Здесь можно найти учебные материалы, которые помогут вам в написании курсовых работ, дипломов, контрольных работ и рефератов. Так же вы мажете самостоятельно повысить уникальность своей работы для прохождения проверки на плагиат всего за несколько минут.
Предлагаем нашим посетителям воспользоваться бесплатным программным обеспечением «StudentHelp», которое позволит вам всего за несколько минут, выполнить повышение оригинальности любого файла в формате MS Word. После такого повышения оригинальности, ваша работа легко пройдете проверку в системах антиплагиат вуз, antiplagiat.ru, РУКОНТЕКСТ, etxt.ru. Программа «StudentHelp» работает по уникальной технологии так, что на внешний вид, файл с повышенной оригинальностью не отличается от исходного.
Результат поиска
Наименование:
курсовая работа Разработка системы сбора, передачи и обработки аналогового сигнала
Информация:
Тип работы: курсовая работа.
Добавлен: 08.05.2012.
Год: 2011.
Страниц: 9.
Уникальность по antiplagiat.ru: < 30%
Описание (план):
Кафедра:
«Электронные, радиоэлектронные и электротехнические
системы»
КУРСОВОЙ
ПРОЕКТ
по дисциплине:
«Системы и средства технического обеспечения
обработки, хранения и передачи информации»
на тему:
«Разработка
системы сбора, передачи и обработки
аналогового сигнала»
Руководитель: Дракин А. Ю.
«___»___2010 г.
Студент: Мартынова К.В.
«___»___2010 г.
Брянск
2010
ИНДИВИДУАЛЬНОЕ
ЗАДАНИЕ
Разработать
систему сбора, передачи и обработки
аналогового сигнала в соответствии с
индивидуальным заданием.
СОДЕРЖАНИЕ
Функциональная
схема 5
Схема
в среде Simulink 7
Описание
узлов системы 8
Генератор
входного сигнала 8
Функциональный
преобразователь 9
Аналогово-цифровой
преобразователь 10
Кодер/декодер
Хэмминга 13
Мультиплексор
и демультиплексор. 14
Регистры
сдвига 15
Модулятор/демодулято 18
Генератор
шума. 19
Цифро-аналоговый
преобразователь 20
Обратный
преобразователь 21
Заключение 22
Список
используемых источников 23
Приложения
ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ
СХЕМА
Рис.1
Функциональная схема.
Генератор
сигнала формирует требуемый сигнал.
Сигнал
поступает в функциональный преобразователь.
Функциональный преобразователь смещает
график сигнала в диапазон положительных
чисел и увеличивает его амплитуду.
Обработанный
аналоговый сигнал поступает в АЦП,
где преобразовывается в цифровой код.
Преобразование проходит в три этапа.
Сначала идёт дискретизация сигнала. Затем
происходит квантование сигнала. Полученная
после этого величина преобразуется из
десятичной формы в двоичную.
После
АЦП сигнал в виде двоичных чисел
поступает в кодер Хэмминга.
Кодер
преобразует каждую из двоичных последовательностей
(чисел), добавляя к ней некоторое число
бит. Добавленные биты необходимы для
коррекции ошибки после передачи сигнала.
Кодированный
сигнал поступает на демультиплексор,
где он «разбивается» на 7 параллельных
каналов. Выходы демультиплексора соединены
с регистром сдвига, с параллельным приемом
и последовательной выдачей, который преобразует
параллельный сигнал в последовательный.
Последовательный
сигнал поступает в модулятор, который
выполняет частотную манипуляцию. Затем
сигнал передаётся по каналу передачи
данных, в котором возможны ошибки.
Промодулированный
сигнал из канала связи поступает
в демодулятор, где он обратно
преобразуется в последовательный
двоичный сигнал.
Последовательный
сигнал попадает в регистр сдвига, с последовательным
приемом и параллельной выдачей, где он
разделяется на 7 параллельных каналов.
После этого мультиплексор «собирает»
сигнал снова в один канал.
Переданный
кодированный сигнал принимается декодером
Хэмминга, который декодирует сигнал.
Затем
сигнал поступает на вход ЦАП, где
преобразовывается в аналоговую
форму. Аналоговый сигнал поступает в
функциональный преобразователь, который
уменьшает амплитуду сигнала и смещает
его в начальный диапазон.
Для
оценки ошибки вычитаем из входного сигнала
выходной и находим среднее значение данной
величины. С помощью этой величины можно
оценим погрешность.
СХЕМА
В СРЕДЕ SIMULINK
На
основе функциональной схемы и данного
задания в среде Simulink была разработана
следующая система (рис. 2):
Рис. 2 Схема
в среде Simulink.
ОПИСАНИЕ
УЗЛОВ СИСТЕМЫ
Генератор
входного сигнала
Генератор
входного сигнала служит для формирования
необходимого сигнала. Схема конкретного
генератора может меняться в зависимости
от того, какой сигнал необходимо формировать.
Рис. 3 Генератор
входного сигнала в среде Simulink.
Блок
Clock является источником временного сигнала.
Он формирует сигнал, величина которого
на каждом шаге расчета равна текущему
времени моделирования. Блоки Constant выводят
заданные константы. Блоки Product выполняет
умножение величин, поданных на их входы.
Блоки Trigonometric Function находят значение выбранной
тригонометрической функции (синус и косинус)
от аргумента, поданного на вход. Блок
Sum выполняет вычитание входных величин.
Вместе
все описанные блоки составляют
генератор входного сигнала вида:
2Sin(6t)-2cos(2t). Диаграммы работы генератора
в приложении 2.
Функциональный
преобразователь изменяет входной сигнал
согласно некоторой формуле.
Рис.
4 Функциональный преобразователь в среде
Simulink.
Функциональное
преобразование необходимо для более
точного преобразования сигнала
в АЦП. Входной сигнал лежит в
диапазоне [-4;4]. Целесообразнее работать
с сигналом, находящимся в положительном
диапазоне. Поэтому необходимо сместить
сигнал на 4 единицы вверх. Для этого используем
блоки Constant и Sum (прибавляем 4 к каждому
значению входного сигнала). Теперь сигнал
лежит в диапазоне [0;8].
Рассчитаем
разрядность АЦП для того, чтобы
оценить максимальный диапазон, в
котором может лежать график.
Известно,
что точность передачи сигнала 5% (по
заданию).
??/D
= 0.05, где ?? – допустимая ошибка, D – величина
диапазона, в котором лежит график сигнала.
Чтобы
найти величину диапазона, вычтем из
максимального его значения минимальное:
D=8-0=8. Следовательно,
??/8
= 0.05, отсюда ?? = 0.4.
Известно,
что допустимую ошибку составляют ошибка
дискретизации и ошибка квантования.
В данном случае ошибкой дискретизации
можно пренебречь из-за ее малой величины.
Ошибка квантования равна половине шага
квантования. Отсюда,
??=h/2, h=2* ??=0.8.
Известно,
что h=D/2N, где N – разрядность
АЦП. Следовательно,
0.8=8/2N,
2N=10, N?4.
Значит,
максимальный диапазон 24 = 16. Получается,
что неиспользуемым остается большая
часть диапазона. Поэтому было решено
увеличить амплитуду сигнала, чтобы он
лежал во всем возможном диапазоне. Для
этого с помощью блока Product умножаем сигнал
на 16/8=2.
В
обратном функциональном преобразователе
реализуются обратные операции, т.е.
умножение на 1/2 и вычитание 4.
Рис.
5. Обратный преобразователь в среде Simulink.
Таким
образом, амплитуда сигнала уменьшается
до начального значения и он помещается
в первоначальный диапазон.
Аналого-цифровой
преобразователь (АЦП) — устройство, преобразующее
входной аналоговый сигнал в дискретный
код (цифровой сигнал). Любой АЦП выполняет
следующие операции:
Дискретизацию
непрерывного сигнала по времени, когда
значения сигнала определяются не в любой
момент времени, а в строго определенные
моменты времени;
Квантование
по уровню. Квантование представляет собой
округление аналоговой величины до ближайшего
уровня квантования, т.е. максимальная
погрешность квантования равна ±0.5h (h-
шаг квантования);
Кодирование
полученных квантованных значений в виде
последовательности n-ичных кодовых комбинаций
(чисел). Чаще всего кодирование здесь
используется двоичное, т.е. делается запись
номера уровня квантования в двоичном
коде.
Рис.
5 Аналого-цифровой преобразователь в
среде Simulink.
Разрядность
АЦП была выбрана с учётом максимальной
ошибки, которая не должна превышать
5%. Она была посчитана ранее, разрядность
АЦП равна 4.
Для
построения АЦП в Simulink были использованы
следующие блоки: экстраполятор нулевого
порядка (Zero-Order Hold), квантователь по уровню
(Quantizer), округление числового значения
(Rounding Function), конвертер десятичного целочисленного
значения в битовое (Integer to Bit Converter), мультиплексор.
Блок
Zero-Order Hold выполняет дискретизацию
входного сигнала по времени. Параметр
блока Sample time определяет величину шага
дискретизации по времени. Блок фиксирует
значение входного сигнала в начале интервала
дискретизации и поддерживает на выходе
это значение до окончания интервала дискретизации.
Затем выходной сигнал изменяется скачком
до величины входного сигнала на следующем
шаге дискретизации. Обратной величиной
к шагу дискретизации является частота
дискретизации. Частота дискретизации
должна быть в 2 раза больше, чем максимальная
частота сигнала. Максимальную частоту
можно определить по графику амплитудного
спектра сигнала, получаемого средствами
Simulink:
Рис. 6 Амплитудный
спектр сигнала.
На
графике амплитудного спектра наглядно
видно, что максимальная частота W не превышает
12.
Известно,
что W=2*Pi*F, где F-частота в Hz, W- частота в
rads/sec. Отсюда несущая частота F=W/2*Pi=12/2*Pi=1.9
Следовательно, частота дискретизации
равна 3.8 Hz. Для большей точности возьмем
частоту дискретизации равной 10 Hz. То есть
Sample time = 1/10=0,1.
Блок
Quantizer выполняет квантование сигнала по
уровню с заданным шагом квантования.
Шаг Quantization interval был ранее посчитан, он
равен 0.8.
Блок
Integer to Bit Converter переводит целочисленные
значения поступающего на него сигнала
в последовательность битов. В опциях
блока указываем, что каждое значение
будет представлено 5-ью битами, т.к. разрядность
АЦП равна 4 и первый бит – знаковый.
Блок
Rounding Function округляет значения сигнала
до ближайшего целого. Он необходим для
корректной работы блока Integer to Bit Converter,
т.к.
он требует
подачи целочисленных значений на вход.
Мультиплексор
служит для корректного сопряжения
с кодером Хемминга. Так как первый бит
знаковый, его необходимо «отсечь». Далее
на кодер подаются 4 значащих бита.
Цифро-аналоговый
преобразователь (ЦАП) – устройство для
преобразования цифрового (обычно двоичного)
кода в аналоговый сигнал.
Рис. 7. Цифро-аналоговый
преобразователь в среде Simulink.
Параметры
блока Zero-Order-Hold аналогичны параметрам
блока в АЦП.
Блок
Bit to Integer Converter переводит последовательность
битов в целочисленные значения.
В опциях блока указываем, что
каждое значение будет представлено
4-мя битами.
Кодер/декодер
Хэмминга
Код
Хэмминга представляет собой блочный
код, который позволяет выявить
и исправить ошибочно переданный
бит в пределах переданного блока.
Кодер Хемминга в Simulink реализуется с помощью
блока Hamming Encoder.
Рис.8. Кодер
Хэмминга в среде Simulink.
Кодер
Хэмминга работает с определенным числом
входящих битов. Количество входных
битов высчитывается по формуле
K=2M-1-M(К – количество входных бит,
М – количество добавляемых кодером бит
для формирования избыточности (причем
М>=3)). На практике имеем 4 бита данных.
Отсюда делаем вывод, что подходящее для
нас число входящих в кодер Хэмминга бит
равно K=23 – 1 – 3 = 4.
Параметр
блока Hamming Encoder “Codeword Length N” равен 7. Это
общее число бит выходящих из кодера Хэмминга:
4 информационных и 3 кодовых, добавочных.
Параметр “Message Length K” равен gfprimfd(3,'min& 39;),
что означает, что к информационным битам
добавляется еще 3 кодовых.
Декодер
Хэмминга в Simulink реализуется блоком
Hamming Decoder.
Рис.9. Декодер
Хэмминга в среде Simulink.
Параметры
блоков декодера Хэмминга аналогичны
параметрам блоков кодера.
Проверим
работу кодера/декодера Хэмминга. Для
этого один из битов передадим ошибочно,
задав его константой. Сигнал не изменился,
значит избыточное кодирование восстанавливает
данные. Схема и спектрограммы – в приложении.
Мультиплексор/демуль иплексор
Демультиплексор
служит для «разбиения» кодированного
сигнала на 7 параллельных каналов соединенных
с регистром сдвига Transmitter параллельного
приема и последовательной выдачи кодов.
Входы
мультиплексора соединены с регистром
сдвига Reciver последовательного приема
и параллельной выдачи кодов. Мультиплексор
нужен, чтобы «собрать» сигнал снова в
один канал.
Рис.10. Демультиплексор.
Рис.11. Мультиплексор.
Регистры
сдвига
Для
реализации последовательного интерфейса
модема нужны регистры сдвига. Разрядность
регистров сдвига, определяется количеством
триггеров, входящих в их состав. Мы будем
использовать семиразрядные регистры
сдвига, реализованных на D-триггерах. Принцип
работы регистра Transmitter
Регистр
с параллельным приемом и последовательной
выдачей кодов Transmitter на входах получает
параллельный кодированный сигнал и преобразует
его в сигнал последовательный.
Как
следует из рисунка, синхроимпульсы
поступают на соответствующие входы
всех триггеров регистра одновременно
и записывают в них то, что имеет место
на их информационных входах.
В
течение следующих 7 синхроимпульсов
производится последовательный поразрядный
вывод из регистра записанного числа,
после чего регистр оказывается полностью
очищенным (на вход R подается сигнал очищения).
Рис.12. Регистр
сдвига Transmitter.
Принцип
работы регистра Receiver
Регистр
с последовательным приемом и
параллельной выдачей кодов Receiver
на входах получает последовательный
кодированный сигнал и преобразует его
в сигнал параллельный.
Рис.13. Регистр
сдвига Receiver.
Как
следует из рисунка 12, синхроимпульсы
поступают на соответствующие входы
всех триггеров регистра одновременно
и записывают в них то, что имеет
место на их информационных входах.
На информационных входах триггеров D2,
D3 и т. д. - уровни логического “0”, т.к.
информационные входы последующих триггеров
соединены с выходами предыдущих триггеров,
находящихся в состоянии логического
“0”, а на вход “D” первого триггера, по
условию примера, подается “0” из внешнего
источника информации. При подаче на вход
“D” первого триггера “1”, с приходом
первого синхроимпульса, в этот триггер
запишется “1”, а в остальные триггеры
- “0”, т.к. к моменту поступления фронта
синхроимпульса на выходе триггера D1 “ещё”
присутствовал логический “0”. Таким
образом, в триггер D1 записывается та информация
(тот бит), которая была на его входе “D”
в момент поступления фронта синхроимпульса
и т.д.
При
поступлении второго синхроимпульса логическая
“1” , с выхода первого триггера, запишется
во второй триггер, и в результате происходит
сдвиг первоначально записанной “1” с
триггера D1 в триггер D2, из триггера D2 в
триггер D3 и т.д. Таким образом, производится
последовательный сдвиг поступающей на
вход регистра информации (в последовательном
коде) на один разряд вправо в каждом такте
синхроимпульсов.
После поступления 7 синхроимпульсов
регистр оказывается полностью заполненным
разрядами числа. После 7-го синхроимпульса
производится запись в Triggered Subsystem.
После чего регистр оказывается полностью
очищенным (на вход R подается сигнал очищения).
Рис.14.
Часть схемы с мультиплексором и демультиплексором.
Блок
Pulse Generator формирует прямоугольные импульсы
по текущему времени с единичной амплитудой
и периодом, который рассчитывается по
следующей формуле: 1/(8*F), где F – частота
дискретизации. Она была вычислена ранее,
следовательно, период будет равен 1/(8*10)=1/80
секунды.
Блок
Step формирует ступенчатый сигнал с начальным
значением 0 и конечным значением 1 на нулевой
секунде.
Рис.15. Схема
счётчика.
Блок
Counter – это счётчик. После поступления
на вход счётчика тактового импульса (который
воспринимается по заднему фронту) первый
триггер изменяет своё состояние на противоположное,
то есть единицу. Так как по приходу
первого импульса изменилось состояние
первого триггера, то этот триггер содержит
младший разряд двоичного числа (единицы),
поэтому в таблице истинности двоичного
асинхронного счетчика его значение помещается
на самом правом месте, как это принято
при записи любых многоразрядных чисел.
Подадим на вход счётчика ещё один тактовый
импульс. Значение первого триггера снова
изменится на прямо противоположное. На
этот раз на выходе первого триггера, а
значит и на входе второго триггера сформируется
задний фронт. Это означает, что второй
триггер тоже изменит своё состояние на
противоположное и так далее.
Модулятор/демодулято
Для
передачи по любому каналу связи цифровое
сообщение, представляющее собой последовательность
символов (чисел), необходимо преобразовать
в аналоговый сигнал — изменяющуюся во
времени физическую величину (в нашем
варианте - частоту). Указанное преобразование
осуществляется путем модуляции. Обратный
процесс носит название демодуляции.
Сущность
процесса модуляции состоит в том, что
передаваемое сообщение используется
для изменения каких-либо параметров несущего
колебания (чаще всего — синусоидального).
Это позволяет создать модулированный
сигнал.
По
заданию необходимо использовать частотную
манипуляцию (модуляцию цифрового сигнала),
т.е. логической истине будет соответствовать
одна частота аналогового сигнала, а логической
фальши – другая.
Рис.16
Модулятор.
Блок
Zero-Order Hold1 дискретизирует входной сигнал
по времени.
Блок
FM Modulator Passband реализует частотную модуляцию.
Параметр Carrier Frequency – это несущая частота.
Она определяется по формуле Fн = 5*(1/Т),
где Т – длительность самого короткого
импульса.
Рис.17. Осциллограмма
сигнала, входящего в модулятор.
На
рис.14 видно, что длительность самого
короткого импульса приблизительно равна
0.05. Отсюда, несущая частота Fн = 5*1/0.05=100
Hz.
Для
обратного преобразования применяем
частотную демодуляцию.
Рис.18.
Демодулятор.
Блок
FM Demodulator Passband реализует частотную модуляцию.
Параметр Carrier Frequency такой же, как и в блоке
частотной модуляции, т.е. 100 Hz. Блок Switch
выполняет переключение входных сигналов
по сигналу управления. Если сигнал управления,
подаваемый на средний вход меньше, чем
величина порогового значения Threshold, то
на выход блока проходит сигнал с первого
(верхнего) входа. Если сигнал управления
превысит пороговое значение, то на выход
блока будет поступать сигнал со второго
(нижнего) входа. Threshold – порог управляющего
сигнала, его значение (0.6) было подобрано
экспериментально.
Генератор
шума
Для
реализации ошибки в канале связи
используется блок AWGN Channel. Он добавляет
незначительный шум к сигналу.
Рис.19. Генератор
шума.
В
этом блоке в параметр SNR записывается
отношение сигнал/шум, т.е. S/N=20ln(Nc/Nш), где
Nс – мощность сигнала, Nш – мощность шума.
Мощность сигнала равна квадрату его амплитуды,
отсюда
S/N=20ln(Ас2/
(Ас*0.2)2), где Ас – максимальная амплитуда
сигнала.
Ас = 4 (см.
осциллограмму входного сигнала
в приложении 1), следовательно, этот
параметр будет равен 24 dB.
ОЦЕНКА ПОГРЕШНОСТИ
Чтобы
оценить полученную ошибку, вычтем из
входного сигнала выходной и с помощью
блока Mean найдем среднее значение получившихся
значений.
Рис.20.
Блок Mean.
Рис.21.
Осциллограмма блока Mean.
Из
рис.18 видно, что среднее значение примерно
0.2. Погрешность будет равна частному от
этого значения и максимальной амплитуды
сигналов, т.е. 0.2/4=0.05 (5%). Данное значение
удовлетворяет заданию.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В
ходе курсового проекта была разработана
система сбора, передачи и преобразования
аналогового сигнала в соответствии с
индивидуальным заданием. Данная система
формирует аналоговый сигнал вида 2Sin(6t)-2cos(2t),
преобразует его в цифровую форму, реализует
помехоустойчивое кодирование/декодиро ание
цифрового сигнала, выполняет амплитудную
модуляцию/демодуляц ю, и снова преобразует
сигнал в цифровую форму. При этом точность
передачи составляет приблизительно 5%.
В
ходе проделанной работы был получен
навык работы с системой Simulink, а также
был решен ряд задач, тематика которых
отражает основные разделы дисциплины
«Средства и системы технического обеспечения
обработки, хранения и передачи информации».
СПИСОК
ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
Сергиенко
А.Б. Цифровая обработка сигналов - СПб.:
Питер, 2002.
Дьяконов
В., Абраменкова И. MATLAB. Обработка сигналов
и изображений. Специальный справочник.
- СПб.: Питер, 2002.
Интернет
matlab.exponenta.ru/index.php
Федорков
Б.Г., Телец В.А. Микросхемы ЦАП и АЦП:
функционирование, параметры, применение.
- М.: Энергоатомиздат, 1990.
Зюко, А.Г.
Теория передачи сигналов. – М.: “Радио
и связь”.- 1986.
Блейхут Р.
Теория и практика кодов, контролирующих
ошибки. М.: Мир, 1986.
Интернет
ru.wikipedia.org/wiki Обнаружение_и_исправ ение_ошибок.
ПРИЛОЖЕНИЯ
Рис.1 Схема
системы в среде Simulink
Рис.2.Сигнал,
выходящий из источника.
Рис.3.Сигнал
на выходе системы.
Рис.4. Осциллограмма
входящего сигнала.
Рис.5. Осциллограмма
сигнала после функционального преобразования.
Рис.6. Осциллограмма
сигнала на выходе из АЦП.
Рис.7. Осциллограмма
сигнала на выходе из кодера Хэмминга
(1), на выходе из регистра сдвига Transmitter
(2), на выходе из регистра сдвига Receiver (3),
осциллограмма тактового генератора (4),
осциллограмма счетчика (5), осциллограмма
ступенчатого генератора (6).
Рис.8. Осциллограмма
сигнала на выходе из модулятора.
Рис.9. Осциллограмма
сигнала после воздействия на
него шумом.
Рис.10. Осциллограмма
сигнала на выходе из демодулятора.
Рис.11. Осциллограмма
сигнала на выходе из декодера Хэмминга.
Рис. 12.
Осциллограмма сигнала на выходе
из ЦАП.
Рис. 13.
Осциллограмма сигнала на выходе
из системы.
Рис.14. Проверка
избыточного кодирования.
Рис. 15.
Спектрограмма сигнала на выходе из системы
после проверки избыточного кодирования.
