радиолиний сравнительно малой дальности (до тысяч км).

В сигналах с трёхступенчатыми видами модуляции (КИМ-ЧИМ-ФМ, КИМ-ФМ-ФМ и др.) сигналом КИМ модулируется поднесущая, а затем - несущая. Занимаемая полоса частот увеличивается. Однако такая структура сигнала оказывается более удобна для построения демодуляторов.

С помощью поднесущих создаётся дополнительная частотная селекция для защиты от сосредоточенных помех. Сигналы с поднесущими характерны для космических радиолиний протяжённостью вплоть до сотен миллионов километров.

дискретизация квантование передатчик бортовой приемник

1. Общая характеристика системы управления

Под управлением в самом общем случае понимается осуществление совокупности воздействий, выбранных из множества возможных на основании определенной информации и направленных на поддержание или улучшение функционирования некоторого объекта в соответствии с заданной целью.

Контролем называется получение и обработка информации о состоянии объекта и внешних условиях с целью обнаружения событий, определяющих управляющие воздействия, которые должны быть оказаны на объект. Обработка информации при контроле заключается в сравнении с установками одного или нескольких параметров, характеризующих состояние объекта, формировании и выдаче заключения о результате.

Под командным радиоуправлением понимается такое радиоуправление при котором команды формируются на пункте управления, на борт они передаются по специальной радиолинии. В состав командной радиолинии входят система выработки команд, система приема команд на борту и среда распространения. Основными требованиями к КРЛ:

высокая помехозащищенность

криптостойкость

имитостойкость

На борт летательного аппарата передается несколько команд, поэтому радиолиния является многоканальной.

В процессе управления на борт ракеты, по командной радиолинии, передаются множество различных команд, чтобы осуществить передачу по командной радиолинии нескольких независимых команд одновременно, необходимо сделать ее многоканальной.

Также как и в других многоканальных системах, в командной радиолинии для передачи каждого независимого сообщения выделяется отдельный канал. Разделения каналов между собой производится по временному, частотному или кодовому признакам. При этом в каждом канале формируется свое вспомогательное поднесущее колебание импульсное при временном или кодовом разделении каналов и непрерывное при разделении каналов по частоте.

При создании современных систем передачи используются как сложные сигналы (ШПС), так и сигналы с многоступенчатой модуляцией. На первой ступени используется, как правило, кодово-импульсная модуляция (КИМ), а на последующих - амплитудная модуляция (АМ), частотная (ЧМ), фазовая (ФМ). Наиболее часто встречаются сочетания КИМ-ЧМн-ФМ, КИМ-ЧМ-АМ, КИМ-АМ-ФМ, КИМ-ФМ-ФМ.

В данной работе разрабатывалась космическая система связи с КИМ-АМ-ФМ. Характер спектра сигнала с многоступенчатой модуляцией в значительной степени определяется спектром сигнала КИМ. Кодово-импульсная модуляция является наиболее распространенным методом цифрового преобразования аналоговых сигналов. При КИМ осуществляется три вида преобразований : дискретизация по времени исходного сигнала, квантование амплитуд дискретных отсчетов сигнала и кодирование. Сформированные при дискретизации отсчеты преобразуются в группы кодовых символов.

Модуляция КИМ-АМ-ФМ. Радиосигнал при модуляции записывается в виде:

(1)

где uим (t) -- импульсная модулированная поднесущая. Будем полагать, что uим (t)= а при передаче единици и uим (t)= 0 при передачи нуля. Выполнив тригонометрические преобразования, можно представить выражение (1) в виде

 (2)

Таким образом, сигнал с модуляцией КИМ-АМ-ФМ состоит из суммы двух компонент. Первая представляет собой несущую, модулированную по фазе колебанием sin w1t и по амплитуде сигналом uим (t). Вторая является амплитудно-модулированной несущей. Соответственно спектр сигнала Е (t) получается из спектра фазомодулированного сигнала, у которого каждая гармоника, в свою очередь, промодулирована по амплитуде uим (t), вследствие чего около нее образуются боковые полосы. Спектр второй компоненты лежит вблизи несущей частоты. Он складывается с частью спектра первой компоненты, в результате чего образуется спектральная полоса вблизи несущей, соответствующая AM колебанию:

(3)

Общий вид спектра радиосигнала ИМ-АМ-ФМ показан на рис.1. Сигнал КИМ-АМ-ФМ демодулируется с помощью синхронного детектора. Если опорное напряжение синхронного детектора синфазно с гармоникой на несущей частоте сигнала, то в результат детектирования получим

(4)

Здесь учтено, что выходное напряжение детектора сглаживается фильтром, в связи с чем можно пренебречь гармониками на частотах вблизи w0 и выше Из (4) видно, что на выходе детектора присутствует импульсная поднесущая uим (t), а кроме того, имеются четные гармоники поднесущей w1 модулированные по амплитуде. Изменив фазу опорного напряжения на 900, получим

(5)

В этом случае на выходе будут только модулированные по амплитуде нечетные гармоники поднесущей и для выделения сигнала uим (t) нужна вторая ступень демодуляции с амплитудным или синхронным детектором.

Рис. 1. Общий вид спектра сигнала КИМ-АМ-ФМ.

2. Расчет и выбор основных технических характеристик системы

2.1 Определение частоты дискретизации

Под дискретизацией понимается процесс представления непрерывного сообщения U(t), заданного на интервале (0,Tc), совокупностью его значений (отсчетов) U(ti) в дискретные моменты (моменты дискретизации). При равномерной дискретизации отсчеты формируются через равные промежутки времени Тd - интервалы дискретизации. Величина, обратная интервалу, Fd=1/Тd называется частотой дискретизации.

На практике широкое распространение получил метод восстановления с помощью интерполяционного многочлена Лагранжа:

где n-порядок интерполяции.

При увеличении n растет точность восстановления, но и вместе с тем возрастает сложность аппаратуры приемника. По этой причине выбираем линейную интерполяцию (n=1).

Для практических расчетов, при сообщениях со спектром близким к прямоугольному, интервал дискретизации равен:

где -предельный интервал дискретизации.

- относительная погрешность восстановления.

По Т.З. Fв=1Гц, тогда

Примем

Частота дискретизации:

2.2 Определение разрядности квантования

Разрядность квантователя выбирается такой, чтобы достигалось заданное отношение с/ш.

Примем отношение с/ш q=60дБ.

Отношение с/ш и разрядность информационного слова в соответствии с [4] соотношением:

,

где Кпф -пикфактор сигнала.

Примем .

Тогда для двоичной системы счисления:

Откуда,

,

Число уровней квантования

B = 2r = 210 = 1024.

2.3 Структура группового сигнала

В данное время всё чаще и чаще встаёт вопрос об увеличении пропускной способности линий связи путём одновременной передачи сообщений по нескольким каналам. Разрабатываемая система связи является (согласно техническому заданию) двухканальной. Наша система обеспечивает независимую передачу нескольких сообщений по одной общей радиолинии. Основная проблема многоканальной связи - задача разделения канальных сигналов.

Чтобы на приёмной стороне сигналы разных каналов могли быть разделены, необходимо для этого наделить их каким-либо признаком, по которому они бы различались: это может быть разделение каналов по форме (РКФ), частотное разделение (ЧРК), временное разделение каналов (ВРК). Эти манипуляции необходимы для устройств разделения каналов на приёмной стороне.

В нашем случае одновременная передача команд не предусмотрена, поэтому целесообразно применить ВРК. При этом всё каналы занимают одну и ту же полосу частот, но линия связи используется поочерёдно для передачи канальных сигналов. Временное разделение каналов применимо только в случае импульсной модуляции. Это связано с тем, что при импульсной модуляции благодаря большой скважности между импульсами одного канала остаётся большой промежуток времени, в котором можно разместить импульсы других каналов.

На основании расчетов, приведенных в пункте определение частоты дискретизации, определим длительность интервала времени, в течение которого необходимо передать информацию о текущем отсчете входного сигнала.

Весь групповой сигнал состоит из кадров. Длительность одного кадра обозначим Тк. В состав каждого кадра входит кадровое синхрослово (Тксс) и канальные слова(Ткс). Для упрощения аппаратуры радиолинии синхрослова между каждым канальным словом использовать не будем.

Таким образом, Тк=Тксс+N*Ткс, где N-число каналов.

Длительность одного кадра определяется частотой дискретизации Тк= 1/Fd = 1/21 = 0,047с = 47 мс.

Имеем 10 каналов, количество элементарных передаваемых символов в каждом канале равно разрядности информационного слова r = 10, т.о. количество элементарных символов в информационном сигнале: Nи = N*r = 10*10 = 100.

В качестве синхрослова выберем сложный сигнал (составной), в этом случае для уменьшения вероятности ложного срабатывания системы кадровой синхронизации необходимо выбрать количество разрядов кадрового синхрослова не менее 50% от разрядности информационной части сигнала(т. е. от Nи ). В нашем случае Nи =100, поэтому выберем в качестве синхрослова шестидесяти четырех разрядную М-последовательность. АКФ такого кода имеет узкий центральный пик и минимальный уровень боковых лепестков = 1 / Nm , где Nm- значность кода.

Количество элементарных символов в кадре:

Nк =Nксс + Nи = 64 + 100 = 164 (шт.)

Длительность элементарного символа:

= Тк / Nк = 0,047 / 164 286 *10-6с. = 286 мкс

Тактовая частота:

f т = 1/ = 1/286 *10-6 = 3489 Гц 3.489 кГц

Вид группового сигнала:

В первом приближении ширина спектра КИМ-АМ-ФМ определяется шириной главного лепестка:

f = 2 * (1 / ) = 2 / 23 *10-6 = 6.978 кГц

Длительностью элементарного символа определяется ширина спектра передаваемого сигнала.

2.4 Выбор несущей частоты передатчика

Выбор диапазона частот при связи наземных пунктов с летательными аппаратами ограничивается частотно0избирательными свойствами атмосферы. В диапазоне частот от 100 МГц до (6…10) ГГц существует "радиоокно", в пределах которого и целесообразно выбирать рабочие частоты командных радиолиний [1].

Для связи с аппаратом, летящим на небольших высотах используется сантиметровый диапазон длин волн. Для удобства расчёта выберем =10 см. Рабочая частота при этом равна:

2.5 Расчет энергетического потенциала

В космических радиолиниях независимо от того, в каком участке диапазона они работают, всегда присутствуют принятые антенной естественные шумы и собственные шумы приёмных устройств. Эти шумы аддитивные по отношению к сигналу на входе приёмника, имеют гауссовское рапределение и практически равномерный спектр в пределах полосы пропускания приёмника. При расчётах, учитывающих действие таких шумов, удобно использовать понятие энергетического потенциала.

Энергетическим потенциалом радиолинии называется отношение средней мощности сигнала к спектральной плотности шума, пересчитанное ко входу приемника.

Энергетический потенциал определяет возможности командных радиолиний в части обеспечения точности измерения параметров движения, пропускной способности и вероятности ошибки при приёме информации.

Мощность непрерывного сигнала, излучаемая передатчиком должна быть не ниже величины [2]:

,

где сист - коэффициент запаса, зависящий от некоторых конкретных условий;

R -коэффициент, учитывающий уменьшение скорости передачи;

Pош- вероятность ошибочного приема информационного символа;

R=R/ - скорость передачи информации;

N0- спектральная плотность флюктуационных шумов на входи приемника;

r- расстояние между приемником и передатчиком;

dб- диаметр бортовой антенны;

dз- диаметр антенны бортовой станции;

а- коэффициент использования площади антенны;

По Т.З. Pош = 10-5 , r =250*103 м.

В соответствии с [2] зададимся следующими параметрами:

сист =4;

R =0,75;

R=R/=0,75/286*10-6 =2.6*103;

N0- спектральная плотность флюктуационных шумов на входе приемника;

dб =0,2м;

dз =5м;

N0 = К*Tэкв =5*10-14;

а=0,6.

Страницы: 1, 2