Синтез автоматической системы передачи кодированных сигналов в канал связи

СИНТЕЗ АВТОМАТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ КОДИРОВАННЫХ СИГНАЛОВ В КАНАЛ СВЯЗИ

Расчетно-пояснительная записка к курсовому проекту

по дисциплине «Теоретические основы автоматики телемеханики»

Омск 2011

Задание на курсовой проект

Тема: синтез автоматической системы передачи кодированных сигналов в канал связи.

Задание: составить схему автоматической системы, предназначенной для передачи информационного сообщения в канал связи.

Содержание сообщения: ТВЕРДОХЛЕБОВ РОМАН РОМАНОВИЧ.

Способ передачи: циклический.

Система кодирования: двоичный код.

Модуляция: произвольная.

Скорость передачи:

Параметры канала связи:

-       полоса пропускания - от 300 Гц до 3400 Гц;

-       входной уровень - от -2,3 Нп до 0 Нп(от -20 до 0 дБ);

-       линия - двухпроводная симметричная;

-       волновое сопротивление - 120 Ом.

Номер варианта 10.

Реферат

УДК 621.436

Курсовая работа содержит 36 страниц, 23 рисунка, 32 формулы, 2 таблицы, использовано 5 источников.

Канал связи, делитель частоты, преобразователь кода, задающий генератор, код, схема синхронизации, временная диаграмма, регистр.

В данном курсовом проекте на базе теории переключательных функций, теории полупроводниковых приборов и микропроцессорной техники производится проектирование цифрового устройства для передачи сообщения через канал связи. В процессе проектирования осуществляется разработка задающего генератора, делителя частоты, преобразователя кода, согласующего устройства с каналом связи, схемы синхронизации и сброса, блока питания и прочих устройств с учетом того, чтобы полученный конечный автомат содержал наименьшее число радиокомпонентов, имел оптимальные размеры и минимальную стоимость.

Содержание

Введение

. Составление структурной схемы автоматической системы передачи кодированных сигналов в канал связи

. Выбор элементной базы

. Функциональная схема автоматической системы передачи кодированных сигналов в канал связи

. Функциональные узлы схемы

.1 Задающий генератор и делитель частоты

.2 Преобразователь параллельного кода в последовательный

.3 Формирователь стартовых импульсов

.4 Фазовый манипулятор

. Функции выходов преобразователя кода

.1 Кодирование и минимизация

.2 Преобразователь кода Ф.И.О

. Составление временной диаграммы функционирования автоматической системы передачи кодированных сигналов в канал связи

. Принципиальная схема автоматической системы передачи кодированных сигналов в канал связи

. Схема согласования с каналом связи

. Расчет блока питания

Приложение А: Характеристика элементной базы

Заключение

Список использованных источников

Введение

В системах автоматики, телемеханики и связи, а также в измерительных и вычислительных устройствах производится обработка информации, которая представляется как в цифровой, так и в текстовых формах. Для организации обмена информацией, передачи ее на значительные расстояния необходимо кодирование информации и представление в требуемом формате.

В конечном итоге любой код преобразуется в двоичный, который может обрабатываться логическими элементами и цифровыми устройствами.

Задача данного курсового проекта состоит в том, чтобы получить автоматическую систему передачи кодированных сигналов в канал связи, содержащую наименьшее число радиокомпонентов и имеющую оптимальные размеры. Проектируемая система должна соответствовать условиям эксплуатации.

Принципиальная схема автоматической системы передачи кодированных сигналов в канал связи строится на микропроцессорах средней интеграции и на отдельных радиокомпонентах. В качестве элементной базы используются микросхемы серии К561, построенные на КМДШ логике.

В данном курсовом проекте кодируется и подвергается минимизации сигнал ТВЕРДОХЛЕБОВ РОМАН РОМАНОВИЧ. С помощью микросхем К561ЛА7, К561ЛА8, К561ЛА9 и К561ЛИ1 реализовываются выходные функции.

Примерную схему реализации сигнала можно увидеть из структурной схемы. В дальнейшем, после определения каждого блока структурной схемы, составляется функциональная схема автоматической системы передачи.

Для определения делителя частоты вычисляется коэффициент деления, для чего сначала задаются рамки скорости передачи. Для скорости передачи десятого варианта заключенной в пределах от 960 до 1040 бит/с.

Для реализации сигнала необходимо 15 символов. Кодирование символов посылки производится с 6 входов на 4 выхода. На 32 номере такта производится сброс и циклическое повторение кодирования.

Преобразование сигналов из диаграммы, работы автоматической системы передачи, получается схема управления преобразователем кода, включающая в себя схему реализации, преобразователь параллельного кода в последовательный, схему формирования старт-стоповых импульсов.

Для того чтобы кодовый сигнал транспортировался с наименьшими потерями при передаче, обеспечивается согласование параметров передающей части автоматической системы с линией связи.

Для функционирования автоматической системы необходимо обеспечить питание. Для питания разрабатываемой схемы выбирается блок питания с типами диодов КС509А и КС516А, так как для микросхем серии К561 необходим очень маленький ток и невысокая стабильность питающего напряжения.

1. Составление структурной схемы автоматической системы передачи кодированных сигналов в канал связи

Автоматическая система передачи содержит:

¾ задающий генератор с кварцевой стабилизацией (ЗГ);

¾ делитель частоты для формирования необходимой последовательности импульсов (ДЧ);

¾ преобразователь кода Ф.И.О. (ПК);

¾ преобразователь параллельного кода в последовательный (ПП);

¾ схему согласования с каналом связи (ССКС);

¾ схему синхронизации и сброса (СС);

¾ формирователь старт - стопных синхронизирующих импульсов (СИ);

¾ сумматор старт - стопных синхронизирующих импульсов и последовательного кода (å);

¾ блок питания (БП);

¾ фазовый модулятор (ФМ).

Структурная схема показана на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 - Структурная схема автоматической системы передачи кодированных сигналов в канал связи

2. Выбор элементной базы

Логические схемы любой сложности строятся из элементарных логических элементов, выполняющих следующие логические функции: И, ИЛИ, НЕ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ, И-ИЛИ-НЕ. Любое сложное логическое выражение можно заменить набором элементарных выражений. Создан набор микросхем, решающих более сложные задачи, чем элементарные. Если автомат получился сложным для понимания даже самого разработчика, то следует подумать о применении микропроцессора вместо сложной логической схемы.

Данный курсовой проект выполнен без применения микропроцессора. В данном задании подойдут микросхемы любого функционального ряда, однако, предпочтительнее ряд КМДШ - логики, например К561. Основанием для выбора данной серии ИС являются следующие факторы: микросхемы данной серии не требуют большой стабильности питающего напряжения, потребляемый ток невелик и составляет микроамперы, питающее напряжение имеет широкий диапазон от 5 до 14 В.

3. Функции выходов преобразователя кода

.1 Кодирование и минимизация

Кодирование символов посылки приведено в таблице 1.

Содержание сообщения - фамилия, имя, отчество разработчика: ТВЕРДОХЛЕБОВ РОМАН РОМАНОВИЧ.

Посылка содержит 14 различных букв и интервал между словами - всего 15 символов.

Число разрядов кода определяется по формуле 3.1:

   (3.1)

где N=15 - число различных символов, n - разрядность кода.

- количество выходов преобразователя кода.

Таблица 1 - Кодирование символов посылки

Таблица имеет 32 комбинаций, но с такта номер 29 включительно и до конца кодовая комбинация выходного слова безразлична, потому что этих комбинаций никогда не будет за счёт отключения преобразователя кода от линии.

По данной таблице выписываем полученные выходные функции в совершенной дизъюнктивной нормальной форме (СДНФ):

Производим минимизацию, для этого строим карту Карно для входного слова. Шаблон карты Карно для входного слова, состоящего из пяти букв, показан на рисунке 3.1. Каждой стороне диаграммы соответствует своя переменная Хр (р=1, 2, 3, 4, 5), причем одной половине стороны соответствует первичный терм Xp, а другой - первичный терм . Поэтому каждой клетке будет соответствовать совокупность первичных термов (Хр)е, ()е, а номер данной клетки будет определяться числом i=e5,e4,e3,e2,е1. Любой минтерм представляет собой функцию, равную «1» только в одной точке, области определения, поэтому на диаграмме он представляется единицей, стоящей только в одной клетке с номером i.

Рисунок 3.1 - Шаблон карты Карно

Методом склеивания объединяем рядом стоящие единичные минтермы. Рядом стоящими считаем те минтермы, у которых разные только одна буква по инверсии, что позволяет (в алгебраическом виде) её заключить в скобки и сократить, получив импликант. Если находим второй импликант, отличающийся также на одну букву по инверсии то, между ними также проводим операцию склеивания и так до тех пор, пока не получим простой импликант. Следовательно, рядом стоящих единиц может быть ряд 2n где, n=1,2,3…. Клетки содержащие знак безразличия "~" необходимо доопределить, т. е. поставить "1" или "0", выбираем те значения, которые дают наименьшее количество букв в минимизированной функции. Из всех возможных импликантов необходимо выбрать оптимальные с учётом других функций автоматической системы передачи с целью использования одних и тех промежуточных частей схемы для различных букв выходного слова преобразователя. Не склеенные клетки дописываем в выходную функцию.

Рисунок 3.2 - Карта Карно выходной функции Y4

Рисунок 3.3 - Карта Карно выходной функции Y3

Рисунок 3.4 - Карта Карно выходной функции Y2

Рисунок 3.5 - Карта Карно выходной функции Y1

Полученные после минимизации выходные функции в минимальной дизъюнктивной нормальной форме (МДНФ) будут выглядеть следующим образом:

Выходные функции - преобразователя кода, полученные на основании минимизации, представлены нижеследующими выражениями, приведенными к базису И-НЕ на основании правил Де-Моргана:

Приводить функции к базису И-НЕ необходимо для удобства их реализации на логических элементах.

3.2 Преобразователь кода Ф.И.О.

Преобразователь кода реализован на инверторах и элементах И-НЕ интегральных микросхем (К561ЛА7, К561ЛА8, К561ЛА9, К561ЛИ1) и выполняет функции Y1,Y2,Y3,Y4.

Схема преобразователя кода Ф.И.О. приведена на рисунке 3.6.

Рисунок 3.6, лист 1 - Схема преобразователя кода Ф.И.О.

Рисунок 3.6, лист 2 - Схема преобразователя кода Ф.И.О.

4. Составление временной диаграммы автоматической системы передачи кодированных сигналов в канал связи

Составление диаграммы функционирования автоматической системы передачи имеет цель определения и схемного решения функций других узлов и увязки уже определённых частей передатчика.

Временная диаграмма работы такой системы строится с учётом выбранной элементной базы. В данном примере сигналы:

-       первого счётчика К561ИЕ8 (Q0, Q1, Q2, Q3,Q4 - выходные параллельные данные, R=Q5 - сброс счетчика);

-       счётчика К561ИЕ8 СИ (Q0, Q1, Q2, Q3, Q4, Q5 - десятичный выход, С - синхронизирующий вход);

-       ST- стартовый импульс;

-       R- сброс всей схемы в исходное состояние (вырабатываются специальной схемой);

-       D - последовательный выходной код данных;

-       ФМ - фазоманипулированный выходной сигнал.

5. Принципиальная схема автоматической системы передачи кодированных сигналов в канал связи

Из диаграммы работы автоматической системы передачи запишем функции дополнительных схем, необходимых для обеспечения работы, выбранных интегральных микросхем:

- - сброс всей схемы в исходное состояние на 32 номере такта;

 - определяет режим работы (параллельный - последовательный);

RR = ОТ №29*С ДО №31*С (RS-триггер);

 - окончание кодовой посылки.

 - функция формирования стартового импульса;

 - последовательный выходной код данных;

 - фазоманипулированный выходной сигнал.

В результате проведённых операций получим схему управления преобразователем кода, которая изображена на рисунке 5.1

Рисунок 5.1 - Схема управления преобразователем кода

6. Функциональные узлы схемы

.1 Задающий генератор и делитель частоты

Накопленный к настоящему времени опыт показал, что в устройствах железнодорожной автоматики и телемеханики применение цифровых интегральных микросхем целесообразно не только в узлах цифровой обработки сигналов (разнообразные логические схемы, регистры, шифраторы и т. д.), но и в таких традиционно аналоговых узлах, как генераторы. Использование микросхем при построении автогенераторов позвол яет унифицировать технические решения, обеспечивающие высокую стабильность генерируемых частот, создать единообразие конструктивного оформления, снизить номенклатуру комплектующих изделий.

Широко используемая схема простого генератора импульсов приведена на рисунке 6.1. Подстроечный конденсатор С1 нужен для настройки генератора на частоту возбуждения кварца. Примем значение С1=25 пФ, С2=33 пФ. Результирующее значение емкости С=С1+С2=58 пФ. Рассчитаем величину сопротивления по формуле (6.1):

 (6.1)

где Fкварц=1 МГц - принятое значение частоты кварцевого резонатора.

По приведённой выше формуле рассчитаем R1:

Из номинального ряда Е24 выбираем номинал R1=10 кОм.

Произведём расчёт делителя. Согласно заданию, максимальная скорость передачи определяется по формуле:

 (6.2)

.

Минимальная скорость передачи:

 (6.3)

Оптимальная скорость 1000 бит/с.

Из диаграммы работы автоматической системы передачи видно, что одному переданному биту информации соответствует один период частоты С. Следует определить какой необходимо выбрать коэффициент деления при определённой частоте кварцевого резонатора в 1 МГц. Частота снимаемая с делителя должна составлять:

Произведем расчет коэффициента деления по формулам 6.4 и 6.5:

 (6.4)

;

 (6.5)

;

Примем коэффициент деления, равный 64. На основании принятого коэффициента деления произведем расчет несущей частоты по формулам 6.6 и 6.7:

 (6.6)

 (6.7)

Полученное значение действующей частоты укладывается в диапазон передачи по каналу 300 - 3400 Гц. Построим схему задающего генератора и делителя частоты на микросхемах К561ИЕ10.

Рисунок 6.1 - Схема задающего генератора и делителя частоты

6.2 Преобразователь параллельного кода в последовательный

автоматический передача сигнал кодированный

Разрядность параллельного кода определяется количеством двоичных букв выходного слова символа посылки (таблица1). Для нашего примера код равен четырём разрядам (Y4, Y3, Y2, Y1). Принцип преобразования заключается в поочерёдном подключении (в порядке возрастания номера такта) кодированного символа к схеме согласования с каналом связи.

В качестве основы ПП предлагается использовать сдвигающий регистр.

Микросхема К561ИР9, содержит четырехразрядный последовательно-параллельный регистр сдвига. Регистр сдвига типа ИР9 содержит два последовательных входа J и К. Если их соединить вместе, то получим простой D-вход. Высокий уровень на входе P/S (переключатель «параллельный режим ввода - последовательный режим ввода») определяет режим параллельного ввода информации с входов D0...D3. Параллельная запись осуществляется асинхронно. Если на входе P/S установлен низкий уровень, то установлен режим последовательного ввода со входов J и К и сдвига информации по фронту (положительному перепаду) синхроимпульсов на входе С. Установка всех триггеров регистра в нулевое состояние осуществляется асинхронно высоким уровнем на входе R. С помощью входа Т/С можно устанавливать на выходах Q0...Q3 прямой код (высокий уровень на входе Т/С) или дополнительный код (низкий уровень на входе Т/С).

.3 Формирователь стартовых импульсов

Передатчик информации может работать вообще без каких-либо синхронизирующих импульсов, конечно, если нет цели принять, а затем декодировать поступившую информацию. В современных модемах алгоритм синхронизации может быть довольно сложным, но в любом случае длинную посылку делят на части. Отдельные последовательные части могут объединяться в более крупные, которые называют кадрами. Для упрощения декодирования размеры кадров в одной посылке стараются сделать одинаковыми. В состав кадра обязательно должны входить стартовые (для определения начала) и стоповые (для определения конца) импульсы, кроме этого могут добавляться другие служебные импульсы (адрес и имя посылки, контрольные суммы, информация для восстановления данных в случае искажения кода из-за помех), импульсы данных. Из общего размера кадра служебные импульсы могут занимать до 50%.

Сложное кодирование осуществляется программным способом на микроконтроллерах. В данном курсовом проекте ограничимся только стартовыми и стоповыми импульсами. Стартовая комбинация должна выглядеть не проще чем 0101, а стоповая - 0000 0000 0000.

Функция зависит от времени, схема должна выдать синхронизирующий код один раз за цикл в начале посылки на месте нулевой комбинации. Формирователь удобно построить на микросхеме десятичного счетчика с дешифратором на выходе К561ИЕ8.

. (6.7)

Преобразовав (6.7) к базису К561 серии получим функцию (6.8) для построения принципиальной схемы.

. (6.8)

Схема формирования стартовых импульсов, включенная в схему формирования выходного последовательного алфавита, показана на рисунке 5.1.

6.4 Фазовый манипулятор

Фазовая модуляция - наиболее защищённая от помех, которая даёт возможность реализации максимальной скорости передачи. Основным недостатком ФМ является сложный алгоритм приёма, но при наличии процессора на приёмном конце качество декодирования в основном определяется программным обеспечением, что активно используется в современных компьютерных модемах. В условиях повышенных помех нужно предусмотреть более гибкий алгоритм ФМ (изменение несущей частоты (C), переменное отношение несущей к входному алфавиту (D) модулятора C/D и их фазы). В данном курсовом проекте эти вопросы не рассматриваем. Модуляцию заменяем манипуляцией со сдвигом фаз на 1800.

Принципиальная схема фазового манипулятора представлена на рисунке 6.2. Схемную реализацию получаем при помощи булевой функции 6.9:

. (6.9)

Рисунок 6.2 - Схема фазового манипулятора

7. Функциональная схема автоматической системы передачи кодированных сигналов в канал связи

Задающий генератор (ЗГ) генерирует импульсы с частотой 1 МГц и подает эту частоту на делитель частоты (ДЧ), который в свою очередь вырабатывает последовательность импульсов с частотой F=15625 Гц, играющей роль несущей частоты, для преобразователя параллельного кода в последовательный (ПП), фазового манипулятора (ФМ) и формирователя старт-стопных синхронизирующих импульсов (СИ). ПП преобразовывает параллельный код, сформированный преобразователем кода (ПК), в последовательный с последующей передачей в формирователь старт-стопных (СИ) импульсов, где к коду добавляются старт-стопные импульсы, и получившийся код поступает в ФМ. Модулированный сигнал поступает на вход схемы согласования с каналом связи (ССКС). Схема согласования согласует параметры сигнала с параметрами линии связи и затем передает его в канал связи.

Рисунок 7.1 - Функциональная схема автоматической системы передачи кодированных сигналов в канал связи

8. Схема согласования с каналом связи

Для того чтобы наш кодовый сигнал транспортировался с наименьшими потерями при передаче, необходимо обеспечить согласование параметров передающей части с линией связи. Для этого проведем расчет схемы, которая подготовит сигнал к передаче и согласует наше устройство с физической цепью.

В состав схемы согласования с каналом связи входят: делитель напряжения, составленный из емкости С3, служащей для исключения постоянной составляющей в передаваемом сигнале, и из сопротивлений R2 - R4, предназначенных для регулировки уровня сигнала в допустимых пределах; усилители мощности, выполненные на операционных усилителях DA1 и DA2; фильтр нижних частот (ФНЧ) второго порядка (емкости С4, С5, сопротивления R5, R6, R7 и DA2, выходной каскад на VT1 и VT2); сопротивление согласования R9; изолирующий трансформатор ТR1.

Расчет схемы согласования сводится к определению значений параметров элементов входного делителя и фильтра.

При расчете параметров делителя следует учесть, что на него подается напряжение модулированного сигнала Uм, равное напряжению источника
питания. При исключении постоянной составляющей на входном делителе
напряжение становится равным Uм/2. Падение напряжения на емкости UС3 не должно превышать 3 % входного напряжения Uм/2, следовательно, можно
принять:

 (8.1)

Получаем  В.

Уровень сигнала регулируется сопротивлением R3 в пределах от
-2,3 Нп (0,078 В) до 0,0 Нп (0,775 В), т. е. падение напряжения на R3

UR4 = 0,775- 0,078 = 0,697 В.

Выбрав типовое переменное сопротивление, можно определить входной ток по формуле:

 (8.2)

Выбираем сопротивление R4=18 кОм.

Тогда мкА.

При известном токе можно рассчитать сопротивление емкости С3 по уравнению:

 (8.3)

Получаем Ом

а затем и ее значение:

3 = 1/(2πfXC3) (8.4)

где f = fн/2, а fн - несущая (тактовая) частота, Гц.

 Гц

нФ

По номиналу выбираем

Значение сопротивления R2 определяется исходя из того, что известны падение напряжения на емкости С3 и максимальный уровень передаваемого сигнала, равный 0,775 В (0,0 Нп):

R2 = (Uм/2 - UС3 − 0,775)/ Iвх. (8.5)

кОм

По номиналу R2=91кОм

Сопротивление R4 рассчитывается с учетом того, что на нем падает
напряжение, соответствующее минимальному уровню передаваемого сигнала, равному 0,078 В (−2,3 Нп):

4 = 0,078/Iвх. (8.6)

кОм

По номиналу R4=2кОм

Для фильтра параметры рассчитывают по формулам:

полюс коэффициента передачи (частота квазирезонанса)

, (8.7)

, (8.8)

где f=15625 Гц - несущая частота

добротность контура

. (8.9)

Выбираем значение параметров в пределах:

Qп - от 1 до 5;

Выбираем Qп=2

5 = R6 = R7 - от 5 кОм до 500 кОм ;

С4 = nС5 (8.10)

где n - от 3 до 30.

Так как R5 = R6 = R7, то

 (8.11)

Тогда формула (8.9) запишется в следующем виде:

 (8.12)

Выбираем С5=1000пФ, следовательно С4=1000пФ*36=36 нФ.

усиление на нулевой частоте

Н = −R7/R5; (8.13)

Получаем Н = −1.

Из (8.7), (8.8) получаем:

5 = R6 = R7=, (8.14)

5 = R6 = R7=кОм

По номиналу R5 = R6 = R7=1,8 кОм

Сопротивления R9 возьмём равным 120 Ом.

Выбираем R8 = 51 кОм

Cхема согласования с каналом связи показана на рисунке 8.1

9. Расчет блока питания

В состав блока питания входит. На выходе моста получаем 24 В. Нам необходимо получить напряжение для питания цифровых микросхем +9 В, а так же ±15 В для питания операционных усилителей. Частота сети 50Гц.

Принимаем токи Iн1=Iн2= Iн3=12 мА, Iст1= Iст3=10мА; Iст2=6 мА.

Выбранная серия микросхем не требует высокой стабильности питающего напряжения. Выбираем параметрический стабилизатор на стабилитроне. Пульсации напряжения не должны превышать 5%.

Произведём расчет цепи положительной полярности. Она состоит из двух ветвей, одна из которых рассчитана на напряжение +9 В, вторая - на напряжение +15 В.

Общее сопротивление цепи

 (9.1)

Ом

По номиналу выбираем Ом.

Сопротивление конденсатора С1 (С2) не должно превышать 5% от общего сопротивления цепи, то есть

 (9.2)

Ом

 (9.3)

 (9.4)

мкФ

По номинальному ряду емкостей выбираем мкФ

 (9.5)

Ом

По номиналу выбираем Ом.

Ом

мкФ

По номинальному ряду выбираем мкФ.

Выберем стабилитрон КС516А (напряжение стабилизации (9÷10,5) В; ток стабилизации  3÷32) мА).

Сопротивление ограничивающего резистора:

 (9.6)

Ом

По номинальному ряду сопротивлений выбираем кОм.

Рассчитаем мощность  для режима короткого замыкания:

 (9.7)

 Вт.

Необходимо взять мощность с запасом, выберем 1 Вт.

Расчет пятнадцати вольтовой цепи проводится аналогично.

Выберем стабилитрон КС509А (напряжение стабилизации (13,8÷15,6) В; ток стабилизации  (0,5÷42) мА).

Сопротивление ограничивающего резистора  рассчитывается по формуле (9.6)

Ом.

По номинальному ряду сопротивлений выбираем Ом.

Мощность резисторов  и  рассчитываем по формуле (9.7)

 Вт.

Выбираем Вт.

Фильтрующие конденсаторы выбираем из расчета 0,1мкФ на 10 корпусов.