Files
term-paper-tes/term_paper.tex

411 lines
16 KiB
TeX
Raw Blame History

This file contains ambiguous Unicode characters
This file contains Unicode characters that might be confused with other characters. If you think that this is intentional, you can safely ignore this warning. Use the Escape button to reveal them.
\documentclass[a4paper, 12pt]{article}
\usepackage{mathtext}
\usepackage[T2A]{fontenc}
\usepackage[utf8]{inputenc}
\usepackage[russian]{babel}
\usepackage{amsmath}
\usepackage{titlesec}
\usepackage{scrextend}
\usepackage{graphicx}
\usepackage{tikz}
\usetikzlibrary{shapes.misc}
\usepackage{pdflscape}
\usepackage{float}
\usepackage{pgfplots}
\DeclareSymbolFont{T2Aletters}{T2A}{cmr}{m}{it}
\graphicspath{ {./images/} }
\pgfplotsset{width=10cm,compat=1.9}
% Установки для отрисовки решеток кодера
\tikzstyle{lightedge}=[dashed]
\tikzstyle{mainedge}=[solid]
\tikzstyle{activeedge}=[green, very thick]
\tikzstyle{inputBit}=[rectangle,fill=red, text=white]
\tikzstyle{outputBit}=[rectangle,fill=blue, text=white]
\tikzstyle{pointer}=[orange,->,dashed]
\tikzstyle{highlight}=[circle,fill=blue,text=white,scale=0.7]
\newcounter{ctra}
\newcommand{\trellisEdges}[2]{
\setcounter{ctra}{#2}
\pgfmathtruncatemacro{\xplusone}{#1 + 1}
\ifodd\value{ctra}
\draw[mainedge] (s#1#2) -- (s\xplusone2);
\else
\draw[mainedge] (s#1#2) -- (s\xplusone0);
\fi
\ifodd\value{ctra}
\draw[lightedge] (s#1#2) -- (s\xplusone3);
\else
\draw[lightedge] (s#1#2) -- (s\xplusone1);
\fi
}
% #1=x; #2=y; #3=In; #4=Out
\newcommand{\trellisInOut}[4]{
\node[inputBit] (in#1) at (#1+0.5,4) {#3};
\node[outputBit] (out#1) at (#1+0.5,5) {#4};
\draw[pointer] (in#1) -- (#1+0.5,#2);
}
% #1=x; #2=y; #3=In
\newcommand{\trellisIn}[2]{
\node[outputBit] (in#1) at (#1+0.5,4) {#2};
}
\author{Анатолий Копыл}
\title{Расчёт основных характеристик цифровой системы связи с использованием квадратурной модуляции}
\begin{document}
% НАЧАЛО ТИТУЛЬНОГО ЛИСТА
\makeatletter
\begin{titlepage}
\begin{center}
\hfill \break
\footnotesize{ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ}\\
\footnotesize{ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ}\\
\small{\textbf{«Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М. А. Бонч-Бруевича»}}\\
\hfill \break
\normalsize{Факультет инфокоммуникационных сетей и систем}\\
\hfill \break
\normalsize{Кафедра теоретических основ связи и радиотехники}\\
\hfill\break
\hfill \break
\hfill \break
\hfill \break
\large{ \@title }\\
\hfill \break
\hfill \break
\normalsize{Учебная дисциплина <<Теория электрической связи>>}\\
\hfill \break
\hfill \break
\hfill \break
\normalsize{Курсовая работа}\\
\hfill \break
\hfill \break
\end{center}
\hfill \break
\hfill \break
\normalsize{
\hfill\begin{minipage}{\dimexpr\textwidth-6cm}
Студент группы ИКТО-91 Копыл А. В.\\
зачетная книжка № 1905141\\\\
Руководитель \underline{\hspace{4cm}}
\end{minipage}
}\\
\vfill
\begin{center} Санкт-Петербург 2021 \end{center}
\thispagestyle{empty} % выключаем отображение номера для этой страницы
\end{titlepage}
\makeatother
% КОНЕЦ ТИТУЛЬНОГО ЛИСТА
\newpage
Цель курсовой работы -- изучить и разработать систему цифровой связи,
оптимальную в отношении флуктуационной помехи и исключающую появления
межсимвольной помехи.
\section{Структурная схема системы\\цифровой связи}
Система связи предназначена для передачи аналоговых сообщений
по цифровому каналу связи.
\begin{figure}[H]
\includegraphics[scale=0.5]{struct_scheme}
\caption{Структурная схема цифровой системы связи}
\label{fig:struct_scheme}
\end{figure}
В систему входят следующие функциональные узлы с последующими назначениями:
\begin{enumerate}
\item Источник сообщений -- создает реализации $a(t)$ случайного
процесса $A(t)$.
\item Аналого-цифровой преобразователь -- преобразует аналоговый
сигнал от источника сообщения в последовательность
двоичных отсчетов $b(t)$.
\item Кодер -- включает в цифровой поток от АЦП дополнительные
символы, предназначенные для повышения помехоустойчивости системы
связи;
\item Формирователь модулирующих символов -- служит для получения
модулирующих сигналов $I(t)$ и $Q(t)$, соответствующих заданному
виду модуляции;
\item Сглаживающие формирующие фильтры (СФФ1, СФФ2);
\item Перемножители -- для получения БМ сигналов: синфазного
$I(t)\cos{\omega_Ct}$ и квадратурного $Q(t)\sin{\omega_Ct}$.
\item Фазовращатель -- для получения второго несущего колебания,
ортогонального по отношению к первому;
\item Генератор гармонических колебаний -- для получения несущего
колебания;
\item Инвертор;
\item Сумматор -- для объединения синфазного и квадратурного
сигналов в единый сигнал с квадратурной модуляцией
$S_{КАМ}(t) = I(t)\cos{\omega_Ct} + Q(t)\sin{\omega_Ct}$;
\item Непрерывный канал -- среда распространения сигнала
$S_{КАМ}(t)$;
\item Демодулятор -- для анализа приходящего сигнала,
искаженного помехами, и принятии решения о переданном сообщении;
\item Преобразователь параллельного кода в последовательный код --
для преобразования сигнала с выхода демодулятора в
последовательный формат кодовых комбинаций;
\item Декодер -- для исправления части ошибок, возникших при приёме
сообщения $\hat{b}(t)$ вследствие влияния помех;
\item Цифро-аналоговый преобразователь -- для восстановления
аналоговой формы сигнала $\hat{a}(t)$ из его цифрового представления;
\item Получатель сообщений.
\end{enumerate}
\section{Исходные данные}
$m=41$
\begin{center}
\begin{tabular}{ | p{5cm} | p{5cm} | p{5cm} | }
\hline
Предельные уровни аналогового сигнала \(a_{мин}\), \(a_{макс}\) (В) & \(a_{макс}=25,6\) В;\newline\(a_{мин}=-25,6\) В & Внести свои данные \\
\hline
Верхняя частота спектра аналогового сигнала \(f_В\) & \(f_В =(1+m\cdot 10^{-2})\cdot 10^4\) & \(f_В =14100\) \\
\hline
Заданный уровень квантования & \(j=500-3\cdot m\) & 377 \\
\hline
Спектральная плотность мощности флуктуационной помехи & 41 & \(N_0=2,3\cdot 10^{-7}\, В^2/Гц\)\\
\hline
q -- номер тактового интервала ошибки & \(q=m\mod{3}+1\) & \(q=3\)\\
\hline
Вид модуляции & КАМ-16 & \\
\hline
\end{tabular}
\end{center}
\section{Расчет составляющих системы цифровой связи}
\subsection{Источник сообщений}
Источник сообщения (ИС) вырабатывает реализации $a(t)$ стационарного
случайного процесса $A(t)$, типа квазибелого шума с параметрами
$a_{мин}$, $a_{макс}$ и $f_В$. Мгновенные значения сообщения
равновероятны в интервале от значения $a_{мин}$ и до значения
$a_{макс}$.
Требуется:
\begin{enumerate}
\item Написать аналитические выражения для плотности вероятности
$w(а)$ мгновенных значений сообщения, функции распределения $F(a)$ и
построить их графики (рис. \ref{fig:prob_plots}).
\[ w(a)=\frac{1}{a_{макс}-a_{мин}}=\frac1\Delta=\frac{1}{25,6+25,6}=0,02 \]
\[ F(a)=\int^a_{-\infty}w(a)da=
\int^a_{a_{мин}}\frac{1}{\Delta}da=
\begin{cases}
1, & a > a_{макс}\\
\frac{a-a_{мин}}{\Delta}, & a_{мин} \leq a \leq a_{макс}\\
0, & a < a_{мин}
\end{cases}\]
где $\Delta = a_{макс}-a_{мин}=51,2\, В$.
% Графики
\begin{figure}[H]
\centering
\begin{tikzpicture}
\pgfmathsetmacro{\amin}{-25.6}
\pgfmathsetmacro{\amax}{25.6}
\begin{axis}[
width=6cm,height=4cm,
axis lines = left,
xlabel = $a$,
ylabel = {$F(a)$},
xmin=-40, xmax=40,
ymin=0, ymax=1.25,
]
\addplot [
domain=-40:\amin,
color=red,
]
{0};
\addplot [
domain=\amin:\amax,
samples=2,
color=red,
]
{(x-\amin) / 51.2};
\addplot [
domain=\amax:40,
color=red,
]
{1};
\end{axis}
\end{tikzpicture}%
\begin{tikzpicture}
\pgfmathsetmacro{\amin}{-25.6}
\pgfmathsetmacro{\amax}{25.6}
\begin{axis}[
width=6cm,height=4cm,
axis lines = left,
xlabel = $a$,
ylabel = {$w(a)$},
xmin=-40, xmax=40,
ymin=0, ymax=0.03,
]
\addplot [
domain=-40:\amin,
color=blue,
]
{0};
\addplot [
domain=\amin:\amax,
samples=2,
color=blue,
]
{0.02};
\addplot [
domain=\amax:40,
color=blue,
]
{0};
\draw [dashed] (axis cs:\amin,0) -- (axis cs:\amin,0.02);
\draw [dashed] (axis cs:\amax,0) -- (axis cs:\amax,0.02);
\end{axis}
\end{tikzpicture}
\caption{Графики функции распределения и плотности вероятности}
\label{fig:prob_plots}
\end{figure}
\item Рассчитать математическое ожидание $\overline{A(t)}$ и
дисперсию $D\{A(t)\}$ сообщения $A(t)$.
\[ \overline{A(t)}=\int^\infty_{-\infty}a\cdot w(a)da=
\int^{a_{макс}}_{a_{мин}}a \frac{1}{a_{макс}-a_{мин}} da=
\frac{a^2}{2\Delta} \Biggr|^{a_{макс}}_{a_{мин}}\! =
\frac{a_{макс}^2-a_{мин}^2}{2\Delta}=0 \]
\begin{align*}\begin{split}
D\{A(t)\}&=\int^\infty_{-\infty}(a-\overline{A(t)})^2 w(a)da=
\int^{a_{макс}}_{a_{мин}}a^2w(a)da\\
&=\frac{a^3}{3\Delta}\Biggr|^{a_{макс}}_{a_{мин}}\!
=\frac{a_\text{min}^2+a_\text{max}a_\text{min}+a_\text{max}^2}{3}
=218,5
\end{split}\end{align*}
\item Написать аналитическое выражение для спектральной плотности
мощности $G_A(f)$ сообщения $A(t)$ и построить график
(рис. \ref{fig:spectr_plot}).
\[ G_A(f)=\frac{D\{A(t)\}}{2f_В}=\frac{218,5}{2\cdot1,41\cdot 10^4}
=7,7 \,мВ^2/Гц \]
\[ G_A(f)=\begin{cases}
7,7 \,мВ^2/Гц, & |f| \leq f_B\\
0, & |f| > f_B
\end{cases} \]
\begin{figure}[H]
\centering
\begin{tikzpicture}
\pgfmathsetmacro{\fv}{14100}
\pgfmathsetmacro{\Gaf}{0.0077}
\begin{axis}[
width=6cm,height=4cm,
axis lines = left,
ylabel = {$G_A(f)$},
xmin=-\fv*1.5, xmax=\fv*1.5,
ymin=0, ymax=\Gaf*1.5,
]
\addplot [
domain=-\fv*1.5:-\fv,
color=blue,
]
{0};
\addplot [
domain=-\fv:\fv,
samples=2,
color=blue,
]
{\Gaf};
\addplot [
domain=\fv:\fv*1.5,
color=blue,
]
{0};
\draw [dashed] (axis cs:-\fv,0) -- (axis cs:-\fv,\Gaf);
\draw [dashed] (axis cs:\fv,0) -- (axis cs:\fv,\Gaf);
\end{axis}
\end{tikzpicture}
\caption{График спектральной плотности мощности.}
\label{fig:spectr_plot}
\end{figure}
\item Найти аналитическое выражение для корреляционной функции
$B_A(\tau)$ сообщения $A(t)$ и построить график
(рис. \ref{fig:coorel_plot}).
По форме графика $B_A(\tau)$ определить,
является ли сообщение $A(t)$ эргодическим случайным процессом
или не является таковым.
\begin{align*}\begin{split}
B_A(\tau)&=\int^\infty_{-\infty}\frac{G_A(f)}{2}e^{j2\pi f\tau}df
=\int^{f_B}_{-f_B}\frac{G_A}{2}\cos{2\pi f\tau}df\\
&=\frac{G_A}2 \frac{\sin{2\pi f \tau}}{2\pi \tau}\Biggr|^{f_B}_{-f_B}
=G_A\frac{\sin{2\pi f_B \tau}}{2\pi\tau}
\end{split}\end{align*}
\begin{figure}[H]
\centering
\begin{tikzpicture}
\pgfmathsetmacro{\PI}{3.14159}
\pgfmathsetmacro{\fv}{14100}
\pgfmathsetmacro{\Ga}{0.0077}
\begin{axis}[
width=10cm,height=6cm,
axis lines = left,
ylabel = {$B_A(\tau)$},
xlabel = {$\tau$},
]
\addplot [
color=blue,
samples=100,
domain=-0.01:0.01,
]
{\Ga*(sin(2*\PI*\fv*x))/(2*\PI*x)};
\end{axis}
\end{tikzpicture}
\caption{График корреляционной функции $B_A(\tau)$.}
\label{fig:coorel_plot}
\end{figure}
\end{enumerate}
\subsection{Аналого-цифровой преобразователь}
\[ \Delta t \leq \frac{1}{2f_B}=\frac1 {2\cdot 14100} = 3,546\cdot 10^{-5}\, с \]
\[ f_d=\frac{1}{\Delta t}\geq 2f_B=\frac{1}{3,546\cdot 10^{-5}}=28200 \]
\[ 377_{10}=101111001_2 \]
\[ k=9;\, L=2^9 = 512 \]
\subsection{Кодер}
\begin{center}
\includegraphics[scale=0.8]{coder}
\begin{tabular}{ | c | c | c | c | c | c | c | c | c | c | }
\hline
Входной сигнал &1&0&1&1&1&1&0&0&1\\
\hline
Выходной сигнал &11&10&00&01&10&10&01&11&11\\
\hline
\end{tabular}
\end{center}
\subsubsection{Решетка кодера}
\input{coder}
Длительность двоичного символа \(T_В\) на выходе кодера:
\[T_В=\frac{\Delta t}{2k}=\frac{3,546\cdot 10^{-5}}{2\cdot 9}=
1,97\cdot 10^{-6}\,с\]
\subsection{Декодер}
По каналу передавался код \(\overline{u}=11 10 00 01 10 10 01 11 11\).
Ошибка произошла на тактовом интервале \(q=3\).
Таким образом, на вход декодера поступает последовательность
\(\overline{Z}=11 \overset{\times}{0} 0 00 01 10 10 01 11 11\). Крестиком обозначен ошибочно принятый символ.
\subsubsection{Диаграмма декодера}
\input{decoder}
Наложив полученный путь на решетку кодера, узнаем декодированное слово.
$\overline{m}_{получ}=101111001$
\end{document}