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/демодулятор 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/Обратный функциональный преобразователь

     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).

     Δε/D = 0.05, где Δε – 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,

     Δε/8 = 0.05, отсюда Δε = 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,

       Δε=h/2, h=2* Δε=0.8. 
 

     Известно, что h=D/2^N, где N – разрядность АЦП. Следовательно,

     

     0.8=8/2^N, 2^N=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/Цифро-аналоговый преобразователь

      Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) — устройство, преобразующее входной аналоговый сигнал в дискретный код (цифровой сигнал).  Любой АЦП выполняет следующие операции:

1. Дискретизацию непрерывного сигнала по времени, когда значения сигнала определяются не в любой момент времени, а в строго определенные моменты времени;
2. Квантование по уровню. Квантование представляет собой округление аналоговой величины до ближайшего уровня квантования, т.е. максимальная погрешность квантования равна ±0.5h (h- шаг квантования);
3. 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: