Цифровой обработки сигналов

 

 

                                                  ВВЕДЕНИЕ

 

         В последние годы методы цифровой обработки сигналов в радиотехнике, системах связи, управления и контроля приобрели большую важность и в значительной мере заменяют классические аналоговые методы. Основное техническое преимущество цифровых систем передачи перед аналоговыми. системами состоит в их высокой помехоустойчивости. Это преимущество сильно проявляется в системах передачи с многократной ретрансляцией сигналов.

В аналоговых системах помехи и искажения возникающие в  отдельных звеньях, как правило, накапливаются. В цифровых системах передачи для ослабления эффекта  накопления помех при переходе с  ретрансляции, наряду с усилением  применяют регенерацию импульсов, т.е. демодуляцию с применением  восстанавливающей передаче символов и повторную их модуляцию на приемном пункте. Кроме этого, можно увеличить  помехоустойчивость применением помехоустойчивого  кодирования. Высокая помехоустойчивость цифровой системы передачи позволяет  осуществлять практически неограниченную реальность связи, при использовании  канала сравнительно невысокого качества. Кроме повышения помехоустойчивости активно разрабатываются методы увеличения скорости передачи информации.

В данном курсовом проекте мы проведем анализ характеристик цифровой системы передачи, выберем тип модуляции, разработаем структурную схему приемопередающего устройства, выберем тип микросхем для построения системы связи и обоснуем свой выбор, разработаем отдельные узлы приемопередающего устройства (синтезатора частот, модулятора, выходного каскада или др.).

 

1. ВИДЫ МОДУЛЯЦИИ В ЦИФРОВЫХ СИСТЕМАХ ПЕРЕДАЧИ

 

1. Сравнительный анализ достоинств и недостатков видов модуляции, применяемых в ЦСП c расчётом величин полос частот, которые могут занимать передаваемые сигналы с модуляцией каждого вида на средней частоте спектра

 

       Модуляция — процесс управления одним или несколькими параметрами колебаний высокой частоты в соответствии с законом передаваемого сигнала. Все методы модуляции включают операции с одним (или более) из трех фундаментальных параметров частотного представления сигнала, которыми являются амплитуда, частота и фаза.

        Цифровая модуляция — это процесс  преобразования цифровых символов  в сигналы, совместимые с характеристиками канала. Разработаны и применяются различные виды цифровой модуляции (манипуляции).

В процессе модулирования  задействованы одна или несколько  характеристик несущего сигнала: амплитуда, частота и фаза.

Запишем модулированный сигнал:

                                   e(t)=A_ccos[w_ct + y(t)]                                                   (1.1)

где  y(t)    – мгновенная фаза, Ac    – амплитуда сигнала,w_c –частота.

Соответственно, существуют три основные технологии кодирования  или модуляции, выполняющие преобразование цифровых данных в аналоговый сигнал (рисунок 1.1): амплитудная манипуляция (amplitude-shift keying — ASK), частотная манипуляция (frequency-shift keying — FSK) и фазовая манипуляция (phase-shift keying — PSK) [1]. Отметим, что во всех перечисленных случаях результирующий сигнал центрирован на несущей частоте.

 

Рисунок 1.1 – Модуляция цифровых данных аналоговыми сигналами

 

1. Амплитудная манипуляция

 

Амплитудная манипуляция (англ. Amplitude-shift keying (ASK)) – это один из самых простых  видов модуляции цифровых сигналов. [7] Амплитудная манипуляция подразумевает, что для передачи "0" и "1" применяются разные уровни несущего сигнала по напряжению. Это наиболее простой из всех видов манипуляции.

Одна из амплитуд, как  правило, выбирается равной нулю т.е. одно двоичное число представляется наличием несущей частоты при постоянной амплитуде, а другое — ее отсутствием (рисунок 1.1.а). Результирующий сигнал равен  

        (1.2)

 

 

Здесь A×cos(2pf_ct) — несущий сигнал. Метод амплитудной манипуляции чувствителен к внезапным скачкам напряжения и неэффективен.

Аналоговая манипуляция редко используется на практике, т.к. она наименее устойчива к воздействию внешних помех из всех. Так, например небольшая и кратковременная импульсная помеха (наиболее распространенный из всех видов помех) может повлечь целую пачку ошибочно принятых символов. Обычно аналоговая манипуляция применяется в сочетании с другими видами манипуляции и не используется сама по себе.

Амплитудная модуляция обладает рядом недостатков, такими как:

- АМ применяется только  на НЧ и СЧ.

- две трети полной мощности  сигнала, выделяемой на нагрузке, приходится на несущую частоту. 

Из всего сказанного выше о амплитудной  манипуляции можно сделать вывод, что синтезированный передатчик по схеме с ней не является оптимальным  решением.

 

2. Частотная манипуляция

 

Наиболее распространенной формой частотной манипуляции является бинарная, в которой два двоичных числа представляются сигналами двух различных частот, расположенных около несущей. Результирующий сигнал равен

                     (1.3)

 

 

где f₁ и f₂ — частоты, смещенные от несущей частоты на величины, равные по модулю, но противоположные по знаку.

Более эффективной, но и более подверженной ошибкам, является схема многочастотной манипуляции, в которой используются более двух частот. В этом случае каждая сигнальная посылка представляет более одного бита. Переданный сигнал многочастотной манипуляции (для одного периода передачи сигнальной посылки) можно определить следующим образом:

   (1.4)

где f_i = f_c+(2i-1-M)×f_d; f_c — несущая частота;

f_d — разностная частота;            

М — число различных сигнальных посылок = 2^L;

L — число битов на одну сигнальную посылку.

 

1.1.3 Фазовая манипуляция

 

При фазовой манипуляции  для представления данных выполняется  смещение несущего сигнала [9]. Простейшая схема, в которой для представления двух двоичных цифр используются две фазы, называется бинарной фазовой манипуляцией (рисунок 1.1.в). Получающийся сигнал имеет следующий вид (для одного периода передачи бита):

                        (1.5)

 

Поскольку сдвиг фазы на 180° (p) эквивалентен умножению синусоиды на –1, может использоваться правая часть выражения (1.5). Это позволяет использовать удобную формулировку. Если имеется поток битов и d(t) определяется как дискретная функция, значение которой равно +1 при передаче 1 и -1 при передаче 0, то переданный сигнал можно определить следующим образом:

                                                                       (1.6)                 

Рисунок 1.3 – Полярная диаграмма сигнала двоичной фазовой модуляции

 

1.1.4. Квадратурная  фазовая манипуляция

 

Видом четырехуровневой фазовая манипуляции является квадратурная фазовая манипуляция (QPSK). Результирующий сигнал представлен формулой (1.1.5)

(1.7)

 

Разновидностью схемы QPSK, именуемая QPSK со сдвигом, или ортогональная  QPSK (OQPSK). Отличие заключается в том, что в квадратурный поток вводится задержка, равная времени передачи одного бита, что дает следующий сигнал, представленный формулой (1.6):

       

(1.8)

 

 

На рисунке 1.6 в общих  чертах представлена схема модуляции  четырехпозиционной фазовой модуляции. Вход — поток двоичных цифр со скоростью R = 1/t_В, где t_B — ширина бита. Поток конвертируется в два отдельных потока битов со скоростью R/2 каждый. Полученные два потока называются синфазным (I) и квадратурным (Q). На диаграмме верхний поток модулируется на несущей f_c путем умножения потока битов на несущую. Для удобства двоичная единица отображается в 1/Ö2 , а нуль — в –1/Ö2 . Таким образом, двоичная единица представляется несущей с измененным масштабом, а двоичный нуль — отрицательной версией несущей с измененным масштабом; амплитуда в обоих случаях постоянна. Для модуляции нижнего потока используется та же несущая, смещенная на 90°. После этого два полученных сигнала складываются и передаются.

Рисунок 1.6 – Схема модулятора четырехпозиционной фазовой модуляции

 

На рисунке 1.7 приведен пример кодирования QPSK. Оба модулированных потока являются сигналами двухуровневой  фазовой манипуляции со скоростью  передачи, равной половине скорости передачи исходного потока. Таким образом, скорость передачи символов в полученных сигналах равна половине скорости передачи битов на входе. Отметим, что при  переходе от одного символа к другому  возможно изменение фазы на 180° (p).

 

 

Рисунок 1.7 – Примеры сигналов четырехуровневой  и ортогональной четырехуровневой фазовой модуляции

 

1.1.5. Квадратурная  амплитудная модуляция

 

Квадратурная амплитудная  модуляция (КАМ) является популярным методом  аналоговой передачи сигналов, используемым в некоторых беспроводных стандартах. Данная схема модуляции совмещает  в себе амплитудную и фазовую  модуляции. В методе КАМ использованы преимущества одновременной передачи двух различных сигналов на одной  несущей частоте, но при этом задействованы  две копии несущей частоты, сдвинутые  относительно друг друга на 90°. При  квадратурной амплитудной модуляции  обе несущие являются амплитудно-модулированными. Итак, два независимых сигнала  одновременно передаются через одну среду. В приемнике эти сигналы  демодулируются, а результаты объединяются с целью восстановления исходного  двоичного сигнала. В общих чертах модуляционная схема КАМ показана на рисунке 1.8. Со скоростью R бит/с на вход поступает поток двоичных цифр. Этот поток разбивается на два потока (биты попеременно распределяются по двум отдельным потокам), передаваемых со скоростью R/2 бит/с каждый. Обратимся к рисунку: верхний поток модулируется на несущей частоте f_c с использованием схемы амплитудной манипуляции, для чего двоичный поток умножается на несущую. Таким образом, двоичный нуль представляется отсутствием несущей волны, а двоичная единица — наличием несущей волны постоянной амплитуды. Для модулирования нижнего потока та же несущая волна смещается на 90°, после чего вновь используется схема амплитудной манипуляции. Затем два модулированных сигнала складываются и передаются вместе [1].

Суммарный переданный сигнал можно записать следующим образом:

КАМ   s(t) = d₁(t)×cos(2pf_ct) + d₂(t)×sin(2pf_ct).                                           (1.9)

 

Рисунок  1.8 – Модулятор КАМ

 

При использовании двухуровневой  амплитудной манипуляции каждый из двух потоков может находиться в одном из двух состояний, а объединенный поток — в одном из 2х2=4 состояний. При использовании четырехуровневой манипуляции (т.е. четырех различных  уровней амплитуды) объединенный поток  будет находиться в одном из 4х4 = 16 состояний. Чем больше число состояний, тем выше скорость передачи данных, возможная при определенной ширине полосы. Разумеется, как указывалось ранее, чем больше число состояний, тем выше потенциальная частота возникновения ошибок вследствие помех или поглощения. Зависимость вероятности ошибок от отношения сигнал/шум для различных форматов КАМ показана на рисунке 1.9

 

1.1.6. Расчет величины  полосы частот, которую могут  занимать передаваемые  сигналы  с модуляцией каждого вида  на средней частоте спектра.

 

Амплитудная и фазовая модуляции

B_T = 2C, 

C=180 бит/с – скорость цифрового потока двоичного сигнала на входе ЦСП

B_T = 2×180=360 МГц       

 

Частотная модуляция 

     B_T = 2DF + 2C,       (1.9)

где DF = f₂ – f_c = f_c – f₁ — смещение модулируемой частоты относительно несущей.

B_T = 2DF+360   

 

ФМ модуляция

(1.10)

 

 

где L — число битов, закодированных в одной сигнальной посылке, а M — количество различных сигнальных посылок.

При М=2   B_T =2/1*R=360 МГц

При М=4   B_T =2/2*R=180 МГц

 

КАМ модуляция

B_T = 2*C*1,25/log2M

1) B_T  = 450/4=112,5 МГц

2) B_T  = 450/5=90 МГц

3) B_T  = 450/6=75 МГц

4) B_T  = 450/7=64,286 МГц

5) B_T  = 450/8=56,25 МГц

При М=16 B_T =112,5  МГц

При М=32 B_T =90 МГц

При М=64 B_T = 75 МГц

При М=128 B_T = 64,286 МГц

При М=256 B_T = 56,25 МГц

 

2. Обоснование и выбор вида модуляции в проектируемой ЦСП по критериям минимума энергетических затрат и занимаемой полосы частот

 

Эффективность использования  спектра системы передачи определяется как отношение скорости передачи битов входного сигнала к ширине занимаемой полосы частот и выражается в бит/с