Аналитическое проектирование РСПИ

Оглавление

 

Цель работы.. 2

Исходные данные. 2

Аналитическое проектирование РСПИ.. 3

Описание геометрии задачи. 3

Аналитическое проектирование системы передачи информации. 5

Основные компоненты точности (достоверности) передачи информации 7

Расчёт ошибок. 8

Расчёт ошибки, связанной с ограниченным динамическим диапазоном АЦП 8

Расчет ошибки квантования по уровню.. 8

Расчет ошибки дискретизации и восстановления. 9

Расчёт ошибки, связанной с аномальными выбросами. 9

Расчет энергетических характеристик канала связи и вероятности битовой ошибки. 11

Нахождение требуемого объема выборки. 13

Имитационное моделирование РСПИ в среде MATLAB/Simulink. 14

Моделирование передающей части. 15

Моделирование приемной части. 18

Полученные данные. 20

Вывод. 21

Список используемой литературы.. 22

Приложения. 23

Приложение 1. Код скрипта для модели. 23

Приложение 2. Схема модели. 24

Приложение 3. Эпюры сигналов. 25

 

 

Цель работы

 

Ознакомление с основами проектирования инфокоммуникационных систем ЛА и разработкой начальных технических предложений по построению цифровой радиосистемы для обеспечения передачи аналоговой информации от низкоскоростных телеметрических датчиков ЛА, статистические характеристики которых заданы соответствующим вариантом исходных данных.

В процессе выполнения КР рассматриваются основные задачи системного проектирования радиосистемы передачи информации ЛА-Земля. При проектировании требуется выбрать и оптимизировать параметры цифровой радиосистемы передачи информации (РСПИ) для достижения заданной в ТЗ суммарной относительной погрешности передачи аналоговых сообщений. Результаты проведенного студентами теоретического анализа проверяются и уточняются с использованием имитационных моделей, разрабатываемых в среде MATLAB/Simulink.

Исходные данные

 

Высота круговой орбиты КА, км	100000
Диаметр антенны КА, м	0.3
Диаметр антенны ЗС, м	2.5
Ширина полосы частот источника информации, Гц	3000
Суммарная шумовая температура приемника, °К	1000
Частота несущего сигнала, ГГц	1.5
Требуемая суммарная точность, %	2
Мощность источника информации, дБм	3

 

Аналитическое проектирование РСПИ

Описание геометрии задачи

 

Геометрия данной задачи в виде упрощенной модели представляет собой движение спутника Земли в плоскости по окружности определенного радиуса. При таком движении спутника относительно наземной станции расстояние между спутником и антенной будет постоянно изменяться. Наземная же система должна обеспечивать связь постоянно, при условии нахождения спутника в зоне видимости, то есть расчет системы должен производиться при "наихудших" условиях - максимальном удалении спутника от РСПИ.

Рис.1. Геометрия задачи

    Пусть имеется искусственный спутник Земли (ИСЗ) на круговой орбите c известной нам высотой орбиты, а также известна диаграмма направленности приемной антенны на Земле (рис. 1). В точке A находится приемная антенна. Если ИСЗ находится в точке B, тогда АВ – высота орбиты спутника. Однако спутник не всегда находится ровно над антенной, он движется, а значит возможно его нахождение в любой точке на орбите. Пусть BAF - угол равный половине диапазона обзора по углу места. Однако ввиду того, что на пути распространения радиоволн могут возникнуть препятствия в виде деревьев, домов и других объектов уменьшим угол BAF на 5°- 10°. 

При расчете параметров помехоустойчивости, нам необходимо знать максимальное расстояние до спутника, на котором мы еще можем передавать с заданной достоверностью информацию. В данном случае, после уменьшение угла BFA на 5°-10° будем считать, что спутник становится видимым в точке E. Тогда нам необходимо найти расстояние AE. d – расстояние от наземной станции до ИСЗ.

 

Дано:

Rз = 6371 км

Ro = 100000 км

∠ BAE = 85 °

∠ OAE = 95 °

Rобщ = Rз + Ro = 106371 км

d -?

 

 

Чтобы найти сторону d в треугольнике AOE воспользуемся теоремой косинусов:

 ; 

км

Получено максимальное расстояние, на котором спутник и земная станция должны передавать данные с заданной достоверностью –

d = 105626 км.

Геометрическая задача решена.

 

 

Расчёт ошибок

 

Исходные данные

Диаметр передающей антенны (), м	2.5
Диаметр принимающей антенны (), м	0.3
Коэффициент эффективности использования площади (η)	0.5
Коэффициент ослабления за счет атмосферы (), dB	-3
Резерв радиолинии (), dB	-3
Шумовая температура приёмника (T), К	1000

 

  – постоянная Больцмана.

Длительность одного бита информации:

Скорость передачи данных:

Спектральная плотность АБГШ:

Длина волны несущей:

 

Потери в свободном пространстве:

Эффективная площадь передающей антенны :

Коэффициент усиления передающей антенны :

Эффективная площадь принимающей антенны :

Коэффициент усиления принимающей антенны :

Определим мощность сигнала на входе приемника. Энергетический потенциал радиолинии .

Найдём мощность сигнала на выходе передающего устройства:

Эффективная изотропная излучаемая мощность (ЭИИМ/EIRP):

Энергетический потенциал радиолинии:

Полученные данные

В модели были получены следующие экспериментальны показатели:

1. Вероятность битовой ошибки Pэ = 0.0004527

2. Дисперсия передаваемого сигнала = 0.0963 В²

3. Число ошибочно принятых бит Nэ = 273

4. Дисперсия ошибки = 0.00113 В²

5. Нормированная ошибка = 0.01252

 

 

Вывод

В данной курсовой работе была спроектирована цифровая спутниковая радиосистема передачи информации, обеспечивающая радиосвязь между наземной станцией и искусственным спутником Земли. В результате аналитического расчета системы и моделирования в среде MATLAB/Simulink были определены основные параметры системы и их согласование.

После проведения расчётов были получены следующие параметры:

Максимальное расстояние приёма d = 105626 км

Динамический диапазон АЦП D = 1.775 В

Разрядность n = 5

Частота дискретизации источника сигнала fs = 9000 Гц

Вероятность битовой ошибки PB = 0.000447

Отношение сигнал/шум = 7.42 dB

Суммарная относительная погрешность = 0.013

Мощность сигнала на входе принимающей антенны PRX = -144.652 дБВт

Мощность на выходе передающей антенны PTX = 18.462 дБВт

Дисперсия порождающего шума = 1.5 В^2

В результате моделирования были получены результаты, соответствующие аналитическим расчётам, согласно которым суммарная относительная погрешность передачи не должна превышать 2%.

Следовательно, разработанную модель можем считать отлаженной.

Список используемой литературы

1. Раздаточный материал: Рекомендация по выполнению курсовой работы. Часть 1 Аналитическое проектирование РСПИ: Важенин Н.А., Голованов К.С., Ештокин Р.Д., Куклев К.И, Тяпкин П.С.

2. Раздаточный материал: Рекомендации по выполнению курсовой работы. Часть 2 Имитационное моделирование РСПИ в среде MATLAB/Simulink: Важенин Н.А., Голованов К.С., Ештокин Р.Д. Куклев К.И., Тяпкин П.С.

3. Раздаточный материал: Планирование экспериментов с имитационными моделями на тактическом уровне: Важенин Н.А.

4. Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение, 2-е издание.: Пер. с англ. – М.: Издательский дом «Вильямс», 2003. -1104 с.: ил.

Приложения

Приложение 1. Код скрипта для модели

% Имитационная модель с ФМн-2 (BPSK) в условиях воздействия АБГШ

%% Подготовка рабочей области clear; % Очистка WorkSpace clc; % Очистка Command Window

%% Параметры моделирования Tmod=13.4; % Время моделирования, с Fs=9000; % Частота дискретизации информационного процесса, Гц

%% Источник дискретного белого гауссового шума Mean=0; % Математическое ожидание, В Variance=1.5; % Дисперсия, В2 Kup=10; % Коэффициент повышения частоты InputFs=Kup*Fs; % Частота дискретизации порождающего шума, Гц SampleTime=1/InputFs; % Шаг дискретизации во времени, с InitGaussian=41; % Инициализация генератора

%% Параметры низкочастотного фильтра FPass=3000; % Частота пропускания, Гц FStop=3300; % Частота подавления, Гц Apass=0.5; % Неравномерность АЧХ в полосе пропускания, dB Astop=40; % Уровень АЧХ в полосе подавления, dB

%% Параметры АЦП TDiscrete=1/Fs; % Шаг дискретизации информационного процесса, с M=5; % Разрядность АЦП Pm=0.888; % Пиковое значение сигнала на входе АЦП, В Bufsize=M; % Размер буфера

%% Канал передачи данных InitSeedAWGN=67; % Инициация генератора АБГШ (AWGN) EbNo=7.42; % Битовое отношение с/ш в канале, дБ Mmod=2; % Позиционность модуляции NbitSymb=log2(Mmod); % Количество бит на канальный символ Pin=1; % Мощность сигнала на входе канала (Вт) TSymb=NbitSymb*TDiscrete/M; % Длительность канального символа, с

%% Расчёт вероятности ошибки DecimationErr=100; % Коэффициент прореживания при отображении ошибок

%% Прочие переменные SigDelay=95; % Задержка эталонного сигнала

Приложение 2. Схема модели

Приложение 3. Эпюры сигналов

Сравнение исходного и принятого сигналов

Сравнение сигналов на выходе модулятора и выходе демодулятора

Сравнение сигналов на входе АЦП и выхода ЦАП

Оглавление

 

Цель работы.. 2

Исходные данные. 2

Аналитическое проектирование РСПИ.. 3

Описание геометрии задачи. 3

Аналитическое проектирование системы передачи информации. 5

Основные компоненты точности (достоверности) передачи информации 7

Расчёт ошибок. 8

Расчёт ошибки, связанной с ограниченным динамическим диапазоном АЦП 8

Расчет ошибки квантования по уровню.. 8

Расчет ошибки дискретизации и восстановления. 9

Расчёт ошибки, связанной с аномальными выбросами. 9

Расчет энергетических характеристик канала связи и вероятности битовой ошибки. 11

Нахождение требуемого объема выборки. 13

Имитационное моделирование РСПИ в среде MATLAB/Simulink. 14

Моделирование передающей части. 15

Моделирование приемной части. 18

Полученные данные. 20

Вывод. 21

Список используемой литературы.. 22

Приложения. 23

Приложение 1. Код скрипта для модели. 23

Приложение 2. Схема модели. 24

Приложение 3. Эпюры сигналов. 25

 

 

Цель работы

 

Ознакомление с основами проектирования инфокоммуникационных систем ЛА и разработкой начальных технических предложений по построению цифровой радиосистемы для обеспечения передачи аналоговой информации от низкоскоростных телеметрических датчиков ЛА, статистические характеристики которых заданы соответствующим вариантом исходных данных.

В процессе выполнения КР рассматриваются основные задачи системного проектирования радиосистемы передачи информации ЛА-Земля. При проектировании требуется выбрать и оптимизировать параметры цифровой радиосистемы передачи информации (РСПИ) для достижения заданной в ТЗ суммарной относительной погрешности передачи аналоговых сообщений. Результаты проведенного студентами теоретического анализа проверяются и уточняются с использованием имитационных моделей, разрабатываемых в среде MATLAB/Simulink.

Исходные данные

 

Высота круговой орбиты КА, км	100000
Диаметр антенны КА, м	0.3
Диаметр антенны ЗС, м	2.5
Ширина полосы частот источника информации, Гц	3000
Суммарная шумовая температура приемника, °К	1000
Частота несущего сигнала, ГГц	1.5
Требуемая суммарная точность, %	2
Мощность источника информации, дБм	3

 

Аналитическое проектирование РСПИ

Описание геометрии задачи

 

Геометрия данной задачи в виде упрощенной модели представляет собой движение спутника Земли в плоскости по окружности определенного радиуса. При таком движении спутника относительно наземной станции расстояние между спутником и антенной будет постоянно изменяться. Наземная же система должна обеспечивать связь постоянно, при условии нахождения спутника в зоне видимости, то есть расчет системы должен производиться при "наихудших" условиях - максимальном удалении спутника от РСПИ.

Рис.1. Геометрия задачи

    Пусть имеется искусственный спутник Земли (ИСЗ) на круговой орбите c известной нам высотой орбиты, а также известна диаграмма направленности приемной антенны на Земле (рис. 1). В точке A находится приемная антенна. Если ИСЗ находится в точке B, тогда АВ – высота орбиты спутника. Однако спутник не всегда находится ровно над антенной, он движется, а значит возможно его нахождение в любой точке на орбите. Пусть BAF - угол равный половине диапазона обзора по углу места. Однако ввиду того, что на пути распространения радиоволн могут возникнуть препятствия в виде деревьев, домов и других объектов уменьшим угол BAF на 5°- 10°. 

При расчете параметров помехоустойчивости, нам необходимо знать максимальное расстояние до спутника, на котором мы еще можем передавать с заданной достоверностью информацию. В данном случае, после уменьшение угла BFA на 5°-10° будем считать, что спутник становится видимым в точке E. Тогда нам необходимо найти расстояние AE. d – расстояние от наземной станции до ИСЗ.

 

Дано:

Rз = 6371 км

Ro = 100000 км

∠ BAE = 85 °

∠ OAE = 95 °

Rобщ = Rз + Ro = 106371 км

d -?

 

 

Чтобы найти сторону d в треугольнике AOE воспользуемся теоремой косинусов:

 ; 

км

Получено максимальное расстояние, на котором спутник и земная станция должны передавать данные с заданной достоверностью –

d = 105626 км.

Геометрическая задача решена.