Теория электрической связи

Текст:

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РЕУСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

Казахско-Американский Университет

ТЕОРИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СВЯЗИ

Методическое пособие для самостоятельной работы

и контрольное задание для студентов

факультета «Телекоммуникации»

УТВЕРЖДАЮ

И.о. ректора КАУ

______А.Р. Кушенов

«___»________2001г

г. Алма-Ата 2001г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение

Учебно-методическая карта дисциплины

Структура дисциплины

Содержание дисциплины

Вопросы для самопроверки

Курсовая работа

Контрольные задания

Методические указания к выполнению контрольных работ

Литература

                   

                              

В результате получим комбинацию кода Хэмминга  00101010011, которая будет передана в канал связи.

            Функциональная схема должна состоять из входного регистра с семью ячейками для семи информационных позиций, четырех сумматоров для четырех проверочных позиций и из выходного регистра с 11 ячейками (четыре проверочных и семь информационных).

Таблица 5.3.

№ позиции	Двоичное число
	4	3	2	1
1				1
2 3			1 1	0 1
4 5 6 7		1 1 1 1	0 0 1 1	0 1 0 1
8 9 10 11	1 1 1 1	0 0 0 0	0 0 1 1	0 1 0 1

Из табл. 5.3. Находим, что единицу в первом разряде имеют все нечетные номера позиций кодовой комбинации.

Следовательно, первая проверка по модулю два должна охватывать все нечетные номера позиции:

поверочным элементом является первая позиция кодовой комбинации, а ее значение можно определить из выражения.

результат второй проверки определяет второй разряд двоичного числа. Из табл. 5.3 находим все номера позиции, имеющие единицу во втором разряде.

проверочным элементом является вторая позиция.

рассуждая аналогично, найдем номера позиций третьей и четвертой проверок, а также проверочные элементы.

                    

                     

Следовательно, проверочным элементами являются 1-я, 2-я, 4-я, 8-я позиции, а остальные – информационными. Тогда информационные элементы будут иметь значения    

Определим значения проверочных элементов

ВВЕДЕНИЕ

В теории электрической связи рассматриваются вопросы преобразования сообщений в электрические сигналы, преобразования и передача сигналов включающих в себя вопросы генерирования сигналов, кодирования модуляции, помехи и искажения сигналов, оптимального приема, помехоустойчивого кодирования, повышение эффективности систем связи и т. д.

Для успешной творческой работы в области производства и эксплуатации средств связи, современный инженер должен быть достаточной степени знаком с вопросами преобразования сообщений и сигналов и дать количественную оценку, знать состав сигналов их спектральный анализ, способы преобразования сигналов в передатчике и приемнике. Методы передачи непрерывных и дискретных сигналов, способы повышения верности передачи сигналов.

Предмет «Теория электрической связи» устанавливает качественные и количественные характеристики информации, формирует условия согласования источников информации с каналами связи, для повышения помехоустойчивости передачи сигналов по каналам связи с помехами использует способы применения корректирующих код и систем передачи с обработкой связью, рассматривает вопросы оптимального декодирования сигналов.

Курс «Теория электрической связи» относится к числу фундаментальных дисциплин подготовки высококвалифицированных инженеров, владеющих современными методами анализа и синтеза систем и устройств связи различного назначения.

Целью курса является изучение основных закономерностей и методов передачи сообщений по каналам связи и решение задачи анализа и синтеза систем связи.

Курс «Теория электрической связи» предназначен для подготовки инженеров электросвязи широкого профиля по специальностям автоматической электросвязи, многоканальной телекоммуникационной системы, радиосвязь, радиовещание и телевидение, а также бакалавров по направлению телекоммуникаций.

Самостоятельная работа по подготовке освоению курса начинается с внимательного изучения разделов по литературе и ответа на контрольные вопросы. Затем студент выполняет контрольную работу. В контрольной работе внимание уделяется вопросам количественной оценке сигналов, спектральному анализу, амплитудно-частотным и фазо-частотным характеристикам, модуляции и детектированию, а также помехоустойчивости кодированию.

Каждый студент заочного отделения должен выполнять контрольную работу по 4 из девяти задач, из таблицы 4.1. в соответствии с индивидуальным заданием по последней цифре шифра (номера зачетной книжки).

Изучив дисциплину, студент должен:

Знать состав и назначение элементов обобщенной схемы системы передачи информации; способы временного и частотного представлений детерминированных и случайных непрерывных, импульсных и цифровых сигналов; основные соотношения, определяющие производительность источников и пропускную способность каналов;

способов решения задачи помехоустойчивого приема при обнаружении, различении, оценке параметров и т. п.; основные способы модуляции, виды помехоустойчивых кодов, математические способы их описания, построения и области применения в каналах с различными статистиками ошибок; принципы разделения каналов и структурные схемы многоканальных систем.

2. Уметь выбирать способы модуляции, кодирования, приема сигналов и других преобразований в соответствии с характеристиками каналов (уровень помех, статистикой ошибок); оценивать эффективность систем передачи и их возможности обеспечения необходимой скорости и верности передачи; разбираться в принципах работы новых систем передачи и функциях их элементов.

3. Иметь представление о способах построения модемов, кодирующих и декодирующих устройств, приемников информации и других преобразователей сигналов; синтезе оптимальных фильтров; направления развития способов и систем передачи.

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКАЯ КАРТА ДИСЦИПЛИНЫ

Структура дисциплины

№ п/п	Разделы (темы)	Количество часов						уч. литература
		всего ауд	лек	лаб.	практ.	для з/о	сам. раб.
1	Вводная лекция	2	2	-	-	1	2	Л1
2	Общие сведения о системах электросвязи	10	6	-	4	1	6	Л1 Л2
3	Основные характеристики систем электросвязи	22	14	4	4	2	16	Л2 Л6
4	Формы и способы преобразования сигналов и кодирования	24	16	4	4	2	20	Л2 Л8
5	Методы формирования и преобразования сигналов	22	12	6	4	3	20	Л3 Л8
6	Каналы электросвязи и способы передачи сигналов по ним	18	12	4	2	3	12	Л7Л8
7	Методы повышения верности передачи цифровых сигналов. Помехоустойчивые коды.	24	14	6	4	3	20	Л2 Л6
8	Системы передачи информации с обратной связью	6	4	-	2	2	5	Л1Л8
9	Теория помехоустойчивого приема сигнала.	22	12	4	6	4	14	Л2Л5
10	Принципы построения многоканальных систем электросвязи	12	6	4	2	1	6	Л1Л4Л8
11	Методы повышения эффективности систем электросвязи	8	4	2	2	2	4	Л3Л8
	Всего	170	102	34	34	24	125

Таблица 5.1

n	0	1	2	3	4	5	6
Jn(β)	-0,18	-0,33	0,047	0,37	0,39	0,26	0,13

Для частотно-модулированного колебания индекс модуляции находят как . Значения Jn(β) для β=10 приведены в табл. 5.2.

Таблица 5.2.

n	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
Jn(β)	-0,25	0,044	0,26	0,06	-0,22	-0,23	-0,014	0,22	0,32	0,29	0,21	0,12

Методические указания к решению задачи 9

            Любой корректирующий код содержит n элементов, которых m информационных и к проверочных. Тогда n=m+к. Длину кодовой комбинации n кода Хэмминга. При заданном числе информационных элементов m можно определить из неравенства

Покажем принцип построения кодовой комбинации кода Хэмминга, если шифр студента 01-МТС-7.

Учитывая, что в шифре содержится только одна цифра 7 к ней необходимо добавить цифры 1 и 0 тогда цифра получится 107. В двоичной системе счисления путем последовательного деления числа 107 на 2:

      (1101011). Следовательно, исходная кодовая комбинация будет иметь семь элементов (m=7)

Определим число проверочных элементов из неравенства

Отсюда n=11, к=4. Следовательно, кодовая комбинация будет содержать 11 элементов из которых 7 информационных и 4 проверочных.

Определим позиции проверочных элементов в кодовой комбинации. Для этого запишем номера позиций кодовой комбинации в двоичной системе счисления – табл. 5.3.

передачи частотно-импульсной модуляцией (ЧИМ), широтно-импульсной мо Здесь через  обозначена функция sin c(x)=sin(x)/x

Фазо-частотная характеристика (ФЧХ)

θ(ω)=π∙n  где n=0,1,2…

или φ(f)=θ(f)=-πn, n∙103 ≤f>1

Чтобы подавлять высокочастотную составляющую коэффициент детектирования диодного детектора

     и  

где θ угол отсечки в радианах.

Отсюда θ=arc CosKg

Входное напряжение

Методические указания к решению задачи 7

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) спектральной плотности прямоугольного импульса

Методические указания к решению задачи 3

            Исходя из рис. W(x) записать значения W(x)  для различных участков x (a,c,d,b)

W(x)  вне интервала [a,b] равна нулю.

дельта функция. При x=x0,  при x≠x0,δ(x-x0)=0

По условию нормировки

Учитывая условие нормировки дельта функция

Фильтрующее свойства дельта функции

Известно, что    

Методические указания к решению задачи 4

При определении B(τ) в формулы Винера - Хинчина следует сделать замену переменной ω=ωo+Ω, и интегрирование следует производить по переменной Ω на интервале от о до ∞

Учитывая, что >>α

Функция плотности вероятности нормального (Гауссовского) стационарного случайного процесса

Основные понятия теории распределения информации. Сети распределения информации и их элементы.

Методы повышения эффективности систем электросвязи

Критерии эффективности систем связи. Оценка эффективности и методы оптимизации систем передачи информации. Эффективность аналоговых и цифровых систем. Выбор способов модуляции и помехоустойчивого кодирования. Использование обратного канала для повышения эффективности передачи дискретных сообщений. Методы уменьшения избыточности сообщений. Статистическое уплотнение. Адаптивная коррекция характеристик каналов передачи.

Вопросы для самопроверки

Тема 2.2.2.

Информация, ее роль в народном хозяйстве

Классификация информации

Система связи

Канал связи

Методы передачи информации по каналам связи

Показатели качества передачи

Виды помех в каналах связи

Методы преобразования сообщений в сигнал

Меры измерений количества информации

Что называется энтропией

Назовите диапазон частот сигналов используемых в системах электросвязи

Тема 2.2.3.

Цель и способы преобразования сообщений в сигнал

Виды сигналов и их характеристики

Математические модели сигналов

Что называется спектром сигналов?

Что называется дельта функцией?

Спектры различных видов импульсов

Что такое реализация случайного процесса?

Что такое ансамбль сообщений в системе связи?

Какой случайный процесс называется стационарным?

Какой случайный процесс называется эргодическим?

Как вычисляется функция корреляции случайного процесса?

Что такое белый шум?

Как ведет себя случайный процесс, подчиняющийся Закону Гаусса?

Что такое Марковский случайный процесс?

Как определяется спектр дискретного сигнала?

Числовые характеристики случайного процесса

Математические модели случайных сигналов

Тема 2.2.4.

Дайте определение обобщенного ряда Фурье.

Какие способы имеют преобразования непрерывных сигналов в дискретные?

Смысл и значение теоремы Котельникова

Погрешность дискретизации по Котельникова

Что такое адаптивная дискретизация

Способы преобразования дискретизированных сигналов в цифровой

Способы кодирования сообщений

Какие коды называются первичными?

Какие коды называются эффективными?

Какие коды называются префиксными?

Принципы построения кодирующих и декодирующих устройств

Как подсчитать число возможных комбинаций, зная число элементов в коде и значность кода?

Тема 2.2.5.

Что такое преобразование частоты?

Что такое Модуляция сигнала?

Как оценивается характеристика модулируемого или несущего сигнала?

Каков спектр модулированных сигналов и отчего зависит?

Какая необходимость двойной модуляции?

 Виды модуляции.

Чем отличается различные виды амплитудных модуляций?

Что называется модуляционной характеристикой модулятора?

Энергетические соотношения амплитудно-модулированных сигналов.

Виды фазовой и частотной модуляции

Спектры частот фазовой и частотной модуляции

От чего зависит ширина спектра фазовой и частотно модулированных сигналов?

Принципы построения схем модуляторов

Спектр частот импульсно-модулированных сигналов

Относительно фазовая модуляция

Принципы построения цифровых модуляторов и демодуляторов.

Тема 2.2.6.

Что называется каналом связи?

Какие виды каналов связи бывают?

Каким изменениям подвергается сигнал при передаче по каналам связи?

Математические модели и характеристики непрерывных каналов

Если в единицу времени источник выдает в среднем символов (скорость источника ), то среднее количество информации, создаваемой источником в единицу времени

где, Tcp – средняя длительность одного символа

             Характеристику H"(A) называют производительностью дискретного источника.

Методические указания к решению задачи 2

            Физическим объемом сигнала Vc называют произведение трех его физических характеристик: длительность сигнала Tc, ширины спектра Fc и динамического диапазона уровней сигнала Dc:

где Pmax и Pmin – максимальное и минимальное значение мощностей;

            При наличии шумов в канале допустимый минимальный уровень мощности Pmin обычно определяется средней мощностью шумов в канале. Поэтому можно записать:                                                 

            Минимальную мощность  иногда выражает через усредненную за достаточно большой интервал времени мощность сигнала . В этом случае

Где, - пикфактор сигнала по мощности.

            Аналогично физическому объему сигнала можно ввести характеристику, называемую физическим объемом канала

            Для передачи сигнала, имеющего объем Vc с достаточно высоким качеством необходимо выполнение неравенства   Vc≤Vk, Tc≤Tk, Fc≤Vk, Dc≤Dk

Задача 9

Дать общую характеристику и классификацию корректирующих кодов.

Изложить принцип построения кодов, обнаруживающих и исправляющих ошибки.

Изложить функциональную схему кодирующего устройства кода Хэмминга

Построить код Хэмминга, взяв в качестве исходной кодовой комбинации двоичное число, полученное из двух последних цифр шифра студента. Определить вероятность ошибочного приема полученной кодовой комбинации кода Хэмминга и вероятность появления необкарироваемой ошибки .

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к выполнению контрольных работ

Методические указания к решению задачи 1

Количество информации I(ai), содержащиеся в символе ai выбирается из ансамбля (ai), (i=1,2,3,…,N), где N - объем алфавита, с вероятностью P(ai)

I(ai) = - log2P(ai)

            Информация измеряется в двоичных единицах (битах). Одна двоичная единица информации – это количества информации, содержащееся в одном и двух выбираемых с равной вероятностью символов.

            Среднее количество информации H(A), приходящееся на один символ выдаваемых дискретным источником независимых сообщений с объемом алфавита N, можно найти как математическое ожидание дискретной случайной величины I(ai) определяющей количество информации, содержащейся в одном случайно выбранном символе (знаке) ai.

H(A) = M = -

            Эта величина называется энтропией источника независимых сообщений.

            Одной из информационных характеристик дискретного источника является избыточность

Pu =

            Избыточность источника зависит как от протяженности статистических связей между последовательно выбираемым символами, так и от степени неравномерности отдельных символов.

            Если источник без памяти, т.е. последовательно передаваемые символы независимы, все символы равновероятны P(ai)=1/N, то H(A)=Hmax(A) и избыточность Pu=0

           

Математические модели и характеристики смешанных каналов

Разница между математической моделью и реальным каналом

Какие каналы имеют линейные характеристики?

Почему необходимо изучение математических моделей каналов?

Дайте определение оптического канала. Какие они имеют особенности?

Единицы измерения уровней сигналов

Что называется остаточным затуханием, частотная характеристика?

Что называется групповой скоростью, групповое время задержки сигнала при прохождении по каналам связи

Виды помех в каналах связи

Виды аддитивных помех

Какие помехи называются мультипликативными?

Передача простых двоичных сигналов методом амплитудной манипуляции

Передача простых двоичных сигналов методом частотной модуляции

Передача простых двоичных сигналов фазовой модуляцией

Влияние различных видов помех при различных способах передачи.

Сравнительная характеристика различных способов передачи.

Тема 2.2.7.

Что называется верностью передачи дискретных сигналов?

Чем измеряется верность передачи сигналов?

Что называется ошибкой при передаче простых двоичных сигналов?

Какие ошибки называются коррелированными, какие некоррелированные?

Как рассчитать ошибки в некоррелированных ошибках каналах?

Особенность расчета ошибок в некоррелированных ошибок каналах?

Что называется пакетом ошибок?

Какие коды называются помехоустойчивыми?

Какие коды называются корректирующими?

Принцип построения корректирующих код.

Что такое кодовое расстояние? Чем измеряется?

Какими параметрами характеризуются корректирующие коды?

Классификация корректирующих код

Как связано кодовое расстояние с количеством (исправляемых) обнаруживаемых ошибок?

Отчего зависит вероятность ошибок и как рассчитывается?

Какие способы помехоустойчивого кодирования и декодирования знаете?

Какие коды называются систематическими?

Принцип построения схем систематического кода.

Какие коды называются кодом Хэмминга?

Какие коды называются циклическими?

Принцип построения циклических код

Принцип построения схем кодирующего устройства циклических код.

Какие коды называются рекурректными?

Принцип построения схем кодирующего устройства непрерывных код.

Принцип построения схем декодирующего устройства непрерывных код.

Пример исправления пакета ошибок.

Тема 2.2.8.

Что называется системой передачи с обратной связью?

Принципы организации системы передачи с обратной связью

Характеристики различных видов обратной связью

Система с информационной обратной связью

Система с решающей обратной связью

Система с комбинированной обратной связью

Принцип построения схем систем с обратной связью с посимвольной проверкой

Принцип построения схем систем с обратной связью с проверкой по комбинациям

Сравнительные характеристики систем с обратной связью с посимвольной проверкой и проверкой по комбинациям.

Принцип выбора различных способов передачи информации с обратной связью.

Тема 2.2.9.

Что называется помехоустойчивостью?

Отчего зависит помехоустойчивость передачи дискретной информации?

Методы приема дискретных сигналов.

Что называется оптимальным приемом?

Что называется правилом решения при приеме дискретных сигналов?

Принцип построения решающих схем

Что называется потенциальной помехоустойчивостью

Теория Котельникова о потенциальной помехоустойчивости

Критерий оценки верности передачи и приема дискретного сигнала

Как определяется полная вероятность ошибочного приема?

Что называется критерий среднего риска?

Что называется критерий идеального наблюдателя?

Что называется апостериорной вероятностью?

Что называется минимаксной критерием?

Что называется критерием Неймана-Пирсона?

Что называется отношением правдоподобия?

Что называется первой решающей схемой?

Что называется второй решающей схемой?

Что называется приемом по символам?

Что называется приемом в целом?

Задача 7

рассчитать и построить амплитудно-частотную (АЧХ) и фазо-частотную (ФЧХ) характеристики спектральной плотности одиночного импульса. Амплитуды U, длительность τu. Определить эффективную ширину спектра импульса ∆f.

                                                    U(t)

                                                    U

                                           0                      t    

Таблица 4.8.

	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
U, B	10	9	8	7	6	5	4	3	2	1
τu, МКС	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	0,1	1,0

Рассчитать и построить спектральные плотности пачек видеоимпульсов, взяв за единицу масштаба по оси y спектральную плотность одиночного импульса. Количество импульсов N в пачке и скважность Q

Таблица 4.9.

	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
N	5	8	4	6	3	5	10	6	3	8
Q	3	5	4	8	3	6	5	8	4	10

Задача 8

Рассчитать спектры фазомодулированных (ФМК) и частотно-модулированных (ЧМК) колебаний при одинаковых несущих частотах f и уровнях напряжений U. Для ФМК заданы индекс модуляции β и частота модуляции F1 , а для ЧМК – девиация частоты f д и частота модуляции F2. Построить спектры ФМК и ЧМК по результатам расчетов.

Таблица 4.10

	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
U, B	60	50	45	40	35	30	25	20	15	10
F, МГц	60	95	90	80	70	80	90	95	60	70
F1, кГц	3	6	10	8	4	7	5	9	4	3
Fд, кГц	70	30	50	40	60	45	75	35	50	60
F2, кГц	7	3	4	5	6	7	6	5	4	3
β	5	5	5	5	5	5	5	5	5	5

Таблица 4.6.

	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
S, mA/B	100	95	110	85	120	75	115	90	105	80
Uo, B	0,35	0,45	0,55	0,65	0,75	0,40	0,50	0,60	0,70	0,80
Um, B	0,40	0,50	0,45	0,60	0,80	0,45	0,35	0,50	0,55	0,65

Объяснить назначение и виды модуляции.

Изобразить схему транзисторного амплитудного модулятора, пояснить принцип ее работы.

Дать понятие статистической модуляционной характеристики (СМХ). Рассчитать и построить (СМХ) при заданных S, Uo и значения амплитуды высокочастотного напряжения Um.

С помощью СМХ определить оптимальное смещение Eo и допустимую величины амплитуды UΩ модулирующего напряжения UΩ cosΩt, соответствующие неискаженной модуляции.

Рассчитать коэффициент модуляции mam для выбранного режима. Построить спектр и временную диаграмму am сигнала.

Задача 6

Задана вольт-амперная характеристика диода амплитудного детектора аппроксимированная отрезками прямых

i =        SU       при      u ≥0

0          при      u α