Проектирование системы передачи информации для сигнала АМ

Проектирование системы передачи информации для сигнала АМ

Федеральное агентство по образованию РФ

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Рязанский государственный радиотехнический университет

Кафедра АСУ

Курсовой проект

«Проектирование системы передачи информации для сигнала АМ»

Рязань 2011г.

Аннотация

В данном программном документе, в соответствии с заданием на курсовой проект по дисциплине «Теория информационных процессов и систем», спроектирована система передачи информации для сигнала АМ. Проведено сравнение реального канала с идеальной системой по Шеннону. В качестве разработки аппаратных средств была произведена разработка схемы передачи для исследуемого объекта на ЭВМ, с последующей их обработкой.

Целью данного курсового проекта является ознакомление с принципами проектирования систем передачи информации и с возможностями таких систем и их недостатками, а также выяснение того, чем они отличаются от идеальных систем.

Содержание

Введение

. Амплитудная модуляция

.1 Глубина модуляции

.2 Боковые частоты

.3 Боковые полосы

.4 Ширина полосы частот

.5 Одно- и двухполосная передача

. Генераторы

.1 Генераторы сигналов низкой частоты

. Расчет характеристик идеального канала

.1 Расчет характеристик реального канала с АМ

.2 Построение графиков «пороговый сигнал-полоса канала связи» для идеального и реального каналов

.3 Сравнение реального канала с идеальным по Шеннону

Список литературы

Введение

Прикладная теория информации устанавливает ряд важнейших предельных соотношений: максимальную скорость передачи информации от источников сообщений по различным каналам связи, наибольшую возможную эффективность преобразования и кодирования сигналов, используемых в качестве переносчиков информации и др.

Источники сообщений и каналы связи отличаются большим разнообразием по своей структуре и физической природе. В информационных системах широко используются оптоволоконные, проводные электрические (кабель, «витая пара») и радиоканалы связи.

Под информационным каналом связи подразумевается совокупность устройств и физических сред, обеспечивающих передачу сообщений из одного места в другое или от одного момента времени до другого, т.е. сообщения могут передаваться не только в пространстве, но и во времени. Например, устройства, обеспечивающие запись информации на магнитный носитель, образуют канал связи во времени. Основной характеристикой информационного канала является его пропускная способность, определяемая как максимальное значение скорости передачи информации по данному каналу.

Если канал используется для передачи непрерывных (аналоговых) сообщений, которые характеризуются непрерывным изменением во времени или в пространстве, он называется непрерывным или аналоговым. В частности, в информационно-вычислительных и измерительно-вычислительных комплексах (ИВК) аналоговые сообщения могут представляться процессами изменения температуры, давления, освещенности, перемещений, скорости движения, силы тока и т.п. В ИВК неэлектрические величины обычно преобразуются в электрические с помощью соответствующих первичных преобразователей (датчиков). В качестве первичного преобразователя, например, может использоваться термопара.

Если информационный канал предназначен для передачи дискретных (цифровых) сообщений, то такой канал называется дискретным или цифровым.

1. Амплитудная модуляция

Амплитудная модуляция (АМ) - наиболее распространенный тип модуляции. В системе с АМ амплитуда несущей изменяется в соответствии с изменением сигнала или информации. В отсутствии сигнала амплитуда несущей имеет постоянный уровень. При модуляции синусоидальным сигналом амплитуда несущей увеличивается или уменьшается относительно своего немодулированного уровня по синусоидальному закону в соответствии с нарастанием или спаданием модулирующего сигнала. Чем больше амплитуда модулирующего сигнала, тем сильнее изменяется амплитуда несущей. Амплитудно-модулированная несущая имеет огибающую, в точности повторяющую форму модулирующего сигнала, и при демодуляции именно эта огибающая выделяется как полезный сигнал.

.1 Глубина модуляции

Отношение амплитуды модулирующего сигнала к амплитуде несущей называется глубиной или коэффициентом модуляции. Она определяет меру изменения уровня несущей при модуляции. Глубина модуляции всегда выражается в процентах и поэтому о ней говорят как о «процентной» модуляции.

Глубина модуляции =

Например, если амплитуда сигнала равна 1В, а амплитуда несущей - 2В, то глубина модуляции составляет (1В)/(2В) *100%=50%

1.2 Боковые частоты

Можно показать, что амплитудно-модулированная несущая состоит из трех гармонических (синусоидальных) компонентов с постоянными амплитудами и разными частотами. Этими тремя компонентами являются: сама несущая и два сигнала боковых частот f1 и f2. Каждый модулирующий гармонический сигнал порождает две боковые частоты. Пусть f_s - частота модулирующего сигнала и f_c - частота несущей, тогда

f1=f_c - f_s, f2=f_c+f_s

где f1 и f2 - так называемые нижняя и верхняя боковые частоты соответственно. Например, если частота несущей равна 100 кГц, а частота сигнала - 1кГц, то

Нижняя боковая частота f1= 100 - 1 = 99кГц,

Верхняя боковая частота f2= 100 + 1 = 101кГц.

Амплитудно-модулированная несущая, т.е. несущая вместе с двумя сигналами боковых частот, может быть представлена в виде трех вертикальных стрелок, каждая из которых соответствует одному гармоническому сигналу (рис.2). То, что изображено на этом рисунке, называется частотным спектром сигнала (в данном случае частотным спектром АМ-несущей).

1.3 Боковые полосы

Информационные сигналы почти всегда имеют сложную форму и состоят из большого числа гармонических сигналов. Поскольку каждый гармонический сигнал порождает пару боковых частот, то сложный негармонический сигнал будет порождать многочисленные боковые частоты, что приведет к образованию двух полос частот частот по обе стороны от несущей (рис. 3). Это так называемые боковые полосы частот. Область частот между наибольшей верхней боковой частотой f2 и наименьшей верхней боковой частотой f4 называют верхней боковой полосой (ВБП). Аналогично область частот между наибольшей нижней боковой частотой f3 и наименьшей нижней боковой частотой f1 называют нижней боковой частотой.

Эти две боковые полосы расположены симметрично относительно несущей, и каждая из них содержит одну и ту же информацию. Несущая не несет ни какой информации, всю информацию несут боковые частоты. При модуляции одиночным гармоническим сигналом принимается, что верхняя и нижняя боковые полосы простираются от несущей до верхней и нижней боковых частот соответственно.

.4 Ширина полосы частот

Так как информацию несут только боковые частоты, то для качественной передачи этой информации ширина полосы частот, занимаемой в эфире АМ-системой, должна быть достаточно велика, чтобы вместить все имеющиеся боковые частоты. При модуляции гармоническим сигналом возникают две боковые частоты. Таким образом, полоса частот простирается от нижней боковой частоты f1 до верхней боковой частоты f2.

Например, если модулирующий гармонический сигнал имеет частоту 1кГц, то ВБП=НБП=1кГц и ширина полосы составит ВБП+НБП=2*1=2кГц.

Другими словами, в данном случае ширина полосы частот, занимаемой амплитудно-модулированной несущей, равна удвоенной частоте модулирующего сигнала.

В случае передачи сложного сигнала ширина полосы частот, занимаемой АМ-системой передачи информации, равна удвоенной наивысшей частоте в спектре модулирующего сигнала и, таким образом, включает в себя все боковые частоты.

.5 Одно- и двухполосная передача

Поскольку одна боковая полоса содержит столько же информации сколько и другая, передачу можно осуществлять с использованием только одной боковой полосы и при этом не будет никакой потери информации. При однополосной передаче (SSB-по связной терминологии) одна из боковых полос - или нижняя, или верхняя - подавляется и передается только одна оставшаяся боковая полоса. При двухполосной (DSB) передаче передаются обе боковые полосы.

Однополосная передача занимает лишь половину той полосы частот, которая используется при двухполосной передаче, и по этой причине она применяется в телефонии и радиосвязи. При однополосной передаче в заданном диапазоне частот несущий можно расположить вдвое большее число информационных каналов, чем при двухполосной передаче. В силу простоты двухполосная передача используется всеми радиовещательными системами с АМ. Поэтому, когда речь идет о связи с использованием АМ, обычно имеется в виду двухполосная передача, если не оговорено обратное.

2. Генераторы

Генераторы - это усилители со столь сильной ПОС, что сигналы на их выходе вырабатывается даже в отсутствии какого-либо «внешнего» входного сигнала (рис. 4). Уровень выходного сигнала определяется свойствами используемого усилителя, а также параметрами цепи обратной связи.

Рис. 3. Генератор.

В генераторах синусоидальных колебаний используется резонансные (частотно-избирательные) цепи для выбора частоты колебаний. Частоту колебаний можно изменять путем изменения номиналов компонентов частотно-избирательной цепи.

В генераторах прямоугольных колебаний резонансные цепи отсутствуют. Вместо этого используется КС-цепи обратной связи, например, как в мультивибраторе. Форма прямоугольных колебаний, т.е. коэффициент заполнения и частота, определяется номиналами используемых R- и C-компонентов.

Одно из наиболее важных требований, предъявляемых к генератору,- постоянство частоты вырабатываемых им колебаний при его работе. Частота колебаний может изменяться по двум причинам. Во-первых, изменения температуры могут вызывать уход (дрейф) номиналов используемых 12 компонентов, и эти изменения приводят к уходу (дрейфу) частоты. Уход частоты можно исключить, используя специальные схемы, компенсирующие эти изменения и обеспечивающие постоянство частоты при всех температурах, или помещая все цепи определяющие частоту колебаний в термостат.

Во-вторых, частота колебаний генератора может изменяться при использовании неправильных нагрузочных условий. Это так называемое затягивание частоты. Чтобы избежать этого, используется буферный каскад, изолирующий генератор от нагрузки. Нагрузкой может быть громкоговоритель или усилительный каскад. Буферный каскад обеспечивает надлежащие нагрузочные условия для генератора при любой конечной нагрузке.

.1 Генераторы сигналов низкой частоты

Генератор низкочастотных (НЧ) сигналов (рис.5) вырабатывает сигнал и задает его частоту. НЧ-сигнал усиливается по напряжению для получения необходимого размаха напряжения, обеспечивающего «раскачку» выходного каскада. Выходной каскад представляет собой усилитель мощности, передающий мощность в нагрузку. НЧ-генератор, усилитель напряжения и выходной каскад усиления мощности получают необходимую электрическую энергию от источника питания постоянного тока.

Рис. 4. Генератор низкочастотных сигналов

Прежде чем попасть в нагрузку, электрический сигнал проходит через аттенюатор. Аттенюатор - это пассивный элемент (следовательно, не требующий питания), который контролирует уровень выходного сигнала. Он содержит:

·        Плавный аттенюатор, обеспечивающий плавную и точную регулировку уровня выходного сигнала.

Генератор преобразует постоянный ток (получаемый от источника питания) в переменный сигнал. Для возникновения устойчивых колебаний должны выполняться два основных требования:

·        Обратная связь должна быть положительной;

·        Полный петлевой коэффициент усиления должен быть больше 1.

Существует два типа генераторов: генераторы синусоидальных сигналов, вырабатывающие гармонические сигналы, и генераторы несинусоидальных сигналов, называемые также релаксационными генераторами или мультивибраторами, обычно вырабатывающие прямоугольные сигналы.

3. Расчёт характеристик идеального канала

Пусть имеется линия связи, по которой можно передавать полосу частот канала связи W. Согласно теории для шума, имеющего Гауссово распределение вероятности амплитуд, точная теория дает следующее выражение для количества возможных сообщений в секунду:

 (1)

При удвоении полосы канала связи число возможных сообщений увеличивается, возводится в квадрат. Пропускную способность канала связи удобно определить таким образом, чтобы она при удвоении полосы канала связи (использование двух одинаковых каналов связи с полосой W) удваивалось. Отсюда следует:

 (2)

На выходе канала связи в полосе передаваемого информации W₀ при отношении мощностей сигнал/шум на выходе ( количество поступающих сообщений в единицу времени равно:

 (3)

С другой стороны, если для передачи этой же самой информации используется широкополосная модуляция, требующая канал с полосой W, то для идеального канала связи количество возможных сообщений в единицу времени будет равно

 (4)

Где ( требуемое для этого канала отношение мощностей сигнала/шум для передачи того же самого количества сообщений АМ.

Отсюда (5)

Считая, что шум имеет равномерную спектральную плотность, мощность напряжения шума в полосе частот пропускания первого канала составит Р_ш = S₀W₀, а второго - Р_ш = S₀W. Здесь S₀ характеризует мощность шума в полосе 1 Гц. Тогда выражение (5) можно представить в виде

.

На выходе реальных каналов . Тогда из (5) находим отношение эффективных значений напряжений сигнала и шума:

(6)

Где .

 (7)

значение h² представляет отношение мощности сигнала к удвоенной мощности шума в полосе частот пропускания канала W₀ или требуемое отношение средней энергии сигнала, связанной с одним отсчетом непрерывного сигнала с максимальной частотой спектра W₀, к спектральной плотности шума S₀.

При  найдем, что теоретически минимально возможное значение требуемой величины h² определяется из уравнения

(8)

Из формулы (8) следует, что минимально возможная требуемая мощность сигнала в идеальном канале с полосой частот пропускания W₀ определится как

 (9)

Для заданной конечной полосы частот пропускания непрерывного канала W минимально возможная величина h_мин² может быть определена из выражения (8) как

 (10) где d - погрешность

для вычисления минимально возможной требуемой мощности сигнала в идеальной системе связи по формуле (9) необходимо значение погрешности, заданной преподавателем. В данной курсовой работе такой погрешностью является d =2*10 ^-2

Тогда подставив данные значения мы получим:

h²_{мин мин} = ln(

Далее необходимо определить зависимость h² в соответствии с изменением отношения  значит можно привести некоторые расчеты для указанной величины:

При  h²

При  h²

При  h²

При  h²

При  h²⁼

При  h²⁼

При  h²⁼

Так же для более наглядного отображения данных приведенных значений зависимости h² можно составить таблицу:

Построим график рассматриваемой зависимости в соотношении с выявленными значениями (см. рисунок 6).

Рис. 5. Диаграмма «пороговый сигнал-полоса канала связи» для идеального канала.

Так как  то

При d = 0.02 найдем h² пop =

При пop =

При  пop =

Построим график

h²

Рис. 6. Диаграмма пороговый сигнал-полоса связи для реального канала.

На основании расчетов приведенных в предыдущих разделах можно построить совместный график зависимости h²для идеального и реального каналов. Такой график будет иметь вид (рис. 7).

Рис. 7. диаграмма «пороговый сигнал-полоса канала связи» для идеального и реального канала.

Известно, что в канале с тональной (гармонической) амплитудной модуляцией (АМ)

,

или с учетом

.

С учетом ширины частотного спектра сигнала в канале при АМ имеем . Если  для d_АМ = 0,01 находим h² = 10⁴. Если увеличивать полосу канала, выбирая W > 2W₀, то мощность шума будет пропорционально возрастать и для сохранения шумовой погрешности d_АМ=0,01 необходимо соответственно увеличивать мощность полезного сигнала, а следовательно, и значение h², т.е. зависимость  будет линейной (рис. 7). Таким образом, увеличение полосы частот пропускания канала с АМ, в отличие от идеального канала, приводит к ухудшению его энергетических показателей. Поэтому в канале с АМ совершенно нецелесообразно выбирать .

3.3 Сравнение реального канала с идеальным по Шеннону

Назовем коэффициентом использования пропускной способности канала связи ŋ отношения количества информации, передаваемой при данном виде модуляции по каналу связи с полосой W с пороговым сигналом, к количеству информации, которое могло бы быть передано в идеальном случае по этому каналу с полосой W при той же мощности сигнала.

Кол-во информации которое можно передать по каналу связи с полосой W при мощности сигнала P_c

В идеальном случае равно

ŋ=

I=W₀ * log1

I=W₀ * log1

Мощность сигнала берется такой, чтобы обеспечить заданное значение порогового сигнала при данном виде модуляции, т.е.

h²_пор=

отсюда

P_c=2S₀W₀h²_пор

подставив (11) в (12) получим

ŋ=

Заключение

Информационные технологии уже давно «внедрены» во все сферы деятельности человека и играют огромную роль в развитии многих других сфер. На сегодняшний день нет ни одной отрасли в науке, ни одного вида промышленности или просто места «обитания» человека, где не принимала свое участие информационная технология. Эти технологии на столько вошли в нашу жизнь, что мы даже не представляем, как можно обходиться без телевизора, телефона или радио. Эта наука получила самое пристальное внимание людей, в том смысле она все время развивается с очень большой интенсивностью. Это наблюдается на примере очень быстрого развития компьютерных технологий.

сигнал информация генератор связь

Список использованных источников

1.      Тепляков И.М. «Радиотелеметрия», Москва, 1966.

.        Каган Б.М. «Электронные вычислительные машины и системы», Москва, 1985.

.        Прикладная теория информации: Учебное пособие. Нечаев Г.И.; Рязань 2004.