Научная статья на тему 'Способ увеличения пропускной способности канала связи с малым уровнем шума'

Способ увеличения пропускной способности канала связи с малым уровнем шума Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
1614
91
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ПРОПУСКНАЯ СПОСОБНОСТЬ / КАНАЛ СВЯЗИ / РАЗРЯДНОСТЬ / ИНФОРМАЦИЯ / УСТРОЙСТВА СВЯЗИ / THROUGHPUT CAPACITY / COMMUNICATION CHANNEL / CATEGORY / INFORMATION / COMMUNICATION DEVICES

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Нечаев Юрий Борисович, Дергачёв Юрий Аркадиевич, Панкова Маргарита Александровна

Предложен способ увеличения пропускной способности канала связи с помощью изменения разрядности передаваемой информации. Рассмотрено устройство, реализующее способ, которое может быть использовано как дополнительный модуль к существующим устройствам связи

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Нечаев Юрий Борисович, Дергачёв Юрий Аркадиевич, Панкова Маргарита Александровна

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

THE METHOD OF A THROUGHPUT CAPACITY INCREASE OF A COMMUNICATION CHANNEL WITH LOW NOISE LEVEL

This article is about the way of increase in throughput a communication channel by means of change word length of the transferred information. The device realizing a way which can be used as the additional module, to existing communication devices

Текст научной работы на тему «Способ увеличения пропускной способности канала связи с малым уровнем шума»

Ю.Б. Нечаев,

доктор физико-математических наук, профессор, Концерн «Созвездие»

Ю.А. Дергачев,

Концерн «Созвездие»

М.А. Панкова,

Концерн «Созвездие»

СПОСОБ УВЕЛИЧЕНИЯ ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТИ КАНАЛА СВЯЗИ С МАЛЫМ УРОВНЕМ ШУМА

THE METHOD OF A THROUGHPUT CAPACITY INCREASE OF A COMMUNICATION CHANNEL WITH LOW NOISE LEVEL

Предложен способ увеличения пропускной способности канала связи с помощью изменения разрядности передаваемой информации. Рассмотрено устройство, реализующее способ, которое может быть использовано как дополнительный модуль к существующим устройствам связи.

This article is about the way of increase in throughput a communication channel by means of change word length of the transferred information. The device realizing a way which can be used as the additional module, to existing communication devices.

Пропускная способность канала передачи данных может быть существенно увеличена с помощью повышения разрядности цифрового передающего устройства. Существенный недостаток метода в том, что «платой» за увеличение пропускной способности является амплитудная информация.

Предлагаемый метод применим либо в малошумящих каналах, либо в защищённых от помех кабельных системах. В этом случае можно не учитывать динамический (негауссовский) уровень шума в различных частях спектра.

Все передающие устройства делятся на две категории : аналоговые и цифровые. Так как абсолютно все цифровые вычислительные машины работают в двоичной системе исчисления (т.е. в области стандартной булевой логики, где существует только два устойчивых состояния «1» и «0»), то и цифровые приёмо-передающие устройства также являются двоичными.

При использовании алгоритмов пакетной передачи данных какой-либо выигрыш в пропускной способности канала всегда сводился к применению новых алгоритмов сжатия информации. Однако увеличение количества передаваемой информации за единицу времени может быть достигнуто также и переходом с одного алфавита передаваемых сообщений (в нашем случае двоичного) на алфавит с более широкой базой (основанием системы исчисления). Эффект увеличения пропускной способности достигается за счёт того, что во время преобразования передаваемого сообщения из одного алфавита в другой происходит фактическое уменьшение числа разрядов, а следовательно, за один и тот же абстрактный промежуток времени может быть передано больше информации.

Пример. Пусть задан стандартный алфавит передачи сигнала A = {0,1} и расширенный B = {0,1,2}; t — временной интервал, в течение которого переда'тся один из элементарных импульсов. Пусть число 7(10) — полезная информация, которую необходимо передать от источника к получателю.

При использовании стандартного алфавита А имеем: 7(ю) = 111(2), т.е. получаем число, состоящее из трёх разрядов, а значит, на его передачу уходит 3ї отрезков времени (как показано на рис. 1).

1 1

1

0

Рис. 1

При переходе на алфавит В имеем: 7(ю) = 21@), т.е. получаем число, состоящее из

двух разрядов, а значит, на его передачу уходит 2t временных промежутков (рис. 2).

1 1

2

1

0

Рис. 2

Таким образом, получен выигрыш во времени при передаче того же самого сообщения в алфавите В, а значит, увеличена пропускная способность канала.

В качестве простейшей аппаратной реализации может выступить цифровой генератор синусоидальных колебаний с управляемой частотой и амплитудой, схема которой приведена на рис. 3.

Рис. 3

ГТИ (генератор тактовых импульсов) — обеспечивает формирование управляющих импульсов заданной частоты, обеспечивающей требуемую частоту синуса на выходе; ФА — формирует текущий адрес для выбора данных из памяти;

ПЗУ — выдаёт текущее значение уровня сигнала на выходе;

ЦАП — преобразует цифровое значение уровня сигнала в аналоговый уровень сигнала;

БУ — обеспечивает необходимую амплитуду сигнала на выходе.

Схематически вид сигнала в каждом блоке приведён на рис. 4.

_п_п_ .1 и _ -► ►

И- ► -►

Рис. 4

иоЛї = _2и.

(1)

Тактовый генератор формирует опорные импульсы с частотой, прямо пропорциональной выходной частоте синуса. Синхронизирующие импульсы с частотой /т поступают на счётчик, на выходе которого формируется п-разрядный адрес микросхемы памяти — число Х. Значение адреса изменяется в интервале от 0 до (2 п -1). По числу Х на адресном входе ПЗУ выбирает т-разрядное число У, являющееся значением выборки сигнала — амплитуды синуса. Цифро-аналоговый преобразователь преобразует код числа в аналоговый сигнал [1].

В общем виде зависимость выходного напряжения ицлП биполярного ЦАП от входного кода числа Х при опорном напряжении иоп выражается формулой

''_0_ _ 1 Л

2™ 2 2™ +1

Максимальная частота генерируемых сигналов определяется по формуле

Р = . (2)

2 п

Общая погрешность аппроксимации синусоиды складывается из погрешности квантования сигнала по уровню, погрешности дискретизации сигнала по времени и погрешности линейности ЦАП [2].

''общ = 'к + 'д + 'цЛП . (3)

Наиболее критичной в схеме является погрешность линейности ЦАП, т. к. он является основой схемы. Выберем в качестве ЦАП микросхему К1108 ПА2 — 8 разрядный функционально законченный цифро-аналоговый преобразователь двоичного кода в напряжение, выполненный по биполярной технологии и имеющий следующие характеристики:

ип = ± 5 В; ивых=2,5 В;

іуст =1,5 мкс.

Микросхему ПЗУ следует выбирать по объёму памяти и времени выборки адреса.

В качестве ПЗУ остановимся на микросхеме КР556РТ17 емкостью 512 х 8 бит, которая имеет следующие параметры:

¿в.а. 50 нС;

ип = + 5 В.

Полученная общая погрешность аппроксимации не превышает заданного допустимого значения 1 %.

6-разрядный счётчик построим на основе микросхемы К555ИЕ19, содержащей два четырёхразрядных счётчика.

В качестве задающего (тактового) генератора в проектируемом устройстве будем использовать ^С-генератор на основе логических инвертирующих элементов, обеспечивающий заданный коэффициент нестабильности частоты.

При заданном диапазоне частот сигнала на выходе устройства (100 Гц — 1 кГц) и выбранном числе шагов дискретизации (64) максимальная частота тактовых импульсов определяется как

!да. Шп = Ргаёп ^ = 64 ^ (4)

минимальная — как

їда.Ш = N = 6,4 кГЦ. (5)

Предельная частота тактового генератора зависит от быстродействия ЦАП:

їдалдаа < = 667 ^ (6)

опд

что удовлетворяет используемому режиму генератора.

Рассчитаем значения элементов генератора тактовых импульсов для обеспечения данного диапазона частот.

Р = 1/(2 ж Я С). (7)

Зададим Я1 = 2,5 кОм, Я2 = 1,5 кОм.

При С = 6,8 нФ Р = 63,6 кГц; Т=15,7 мкс.

При С = 68 нФ Р = 6,36 кГц; Т=157мкс.

Таким образом, в качестве конденсатора С возьмём переменный конденсатор на 68 н Ф.

Для более точной подстройки частоты последовательно соединим постоянный резистор сопротивлением 2 кОм и переменный — сопротивлением 1 кОм.

Так как рабочие частоты не превышают 20 Мгц, то используем серию К555, имеющую следующие параметры:

- напряжение питания +5 В,

- диапазон рабочих температур от -10 до +70°С,

- уровень логического нуля не более 0,4 В,

- выходной уровень логической единицы не менее 2,6 В,

- средняя потребляемая одним логическим элементом мощность 2 мВт,

- средняя задержка распространения сигнала 20 нс.

Максимальный потребляемый устройством ток не превышает 0,35 А.

Заданная амплитуда сигнала на выходе устройства будет обеспечиваться усилителем на ОУ с коэффициентом усиления

9

^ =-Ц = 3,6. (8)

и айо.ОА1 А-5

При этом Яос=3,6 кОм, а Я=1 кОм.

В качестве ОУ используем микросхемы К140УД26, имеющие следующие параметры:

- напряжение питания ±15 В;

- ток потребления 4,7 мА;

- коэффициент усиления 106;

- напряжение смещения 0,025 мВ;

- входной ток 3 5 нА.

В соответствии с выбранными ЦАП, ПЗУ и параметрами самого устройства в качестве используемых в нём цифровых микросхем будут применены микросхемы серии 555. Максимальный потребляемый устройством ток не превышает 0,35 А.

Общая погрешность аппроксимации синусоиды составляет:

% = 50% _ 50% _ 0 ' М 2 2,25

Лпд =

1 1

21

сmfm ах тт

%д = = 64-100 = 3

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Пд 2/тах 2 - 1000

Л % =

V 3,2

= 0,49%.

, Лпд У

5-и % = 0,195 + 0,49 + 0,28 = 0,965%

гаи ’

Содержимое ячеек ПЗУ рассчитывается по формуле

X =

" 1 ґ 2p• A'' 1 "

— sin + —

_ 2 V 2 2 _

\lm -1),

(10)

где п=6, т=8, А=0... 2п -1.

Полученные в результате расчёта 64 8-разрядных числа от 0 до 255 и составляют содержимое микросхем ПЗУ (таблица).

Содержимое ПЗУ

Адрес Содержимое ячеек

0 80 8C 98 A5

4 B0 BC C6 D0

8 DA E2 EA F0

0C F5 FA FD FE

10 FF FE FD FA

14 F5 F0 EA E2

18 DA D0 C6 BC

1C B0 A5 98 8C

20 80 73 67 5A

24 4F 43 39 2F

28 25 1D 15 0F

2C 0A 5 2 1

30 0 1 2 5

34 0A 0F 15 1D

38 25 2F 39 43

3C 4F 5A 67 73

Таким образом, описанный выше алгоритм может быть осуществлён с помощью предложенной аппаратной реализации, при этом градации алфавита по амплитуде достигаются кратно-масштабными преобразованиями синусоиды на выходе генератора.

Предлагаемое устройство может быть использовано как дополнительный модуль, осуществляющий увеличение пропускной способности канала, к уже существующим устройствам передачи данных.

ЛИТЕРАТУРА

1. Henriksson D. TrueTime: Simulation of control loops under shared computer resources / D. Henriksson, A. Cervin, K. E. Arzen // Proc. of the 15th IFAC World Congress on Automatic Control.— Barcelona, Spain, July 2002.

2. Черных И.В. Simulink: среда создания инженерных приложений /

И.В. Черных.— М.: Диалог-МИФИ, 2003.— 496 с.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.