Дипломный проект - Лабораторная модель КАМ-16 - файл n3.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

n3.doc





2 Выбор и обоснование структурной схемы.

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.

Рисунок 2.4 – Структурная схема модулятора
На рисунке 2.4 показана структурная схема модулятора, где

  1. генератор несущей частоты

  2. формирователь квадратурных сигналов

  3. инвертор 1

  4. инвертор 2

  5. коммутатор 1

  6. коммутатор 2

  7. ПФ 1

  8. ПФ 2

  9. источник сигнала

  10. генератор тактовой частоты с ФАПЧ

  11. делитель частоты на 4

  12. сдвиговый регистр

  13. накопительный регистр

  14. преобразователь код- уровень 1

  15. преобразователь код- уровень 2

  16. усилитель-сумматор



Рисунок 2.5 – Структурная схема демодулятора КАМ-16
На рисунке 2.5 показана структурная схема демодулятора, где

  1. Входной усилитель

  2. генератор несущей частоты с ФАПЧ

  3. фазовращатель 90 град

  4. синхронный детектор 1

  5. синхронный детектор 2

  6. узел выделения частоты Fт/4

  7. ФНЧ 1

  8. ФНЧ 2

  9. Генератор частоты Fт с ФАПЧ

  10. преобразователь уровень- код 1

  11. преобразователь уровень- код 2

  12. Делитель частоты на 4

  13. накопительный регистр

  14. сдвиговый регистр

  15. буферный усилитель


Канал может быть представлен цепью с соответствующей импульсной характеристикой и источниками помех.

В канале всегда присутствуют аддитивные гаусовские помехи. Кроме гаусовских в канале действуют помехи:

- гармонические (сосредаточенные по частоте ),

- импульсные (сосредаточенные по времени),

- мультипликативные,

- перерывы связи (17,4 дБ).

К искажениям формы сигнала, также приводят:

- сдвиг частотных составляющих по частоте,

- фазовые скачки,

- фазовое дрожание.

Упрощенная модель канала представлена на следующем рисунке

Рисунок 2.6 – Упрощенная модель канала связи

Общая структурная схема системы КАМ-16 представлена в приложении.

По этой структурной схеме разработана виртуальная модель в Simulink.




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