Цифровая радиолиния КИМ-ФМ-ФМ (стр. 2 из 3)
В данной работе нужно спроектировать 7 канальную систему передачи информации. Частотное разделение каналов выполнять нецелесообразно, кодовое очень сложно и его проектирование для 7 каналов не выгодно, так как это очень дорогостоящая система, потому что сигнал сверхширокополосный.
Поэтому использовалось временное разделение каналов. К тому же у нас импульсная модуляция, а при ней благодаря большой скважности между импульсами одного канала остаётся большой промежуток времени, в котором можно разместить импульсы других каналов. При этом все каналы занимают одну полосу частот, но линия связи используется поочерёдно для передачи канальных сигналов.
Будем использовать синхронный метод передачи с кадровой синхронизацией. Для того чтобы на приёмной стороне мы могли прочитать информацию нужно знать момент её появления. Для этого может использоваться синхросигнал еще называемый – пилот сигнал. Он размещается в начале кадра и должен отличаться от информационного сигнала. Для повышения помехоустойчивости в качестве синхрослова используются коды Баркера или всё чаще М-последовательности.
Длительность одного кадра обозначим Тк, а длительность синхрослова и кодового слова Тсин, Ткс соответственно. Тогда ,
Тк=Тсин+N*Ткс,
где N– число каналов.
Длительность кадра определяется частотой дискретизации.
Тк=1/Fд=1/50=0.02С=20мС
По заданию имеется 7 каналов. Количество элементарных символов передаваемых в каждом канале равно разрядности кодового слова = 9.
Тогда количество элементарных символов в информационном сигнале:
Nи = N*r = 7*9 = 63.
В качестве синхрослова выберем М-последовательность, в этом случае для уменьшения вероятности ложного срабатывания системы кадровой синхронизации необходимо выбрать количество разрядов кадрового синхрослова не менее 50% от разрядности информационной части сигнала(т. е. от Nи ). В нашем случае Nи = 63, поэтому выберем в качестве синхрослова шестидесяти трёхрех разрядную М-последовательность. АКФ такого кода имеет узкий центральный пик и минимальный уровень боковых лепестков = 1 / Nm , где Nm- значность кода.
Количество элементарных символов в кадре:
Nк =Nксс + Nи = 63 + 63 = 126 (шт.)
Длительность элементарного символа:
t = Тк/ Nк = 0,02 / 126 @ 159 *10-6с. = 159 мкс
Тактовая частота:
f т = 1/t = 1/159 *10-6 = 6300 Гц @6.3 кГц
Вид группового сигнала:
В первом приближении ширина спектра КИМ-ФМ-ФМ определяется шириной главного лепестка:
Df = 2 * (1 / t ) = 2 * 1 /159 *10-6с = 12579Гц = 12.6 кГц
3. Расчет энергетического потенциала радиолинии
Энергетическим потенциалом радиолинии называется отношение средней мощности сигнала к спектральной плотности шума, пересчитанное ко входу приемника. В радиолиниях независимо от того, в каком участке диапазона они работают, всегда присутствуют принятые антенной естественные шумы и собственные шумы приёмных устройств. Эти шумы аддитивные по отношению к сигналу на входе приёмника, имеют гауссовское распределение и практически равномерный спектр в пределах полосы пропускания приёмника. При расчётах, учитывающих действие таких шумов, удобно использовать понятие энергетического потенциала.
Энергетический потенциал определяет возможности командных радиолиний в части обеспечения точности измерения параметров движения, пропускной способности и вероятности ошибки при приёме информации.
В данной работе задана линия с расстоянием между приемником и передатчиком l=190 км. Это линия "Земля - управляемый объект". Линия связи подобного типа предназначена для передачи различных команд с пункта управления на борт беспилотного летательного аппарата.
Расстояние между приемником и излучателем l= 190 км.
Длина волны l = 10 см.
Частота f = C / l = 3 ГГц
Бортовая антенна (параболическая): dпрм=0,2;
Диаметр передающей антенны (параболическая): dпрд=3м
антенна всенаправленная (D = 1)
Длительность элементарного символа : t0 = 159 *10-6с
Эквивалентная шумовая температура бортового приемника: Тэ = 1000 К;
В соответствии с известным уравнением дальности связи мощность сигнала на входе приемника определяется выражением:
Рс вх=Ризл*G*Sэпрм*γЕ/4*π*l2
Ризл - средняя мощность, излучаемая передатчиком
G - КНД антенны передатчика
Sэпрм - эффективная площадь приемной антенны
r- расстояние между передатчиком и приемником
gЕ - коэффициент, учитывающий потери энергии сигнала в среде за счет поглощения:
gЕ = exp(- 0.23al);
для l = 10 см. a = 0,001 dB/км
Рс вх = (Ризл GSэ прм / (4pl2) ) exp(- 0.23al)
В простейшем случае, когда основной помехой являются только внутренние флюктуационные шумы приемника с равномерной спектральной плотностью No, мощность помехи на входе ( при согласованном входе ) равна
Рш вх=NoΔfэ=kTэΔfэ
No=kTэ
где к = 1,38*10-23 Дж/К - постоянная Больцмана
Тэ - эквивалентная шумовая температура входа.
Тогда
(Рс/Рш)вх=РизлGSэпрмexp(-0.23αl)/4πl2NoΔfэ
Это выражение определяет фактическое отношение С/Ш на входе приемника при известных параметрах линии связи.
Пусть для того, чтобы обеспечить требуемую вероятность ошибки при передаче одной двоичной еденицы информации, необходимо иметь энергетическое отношение С/Ш:
h2oтр=(Рс/Рш)вх τоΔfэ
Тогда требуемое отношение С/Ш на входе приемника:
(Рс/Рш)тр=γсистhoтр2/ τоΔfэ
γсист- коэффициент запаса, выбирается от 2 до 10
зададимся γсист = 8
По ТЗ вероятность ошибочного приёма одного символа Рош=10-4. Тогда для ФМн-сигналов можно записать:
γс-постоянный коэффициент, для ФМн-сигналов γс=21/2
h20тр≥h20=(2/ γ2с )ln(1/2Рош)=1,41*8,5=12
h20тр=15
Для того чтобы линия связи обеспечивала передачу информации с помехоустойчивостью не ниже заданной, необходимо выполнить условие:
(Рс/Рш)вх≥(Рс/Рш)тр
(Ризл GSэ прм / (4pl2kTэ) ) exp(- 0.23al)≥ γсистhoтр2/ τо
КНД передающей антенны
G=ha(pdпрд/l)2,где
ha - КИП (коэффициент использования площади) - коэффициент учитывающий эффективность использования площади раскрыва антенны (0,55 для параболической)
Вычислим Sэ прм и Sэ прд:
Sэпрм==hapd 2прм/4;
Sэпрм=0,55*3,14*0,22/4=0,07м2
Sэпрд=hapd 2прд/4 ;
Sэпрд=0,55*3,14*32/4=3,88м2
G=0,55(3,14*3/0.03)2 =54228 ;
G =47 дБ.
Мощность передатчика:
Ризл*1,6*1018³ 754717
Ризл ³ 4,7*10-13
Возьмем Рпрд = 10 Вт для того чтобы скомпенсировать неучтённые факторы (помехи, неточность ориентации антенны и.т.д.).
4. Принцип работы передатчика
Сигнал с датчиков или любых других источников аналоговой информации поступает на быстродействующие аналоговые ключи. Работой, которых управляет схема временного разделения каналов, состоящая из дешифратора 1, счётчика 1 и генератора импульсов 1.Схема работает следующим образом:
Генератор импульсов 1 выдаёт короткие импульсы расстояния, между которыми равны времени преобразования А.Ц.П. Эти импульсы подсчитываются трёхразрядным асинхронным счётчиком импульсов граф которого имеет такой вид
Такой счётчик легко реализовать на трёх синхронных D-триггерах. Трёх разрядный двоичный код со счётчика 1 поступает на дешифратор 1, который в зависимости от кода подключает соответствующие каналы.
Таким образом, на вход А.Ц.П. поступают последовательно аналоговые сигналы с соответствующих аналоговых входов. А.Ц.П. синхронизируется побитовым генератором. Это генератор коротких импульсов, расстояние между которыми равно длительности элементарного символа в коде. А.Ц.П., как правило, содержит на выходе параллельный регистр, у которого выходы находятся в так называемом третьем состоянии (высокий импенданс) . Чтобы обеспечить вывод данных нужен сигнал разрешения он поступает от генератора импульсов 1. После вывода параллельного кода выводы этого регистра автоматически переходят обратно в третье состояние.
С А.Ц.П. выходит 9 разрядный параллельный код командного слова, который поступает на преобразователь кода из параллельного в последовательный. Такой преобразователь может быть выполнен на параллельно-последовательном регистре, который синхронизируется также от побитового генератора.
В качестве синхрослова используется 63 разрядная М-последовательность. Синхрослово должно быть в начале кадра. Схема формирования синхрослова может быть выполнена на основе формирователя М-последовательности и на основе П.З.У. Первый вариант схемы (рис.1) работает таким образом:
Имеется формирователь М-последовательности (Ф.М.П.), который легко реализуется с помощью линейных переключательных схем на основе сдвигающих регистров. Принцип формирования в данном проекте рассматривать не будем, он очень подробно рассмотрен в литературе [1]. В качестве синхросигнала для Ф.М.П. используется побитовый генератор импульсов. Генерация последовательности начинается, когда приходит сигнал высокого уровня со схемы сравнения (сигнал пуск). Такой сигнал возможен только в том случае если подключен первый канал и начат вывод из А.Ц.П. первого кодового слова. Для формирования 63 разрядной М-последовательности необходимо 64 импульса. Схема подсчёта этих импульсов выполнена на счётчике 2 и дешифраторе 2. Как только счётчик насчитывает 64 импульса на соответствующем выходе дешифратора появляется сигнал высокого уровня (сигнал останов.), который останавливает Ф.М.П. Так как счётчик 2 будет постоянно считать импульсы с побитового генератора импульсов, то в момент начала формирования М-последовательности его надо вернуть в исходное состояние (сбросить). Для этого сигнал пуск со схемы сравнения подаётся на ключ, который подключает сигнал высокого уровня на небольшое время к входу сброса счётчика. Сигнал останов. также переводит регистр-преобразователь кода из третьего состояния в рабочее и с его выхода начинает выходить М-последовательность в последовательном двоичном коде. Как только все 63 разряда синхрослова выйдут из регистра, он автоматически переходит в третье состояние.