Проектирование устройства передачи данных по радиоканалу

Содержание

Введение

1. Аналитический обзор

1.1 Обзор способов кодирования-декодирования информации

1.2 Сравнительный анализ способов кодирования декодирования информации

1.3 Анализ аппаратной реализации

1.4 Сравнительный анализ способов аппаратной реализации

1.5 Выводы по аналитическому обзору

2. Разработка структурной схемы

3. Синтез схемы электрической принципиальной

3.1 Выбор цифрового сигнального процессора

3.2 Выбор кодека

3.3 Выбор драйвера интерфейса RS - 232

3.4 Выбор памяти с ультрафиолетовым стиранием

3.5 Выбор вспомагательных элементов схемы

4. Разработка алгоритма программы

4.1 Блок инициализации

4.2 Интерфейс приема / передачи

5. Разработка программного обеспечения

6. Технико-экономический расчет

7. Охрана труда

Приложение

Введение

Необходимость приёма и передачи информации беспокоило человечество всегда. В современном , насыщеном компьютерной техникой мире, это получило наиболее широкое распространение. Возможность соединения нескольких компьютеров, находящихся на расстоянии позволяющим соединить их эл. проводом, и доступ к их данным, добавила качественно новую ступень к использованию возможностей современных ЭВМ. Такое соединение называется локальной сетью. Также после этого появилось и понятие глобальной сети, при этом компьютеры могут не находиться рядом, а допустим в разных городах. При таком соединении используется специальное устройство называемое "модем". Связь при этом обеспечивается по телефонной линии.

Модем - это сокращение от МОдулятор - ДЕМодулятор.

Также еще существует способ приёма и передачи информации между компьютерами по радиоканалу. В этом случае также используется устройство модуляции/демодуляции (модем). При этом с компьютером и модемом используется также отдельное устройство - блок приёма и передачи информации по радиоканалу. Это достаточно громоздкое устройство и каждый пользователь ЭВМ, конечно, не может себе его приобрести. Но такая комбинация технических средств очень эффективна при связи двух объектов находящихся на очень большом расстоянии и не обладающими доступом к телефонной линии. Например, это могут быть судно, находящееся в рейсе и порт приписки передающий информацию со спутника о надвигающейся буре.

Конечно, модем в этом случае будет по функциям отличаться от модема работающего с телефонной линией. Т.к. тут нет понятия дозвона до абонента, дуплексная связь также здесь не допустима. В принципе функции дозвона и другие берет на себе блок приёма и передачи информации по радиоканалу. Модем же только ожидает получение сигнала , производит его демодуляцию, образуя цифровой код, и передает его в компьютер. При передаче, модем принимает цифровой код, модулирует его, преобразует в аналоговый сигнал и передает в блок передачи информации по радиоканалу.

В наше время технология производства интегральных микросхем, микроконтроллеров и т.п. находится на очень высоком уровне, постоянно совершенствуется и изобретает все новые виды микрочипов. Одним из таких микрочипов является DSP - digital signal processor ( цифровой сигнальный процессор). Это идеальное средство для обработки сигналов. Имея встроенный язык программирования, он позволяет его настраивать на любую работу необходимую электронщику. Практически во всех современных модемах независимо от назначения установленны DSP.

В данном дипломном проекте мы будем проектировать устройство, которое будет принимать и передавать данные по радиоканалу, при этом выполняя кодирование и декодирование информации, используя цифровой сигнальный процессор (DSP).

1. Аналитический обзор

1.1 Обзор способов кодирования - декодирования информации

Для выбора необходимого пути проектирования устройства требуется провести анализ современных способов и средств кодирования-декодирования информации.

С начала рассмотрим способы решения кодирования-декодирования информации. Для этого рассмотрим современные способы модуляции - демодуляции сигнала.

Как сказано выше модемы модулируют сигнал для передачи по телефонным или радио каналам, но сигнал может быть промодулирован разными способами.

Модуляция - изменение одного или нескольких параметров несущего синусоидального колебания (амплитуды, частоты, фазы) в соответствии со значениями двоичной информации, передаваемой источником.

В модемах используется разновидность модуляции, так называемая "манипуляция", при которой указанные модулируемые параметры могут иметь только фиксированные значения из некоторого определенного набора.

Модуляция позволяет согласовать спектр передаваемого информационного сигнала с полосой пропускания телефонного или радио канала. При малых скоростях передачи (до 1200 бит/с) в модемах применяется частотная модуляция, реализация которой на таких скоростях наиболее проста. При средних скоростях передачи (1200 - 4800 бит/с) используется дифференциальная разностная модуляция с числом возможных изменений фазовых положений от двух (1200 бит/с) до восьми (4800 бит/с) (фазовая модуляция). Передаваемые значения цифровой информации содержатся в приращениях фазы между данным и предыдущим элементом модулированного сигнала. При больших скоростях передачи (>4800 бит/с) и при передаче по коммутируемым каналам с частотным разделением направлений передачи, начиная с 2400 бит/с, используется комбинированная амплитудно-фазовая модуляция). При использовании этого вида модуляции цифровая информация содержится как в значении амплитуды, так и в приращениях фазы несущей частоты. При амплитудно-фазовой и многопозиционной фазовой модуляциях количество возможных позиций модулированного сигнала (или количество векторов сигнала) более двух. В этом случае один элемент модулированного сигнала содержит несколько битов цифровой информации (это число равно двоичному логарифму от количества возможных векторов модулированного сигнала).

Фазовая модуляция:

При использовании так называемой относительная фазовая манипуляция (phase shift keying, PSK), т.е. модуляция, при которой фаза несущей принимает только фиксированные значения из ряда допустимых значений (например, 0 , 90 , 180 и 270 град.), а информация закладывается в изменения фазы несущего колебания. При указанном выше наборе возможных фаз каждому изменению фазы соответствует определенное значение дибита, т.е. двух последовательных битов информации. Фазовая манипуляция относится к двухполосным методам модуляции, т.е. спектр модулированного сигнала располагается симметрично относительно несущей частоты, а ширина спектра в Гц на уровне 0,5 от его значения на несущей частоте равна модуляционной линейной скорости , выраженной в Бодах. Наиболее часто используются в модемах такие разновидности фазовой манипуляции, как относительная фазовая манипуляция (ОФМ) /скорость 1200 бит/с, два положения фазы/, четырехпозиционная (или квадратурная фазовая манипуляция /2400 бит/с, четыре положения фазы/) и восьмипозиционная (4800 бит/с, восемь положений фазы). Иногда в литературе указанные виды манипуляции называются соответственно ФРМ (фазоразностная модуляция), ДОФМ (двухкратная фазовая модуляция) и ТОФМ (трехкратная фазовая модуляция). Дальнейшее увеличение числа позиций с целью повышения скорости приводит к резкому снижению помехоустойчивости, поэтому на более высоких скоростях стали применяться комбинированные амплитудно-фазовые методы модуляции .

Амплитудно - фазовая модуляция :

В данном виде модуляции для повышения пропускной способности используется одновременная манипуляция двух параметров несущего колебания: амплитуды и фазы. Каждый возможный элемент модулированного сигнала (вектор сигнала или точка сигнального пространства) характеризуется значением амплитуды и фазы.

Для дальнейшего повышения скорости передачи количество "точек" пространства модулированного сигнала увеличивается в число раз, кратное двум. В настоящее время в модемах используются методы амплитудно-фазовой модуляции с числом возможных позиций сигнала до 256. Это означает, что скорость передачи информации превышает модуляционную линейную скорость до 7 раз.

Для обеспечения максимальной помехоустойчивости точки сигнального пространства размещаются на равном расстоянии с огибающей всех точек в форме квадрата (16-ти позиционная квадратурная АМ), восьмиугольника и т.п. Увеличение числа позиций сигнала приводит к быстрому снижению помехо-устойчивости приема.

Радикальным средством обеспечения помехоустойчивой передачи стало применение сочетания модуляции с "решетчатым" кодированием. При использовании этого метода вводится некоторая избыточность в пространство сигналов и за счет этого создаются корреляционные связи между передаваемыми сим-волами. Благодаря этому на приеме на основе анализа последо-вательности принятых элементов модулированного сигнала возможно выявление и исправление ошибок. Практически это дает значительное повышение помехоустойчивости приема.

Разновидность амплитудно-фазовой модуляции - 16-ти позиционная квадратурная АМ (сигнальное пространство 4х4 точек в форме квадрата, точки равноудалены одна от другой, и по 4 точки в каждом квадрате) используется в дуплексных модемах.

Частотная модуляция: ( Frequency shift keying, FSK )

В модемах используется так называемая частотная манипуляция, при которой каждому значению бита информации ("1" и "0") соответствует определенная частота синусоидального сигнала.

Спектральные характеристики сигналов с частотной манипуляцией допускают относительно простую реализацию модемов до скоростей 1200 бит/с.

Модуляция с минимальным сдвигом (MSK)

MSK - это продолжение частотной модуляции, при которой разница частот "1" и "0" по модулю всегда равны половине скорости передачи данных. Т.е. индекс модуляции m=0.5, определяется следующим образом:

Например: если скорость передачи данных 1200 бит/сек, то частота "1" 1200Hz, а частота "0" 1800Hz. См. рис. 1.1.1

Рис. 1.1.1 а) Цифровые данные b) MSK сигнал

Рис. 1.1.2 MSK модулятор

Гауссова модуляция с минимальным сдвигом (GMSK )

GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying) - гауссовская манипуляция с минимальным частотным сдвигом.

В стандарте GSM применяется спектрально-эффективная гауссовская частотная манипуляция с минимальным частотным сдвигом (GMSK). Манипуляция называется "гауссовской" потому, что последовательность информационных бит до модулятора проходит через фильтр нижних частот (ФНЧ) с характеристикой Гаусса, что дает значительное уменьшение полосы частот

Рисунок 1.3. - Структурная схема GMSK - модуляции

Формирование GMSK радиосигнала осуществляется таким образом, что на интервале одного информационного бита фаза несущей изменяется на 90°. Это наименьшее возможное изменение фазы, распознаваемое при данном типе модуляции. Непрерывное изменение фазы синусоидального сигнала дает в результате частотную модуляцию с дискретным изменением частоты. Применение фильтра Гаусса позволяет при дискретном изменении частоты получить "гладкие переходы". В стандарте GSM применяется GMSK-модуляция с величиной нормированной полосы ВТ - 0,3, где В - ширина полосы фильтра по уровню минус 3 дБ, Т - длительность одного бита цифрового сообщения.

Модуляцию GMSK отличают следующие свойства, которые предпочтительны для подвижной связи:

• постоянная по уровню огибающая, которая позволяет использовать эффективные передающие устройства с усилителями мощности в режиме класса С;

• компактный спектр на выходе усилителя мощности передающего устройства, обеспечивающий низкий уровень внеполосного излучения;

• хорошие характеристики помехоустойчивости канала связи.

Импульсно - кодовая модуляция:

Наряду с использованием аналоговых (АМ) можно использовать импульсные методы модуляции, в частности, амплитудно-импульсную модуляцию (АИМ), что позволяет улучшить энергетические характеристики процесса передачи в целом, если учесть, что длительность излучаемого импульса может быть мала по сравнению с периодом несущей. Импульсные методы модуляции основаны на процессе дискретизации передаваемого аналогового сигнала, т.е. использовании последовательности выборок (выборочных значений) аналогового сигнала, взятых периодически с частотой дискретизации fд. Она выбирается из условия возможности последующего восстановления аналогового сигнала без искажений из дискретизированного сигнала с помощью фильтра нижних частот.

Следующим логичным шагом может быть квантование амплитуд импульсных выборок - процесс определения для каждой выборки эквивалентного ей численного (цифрового значения). Указанные два шага (дискретизация и квантование) определяют процессы, осуществляемые при импульсно-кодовой модуляции. Они позволяют перейти от аналогового представления речевого сигнала к цифровому.

Численное значение каждой выборки в этой схеме может быть далее представлено (закодировано) в виде 7 или 8 битного двоичного кода (на практике при использовании аналого-цифровых преобразователей (АЦП двоичное кодирование осуществляется непосредственно при квантовании). Такое кодирование (часто называемое кодификацией дает возможность передать 128 или 256 дискретных уровней амплитуды речевого сигнала, обеспечивая качественную передачу речи формально с динамическим диапазоном порядка 42 или 48 дБ. Учитывая, что выборки должны передаваться последовательно, получаем двоичный цифровой поток со скоростью 56 кбит/с (8 кгц х 7 бит) в случае 7 битного кодирования или 64 кбит/с (8 кГц х 8 бит) в случае 8 битного кодирования.

Использование ИКМ в качестве метода передачи данных позволяет:

Для систем цифровой телефонии - ликвидировать недостатки присущие аналоговым методам передачи, а именно:

•убрать существенное затухание сигнала и его изменение в сеансе связи и от сеанса к сеансу;

•практически убрать посторонние шумы;

•улучшить разборчивость речи и увеличить динамический диапазон речи.

Перспективные способы модуляции:

OCDM-модуляция :

В широкополосных сигналах, получаемых мультиплексированием нескольких широкополосных сигналов с ортогональным кодовым уплотнением (Orthogonal Code Division Multiplex -- OCDM), используется одновременно несколько широкополосных каналов на одной частоте. Каналы разделяются за счет применения ортогональных PN-кодов. Фирма Sharp анонсировала 10-мегабитный модем, построенный по этой технологии. Фактически одновременно передаются 16 каналов с 16-чиповыми ортогональными кодами. В каждом канале применяется BPSK, затем каналы суммируются аналоговым методом. Вследствие суммирования независимых каналов возникает довольно сильная паразитная AM, что требует использования линейного усилителя мощности и вызывает большее потребление энергии.

Data Mux -- мультиплексор входных данных

BPSK -- блок фазовой модуляции

Spread -- блок расширения спектра методом прямой после-довательности ; Sum -- выходной сумматор

Рисунок 1.4 - Схема OCDM модуляции (16 Spread-каналов по 0,68 кбит/с = 10 Мбит/с)

OFDM-модуляция

Широкополосные сигналы, получаемые мультиплексированием нескольких широкополосных сигналов с ортогональным частотным уплотнением (Оrthogonal Frequency Division Multiplex -- OFDM), представляют собой одновременную передачу на разных несущих частотах сигналов с фазовой модуляцией. Одним из ее преимуществ является высокая устойчивость к провалам в спектре, возникающим вследствие многолучевого затухания. Модуляция обеспечивает наименьшую интерференцию и спектр, весьма похожий на спектр "белого шума". Обработка OFDM обычно происходит с использованием быстрого преобразования Фурье (БПФ) и инверсного БПФ, что приводит к усложнению схем декодирования по сравнению с более простым типом модуляции.

Применяется OFDM в современных системах наземного цифрового ТВ-вещания (DTTV) в диапазонах ОВЧ/УВЧ.

Data mux - мультиплексор входных данных

Channel - частотный канал

BPSK -- блок фазовой модуляции

Sum -- сумматор частотных каналов

Рисунок 1.5 - Схема OFDM-модуляции (16 независимых каналов по 0,68 кбит/с = 10 Мбит/с)

Похожие работы

Разработка локальной сети и защита передачи данных на основе перспективных технологий

Скачать

134036

26

14

... части локальной сети не позволяют останавливаться на известных достигнутых результатах и побуждают на дальнейшее исследование в дипломной работе в направлении разработки локальной сети с беспроводным доступом к ее информационным ресурсам, используя перспективные технологии защиты информации. 2. Выбор оборудования, для перспективных технологий СПД   2.1 Выбор передающей среды Зачастую перед ...

Структурные схемы цифровых радиопередающих устройств

Скачать

20961

1

9

... телекоммуникаций может потребоваться не одна смена стандарта связи без смены комплекта приемо-передающей аппаратуры. Все это возможно в более сложных цифровых радиопередающих устройствах, построенных на основе специализированных цифровых процессоров передатчиков (TSP), которые будут рассмотрены в следующей главе. 2. Цифровые синтезаторы частоты с косвенным синтезом (ФАПЧ) Современные ...

Решение проблемы топологии и установки устройств физического уровня

Скачать

29687

1

5

... сети также входит в физический уровень. Независимо от того, является ли сеть кольцевой сетью с маркерным доступом, звездоподобной сетью, или имеет гибридную конфигурацию, решение о топологии сети принимается с учетом физического уровня. В физический уровень также входит конфигурация кластеров высокой готовности. По большому счету нужно помнить о том, что если физические устройства не знают о ...

Теория проектирования удаленных баз данных

Скачать

102741

6

12

... на будущее. DAO и RDO известны уже достаточно давно, и появление двух разных механизмов было связано с необходимостью оптимизации решения двух отдельных задач: доступа к локальным и удаленным базам данных соответственно. Однако естественное развитие вычислительных систем привело к необходимости создания единого механизма, который обеспечил бы единый подход при работе с БД различных классов. В ...