diff --git a/.gitignore b/.gitignore index 0e77146..bb59da2 100644 --- a/.gitignore +++ b/.gitignore @@ -1,2 +1,4 @@ *.aux *.log +*.pgf-plot.* +.DS_Store \ No newline at end of file diff --git a/coder_empty.tex b/coder_empty.tex new file mode 100644 index 0000000..235b60a --- /dev/null +++ b/coder_empty.tex @@ -0,0 +1,28 @@ +\begin{figure}[H] + \begin{tikzpicture}[x=1cm, y=-1cm] + \node at (-0.5,0) [left] {$s_1=00$}; + \node at (-0.5,1) [left] {$s_2=10$}; + \node at (-0.5,2) [left] {$s_3=01$}; + \node at (-0.5,3) [left] {$s_4=11$}; + + % Nodes + \foreach \x in {0,...,12} { + \node at (\x,-.7) {$\x$}; + \foreach \y in {0,...,3} { + \node (s\x\y) at (\x,\y) [circle,fill=black,scale=0.7] {}; + } + } + + % Edges + \trellisEdges{0}{0} + \trellisEdges{1}{0} + \trellisEdges{1}{1} + \foreach \x in {2,...,11} { + \foreach \y in {0,...,3} { + \trellisEdges{\x}{\y} + } + } + \end{tikzpicture} + + \caption{Решетка кодера} \label{fig:coder_empty} +\end{figure} diff --git a/images/BSTau.png b/images/BSTau.png new file mode 100644 index 0000000..949f267 Binary files /dev/null and b/images/BSTau.png differ diff --git a/images/GSOmega.png b/images/GSOmega.png new file mode 100644 index 0000000..e50cb28 Binary files /dev/null and b/images/GSOmega.png differ diff --git a/images/Raised-cosine-impulse.png b/images/Raised-cosine-impulse.png new file mode 100644 index 0000000..c8b5bfb Binary files /dev/null and b/images/Raised-cosine-impulse.png differ diff --git a/images/Raised_cosine_filter.png b/images/Raised_cosine_filter.png new file mode 100644 index 0000000..04e9a7b Binary files /dev/null and b/images/Raised_cosine_filter.png differ diff --git a/images/modulator.png b/images/modulator.png new file mode 100644 index 0000000..640aed4 Binary files /dev/null and b/images/modulator.png differ diff --git a/term_paper.pdf b/term_paper.pdf index da35995..08eebda 100644 Binary files a/term_paper.pdf and b/term_paper.pdf differ diff --git a/term_paper.tex b/term_paper.tex index 218b316..cad1e83 100644 --- a/term_paper.tex +++ b/term_paper.tex @@ -17,7 +17,7 @@ \DeclareSymbolFont{T2Aletters}{T2A}{cmr}{m}{it} \graphicspath{ {./images/} } -\pgfplotsset{width=10cm,compat=1.9} +\pgfplotsset{compat=newest} % Установки для отрисовки решеток кодера \tikzstyle{lightedge}=[dashed] @@ -603,8 +603,10 @@ $L=2^k$, где $k$ -- целое число. блока ФМС, соответствующие входной реализации $c(t)$. Написать аналитические выражения для случайных процессов $I(t)$ и $Q(t)$. - \[ I(t)=\sum^\infty_{n=-\infty}I_n\cdot g_2(t-nT_S);\, - Q(t)=\sum^\infty_{n=-\infty}Q_n\cdot g_2(t-nT_S), \] + \begin{equation} \label{eq:ItQt} + I(t)=\sum^\infty_{n=-\infty}I_n\cdot g_2(t-nT_S);\, + Q(t)=\sum^\infty_{n=-\infty}Q_n\cdot g_2(t-nT_S), + \end{equation} где $g_(t)$ -- прямоугольный импульс длительностью $T_S=4T_B$. $T_S$ -- символьный интервал; $T_B$ -- бинарный интервал; @@ -870,6 +872,315 @@ $L=2^k$, где $k$ -- целое число. изгибы встречаются в 4 раза чаще. \end{enumerate} +\subsection{Модулятор} +В состав модулятора структурной схемы цифровой системы связи (ЦСС), +рис. \ref{fig:struct_scheme}, между блоками ФМС и перемножителями +входят сглаживающие формирующие фильтры СФФ, необходимые для +оптимизации ЦСС в отношении межсимвольной помехи, а также инвертор и +сумматор, на выходе которого получаем сигнал заданного вида модуляции. + +\subsubsection{Сглаживающий формирующий фильтр} +\begin{figure} + \centering + \includegraphics[scale=0.6]{modulator} + \caption{Структурная схема модулятора} + \label{fig:modulator} +\end{figure} +Требуется: +\begin{enumerate} + \item Изобразить структурную схему модулятора в составе ЦСС + (рис. \ref{fig:modulator}). + + \item Написать аналитические выражения для сигнала $x(t)$ + со <<спектром приподнятого косинуса>> (импульса Найквиста) + и его спектральной плотности $S_x(f)$ для значений коэффициента + сглаживания $0\leq \beta \leq 1$. Изобразить графики сигналов + $x(t)$ и соответствующие спектральные плотности + при $0\leq \beta \leq 1$. + + Импульсы Найквиста $x(t)$ и их спектральные плотности $S_x(f)$ + характеризуются следующими аналитическими выражениями: + \begin{equation} \label{eq:imp_niq} + x(t)=\frac{\sin(\frac{\pi\cdot t}{T})}{\frac{\pi\cdot t}{T}} + \cdot\frac{\cos(\frac{\pi\beta t}{T})}{1-\frac{4\beta^2 t^2}{T^2}}; + \end{equation} + + \begin{equation} + S_x(f)=\begin{cases} + T, & 0\leq |f|\leq\dfrac{1-f}{2T};\\[10pt] + \dfrac{T}{2}\cdot\biggr\{1+\cos\biggr[\dfrac{\pi T}{\beta} + \cdot\biggr(|f|-\dfrac{1-\beta}{2T}\biggr)\biggr]\biggr\}, & + \biggr(\dfrac{1-f}{2T}\biggr)\leq|f|\leq + \biggr(\dfrac{1+f}{2T}\biggr);\\[10pt] + 0, & |f|>\dfrac{1+f}{2T}, + \end{cases} + \end{equation} + где $\beta$ -- коэффициент сглаживания (или ската), который + может принимать значения в интервале $0\leq \beta \leq 1$. + + \begin{figure}[H] + \centering + \includegraphics[scale=0.13]{Raised-cosine-impulse} + \caption{График импульсов Найквиста $x(t)$} + \label{fig:imp_niq} + \end{figure} + + \begin{figure}[H] + \centering + \includegraphics[scale=0.13]{Raised_cosine_filter} + \caption{График спектральных плотностей $S_x(f)$} + \end{figure} + + \item На одном рисунке изобразить графики спектральных плотностей + $S_x(\omega)$ и $S_{x1}(\omega)$ сигналов $x(t)$ и $x_1(t)$, + где $x(t)$ -- импульс Найквиста при коэффициенте сглаживания + $\beta=1$; $x_1(t)$ – импульс со спектральной плотностью + $S_{x1}(\omega)=\sqrt{S_x(\omega)}$. + + \begin{figure}[H] + \centering + \begin{tikzpicture} + \pgfmathsetmacro{\PI}{3.14} + \pgfmathsetmacro{\T}{1.8} + \begin{axis}[ + width=10cm,height=6cm, + axis lines = left, + ylabel = {$S(\omega)$}, + xlabel = {$\omega$}, + domain=-32:32, + ] + \addplot [ + color=blue, + samples=100, + ] + {\T/2*(1+cos(\PI*\T*abs(x)))}; + \addlegendentry{$S_x(\omega)$}; + \addplot [ + color=red, + samples=100, + ] + {sqrt(\T/2*(1+cos(\PI*\T*abs(x))))}; + \addlegendentry{$S_{x1}(\omega)$}; + \end{axis} + \end{tikzpicture} + \caption{Графики спектральных плотностей + $S_x(\omega)$ и $S_{x1}(\omega)$ сигналов $x(t)$ и $x_1(t)$} + \end{figure} + + \item На одном рисунке изобразить графики импульсов + $x(t)$ и $x_1(t)$. + + \begin{figure}[H] + \centering + \begin{tikzpicture} + \pgfmathsetmacro{\PI}{3.14} + \pgfmathsetmacro{\T}{1} + + \begin{axis}[ + width=10cm,height=6cm, + axis lines = left, + ylabel = {$x(t)$}, + xlabel = {$t$}, + domain = -2:2, + ] + \addplot [no markers] gnuplot [ + color=blue, + samples=100, + ] + {sin(\PI*x/\T)/\PI/x*\T*cos(\PI*x/\T)/(1-4*x^2/\T^2)}; + \addlegendentry{$x(t)$}; + \addplot [no markers] gnuplot [ + color=red, + samples=100, + ] + {sin(\PI*x*1.27/\T)/\PI/x*1.27*\T*cos(\PI*x*1.27/\T)/(1-4*(x*1.27)^2/\T^2)}; + \addlegendentry{$x_1(t)$}; + \end{axis} + \end{tikzpicture} + \caption{Импульс Найквиста $x(t)$ и искомый импульс $x_1(t)$} + \end{figure} + \item Написать аналитические выражения для случайных процессов + $I_ф(t)$ и $Q_ф(t)$. + \[ I_ф(t)=\sum^\infty_{n=-\infty}I_ng_3(t-nT), \] + где $i_n$ -- детерминированная величина, которая является + реализацией случайной величины $I_n$. + Величины $i_n$ в выражениях для $i(t)$ и $i_ф(t)$ + принимают одинаковые значения на соответствующих символьных + интервалах $T$. + + \[ Q_ф(t)=\sum^\infty_{n=-\infty}Q_ng_3(t-nT), \] + где $I_n(t)$ и $Q_n(t)$ -- независимые случайные величины, + принимающие известные дискретные значения с заданными + вероятностями, какие они имеют в формулах (\ref{eq:ItQt}); + + $g_3(t)=x_{1н}(t-3T)$ -- детерминированный импульс, + спектральная плотность которого выражается через спектральную + плотность импульса Найквиста. + + \item Написать аналитические выражения для корреляционных функций + и спектральных плотностей мощности случайных процессов + $I_ф(t)$ и $Q_ф(t)$ и построить графики этих функций. + + \begin{equation} + B_{I_ф}(\tau)=\frac{\overline{I_n^2}}{1,27^2}\cdot x(\tau), + \end{equation} + где $\overline{I^2_n}=5h^2$ для КАМ-16; + + $x(\tau)$ -- импульс Найквиста при значении $\beta=1$. + + Так как случайный процесс $Q_ф(t)$ на выходе нижнего сглаживающего + формирующего фильтра (СФФ) имеет такие же вероятностные + характеристики, как и процесс $I_ф(t)$, то можно написать + следующие равенства: + \begin{equation} + B_{Q_ф}(\tau)=B_{I_ф}(\tau);\, + G_{Q_ф}(\omega)=G_{I_ф}(\omega). + \end{equation} + \begin{figure}[H] + \centering + \begin{tikzpicture} + \pgfmathsetmacro{\PI}{3.14} + \pgfmathsetmacro{\T}{1} + + \begin{axis}[ + width=10cm,height=6cm, + axis lines = left, + ylabel = {$B(\tau)$}, + xlabel = {$\tau$}, + domain = -2:2, + ] + \addplot [no markers] gnuplot [ + color=blue, + samples=100, + ] + {sin(\PI*x/\T)/\PI/x*\T*cos(\PI*x/\T)/(1-4*x^2/\T^2)}; + \end{axis} + \end{tikzpicture} + \caption{График корреляционных функций + $B_{I_ф}(\tau)$ и $B_{Q_ф}(\tau)$ + случайных процессов $I_ф(t)$ и $Q_ф(t)$} + \end{figure} + \begin{equation} + G_{I_ф}(\omega)=\begin{cases} + \dfrac{\overline{I^2_n}}{1,27^2}\cdot\dfrac T2 + \biggr[1+\cos\biggr(\omega\dfrac T2\biggr)\biggr], + &|\omega|\leq \dfrac{2\pi}{T};\\[14pt] + 0, & |\omega|>\dfrac{2\pi}{T}. + \end{cases} + \end{equation} + \begin{figure}[H] + \centering + \begin{tikzpicture} + \pgfmathsetmacro{\PI}{3.14} + \pgfmathsetmacro{\T}{1.8} + \begin{axis}[ + width=10cm,height=6cm, + axis lines = left, + ylabel = {$S(\omega)$}, + xlabel = {$\omega$}, + domain=-32:32, + ] + \addplot [ + color=blue, + samples=100, + ] + {\T/2*(1+cos(\PI*\T*abs(x)))}; + \end{axis} + \end{tikzpicture} + \caption{График спектральных плотностей мощности + $G_{I_ф}(\omega)$ и $G_{Q_ф}(\omega)$} + \end{figure} +\end{enumerate} + +\subsubsection{Блоки перемножителей, инвертор, сумматор} +Требуется: +\begin{enumerate} + \item Написать аналитические выражения для корреляционных функций + $B_{I_ф\cos}(\tau)$ и $B_{Q_ф\sin}(\tau)$ случайных сигналов + $I_ф(t)\cdot\cos(\omega_Ct+\varphi_C)$ и + $Q_ф(t)\cdot\sin(\omega_Ct+\varphi_C)$ на выходах перемножителей, + где $\varphi_C$ -- случайная фаза с равномерной плотностью + вероятности на интервале $0...2\pi$. + Случайная фаза $\varphi_C$ не зависит от случайных процессов + $I_ф(t)$ и $Q_ф(t)$. + + \begin{equation} + B_{I_ф\cos}(\tau)=B_{Q_ф\sin}(\tau)=\frac 12B_{I_ф}(\tau)\cdot\cos\omega_c\tau, + \end{equation} + где $\tau=(t_2-t_1)$. + + \item Написать аналитические выражения для корреляционных + функций $B_S(\tau)=B_{I_ф}(\tau)\cdot\cos\omega_C\tau + =B_{Q_ф}(\tau)\cdot\cos\omega_C\tau$ и для спектральной + плотности мощности $G_S(\omega)$ сигнала $S(t)$ на + выходе сумматора. Построить графики этих функций. + \begin{equation} \label{eq:BSTau} + B_S(\tau)=\overline{I^2_n}\cdot\frac{1}{1,27^2}\cdot x(\tau) + \cdot\cos\omega_C\tau, + \end{equation} + где $x(\tau)$ -- импульс Найквиста, определяемый + (\ref{eq:imp_niq}) при $\beta=1$ (рис. \ref{fig:imp_niq}); + + $\overline{I^2_n}=5h^2$ для КАМ-16. + + Спектральная плотность мощности $G_S(\omega)$ случайного сигнала + $S(t)$ в соответствии с теоремой Винера -- Хинчина определяется + через преобразование Фурье корреляционной функции $B_S(\tau)$. + Используя (\ref{eq:BSTau}), получим: + \begin{equation} + \begin{split} + G_S(\omega)&=\int^\infty_{-\infty}B_{I_ф\cos}(\tau) + \cdot e^{-i\omega\tau}d\tau + =\overline{I^2_n}\cdot\frac{1}{1,27^2} + \int^\infty_{-\infty}x(\tau)\cdot\cos\omega_C\tau + \cdot e^{-i\omega\tau}d\tau\\ + &=\frac 12 \cdot \frac{\overline{I^2_n}}{1,27^2} + [S_x(\omega-\omega_C)+S_x(\omega+\omega_C)], + \end{split} + \end{equation} + Учитывая, что функция $S_x(\omega)$ импульса Найквиста $x(t)$ + при значении $\beta=1$ и $f=\frac{\omega}{2\pi}$ равна + \begin{equation} + S_x(\omega)=\begin{cases} + \dfrac T2\biggr(1+\cos\dfrac T2\omega\biggr), + & |\omega|\leq\dfrac{2\pi}{T};\\[10pt] + 0, & |\omega|>\dfrac{2\pi}{T}. + \end{cases} + \end{equation} + Спектральная плотность $G_S(\omega)$ на выходе сумматора будет + равна удвоенной спектральной плотности $G_{I_ф\cos}(\omega)$. + + \begin{figure}[H] + \centering + \includegraphics{BSTau} + \caption{График корреляционной функции $B_S(\tau)$} + \end{figure} + + \begin{figure}[H] + \centering + \includegraphics{GSOmega} + \caption{Спектральные плотности мощности $G_S(\omega)$} + \end{figure} +\end{enumerate} + +\subsection{Непрерывный канал} +Передача сигнала $S(t)$ происходит по непрерывному неискажающему +каналу с постоянными параметрами в присутствии аддитивной помехи +$n(t)$ типа гауссовского белого шума. Сигнал $Z(t)$ на выходе такого +канала имеет вид +\begin{equation} + Z(t)=\mu\cdot S(t)+n(t), +\end{equation} +где $\mu=1$ -- коэффициент передачи канала. + +Односторонняя спектральная плотность мощности помехи $n(t)$ +равна $N_0=2,3\cdot 10^{-7}\,В^2/Гц$. + +Требуется: +\begin{enumerate} + +\end{enumerate} + \subsection{Декодер} По каналу передавался код \(\overline{u}=11 10 00 01 10 10 01 11 11...\).