Проектирование цифровой линии

Проектирование цифровой линии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

• 1. Общая характеристика системы управления
• 2. Расчет и выбор основных технических характеристик системы
• 2.1 Определение частоты дискретизации
• 2.2 Определение разрядности квантователя
• 2.3 Выбор группового сигнала и расчет его параметров
• 2.4 Расчет энергетического потенциала
• 2.5 Выбор структурной схемы передатчика
• 2.6 Структурная схема приемника
• 2.7 Описание функциональной схемы передатчика
• 2.8 Описание функциональной схемы приемника.
• 2.9 Схемная разработка системы кадровой синхронизации
• 3. Контур управления и его анализ
• 4. Разработка функциональной схемы радиолинии
• 4.1 Некоторые сведения об используемом сигнале
• 4.2 Функциональная схема передающей части
• 4.3 Описание функциональной схемы передатчика
• 4.4 Описание функциональной схемы приемника
• 5. Разработка принципиальной схемы системы тактовой синхронизации
• 6. Конструкция бортового приемника
• Список литературы

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.

Обобщенную структурную схему передающей командной радиолинии можно представить так рис.1

Передающая часть

Рис.1

ИК - источник команд; УС - устройство синхронизации

КУ - командное устройство; М - модулятор

ГЕН. - генератор.

От ИК мы получаем те сообщения, которые необходимо передать. В устройстве уплотнения мы объединяем передаваемые команды - групповой сигнал. В УУ каждое сообщение перемножается на свое кодовое слово. С помощью сумматора происходит объединение группового сигнала и синхросигнала. Далее осуществляется модуляция несущего колебания.

Назначение приемника - принять сигнал, максимизировать отношение С/Ш и в конечном итоге каждому абоненту (определенному устройству) передать адресованное ему сообщение.

Приемная часть

Рис.2

РК - распределитель каналов ЛПЧ - линейная часть приемника

УРК - устройство разделения каналов ДКУ - декодирующее устройство

СС - схема синхронизации

Если используется система с частотным разделением каналов, то СС не нужна в этом случае. Если используется разделение по времени или по форме, то СС обязательна.

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-ФМ-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. При формировании сигнала с трехступенчатой модуляцией сигналом КИМ манипулируется по фазе поднесущее колебание, которым в свою очередь по фазе, моделируется несущее колебание.

цифровая радиолиния контур управление

Условия, при которых аналоговый сигнал с ограниченным спектром может быть точно представлен своими отсчетами в дискретные моменты, вытекают из широко известной теоремы В.А. Котельникова, которая для равномерной дискретизации выражается формулой:

U (t) =--е U (iTд) sin 2pfв (t-iTд) /2pfв (t-iTд).

i

При этом условии аналоговый сигнал U (t) может быть восстановлен без искажений на выходе идеального фильтра низких частот, на вход которого подают отсчеты сигнала.

На приемной стороне восстановление исходного сообщения осуществляется с помощью оператора восстановления

n

B (U1,….,Un) =U (t) =--еUiХi (t),

i=1

где Ui=U (ti) - выборки или отсчеты сигнала;

U (t) - оценки исходного сообщения U (t);

Xi (t) - координатные (интерполирующие) функции.

Операция восстановление непрерывной функции по ее выборке называется интерполяцией. Эта операция должна быть основана на знании особенностей поведения функции между отдельными выборками, утерянной в результате дискретизации процесса по времени.

Опросом по Котельникову называют формирование выборок с частотой Fд=2Fm, где Fm-максимальная частота в спектре.

Для практических расчетов пользуются формулой Fд=m*2*Fm, где m-коэффициент запаса, который при интерполяции по Лагранжу выбирают в зависимости от модели сигнала и порядка интерполирующего полинома. Мы зададимся 4-ой моделью сигнала, полиномом второго порядка и приведенным показателем верности = 0.2%, тогда

отсюда частота дискретизации:

Fо=12.5*2*Fв=12.5*2*10=25 кГц

Пусть в результате дискретизации получена непрерывная последовательность отсчетов Х (nt). Для передачи по цифровому каналу связи каждый отсчет квантуется до конечного множества значений.

Этапы процесса представления сообщений:

Дискретизация

Квантование

Кодирование

Обычно для кодирования квантованных отсчетов используется двоичная последовательность. С помощью В - разрядного кодового слова можно представить уровней.

Определим, как зависит отношение с/ш квантователя от В:

пусть

Динамический диапазон

где е (n) - шум квантования е (n) /2

Модель шумов квантования:

шум квантования - стационарный белый шум

шум квантования некоррелирован с входным сигналом

распределение шума квантования равномерное в пределах /2

считаем, что (сигнал согласован с апертурой квантователя)

следовательно:

получаем: (2.1)

Определим отношение с/ш (q), при котором достигается вероятность ошибки на символ Рош=10-6.

Кодирование сообщений в радиосистемах может быть использовано для повышения:

1) достоверности принятых сообщений,

2) помехоустойчивости радиолиний с целью снижения мощности передатчика. Кодирование сообщений для указанных целей называется помехоустойчивым, в отличие от других видов кодирования, применяемых для решения задач (формирования адресов, сигналов синхронизации и др.), а также при устранении избыточности сигналов источников сообщений.

Пусть цифровое сообщение кодируется двоичным (n,k) - кодом, где n - общее число символов, k - число информационных символов.

Эквивалентная вероятность ошибки:

рэ= (dx Mбл /2n) [1 - Ф (2Ебdxk / nN0) 1/2], (2.2)

где Еб/N0=Pcto/N0; Еб - энергия сигнала, затрачиваемая на один бит информации; Pc - мощность принимаемого сигнала; ?to - длительность одного информационного символа, поступающего на вход кодера канала связи; dx - кодовое расстояние между рассматриваемыми символами; Mбл - число ближайших сигналов на расстоянии d от принимаемого сигнала; N0 - спектральная плотность белого шума. Интеграл вероятности можно аппроксимировать экспоненциальной функцией. В широкой области значений р<<1 вероятность ошибки хорошо аппроксимируется выражением

p=0,5 [1 - Ф (2??2x) =0,1exp (-x2).

Тогда из (2.3) получим

рэ= (dxMбл/10n) exp (-Eбdxk/nN0).

Отсюда Ln (10рэ) =Ln (dxMбл/n) - Eбdxk/nN0 или

Еб/N0= (Ln (dxMбл/n) - Ln (10рэ)) /dx (k/n).

Эта формула является основной при оценке помехоустойчивости различных кодов. Для кодов без избыточности и противоположных сигналов (с фазовой манипуляцией на 1800) пологая p=рэ, можно записать: p=0,5 [1 - Ф

(21/2h0)] =0,1exp (-h02);

Ln (10p) = h02,где h02 = Еб/N0 - требуемое отношение энергии сигнала на 1 бит к спектральной плотности шумов для двух противоположных сигналов.

Таким образом, для р=10-6 получим:

h02= - Ln (10*10-6) =11,5.

Обозначим полосу частот, занимаемую спектром сигнала, через fэ (ширина спектра сигнала). Тогда h02можно представить в виде:

где Бс =f э * 0 - база сигнала, а (Рс/Рш) вх - отношение средней мощности сигнала к средней мощности шума на входе приемника, взятое в полосе частот f э.

Для простых сигналов Бс = 1, следовательно: q = (Рс/Рш) вх = h02

Для расчетов увеличим это значение на 30 %: q = 11.5 + 30 % = 15

Будем считать приемлимым такой шум квантователя который в 4 раза меньше, чем шумы на входе приемника, следовательно: q` = 4 * q = 60. Подставляя это значение в формулу (2.1) с учетом D = 20 dB = 10 раз, получаем:

2В

60 * 100 / 3 = 2

Таким образом выбираем разрядность квантователя: В = 5 разрядов

На основании расчетов, приведенных в пункте определение частоты дискретизации, определим длительность интервала времени, в течение которого необходимо передать информацию о текущем отсчете входного сигнала. Выберем синхронный метод передачи с кадровой синхронизацией. Чтобы на приемной стороне мы могли обработать информацию требуется знать момент времени ее появления. Для этого в начале канального сигнала (кадра) размещается так называемый синхросигнал, который отличается от информационного сигнала. Таким образом кадр состоит из двух частей: сигнала синхронизации и информационного сигнала:

Тк=Тс+Ти,

где Тк - длительность канального сигнала; Тс - длительность синхроимпульса; Ти - длительность информационного сигнала

Причем Тк=1/Fo=1/25*103=4*10-5 сек. = 40 мкс.

Имеем 10 каналов, количество элементарных передаваемых символов в каждом канале равно числу уровней квантования В = 5, Т.о. количество элементарных символов в информационном сигнале: Nи = 5*10 = 50. В качестве синхрослова выберем сложный сигнал (составной), в этом случае для уменьшения вероятности ложного срабатывания системы кадровой синхронизации необходимо или выбирать длительность синхросигнала 1/2 Ти или вводить в информационный сигнал запрещенные комбинации, что сильно усложняет аппаратуру. В нашем случае Ти / 2 =12.5, поэтому выберем синхронизацию по кадрам с помощью тринадцатиразрядного кода Баркера. Коды Баркера являются наилучшими в своем классе. АКФ этих кодов имеет узкий центральный пик и минимальный уровень боковых лепестков = 1/N, где N - значность кода.

Количество элементарных символов в кадре:

N =Nс + Nи = 50 + 13 = 63 (шт.)

Длительность элементарного символа:

= Тк / N = 4 0*10-6/ 63 6.35*10-7=0.635 мкс.

Тактовая частота: fт = 1/ = 1.575*106 Гц =1.6 МГц

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

f = 2 * (1/) = 2 * 1/1.6*106 = 3.16*106 Гц = 3.16 МГц

Вид группового сигнала:

Бортовая антенна: площадь 0,18 м2; антенна всенаправленная (D = 1)

пороговое отношение С/Ш = hо2 = - Ln (10*10-6) = 11,5 (см. П 2.2)

длительность элементарного символа: = 0.18мкс (см. П 2.3)

Эквивалентная шумовая температура бортового приемника: Тэ = 1000 К; Л: [3] Расчет взят из Л: [3]

В соответствии с известным уравнением дальности связи мощность сигнала на входе приемника определяется выражением:

Рс вх = Ризл * Е * G * Sэ / 4r2 (2.3)

где Ризл - средняя мощность, излучаемая передатчиком

G - КНД антенны передатчика

Sэ - эффективная площадь приемной антенны

r - расстояние между передатчиком и приемником

Е - коэффициент, учитывающий потери энергии сигнала в среде за счет поглощения:

Е = exp ( - 0.23r); для = 3 см. = 0.15 dB/км

Т.о. Рс вх = Ризл * G * Sэ / (4r2) * exp ( - 0.23r) (2.4)

Если основными помехами в линии связи являются внутренние флуктационные шумы и другие случайные помехи шумового типа, то пересчитав эти помехи ко входу приемника, можно получить результирующую спектральную плотность помех на входе в виде:

Страницы: 1, 2