CC BY
13
УДК 004.056.5; 53.04; 53.06
Мишина О.О.
студент НИУ «БелГУ» Лихолоб П. Г. ст. преподавател ь РФ, г. Белгород ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЦИФРОВЫХ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ Аннотация: в данной статье производится проектирование цифровой системы передачи данных.
Ключевые слова: Информация, системы передачи, цифровые системы передачи.
Mishina O..О. student «BelSU» Likholob P. G. St. Ave. Russia, Belgorod DESIGN OF DIGITAL TRANSMISSION SYSTEMS Abstract: this article is the design of digital transmission systems. Keywords: The information transmission system, digital transmission system.
В настоящее время по всему миру происходит замена аналоговых систем передачи данных цифровыми. Данный переход обусловлен тем, что цифровые системы передачи имеют значительные преимущества перед аналоговыми. Вот почему современным инженерам, работающим в области связи, необходимо уметь проектировать цифровые системы передачи данных и работать с ними.
Исходные данные для проектирования
Таблица 1 - Каналы цифровой системы передачи
№ Наименование Параметры
Канал Число каналов 2
1 широкополосный Частота следования код.гр., кГц 21-25
Число битов в код. слове, бит 8
Канал Число каналов 11
2 вещания Частота следования код.гр., кГц Расчет
Число битов в код. слове, бит Расчет
Канал ПДС - 4.8 Число каналов 5
3 Кбит/с Частота следования код.гр., кГц Расчёт
Число битов в код. слове, бит Расчёт
Число каналов 25
4 Канал ПДС - 1024 Частота следования код.гр., кГц, осн. 1028
Кбит/с Частота следования код.гр., кГц, доп. 5-8
Число битов в код. слове, бит, доп. 3
Число каналов 1
Групповой канал Частота следования код.гр., кГц, 4-7
5 СУВ Число битов в код. слове, бит 1
6 Тип кабеля Коакс. Норм диаметра
Таблица 2 - Требования к каналам (вариант № 3)
Канал вещания
Параметры /н, кГц /в, кГц т, кГц Р, дБм0 Р2, дБм0 Рш.н, дБм0 ан, дБ Р 1 ш.и пВт Номер шкалы
Значение 0,1 6,3 0,8 -25 +6 -60 30 500 10
Канал ПДС
Параметры
Значение 25
Передача аналоговых сигналов
Результатом проектирования подсистемы являются следующие ее параметры, приведение окончательных и промежуточных значений которых является обязательным:
/д - частота дискретизации преобразуемых сигналов или частота повторения кодовых слов (кодовых групп);
т - число битов в кодовом слове на выходе АЦП;
и°гр - напряжение, соответствующее порогу ограничения квантующей характеристики;
аш(р) - зависимость помехозащищенности передаваемых сигналов от их уровня в диапазоне от (р>1 _5 дБ до ^ +5) дБ;
.Ршн - уровень шумов на выходе незанятого канала вещания ТНОУ;
Расчет (ц
Частота дискретизации выбирается так, чтобы исходный сигнал мог быть выделен в неискаженном виде из спектра дискретизированного сигнала. Поэтому расчет заключается в выборе такого значения частоты дискретизации.
/н = 0,1 кГц, /в = 6,3 кГц и 0.8 кГц.
В соответствии со сказанным можно принять: / *2/ + / = 2*6,3+0.8 = 13,4 кГц.
Следовательно, минимальное значение частоты дискретизации равно 13,6 кГц.
/К
13.4
26.8
13.3
13.5
26.7 26.9
кГц Гц
Рисунок 1 - Спектр
Расчет m и зависимости aш(p) для канала вещания
Шумы на выходе канала складываются из шумов квантования и шумов из-за погрешности изготовления. Мощность шумов в ТНОУ равна:
/ (1)
р = (р + р
1 Ш .Н У1 КВН ^ 1 И.Н
05/,
Д
Л
где А/ = /в -/н, 0,5/д - множитель, учитывающий попадание в полосу частот канала только спектральных составляющих шума при их равномерном распределении в интервале, равном половине частоты дискретизации.
А2
Средний квадрат ошибки квантования в незанятом канале равен 4 .Тогда мощность шумов квантования на выходе незанятого канала в интервале, равном половине частоты дискретизации, может быть рассчитана по формуле:
Р = А
ршн 4К
(2)
Для проектируемых каналов Я =600 Ом. С другой стороны, в соответствии с исходными данными мощность шумов в незанятом канале не
Р = 100'1 рш
должна быть больше, чем
мВт.
Р
10
0,1Рш.н
10
0,1*(-60)
10"
Отсюда следует, что:
А! <44РквмЯ = 2
0,5/д
А/
Р " Р
ш.н ш.и
Я
6
р р
где ш.н, ш.и - должны быть выражены в ваттах, тогда шаг квантования будет иметь размерность в вольтах.
Д1 < 2.
0,5 * 13,4 *103 (6,3 - 0,1) *103
*10-6 *10-3 -500*10
6 * 1 л-3
,-12
600 = 1,18*10-3 (В) _ 1,18( мВ)
Расчет Д1 по допустимой защищенности сигналов от шумов на выходе канала
Пиковые значения сигналов наиболее низкого уровня сравнимы
обычно с и. Можно считать, что передача таких сигналов осуществляется при их линейном квантовании, и мощность шумов на выходе канала в ТНОУ равна:
Рш (А) =
'А
12Я
+ Рш
/
Защищенность сигнала от этих шумов:
аш (Р1) _ Р
(Г л2 " Д\
12Я
+ Рш
0,5/д
\ А/ Л
Д 103
0,5/д
(4)
(5)
д У
не должна превышать значение номинальной защищенности (таблица 2). Это может иметь место только при:
Дх <
12Я
'0,5/д, 10(0,1( Р1 -ан )-3)
Д/
- Рш
(6)
Д1 <
(
12*600*
0,5*13,4 *103 (6,3 - 0,1) *103
• 10'
(0,1(-25-30)-3)
- 500-10
,-12
= 4,94*10-3 (В) = 4,94( мВ)
Из двух рассчитанных предельных значений шагов квантования в первом сегменте (расчет по уровню шумов в незанятом канале и расчет по защищенности сигналов от шумов) для дальнейших расчетов принимаем наименьшее предельное значение.
Расчет порога ограничения
иэфф2 _ 10°,°5р2лШ0-3 = 100 05*(6) ^600*10-3 = 1,54
(В) ,
то
и0Гр 4иэфф 2
= 4*1,54 = 6.16
(В).
Расчет m
В общем случае для сегментных шкал справедливо:
и
огр _ ^2 т-1
Д1
(7)
*
тогда количество битов в кодовом слове может быть рассчитано по формуле :
(и Л
т = 1 + 3,33lg
огр
ЯЛ,
\ 1;
ы А п
1 + у ^. П±.
Л & А1 п 1 + 2* (3/2) + 4*(3/2)
Л — ---— -— 2,5
м пк 1 + 3/2 + 3/2
1+ Е —
где к—2 п 1 ;
т = 1 + 3,33 * Ь-—-3 — 14,37
2,5 * 1,18*10
Число битов не может быть дробным, поэтому округляем т=15.
При округлении соответственно уменьшается значение шага квантования в первом сегменте. Значение напряжения ограничения остается без изменения. Рассчитаем новое значение шага квантования в первом сегменте ,значения шагов квантования в других сегментах и значения напряжений, соответствующих верхним границам сегментов.
А1 — _и°т_— 6,165 1 — 0,15*10-3(В) — 0,15(мВ) 1 Л- 2 т-1 2,5 ■ 215-1 •
А — 2А — 2 ■ 0,15 — 0,30 (мВ);
А3 — 4 -А1 — 4 ■ 0,15 — 0,60 (мВ);
и, —---и0ГР —-1-*6,16 — 0,616
1 + £ А*.. Пк 1 + 2 * (3 / 2) + 4 * (3 / 2)
к—2 А1 п1 (В);
и — и ■
1+Е-
V к—2 А1 п1 *
(9)
и2 — 0,616*(1+2*(3/2))—2,46 (В).
(В);
и3 — 0,616* (1 + 2*(3/2) + 4*(3/2)) — 6,16
Расчет зависимости aш(p)
Необходимо выполнить расчет зависимости защищенности от уровня передаваемого сигнала. Выберем следующие значения уровней сигнала:
— Р1 + Р
Рс1 — Р1 - 5 Рс 2 — Р1- РсЪ 2 • Рс 4 — ^2 • Рс5 — ^2 + 5
? ? ? ? ?
где Р1, Р2 - данные о динамическом диапазоне из таблицы 2.
Рс1 — Р1 - 5 —-25 - 5 —-30 (дБм0);
Рс 2 — Р1 — -25 (дБм0); Р — Р1 + Р2 — - 25+6 — 95
Рс3 — —~— — —~— — -9,5
2 2 (дБм0);
р
с 4
Р2 = 6
(дБм0);
Рс5 = Р2 + 5 = 6 + 5 = 11
(дБм0).
Этим значениям уровней соответствуют значения эффективного напряжения:
ис1 = 100 05рс^Я ■ 10-3
иС1-- = ю0,05-(-30) ■ V600 ■ 10 -3 = 0,02 (В);
и с2 = ю0,05-(-25) ■л/600' 10-3 = °,°4 (В);
и с3 _ ю0,05-(-9,5) ■Л/600 ■10 -3 = 0,26 (В);
ис 4 = ю0,05-(6) ^ л/600 ■ 10-3 =1,53 (В);
ис5 = 1 00,05-(11) ^ л/600- 10-3 : =2,73 (В).
Средняя мощность шумов в таких системах равна:
Р..
С А
— + А2
12 огр
1 Df
(11)
К 0,5/
Полная мощность шумов на выходе канала в ТНОУ при передаче сигнала в случае использования семисегментной шкалы квантования равна:
Р..,. =
А2 А2 А2 А2
Щ ■А + Щ*, ■А- + Щ, ■А + Щ,.+ А2
ч 1г 12 2г 12 3г 12 4г 12 ору
К ^ Рш
_ц/_
0,5 ■ /
(12)
При нормальном распределении вероятностей мгновенных значений сигнала, среднеквадратическое значение которых: иС = иэфф.с.
Вероятность попадания преобразуемых мгновенных значений в один сегмент находится по формуле:
и Б
ЦБ = 2 ■ \ w (и)• dи = 2 ■ Ф
и А
с и'
V ис У
с и ^
- 2 ■ Ф
А
V ис У
(13)
Ф
где
с ^ л
ЧисУ
1
и
иг
Т2Г
ж
!
С 9
Ж = Ф (х)
интеграл вероятностей.
Ошибка ограничения приблизительно рассчитывается по формуле:
А о -огр —
л/жж ■
и С
С и,
огр
V1 -0,5-1
V ис У
и.
огр
и7
(14)
Расчет помехозащищенности проводится по формуле:
/
«Ш = 101в
С Щ ^
V РшК У
0
2
е
Таблица 3 - Результаты расчетов
Рсг , дБ Ь'с, , в Гц Л2 ■ ¿Л огрг в Р шг Вт ашг, дБ
-30 0,02 1 0,00 0,00 0,00 0,00 1,09*10-8 28,34
-25 0,04 1 0,00 0,00 0,00 0,00 1,09*10-8 36,76
-9,5 0,26 0,35 0,46 0,01 0,01 0,00 1,89*10-8 45,81
6 1,53 0,19 0,39 0,17 0,18 1,34*10-4 4,23*10-7 31,76
11 2,73 0,12 0,37 0,25 0,29 0,28 4,12*10-3 7,67
Результат проектирования удовлетворяет предъявленным требованиям. В заданном динамическом диапазоне обеспечивается
а > а = 30
номинальное значение помехозащищенности ш~ н
Передача дискретных сигналов
Ожидаемые фазовые дрожания не должны превышать значения
^н = 25
Для организации каналов передачи дискретных сигналов с относительно невысокими скоростями (не выше 19,2 кбит/с) в настоящее время используются способы кодирования амплитуды и кодирования фронтов сигналов. Способы кодирования амплитуды в литературе называют способами стробирования или наложения. Известны модификации способа кодирования фронтов сигналов, например, способы скользящего индекса (СИ), фиксированного индекса (ФИ), скользящего индекса с подтверждением и другие.
Расчет параметров подсистемы преобразования дискретных сигналов
Способ кодирования амплитуды сигнала
Максимальная абсолютная величина фазовых дрожаний:
т= ± = ± (16) /к Лг
Минимальное значение частоты следования кодовых групп:
г = Л (17)
J г г» °н
/
где ■/с - частота следования символов дискретных сигналов, для двоичных сигналов численно равна скорости (таблица 1).
/с = 4,8 кГц = 4800 Гц;
/г = £ = 4800 = 19200 (Гц)
дн 0,25 .
Т = -1 = — = —1— = 5,2 (мкс). к /к / 19200 ' '
Коэффициент использования пропускной способности цифрового канала равен:
/ 4800
п =^ =-= 0,25 = 25%
/г 19200
Выбор способа передачи
1. Рассчитаем ориентировочные значения тактовых частот группового цифрового сигнала проектируемой ЦСП для случаев использования
способов наложения, СИ и ФИ: /тм, /тси , /тфИ .
Известно, что для двоичных сигналов численные значения скоростей
сигналов и тактовых частот одинаковы (например, с (кбит/с) = / (кГц)), поэтому для расчета значений тактовых частот можно использовать следующие формулы:
/ш,=Хят/,< + щпдсют (21)
I
/т.си = X Я/ + N (ПДС)/г Си тСи (22)
г
/т.ФИ
= X Ягтг/гл + ПДС)/г.ФИМФИ (23)
/
где 1 индекс типа канала по таблице 1, кроме каналов ПДС, для которого был выполнен расчет параметров кодеков в разд. 2.1 и
N т
произведение параметров которых составляет отдельное слагаемое; 1, 1,
/гл - соответственно число каналов данного типа, число битов в кодовых группах и частота повторения кодовых групп. Получаем:
/тн = (2*8*21 +11*15*13,4 + 25*3*5 +1*1*4) + 5*1*19,2 = 3022(кГц) = 3,022(МГц)
/тси = (2*8*21 +11*15*13,4 + 25*3*5 +1*1*4) + 5*3*4,8 = 2998(кГц) = 2,998(МГц) /тфИ = (2*8*21 +11*15*13,4 + 25*3*5 +1*1*4) + 5*4*4,8 = 3022(кГц) = 3,022(МГц)
2. Сравним между собой рассчитанные значения тактовых частот при использовании в кодеках способов наложения и СИ:
/тси £ 3,022-2,998 =0,017 >0,01
/,,си 3,022 .
?
Применение в кодерах способов СИ и ФИ одинаковы поэтому стоит выбрать способ ФИ, так как он обладает меньшим размножением ошибок.
Алгоритм проектирования цикла Подготовим таблицу исходных данных для проектирования цикла в форме таблицы 7. Заполнить столбцы 2 - 7 по данным таблицы 1, по данным проектирования подсистем аналого-цифрового преобразования и передачи дискретных сигналов:
Таблица 4 - Параметры ЦСП
№ Тип канала Число каналов Частота повторения / кодовых групп •> г , кГц т г бит ^ .г N с, .г Номера тактовых интервалов в цикле Номера циклов
Мт Мах Оконч.
1 Телефоный 2 21 25 21 8 32 960 9-40 1-30
2 Вещания 11 - - 13,4 15 165 4950 41-205 1-30
3 ПДС-4,8 5 - - 4,8 4 240 7200 206-445 1-30
5 ПДС-1024(доп) 25 5 8 5 3 975 29250 446-1420 1-30
6 Груп СУВ 1 4 7 4 1 - 10 1421-1430 1
7 Цикл. синхр. 1 - - 12 8 8 240 1-8 1-30
8 Сверх-цикл. синхр. 1 - - 0,4 4 - 4 1431-1434 1
9 Своб. такт. инт. - - - - - - 4 1435-1438 1-30
Структурная схема аппаратуры оконечной станци
Рисунок 2 - Структурная схема аппаратуры оконечной станции
К - кодер, формирующий кодовые слова по т бит; ГО пер - генераторное оборудование передачи; ФГС - формирователь группового сигнала; ПК пер - преобразователь кода передачи;
ЛТр - линейный трансформатор;
В статье были удачно произведены расчеты характеристик цифровых систем передачи информации, а также нами была разработана структурная схема передачи информации.
Использованные источники:
1. Учебно-методические указания по курсовому проектированию цифровых систем передачи / С.П. Белов, М.А Гальцев, В.И. Ищенко БелГУ, 2007.
2. Проектирование и техническая эксплуатация систем передачи: Учеб. Пособие для вузов / В.В. Крухмалев, В.Н. Гордиенко, В.И. Иванов и др.; Под ред. В.Н. Гордиенко и В.В. Крухмалева. - М.: Радио и связь, 1995.
3. Цифровые системы передачи информации / Л.С. Левин, М.А Плотник - М. Радио и связь, 1982.
4. Цифровые и аналоговые системы передачи: Учебник для вузов / В.И. Иванов, В.Н. Гордиенко, Г.Н. Попов и др.; Под ред. В.И. Иванова. - М.: Радио и связь, 1982.
