Научный руководитель: Сизякова А. Ю. Студент: Чжо Мьо...

Разработка модели помехоустойчивой спутниковой системы передачи данных с

модемом BPSK

(магистерская диссертация)

Научный руководитель : Сизякова А. Ю.Студент : Чжо Мьо Тун

Решенные задачи

2

– Особенности построения спутниковых систем передачи данных.– Энергетический расчет радиолинии Земля – Спутник.– Разработка модели ССС с сигналом ФМ2 и анализ помехоустойчивости системы передачи данных.– Разработка модели ССС с помехоустойчивым кодеком и расчет ее помехоустойчивости.

Глава 1Особенности построения спутниковых систем передачи данных

Рис. 1.1. Ретрансляторы ИСЗ и наземные наблюдатели

Рис. 1.2. Виды орбит ИСЗ

Рис. 1.3. Геостационарная орбита

3

Кодеристочни

ка

Кодерканала ЦАП ФНЧ Мод ПФ Усилител

ь ПФ

АНТ

Канал

АНТ

МШУУРЧСМУПЧДемLimiterДекодер канала

Декодер источника ЦАП

Рис. 1.4. Обобщенная функциональная схема системы спутниковой связи

4

5

Исходные данные для расчета :ИС – источник сигнала с битовой скоростью R = 480 Мбит/с,МОД – модулятор сигнала ФМ2,ПУ – передающее устройство,ПРУ – приемное устройство,ДМОД – демодулятор сигнала ФМ2,ПЛ – получатель цифрового информационного сигнала,Gпрд – коэффициент усиления передающей антенны диаметром dпрд = 5 м,Рпрд – мощность колебания на выходе усилителя передатчика,Gпрм – коэффициент усиления приемной антенны, диаметром dпрм = 1 м,Lсв – потери при распространении в свободном воздухе,Lдп – дополнительные потери.В системе центральная частота спектра переданного сигнала равна 12 ГГц с длиной волны λ = 2.5см.

Рис. 1.5. Функциональная схема системы спутниковой связи

Для расчёта энергетики используем формулу ;

2log10)( dдБGпрд

ДПсв

прмпрдпрдпрм LL

GGPP

Дополнительные потери Lдп при распространении примем равными 7,4дБ.

дБD

Lсв 44.205105.3025.0

103724344 20

232

)(1,120)()(

4,744,20538,3936,53)()(

)()()()()()(

дБдБВтPдБВтP

дБВтPдБВтP

дБLдБLдБGдБGдБВтPдБВтP

прдпрм

прдпрм

ДПсвпрмпрдпрдпрм

Рпрд, Вт 10 20 30 40 50 60

Рпрд, дБВт 10 13 14,77 16,02 16,99 17,78

Рпрм, Вт 9,77∙10–121.95∙10–11 2.93∙10–11 3.91∙10–11 4.89∙10–11 5.86∙10–11

Рпрм, дБВт -110,1 -107,1 -105,33 -104,08 -103,11 -102,32

6

таблица.1.1

Для цифровой связи вероятность ошибки зависит от отношения Еb/N0 в приемнике

R

П

P

P

N

E ш

ш

cb 0

где Еb – (удельная) энергия одного бита сигнала, N0 – спектральная плотность мощности шума, Рс – средняя мощность сигнала на входе приемника, Рш – средняя мощность шума, Пш – шумовая полоса приемника, R – скорость передачи двоичной информации.

7

Для системы передачи с сигналом ФМ2 вероятность битовой ошибки (Рош) определяется по формуле

ш

сcbcbош P

РQ

RN

PQ

N

PQ

N

EQP

2222

000

dtexQx

t

2

2

2

1)(

N0 – односторонняя спектральная плотность мощности АБГШ на входе

приемника,Рс – мощность сигнала на входе приемника,

Рш – мощность шума, рассчитанная в полосе Пш, равной R.

Пусть требуемая вероятность битовой ошибки на выходе демодулятора Рош= 10–3. Рассчитаем требуемое отношение сигнал/шум (Eb/N0). Равенство

32 102

1)(

2

dtexQx

t

выполняется при х ≈ 3.1, тогда Eb/N0 = (3.1)2/2=4.8 (или 6.8 дБ). Шумовая полоса приемника Пш = R , мощность сигнала на входе приемника Рс∙прм можно рассчитать в виде:

RTkN

EP ш

bпрмc )(

0

= (4,8)∙(1,38∙10-23Дж/K)∙(300K)∙(480 Мбит/c)

= 9,53856 . 10-12 Вт = –110,21 дБВт Сравним значения мощностей сигнала на входе приемника, требуемую (–110,21 дБВт) и поступившую от передатчика (–110,1дБВт):

∆Рпрм = –110,21 дБВт – (–110,1дБВт) = –0,11 дБВт.

8

Мощность шума можно определить по формулешшшш ПkTПNP 0

где Пш – шумовая полоса приемника (Гц),

Тш – шумовая температура приемника (K).

(Дж/K) – постоянная Больцмана,231038,1 k

9

Глава 2Разработка модели ССС с сигналами BPSK

МодуляторКанал связи

с шумом

Демодулятор

Вход Выход

УПЧ Источник

Рис. 2.1.Обобщенная структурная схема системы связи с ФМ

1 0 0

2 0 0

( ) cos ;2

( ) cos .2

s t S t

s t S t

выход

УПЧ

n(t)

si(t)D(t)y(t)

Рис.2.2 Схема ССС с ФМ2

-1

-0,5

0

0,5

1

t

D (t )

Рис. 2.3. Реализация функции D(t)

10

Рис. 2.4. Структурная схема модели системы связи с сигналами ФМ2,реализованная в пакете System View

11

Рис.2.5. Схема демодулятора сигнала BPSK и спектр сигнала на выходе УПЧ

Рис. 2.6. Зависимость идеальной и типичной от

12

Вероятность битовой ошибки при модуляции BPSK

)2(0N

EQP b

ош

x

t

dtexQ 2

2

2

1)(

Рис. 2.7. Вероятность ошибки на бит(Рош) для

сигнала BPSK от отношения Eb/N0, дБ

(дБ) Рош (теория) Nош BER

0 1 7,9 . 10-2 578,6 6290 9,2 . 10-2

1 1,26 0,0599 435,3 6290 6,9 . 10-2

2 1,58 0,0375 299,5 6290 4,8 . 10-2

3 1,99 0,0233 191 6290 3 . 10-2

4 2,51 0,0125 119,6 6290 1,9 . 10-2

5 3,16 0,0060 61,3 6290 9,7 . 10-3

6 3,98 0,0024 32 6290 5,1 . 10-3

7 5,01 0,0008 13,4 6290 2,1 . 10-3

8 6,30 0,0002 4,5 6290 0,7 . 10-3

таблица.2.1

13

Глава 3Канальное кодирование в цифровой связи

Рис. 3.1. Обобщенная схема цифровой системы связи

14

Рис. 3.2. Цифровая модель исследуемой системы связи

15

Рис. 3.3. Плотность вероятности датчика случайных чисел с равновероятным

законом распределения от 0 до b.

Рис. 3.4. Процессы(а,б,в) в исследуемой системе связи в отсутствие ошибок в ДСК.

а.Процесс на выходе источника ПСП (элемент 0).

б.Процесс на выходе буферного каскада (элемент 1).

в.Процесс на выходе кодера.

16

б.Процесс на выходе преобразующего (элемента 5).

а.Процесс на выходе декодера.

Рис. 3.5. Процессы(а,б) в исследуемой системе связи (p=0) в ДСК.

17

Рис. 3.6. Процессы(а,б,в) в исследуемой системе связи (p=0,01) в ДСК.

б.Процесс на выходе декодера.

а.Процесс на входе кодера.

в.Процесс на входе кодера минус на выходе декодера.

18

1E-05

1E-04

1E-03

1E-02

1E-01

0,0010,010,1

Eb/N0

P ош

a p Eb/N0(дБ) в канале p BER

5.104 0,05 1.34 2819 4,9. 10-2 1648 4,1.10-2

4.104 0,04 1.85 2979 4,1. 10-2 2208 2,6.10-2

3.104 0,03 2.47 3475 3. 10-2 1880 1.10-2

2.104 0,02 3.22 4596 2.10-2 2050 2,6.10-3

1.104 0,01 4.34 4628 1.10-2 2331 1,2.10-4

9.103 0,009 4.45 8363 9.10-3 2362 4.10-5

8.103 0,008 4.63 7300 7,9.10-3 2413 1,5.10-5

Рис. 3.7. Вероятность ошибки на бит(Рош) для сигнала ДСК

таблица.3.1

Выводы

19

–рассмотрены особенности построения спутниковых систем связи.–построена обобщенная блок-схема ССС .–проведен расчет энергетики радиолинии Земля – Спутник и показано, при каких параметрах удается обеспечить требуемое значение вероятности ошибки (Рош).–построена обобщенная структурная схема и описана работа системы связи с ФМ.–разработана математическая и компьютерная модели системы связи с ФМ2, приведены параметры элементов модели.–проведены расчет вероятности ошибки сигнала для модели системы связи с ФМ2. показано, что результаты моделирования немного больше, чем теоретические.–проведены общие сведения о циклических кодах и алгоритм формирования циклического кода.–разработана компьютерная модель системы связи с циклическим кодом .–рассчитана помехоустойчивость системы при использовании помехоустойчивого кодека (127, 92).

Спасибо за внимание