670_Maglitskij_B.N._Otsenka_vlijanija_iskazhenij_i_pomekh_

УДК 621.396.43

К.т.н, доцент Б.Н. Маглицкий, А.С. Сергеева. Оценка влияния искажений и помех на качественные показатели цифровых систем радиосвязи методом имитационного моделирования. Учебное пособие/ СибГУТИ. – г. Новосибирск – 2016 г. – 129 стр.

Учебное пособие включает в себя теоретическую и лабораторную части. В теоретической части рассмотрены основные способы оценки качества передачи информации в ЦСРС. Лабораторный практикум включает работы по изучению принципов построения цифровых систем радиосвязи с использованием СКМ MATLAB с расширением Simulink.

Приведены описания лабораторных работ, методика их выполнения, перечень литературы.

Рецензенты: Пальчун Ю.А., Бородихин М.Г.

Кафедра СРС

Ил. 81, табл.20, список лит.– 6 назв.

Для специальностей 11.03.02 – «Инфокоммуникационные технологии и системы связи», квалификация (степень) – бакалавр.

Рекомендовано к изданию редакционно-издательским советом «Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики» в качестве учебного пособия

©«Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики», 2016

©Б.Н. Маглицкий, А.С. Сергеева, 2016

2

1.3. Кодирование и защита от ошибок в ЦСРС. Общие сведения ………..22

2.4. Лабораторная работа №4 «Исследование помехоустойчивости ЦСРС с

Введение

На сегодняшний день повсеместно используются цифровые методы переда-

чи и обработки сигнала. Особенности цифровой передачи данных:

–высокая помехоустойчивость;

–стабильность параметров каналов;

–эффективное использование пропускной способности;

–высокие технико-экономические показатели.

Правильность оценки полученных результатов принципиально важна не только на этапе эксплуатации системы, но и на этапе проектирования.

В данной работе исследуются способы оценки качества передачи информа-

ции в ЦСРС. Исследования базируются на блочной модели системы радиосвя-

зи, которая реализуется с помощью программного пакета MATLAB Simulink.

Пакет MATLAB является универсальное средой для моделирования любых си-

стем и предоставляет пользователю возможность экспериментально оценить систему без использования какого-либо оборудования.

Теоретическая часть учебного пособия рассматривает ключевые методы оценки качества ЦСРС, помогая читателю объективно исследовать систему.

Лабораторный практикум включает работы по изучению принципов по-

строения цифровых систем радиосвязи с использованием СКМ MATLAB с

расширением Simulink.

4

1. Теоретическая часть

1.1. Структура цифровых систем радиосвязи

Основные элементы цифровой системы радиосвязи связи в общем виде показаны на рисунке 1.1. Источник информации может выдавать данные для передачи по каналу связи как в цифровом виде (современные носители цифровой информации, различные датчики с цифровым интерфейсом и т. д.), так и в аналоговом виде (аналоговые датчики, передача звука и изображения и др.). В независимости от типа источника информации данные должны быть представлены в как можно более сжатом цифровом виде.

Передающая часть ЦСРС содержит:

1.ЦС – источник цифрового сигнала (в формате NRZ);

2.Кодер канала (FEC Encoder (предварительное кодирование). Кодер канала используется практически во всех современных системах цифровой радиосвязи. Его основное назначение – повышение достоверности передаваемой информации. Повышение достоверности передачи производится за счет добавления избыточности к исходной информации. Данная операция называется помехоустойчивым кодированием. Эффективность работы кодера канала описы-

5

вается кодовой скоростью. Добавление избыточности к передаваемой информации, очевидно, приводит к снижению информационной скорости передачи.

ВАЖНО! Цифровые методы передачи данных позволяют достичь любой заданной достоверности (при условии, если отношение энергии бита к спектральной плотности мощности шума больше –1,6 дБ

– предела Шеннона). Однако платой за это является снижение скорости передачи информации, либо расширение требуемой полосы частот.

3.Scrambler (скремблер). Практически в любом цифровом передатчике осуществляется операция скремблирования цифрового сигнала с целью улучшения его статистических свойств (выравнивание вероятности появления «1» и «0»). Скремблирование производится путем сложения цифрового сигнала и псевдослучайной последовательности (ПСП), вырабатываемой специальным генератором.

4.ФФПпрд (фильтр формирования полосы частот сигнала). Фильтрация необходима для ограничения спектра сигнала в условиях ограниченного частотного ресурса системы связи. После фильтрации сигнал поступает на модулятор, где происходит модуляция одного или нескольких параметров несущего колебания.

5.ПРД (передатчик). В передатчике производится перенос спектра модулированного сигнала в рабочий диапазон системы связи и усиление сигнала по мощности.

6.Channel (канал связи). Под каналом связи понимается физическая среда, в которой происходит распространение информационного сигнала. При беспроводной связи в качестве такой среды выступает свободное пространство. Передаваемый по каналу связи сигнал подвержен аддитивному шуму, межсим-

вольной интерференции, затуханию, воздействиям промышленных и атмо-

сферных помех и другим факторам, которые вносят искажения в передаваемый сигнал.

Приемная часть ЦСРС содержит:

1.ПРМ (приемник). В приемнике производится преобразование частоты принимаемого радиосигнала на промежуточную частоту и его усиление.

2.Equaliser (эквалайзер). Этот блок предназначен для компенсации искажений частотной характеристики канала.

3.Demodulator (демодулятор). На выходе демодулятора формируется

6

скремблированный цифровой сигнал.

4.ФФПпр – формирующий фильтр на стороне приема. Его основной за-

дачей является устранение влияния внеполосных помех и максимизация отношения сигнал/шум.

5.Descrambler (дескремблер). В дескремблере производится удаление ПСП, введенной в цифровой сигнал в тракте передачи в скремблере.

6.FEC Decoder (декодер канала). В этом блоке производится устранение избыточности, внесенной в цифровой сигнал на этапе помехоустойчивого кодирования в тракте передачи. На выходе этого блока формируется цифровой сигнал. Достоверность принятого сигнала зависит от метода модуляции и демодуляции, а также от свойств канала связи.

Как правило, приемная часть системы связи является более сложной в сравнении с передающей частью. Это вызвано в первую очередь необходимостью синхронизации с принимаемым сигналом по частоте и фазе несущего колебания, по частоте следования импульсов (символьной частоте). Реализация блоков канального декодирования сигнала более затратная с точки зрения вычислительных ресурсов, чем кодирования сигнала в передатчике. Зачастую приемная часть системы связи вынуждена работать при очень низких отношениях сигнал/шум (ОСШ), что требует от разработчика реализации наиболее эффективных методов цифровой обработки сигналов.

Отметим, что описанная выше структура ЦСРС является типовой, то есть ее общий вид соответствует большинству современных систем (стандартов) связи. Тем не менее, существует множество систем, реализованных по иным схемам. Кроме этого, каждая из систем обладает существенно различными особенностями реализации, не упомянутыми при описании общей схемы.

1.2. Способы оценки качества передачи информации в ЦСРС

1.2.1. Коэффициент ошибок

Ключевым (интегральным) параметром любой цифровой системы передачи является коэффициент битовых ошибок (Bit Error Ratio – BER).

ВАЖНО! Под BER (Bit Error Ratio) понимается отношение ошибочно принятых бит к общему числу переданных.

Следует особо подчеркнуть, что оценка BER будет абсолютно точной только при бесконечно большом числе переданных битов. Строго говоря, когда их число ограничено, мы получаем не вероятность события BER, а его оценку BERT. Очевидно, что уровень достоверности этой оценки (Confidential Level,

7

CL), называемый также доверительной вероятностью, зависит от количества зарегистрированных ошибок и от общего числа переданных битов N.

При измерениях BER используются типовые испытательные последовательности, причем каждой стандартной скорости передачи информации соответствует своя испытательная последовательность. По своим свойствам они близки к гауссову шуму, но имеют определенный период повторения. Поэтому они называются не просто случайными, а псевдослучайными последовательно-

стями (ПСП) (Pseudo-Random Bit Sequence, PRBS).

Измерение коэффициента ошибок в цифровых системах связи в общем случае осуществляется двумя методами:

–побитным сравнением единичных элементов принятого цифрового сигнала с единичными элементами посланного измерительного цифрового сигнала от генератора псевдослучайной последовательности (ПСП);

–выявлением нарушений алгоритма формирования сигнала в принятом цифровом сигнале.

Приборы, в которых ошибки обнаруживаются при поэлементном сравнении переданного и принятого сигналов (первый метод), являются измерителями коэффициента ошибок первого типа ИКО1. Измерение коэффициента ошибки методом посимвольного сравнения с помощью ИКО-1 предполагает обязательный перерыв связи и проводится в процессе пуско-наладочных, ремонтных и регламентных работ.

Приборы, в которых ошибки выявляются при обнаружении нарушений алгоритма кода в принятом сигнале (второй метод), являются измерителями коэффициента ошибок второго типа ИКО-2, входят в состав штатной аппаратуры ЦСП и позволяют проводить измерения коэффициента ошибок без прерывания связи. Принцип работы такого прибора (ИКО-2) основан на определении числа импульсов, нарушающих структуру линейного кода. Число нарушений, подсчитанное относительно общего числа импульсов, прошедших линейный тракт, определяет коэффициент ошибки.

Измерения с помощью ИКО-1 проводятся двумя способами: “по шлейфу” и “по направлению”.

При измерениях “по шлейфу” генератор испытательного сигнала и управляемый им анализатор кодовой последовательности находятся на одном конце тракта, а “шлейф” создается либо в регенераторе.

В случае измерения “по направлению” генератор испытательного сигнала и анализатор находятся на различных концах тракта, при этом в анализаторе вырабатывается сигнал, аналогичный испытательному сигналу генератора и синхронный с входным сигналом.

ИКО-1 может использоваться вместе с аттенюатором для определения энергетического запаса регенерационного участка.

Схема измерения показана на рисунке 1.2. Величина энергетического запаса определяется затуханием аттенюатора, при котором значение коэффициента ошибок равно допустимой величине.

8

Рисунок 1.2 – Схема измерения коэффициента ошибок

1.2.2. Глаз – диаграмма

Удобным и простым графическим методом оценки качества цифрового сигнала является глаз-диаграмма. Она представляет собой результат наложения всех возможных импульсных последовательностей в течение промежутка времени, равного двум или более тактовым интервалам цифрового сигнала.

Глаз-диаграмму можно наблюдать на осциллографе, если на его вход подать случайный или псевдослучайный ЛЦС, а синхронизацию развертки осциллографа осуществлять сигналом тактовой частоты (рисунок 1.3).

ВАЖНО! Глаз – диаграмму имеет смысл наблюдать на выходе корректора регенератора, так как при этом оценивается качество коррекции сигнала и запас помехозащищенности.

Линии глаз-диаграммы показывают, каким образом изменяются напряжения ЛЦС при переходе от одного символа к другому.

Внешняя ВТЧ синхронизация

Рисунок 1.3. – Наблюдение глаз – диаграммы

Рисунок 1.4 поясняет процесс формирования глаз – диаграммы на примере цифрового сигнала в формате NRZ.

9

Рисунок 1.4. – Пример формирования глаз – диаграммы

На рисунке 1.5 приведен пример глаз - диаграммы для троичного (возможные уровни -1, 0, +1) линейного сигнала при косинус-квадратной форме

10