close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Diyazitdinov Tsurkanu Kompleks lab rabot po teme sinhronizaciya po signalam CPHC

код для вставкиСкачать
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
ПОВОЛЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ И ИНФОРМАТИКИ
Диязитдинов Р. Р., Цуркану Д. Н.
Комплекс лабораторных работ по теме
«Синхронизация по сигналам СРНС».
Методические указания к лабораторным работам
по дисциплине «Системы связи с подвижными объектами»
Самара - 2015
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО СВЯЗИ
Федеральное государственное образовательное бюджетное учреждение высшего
профессионального образования
Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики
Кафедра «Системы связи»
КОМПЛЕКС ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ
«СИНХРОНИЗАЦИЯ ПО СИГНАЛАМ СРНС»
Методические указания
к лабораторной работе по дисциплине
«Системы связи с подвижными объектами»
Составители: Диязитдинов Р.Р.,
Цуркану Д.А.
Самара, 2015 г.
2
Диязитдинов Р.Р., Цуркану Д.А. Комплекс лабораторных работ по теме
«Синхронизация по сигналам СРНС». Методические указания к лабораторным работам по
дисциплине «Системы связи с подвижными объектами» для студентов специальностей
210404 (Многоканальные телекоммуникационные системы), 210406 (Сети связи и системы
коммутации), 090106 (Информационная безопасность телекоммуникационных систем),
210402 (Средства связи с подвижными объектами), 210302 (Радиотехника), 210405
(Радиосвязь, радиовещание и телевидение), 10.03.01 (Информационная безопасность),
11.03.01 (Радиотехника), 11.03.02 (Инфокоммуникационные технологии и системы связи),
09.03.02 (Информационные системы и технологии) – Самара: ПГУТИ, 2015. – 48 с., ил.
Рецензент:
д.т.н., доц. Иващенко А.В., профессор кафедры информационных
систем и технологий Самарского государственного аэрокосмического университета им.
Академика С.П.Королева (национальный исследовательский университет)
Методические указания предназначены для студентов очной формы обучения
специальностей 210404, 210406, 090106, 210402, 210302, 210405, 210700, 230100, 230400
служат руководством для выполнения лабораторных работ по дисциплине «Системы связи с
подвижными объектами».
Методические указания подготовлены на кафедре «Системы связи».
Методические указания рекомендованы к
изданию методическим Советом
ПГУТИ
© ФГОБУ ВПО ПГУТИ
© Диязитдинов Р.Р.
© Цуркану Д.А.
2015
3
Содержание
Введение………………………………………………………………………………4
Лабораторная работа №1....................... …………………………………………...5
Лабораторная работа №2.........................................................................................22
Лабораторная работа №3.........................................................................................32
Лабораторная работа №4.........................................................................................42
4
Введение
Спутниковые радионавигационные системы относятся к классу систем связи с
подвижными объектами, которым присущи такие особенности как: высокий уровень помех,
многолучевое распространение, значительное ослабление сигнала при прохождении по
радиоканалу, и как следствие, достаточно скромная пропускная способность. Для
спутниковой радионавигации используются методы передачи, которые позволяют снизить к
минимуму сбои системы связи: длительный радиокадр и двухпозиционная фазовая
манипуляция, необходимые для поддержания высокого отношения сигнал/шум, а также
манчестерский код для бесперебойной работы системы синхронизации.
Учащимся предлагается изучить вопросы синхронизации по сигналам спутниковых
радионавигационных систем (СРНС). В курс лабораторных работ включено четыре работы.
В них исследуются устройства фазовой автоподстройки частоты в виде самостоятельного
блока и в качестве составного блока, учитывающего обратную связь по решению,
особенности работы схем тактовой синхронизации и помехозащищенность цикловой
синхронизации отечественных систем ГЛОНАСС.
Лабораторный практикум построен таким образом, что большинство лабораторных
работ является частью комплексных лабораторно-практических занятий. Это способствует
не только знакомству студентов с методами измерений в системах передачи, но и выработке
у них навыков проведения самостоятельных исследований.
Перечень лабораторных работ, порядок их выполнения и объем отводимого времени
устанавливается графиком лабораторного практикума, составляемым для каждой
специальности отдельно. Лабораторные работы выполняются студентами дневной формы
обучения.
5
Лабораторная работа №1
Исследование характеристик цифрового устройства фазовой автоподстройки частоты
(ФАПЧ)
1 Цель работы
Изучение принципов работы устройства ФАПЧ. Лабораторная работа включает
знакомство с функциональной схемой ФАПЧ, с физическими процессами, лежащими в
основе работы ФАПЧ, а также определение характеристик ФАПЧ.
2 План работы
1. Исследовать влияния первоначального сдвига фазы и частотного рассогласования
ГУН на время синхронизации выходного сигнала ГУН с входным сигналом
2. Исследовать влияния частотного рассогласования ГУН и резонансной частоты
контура ФАПЧ на ошибку слежения
3. Исследовать влияния частотного рассогласования ГУН и резонансной частоты
контура ФАПЧ на время синхронизации выходного сигнала ГУН с входным сигналом
4. Исследовать влияния частотного рассогласования ГУН и резонансной частоты
контура ФАПЧ на ошибку слежения
5. По таблицам построить графики зависимости и сделать выводы.
3 Литература
1. Б. Скляр – Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение, 2-е
издание.: Пер. с англ. – М.: Издательский дом «Вильямс», 2003 г, с. 1104.
2. Д. Прокис – Цифровая связь. М.: Радио и связь. 2000 г, – с. 800.
4 Подготовка к работе
1. Для подготовки к лабораторной работе и ее успешной защиты достаточно изучить
приложения к настоящей лабораторной работе (П. 1.1-1.5). Для более детального изучения
целесообразно обратиться к описанию алгоритма работы ФАПЧ, которые можно найти в
предложенной литературе.
2. Изучение материала рационально строить в соответствии с приведенными ниже
контрольными вопросами.
3. Подготовить бланк отчета по лабораторной работе, требования к содержанию
которого сформулированы в разделе 7.
5 Контрольные вопросы
1. Опишите принцип работы схемы ФАПЧ?
2. Каким образом работает ГУП?
3. Каким образом оценивается фаза между входным сигналом и сигналом ГУН?
4. Поясните идею линеаризованной модели.
5. Для чего необходим петлевой фильтр?
6. Запишите основные частотные соотношение в линеаризованном контуре ФАПЧ.
Нарисуйте график АЧХ. Укажите на ней резонансные частоты.
6 Содержание работы
Вся работа делиться на четыре части:
1) исследование влияния первоначального сдвига фазы и частотного рассогласования
ГУН на время синхронизации выходного сигнала ГУН с входным сигналом
2) исследование влияния частотного рассогласования ГУН и резонансной частоты
контура ФАПЧ на ошибку слежения
3) исследование влияния частотного рассогласования ГУН и резонансной частоты
контура ФАПЧ на время синхронизации выходного сигнала ГУН с входным сигналом
6
4) исследование влияния частотного рассогласования ГУН и резонансной частоты
контура ФАПЧ на ошибку слежения
6.1 Исследование влияния первоначального сдвига фазы и частотного рассогласования
ГУН на время синхронизации выходного сигнала ГУН с входным сигналом
1. Выполнение работы производиться в программе «Matlab». Запустите эту программу
с помощью ярлыка на рабочем столе.
2. Запустите скрипт «run_lb_01.m». В результате откроется окно (см. рис. 1.1). В
верхнем окне будет представлены сигналы на входе и на выходе ФАПЧ. В нижнем окне
ошибка слежения (разность сигналов).
Рис. 1.1 – Экранная форма, выводящая сигналы на входе и выходе ФАПЧ
3. Откройте файл конфигурации «config.m», который задает параметры устройства
(см. рис. 1.2). Для выполнения лабораторной работы необходимо изменение только трех
параметров:
–  (phi) – первоначальный сдвиг фаз,
f
– fp
–
(df) – частотное рассогласование ГУН,
(fr) – резонансной частоты ФАПЧ.
7
Рис. 1.2 – Файл конфигурации
4. Изменяя параметры  (phi) (первоначального сдвига фазы) и f (df)
(частотного рассогласования ГУН) согласно параметрам, указанным в табл. 1.1 определите
время синхронизации сигнала ГУН с входным сигналом (см. рис. 1.3).
Рис. 1.3 – Определение времени синхронизации
8
f

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
,
рад
0,00
0,01π
0,02π
0,05π
0,07π
0,10π
0,20π
0,50π
0,70π
0,10π
0,12π
0,15π
0,17π
2,00π
0
1
2
3
4
Табл. 1.1 – Зависимость времени
синхронизации от  и f , с
, Гц
5
6
7
8
9
5. Постройте графики зависимости времени синхронизации от первоначального
сдвига фаз  при f = 0 Гц, 1 Гц, 5 Гц, 9 Гц.
Сделайте вывод.
6.2 Исследование влияния частотного рассогласования ГУН и резонансной частоты
контура ФАПЧ на ошибку слежения
6. Изменяя параметры f (df) (частотного рассогласования ГУН) и резонансной
частоты ФАПЧ
fp
(fr) согласно параметрам, указанным в табл. 1.2, определите ошибку
слежения. Для этой цели воспользуйтесь специальным инструментом «лупой» (см. рис. 1.4).
Рис. 1.4 – Инструмент «лупа»
9
Рис. 1.5 – Использование «лупы»
На участке, где переходные процессы завершились, с использованием «лупы»
увеличьте масштаб отображения сигнала (см. рис. 1.5). По увеличенному участку определите
ошибку слежения (см. рис. 1.6). Чтобы восстановить первоначальный масштаб, нажмите
правую клавишу мыши в любом месте графика.
Рис. 1.6 – Определение ошибки слежения
Табл. 1.2 – Зависимость ошибки слежения от
f

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
,
рад
0,00
0,01π
0,02π
0,05π
0,07π
0,10π
0,20π
0,50π
0,70π
0,10π
0,12π
0,15π
0,17π
2,00π
0
1
2
3
4
 и f
,В
, Гц
5
6
7
8
9
10
7. Постройте графики зависимости времени синхронизации от первоначального
сдвига фаз  при f = 0 Гц, 1 Гц, 5 Гц, 9 Гц.
Сделайте вывод.
6.3 Исследование влияния частотного рассогласования ГУН и резонансной частоты
контура ФАПЧ на время синхронизации выходного сигнала ГУН с входным сигналом
8. Изменяя параметры f (df) (частотного рассогласования ГУН) и резонансной
частоты ФАПЧ
fp
(fr) согласно параметрам, указанным в табл. 1.3, определите время
синхронизации сигнала ГУН с входным сигналом.
Табл. 1.3 – Зависимость времени
f p и f
синхронизации от
f
fp,
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Гц
10
15
20
25
30
40
50
60
80
100
0
1
2
3
4
,с
, Гц
5
6
7
8
9
9. Постройте графики зависимости времени синхронизации от резонансной частоты
ФАПЧ
f p при f
= 0 Гц, 1 Гц, 5 Гц, 9 Гц.
Сделайте вывод.
6.4 Исследование влияния частотного рассогласования ГУН и резонансной частоты
контура ФАПЧ на ошибку слежения
10. Изменяя параметры f (df) (частотного рассогласования ГУН) и резонансной
частоты ФАПЧ
fp
(fr) согласно параметрам, указанным в табл. 1.4, определите ошибку
слежения.
Табл. 1.4 – Зависимость ошибки
слежения от
f
f p,
1
2
Гц
10
15
0
1
2
3
4
f p и f
,В
, Гц
5
6
7
8
9
11
3
4
5
6
7
8
9
10
20
25
30
40
50
60
80
100
11. Постройте графики зависимости времени синхронизации от резонансной частоты
ФАПЧ
при
f
fp
= 0 Гц, 1 Гц, 5 Гц, 9 Гц.
Сделайте вывод.
7 Содержание отчета
Отчет должен содержать:
1. Титульный лист с указанием номера и наименования работы, ф.и.о. студента и
номера группы.
2. Цель работы.
3. Таблицы 1.1-1.4.
4. Графики зависимости времени синхронизации и ошибки слежения согласно п. 5,7,9
и 11.
5. Выводы по проделанной лабораторной работе.
12
Приложение 1.1
Структурная схема контура фазовой
автоподстройки частоты
Структурная схема контура фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) показана на
рис. П.1.1.1.
Рис. П.1.1.1 – Структурная схема контура ФАПЧ
В состав контура входит фазовый детектор, представляющий собой умножитель с
K d , петлевой фильтр F S , который формирует управляющее
сигнал ошибки) et и генератор управляемый напряжением (ГУН).
коэффициентом усиления
напряжение (или
Прежде чем переходить к рассмотрению принципов функционирования контура, поясним
как работает ГУН.
13
Приложение 1.2
Генератор управляемый напряжением
(ГУН) и его свойства
Следящий контур фазовой автоподстройки частоты должен постоянно вести
сопровождение входного сигнала по фазе. Соответственно, генератор, входящий в состав
контура должен «уметь» перестраиваться по фазе. Для этого разработаны генераторы
управляемые напряжением (ГУН), мгновенная частота сигнала на выходе которых зависит от
управляющего напряжения как это показано на рис. П.1.2.1.
Рис. П.1.2.1 – Генератор управляемый напряжением
На входе генератора управляющее напряжение (сигнал ошибки)
сигнал, полная фаза
t которого равна (все что под косинусом)
et , а на выходе
t
t    0  t  K 0  et dt
0
Тогда мгновенная частота на выходе генератора
t
t    0  t  K 0  et dt
0
 t  
t 
  0  K 0  et 
dt
представляет собой производную от полной фазы и пропорциональна текущему

управляющему напряжению e t , где K 0 – коэффициент пропорциональности.
На рис. П.1.2.2 показан пример зависимости мгновенной частоты на выходе ГУН от
управляющего напряжения
et 
Рис. П.1.2.2 – Мгновенная частота на выходе ГУН
14
Приложение 1.3
Анализ структурной схемы контура ФАПЧ
Рассмотрим теперь структурную схему показанную на рисунке П.1.1.1. Для
упрощения введем следующее обозначение:
t
 t   K 0   et dt
0
тогда сигнал на выходе ГУН равен
детектора:
cos 0 t   t , а сигнал на выходе фазового
vt   K d sin  0 t   t  cos 0 t   t 
K
K
vt   d sin 2 0 t   t    t   d sin  t   t 
2
2
Сигнал на выходе фазового детектора представляет собой сумму сигнала на

удвоенной частоте 2 0 и сигнала зависящего от разности фаз входного сигнала и ГУН.
Петлевой фильтр представляет собой ФНЧ, который подавляет сигнал на удвоенной частоте,
тогда на выходе петлевого фильтра получим управляющий сигнал
et  
et :
Kd
K
sin  t   t   d sin  t 
2
2
Управляющий сигнал на выходе петлевого фильтра пропорционален синусу разности
фаз принятого и опорного сигналов.
15
Приложение 1.4
Линеаризованная модель контура ФАПЧ
Построим модель контура ФАПЧ, а также рассмотрим его передаточную
H s . Для начала вспомним, что ГУН интегрирует сигнал ошибки et ,
K0
согласно (2), значит, его передаточная характеристика равна
, вместе с тем сам сигнал
s
характеристику
ошибки выражается как синус разности фаз согласно (4). Тогда можно представить модель
контура ФАПЧ, как это показано на рис. П.1.4.1.
Рис. П.1.4.1 – Модель контура ФАПЧ
В модель на рис. 15 входит нелинейный элемент, вычисляющий синус разности фаз
принятого и опорного колебания, что существенно затрудняет аналитический анализ
передаточной характеристики контура ФАПЧ. Однако можно обратить внимание, что в
 t стремится сравняться с  t  , их
 t    t   t   0 , тогда
установившемся режиме слежения за фазой когда
разность
стремится
к
нулю,
т.е.
1
1
1
sin     , причем коэффициент может быть учтен в коэффициенте K d
2
2
2
передаточной функции ГУН. Таким образом, в установившемся режиме, нелинейный
элемент может быть исключен, и модель контура ФАПЧ показана на
рис. П.1.4.2.
Рис. П.1.4.2 – Линеаризованная модель контура ФАПЧ




Обозначим как  s и  s образы по Лапласу  t и  t соответственно,
тогда можно записать следующее операторное уравнение линеаризованного контура ФАПЧ:
 s   s    s  
Раскроем скобки:
K d K 0 F s 
s
16
 s    s  
K d K 0 F s 
K K F s 
  s   d 0
s
s
откуда можно выразить передаточную характеристику контура ФАПЧ:
H s  
K d K 0 F s  / s
K d K 0 F s 
 s 


 s  1  K d K 0 F s  / s s  K d K 0 F s 
До текущего момента мы не обсуждали свойства передаточной характеристики
петлевого фильтра
F s  ,
однако мы говорили, что нам требуется порядок астатизма
H s должна содержать полиномы второй степени. Таким
образом F s должна иметь первый порядок. Зададим F s  в виде:
K
F s   K p  i
s
где K p и K i – пропорциональный и интегральный коэффициенты.
Сигнал ошибки в этом случае et можно выразить, если вспомнить, что 1/s в
контура равный двум, а значит
операторном виде соответствует интегратору, тогда:
t
et   K d K 0   K d K i  dt
0
Получим передаточную характеристику линеаризованного контура ФАПЧ:
K 

Kd K0  K p  i 
K d K 0 F s 
s 



H s 

K 
s  K d K 0 F s 

s  Kd K0  K p  i 
s 

K K K
Kd K0K p   d 0 i
K d K 0 K p s  K d K 0 K i
s
H s  

Kd K0 Ki
s 2  s  K d K 0 K i
s  Kd K0K p  
s
Для упрощения введем следующие обозначения:
K d K 0 K i   2p , K d K 0 K p
H s  
 2 p
2 p s   2p
s 2  2 p s   2p
Получили, что линеаризованный контур ФАПЧ представляет собой фильтр второго
порядка с резонансной частотой
 p и коэффициентом затухания (демпинг фактором) 
Комплексный коэффициент передачи линеаризованного контура ФАПЧ равен:
17
H  j  
 2p  j  2 p 
 2p   2  j  2 p s 
АЧХ линеаризованного контура ФАПЧ равна:
H  j  

 4p  4 2  2  p 2
2
p
 2

2
 4 2  2  p 
2
18
Приложение 1.5
Основные частотные соотношения
в линеаризованном контуре ФАПЧ
  0 АЧХ линеаризованного контура ФАПЧ равна: H  j   1.
При    p получим:
При
H  j p  
 4p  4 2  p 4
4  p
2
4

1
2
1  4
2
.
На резонансной частоте АЧХ линеаризованного контура ФАПЧ всегда больше
единицы, причем при устремлении
При
  получим:
 к нулю H  j p  стремится к бесконечности.
H  j   lim H  j   lim
 
Таким
1

образом
 
АЧХ

2
 
4
контура
2
 lim
ФАПЧ
1
  
0
убывает
как
(20 дБ/декада).
Рассмотрим частоту при которых
уравнение (19) при
Для этого необходимо решить
H  j   1относительно частоты  . Возводя в квадрат и перенося
знаменатель в левую часть получим:
2
 2p   2  4 2

H  j   1.


  2p   2   4p  4 2   2p   2

2
2 2


  4p
p
Раскрывая скобки и приводя подобные, получим:
2
  2   4p
 4p  2 2p  2  0


  0 ,   2 p
Основные частотные соотношения АЧХ линеаризованного контура ФАПЧ показаны
на рис. П.1.5.1.
19
Рис. П.1.5.1 – Основные частотные соотношения АЧХ линеаризованного контура ФАПЧ
20
Лабораторная работа №2
Исследование характеристик цифрового ФАПЧ с обратной связью по решению
1 Цель работы
Изучение принципов работы устройства ФАПЧ с обратной связью по решению.
Лабораторная работа включает знакомство с функциональной схемой ФАПЧ с ОС по
решению, с физическими процессами, лежащими в основе его работы и эффектом «обратной
работы». Исследование помехоустойчивости ФАПЧ с ОС по решению.
2 План работы
1. Исследовать работу ФАПЧ с ОС по решению в нормальном режиме работы и в
режиме «обратная работа». Зарисовать графики сигналов. Заполнить таблицу зависимости
режима работы от первоначальной фазы ГУН.
2. По полученным графикам и таблице сделать выводы.
3. Исследовать помехоустойчивость ФАПЧ с ОС по решению. По результатам
измерений заполнить таблицы и построить график зависимости частости ошибок от
2
отношения сигнал/шум ( h ).
4. По полученным графикам и таблице сделать выводы.
3 Литература
1. Б. Скляр – Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение, 2-е
издание.: Пер. с англ. – М.: Издательский дом «Вильямс», 2003 г, с. 1104.
2. Д. Прокис – Цифровая связь. М.: Радио и связь. 2000 г, – с. 800.
4 Подготовка к работе
1. Для подготовки к лабораторной работе и ее успешной защиты достаточно изучить
приложения к настоящей лабораторной работе (П. 2.1-2.3). Для более детального изучения
целесообразно обратиться к описанию алгоритма работы ФАПЧ с ОС по решению, которые
можно найти в предложенной литературе.
2. Изучение материала рационально строить в соответствии с приведенными ниже
контрольными вопросами.
3. Подготовить бланк отчета по лабораторной работе, требования к содержанию
которого сформулированы в разделе 7.
5 Контрольные вопросы
1. Зарисуйте структурную схему контура ФАПЧ с ОС по решению. Поясните принцип
ее работы.
2. Запишите выражения, показывающие, что при нормальной работе схемы на выходе
 


блока умножении всегда будет формироваться сигнал sin 2 ft  cos 2 f ГУН t  ˆ .
3. Что такое эффект обратной работы?
4. Докажите, что схема ФАПЧ не обнаруживает скачок фазы на π радиан.
5. Каким образом относительная фазовая модуляция позволяет справиться с эффектом
обратной работы?
6 Содержание работы
Вся работа делиться на две части:
1) изучение особенностей приема работы ФАПЧ с ОС по решению в зависимости от
первоначальной фазы ГУН;
2) построение графика помехоустойчивости ФАПЧ с ОС по решению.
21
6.1 ФАПЧ с ОС по решению в режиме нормальной работы и «обратной работы»
1. Выполнение работы производиться в программе «Matlab». Запустите эту программу
с помощью ярлыка на рабочем столе.
2. Запустите скрипт «run_lb_02_ch1.m». В результате откроется окно (см. рис. 2.1). В
верхнем окне будет представлены сигналы на входе ФАПЧ и на выходе ФАПЧ без учета
«знака» принятия решения. В среднем окне представлены сигналы на входе ФАПЧ и на
выходе ФАПЧ с учетом «знака» принятия решения. В нижнем окне ошибка слежения
(разность сигналов, представленных в среднем окне).
В
окне
«Command
Window»
выведен
результат
(см. рис. 2.2) показан результат декодирования сигнала.
Рис. 2.1 – Экранная форма, отображающие входные и выходные сигналы ФАПЧ с ОС по
решению
Рис. 2.2 – Результат декодирования сигналов в приемнике, работающего в составе ФАПЧ с
ОС по решению
22
2. Откройте файл конфигурации «config.m», который задает параметры устройства
(см. рис. 2.3). Для выполнения лабораторной работы необходимо изменение только трех
параметров:
–  (phi) – первоначальный сдвиг фазы,
2
– h (h_2) – отношение сигнал/шум,
– Nbits – количество передаваемых бит.
Рис. 2.3 – Файл конфигурации
2
3. Установите h   , Nbits = 15.
4. Изменяя параметры  (phi) (первоначального сдвига фазы) согласно
параметрам, указанным в табл. 2.1 определите режим работы ФАПЧ с ОС по решению.
Примечание: если частость ошибок равна «0», то это нормальный режим работы
ФАПЧ, если «1» – то «обратная работа».
Табл. 2.1 – Влияние начальной фазы ГУН на режим работы
 , рад 0,0 0,1π 0,2π .. 1,9π
частость
ошибок
режим
работы
5.
Зарисуйте
графики,
выводимые
в
программе,
при
 =0,0; 0,2π; 1,0π и 1,2π.
Сделайте вывод.
6.2 Исследование помехоустойчивости ФАПЧ с ОС по решению
6. Откройте скрипт «run_lb_02_ch2.m».
7. Nbits = 1 000 000.
2
8. Изменяя параметры h (h_2) отношение сигнал/шум согласно параметрам,
указанным в табл. 2.2 определите частость ошибок –
f ош .
h2
0,001
0,01
0,1
Табл. 2.2 – Зависимость частотсти ошибок от
0,2
0,5
1 2 5 10 20 50
100
10 lg h 2
f ош
-30
-20
-10
-7
 
-3
0
3
7
10
13
17
20
h2


10 lg f ош 
23
9. Согласно табл. 2.2 постройте график зависимости частотсти ошибок от
2
логарифмическом масштабе: 10 lg f ош  f 10 lg h
Сделайте вывод.



 
h2
в
7 Содержание отчета
Отчет должен содержать:
1. Титульный лист с указанием номера и наименования работы, ф.и.о. студента и
номера группы.
2. Цель работы.
2. Таблицы 2.1-2.2.
3. Графики сигналов согласно п.5.
2
4. Графики зависимости 10 lg f ош  f 10 lg h
.
5. Выводы по проделанной лабораторной работе.



 
24
Приложение 2.1
Работа ФАПЧ с ОС по решению
Структурная схема контура фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) с ОС по
решению показана на рис. П.2.1.1.
Рис. П.2.1.1 – Структурная схема контура ФАПЧ с ОС по решению
В состав контура входит две ветки. Первая ветка отвечает за сравнение входного
сигнала с опорным колебанием и вынесение решения. Вторая ветка представляет собой
контур ФАПЧ, в который внесен дополнительный элемент, вносящий задержку на
длительность одного символа.
Рассмотрим принцип работы данной схемы.
Входной сигнал представляет собой колебание:
xt   sin 2ft  , если передается «1»,
xt    sin 2ft  , если передается «0».
В
верхней
ветке
входное
колебание
перемножается
с
yt   sin 2f ГУН t  ˆ  и проходит через цепь интегрирования.
ˆ  0 , то:
Если xt   sin 2ft  , f  f ГУН , а 
T
T
T
0
0
0
опорным
сигналом
2
 xt   yt dt   sin 2ft   sin 2f ГУН t  ˆ dt   sin 2f dt 
 t sin 2ft  
 t sin 2ft  
T
 
  
  .
 2 4  2f  T  2 4  2f  0 2
ˆ  0 , то:
Если xt    sin 2f  , f  f ГУН , а 
T
T




x
t

y
t
dt


.

2
0
25
T
Затем
полученный
корреляционный
интеграл
 xt   yt dt
поступает
в
0
решающее устройство, отвечающее за принятия решения о передаваемом символе. Для
данной схемы принятие решения заключается в сравнении с нулем, если
T
 xt   yt dt  0 , то передавалась «1», в противном случае передавался «0».
0
В случае вынесения решения о передаче «1» формирует коэффициент «+1», который
поступает на множитель, где верхняя ветка соединяется с нижней, а в случае «0» –
формирует коэффициент «–1».
В то же самое время во второй ветке, содержащей ФАПЧ, происходит перемножение



входного сигнала yФАПЧ t  cos 2 f ГУН t  ˆ .
Для работы алгоритма, заложенного в ФАПЧ необходимо, чтобы ошибка слежения
была получена путем перемножения сигналов
Если
sin 2ft   cos2f ГУН t  ˆ .
xt   sin 2f , то при перемножении будет получено:
wt   xt  yФАПЧ t   sin 2ft   cos2f ГУН t  ˆ  .
После задержки на время передачи символа мы имеет колебание:
wt  T   sin 2ft   cos2f ГУН t  ˆ  ,
которое перемножается с коэффициентом «+1» (см. выше – коэффициент формирует схема
принятия решения):
 1  wt  T   sin 2ft   cos2f ГУН t  ˆ 
Если xt    sin 2f  , то при перемножении будет получено:
wt   xt  yФАПЧ t    sin 2ft   cos2f ГУН t  ˆ .
После задержки на время передачи символа мы имеет колебание:
wt  T    sin 2ft   cos2f ГУН t  ˆ ,
которое перемножается с коэффициентом «–1» (см. выше – коэффициент формирует схема
принятия решения):
 1  wt  T   1   sin 2ft   cos2f ГУН t  ˆ 
 1  wt  T   sin 2ft   cos2f ГУН t  ˆ 
Другими словами, благодаря задержке на время передачи символа и принятому
решению о символе, на входе петлевого фильтра (при низком уровне шумов) всегда будет
поступать колебание
работы устройства.
sin 2ft   cos2f ГУН t  ˆ ,
необходимое для нормальной
26
Приложение 2.2
Эффект «обратной работы»
Экспериментальное исследование схем детектирования ФМ-сигналов вскрыло в них
явление «обратной работы». Его суть состоит в том, что в случайные моменты времени
нарушается нормальный прием сигналов ФМ и наступает «обратная работа»: все посылки
«1» на выходе детектора превращаются в посылки «0», а посылки «0» – в посылки «1». В
некоторый случайный момент нормальный прием восстанавливается до следующего
наступления «обратной работы» и т. д.
В рассматриваемой схеме эффект «обратной работы» возникает в следующем случае.
ˆ
Положим, что в начальный момент времени 
Если
T
.
xt   sin 2ft  , то корреляционный интеграл
T
 xt   yt dt   sin 2ft   sin 2f ГУН t  ˆ dt 
0
0
T
T
T
  sin 2ft   sin 2f ГУН t   dt    sin 2 2ft dt   .
2
0
0
А при xt    sin 2ft  :
T
T




x
t

y
t
dt

.

2
0
То есть в схеме принятия решения все символы будут инвертироваться. При этом
схема ФАПЧ никак не будет сигнализировать, что на ее входе формируется какой-то
аномальный сигнал ошибки.
Если
xt   sin 2ft  , то
wt   xt  yФАПЧ t   sin 2ft   cos2f ГУН t   
После задержки:
wt  T   sin 2ft   cos2f ГУН t   
После умножения на коэффициент:
 1  wt  T   1  sin 2ft   cos2f ГУН t   
 1  wt  T   sin 2ft   cos2f ГУН t 
Если xt    sin 2ft  , то
wt   xt  yФАПЧ t    sin 2ft   cos2f ГУН t   
После задержки:
wt  T    sin 2ft   cos2f ГУН t   
После умножения на коэффициент:
 1  wt  T   1   sin 2ft   cos2f ГУН t   
 1  wt  T    sin 2ft   cos2f ГУН t   
 1  wt  T   sin 2ft   cos2f ГУН t 
27
То есть скачок фазы на π радиан никак не влияет на работу схемы ФАПЧ, но приводит
к неверной демодуляции символов.
Для борьбы с таким эффектом был разработаны схемы с относительной фазовой
модуляцией, где решение о передаваемых символах принимаются по сигнализации об
изменении фазы сигнала (то есть участвуют два символа, идущие друг за другом, для
вынесения решения).
28
Лабораторная работа №3
Исследование характеристик контура «Early-Late» тактовой синхронизации
1 Цель работы
Изучение принципов работы контура «Early-Late» тактовой синхронизации.
Лабораторная работа включает знакомство с функциональной схемой синхронизатора, с
физическими процессами, лежащими в основе его работы, а также определение
характеристик.
2 План работы
1. Исследить влияние времени задержки (τ) между меандром и сигналом тактирования
на работу схемы «Early-Late» тактовой синхронизации.
2. Исследовать влияние шума на точность оценки τ.
3. По зарисованным временным диаграммам и графикам, построенным по таблицам,
сделать выводы.
3 Литература
1. Б. Скляр – Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение, 2-е
издание.: Пер. с англ. – М.: Издательский дом «Вильямс», 2003 г, с. 1104.
2. Д. Прокис – Цифровая связь. М.: Радио и связь. 2000 г, – с. 800.
4 Подготовка к работе
1. Для подготовки к лабораторной работе и ее успешной защиты достаточно изучить
приложения к настоящей лабораторной работе (П. 3.1-3.2). Для более детального изучения
целесообразно обратиться к описанию алгоритма работы «Early-Late» тактовой
синхронизации, который можно найти в предложенной литературе.
2. Изучение материала рационально строить в соответствии с приведенными ниже
контрольными вопросами.
3. Подготовить бланк отчета по лабораторной работе, требования к содержанию
которого сформулированы в разделе 7.
5 Контрольные вопросы
1. Нарисуйте схему контура «Early-Late» тактовой синхронизации. Поясните принцип
его работы.
2. Нарисуйте временные диаграммы сигналов, описывающие работу схемы тактовой
синхронизации.
3. Выведите формулу для оценки параметра τ.
4. Расскажите об особенности работы исследуемой схемы синхронизации. Из-за чего
она возникает?
5. Нарисуйте временные диаграммы сигналов, показывающие верную и ошибочную
оценку параметра τ.
6 Содержание работы
Вся работа делиться на две части:
1) Исследование влияния времени задержки (τ) между меандром и сигналом
тактирования на работу схемы «Early-Late» тактовой синхронизации.
2) Исследование влияние шума на точность оценки τ.
29
6.1 Исследование влияния времени задержки (τ) между меандром и сигналом
тактирования на работу схемы «Early-Late» тактовой синхронизации
1. Выполнение работы производиться в программе «Matlab». Запустите эту программу
с помощью ярлыка на рабочем столе.
2. Запустите скрипт «run_lb_03.m». В результате откроется окно (см. рис. 3.1). В
верхнем окне будет представлены сигналы, отображающие реальное значение задержки и
оценку этого параметра в схеме тактовой синхронизации. В нижнем окне будет представлена
разность
Рис. 3.1 – Экранная форма, отображающие действительную и реальную задержку для
контура «Early-Late» тактовой синхронизации
3. Откройте файл конфигурации «config.m», который задает параметры устройства
(см. рис. 3.2). Для выполнения лабораторной работы необходимо изменение только трех
параметров:
– τ (tau) – действительное значение задержки между сигналом-меандром и сигналом
тактирования, заданного в интервалах дискретизации.
2
– h (h_2) – отношение сигнал/шум,
– Nbits – количество передаваемых бит.
30
Рис. 3.2 – Файл конфигурации
4. Установите h  1000 , Nbits = 100.
5. Меняя τ = -3,-2,-1,0,1,2,3, пронаблюдайте графики.
6. Зарисуйте графики при τ = -3,-2,1,3.
7. Сделайте вывод, при каких значениях τ схема синхронизации правильно оценивает
задержку, а при каких нет. Объясните причину неверной оценки.
2
6.2 Исследование влияние шума на точность оценки τ
8. Откройте файл конфигурации «config.m».
9. Установите τ = 2, Nbits = 10000.
2
10. Изменяя параметры h (h_2) отношение сигнал/шум согласно параметрам,
указанным в табл. 3.1 определите среднеквадратичную ошибку оценки τ (см. рис. 3.3).
2
Табл. 3.1 – Зависимость частотсти ошибок от h
0,001
0,01
0,1
0,2
0,5
1
2
5
10 20 50
100 
2
h
 
10 lg h 2
-30
-20
-10
-7
-3
τ, c
στ, c
0,2
0,2
0,2
0,2
0,2
0
3
7
0,2 0,2 0,2
10
13
17
20

0,2
0,2
0,2
0,2
0,2
31
Рис. 3.3 – Измерение среднеквадратичной ошибки
11. Согласно табл. 3.1 постройте график зависимости στ от 10 lg
Сделайте вывод.
h .
2
7 Содержание отчета
Отчет должен содержать:
1. Титульный лист с указанием номера и наименования работы, ф.и.о. студента и
номера группы.
2. Цель работы.
3. Рисунки, согласно п. 6.
4. Таблица 3.1.
 
 
2
5. Графики зависимости  10 lg h
.
6. Выводы по проделанной лабораторной работе.
32
Приложение 3.1
Работа контура «Early-Late» тактовой синхронизации
Структурная схема контура показана на рис. П.3.1.1.
Рис. П.3.1.1 – Структурная схема контура «Early-Late» тактовой синхронизации
Принцип работы схемы состоит в следующем: входной сигнал представляет собой
меандр с периодом T и амплитудой А.
Меандр поступает в две параллельные ветки, где поступает на интеграторы: в верхней
ветке интегратор открыт в течение времени [d, T], в нижней – [0, T-d].
По истечении времени T происходит замыкание ключей и накопленный на
интеграторах заряд перетекает на емкость. Обозначим заряды как Q1 и Q2. В блоке «abs»
вычисляется модуль накопленного заряда. В блоке обозначенном как «+» происходит
суммирование модулей, но предварительно в верхней ветке происходит инвертирование
знака модуля, то есть
dQ = |Q2| – |Q1|.
Вычисленное значение dQ будет прямо пропорционально задержки между входным
сигналом-меандром и сигналом тактирования.
Рассмотрим рис. П.3.1.2.
33
Рис. П.3.1.2 – Временные диаграммы, описывающие работу схемы тактовой синхронизации
Заряд, накопленный в интеграторе в верхней ветке:
Q1 = A·(T-d-τ) + -A·τ = A·(T-d) + -A·(τ) + A(-τ) = -2Aτ + A·(T-d),
Q1 = -2Aτ + A·(T-d).
Заряд, накопленный в интеграторе в нижней ветке:
Q2 = A·(T-d).
Из рис. П.3.1.2 видно, что A·(T-d) > 2Aτ, поэтому
Q1 = -2Aτ + A·(T-d)
будет являться положительным числом:
|Q1| = -2Aτ + A·(T-d).
Заряд Q2 также является положительным числом, поэтому:
|Q2| = A·(T-d).
Находим разность dQ:
dQ = |Q2| – |Q1| = A·(T-d) – (-2Aτ + A·(T-d)) = 2Aτ.
Таким образом, можем записать формулу для оценки задержки τ:

Q 2  Q1
.
2A
34
Приложение 2.2
Особенности работы схемы синхронизации «Early-Late»
Схема синхронизации позволяет оценить время задержки, однако присутствует
определенная неоднозначность в процедуре оценивания. Она возникает из-за наличия в
схеме нелинейных элементов (вычисление модуля).
Пример неоднозначности оценки показан на рис. П.3.2.1 – П.3.2.3. На рисунках
показаны цифровые сигналы в контуре синхронизации.
Период тактирования T = 10 интервалам дискретизации. Величина d соответствует 5
интервалам. Амплитуда A = 1 В. Время задержки τ = 1 интервалу.
Рис. П.3.2.1 – Временные диаграммы для схемы тактовой синхронизации (τ = 1 интервал
дискретизации)
Для ситуации, показанной на рис. П.3.2.1 задержка τ:
Q1 = -2Aτ + A·(T-d) = -2·1·1 + 1·(10-5) = 3.
Q2 = -A·(T-d) = -1·(10-5) = 5.

Q 2  Q1 5  3

 1 (интервал дискретизации)
2A
2 1
35
Рис. П.3.2.2 – Временные диаграммы для схемы тактовой синхронизации (τ = 2 интервала
дискретизации)
Для ситуации, показанной на рис. П.3.2.2 задержка τ:
Q1 = -2Aτ + A·(T-d) = -2·2·1 + 1·(10-5) = 1.
Q2 = -A·(T-d) = -1·(10-5) = 5.

Q 2  Q1 5  1

 1 (интервал дискретизации)
2A
2 1
Рис. П.3.2.3 – Временные диаграммы для схемы тактовой синхронизации (τ = 3 интервала
дискретизации)
Для ситуации, показанной на рис. П.3.2.3 задержка τ:
Q1 = -2Aτ + A·(T-d) = -2·3·1 + 1·(10-5) = -1.
Q2 = -A·(T-d) = -1·(10-5) = 5.
36

Q 2  Q1 5   1

 1 (интервал дискретизации)
2A
2 1
Таким образом, если τ > 0,25T, то схема синхронизации оценит задержку неверно, она
будет находится в состоянии поиска, пока на определенном этапе не выполнится условие τ <
0,25T.
37
Лабораторная работа №4
Исследование помехоустойчивости цикловой синхронизации по сигналам спутниковой
радионавигационной системы ГЛОНАСС
1 Цель работы
Ознакомление со структурой кадра данных спутниковой радионавигационной
системы (СРНС) ГЛОНАСС, принципами формирования линейного сигнала. Исследование
помехоустойчивости цикловой синхронизации.
2 План работы
1. Исследовать структуру кадра и принципы формирования СРНС ГЛОНАСС.
2. Исследовать помехоустойчивость цикловой синхронизации.
3. По таблицам построить график зависимости и сделать выводы.
3 Литература
1. Б. Скляр – Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение, 2-е
издание.: Пер. с англ. – М.: Издательский дом «Вильямс», 2003 г, с. 1104.
2. Д. Прокис – Цифровая связь. М.: Радио и связь. 2000 г, – с. 800.
4 Подготовка к работе
1. Для подготовки к лабораторной работе и ее успешной защиты достаточно изучить
приложения к настоящей лабораторной работе (П. 4.1). Для более детального изучения
целесообразно обратиться к описанию структуры сигнала данных СРНС ГЛОНАСС, которые
можно найти в предложенной литературе.
2. Изучение материала рационально строить в соответствии с приведенными ниже
контрольными вопросами.
3. Подготовить бланк отчета по лабораторной работе, требования к содержанию
которого сформулированы в разделе 7.
5 Контрольные вопросы
1. Опишите структуру сигнала данных СРНС ГЛОНАСС. Сколько бит данных
содержится в поле данных? Сколько символов содержится в поле цикловой синхронизации?
2. Какая модуляция используется для формирования линейного сигнала?
3. Какой порождающий многочлен используется для формирования поля цикловой
синхронизации?
4. Как происходит борьба с эффектом обратной работы?
6 Содержание работы
Вся работа делиться на две части:
1) исследование структуры кадра данных и принципов формирования линейного
сигнала СРНС ГЛОНАСС;
2) исследование помехоустойчивости цикловой синхронизации.
6.1 Формирование кадра данных СРНС ГЛОНАСС
1. Выполнение работы производиться в программе «Matlab». Запустите эту программу
с помощью ярлыка на рабочем столе.
2. Запустите скрипт «run_lb_04_ch1». В результате откроется окно (см. рис. 4.1). В
верхнем окне представлен меандр, частота которого в два раза выше, чем у сигнала данных.
Во втором окне представлен сигнал данных и сигнал цикловой синхронизации (добавленный
в конец кадра). В центральном окне показан сигнал, полученный путем умножения сигнала
данных и меандра. В четвертом окне показан сигнал несущей. И наконец, в нижнем окне
представлен линейный сигнал, передаваемый в эфир.
38
Рис. 4.1 – Экранная форма, отображающие процесс формирования кадра в системе
ГЛОНАСС
3. Воспользуйтесь инструментом «лупа»
, рассмотрите сигнал данных (см. рис.
4.2). Зарисуйте выделенный участок. Сделайте вывод о способе модуляции для передачи
данных.
Рис. 4.2 – Экранная форма, отображающие процесс формирования кадра в системе
ГЛОНАСС
6.2 Формирование кадра данных СРНС ГЛОНАСС
4. Откройте скрипт «run_lb_04_ch2».
5. Откройте файл конфигурации «config.m».
6. Nseq = 1 000.
2
7. Изменяя параметры h (h_2) отношение сигнал/шум согласно параметрам,
указанным в табл. 4.1 определите частость ошибок для последовательностей ( f seq _ ош ) и
для общего количества переданных бит ( f ош ) (см. рис. 4.3).
39
h2
0,001
10 lg h 2
f ош
-30
 
Табл. 4.1 – Зависимость частотсти ошибок от
0,01
0,1
0,2
0,5
1
2
-20
-10
-7
-3
0
h2
3
10 lg f ош 
f seq _ ош
10 lg  f seq _ ош 
Рис. 4.3 – Статистика ошибок для переданных сообщений
h2
10 lg f ош   f 10 lg h 2
8. Согласно табл. 4.1 постройте график зависимости частотсти ошибок от
логарифмическом

масштабе:
 
10 lg  f seq _ ош   f 10 lg h 2

в
 
,
Сделайте вывод.
7 Содержание отчета
Отчет должен содержать:
1. Титульный лист с указанием номера и наименования работы, ф.и.о. студента и
номера группы.
2. Цель работы.
3. Рисунки, согласно п. 3.
4. Таблица 4.1.
10 lg f ош  f 10 lg h 2 ,
5.
Графики
зависимости

  .
10 lg  f seq _ ош   f 10 lg h 2



 
6. Выводы по проделанной лабораторной работе.
40
Приложение 4.1
Структура информационной строки в кадре СРНС ГЛОНАСС
Информационная строка является структурным элементом навигационного кадра.
Структура информационной строки показана на рис. П.4.1.1. Каждая строка содержит
двоичные символы цифровой информации (ЦИ) и метку времени (код цикловой
синхронизации). Длительность строки ЦИ равна 2 с, и из них 0,3 с в конце строки занимает
псевдослучайная последовательность, состоящей из 30-ти символов длительностью 10 мс.
Остальную часть строки (1,7 с) занимает собственно ЦИ с символьной частотой 50 Гц,
сложенная по модулю два с меандром двойной символьной частоты 100 Гц (бидвоичный
код). Таким образом, каждая строка содержит 85 двоичных символов ЦИ. Нумерация
позиций символов в строке осуществляется справа налево. Наряду с информационными
символами (позиции 84-9) в каждой строке ЦИ передаются 8 проверочных символов
(позиции 1-8) кода Хемминга (КХ), позволяющие производить проверку достоверности
символов ЦИ в строке. Код Хемминга имеет кодовое расстояние равное четырем. Разделение
строк ЦИ осуществляется с помощью меток времени (МВ). Слова ЦИ записываются
старшими разрядами слева. Передача ЦИ осуществляется старшими разрядами вперед. В
каждой строке последний символ (85-я позиция) является «холостым», он необходим для
реализации последовательного относительного кода при передаче ЦИ по радиолинии. В
качестве "холостого" символа принят "0".
Рис. П.4.1.1 – Структура информационной строки
Двоичный код метки времени (код цикловой синхронизации) представляет собой
последовательность длиной 30 символов с длительностью символов 10 мс, которая
описывается образующим полиномом
g(х) = 1 + х3+ х5
и имеет вид:
111110001101110101000010010110.
Процесс формирования двоичной последовательности информации навигационного
сообщения поясняет рис. П.4.1.2.
41
Рис. П.4.1.2 – Формирование последовательности данных
Навигационный радиосигнал, передаваемый системой ГЛОНАСС на собственной
несущей частоте является многокомпонентным фазоманипулированным сигналом. Фазовая
манипуляция несущей осуществляется на pi радиан с максимальной погрешностью не более
± 0,2 радиана.
Фаза несущего колебания модулируется двоичной последовательностью,
образованной суммированием по модулю два псевдослучайного (ПС) дальномерного кода,
цифровой информации навигационного сообщения и вспомогательного колебания типа
меандр.
Основой для формирования всех перечисленных компонентов сигнала является
бортовой стандарт частоты.
42
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
1 265 Кб
Теги
signalam, diyazitdinov, tsurkanu, sinhronizaciya, lab, kompleks, rabota, teme, cphc
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа