Способ увеличения пропускной способности канала связи с малым уровнем шума

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Связь


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

Ю.Б. Нечаев,
доктор физико-математических наук, профессор, Концерн «Созвездие»
Ю. А. Дергачев,
Концерн «Созвездие»
М. А. Панкова,
Концерн «Созвездие»
СПОСОБ УВЕЛИЧЕНИЯ ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТИ КАНАЛА СВЯЗИ С МАЛЫМ УРОВНЕМ ШУМА
THE METHOD OF A THROUGHPUT CAPACITY INCREASE OF A COMMUNICATION CHANNEL WITH LOW NOISE LEVEL
Предложен способ увеличения пропускной способности канала связи с помощью изменения разрядности передаваемой информации. Рассмотрено устройство, реализующее способ, которое может быть использовано как дополнительный модуль к существующим устройствам связи.
This article is about the way of increase in throughput a communication channel by means of change word length of the transferred information. The device realizing a way which can be used as the additional module, to existing communication devices.
Пропускная способность канала передачи данных может быть существенно увеличена с помощью повышения разрядности цифрового передающего устройства. Существенный недостаток метода в том, что «платой» за увеличение пропускной способности является амплитудная информация.
Предлагаемый метод применим либо в малошумящих каналах, либо в защищённых от помех кабельных системах. В этом случае можно не учитывать динамический (негауссовский) уровень шума в различных частях спектра.
Все передающие устройства делятся на две категории: аналоговые и цифровые. Так как абсолютно все цифровые вычислительные машины работают в двоичной системе исчисления (т.е. в области стандартной булевой логики, где существует только два устойчивых состояния «1» и «0»), то и цифровые приёмо-передающие устройства также являются двоичными.
При использовании алгоритмов пакетной передачи данных какой-либо выигрыш в пропускной способности канала всегда сводился к применению новых алгоритмов сжатия информации. Однако увеличение количества передаваемой информации за единицу времени может быть достигнуто также и переходом с одного алфавита передаваемых сообщений (в нашем случае двоичного) на алфавит с более широкой базой (основанием системы исчисления). Эффект увеличения пропускной способности достигается за счёт того, что во время преобразования передаваемого сообщения из одного алфавита в другой происходит фактическое уменьшение числа разрядов, а следовательно, за один и тот же абстрактный промежуток времени может быть передано больше информации.
Пример. Пусть задан стандартный алфавит передачи сигнала A = {0,1} и расширенный B = {0,1,2}- t — временной интервал, в течение которого переда'-тся один из элементарных импульсов. Пусть число 7(10) — полезная информация, которую необходимо передать от источника к получателю.
При использовании стандартного алфавита, А имеем: 7(ю) = 111(2), т. е. получаем число, состоящее из трёх разрядов, а значит, на его передачу уходит 3ї отрезков времени (как показано на рис. 1).
1 1

1
0
Рис. 1
При переходе на алфавит В имеем: 7(ю) = 21@), т. е. получаем число, состоящее из
двух разрядов, а значит, на его передачу уходит 2t временных промежутков (рис. 2).
1 1

2
1
0
Рис. 2
Таким образом, получен выигрыш во времени при передаче того же самого сообщения в алфавите В, а значит, увеличена пропускная способность канала.
В качестве простейшей аппаратной реализации может выступить цифровой генератор синусоидальных колебаний с управляемой частотой и амплитудой, схема которой приведена на рис. 3.
Рис. 3
ГТИ (генератор тактовых импульсов) — обеспечивает формирование управляющих импульсов заданной частоты, обеспечивающей требуемую частоту синуса на выходе- ФА — формирует текущий адрес для выбора данных из памяти-
ПЗУ — выдаёт текущее значение уровня сигнала на выходе-
ЦАП — преобразует цифровое значение уровня сигнала в аналоговый уровень сигнала-
БУ — обеспечивает необходимую амплитуду сигнала на выходе.
Схематически вид сигнала в каждом блоке приведён на рис. 4.
_п_п_ .1 и _ -> >
И- > ->
Рис. 4
иоЛї = _2и.
(1)
Тактовый генератор формирует опорные импульсы с частотой, прямо пропорциональной выходной частоте синуса. Синхронизирующие импульсы с частотой /т поступают на счётчик, на выходе которого формируется п-разрядный адрес микросхемы памяти — число Х. Значение адреса изменяется в интервале от 0 до (2 п -1). По числу Х на адресном входе ПЗУ выбирает т-разрядное число У, являющееся значением выборки сигнала — амплитуды синуса. Цифро-аналоговый преобразователь преобразует код числа в аналоговый сигнал [1].
В общем виде зависимость выходного напряжения ицлП биполярного ЦАП от входного кода числа Х при опорном напряжении иоп выражается формулой
'-'-_0_ _ 1 Л
2™ 2 2™ +1
Максимальная частота генерируемых сигналов определяется по формуле
Р =. (2)
2 п
Общая погрешность аппроксимации синусоиды складывается из погрешности квантования сигнала по уровню, погрешности дискретизации сигнала по времени и погрешности линейности ЦАП [2].
'-'-общ = '-к + '-д + '-цЛП. (3)
Наиболее критичной в схеме является погрешность линейности ЦАП, т. к. он является основой схемы. Выберем в качестве ЦАП микросхему К1108 ПА2 — 8 разрядный функционально законченный цифро-аналоговый преобразователь двоичного кода в напряжение, выполненный по биполярной технологии и имеющий следующие характеристики:
ип = ± 5 В- ивых=2,5 В-
іуст =1,5 мкс.
Микросхему ПЗУ следует выбирать по объёму памяти и времени выборки адреса.
В качестве ПЗУ остановимся на микросхеме КР556РТ17 емкостью 512×8 бит, которая имеет следующие параметры:
?в.а. 50 нС-
ип = + 5 В.
Полученная общая погрешность аппроксимации не превышает заданного допустимого значения 1%.
6-разрядный счётчик построим на основе микросхемы К555ИЕ19, содержащей два четырёхразрядных счётчика.
В качестве задающего (тактового) генератора в проектируемом устройстве будем использоватьС-генератор на основе логических инвертирующих элементов, обеспечивающий заданный коэффициент нестабильности частоты.
При заданном диапазоне частот сигнала на выходе устройства (100 Гц — 1 кГц) и выбранном числе шагов дискретизации (64) максимальная частота тактовых импульсов определяется как
!да. Шп = Ргаёп ^ = 64 ^ (4)
минимальная — как
їда.Ш = N = 6,4 кГЦ. (5)
Предельная частота тактового генератора зависит от быстродействия ЦАП:
їдалдаа & lt- = 667 ^ (6)
опд
что удовлетворяет используемому режиму генератора.
Рассчитаем значения элементов генератора тактовых импульсов для обеспечения данного диапазона частот.
Р = 1/(2 ж Я С). (7)
Зададим Я1 = 2,5 кОм, Я2 = 1,5 кОм.
При С = 6,8 нФ Р = 63,6 кГц- Т=15,7 мкс.
При С = 68 нФ Р = 6,36 кГц- Т=157мкс.
Таким образом, в качестве конденсатора С возьмём переменный конденсатор на 68 н Ф.
Для более точной подстройки частоты последовательно соединим постоянный резистор сопротивлением 2 кОм и переменный — сопротивлением 1 кОм.
Так как рабочие частоты не превышают 20 Мгц, то используем серию К555, имеющую следующие параметры:
— напряжение питания +5 В,
— диапазон рабочих температур от -10 до +70°С,
— уровень логического нуля не более 0,4 В,
— выходной уровень логической единицы не менее 2,6 В,
— средняя потребляемая одним логическим элементом мощность 2 мВт,
— средняя задержка распространения сигнала 20 нс.
Максимальный потребляемый устройством ток не превышает 0,35 А.
Заданная амплитуда сигнала на выходе устройства будет обеспечиваться усилителем на ОУ с коэффициентом усиления
9
^ =-Ц = 3,6. (8)
и айо. ОА1 А-5
При этом Яос=3,6 кОм, а Я=1 кОм.
В качестве ОУ используем микросхемы К140УД26, имеющие следующие параметры:
— напряжение питания ±15 В-
— ток потребления 4,7 мА-
— коэффициент усиления 106-
— напряжение смещения 0,025 мВ-
— входной ток 3 5 нА.
В соответствии с выбранными ЦАП, ПЗУ и параметрами самого устройства в качестве используемых в нём цифровых микросхем будут применены микросхемы серии 555. Максимальный потребляемый устройством ток не превышает 0,35 А.
Общая погрешность аппроксимации синусоиды составляет:
% = 50% _ 50% _ 0 '- М 2 2,25
Лпд =
1 1
21
сmfm ах тт
%д = = 64−100 = 3
Пд 2/тах 2 — 1000
Л % =
V 3,2
= 0,49%.
, Лпд У
5-и % = 0,195 + 0,49 + 0,28 = 0,965%
гаи '
Содержимое ячеек ПЗУ рассчитывается по формуле
X =
& quot- 1 ґ 2p• A'-'- 1 & quot-
— sin + -
_ 2 V 2 2 _
lm -1),
(10)
где п=6, т=8, А=0… 2п -1.
Полученные в результате расчёта 64 8-разрядных числа от 0 до 255 и составляют содержимое микросхем ПЗУ (таблица).
Содержимое ПЗУ
Адрес Содержимое ячеек
0 80 8C 98 A5
4 B0 BC C6 D0
8 DA E2 EA F0
0C F5 FA FD FE
10 FF FE FD FA
14 F5 F0 EA E2
18 DA D0 C6 BC
1C B0 A5 98 8C
20 80 73 67 5A
24 4 °F 43 39 2F
28 25 1D 15 0F
2C 0A 5 2 1
30 0 1 2 5
34 0A 0 °F 15 1D
38 25 2 °F 39 43
3C 4 °F 5A 67 73
Таким образом, описанный выше алгоритм может быть осуществлён с помощью предложенной аппаратной реализации, при этом градации алфавита по амплитуде достигаются кратно-масштабными преобразованиями синусоиды на выходе генератора.
Предлагаемое устройство может быть использовано как дополнительный модуль, осуществляющий увеличение пропускной способности канала, к уже существующим устройствам передачи данных.
ЛИТЕРАТУРА
1. Henriksson D. TrueTime: Simulation of control loops under shared computer resources / D. Henriksson, A. Cervin, K. E. Arzen // Proc. of the 15th IFAC World Congress on Automatic Control.- Barcelona, Spain, July 2002.
2. Черных И. В. Simulink: среда создания инженерных приложений /
И. В. Черных.- М.: Диалог-МИФИ, 2003.- 496 с.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой