Ескізне проектування радіоелектронної системи передачі інформації

Міністерство загальної та професійної Російської Федерації

Уральський державний технічний університет

Пояснювальна записка до курсового проекту

з дисципліни РЕСТК

«Ескізне проектування радіоелектронної

системи передачі інформації »

Єкатеринбург 2002

Зміст

1. Завдання на проектування

2. Розрахунок параметрів системи

2.1 Розрахунок параметрів перетворення повідомлень.

2.1.1 Параметри повідомлення.

2.1.2 Вибір помилок перетворення.

2.1.3 Параметри перетворених повідомлень.

2.2 Розрахунок енергетичних характеристик

2.3 Розрахунок необхідної потужності енергії.

2.4 Основні параметри приймальної і передавальної антен.

3. Зведені результати розрахунку і вибору параметрів функціональних пристроїв.

4. Частотний план системи

4.1 Канал трафіку (передача інформації з об'єкта на ЦП).

4.2 Канал управління

5. Протоколи роботи системи

5.1 Протокол встановлення зв'язку.

5.2 Протокол закінчення сеансу

Бібліографічний список

Пріложеніе.1.

Пріложеніе.2.

1. Завдання на проектування

Спроектувати радіоелектронну систему передачі безперервних повідомлень з рухомого об'єкта по радіоканалу на пункт збору інформації. В якості джерел повідомлень розглядається сукупність процесів, що характеризують стан параметрів об'єкта і навколишнього середовища. Джерела повідомлень перебувати на «борту» кулю-зонда. Пункту збору інформації (Ц.П.) знаходиться на землі.

Характеристики проектованої системи

1. Характеристики аналогових повідомлень

• Нормована щільність розподілу миттєвих значенні повідомлення:

• Може бути квадратичне відхилення:

• Вид перетворення аналогового повідомлення: ДИКМ

• Спектральна щільність аналогового повідомлення:

• Сумарна помилка перетворення аналогового повідомлення в цифрове:

2. Параметри радіолінії передачі інформації з об'єкта

• Число каналів (датчиків) об'єкта: N = 8

• Вид модуляції: АМн

• Число «м» сигналів: м = 2

• Допустиме значення ймовірності помилки відтворення символу дискретного повідомлення: = 20 * 10 ^-7

• Надійність зв'язку: = 0.8

3. Параметри радіолінії об'єкт-ЦП

• Максимальний радіус зони обслуговування: = 60 км

• Робоча довжина хвилі: = 50 см

4. Організація доступу до Ц.П.

Безперервні повідомлення, перетворені в цифрову форму, передаються на Ц.П. пакетом тривалістю 40 сек. по багатоканальної комутованій радіолінії за запитом об'єкта

• Число фізичних радіоканалів Ц.П: N _рк = 5

• Метод вільного доступу в Р.Л. Св.: ЧРК

• Середня інтенсивність викликів R _в = 3.5 виклику / год

• Імовірність відмови в обслуговуванні: p _отк .= 0,02

• Середній час сеансу зв'язку: n _в = 4 з

5. Корекція помилок у радіолінії

Оцінити якість прийому цифрового сигналу при використанні блокового надлишкового кодування, з числом перевірочних символів не перевищує 10% від довжини блоку. Реалізувати на вибір один із способів корекції помилок - виправлення, виявлення з переспросів блоків, їх стиранням, зміною потужності передавачів об'єктів і т.д. Відобразити цю функцію в структурній схемі об'єкта і Ц.П. і в протоколі роботи радіолінії, оцінити ефективність кодування.

2. Розрахунок параметрів системи

2.1 Розрахунок параметрів перетворення повідомлень

2.1.1 Параметри повідомлення

При кодуванні безперервних повідомлень за допомогою ДИКМ виникають помилки тимчасової дискретизації δ _1, обмеження динамічного діапазону δ _2, квантування повідомлення δ _3.

2.1.2 Вибір помилок перетворення

Для розрахунку основних параметрів потрібно вибрати співвідношення між помилками перетворення.

- Помилка тимчасової дискретизації δ _1:

Результатом ДИКМ є цифровий сигнал, що має інформацію про величину та знак збільшення між двома сусідніми звітами повідомлення або різницю між істинним і передбаченим значенням відліку по обмеженому числу попередніх значень повідомлення.

Ця операція призводить до різкого зменшення розрядності сигналу, але і до підвищення частоти дискретизації, яка обчислюється за формулою:

, (2.1)

де F в - верхня частота спектра повідомлення після обмеження, яка знаходиться за формулою:

δ ₁ (2.2)

в результаті, задаючи значення δ _1, за допомогою Mathcad обчислюємо значення Fd.

- Помилка обмеження динамічного діапазону δ _2:

Динамічний діапазон Y _max буде визначаться заданої помилкою обмеження динамічного діапазону:

(2.3)

- Помилка квантування повідомлення δ _3:

Крок квантування буде визначатися заданою помилкою квантування δ _3. (4.2.2) [1].

, (2.4)

Результатом правильного вибору помилок перетворення, повинна з'явиться мінімізація смуги частот радіолінії D f _рк = min, що в досягається в основному, при максимальній тривалості розряду цифрового сигналу t _n = max. (Формула 4.2.9. [1]). З формули видно що ця умова досягається, за незмінності інших умов (N _c), мінімізацією Fd, Y _max та максимізацією h _к, (це випливає з виразу 4.2.4., 4.2.9. [1]), Ці умови дозволяють визначитися з вибором помилок, навіть не знаючи N _c.

Зробимо розрахунок F _в, Fd, Y _max і h _k для різних варіантів розподілу помилок використовуючи формули (2.1 - 2.4). Врахуємо, що розподіл помилок вибирається з умови:

(2.5)

Найбільш оптимальним є варіант, коли: = / 3 = / 3 = / 3

Отримані результати дозволяють вибрати такі значення:

δ ₁ = 0.017

δ ₂ = 0.017

δ ₃ = 0.017

F _d = 1.465 * 10 ³ Гц,

F _в = 160 Гц,

h _k = 0.2

H = Y _max = 4.1

X _m = 13.12

2.1.3 Параметри перетворених повідомлень

Проведемо розрахунок основних параметрів:

• еквівалентна смуга частот w _0е, що визначається з рівняння:

• число рівнів квантування m:

, Візьмемо m = 1 3,

• число розрядів двійкового коду n:

, Значить n = 4,

• тривалість канального сигналу Тк.

Тк визначається частотою проходження відліків оцифрованого сигналу, для правильного відновлення повідомлення на приймальній стороні.

• тривалість розрядного імпульсу τ _п:

де:

N = 8 - кількість датчиків на об'єкті.

де N _с - числа службових розрядів, розраховується за формулою

де N _адр - число розрядів адреси об'єкта

N _пук - число розрядів перешкода сталого коду

N _дод - число додаткових розрядів (преамбула, розділові, ознака каналу трафіку або каналу керування, захисний бланк)

Розрядність адреси знаходиться з максимально допустимого навантаження на систему А (Ерл / год), яка знаходиться при заданій імовірності відмови P _отк = 0.04, з графіка [1]:

, Звідси

отже, система може забезпечувати роботу 42 куль-зондів.

Тоді розрядність адреси складе 6 біт.

Число перевірочних розрядів вибираємо зі співвідношення

біт

У результаті отримаємо перешкода стійкий код (n _{k. K} k) = (88.81), де _k k виходить з

біт

Мінімальна кодова відстань цього коду d = 4 отримано з співвідношенні і

де r = N _пук

Співвідношення називається кордон Хемінг і є необхідною умовою, а достатньою умовою або кордоном Варшамова-Гільберта

Цей код з ходячи з (Мінімального кодового відстані) може виявляти помилки кратністю a = 2 і виправляти помилки кратністю b = 1.

Визначимо ймовірність не виявлення помилок цим кодом, яка обчислюється за формулою (8.28 [2]).

отримане значення, показує, що при заданій Р _Д помилки кратності 3 і вище виникають з дуже малою ймовірністю.

Визначимо ймовірність появи помилок, які код виявляє, але не може виправити. Тобто помилки кратності 2 за формулою (8.27 [2]).

отримана ймовірність помилки мала.

Отримані результати дозволяють зробити висновок:

• отриманий систематичний код виявляє практично всі помилки.

• виправляє практично всі з виявлених помилок.

• всім цим забезпечується висока завадостійкість передачі.

Тому в даній системі буде реалізований наступний спосіб корекції: всі помилки кратністю один виправляються, а інші пакети в яких є помилки кратністю два і більше будуть стиратися.

Кількість додаткових розрядів візьмемо N _дод = 8 біт.

У службові розряди повинні включатися й біти синхронізації, але в даній системі застосовується окремий канал синхронізації, який буде описаний пізніше.

У результаті за формулою отримаємо

біт.

Тоді тривалість одного розряду

мкс.

- Швидкість передачі цифрового сигналу, обсяг переданої інформації

швидкість передачі системи буде більше ніж у систем передачі мови. Обсяг переданої інформації невеликий, значить ЗУ об'єкта буде дешевим.

• смуга частот групового сигналу Δ f _Σ.

• Параметри модуляції в другому ступені.

У другому рівні модуляції використовується двопозиційна АМн. Виберемо коефіцієнт амплітудної модуляції:

m _a = 2

• смуга частот радіолінії Δ f _рк.

У системі, використовується частотне розділення каналів, тоді:

де γ = 0.7 - коефіцієнт, що залежить від форми імпульсу і способу обробки сигналу в приймачі.

Коеф .= 1.1 - коеф. Враховує взаємної нестабільності несучої частоти випромінюваного сигналу і частоти настроювання приймача і доплерівського зсуву.

2.2 Розрахунок енергетичних характеристик

Якість виділення інформації прийомним пристроєм цифрової системи передачі інформації, пов'язане з ймовірністю помилки прийому розряду повідомлення. Зв'язок між допустимим значенням імовірності помилки Р _д і граничним відношенням потужності сигналу до потужності шуму h ² _пір = q ² для двохпозиційної ЧМн при некогерентним прийомі може бути представлена ​​у вигляді:

,

з даного виразу виділимо порогове відношення h ² _пор:

h ² _пір дозволяє розрахувати необхідну потужність сигналу на вході приймача, якщо відома потужність його шумів. Але з - з флуктуацій сигналу в точці прийому змінюється в часі випадковим чином. Характер зміни такий, що щільність ймовірності потужності близька до щільності ймовірності Релея.

Спираючись на формули (4.3.3, 4.3.5. [1]), знайдемо h ² _роб.

отримане значення h ² _раб, забезпечує задану надійність зв'язку.

Знайдемо потужність шуму, приведену до входу приймача, використовуючи вираз (4.3.8 [1].)

де N ₀ - спектральна щільність шумів, приведених до входу приймача.

Спектральна щільність шуму складається з наступних складових, знайдених з рис. 1 [1]. для f = 600 Мгц:

де N ₀₁ - мінімальні космічні шуми.

N ₀₂ - шуми параметричних підсилювачів.

Інші складові N ₀ на даній частоті дорівнюють нулю.

2.3 Розрахунок необхідної потужності випромінюваного сигналу

знайдемо робоче значення питомої середньої потужності передавача. (4.3.9. [1]).

де:

G _A - - коефіцієнт спрямованої дії передавальної антени, знаходиться за формулою з урахуванням рис. 1:

S _еф - ефективна площа прийомної антени.

,

Р _раб - робоча потужність сигналу на вході приймача.

Р _пір - гранична потужність сигналу на вході приймача

η = 0.2 - коефіцієнт втрат енергії сигналу в антенно-фідерних трактах приймача і передавача і при поширенні радіохвиль.

a, b - ширина діаграми спрямованості антени в горизонтальній і вертикальній площині в градусах. (Мал. 1)

Отримавши значення питомої середньої потужності передавача, знайдемо робочу потужність передавача, за умови, що в антеною системі використовується 75 Ом фідер.

Необхідна потужність не велика, значить, джерела живлення на об'єктах будуть працювати довго, скорочуючи експлуатаційні витрати системи.

Розрахунок ймовірності помилки прийому кодової групи при незалежних помилках прийому розрядів можна провести, використовуючи рівність (4.3.10. [1]):

Розрахунок відносної с.к.о. відтворити повідомлення, викликаної дією шумової перешкоди на цифровий сигнал, можна виконати за формулою (4.3.12. [1]):

знайдемо ефективне значення результуючої відносної помилки повідомлення на виході системи з урахуванням дії шумової перешкоди;

отримане значення показує, що найбільші спотворення при оцифрування безперервних повідомлень за допомогою ДИКМ, а помилки, що виникають при передачі повідомлення незначні.

Значить, система некритична до шумів, що діють у приемопередающей тракті.

2.4 Основні параметри приймальної і передавальної антен

На центральному пункті та на об'єкті застосовуються приемопередающие антени з наступними діаграмами спрямованості:

Визначимося з параметрами антен:

• Коефіцієнт спрямованої дії.

G _a = 2

• Коефіцієнт корисної дії

η _а = 0,8

Всі антени, що використовуються в системі мають однакові діаграми спрямованості. Застосування таких антен обумовлено тим, що місце розташування об'єкта може бути довільним в півсфері радіусом R = 60 км.

3. Зведені результати розрахунку і вибору параметрів функціональних пристроїв

• помилка тимчасової дискретизації - δ ₁ = 0.017

• помилка обмеження динамічного діапазону δ ₂ = 0,017

• помилка квантування повідомлення - δ ₃ = 0,017

• пік фактор повідомлення - П _х = 4,1

• частота дискретизації - F _д = 1465 Гц

• верхня частота спектра повідомлення після обмеження - F _в = 160 Гц,

• крок квантування - h _k = 0,2

• тривалість пакету даних - Т _к = 1,2 * 10 ^-3

• тривалість імпульсу - τ _п = 120 мкс

• коефіцієнт Амн - m _a = 2

• смуга радіолінії - Δ f _рк = 6,4 КГц

• робоча частота - f = 600МГц

• порогове відношення сигнал / шум - h ² _пір = 50

• робоче відношення сигнал / шум - h ² _раб = 222

• КНД антени - G _a = 2

• Ефективна площа антени - S _еф = 0,04 м ²

• Вихідна потужність сигналу - Р _пер = 15Вт

• ймовірності помилки прийому кодової групи - Р _ош = 3.8 * 10 ^-6

• відносна с.к.о. відтворення повідомлення - δ = 0,031

4. Частотний план системи

Система містить наступні канали, представлені на рис. 6.

Рис. 3.

Канал трафіку 1 f ₀ = 599.986 МГц.

Канал трафіку 2 f ₀ = 599.991 МГц.

Канал трафіку 3 f ₀ = 600.000 МГц.

Канал трафіку 4 f ₀ = 600.007 МГц.

Канал трафіку 5 f ₀ = 600.014 МГц.

Прямий канал керування f ₀ = 599МГц Δf = 46КГц.

Вибране рознесення каналів за частотою забезпечує їх поділ при використанні вузькосмугових вхідних ланцюгів у приймачів і передавачів.

4.1 Канал трафіку (передача інформації з об'єкта на ЦП)

Канал трафіку використовується для передачі інформації з об'єкта на ЦП і містить:

Рис. 4. Структура каналу трафіку

Опис полів каналу трафіку.

• Преамбула (поле Р) - позначає початок кадру (пос-ть 101).

• Поле адреси (поле ADR) - адреса об'єкту.

• Ознака інф / упр (поле S) - «10» позначає початок інформації, «11» означає, що далі йде службова інформація (зарезервована функція)

• Поле даних (поле DATE) - інформація з 8 і датчиків.

• п / в код (поле CODE) - перешкода стійкий код.

• Ознака кінця кадру (поле Е) - позначає кінець кадру.

• Захисний бланк (поле SB) - служить для розділення двох кадрів.

Загальна тривалість одного кадру 3.4 мс (42 біт) з урахуванням поля SB.

4.2 Канал управління

У розробленій системі канал управління складається з прямого (ЦП - об'єкт) і зворотного (об'єкт - ЦП) каналу.

Рис. 5. структура пакету прямого каналу управління при запиті на обслуговування

Опис полів каналу керування.

• Преамбула (поле Р) - позначає початок кадру (пос-ть 101).

• Поле адреси (поле ADR) - адреса об'єкту.

• Ознака інф / упр (поле S) - «11» позначає початок команди управління, «10» означає, що далі йде короткий інформаційний блок (зарезервована функція)

• Команди управління (поле CONTROL) - кодовані команди управління.

• Ознака кінця кадру (поле Е) - позначає кінець кадру.

• Захисний бланк (поле SB) - служить для розділення двох кадрів.

Загальна тривалість одного кадру 0.8 мс (23 біт) з урахуванням поля SB.

Опис команд управління

Кількість команд управління може бути 64. У кожної команди є свій номер і цей номер кодується в двійковому коді і передається в полі CONTROL каналу керування. У таблиці 1 представлені не які з команд.

Таблиця 1 Деякі команди управління

5. Протоколи роботи системи

5.1 Протокол встановлення зв'язку

В якийсь момент часу об'єкт хоче передати інформацію на ЦП.

• Об'єкт надсилає запит у вигляді своєї адреси за прямим КУ (див. рис. 8.) З перевірочними бітами. Для підвищення надійності передачі запит повторюється 5 разів. ЦП приймає рішення про запит, якщо збігаються 3 з п'яти прийнятих адрес.

• ЦП перевіряє наявність вільних каналів та по зворотному КУ, або призначає канал трафіку, або відмовляє у зв'язку.

• Об'єкт, прийнявши команду, яка містить номер вільного каналу, по прямому каналу управління висилає підтвердження призначення номера каналу.

• (Якщо об'єкт отримав відмову у сеансі зв'язку, то він чекає час t = 40с + Δ t, де Δ t - довільне число (-5 <Δ t <5) с. І знову посилає запит. Якщо об'єкт протягом 5с не отримує дозволу або відмови в обслуговуванні він повторює запит.

• ЦП перевіряє правильність номера каналу і передає підтвердження на підтвердження.

• Об'єкт, прийнявши підтвердження, починає передачу кадру з інформацією з датчиків містить адресу об'єкта і посилки з 3х подовжених біт, що сигналізують початок передачі.

Рис. 6. протокол встановлення зв'язку

5.2 Протокол закінчення сеансу

Канал звільняється або після закінчення передачі інформаційного пакету тривалістю 40 с., Або за командою з ЦП (Наприклад при поганій якості зв'язку протягом тривалого проміжку часу).

Бібліографічний список

1. Методичні вказівки і завдання до курсової роботи з РЕСТК. УПІ 2001 15с

2. Пенін П.І. Системи передачі цифрової інформації. М.: Сов. Радіо, 1976. 368 с.

3. Радіосистеми передачі інформації / під ред. І.М. Теплякова. М.: Радіо і зв'язок, 1982.264 с.

Додаток 1

Додаток 2