Расчет характеристик сигналов и каналов связи

Министерство транспорта Российской Федерации

Федеральное агентство  железнодорожного транспорта

Омский государственный  университет путей сообщения

 

 

 

 

Кафедра «Системы передачи информации »

 

 

 

 

 

 

 

 

РАСЧЕТ ХАРАКТЕРИСТИК  СИГНАЛОВ И КАНАЛОВ СВЯЗИ

 

Расчетно-пояснительная записка к курсовой работе

по дисциплине «Теория передачи сигналов»

 

 

 

 

 

 

                                                                Студент гр. 20 В

                                                                          ___________  В.А. Суздаль

                                                                          ___.___.2012г.

 

                                                                Руководитель

                                                                            ___________   Н.Н. Баженов

                                                                  ___.___.2012г.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Омск  2012

Реферат

Цель работы: изучить характеристики сигналов и каналов связи, научиться эффективно рассчитывать эти характеристики, рассмотреть теорию сигналов в целом. Произвести расчеты различных величин, вывести общие закономерности в различных параметрах, описывающих сигналы и каналы связи. Изучить методы цифровой обработки сигналов, затронув при этом теорию помехоустойчивости. Рассмотреть принципы и виды модуляции и демодуляции сигналов, их обработка и закономерности в различных видах модуляций, а также рассчитать и построить графики модулированных сигналов при заданном виде модуляции.

 

В курсовой работе “Расчет  характеристик сигналов и каналов связи” рассматриваются методы расчета характеристик сигналов и каналов связи. Курсовая работа содержит основные сведения о характеристиках и параметрах сигналов и каналов связи, их расчет; графики характеристик сигналов.

 

Записка содержит 30 страниц, 12 рис., 7 источников.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

Реферат	2
Введение	4
1. Характеричтики сигналов	10
1.1 Временные функции сигналов	10
1.1.1. Временная функция регулярного сигнала	10
1.1.2 Временная функция случайного сигнала	10
1.2 Частотные характеристики сигналов	11
1.2.1 Общие сведения	11
1.2.2 Частотные характеристики регулярного сигнала	12
1.2.3 Частотные характеристики случайного сигнала	13
1.3 Энергия сигнала	14
1.3.1 Общие сведения	14
1.3.2 Энергия регулярного сигнала	15
1.3.3 Энергия случайного сигнала	16
1.4. Граничные частоты  спектров сигналов	16
1.4.1 Граничная частота  спектра регулярного сигнала	16
1.4.2 Граничная частота спектра случайного сигнала	17
2. Расчет технических  характеристик АЦП	17
2.1 Дискретизация сигналов	17
2.1.1 Дискретизация регулярного  сигнала	17
2.1.2 Дискретизация случайного  сигнала	18
2.2 Общие сведения для  определения разрядности кодов  для сигналов	19
2.2.1 Определение разрядности  кода для регулярного сигнала	20
2.2.2 Определение разрядности кода для случайного сигнала	20
3. Характеристики сигнала  ИКМ	21
3.1 Выбор сигнала по  параметру B	21
3.2 Выбор АЦП	21
3.3 Статистические параметры	21
4. Характеристики модулированного  сигнала	22
4.1 Спектр модулированного  сигнала. Энергетический анализ составляющих спектра	22
4.1.1 Общие сведения  о модуляции	22
4.1.2 Расчет модулированного  сигнала	22
4.1.3 Спектр модулированного  сигнала	25
5. Расчет информационных  характеристик канала	26
6. Расчет вероятности  ошибки оптимального демодулятора	27
ЗАКЛЮЧЕНИЕ	29
Библиографический список	30

 

 

Введение (РЕФЕРАТ)

Космическая связь

Космическая связь, передача информации осуществляется: между земными пунктами и космическим летательным аппаратами (КЛА); между двумя или несколькими земными пунктами через расположенные в космосе КЛА или искусственные средства (пояс иголок, облако ионизированных частиц и т. п.); между двумя или несколькими КЛА. В космосе широко используются системы связи самого различного назначения: для передачи телеметрической, телефонной, телеграфной, телевизионной и прочей информации; для передачи сигналов команд и управления КЛА; для проведения траекторных измерений. Наиболее широко в системах КС используется радиосвязь.

Основные особенности  систем КС, отличающие их от наземных: непрерывное изменение положения КЛА; необходимость знания текущих координат КЛА и наведения приёмных и передающих антенн земного пункта связи на заданный КЛА; непрерывное изменение частоты принимаемых сигналов из-за Доплера эффекта; ограниченные и изменяющиеся во времени зоны взаимной видимости земного пункта и КЛА; ограниченная мощность бортовых радиопередатчиков КЛА; большая дальность связи и как следствие работа с очень малыми уровнями принимаемых радиосигналов. Всё это обусловливает создание для КС специальных комплексов сложной аппаратуры, включающих наводящиеся антенны больших размеров, приёмные устройства с малым уровнем шумов, высокоэффективные системы обнаружения, выделения и регистрации радиосигналов. Необходимость знания текущего положения КЛА требует периодического измерения его координат и вычисления параметров его траектории. Т. о., система КС существует, как правило, при совместном действии измерительных средств (система траекторных измерений), вычислительного центра и комплекса управления КЛА. Для радиоканалов К. с. в зависимости от их направления и назначения применяются различные диапазоны частот. Их распределение и порядок использования определяются регламентом радиосвязи.

Связь Земля — КЛА. Связь между земным пунктом и  КЛА предназначается для обеспечения двусторонней передачи всех видов необходимой информации. Для связи с дальними КЛА (автоматическими межпланетными станциями — АМС) характерны крайне малые уровни принимаемых радиосигналов и большое время взаимной видимости, поскольку изменение направления земной пункт — КЛА определяется в основном скоростью суточного вращения Земли. Для связи с близкими КЛА (искусственными спутниками Земли — ИСЗ, космическими кораблями — КК, орбитальными космическими станциями и др.) характерны большая скорость изменения направления связи, малое время взаимной видимости, относительно небольшие дальности и соответственно достаточно большие уровни радиосигналов.

Линия Земля — борт КЛА (З —  Б) и борт КЛА — Земля (Б —  З) несут различную информационную нагрузку и имеют различный энергетический потенциал. Линия З — Б обеспечивает передачу на КЛА сигналов управления, траекторных измерений, телефонную, телеграфную, связь с космонавтами на обитаемых КК. Линия Б — З, как правило, имеет значительно более низкий энергетический потенциал, т. к. мощность передатчика КЛА ниже мощности передатчика земной станции в линии З — Б (обычные мощности на КЛА — единицы-десятки вт, на земной станции — единицы-десятки квт). Однако основной поток информации идёт именно по линии Б — З. Это вынуждает применять на земных пунктах для приёма информации с КЛА антенны с весьма большой эффективной площадью (десятки м²), а в случае приёма информации с межпланетных КЛА (поскольку мощность принимаемого сигнала уменьшается пропорционально квадрату расстояния) необходимы эффективные площади в сотни и тысячи м². Эффективные площади 2—5 тыс. м²достигаются только в уникальных дорогостоящих антенных системах. Посредством таких антенных систем может быть обеспечена телефонная связь на межпланетных расстояниях.

Связь через ИСЗ. Обычно связь на большие расстояния обеспечивается по радиорелейным линиям прямой видимости, состоящим из двух оконечных и  ряда промежуточных пунктов-ретрансляторов, отстоящих друг от друга на расстояние прямой видимости (50—70 км). При установке одного промежуточного ретранслятора на борту ИСЗ с высокой орбитой можно осуществить связь между двумя пунктами, удалёнными один от другого на тысячи км. Максимальная дальность непосредственной связи при этом определяется возможностью видения ИСЗ одновременно с каждого пункта. Связные ИСЗ могут применяться как в отдельных линиях связи, так и в сетях радиорелейных линий для передачи телевизионных программ, многоканальной телефонии и телеграфии и др. видов информации. Для связи могут использоваться ИСЗ, обращающиеся по различным орбитам и на разных высотах. Основные варианты орбит для связных ИСЗ: круговая стационарная, сильно вытянутая эллиптическая синхронная, средневысокая круговая, низкая круговая. ИСЗ на стационарной орбите (стационарный ИСЗ) постоянно находится ("висит") над выбранной точкой экватора и обеспечивает круглосуточную связь между земными станциями на широтах меньше 75° в радиусе до 8000 км от точки, над которой расположен спутник, например ИСЗ "Интелсат". Три таких ИСЗ, находящихся на равном удалении вдоль экватора, осуществляют связь любых земных станций в пределах указанных широт. Для районов, расположенных на широтах выше 70—75°, наиболее выгодны сильно вытянутые эллиптические синхронные орбиты с апогеем над центром обслуживаемой линии связи и с периодом обращения ИСЗ в половину или целые сутки. При надлежащем выборе угла наклонения и места расположения апогея орбиты спутник будет значительную часть суток находиться в пределах видимости из заданного района. Для работы с ИСЗ на стационарной или эллиптической синхронной орбите применяются на земных пунктах связи антенны большого размера, т. к. расстояние ИСЗ — земной пункт превышает 30000 км и мощность принимаемых сигналов мала. ИСЗ на средневысоких и низких круговых орбитах, например ИСЗ "Курьер", "Реле", обеспечивают значительно большие мощности принимаемых сигналов. Однако уменьшение высоты полёта сокращает время взаимной видимости спутника и земного пункта связи и приводит в конечном счёте к значительному увеличению количества спутников, требуемых для непрерывной связи. Кроме того, усложняется система слежения и наведения антенн земных станций. При малой высоте полёта непосредственная связь между значительно удалёнными пунктами невозможна и приходится применять систему радиолиний с задержанной ретрансляцией. Однако в этом случае уровни принимаемых сигналов достаточно велики и не нужны большие и дорогостоящие антенные системы, благодаря чему связь с низкими ИСЗ может проводиться даже небольшими подвижными пунктами. Связной ИСЗ для транзитной передачи сигналов может быть оснащен активным ретранслятором, обеспечивающим также усиление сигналов, или представлять собой пассивный ретранслятор, т. е. отражатель. Кроме ИСЗ в виде отражателя были предложены и испытаны линии связи с рассеянными отражателями в виде пояса иголок, облака ионизированных частиц. Пассивный ретранслятор может обслуживать радиосеть, состоящую из большого числа линий с различными частотами радиосигналов, т. к. он отражает или рассеивает энергию многих одновременно приходящих радиосигналов без взаимных помех, например ИСЗ "Эхо". В отличие от него, активный ретранслятор может обслуживать сеть связи только с ограниченным числом линий, причём для устранения взаимных помех необходимо применять частотное, временное или кодовое разделение сигналов, поддерживать необходимый их уровень и не допускать перегрузок ретранслятора. Несмотря на это, наибольшее распространение имеют системы с активными ретрансляторами, которые обеспечивают одновременную передачу сообщений по нескольким (до десятка) телевизионным или нескольким тысячам телефонных каналов, например ИСЗ "Молния", "Интелсат", "Синком".

Для экономичности связи  применяют многоканальные линии  радиосвязи, что приводит к необходимости  увеличения полосы пропускания частот в линии. Широкая полоса требуется также для ретрансляции телевизионных сигналов. С расширением полосы пропускания растет опасность искажения сообщений помехами радиоприёму. Поэтому приём сообщений с допустимыми искажениями — важнейшая задача, решаемая увеличением мощности радиосигналов, выбором частот связи, уменьшением уровня шумов радиоприёмников, применением эффективного кодирования, выбором типа модуляции, способа приёма и обработки радиосигналов при малом отношении сигнал/помеха и др. Например, частоты радиосигналов выбирают в пределах от 1 до 10 Ггц, т. к. на меньших частотах резко растут помехи от шумов космоса, а на больших — от шумов атмосферы; в первых каскадах усилителей радиоприёмников земных станций используют малошумящие квантовые усилители и параметрические усилители, охлаждаемые жидким гелием.

В линии связи с  пассивным ретранслятором для обеспечения  необходимого уровня принимаемого сигнала  увеличивают мощность передатчика  и размеры антенны земной станции, размеры отражателя ретранслятора  или переходят к ретрансляторам с направленным рассеянием энергии на земную станцию, а также сужают полосу пропускания частот в линии и понижают скорость передачи сообщений. Перечисленные меры имеют свои пределы, т. к. увеличивают стоимость оборудования линии связи и её эксплуатации.

Связь между КЛА. Связь  между КЛА может осуществляться для обмена информацией между  экипажами двух или нескольких КК, одновременно находящихся в космосе, и между экипажами КК и космонавтами, находящимися в открытом космическом  пространстве. Кроме того, может осуществляться связь между двумя автоматическими КЛА с целью ретрансляции сигналов, измерения положения, навигации, управления движением и сближения. Особенности связи между КЛА следующие. Как правило, связь обеспечивается между взаимодействующими КЛА, т. е. между ИСЗ, на сравнительно небольших расстояниях, например между КК "Восток-3" и "Восток-4" или между "Восток-5" и "Восток-6". Из-за трудности взаимной ориентации антенн КЛА предпочтительна ненаправленная связь. Отсутствие воздействия атмосферы, а при высоких орбитах и ионосферы обеспечивает более свободный выбор диапазона радиочастот и использование оптических средств связи. При выборе диапазона частот и организации связи между ИСЗ необходимо учитывать возможность помех от мощных наземных станций. Системы К. с. усложняются при высадке космических экспедиций на Луну, например КК "Аполлон", или другие небесные тела, т. к. требуется поддерживать связь экспедиции с КК, остающимся на планетоцентрической орбите, и (через КК или непосредственно) с Землёй. В этом случае объединяются все особенности связи между ИСЗ и земным пунктом, а также между дальними КЛА и земными пунктами.

В перспективе будут  созданы системы передачи телевизионных  программ через стационарные ИСЗ  непосредственно на телевизоры; при этом открываются возможности полной телефикации и обеспечения передачи центральных программ в любое место на Земле. С совершенствованием квантовых оптических генераторов (лазеров)становится перспективной оптическая связь, т. к. на оптических волнах можно передать сообщения на сверхдальние расстояния (до десятков световых лет) благодаря очень высокой направленности луча (расхождение луча не более долей сек) при относительно малых размерах излучателей и приемлемой потребляемой мощности. Но узконаправленное излучение и приём оптических волн требуют тщательной стабилизации устройств, ориентации оптических систем на КЛА, сложного вхождения в связь и поддержания её. Наиболее выгодны оптические линии связи между КЛА, находящимися за пределами земной атмосферы, т. к. атмосфера сильно поглощает и рассеивает энергию оптических волн.

 

Космические системы  связи

Проблема дальней радиосвязи приобрела особое значение, как только полеты человека в космос встали на повестку дня. В чем сложность, каковы пути решения этой проблемы? Рассматривать ее можно с двух точек зрения, имея в виду радиосвязь между наземными пунктами управления и космическими летательными аппаратами, а также использование искусственных спутников Земли (ИСЗ) как ретрансляторов для увеличения дальности связи между наземными объектами, самолетами, кораблями и т. д. Эти две задачи различаются по своей постановке, но с технической точки зрения имеют много общего.

Необходимость радиосвязи между наземными пунктами управления и космическими летательными аппаратами очевидна. Во время исторического полета майора Титова, например, связь с Землей поддерживалась по нескольким радиоканалам, в том числе по двум коротковолновым и одному ультракоротковолновому каналам телефонной связи, а также по двум ультракоротковолновым радиоканалам, по которым передавалось телевизионное изображение.

Для увеличения дальности  и повышения надежности радиосвязи с космическим кораблем ее вели несколько  радиостанций, расположенных в различных  пунктах СССР. Эти радиостанции служили  ретрансляторами, что позволило вести надежную связь с космическим кораблем почти на всех участках его полета.

Использование искусственных  спутников Земли как ретрансляторов в системах наземной связи значительно  повысит ее дальность.

До последнего времени  радиосвязь между наземными пунктами, а также с самолетами, находившимися на расстоянии, превышающем 1000 км, велась только на коротких волнах. Однако коротковолновая радиосвязь сейчас не может нас полностью удовлетворить, и вот почему.