Дипломный проект - Лабораторная модель КАМ-16 - файл n1.doc

Дипломный проект - Лабораторная модель КАМ-16
скачать (2092.7 kb.)
Доступные файлы (21):
n1.doc425kb.26.06.2009 20:34скачать
n2.doc126kb.07.04.2011 09:37скачать
n3.doc132kb.09.04.2011 09:26скачать
n4.doc126kb.26.06.2009 19:19скачать
n5.doc216kb.27.06.2009 13:23скачать
n6.doc1236kb.26.06.2009 19:44скачать
n7.doc86kb.26.06.2009 19:48скачать
n8.doc184kb.26.06.2009 20:09скачать
n9.doc102kb.23.06.2009 12:22скачать
n10.doc21kb.23.06.2009 15:33скачать
n11.doc22kb.23.06.2009 15:39скачать
n12.doc46kb.26.06.2009 00:40скачать
n13.mdl
n14.mdl
n15.doc26kb.20.06.2009 01:40скачать
n16.doc22kb.17.06.2009 02:04скачать
n17.doc45kb.09.04.2011 09:24скачать
n18.doc48kb.26.06.2009 20:39скачать
n19.ppt422kb.26.06.2009 19:05скачать
n20.spl
n21.spl

n1.doc

Методические указания к лабораторной работе на тему

«Изучение принципов работы квадратурного амплитудного модулятора на основе виртуальной модели в среде Simulink»

Цель работы:

- Исследовать работу модулятора КАМ-16.

- Исследовать влияние шума на процесс демодуляции.
Теоритическая часть
Алгоритм квадратурной амплитудной модуляции (КАМ) представляет собой разновидность многопозиционной амплитудно-фазовой модуляции. Этот алгоритм широко используется при построении современных модемов.

При использовании данного алгоритма передаваемый сигнал кодируется одновременными изменениями амплитуды синфазной (I) и квадратурной (Q) компонент несущего гармонического колебания (fc), которые сдвинуты по фазе друг относительно друга на ?/2 радиана. Результирующий сигнал Z формируется при суммировании этих колебаний. Таким образом, КAM-модулированный дискретный сигнал может быть представлен соотношением:
, (2.1)
где t — изменяется в диапазоне {(m – 1) ∙ Dt … m ∙ Dt },

m — порядковый номер дискрета времени,

Dt — шаг квантования входного сигнала по времени.
, (2.2)
где am и bm — модуляционные коэффициенты.

p — шаг квантования входного сигнала по амплитуде.
Этот же сигнал также может быть представлен в комплексном виде
, или (2.3)

где Am = (Qm2 + Im2)1/2 — алгоритм изменения амплитуды модулированного сигнала

jm = arctg (Qm/Im) — алгоритм изменения фазы модулированного сигнала


Рисунок 2.1 – Принцип формирования сигнала КАМ-16
Таким образом, при использовании квадратурной амплитудной модуляции передаваемая информация кодируется одновременными изменениями амплитуды и фазы несущего колебания. На рисунке 2.1 представлен принцип формирования результирующего колебания Z (вектор отмечен зеленым цветом) путем суммирования вектора квадратурной составляющей Q (отмечен желтым цветом) с вектором синфазной составляющей I (на рисунке 2.1 он отмечен синим цветом). Амплитуда вектора Z определяется соотношением Am, а угол, который этот вектор образует с осью абсцисс, определяется соотношением jm.

Для данного алгоритма существенно, что при модулировании синфазной и квадратурной составляющей несущего колебания используется одно и то же значение дискрета изменения амплитуды. Поэтому окончания векторов модулированного колебания образуют прямоугольную сетку на фазовой плоскости действительной — Re {Z} и мнимой составляющей вектора модулированного сигнала — Im {Z}. Число узлов этой сетки определяется типом используемого алгоритма КAM. Схему расположения узлов на фазовой плоскости модулированного КAM колебания принято называть созвездием.

Для указания типа алгоритма КAM принята следующая схема обозначения: КAM — <число>, “число” обычно представляет собой значение вида 2N и соответствует количеству узлов на фазовой сетке, а также максимальному количеству различных значений вектора модулированного сигнала. Следует отметить, что в данном случае значение N соответствует показателю спектральной эффективности используемого алгоритма.

На рисунке 2.2 представлено расположение векторов модулированного колебания — созвездие для алгоритма КАМ-16. Красным цветом отмечены значения модуляционных символов, которым соответствуют указанные точки на фазовой плоскости модулированного колебания {m3, m2, m1, m0}. Для алгоритма КАМ-16 пара {m3, m2} определяет номер квадранта фазовой плоскости или знаки реальной и мнимой координаты вектора модулированного колебания:

00 Sign(Re{Z})=1, Sign(Im{Z})=1

10 Sign(Re{Z})=1, Sign(Im{Z})=-1

01 Sign(Re{Z})=-1, Sign(Im{Z})=1

11 Sign(Re{Z})=-1, Sign(Im{Z})=-1


Рисунок 2.2 – Созвездие КАМ-16
Для этого алгоритма пара {m1, m0} определяет значения амплитуды реальной и мнимой координаты вектора модулированного колебания соответственно. В таблице представлены значения кодовых символов a и b, которые соответствуют значениям младших разрядов модуляционного символа {m1, m0}.

Преобразование модуляционных символов в кодовые символы выполняется с применением алгоритмов Грея для помехоустойчивого кодирования данных. Так векторам модулированного колебания, которые находятся близко один от другого на фазовой плоскости, ставятся в соответствие значения кодовых символов, которые отличаются значениями только одного бита.

Алгоритм квадратурной амплитудной модуляции, по сути, является разновидностью алгоритма гармонической амплитудной модуляции и поэтому обладает следующими важными свойствами:

Ширина спектра КAM модулированного колебания не превышает ширину спектра модулирующего сигнала

Положение спектра КAM модулированного колебания в частотной области определяется номиналом частоты несущего колебания

Эти полезные свойства данного алгоритма обеспечивают возможность построения на его основе высокоскоростных ADSL систем передачи данных по двухпроводной линии с частотным разделением принимаемого и передаваемого информационных потоков.


Рисунок 2.3 – Влияние помех на КАМ-16
Помехоустойчивость алгоритма КAM обратно пропорциональна его спектральной эффективности. Воздействие помех приводит к возникновению не контролируемых изменений амплитуды и фазы передаваемого по линии сигнала. При увеличении числа кодовых точек на фазовой плоскости

расстояние между ними P уменьшается и, следовательно, возрастает

вероятность ошибочного распознавания искаженного принятого вектора Zm* на приемной стороне. Рисунок 2.3 иллюстрирует принцип изменения вектора модулированного колебания (зеленый цвет) при воздействии на него амплитудной и фазовой помехи. На рисунке 2.3 вектор результирующего колебания при воздействии помех отмечен красным цветом, реальная и мнимая компоненты этого вектора отмечены красным пунктиром. Предельный уровень допустимых амплитудных и фазовых искажений модулированного КAM сигнала представляет собой круг диаметром P. Центр этого круга совпадает с узлом квадратурной сетки на фазовой плоскости. Заштрихованные области на рисунке соответствуют координатам искаженного вектора модулированного QAM-колебания при воздействии на полезный сигнал помехи, относительный уровень которой определяется соотношением 20 dB SNR 30 dB.

На первом этапе преобразования последовательность битов D{d0, d1, … dk}, которая поступает от источника сигнала, преобразуется в последовательность двумерных модуляционных символов M{m0, m1, … mj}. Число битов в этом символе равно значению N (для алгоритма КAM-16 N=log216=4).

Формирователь кодовых символов преобразует двумерный кодовый символ mj в пару кодовых символов aj и bj. Для алгоритма КAM-16 допустимые значения aj и bj принадлежат множеству {1, 3, -1, -3} и определяют соответственно значения реальной и мнимой координаты вектора модулированного колебания. Сформированные значения А {aj} и B {bj} используются для амплитудной модуляции синфазной I и квадратурной Q составляющих несущего колебания. На последнем этапе преобразования выполняется суммирование этих колебаний и формирование результирующего сигнала Z.

Как и другие разновидности АМ, квадратурно-модулированный сигнал может быть демодулирован путем умножения на опорное колебание. Однако поскольку КАМ-сигнал представляет собой сумму двух АМ-сигналов, то и опорных колебаний должно быть 2 – со сдвигом 900
(2.4)
Результат каждого умножения содержит три слагаемых. Одно из них является низкочастотным и представляет собой модулирующую функцию a(t) и b(t) с уменьшенным вдвое уровнем. Остальные два слагаемых образуют КАМ-сигнал с несущей частотой 2?0. Поэтому полезные составляющие легко выделяются путем пропускания результатов умножения через ФНЧ.

Виртуальная модель КАМ подразумевает наличие модулятора, демодулятора и канала связи с воздействующими на него шумами и помехами.

Требования к точности характеристик формирующих и полосовых фильтров тем выше, чем больше число позиций в модулированном сигнале.

Рассмотрим принципы построения модема с квадратурной амплитудной модуляцией. Структурные схемы модулятора и демодулятора показаны на рисунке 2.4 и 2.5. Входной поток данных вначале подвергается необходимой цифровой обработке в процессоре данных: выделению тактовой частоты, скремблированию, дифференциальному кодированию, последовательно-параллельному преобразованию. Так как КАМ-модуляция обеспечивает удельную скорость передачи 4 бит(с*Гц), то для последующей модуляции поток данных в ходе его цифровой обработки разделяется на 4 подпотока с соответственно сниженными скоростями.

Затем производится цифро-аналоговое преобразование двух двоичных подпотоков в один четырехуровневый с одновременным формированием их спектра в ЦТФ, где импульсам придается сглаженная форма. Четырехуровневые сигналы в каналах I и Q управляют работой балансных модуляторов, выходные сигналы которых складываются, образуя сигнал КАМ-16 с двумя полосами и подавленной несущей. На балансные модуляторы несущая попадает со сдвигом ?/2, т.е. в квадратуре. Выходной сигнал модулятора на промежуточной частоте проходит через полосовой фильтр, ограничивающий внеполосные изменения, и может быть конвертирован в полосу любого вещательного канала.

В демодуляторе имеется аналогичная пара балансных модуляторов и блоки обратного преобразования из четырехуровневых в двоичные сигналы с последующей обработкой данных. Принципиально сложными узлами являются схемы восстановления подавленной несущей и тактовой синхронизации. Обе эти операции выполняются на основе анализа структуры принимаемого сигнала в синфазном и квадратурном каналах. Формирующие ФНЧ на выходах балансных модуляторов доводят спектр сигнала до требуемого по Найквисту и ослабляют шумы и помехи
Структурная схема системы


Модель КАМ-16

Канал связи


Ход работы:
Исследование работы системы.

  1. Открыть файл с моделью КАМ-16.

  2. Изучить визуально все блоки и подсистемы. Для чего предназначены каждые из них.

  3. Запустить процесс симуляции нажатием на кнопку Start Simulation на панели задач.

  4. Подключить первый вход осциллографа Scope к выходу Out1 подсистемы Signal Sourse. (источник сигнала).

  5. Зарисовать исходную последовательность символов

  6. Подключить второй вход осциллографа Scope к выходу подсистемы Comm_Channel (канал связи).

  7. Зарисовать модулированный сигнал. Сделать анализы и выводы.

  8. Подключить третий вход осциллографа Scope к выходу подсистемы shift_register.

  9. Зарисовать демодуллированный сигнал.

  10. Сравнить исходный, модулированный и демодуллированный сигнал. Сделать анализы и выводы.


Исследовать влияние шумов на процесс демодуляции.


  1. Открыть подсистему Comm_Channel.

  2. Перевести переключатель S1 в нижнее положение

  3. Меняя параметр Noise Power блока Band-Limited White Noise исследуйте изменение показаний осциллографа Scope. и выводы

  4. Перевести переключатель S2 в нижнее положение

  5. Меняя параметры Samples per period и Sample Time блока Sine Wave подсистемы Imposition исследуйте изменение показаний осциллографа Scope. Сделать анализы и выводы

  6. Перевести переключатель S3 в нижнее положение

  7. Меняя параметры блоков Gain и Gain1 подсистемы Much Rays исследуйте изменение показаний осциллографа Scope. Сделать анализы и выводы


Отчет

Отчет по лабораторной работе должен содержать для каждого пункта:

  1. Название сигнала

  2. Полученные осциллограммы

  3. Выводы.

Список литературы:

1. Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов. – М., 2002

2. Норенков И.П., Трудоношин В.А. Телекоммуникационные технологии и сети. – М., 1999

3. Черных И.В. Simulink. Среда создания инженерных приложений. – М., 1999

4. Половко А.М, Бутусов П.Н. Matlab для студента, - Спб, 2005

5. Дьяконв В.П. Matlab 6.5 SP1/7 + Simulink 5/6 Основы применения, - М., 2005

6. Данлжион Д, Мерсеро М. Цифровая обработка многомернх сигналов, - М., 1988

7. Куликов А.Л. О цифровой аппроксимации квадратурной обработки – Х., 1999

8. Ширман Я.Д. Радиоэлектронные системы: Основы построения и теория – М, 2007

9. Деундяк В.М., Могилевская Н.С. Имитационная модель цифрового канала передачи данных и алгебраические методы помехоустойчивого кодирования – Ростов н/Д, 2001.

10. Деундяк В.М., Могилевская Н.С. О некоторых экспериментальных исследованиях помехоустойчивых кодеков с помощью имитационной модели канала – Изв. вузов. Сев.–Кавк. регион. Техн. науки. 2003.

11. Могилевская Н.С. Некоторые вопросы компьютерного моделирования при проектировании систем цифровой связи – Материалы III Международной научно–практической конференции, 2003

12. Бакланов И.Г. Тестирование и диагностика систем связи. – М. 2001.

13. Турин В.Я. Использование процессов восстановления для построения модели источника ошибок, возникающих в двоичном симметричном канале – М. 1970.

14. Попов О.В., Турин В.Я. О характере ошибок при передаче двоичных символов по стандартным телефонным каналам. – М, 1965.

15. Зубарев Ю.Б. Цифровое телевизионное вещание. Основы, методы, системы – М., 2001.

16. Дискретно-аналоговая обработка сигналов М., 1982.

Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации