Тема примерно так называется: «Исследование влияния систем тактовой сихнронизации на помехоустойчивость приема цифровых сигналов»

Исходя из этих соображений были выбраны пределы значений С/Ш.

Сценарий проведения моделирования представлен в табл. 3.

2.

Исходный сдвиг фаз dPhi0

— 4

— 8 Длина периода nt 8 16 Длина преамбулы Npr 4 3 8 6 С/Ш, дБ 3 5 7 3 5 7 3 5 7 3 5 7 Номера рисунков Процесс синхронизации Номера рис.

Результат моделирования

dPhi 3.3а 3.3 В 3.3д 3.4а 3.4 В 3.4д 3.5а 3.5 В 3.5д 3.6а 3.6 В 3.6д

0,25

0,25

0,25

0,25

0,25

0,25 Вероятность ошибочного приёма Номера рис.

Результат моделирования

P0 3.3б 3.3г 3.3е 3.4б 3.4г 3.4е 3.5б 3.5г 3.5е 3.6б 3.6г 3.6е 2.5*10−3 2*10−4 4*10−6 4*10−2 5*10−2 6*10−3 3.5*10−5 10−6 1.25*10−2 3*10−3 4*10−4 Табл. 3.2

Ниже на рисунках представлены результаты моделирования Рис. 3.3а Рис. 3.3 В Рис. 3.3д Рис. 3.4а Рис. 3.4 В Рис. 3.4д Рис. 3.5а Рис. 3.5в

Рис. 3.5д Рис. 3.6а Рис. 3.6 В Рис. 3.6д На рис 3.3а, е, д; 3.4а, е, д; 3.5а, е, д; 3.6а, е, д продемонстрирован

процесс вхождения в синхронизм для различных значений длины периода и преамбулы и различных отношениях С/Ш.

Варианты на рис. 3.3 и 3.5 соответствуют случаю, когда длина преамбулы равна исходному сдвигу фаз. Видно, что в этих случаях достигается полная синхронизация при всех отношениях С/Ш.

Варианты на рис. 3.4 и 3.6 соответствуют случаю, когда длина преамбулы меньше исходного сдвига фаз. В этом случае, как и следовало ожидать, достигается неполная синхронизация.

Сравнение результатов моделирования при наличии и отсутствии шумов показывает, что введение шумов мало сказывается на процессе синхронизации.

Вероятность ошибочного приёма в системе при наличии и отсутствии синхронизма Моделирование проведём в соответствии с планом эксперимента, представленном в табл. 3.

2.

Рис. 3.3б

Рис. 3.3г

Рис. 3.3е

Рис 3.4б

Рис. 3.4г

Рис. 3.

4.е

Рис 3.5б

Рис. 3.5г

Рис. 3.6б

Рис. 3.6г

Рис. 3.6е Результаты, представленные на рис. 3.3, 3.4, 3.5, 3.6, наглядно демонстрируют влияние каждого из параметров процесса синхронизации на вероятность ошибочного приёма символов.

Рис.

3. 7 (dPhi0 = -4, nt = 8, Npr = 4)

Рис. 3.8 (dPhi0 = -4, nt = 8, Npr = 3)

Рис. 3.9 (dPhi0 = -8, nt = 16, Npr = 8)

Рис. 3.10 (dPhi0 = -8, nt = 16, Npr = 6)

Обобщённые результаты моделирования приведены на рис. 3.7, 3.8, 3.9, 3.

10.

Рис. 3.7 соответствует случаю, когда сдвиг по фазе dPhi0 равен длительности символа (наихудший случай исходного рассинхронизма) и выполняется условие полного синхронизма (Npr = nt/2) после окончания этапа синхронизации на отрезке времени длительности преамбулы

(см. рис. 3.3 а, в, д).

Рис. 3.8 соответствует случаю, совпадающему по условиям с рис. 3.7, однако в системе отсутствует синхронизм (см. рис. 3.4 а, в, д). Отсутствие синхронизма привело к увеличению вероятности ошибочного приема со значения 3*10−6 (С/Ш = 7 дБ) до значения 6*10−3 (С/Ш = 7 дБ).

Рис.

3.9 соответствует случаю, совпадающему по условиям с рис.

3.7 (полный синхронизм), но с удвоенным количеством дискретных отсчётов на символ, т. е. с уменьшенным в два раза интервалом дискретизации.

Сравнение результатов моделирования, представленных на рис.

3.7 и рис.

3.9, показывает, что при прочих равных условиях увеличение количества дискретных отсчётов на символ значительно уменьшает вероятность ошибочного приёма символов со значения 2*10−4 (С/Ш = 5дБ) до значения

10−6 (С/Ш = 5 дБ).

Рис.

3. 8 соответствует случаю, совпадающему по условиям с рис.

3.7, однако в системе отсутствует синхронизм (см. рис. 3.4 а, в, д). Отсутствие синхронизма привело к увеличению вероятности ошибочного приема со значения 3*10−6 (С/Ш = 7 дБ) до значения 6*10−3 (С/Ш = 7 дБ).

Рис.

3.10 соответствует случаю, совпадающему по условиям с рис.

3.9, однако в системе отсутствует синхронизм (см. рис. 3.6 а, в, д). Отсутствие синхронизма привело к увеличению вероятности ошибочного приема со значения 10−6 (С/Ш = 5 дБ) до значения 3*10−3 (С/Ш = 5 дБ).

Результаты всех экспериментов сведены в табл. 3.

2.

На рис. 3.11 представлено полученное при моделировании семейство кривых вероятности ошибки при различных значениях дисперсии рассогласования. Рассогласование в один отсчёт соответствует дисперсии 0,125, в два отсчёта 0,25. Там же приведена кривая при точном согласовании.

Рис. 3.11

На рис. 3.12 представлена кривая зависимости вероятности ошибки для отношений сигнал/шум вплоть до значения — 60 дБ, что практически соответствует отсутствию сигнала. Вероятность ошибки при этом равна 0,5.

Рис. 3.12

Заключение

В дипломной работе показано, что в устройствах приёма и обработки цифровых сигналов необходимо производить опрос решающего устройства. Этот опрос происходит периодически со скоростью передачи символов в точно выбранные моменты времени, кратные длительности интервала тактовой частоты. Для выполнения этой функции используется система тактовой синхронизации, которая является неотъемлемой частью приёмника цифровых сигналов.

Рассмотрены различные принципы построения систем тактовой синхронизации и для проведения исследований выбрана замкнутая дискретная система тактовой синхронизации.

Для изучения её параметров в дипломной работе использован инструмент моделирования системы в среде Mat Lab. С этой целью разработана структурная схема модели и алгоритм её работы, который реализован в виде программы с использованием средств Mat Lab. Разработан М-файл, позволяющий проводить исследования в интерактивном режиме.

В дипломной работе предложен сценарий проведения исследований. Реализация сценария позволила оценить влияние длины преамбулы, отношения сигнал/шум и интервала дискретизации на сам процесс вхождения в синхронизм, на результативность процесса и на оценку вероятности ошибочного приёма символов.

Результаты моделирования оформлены в виде графиков, иллюстрирующих во времени процесс вхождения в синхронизм. Показано, что пошаговый процесс сходится за число шагов, равное числу отсчётов в исходной разности фаз сигналов преамбулы и местного тактового генератора. Поэтому полный тактовый синхронизм возможен только в том случае, когда исходная разность фаз не превосходит длины преамбулы. Этот вывод оказался справедлив как при отсутствии, так и при наличии шумов. Проведенные исследования показали, что наличие шумов мало сказывается на окончательном результате процесса синхронизации.

Результаты по оценке вероятности ошибочного приёма символов, представленные в виде графиков, могут быть сформулированы следующим образом.

1) В режиме полного синхронизма получена зависимость вероятности ошибки от отношения сигнал/шум, являющаяся предельной для противоположных сигналов, рассмотренных в дипломной работе.

2) При отсутствии синхронизма вероятность ошибки резко возрастает в зависимости от степени рассогласованности.

3) Вероятность ошибки при наличии и отсутствии синхронизма зависит от числа дискретных отсчётов на интервале длительности символа. При возрастании числа дискретных отсчётов вероятность ошибки уменьшается.

Текст М-файла, имеющийся в пояснительной записке к дипломной работе в виде Приложения, а также прилагаемая электронная версия программы позволяют использовать дипломную работу при дальнейших исследованиях системы тактовой синхронизации Литература

1. Шевкопляс Б. В. Микропроцессорные структуры, Инженерные решения. Справочник.-2-е издание перераб. и доп.- М.: Радио и связь, 1990.

2. Левин Л. С. Плоткин М.А. Цифровые системы передачи информации М.: Радио и связь, 1982.

3. Баскаков С. И. Радиотехнические цепи и сигналы. Учебник, М.: Высшая школа, 2000.

4. Феер К. Беспроводная цифровая связь. Методы модуляции и расширения спектра. Пер. с англ.

М.: Радио и связь, 2000.

Приложение

%**************************************************************************

% Программа моделирует работу оптимального приёмника с выделителем

% тактовой частоты (ВТЧ), обеспечивающего синхронизацию оптимальрого

% приёмника. Входной сигнал содержит преамбулу Npr типа «меандр» ,

% за которой следует псевдослучайный поток (ПСП).

%

% Входной поток сдвинут относительно сигнала генератора тактовой

% частоты на угол dPhi. Период входного сигнала, т. е. период тактовой

% частоты nt, угол dPhi, длина преамбулы Npr, длина ПСП N выражаются

% в количествах дискретных отсчётов и могут задаваться пользователем.

% На входной сигнал аддитивно накладывается белый шум с отношением

% сигнал/шум SNR. Величина SNR может задаваться пользователем и с

% заданным шагом Step автоматически меняется от заданного начального

% значения begin до заданного конечного значения end.

% Данная программа выводит окно с графиком синхроучастка сообщения

% и участка временной диаграммы генератора приемника, на котором можно

% наблюдать процесс подстройки генератора по фазе, так же в окно

% «Command window» выводиться абсолютное значение ошибок errors

% и отнросительное errors_otn

% В программе можно изменять следующие переменные:

%

sincro=0; %данная переменная определяет, включено ли в действие

%автоматическая фазовая подстройка, 1-включена, 0-выключена;

%при режиме с выключенной автоматической подстройкой необходимо

%задать ошибку синхронизации в отсчетах

sincro_err_begin=0;

sincro_err_step=1;

sincro_err_end=2;

nt=16; %Период в отсчётах (nt/2 — один двоичный символ)

dPhi=-8; %Сдвиг по фазе входного сигнала [-4,4] для nt=8

N=100 000; %Количество символов в массиве данных

Npr=8; %количество периодов в преамбуле

SNR_BEGIN=1; %начальное отношение сигнал-шум на входе приемника

SNR_END=7; %конечное отношение сигнал-шум на входе приемника

SNR_STEP=1; %шаг с которым будет изменяться отношение сигнал-шум

%

%**************************************************************************

%переменные ошибок распознавания символов

l=(SNR_END-SNR_BEGIN)/SNR_STEP+1;

SNR=zeros (1,l);

m=0;

errors=zeros (1,l);

errors_otn=zeros (1,l);

%выставление нескомпенсированной фазовой ошибки

if sincro==1

sincro_err_begin=0;

sincro_err_step=1;

sincro_err_end=0;

end

sincro_err=sincro_err_begin:sincro_err_step:sincro_err_end;

errors_fool=zeros (length (sincro_err), l);

for u=1:1:length (sincro_err)

SNR=SNR_BEGIN:SNR_STEP:SNR_END;

%выставление текущего ОСШ

for m=1:1:length (SNR)

%формирование информационной части

data=round (rand (1,N));

out=zeros (1,length (data));

input=zeros (1,length (data)*nt/2);

schet=0;

for i=1:length (data)

for j=1:nt/2

schet=schet+1;

if data (i)==1

input (schet)=1;

else

input (schet)=-1;

end

end

end

%формирование преамбулы

preambula=zeros (1,Npr*nt);

generator=zeros (1,Npr*nt);

schet=0;

for i=1:Npr

for j=1:nt/2

schet=schet+1;

preambula (schet)=1;

end

for j=1:nt/2

schet=schet+1;

preambula (schet)=-1;

end

end

%формирование полного входного сигнала

inputfool=[preambula input];

%зашумление входного сигнала с заданным ОСШ

Input1=awgn (inputfool, SNR (m),'measured');

%Получение заданного сдвига

Input2=zeros (1,length (inputfool));

for i=1:length (inputfool)

if i+dPhi<1

Input2(i)=0;

else

if i+dPhi

Input2(i) = Input1(i+dPhi);

else

Input2(i)=0;

end

end

end

%Получение дополнительного сигнала сдвинeтого на nt/2 для

%автокорреляционной функции

InputDop=[zeros (1,nt/2) Input2];

%Получение автокорреляционной функции

autocor=zeros (1,length (Input2));

for i=1:length (Input2)

if i==1

if Input2(i)>0

autocor (i)=Input2(i)/(nt/2);

else

autocor (i)=0;

end

else

autocor (i)=autocor (i-1)+Input2(i)/(nt/2)-InputDop (i)/(nt/2);

end

end

%Подстройка внутреннего генератора по фазе

offset = 0; %Сдвиг сигнала генератора (начальная фаза равна нулю)

schet=0; %данная переменная считает периоды синхронизирующей

%последовательности

tmp=zeros (1,nt);

for i=offset:offset+nt/2−1

d=mod (nt+i, nt)+1;

tmp (d)=1;

end

for i=1:nt

if tmp (i)==0

tmp (i)=-1;

end

end %Создание меандра на одном периоде сигнала

generator (1:nt)=tmp;

schet=schet+1;

proverka=abs (sign (Input2(1:nt))-tmp (1:nt));

%flag1=0 — необходимости в подстройке нет

%flag1=1 — есть необходимость в подстройке

for j=0:Npr-1

znak=sign (Input2(j*nt+1:(j+1)*nt));

proverka=abs (znak (1:nt)-tmp (1:nt));

flag1=0;

for k=1:nt

if proverka (k)>0

flag1=1;

end

end

if flag1==1

offset=offset+1;

tmp=zeros (1,nt);

for i=offset:offset+nt/2−1

d=mod (nt+i, nt)+1;

tmp (d)=1;

end

for i=1:nt

if tmp (i)==0

tmp (i)=-1;

end

end

generator (j*nt+1:(j+1)*nt)=tmp;

schet=schet+1;

else

break

end

end

for j=schet:Npr

generator ((j-1)*nt+1:j*nt)=tmp;

end

%проверка полученного значения расстройки

if abs (offset)>nt/2

offset=mod ((abs (offset)), nt/2);

end

%Считывание информационной части сообщения в отдельный массив «out»

if sincro==1

for i=(Npr*2+1):(Npr*2+length (data)-1)

if autocor (i*nt/2+(-1)*sign (dPhi)*offset)>0

out (i-2*Npr)=1;

else

out (i-2*Npr)=0;

end

end

else

dPhi2=-dPhi-mod ((abs (sincro_err (u))), nt/2);

for i=(Npr*2+1):(Npr*2+length (data)-1)

if autocor (i*nt/2+dPhi2)>0

out (i-2*Npr)=1;

else

out (i-2*Npr)=0;

end

end

end

%сравнение полученного сигнала с исходным

errors (m)=0;

check=out (1:end-1)-data (1:end-1);

for i=1:length (check)

if (check (i)≅0)

errors (m)=errors (m)+1;

end

end

if sincro==1

errors_otn (m)=errors (m)/(N-1);

else

errors_fool (u, m)=errors (m)/(N-1);

end

end

end

if sincro==1

nazvanie=strcat ('Зависимость колличества ошибок от ОСШ');

semilogy (SNR (1:end), errors_otn,'color','r','LineWidth', 4);

title (nazvanie)

grid on;

figure

x=1:Npr*nt;

plot (x, Input2(1:Npr*nt), x, generator (1:Npr*nt))

else

%*********************************************************************%

%$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$%

%*********************************************************************%

% Данный участок программы предначен для ликвидации разрывов линий на

%графике «Зависимость колличества ошибок от ОСШ», и носит исключительно

%эстетическую принадлежность.

% При количество символов в массиве данных N более 1'000'000 (при

%ОСШ 2−6дБ) необходимсть в нем пропадает и он может быть полностью

%закоментирован или удален.

for i=1:length (sincro_err)

for j=2:length (SNR)

if errors_fool (i, j)==0

errors_fool (i, j)=0.2*errors_fool (i, j-1);

end

end

end

%*********************************************************************%

%$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$%

%*********************************************************************%

legenda=cell (length (sincro_err), 1);

legenda1part=cell (length (sincro_err), 1);

for u=1:length (sincro_err)

nomer=mat2str (sincro_err (u));

legenda1part{u}=['рассогласование: ', nomer,' отсчет'];

edenici=mod (abs (sincro_err (u)), 10);

desjatki=mod (abs (sincro_err (u)), 100);

if (edenici==2)—(edenici==3)—(edenici==4)

legenda{u}=[legenda1part{u} 'a'];

else

legenda{u}=legenda1part{u};

end

if (edenici==0)—(edenici>4)

legenda{u}=[legenda1part{u} 'ов'];

end

if (desjatki<20)&&(desjatki>10)

legenda{u}=[legenda1part{u} 'ов'];

end

if (sincro_err (u)==0)

legenda{u}='точное совпадение';

end

end

axes ('fontsize', 16,'FontWeight','bold');

semilogy (SNR (1:end), errors_fool (, 1: end),'LineWidth', 3);

legend (legenda,'fontsize', 16,'FontWeight','bold');

title ('Зависимость колличества ошибок от ОСШ','fontsize', 22,'FontWeight','bold');

xlabel ('ОСШ, дБ','fontsize', 16,'FontWeight','bold');

ylabel ('вероятность ошибки','fontsize', 16,'FontWeight','bold');

grid on;

end

m (t)

б)

a)

s (t)

s (t)

sgn

Полосовой фильтр

sgn

Полосовой фильтр

Нелинейность четного порядка

Согласованный фильтр

Задержка

T/2

в)

s (t)

sgn

Полосовой фильтр

(.)2

d/dt

Фильтр нижних частот

+1

— 1

Выход нелинейности четного порядка

Выход согласованного фильтра

Поступающий сигнал Абсолютное значение

Генератор, управляемый напряжением Абсолютное значение

Задний полустроб

Передний полустроб

y1

— y1;

Y2

— y2;

;

e=-y2—-y1;

Контурный фильтр

+1

— 1

+1

— 1

Информационный сигнал

Промежуток интегрирования переднего полустроба

Промежуток интегрирования заднего полустроба

d

∆

Передний полустроб Задний полустроб

б)

а)

d

Считывание из массива полного сигнала i-го периода от начала массива (Npr отсчетов)

От считанного фрагмента берется функция знака (для отрицательных значений равна -1, для положительных 1), запись в массив znak

Формирование сигнала генератора, создается сигнал длинной в 1 период преамбулы, содержащий 1 период меандра, сдвинутый на offset значений, запись в массив tmp

Почленное вычитание из массива znak массива tmp, запись в массив proverka

элемент массива proverka не равен нулю

Текущее значение сдвига фазы увеличивается на 1 (offset = offset + 1)

Выход из цикла, значению сдвига фазы присваивают остаток от деления значения offset на nt/2

Обнуление текущего сдвига по фазе:

offset = 0

Ввод данных, характеризующих сигнал и его представлении

Формирование информационной части сообщения

(случайным образом и длиной N)

Формирование преамбулы сообщения

(меандр с Npr периодов)

Формирование полного сигнала (путем объединения массивов преамбулы и информационной части)

Наложение на полный сигнал белого шума с заданным ОСШ

Получение заданного начальной фазы сигнала (путем добавление в начало массива dPhi нулевых элементов, либо путем удаления первых dPhi элементов)

Формирование дополнительного сигнала задержанного на 1 символ

Расчет автокорреляционной функции, от входного сигнала и дополнительного

Подстройка внутреннего генератора по фазе (определение значения offset)

Считывание символов по автокорреляционной функции с учетом корректировки по фазе

Проверка посчитанных символов по исходному сообщению и подсчет ошибок

3.5

4.5

5.5

— 5

— 4

— 3

— 2

— 1

Зависимость количества ошибок от ОСШ