Учебная программа Дисциплины б14 «Теория электрической связи» по

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского»

Радиофизический факультет

Кафедра бионики и статистической радиофизики

УТВЕРЖДАЮ

Декан радиофизического факультета

____________________Якимов А.В.

«18» мая 2011 г.

Учебная программа

Дисциплины С3.Б14 «Теория электрической связи»

по специальности 090302 «Информационная безопасность телекоммуникационных систем»

Нижний Новгород

2011 г.

1. Цели и задачи дисциплины

Цель курса:

ознакомление с основными принципами теории электрической связи;

знакомство с сигналами, используемыми в системах связи, свойствами физических каналов, методами обработки сигналов в приемнике, основными показателями качества систем связи.

Изучение курса предполагает:

усвоение типов сигналов и помех и их спектральных и корреляционных свойств;

получение навыков решения основных задач и методов расчета основных характеристик систем связи;

усвоение понимания радиофизических эффектов, влияющих на передачу сигнала через многолучевой канал связи;

2. Место дисциплины в структуре программы специалиста

Дисциплина «Теория электрической связи» относится к дисциплинам базовой части профессионального цикла основной образовательной программы по специальности 090302 «Информационная безопасность телекоммуникационных систем», преподается в 6, 7 семестрах.

3. Требования к уровню освоения содержания дисциплины

Изучение дисциплины «Теория электрической связи» обеспечивает овладение следующими общекультурными компетенциями:

способностью к логически правильному мышлению, обобщению, анализу, критическому осмыслению информации, систематизации, прогнозированию, постановке исследовательских задач и выбору путей их решения на основании принципов научного познания (ОК-9);

способностью самостоятельно применять методы и средства познания, обучения и самоконтроля для приобретения новых знаний и умений, в том числе в новых областях, непосредственно не связанных со сферой деятельности, развития социальных и профессиональных компетенций, изменения вида своей профессиональной деятельности (ОК-10).

Изучение дисциплины «Теория электрической связи» обеспечивает овладение следующими профессиональными компетенциями:

способностью выявлять естественнонаучную сущность проблем, возникающих в ходе профессиональной деятельности, и применять соответствующий физико-математический аппарат для их формализации, анализа и выработки решения (ПК-1);

способностью применять математический аппарат, в том числе с использованием вычислительной техники, для решения профессиональных задач (ПК-2);

способностью применять методологию научных исследований в профессиональной деятельности, в том числе в работе над междисциплинарными и инновационными проектами (ПК-5);

способностью применять основные методы, способы и средства получения, хранения, переработки и передачи информации (ПК-10);

способностью выявлять тенденции развития информационной безопасности телекоммуникационных систем (ПК-14);

способностью формулировать задачи и проводить исследования телекоммуникационных систем и оценивать их эффективность (ПК-15);

способностью оценивать технические возможности и вырабатывать рекомендации по построению систем и сетей передачи информации общего и специального назначения (ПК-17);

способностью определять технические характеристики телекоммуникационных систем (ПК-34).

В результате изучения дисциплины студенты должны

знать:

знать теорию электрической связи;

знать основы основные принципы передачи и приема в системах связи;

приобрести навыки:

решения основных задач спектрально-корреляционного анализа сигналов;

решения основных задач преобразования сигналов пространственным каналом и различными радиотехническими системами.

4. Объем дисциплины и виды учебной работы

Общая трудоемкость дисциплины составляет 8 зачетных единиц, 288 часов.

Виды учебной работы

Всего часов

Семестры

Общая трудоемкость дисциплины

288

6

7

Аудиторные занятия

136

68

68

Лекции

68

34

34

Практические занятия (ПЗ)

Семинары (С)

Лабораторные работы (ЛР)

68

34

34

Другие виды аудиторных занятий

Самостоятельная работа

80

40

40

Курсовой проект (работа)

Расчетно-графическая работа

Реферат

Другие виды самостоятельной работы

Вид итогового контроля (зачет, экзамен)

экзамен (72)

экзамен (36)

экзамен (36)

5. Содержание дисциплины

5.1. Разделы дисциплины и виды занятий

№п/п

Раздел дисциплины

Лекции

ПЗ (или С)

ЛР

1.

Введение

2

2.

Сигналы и их спектры

16

17

3.

Каналы связи

16

17

4.

Методы обработки сигналов

20

17

5.

Системы связи с антенными решетками

14

17

5.2. Содержание разделов дисциплины

Раздел 1. Введение

История развития электрической связи. Общие сведения о системах электрической связи, включая понятия информации, сообщения, сигнала и его объема, канала и его пропускной способности, кодирования, модуляции и т.п. Основные сведения о современных системах связи. Проводные и беспроводные системы связи. Использование радиочастотного диапазона как природного ресурса. Примеры современных систем связи. Сотовые системы связи. Беспроводной доступ в Интернет (локальный и удаленный доступ). Спутниковые системы связи. Системы связи для военного применения.

Раздел 2. Сигналы и их спектры

2.1. Классификация сигналов

Сигналы с ограниченной энергией (сигналы первой группы). Сигналы с неограниченной энергией (сигналы второй группы). Финитные сигналы. Сигналы с финитным спектром. Детерминированные, квазидетерминированные и случайные сигналы. Узкополосные и широкополосные сигналы, понятие базы сигнала.

2.2. Свойства сигналов

Энергия и мощность сигнала. Длительность сигнала и его амплитуда (обобщенные понятия). Энергия сигнала первой группы — есть произведение квадрата амплитуды на его длительность. Энергия сигнала не зависит от знака амплитуды, фазы сигнала и его положения на оси времени. Примеры различных сигналов первой и второй группы.

2.3. Спектральные свойства сигналов

Спектр действительного сигнала. Спектральная амплитуда сигнала как комплексная величина. Свойства спектральной амплитуды сигнала. Понятие отрицательной частоты. Однозначная связь сигнала и его спектральной амплитуды. Спектр энергии сигнала и понятие спектральной плотности энергии сигнала. Измерение спектральной плотности энергии сигнала с помощью анализатора спектра. Математическая и физическая спектральная плотность энергии сигнала. Неоднозначная связь сигнала и его спектра энергии. Примеры спектров энергии простых сигналов. Связь длительности сигнала и ширины его спектра.

Сигналы с неинтегрируемым спектром энергии. Понятие дельта импульса и его свойства. Пример сигнала из суммы двух дельта импульсов различной амплитуды. Периодический спектр такого сигнала и его объяснение. Сигнал в виде скачка амплитуды, его спектр.

Спектры сигналов после их дифференцирования или интегрирования по времени. Примеры. Асимптотическое поведение спектра при больших частотах. Связь со скачками сигнала и его производных.

Случайные сигналы, распределение вероятностей. Пример гармонического сигнала со случайной фазой. Гауссов случайный сигнал. Понятие о нормализации случайного процесса. Пример суммирования гармонических сигналов со случайными фазами.

Понятие авто и взаимной корреляции детерминированных и случайных сигналов. Связь корреляционных и спектральных свойств сигналов. Примеры.

2.4. Узкополосные сигналы

Три способа представления узкополосных сигналов. Разложение сигнала на две ортогональные составляющие (квадратуры). Использование квадратурного разложения сигнала в технике передачи и приема узкополосных сигналов. Понятие комплексной амплитуды сигнала. Суммирование и весовая обработка узкополосных сигналов. Примеры обработки сигналов в фильтрах и антенных решетках. Случайные узкополосные сигналы и шумы. Многомерные узкополосные сигналы, понятие вектора комплексных амплитуд сигнала. Корреляционная матрица многомерного случайного сигнала. Свойство эрмитовости корреляционной матрицы. Собственные числа и собственные векторы корреляционной матрицы. Выборочная корреляционная матрица.

2.5. Модуляция сигналов

Амплитудная модуляция (АМ). Передача аналоговой и цифровой информации с помощью амплитудной модуляции. Применение амплитудной модуляции в проводных системах доступа в Интернет. Противоположные сигналы (BPSK). Квадратурная амплитудная модуляция (КАМ). Фазовая модуляция. Применение QPSK сигналов. Частотная модуляция. Модуляция с минимальным частотным сдвигом, используемая в системах сотовой связи GSM. Расширение спектра и множественный доступ. Фазовая манипуляция с помощью двоичных ортогональных последовательностей, применение в широкополосных системах связи CDMA. Линейно частотно модулированные сигналы. Расширение спектра методом скачков частоты. Расширение спектра путем смешивания ортогональных частотных составляющих (OFDM). Особенности сигналов OFDM. Отношение пиковой мощности сигнала к ее среднему уровню. Множественный доступ (OFDMA) на основе OFDM сигналов.

Раздел 3. Каналы связи

3.1 Канал с гауссовым шумом

Понятие отношения мощности сигнала к средней мощности шума. Передача сигнала в свободном пространстве. Связь мощностей принятого и передаваемого сигналов. Диаграмма направленности и усиление антенны. Антенны для базовых станций сотовых систем связи. Отражение сигнала от земной поверхности и двулучевое распространение сигналов. Интерференция прямой и отраженной волн. Квадратичная формула Введенского для множителя ослабления. Зависимость мощности принятого сигнала от расстояния.

3.2. Канал с замираниями сигнала

Многолучевое распространение сигнала (например, в городских условиях, в ионосфере или тропосфере). Временная дисперсия, задержки сигнала, распределение мощности сигнала в зависимости от величины задержки. Примеры из современных стандартов. Приближение малых задержек по сравнению с длительностью сигнала. Замирания сигнала. Распределение Релея и Райса. Потеря передаваемой информации, среднее время ослабления сигнала ниже заданного уровня. Понятие мгновенного и среднего отношения сигнала к шуму.

3.3. Канал с частотной дисперсией сигнала

Частотная дисперсия сигнала, обусловленная мобильностью абонента. Эффект Доплера. Канальная многолучевая модель Кларка и спектр Джейкса. Автокорреляционная функция сигнала, время корреляции сигнала и его зависимость от скорости движения абонента. Выбор параметров сигналов, примеры из стандартов.

3.4. Частотно селективный канал

Приближение больших задержек по сравнению с длительностью сигнала. Импульсная характеристика канала. Понятие интерсимвольной интерференции сигналов. Частотная характеристика канала. Частотно селективные свойства канала. Влияние интерсимвольной интерференции и частотной селективности канала в системах широкополосной связи. Обоснование применения OFDM сигналов.

3.5. Канал с угловой дисперсией сигнала

Угловая дисперсия и пространственная корреляция сигнала. Три модели рассеивателей сигнала в области абонента. Сравнение с экспериментальными данными. Пространственная корреляция сигналов, принимаемых базовой станцией. Пространственная корреляция сигналов, принимаемых мобильной станцией.

3.6. Векторно-матричное описание способов передачи сигнала через канал

Описание канала в случае одной передающей и N приемных антенн (SIMO системы). Описание канала в случае М передающих и одной приемной антенн (MISO системы). Описание канала в случае М передающих и N приемных антенн (MIMO системы). Основные свойства канальной матрицы (матрицы коэффициентов передачи). Сингулярное разложение канальной матрицы. Физический смысл сингулярных собственных чисел и собственных векторов.

3.7. Оценка канала связи

Оценивания канального коэффициента передачи с помощью обучающих сигналов. Применение последовательностей обучающих сигналов. Точность канального оценивания. Пример из стандарта GSM. Оценивание длины импульсной характеристики канала связи. Пороговый метод оценивания. Оценивание канала в системах связи, использующих OFDM сигналы. Распределение пилотных сигналов в плоскости ‘частота – время’ и интерполяция канальных оценок. Линейная и квадратичная интерполяция. Точность оценивания канала.

Раздел 4. Методы обработки сигналов

4.1. Системы сотовой связи и беспроводного Интернета

Функциональная блочная схема системы беспроводной цифровой связи и назначение отдельных блоков. Основные принципы построения сотовых систем связи. Гексагональная структура сети. Повторное использование частот. Процедура передачи пользователя от одной базовой станции к другой (handoff control).

4.2. Преобразование аналоговой информации в дискретную форму. Кодирование источников

Спектр дискретного сигнала. Частота Найквиста. Эффект наложения спектра при дискретизации. Восстановление сигнала по его временным выборкам. Теорема Котельникова. Квантование амплитуды аналоговых сигналов. Равномерная и неравномерная импульсно-кодовая модуляция. Логарифмический компрессор. Кодирование дискретных источников. Информационная емкость источника сообщений. Кодовые слова фиксированной и переменной длины. Алгоритм кодирования Хаффмана.

4.3. Спектральная эффективность каналов

Логарифмическая мера информации. Количество информации в дискретных сообщениях. Информационная емкость дискретного и непрерывного сигнала. Модели каналов без памяти (двоичный симметричный канал, дискретный канал, канал с дискретным входом и непрерывным выходом). Спектральная эффективность этих каналов. Спектральная эффективность частотно ограниченного канала с аддитивным шумом и дискретным временем. Теорема Шеннона о кодировании в канале с шумами. Некоторые предельные переходы для спектральной эффективности.

4.4. Прием и различение сигналов

Корреляционный демодулятор (основные вероятностные характеристики сигнала и шума на выходе корреляционного приемника, выходное ОСШ, примеры). Согласованный фильтр как демодулятор (импульсная характеристика, передаточная функция, выходное ОСШ, примеры). Оптимальный детектор для модуляции без памяти. Критерий максимума апостериорной вероятности и критерий максимального правдоподобия при детектировании сигналов. Вероятность битовой и символьной ошибки в гауссовом шумовом канале для 2-, 4-ФМ, 16- и 64-КАМ модуляций.

4.5. Канальное (помехоустойчивое) кодирование и декодирование

Сверточный кодер. Различные представления сверточного кодера (векторы связи, импульсная характеристика, полиномиальное представление, диаграмма состояний и древовидная диаграмма, решетчатая диаграмма). Физический смысл канального кодирования. Декодирование по методу максимального правдоподобия. Мягкое и жесткое принятие решений. Алгоритм сверточного декодирования Витерби. Свойства сверточных кодов (минимальный просвет, способность к исправлению ошибок, эффективность). Перемежитель (интерливер).

4.6. Вероятность ошибки передачи информации в многолучевых каналах с замираниями сигналов

Вероятность битовой и символьной ошибки в релеевском канале для сигналов различных модуляций. Вероятность битовой и символьной ошибки в райсовском канале. Энергетические потери, обусловленные релеевскими и райсовскими замираниями сигналов.

4.7. Основные методы разделения пользователей в системах связи

Сравнение производительности систем связи с временным и частотным разделениями пользователей. Кодовое разделение пользователей в CDMA-системах связи. Кодовые псевдошумовые последовательности Уолша. RAKE-приемник.

4.8. Передача и прием информации в OFDM-системах связи

Ортогональные многомерные сигналы с частотным сдвигом. Формирование OFDM-сигнала. Прием OFDM-сигнала. Пропускная способность OFDM-системы.

4.9. Сравнение цифровых методов модуляции

Вероятность битовой и символьной ошибки в гауссовом шумовом канале для M-арных сигналов амплитудной и фазовой модуляции. Вероятность битовой и символьной ошибки для сигналов частотной модуляции при увеличении ширины полосы. Понятие коэффициента использования полосы. Два основных класса цифровых систем связи — системы с передачей ортогональных или неортогональных сигналов.

Раздел 5. Системы связи с антенными решетками

5.1. Разнесенный прием сигналов

Основные методы разнесенного приема — когерентное суммирование антенн и отбор «лучшей» антенны. Выигрыш в ОСШ за счет разнесенного приема. Вероятность битовой ошибки в релеевском некоррелированном и коррелированном каналах. Асимптотическое поведение вероятности битовой ошибки при больших отношениях сигнал/шум. Вероятность битовой ошибки в релеевском канале при произвольном коэффициенте корреляции. Спектральная эффективность релеевского некоррелированного канала с разнесенным приемом.

5.2. Разнесенная передача

Неадаптивная и адаптивная разнесенные передачи. Виды неадаптивной разнесенной передачи — фазовая, временная, ортогональная и пространственно-временная (схема Аламоути). Адаптивная разнесенная передача. Сравнительная эффективность (вероятность ошибки) методов неадаптивной и адаптивной разнесенных передач. Понятие о пространственном разделении пользователей.

6. Лабораторный практикум.

№п/п

№ раздела дисциплины

Наименование лабораторных работ

1.

2

Статистические характеристики амплитуды и фазы узкополосного сигнала, проходящего через многолучевой канал связи

2.

3

Корреляционные и спектральные характеристики узкополосного сигнала, проходящего через многолучевой канал связи

3.

4

Вероятность битовой ошибки в каналах с различными статистическими свойствами

4.

5

Основные характеристики систем связи с разнесенным приемом

7. Учебно-методическое обеспечение дисциплины

7.1. Рекомендуемая литература.

а) основная литература:

1. Финк Л.М. Теория передачи дискретных сообщений. М.: Сов. радио, 1970. 728с.

2. Прокис Д. Цифровая связь. Пер. с англ. – М: Радио и связь, 2000. 800с.

3. Кловский Д.Д. Теория электрической связи. М.: Связь, 1982. 304 с.

4. Тихонов В.И., Харисов И.Н. Статистический анализ и синтез радиотехнических устройств и систем. М.: Радио и связь, 1991.

5. Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. Пер. с англ. – М:, Вильямс, 2003. 1104 с.

6. Ермолаев В.Т., Флаксман А.Г. Теоретические основы обработки сигналов в беспроводных системах связи. Монография. – Нижний Новгород: ННГУ, 2011. – 368 с.

8. Вопросы для контроля

Детерминированные и квазидетерминированные сигналы, их описание.

Квазигармонический процесс X(t)=A0cos0t+ϕ) со случайной начальной фазой, равномерно распределенной в интервале [-π, π]. Его одномерная плотность вероятности.

Моментные функции случайного процесса. Среднее значение и корреляционная функция.

Гауссовы случайные процессы.

Сигналы I-ой группы. Спектральная плотность энергии детерминированного сигнала I-ой группы.

Сигналы II-ой группы. Спектральная плотность мощности.

Спектральная плотность мощности детерминированного гармонического сигнала, квазигармонического сигнала со случайной фазой и гармонического сигнала, модулированного по амплитуде стационарным случайным процессом.

Узкополосные сигналы и их математическое представление.

Принцип работы модулятора и демодулятора, основанный на квадратурном разложении узкополосного сигнала.

Случайные узкополосные сигналы.



Страницы: 1 | 2 | Весь текст