Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  

Загрузка...

Лекции - Формирование и передача сигналов - файл ФИПС.doc


Лекции - Формирование и передача сигналов
скачать (2683.8 kb.)

Доступные файлы (1):

ФИПС.doc6715kb.24.11.2009 22:13скачать

содержание

ФИПС.doc

  1   2   3   4   5   6   7   8   9
Вопросы к экзамену по курсу «Формирование и передача сигналов».


  1. Классификация сигналов и основные этапы формирования сигнала в цифровой системе связи.

  2. Способы математического описания сигнала и элемента системы.

  3. Формы представления спектра сигнала. Особенности спектров сигналов различных типов.

  4. Вид спектра последовательности прямоугольных импульсов.

5. Основные характеристики случайных величин и процессов. Примеры функций распределения.

6. Понятие идеального фильтра и теоремы Найквиста.

7. Понятие корреляционного приемника и ортогональных сигналов.

8. Понятие согласованного фильтра.

9. Понятие и основные типы аналоговой и цифровой модуляции.

10. Основные способы импульсно-кодовой модуляции.

11. Принцип формирования и вид спектра сигналов с амплитудной модуляцией.

12. Принцип формирования и вид спектра сигналов с угловой модуляцией

13. Принцип формирования и вид спектра сигналов с двоичной фазовой манипуляцией.

14. Понятие когерентной и автокорреляционной демодуляции.

15. Относительное кодирование.

16. Принципы формирования сигналов с квадратурной модуляцией.

17. Принцип формирования и вид спектра сигналов с двоичной частотной манипуляцией.

18. Частотная манипуляция с минимальным сдвигом и гауссовой фильтрацией.

19. Принцип формирования сигналов с многочастотной модуляцией и ортогональными несущими.

20. Основные показатели эффективности цифровой системы связи.

21. Максимальная пропускная способность канала.

22. Цель и способы расширения спектра.

23.Требования к характеристикам псевдослучайных последовательностей.

24. Виды синхронизации приемника и передатчика.

25. Понятие количества информации.

26. Понятие эффективного кодирования.

27. Назначение кодера источника. Принципы построения речевых кодеров.

28. Назначение кодера канала. Основные понятия и методы помехоустойчивого кодирования.

29. Порождающая и проверочная матрицы линейного кода.

30. Понятие циклического кода.

31. Понятие сверточного кодирования.

32. Методы разделения каналов.

33. Способы разрешения конфликтов при доступе к каналу в режиме соперничества.

34. Основные причины ухудшения качества передачи сигнала и способы повышения качества.

35. Характеристики каналов с замираниями.

36. Способы борьбы с вредным влиянием замираний.

37. Принцип формирования сигналов в навигационной системе GPS -Navstar.

38. Принципы формирования сигналов в системе связи стандарта GSM.

39. Принципы формирования сигналов в системе связи с кодовым разделением каналов.


^ Формирование и передача сигналов

Комплект слайдов по дисциплине


Комплект слайдов с блок-схемами устройств, временными диаграммами сигналов и текстовым пояснением представляет основные этапы формирования сигналов в современных радиотехнических системах. Приведены примеры использования рассмотренных методов в сотовых системах связи, радионавигационных системах и цифровом телевидении.


Содержание

  1. Сигналы в радиотехнических и телекоммуникационных системах

  2. Основные этапы формирования сигнала в цифровой системе связи.

  3. Структура цифровой системы связи.

  4. Математические модели сигнала.

  5. Математическое описание гармонического сигнала.

  6. Спектр периодического сигнала.

  7. Спектр периодической последовательности прямоугольных импульсов..

  8. Спектр непериодического сигнала конечной длительности.

  9. Динамические характеристики линейного элемента.

  10. Следствия преобразования Фурье.

  11. Спектр произведения сигналов.

  12. Спектр последовательности амплитудно-модулированных импульсов.

  13. Спектр дискретизированного (квантованного по времени) сигнала.

  14. Осциллограммы и спектр АМ-сигнала с шумом.

  15. Примеры двусторонних спектров амплитуд периодических последовательностей и псевдослучайных последовательностей.

  16. Характеристики случайных величин.

17. Характеристики случайных процессов.

18. Автокорреляционная функция и спектральная плотность мощности

19. Осциллограммы сигналов и их автокорреляционные функции.

20. Понятие модуляции

21. Модуляция в основной полосе частот

22. Основные способы импульсно-кодовой модуляции.

23. Идеальный фильтр и теоремы Найквиста.

24. Амплитудная модуляция

25. Схема формирования сигналов в системе с АМ.

26. Схема формирования сигналов в системе с АМ и подавлением несущей.

27. Схема формирования сигналов в системе с АМ, подавлением несущей и одной боковой полосой.

28. Амплитудная модуляция. Примеры схем модуляторов и демодуляторов.

29. Однополосный модулятор Вивера.

30. Угловая модуляция.

31. Угловая модуляция. Вид спектра.

32. Примеры частотных детекторов.

33. Примеры фазовых детекторов.

34. Квадратурный детектор сигнала с угловой модуляцией. Частотный демодулятор.

35. Квадратурный детектор сигнала с угловой модуляцией. Фазовый демодулятор.

36. Осциллограмма и спектр сигнала с угловой модуляцией.

37. Основные методы полосовой цифровой модуляции (манипуляции).

38. Двоичная фазовая манипуляция 2ФМ.

39. Понятие согласованного фильтра.

40. Корреляционный приемник и ортогональные сигналы.

41. Структурная схема системы 2ФМ с когерентной демодуляцией.

42. Структурная схема системы BPSK с когерентной демодуляцией и согласованным фильтром.

43. Структурная схема системы 2ФМ с автокорреляционной демодуляцией.

44. Относительное кодирование.

45. Квадратурная модуляция

46. Схема формирования сигналов с квадратурной модуляцией и с когерентной демодуляцией.

47. Модификации квадратурной модуляции.

48. Автокорреляционный демодулятор системы DQPSK.

49. Частотная манипуляция (FSK).

50. Принцип работы двоичной системы с ЧМ.

51. Сигналы и спектры с двоичной частотной манипуляцией.

52. Спектр сигнала с двоичной фазовой и частотной манипуляцией.

53. Частотная манипуляция с минимальным сдвигом.

54. Квадратурный модулятор системы с минимальным частотным сдвигом.

55. Когерентный демодул ятор сигналов МЧС.

56. Модуляция с минимальным частотным сдвигом и гауссовой фильтрацией.

57. Модуляция OFDM (с ортогональными несущими).

58. Принцип реализации модуляции OFDM. Модуляция DMT.

59. Влияние замираний на сигнал с модуляцией OFDM.

60. Основные показатели эффективности цифровой системы связи.

61. Максимальная пропускная способность канала.

62. Модуляция с расширением спектра

63. Прямое расширение спектра.

64. Характеристики псевдослучайных последовательностей

65. Свойства m-последовательностей.

66. Примеры ФВК псевдослучайных последовательностей.

67. Виды синхронизации приемника и передатчика

68. Методы синхронизации несущей частоты

69. Методы символьной синхронизации.

70. Символьная синхронизация со стробированием.

71. Понятие количества информации

72. Понятие эффективного кодирования

73. Кодирование источника

74. Методы «сжатия» звука и речи.

75. Параметричесокое компандирование речи.

76. Методы помехоустойчивого кодирования

77. Оценка корректирующей способности блокового кода

78. Код Хемминга, исправляющий одиночные ошибки

79. Порождающая и проверочная матрицы линейного кода

80. Циклические коды

81. Кодирование и декодирование циклических кодов.

82. Сверточное кодирование

83. Решетчатая диаграмма.

84 . Чередование

85. Методы разделения каналов между пользователями.

86. Частотное разделение каналов.

87. Мультиплексирование с временным разделением каналов.

88. Доступ к каналу в режиме соперничества.

89. Основные причины ухудшения качества передачи сигнала.

90. Характеристики каналов с замираниями.

91. Частотная характеристика многолучевого канала.

92. Способы борьбы с вредным влиянием замираний.

93. Назначение и принцип работы эквалайзера.

94. Основные этапы кодирования данных при записи на компакт-диск.

95. Формирование сигналов в системе GPS -Navstar.

96. Формирование сигналов в цифровом телевидении по стандарту DVB-T.

97. Цифровое ТВ. Внешнее кодирование и перемежение.

98. Цифровое ТВ. Внутреннее перемежение и формирование модуляционных символов.

99. Цифровое ТВ. Структура сигналов стандарта DVB-T.

100. Принципы построения систем связи с подвижными объектами.

101. Основные принципы формирования сигналов в сотовой системе связи стандарта GSM.

102. Схема мультиплексирования в системе GSM-900.

103. Состав логических каналов в системе GSM.

104. Назначение и структура канальных окон системы GSM.

105. Схема формирования сигналов в системе связи с кодовым разделением каналов CDMA.

106. Схема кодирования в системе связи стандарта IS-95.

107. Основные типы логических каналов в системе CDMA.

108. Порядок входа MS в систему CDMA.

109. Коды Уолша.

110. Временная диаграмма сигналов обратного трафика системы CDMA

111. Формирования сигналов по стандарту IEEE-802.11

Сигналы в радиотехнических и телекоммуникационных системах


Сигнал – физический процесс, несущий сообщение (информацию).

^ Назначение систем:

- передача информации (радиосвязь, радиовещание, телевидение, радиоуправление, телеметрия, телеграф, факсимильная связь, передача данных),

- извлечение информации (радиолокация, радионавигация, радиоастрономия, радио- и радиотехническая разведка),

- разрушение информации.

^ Среда распространения сигнала:

металлический проводник (симметричный провод – витая пара, коаксиальный провод), оптический кабель, свободное пространство.

^ Классификационные признаки сигналов:

- детерминированные – случайные (стохастические),

- периодические (с бесконечной энергией) – непериодические (с ограниченной энергией, «энергетические»),

- непрерывные (аналоговые), дискретные, цифровые,

- первичные (полученные непосредственно от преобразователя сообщения в электрический сигнал) – вторичные (сформированные из первичных с целью наиболее успешной передачи сигнала по линии связи),

- видеоимпульсы – радиоимпульсы (с заполнением несущей частотой):



Примеры первичных сигналов.

Речевой сигнал. Содержит до 40 гармоник основного тона и шумовую составляющую. Ширина спектра до 10 кГц.

Основной тон имеет частоту от 50-80 Гц (бас) до 200-250 Гц (женский и детский голос). При разговоре частота основного тона меняется в достаточно широких пределах.

Мощность сигнала распределена по спектру неравномерно. Области повышенной мощности называют формантами. Различные звуки речи имеют 2 – 4 форманта.

Для передачи по телефону спектр сигнала ограничивают полосой 300 -3400 Гц.

^ Сигналы звукового вещания (музыка) имеют полосу 15-20000 Гц. Каналы передачи высшего класса имеют полосу 30 Гц – 15кГц, каналы первого класса – 50 Гц -10 кГц.

Телевизионный сигнал образуется из сигналов яркости, цветности и синхронизации по строкам и кадрам. Частотная полоса сигнала яркости оценивается следующим образом. Один период максимальной частоты соответствует двум пикселям: паре минимальных элементов изображения. Максимальная частота:

0.5*(4/3*625)*625*25 = 6.5 МГц

(0.5 * число пикселей в строке * число строк * скорость передачи кадров).

На один канал отводят полосу 8 МГц.


Основные этапы формирования сигнала в цифровой системе связи


Форматирование-

представление сообщения (аналогового сигнала, текста и т.д.) знаками, обычно двоичными: 1 и 0.



Кодирование



Кодер источника сокращает число бит, сохраняя информацию.

Шифрование препятствует несанкционированному доступу к информации.

Кодер канала выполняет помехоустойчиво кодирование, вводя избыточные знаки для обнаружения и исправления ошибок в приемнике.

Модуляция

Полосовая модуляция может быть выполнена в несколько этапов – на промежуточной и высокой частоте.

^ Расширение спектра

Уплотнение и множественный доступ


Передача по одному физическому каналу сообщений от нескольких источников. Уплотнение может производиться до канального кодирования или между разными этапами модуляции.

Синхронизация


В приемнике, в общем случае, осуществляется частотная и фазовая синхронизация с принимаемой несущей, символьная, временная (определение начала псевдослучайной последовательности), кадровая и сетевая синхронизация.


^ Структура цифровой системы связи



Основные требования к системе связи:

- высокая скорость передачи сообщений (единицы измерения - бит/c или бод - символ/с),

- многоканальность,

- малая вероятность ошибки передаваемых символов,

- низкая, по возможности, мощность передатчика,

- узкая частотная полоса,

- защита от несанкционированного доступа,

- простая аппаратная реализация.

Принципиальная сложность- противоречивость требований. Чем выше скорость – тем шире спектр, чем меньше отношение сигнал/шум – тем больше вероятность ошибки.

^ Мешающие влияния в системе связи:

- шумы (собственный тепловой шум),

- помехи (атмосферные, индустриальные, преднамеренные),

- искажения (линейные из-за неравномерности частотных характеристик, нелинейные – появление гармоник, комбинационных частот, подавление слабых сигналов сильными),

- замирания (многолучевое распространение, влияние метеоусловий, рассеивание на неоднородностях).


^ Преимущества цифровых систем:

- высокая помехоустойчивость (простая регенерация сигнала, применение корректирующих кодов),

- плотное размещение каналов, полное использование пропускной способности канала,

- возможность применения сложных алгоритмов обработки сигналов,

- простая аппаратная реализация, высокая унификация и интеграция,

- простая реализация длительного запоминания.


^ Математические модели сигнала


Математическая модель сигнала необходима для описания процессов формирования и прохождения сигнала через элементы системы и среду распространения. Математической моделью детерминированного сигнала является функция времени х(t) или ее «изображение» - представление в виде суммы «базовых» функций, например:

- ступенчатых функций σ(t) (функций включения, функций Хевисайда), следующих через равные интервалы времени Δ,



- следующих вплотную один за другим прямоугольных импульсов длительности Δ,

- гармонических и других функций (Уолша, Чебышева, Лежандра, Котельникова, Хаара-Радимахера и т.д.). Непериодические сигналы иногда удобно представлять суммой кратковременных «волновых» сигналов (вейвлет - преобразование).





^ П
Сумма гармоник 1, 3, τ/T=0,5

Сумма гармоник 1, 3, 5, τ/T=0,5
ример представления прямоугольных импульсов суммой гармоник



Сумма гармоник 1, 3, 5, 7, τ/T=0,5

Сумма гаоник 1, 2, 3, 5, 6, 7, τ/T=0,25

^ Математическое описание гармонического сигнала

Гармонический сигнал представляют в формах:

амплитудно-фазовой , φ(t) – полная фаза,

квадратурной

и комплексной, основанной на формуле Эйлера



Коэффициенты Сω, С– комплексные амплитуды, несущие информацию и об амплитуде, и о фазе гармонического сигнала.

Комплексная форма описания гармонического сигнала позволяет представить его как результат сложения векторов и упрощает ряд математических преобразований сигналов.



^ Геометрическое представление спектра гармонического сигнала:

одностороннего, двустороннего, действительного и мнимого



^ Связь частоты и фазы: ω = dφ/dt

При постоянной частоте фаза изменяется линейно


Спектр периодического сигнала


Периодический сигнал можно представить суммой гармоник (рядом Фурье), образующих дискретный (линейчатый) спектр:



где ао/2 - постоянная составляющая, 1=2/T - частота первой гармоники, T и n - период сигнала и номер гармоники.

^ Ряд значений амплитуд An и фаз n гармоник называют спектрами амплитуд и фаз. Это «односторонний спектр» - представление сигнала в области только положительных частот. Спектр фаз зависит от выбора начала отсчета времени. В задачах, где рассматриваются только энергетические соотношения, спектр фаз не имеет значения.

^ Комплексные амплитуды Сn, содержащие информацию об амплитудах и фазах гармоник, называют двусторонним комплексным спектром, представляющим сигнал в области положительных и отрицательных частот. В этом спектре амплитуды составляющих в 2 раза меньше, чем в одностороннем спектре.

Амплитуды и фазы гармоник в разных формах представления спектра связаны между собой соотношениями






Периодический сигнал s(t) имеет бесконечную длительность и бесконечную энергию. Поэтому его характеризуют средней за период мощностью:



При этом предполагается, что сигнал представлен напряжением или током, действующим на сопротивлении в 1 Ом.


Масштабные множители в формулах для коэффициентов an, bn, Cn установлены такими, чтобы при разложении в ряд функций sinωt, cosωt получились значения an, bn= 1.


^ Спектр периодической последовательности

прямоугольных импульсов


Найдем комплексный спектр последовательности прямоугольных импульсов с началом отсчета времени от середины импульса:







Таким образом, в рассматриваемом случае комплексные амплитуды оказались чисто действительными. В важном для описания цифровых систем случае, когда =T/2, : в спектре присутствуют только нечетные гармоники.

Примеры спектров амплитуд при разных значениях скважности импульсной последовательности /T показаны на рисунке:




Если изменить начало отсчета времени, комплексный спектр изменится, при этом спектр амплитуд Cn сохранится, а изменится спектр фаз.


^ Спектр непериодического сигнала конечной длительности

Из примера спектра периодической последовательности импульсов

видно, что при Т спектральные линии становятся бесконечно близкими друг к другу и спектр становится сплошным, а форма огибающей спектра сохраняется. Линейчатый спектр заменяется непрерывной комплексной спектральной функцией S().

^ Спектр непериодического сигнала представляет преобразование Фурье:

- обратное преобразование.

Из сопоставления спектральной функции сигнала S(ω) и спектра комплексных амплитуд его периодического продолжения следует, что т.е. вид функций S(ω) и Cn в общем случае одинаков и отличается только множителем. Соотношение размерности этих функций .

Спектральную функцию называют также спектральной плотностью, плотностью амплитуд. Подобно плотности вещества - коэффициенту пропорциональности между массой и объемом вещества (объем и масса в пределе стремятся к 0), спектральная плотность – это коэффициент пропорциональности между амплитудой спектральной составляющей в узкой полосе df (ее можно считать одинаковой для всех составляющих в этой полосе) и шириной этой полосы. Физический смысл функции S(ω) - средняя амплитуда, приходящаяся на полосу частот в 1 Гц.

Непериодический сигнал имеет конечную энергию, поэтому его называют «энергетическим». Энергия сигнала

(1)

Проверим соотношение размерностей: . Именно такая размерность последнего выражения в формуле (1). Физический смысл функции  S() 2 - спектральная плотность энергии.


^ Динамические характеристики линейного элемента


Линейным называют элемент, обладающий следующим свойством. Если при входных воздействиях x1(t) и x2(t) выходная величина меняется как y1(t) и y2(t) соответственно, то при воздействии x1(t) + x2(t) выходная величина меняется как y1(t) + y2(t). Другими словами, реакции на любое число внешних воздействий можно складывать независимо друг от друга (свойство суперпозиции), а изменение масштаба входной величины пропорционально меняет выходную величину, не оказывая влияния на ее вид (свойство гомогенности).

Гармонический сигнал, проходя через линейный элемент, изменяет свою амплитуду и фазу, а частота сигнала сохраняется. Изменения амплитуды и фазы зависят от частоты:

В комплексном представлении гармонический сигнал на выходе элемента получается умножением входного гармонического сигнала на комплексный коэффициент передачи элемента



Это утверждение справедливо для каждой спектральной составляющей сигнала. Следовательно, спектр выходного сигнала равен спектру входного сигнала, умноженному на комплексный коэффициент передачи элемента.

^ Функцию К(ω), обозначаемую часто как А(ω), называют амплитудно-частотной характеристикой элемента, а функцию φ(ω) – фазочастотной характеристикой.

Реакцию элемента на δ-импульс называют импульсной характеристикой w(t), или весовой функцией. Спектр δ-импульса равномерный, поэтому спектр импульсной характеристики совпадет по форме с комплексным коэффициентом передачи элемента. Комплексный коэффициент передачи элемента является спектром импульсной характеристики.

Реакцию y(t) элемента на сигнал х(t) произвольной формы можно определить, зная импульсную характеристику w(t):



Это выражение называют сверткой функций х(t) и w(t), или интегралом Дюамеля.

Следствия преобразования Фурье


С уменьшением длительности сигнала его спектр расширяется. Это видно из примера спектра прямоугольного импульса.

Произведение длительности сигнала на ширину его частотной полосы называют базой сигнала. У видеоимпульсов база порядка 1 (ширина спектра прямоугольного импульса длительности τ, по первому лепестку в области положительных частот, равна 1/τ). Спектр прямоугольного импульса длительности τ при τ→0 становится равномерным на всех частотах от -∞ до +∞, а сам импульс превращается в δ-функцию.

^ Спектральная функция δ – импульса постоянна на всех частотах

В формулах прямого и обратного преобразования Фурье



переменные t и f взаимозаменяемые. Прямоугольный импульс имеет бесконечный спектр вида sinx/x (а). Заменив, на рис.(а), t на f , а f на t, увидим, что прямоугольный спектр соответствует импульсу вида sinx/x, длящемуся от -∞ до +∞ (б).

Следовательно, фильтр с прямоугольной частотной характеристикой неосуществим, т.к. он должен превращать δ – импульс в импульс, начинающийся при t = -∞.


Спектральная функция Y(f) выходного сигнала элемента равна произведению спектральной функции X(f) входного сигнала и комплексного коэффициента передачи элемента W(f), а выходной сигнал y(t) элемента – это свертка входного сигнала x(t) и импульсной характеристики w(t):




Заменив t на f , а f на t в выражениях Y(f) и y(t), получим

т.е.

спектр произведения сигналов равен свертке спектральных функций сигналов.


Спектр произведения сигналов


Спектр произведения двух гармонических сигналов следует из тождества







Спектр произведения двух сигналов можно получить, заменив каждую спектральную линию ωi одного сигнала спектром другого сигнала, расположенным симметрично относительно частоты ωi

^ Спектр радиоимпульса:

При модуляции высокочастотного гармонического сигнала спектр модулирующего сигнала переносится в область высоких частот с расширением полосы в два раза.

^ Спектр пачки импульсов:


Спектр последовательности

амплитудно – модулированных радиоимпульсов






Спектр (б) последовательности радиоимпульсов – сигнала Su(t)cosωt - получается переносом спектра (а) последовательности импульсов Su(t) в область высоких частот – в окрестность частоты ω.

Спектр (г) сигнала Sm(t) получается заменой каждой линии спектра (б) спектром (в) сигнала (1+mcosωt).


^ Спектр дискретизированного (квантованного по времени) сигнала


Сигнал, дискретизированный с периодом Ts , можно представить как произведение непрерывной функции x(t) (а) и последовательности δ – функций xδ(t) (в):



Спектр сигнала xδ(t) – последовательность (г) гармоник, следующих с частотным интервалом 1/Ts и имеющих одинаковые амплитуды, что следует из выражения для комплексной амплитуды Сn спектра:





Если известен спектр (б) сигнала x(t), то спектр дискретизированного сигнала x(t) получим заменой каждой линии спектра сигнала xδ(t) спектральной функцией сигнала x(t):

^ Спектр дискретизированного сигнала состоит из последовательности бесконечно повторяющихся, с частотой дискретизации 1/Ts , спектров исходного непрерывного сигнала.

Если 1/Ts>2fm (выполняется условие Найквиста), наложения отдельных «лепестков» спектра нет, форма лепестка спектра сохраняется и исходный сигнал можно восстановить из дискретизированного сигнала без искажений.

В
6 Гц
лияние диcкретизации на спектр сигнала поясняет пример: при частоте дискретизации 5 Гц сигнал частоты 6 Гц воспринимается как сигнал частоты 1 Гц.




Неправильный выбор частоты дискретизации может привести к ошибочным результатам и к полной неработоспособности системы.

При вычислении спектра на ЭВМ задают длительность сигнала τ и шаг дискретизации Δt. ЭВМ вычисляет спектральную функцию с шагом по частоте Δfmin=1/ τ и выдает один лепесток спектра шириной fmax =1/ Δt. На краю полосы fmax спектр амплитуд должен быть близок к 0, иначе есть наложение лепестков спектра и необходимо уменьшить шаг дискретизации.
  1   2   3   4   5   6   7   8   9



Скачать файл (2683.8 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации