Изучение возможности реализации бинарного приёма шумоподобного сигнала

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Теоретические основы ШПС

1.1 Определение шумоподобных сигналов

1.2 Помехозащищённость

1.3 Помехоустойчивость ШСС

1.4 Скрытность системы связи

1.5 Кодовое разделение абонентов

1.6 Эффективность ААСС

1.7 Борьба с многолучевостью

1.8 Электромагнитная совместимость

2. Реализация проекта

2.1 Функциональная структура исследуемой модели

2.2 Выбор средств реализации проекта

2.2.1 Quartus

2.2.2 Max + plus II

2.2.3 MATLAB

2.2.4 Simulink

2.2.5 DSP Builder

2.3 Математически модель в среде Simulink

3. Реализация и тестирование

3.1 Особенности реализации проекта

3.2 Тестирование

4. Экономическая часть

4.1 Особенности ПО как объектов разработки и производства

4.2 Расчет стоимости программного обеспечения

4.2.1 Общие положения

4.2.2 Расчет сметной стоимости программного обеспечения

5. Охрана труда

5.1 Производственная санитария

5.1.1 Анализ опасных и вредных производственных факторов

5.1.2 Требования к освещенности

5.1.3 Требования к параметрам микроклимата

5.1.4 Требования к организации оборудования рабочих мест

5.2 Требования к организации труда

5.2.1 Требования безопасности перед началом работы

5.2.2 Требования безопасности при выполнении работы

5.2.3 Требования безопасности в аварийных ситуациях

5.2.4 Требования безопасности по окончании работы

5.3 Электробезопасность

5.4 Пожарная безопасность

6. Защита населения и хозяйственных объектов в чрезвычайных ситуациях

6.1 Виды чрезвычайных ситуаций

6.2 Порядок оповещения населения о чрезвычайных ситуациях

6.3 Способы защиты пользователей данного программного продукта в чрезвычайных ситуациях

6.4 Эвакуация населения

Заключение

Литература

Введение

шумоподобный сигнал кодовый связь

Общеизвестно, что отличительной особенностью современного общества является его высокая информационность. Благодаря успехам радио и микроэлектроники в настоящее время созданы настолько совершенные системы, о создании которых еще полвека назад можно было в лучшем случае предполагать. В эти системы вложена лучшая научная и инженерная мысль, накопленная за весь прошлый век. К счастью или к сожалению, они во многом определяют качество жизни современного человека, так как доступ к большинству технических новшеств имеет каждый желающий. Одним из лучших примеров среди разнообразных средств связи и доступа к информации являются системы мобильной радиосвязи, базирующиеся на технологии CDMA, основой которой, в свою очередь, являются шумоподобные сигналы (ШПС).

Целью данного дипломного проекта является изучение возможности реализации бинарного приёма ШПС сигнала.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- выбрать программное обеспечение;

- разработать функциональную схему;

- создание математической модели;

- произвести испытания модели;

- рассчитать затраты на исследования.

Поэтому целью данной работы является изъяснение указанных вопросов, а также попытка отделить принципиально важное от второстепенного, что должно составить целостную и выверенную картину возможности реализации бинарного приёма ШПС сигнала[1.1].

1. Теоретические основы ШПС

1.1 Определение шумоподобных сигналов

Шумоподошыми сигналами (далее - ШПС) называют такие сигналы, у которых произведение ширины спектра F на длительность Т много больше единицы. Это произведение называется базой сигнала и обозначается В, т. е.

B = F T

У ШПС В>>1. Шумоподобные сигналы иногда называют сложными в отличие от простых сигналов с В=1. Поскольку у сигналов с ограниченной длительностью спектр имеет неограниченную протяженность, то для определения ширины спектра используют различные методы и приемы. Для реальных ШПС, состоящих из конечного числа элементов, всегда можно однозначно определить и F, и В.

В системах связи с ШПС ширина спектра ШПС F всегда много больше ширины спектра передаваемого сообщения. В цифровых системах связи, передающих информацию в виде двоичных символов, длительность ШПС и скорость передачи информации R связаны соотношением Т=1/R. Поэтому база ШПС:

B = F/ R,

характеризует расширение спектра ШПС относительно спектра сообщения. В аналоговых системах связи, у которых верхняя частота сообщения равна W и частота отсчета равна 2W,

B = F/ 2W,

и если В>>1, то F>>R и F>>2W. Именно поэтому системы связи с ШПС в зарубежной литературе получили название системы связи с расширенным (или распределенным) спектром, а в отечественной литературе - широкополосные системы связи. B дальнейшем термин «широкополосные системы связи (ШСС)» будет относиться только к системам связи с ШПС. Шумоподобные сигналы получили применение в широкополосных системах связи рисунок 1.1, так как обеспечивают высокую помехозащищенность систем связи; позволяют организовать одновременную работу многих абонентов в общей полосе частот при асинхронно-адресном принципе работы системы связи, основанном на кодовом разделении абонентов; позволяют успешно бороться с многолучевым распространением радиоволн путём разделения лучей; обеспечиваю совместимость передачи информации с измерением параметров движения объекта в системах подвижной связи; обеспечивают электромагнитную совместимость (далее -ЭМС) ШПС с узкополосными системами радиосвязи и радиовещания, системами телевизионного вещания, обеспечивают лучшее использование спектра частот на ограниченной территории по сравнению с узкополосными системами связи[1.2].

Рисунок 1.1 - область применения систем связи с ШПС

1.2 Помехозащищённость

Это способность системы связи противостоять воздействию мощных помех. Помехозащищенность включает в себя скрытность системы связи и се помехоустойчивость, так как для создания мощных помех надо сначала обнаружить систему связи и измерить основные параметры её сигналов, а затем организовать мощную, наиболее сильнодействующую помеху. Чем выше скрытность и помехоустойчивость, тем выше помехозащищенность системы связи[1.3].

1.3 Помехоустойчивость ШСС

Она определяется широко известным соотношением, связывающим отношение сигнал-помеха на выходе приемника (на выходе согласованного фильтра или коррелятора) q2 с отношением сигнал-помеха да входе приемника p2:

q2 = 2B p2

p2 = Pc / Pп,

q2 = 2E / Nп,

Соответственно

E = Pc T

Nп = Pп / F

Отношение сигнал-помеха на выходе q2 определяет рабочие характеристики приема ШПС, а отношение сигнал-помеха на входе p2 - энергетику сигнала и помехи. Величина q2 может быть получена согласно требованиям к системе (10…30 дБ) даже если p2<<1. Для этого достаточно выбрать ШПС с необходимой базой B, удовлетворяющей (1.4). Как видно из соотношения (1.4), прием ШПС согласованным фильтром или коррелятором сопровождается усилением сигнала (или подавлением помехи) а 2B раз. Именно поэтому величину называют коэффициентом усиления ШПС при обработке или просто усилением обработки.

КШПС = q2/ p2

Из (1.4), (1.5) следует, что усиление обработки КШПС = 2В. В ШСС приём информации характеризуется отношением сигнал-помеха h2 = q2 /2, т.е.

h2 = B p2,

На рисунке 1.2 представлены зависимости усиления обработки и базы ШПС В от отношения сигнал-помеха на входе p2 дБ при значениях q2 (сплошные линии) и h2 (штриховые линии), равных 10, 20 и 30 дБ, построенные согласно (1.4), (1.6).

Рисунок 1.2 - Зависимость усиления обработки и базы ШПС от отношения сигнал-помеха на выходе приемника

Соотношения (1.4), (1.6) являются фундаментальными в теории систем связи с ШПС. Они получены для помехи в виде белого шума с равномерной спектральной плотностью мощности в пределах полосы частот, ширина которой равна ширине спектра ШПС. Вместе с тем эти соотношения справедливы для широкого круга помех (узкополосных, импульсных, структурных), что и определяет их фундаментальное значение. В общем случае, усиление обработки ШПС для произвольных помех:

КШПС ? 2B,

где степень приближения зависит как от вида помех, так и от базы ШПС. В таблице 1.1 приведены значения усиления обработки для некоторых зарубежных систем связи и навигации.

Таблица 1.1 - Параметры систем связи с ШПС

Система связи	Тип ШПС	Ширина спектра, Мгц	Усиление обработки, дБ
RAKE	ФМ	0,01	22
CHEROKEE	ФМ	1	16
RACEP	ЧМ	4	-
MAGNAVOX	ФМ	1	25
GPS	ФМ	25	47

В таблице 1.1 введены обозначения: ФМ - фазоманипулированный сигнал, ЧМ - частотно-манипулированный сигнал. Приведённые в таблице параметры соответствуют в основном системам связи шестидесятых годов (первые четыре строки) и только в пятой строке приведены параметры современной системы GPS (Global Position System) - многоспутниковой радионавигационной системы[1.2].



Рисунок 1.3 - Помехоустойчивость систем связи с ШПС: ЧМ и АМ

На рисунке 1.3 приведены графики помехоустойчивости систем связи с ШПС, с частотной модуляцией (ЧМ) и с амплитудной модуляцией (АМ). Для сравнения ЧМ и ШПС взяты одинаковые полосы частот, что соответствует В=100. Помехоустойчивость системы связи с ШПС рассчитана согласно (1.4), причём положено, что информация передаётся с помощью широтно - мпульсной модуляцией (ШИМ). Известно, ЧМ обладает высокой помехоустойчивостью и обеспечивает высокое качество воспроизведения информации при условии, что отношение сигнал-помеха на входе выше порогового значения p2пор = 10…15 дБ. При уменьшении p2 ниже порогового значения помехоустойчивость системы связи с ЧМ резко падает рисунке 1.2. система с АМ и эквивалентной базой В=1 работает лишь при p2 > 0 дБ, зависимость q2 от p2 линейная. Система связи с ШПС обеспечивает надёжный приём информации и при p2 < 0 дБ. Например, если положить q2 = 10 дБ, то и система связи будет работать при отношении сигнал-помеха на входе -13 дБ, т.е. p2 = 0,05. Таким образом, одним из основных назначений систем связи с ШПС является обеспечение надёжного приема информации при воздействии мощных помех, когда отношение сигнал-помеха на входе приёмника p2 может быть много меньше единицы[1.2].

Необходимо ещё раз отметить, что приведённый соотношения строго справедливы для помехи в виде гаусовского случайного процесса с равномерной спектральной плотностью мощности[1.3].

1.4 Скрытность системы связи

Это способность противостоять обнаружению и измерению параметров. Скрытность - понятие очень емкое, так как включает в себя большое множество особенностей обнаружения ШПС и измерения их параметров. Поскольку обнаружение ШПС и измерение параметров возможны при различной первоначальной осведомленности (априорной неопределенности) о системе связи, то можно указать только основные соотношения характеризующие скрытность. Когда известно, что в данном диапазоне частот может работать система связи, но параметры ее неизвестны, то в этом случае можно говорить об энергетической скрытности системы связи, так как ее обнаружение возможно с помощью анализа спектра (энергетическое обнаружение). Характеристика обнаружения (вероятности ложной тревоги и пропуска сигнала) полностью определяется отношением сигнал-помеха на входе приемника-анализатора, где помеха представляет собой собственный шум приёмника, а R- постоянная Больцмана, Т0 - температура окружающей среды, Nш - коэффициент шума приёмника. Время обнаружения ШПС при условии р2<<1 приближенно определяется соотношением Тобн?F-1(p2)-22q4 или

Тобн ? aF,

где размерная постоянная а=2[q2RT0(Nш-1)/Pc]2 зависит как от шумовых свойств приёмника, мощности сигнал на входе, так и от требуемого отношения сигнал-помеха на выходе q2. Таким образом, чем шире ширина спектра ШПС, тем больше время обнаружения, тем выше энергетическая скрытность системы связи.

Если ШПС системы связи воспроизводятся приемником-анализатором уверенно, то время анализа приближенно определяется соотношением, аналогичным по виду соотношению (1.8), но a=bT[RT0(Nш-1)/Pc], b - постоянная величина. Чем шире спектр ШПС, тем больше база, тем больше время анализа, тем выше параметрическая скрытность системы связи.

Для борьбы с радиоразведкой в помеха защищенных системах связи применяют также смену ШПС. Частота смены ШПС, их выбор из некоторого ансамбля (системы сигналов) определяется многими требованиями к системе связи и не может быть однозначно определен. Однако полагают, что число сигналов в системе (или объем системы сигналов) должно быть много больше базы ШПС. Можно предположить, что для помеха защищенных систем связи объем системы сигналов L определяется степенным законом:

L ~ Bm

где т -- некоторое число, по крайней мере удовлетворяющее условию m>>2, хотя для работы может использоваться гораздо меньшее число ШПС.

Следовательно, использование ШПС повышает помехоустойчивость и скрытность системы связи, т. е. её помехозащищенность. Как следует из материалов зарубежной печати, ШПС используют в спутниковых системах связи, в авиационных системах связи, в радиорелейных линиях, в спутниковых навигационных системах. По-видимому, применение ШПС в помеха защищенных системах связи будет расширяться[1.5].

1.5 Кодовое разделение абонентов

Помеха защищенные системы связи являются специальными, а не коммерческими. Поэтому на раннем этапе развития систем связи с ШПС полагали; что ШПС не найдут широкого применения в коммерческих системах связи. Однако с развитием асинхронных - адресных систем связи внедрение ШПС в системы массовой радиосвязи стало возможным. Основу для этого представляет кодовое разделение абонентов за счет ШПС, отличающихся но форме.

При больших базах можно построить большое число различных ШПС. Например, пусть ШПС представляет собой фазоманипулированный сигнал, состоящий из радиоимпульсов, фазы которых О или р, а число их равно В. Можно построить множество сигналов (так .называемый полный код), число сигналов в котором равно 2В, а сигналы Между собой отличаются хотя бы в одном импульсе. Если положить В=100, то имеем 2100~1030 различных сигналов. Из такого большого множества можно отобрать систему сигналов так, чтобы каждому абоненту в системе связи выделить свои собственные сигналы. При этом все абоненты могут работать в общей полосе частот, а разделение их возможно за счет различия ШПС по форме. Такое разделение абонентов называется кодовым. При этом ШПС является по сути дела адресом абонента и в этом случае принципиально нет необходимости в принудительной временной синхронизации абонентов. Поэтому подобные системы связи получили название асинхронных адресных систем связи (далее - ААСС). Они основаны на применении ШПС и кодовом разделении абонентов.

В ААСС все абоненты работают в общей полосе частот. Поэтому при передаче информации ШПС различных абонентов перекрываются по времени и по частоте и создают взаимные помехи. Однако при использовании ШПС с большими базами возможно свести уровень взаимных помех до требуемого, чтобы обеспечить необходимое качество приема информации. Если предположить, что на входе одного из приёмников системы связи действует l мешающих ШПС с одинаковыми мощностями, то отношение сигнал-помеха на выходе приёмника.

h2 = B/l,

Таким образом, увеличивая базу ШПС, всегда можно добиться требуемого качества приёма информации.

Рисунок 1.4 - Помехоустойчивость ААСС

На рисунке 1.4 представлены зависимости базы ШПС от числа активных абонентов, построенные согласно (1.10). Графики рисунок 1.4 позволяют определить помехоустойчивость ААСС[1.2].

1.6 Эффективность ААСС

Как следует из (1.10), повышение помехоустойчивости ААСС при заданном числе активных абонентов возможно только за счет увеличения базы ШПС При заданной скорости передачи информации увеличение базы приводит к пропорциональному расширению спектра ШПС в соответствии с определением (1.2). Возникает вопрос об эффективности использования радиоспектра в системах связи с ШПС.

В системах связи эффективность использования радиоспектра характеризуется удельной плотностью активных абонентов у, равной числу активных абонентов, приходящихся на 1 МГц полосы частот, т. е.

у = l/F,

где l -- число активных абонентов, одновременно работающих в полосе частот шириной F. Заменяя F в (1.11) согласно (1.10), имеем

у = T/ h2,

Часто удельная плотность активных абонентов называется просто эффективностью системы связи. Из (1.12) следует, что эффективность ААСС тем меньше, чем больше требуемое отношение сигнал-помеха на выходе приемника. Таким образом, ААСС более перспективны в тех случаях, когда не требуется высокое качество передали информации, что характерно для систем массовой .радиосвязи. Для примера, в радиотелефонной системе подвижной связи с частотным .разделением каналов максимальная эффективность уmax = 250 аб/МГц, так как минимальная ширина каждого канала равна 4 кГц и в 1 МГц можно разместить 250 частотных каналов, т. е. активных абонентов. Однако, для повышения помехоустойчивости используется частотная модуляция (ЧМ) ,и соседние частотные каналы разнесены на 25 кГц. При этом в 1 МГц можно разместить 40 частотных каналов, т. е. учм = 40 аб/МГц, Ранние системы связи с ШПС («RADA», «RACEP»и др.) имели низкую эффективность, у них ушпс ~ 7…9 аб/МГц. Из (1.12) следует, что высокую эффективность систем связи с ШПС непосредственно получить трудно. Например, если положить Т = ј кГц = 260 мс, а h2 = 10, то ушпс = 25 аб/МГц, т, е. ниже эффективности систем связи с ЧМ.

В последние годы предложен иной принцип построения радиотелефонных систем подвижной связи. Вся обслуживаемая территория разбивается на большое число зон в виде сот. В .каждой зоне радиосвязь ведется на частотах, специально выделенных этой зоне. За счет территориального разнесения зон с одинаковыми частотными каналами возможно многократное использование одних и тех же частотных каналов. Такие системы связи получили название сотовых систем подвижной связи (далее - ССПС). Прием сигналов в таких системах принципиально сопровождается взаимными помехами так же, как и в ААСС. Поэтому применение ШПС в ССПС перспективно, поскольку позволяет успешно бороться с взаимными помехами. Эффективность ССПС

yССПС ? 3,63(R0/D)2/FК,

где R0 - радиус зоны обслуживания, км;

D - защитный интервал, км;

FК - ширина частотного канала, кГц.

Если положить R0=30 км, D ? 4,4 км, радиус зоны R = 0,85 км, а FК = 50 кГц, то усспс ? 3333 аб/МГц, т. е. гораздо выше эффективности обычных систем подвижной связи. Если ширину частотного канала увеличить до 100...200 кГц, то эффективность ССПС станет равной 1666 и 833 аб/МГц соответственно, что все равно будет гораздо больше эффективности систем с ЧМ. Но при этом возможно применение ШПС с относительно небольшими базами (25...250), что в свою очередь позволит использовать простую аппаратуру формирования и обработки ШПС с невысокой стабильностью частоты. В свою очередь применение ШПС позволит успешно решить проблему адресации большого числа .абонентов. Сотовые системы подвижной связи с ШПС позволят обеспечить связью 60… 240 тыс. подвижных абонентов в крупных городах. Кроме того, в таких системах можно совместить передачу телефонных сообщений с определением местоположения подвижных объектов и их охрану[1.3].

1.7 Борьба с многолучевостью

Применение ШПС в системах связи позволяет бороться с многолучёвостью распространения радиоволн. Многолучевость возникает в том случае, если радиоволны приходят в точку приема, отразившись от различных препятствий на пути распространения рисунок 1.5. Из-за различия в длине пути эти радиоволны приходят с различным запаздыванием. В результате, если сигналы, пришедшие по разным путям, перекрываются во времени, то между ними возникает интерференция, которая в свою очередь вызывает глубокие замирания результирующего сигнала.

Рисунок 1.5 - Многолучевое распространение сигнала

Обычно для компенсации замираний предусматривают увеличение мощности сигнала на 20 дБ. Иначе обстоит дело при использовании ШПС, поскольку при обработке ШПС согласованным фильтром происходит сжатие ШПС по времени, что иллюстрируется рисунке 1.6. На рисунке 1.6,а изображен ШПС с частотной модуляцией длительностью Т, На рисунке 1.6,б - изображено напряжение на выходе согласованного фильтра - отклик фильтра на ШПС. Этот отклик называется автокорреляционной функцией (далее - АКФ) ШПС. Хотя АКФ имеет длительность 2Т то в ней можно выделить две резко отличающиеся структуры. В центре АКФ резкий выброс в виде узкого импульса, называемого центральным пиком. Его амплитуда равна V, а длительность чем шире спектр ШПС, тем короче центральный пик.

ф0 ? 1/F

Вторую область составляют боковые пики с максимальным значением хmax. Шумоподобные сигналы с большими базами обладают свойствами, которые записываются двумя соотношениями:

T/ф0 ? B,

V/хmzx?бB

где а - некоторая постоянная, в общем случае зависящая от базы В.

Соотношение (1.15) определяет сжатие ШПС - отношение длительности ШПС Т к длительности центрального пика. Сжатие ШПС равно, примерно, базе. Поэтому при Т--соnst увеличение Р приводит к уменьшению длительности центрального пика ф0 и к увеличению сжатия.

Соотношение (1.16) характеризует подавление боковых пиков. Оно равно отношению амплитуды центрального пика V к амплитуде максимального бокового пика Vmаx. Чем больше база, тем больше подавление боковых пиков. И в пределе АКФ ШПС с ростом базы стремится к узкому дельта-импульсу. Такую АКФ имеет широкополосный шум, что и послужило причиной названая - «шумоподобные сигналы»[1.6].



Рисунок 1.6 - Шумоподобный сигнал (а), автокорреляционная функция (б) и разделение лучей (в)

На рисунке 1.6,в изображен отклик согласованного фильтра на несколько ШПС, пришедших по различным путям. Если задержка между лучами Дt больше длительности центрального пика ф0, то лучи разделяются и центральные пики различных лучей можно разделить один от другого, а затем и объединить, устранив задержку между ними. Такой принцип борьбы с многолучевостью был использован в одной из первых систем связи с ШПС «RAKE». Таким образом, условие Дt > ф0 обеспечивает разделение лучей. Поскольку ф0 и F связаны соотношением (1.14), то условие разделения лучей записывается следующим образом:

F Дt>1

Например, если при распространений радиоволн существуют два луча - прямой и отраженный от некоторого объекта, то задержка Дt?2d2/Rc где с - скорость света, R - расстояние между передатчиком и приемником, d - расстояние между отражающим объектом и прямым лучом. В этом случае необходимо использовать ШПС с шириной спектра

F ? Rc/2d2,

Чем больше d, тем меньше F. Может оказаться, что при малых d могут - потребоваться ШПС с очень широкими спектрами, что не всегда можно реализовать на практике[1.3].

1.9 Электромагнитная совместимость

Шумоподобные сигналы обеспечивают хорошую электромагнитную совместимость ШСС (далее - ЭМС) с узкополосными системами радиосвязи и вещания. На рисунке 1.7 изображены спектры ШСС с ШПС с шириной спектра F и узкополосной системы связи с шириной спектра сигнала Fy Соответственно для ШПС спектральная плотность мощности NШПС = PШПС / F Для узкополосного сигнала Nу = Ру / Fу, Помехоустойчивость системы связи с ШПС определяется - фундаментальным соотношением (1.4) -в котором усиление обработки равно 2В. Если узкополосная система связи постоянно занимает определенный интервал, то можно ее спектр полностью подавить, используя режекторный фильтр, настроенный на частоту узкополосной системы связи.

Рисунок 1.7 - Спектры широкополосной и узкополосной систем связи

Таким образом, воздействие узкополосной системы связи на широкополосную незначительно. В свою очередь, широкополосная система связи также слабо влияет на узкополосную систему связи. Мощность ШПС, проходящего на выход приемника. Поэтому чем больше отношение F/Fу, тем лучше фильтрация ШПС в узкополосной системе связи. Следовательно, чем больше база ШПС, тем выше ЭМС широкополосной и узкополосной систем связи.

Рисунок 1.8 - Спектры телевизионного и ШПС сигналов

Системы связи с ШПС можно совмещать и с радиотелевизионными системами. На рисунке 1.8 изображен спектр телевизионного сигнала. Программы телевидения в одной территориальной зоне передаются по нескольким каналам с большими защитными частотными интервалами. Обычно в этих частотных защитных интервалах не допускается работа каких-либо радиотехнических систем, чтобы не создавать помех телевизионным передачам. Однако можно в этих частотных интервалах разместить системы связи с ШПС так, как это показано на рисунке 1,6 спектр ШПС расположен вблизи спектра телевизионного сигнала, там где спектральная плотность последнего резко уменьшается. При этом взаимные помехи и той, и другой системе будут малыми. Следует отметать, что если вместо ШПС использовать сигналы с частотной модуляцией, то уровень взаимных помех возрастает, так как сигналы системы связи и телевидения относятся к одинаковому классу и демодулируются частотным детектором.

Таким образом, системы связи с ШПС обладают хорошей ЭМС с системами радиосвязи, вещания и телевидения. Ранее было упомянуто, что ШПС обеспечивают высокую эффективность использования радиоспектра в ССПС, Если рассматривать действие систем связи в некотором замкнутом пространстве, то оказывается, что наилучшую ЭМС при ограниченном диапазоне частот обеспечивают ШПС, хотя сами по себе они требуют более широкой полосы, чем традиционные узкополосные системы. В то же время общая полоса частот при использовании ШПС будет меньше.

Из рассмотрения основных свойств ШПС следует, что применение ШПС в системах связи позволяет обеспечивать высокую помехоустойчивость относительно мощных помех, скрытность, адресность, работоспособность в общей полосе частот, борьбу с многолучевостью, высокие точности измерений и разрешающие способности, хорошую ЭМС со многими радиотехническими системами. Эти преимущества получаются за счет применения ШПС с большими базами, что приводит к резкому усложнению устройств формирования к обработки, увеличению их массы, объема, потребляемой мощности. В большинстве случаев переход к ШПС с большими базами требует резкого расширения полосы частот, что приводит к определенным трудностям в создании широкополосной элементной базы. Однако эти трудности преодолимы. И поэтому ШПС находят уже сейчас применение в различных системах связи, а в будущем получат еще более широкое применение, особенно в системах массовой радиосвязи[1.4].

2. Реализация проекта

2.1 Функциональная структура исследуемой модели

Функциональная структура созданной модели представлена с учётом технического задания в виде перечисления функций:

- добавление проверочного бита в начале или конце пакета;

- сверточный шифратор и дешифратор;

- повторитель и деповторитель;

- нулевое дополнение;

- чередование;

- длинный код скремблирования;

- контроль мощности сигнала;

- отображение точки сигнала

- модулятор;

- генератор кодов Walsh и QOF маски

- ротатор кодов Walsh

- квадратурное скремблирование в ШПС последовательности

- фильтрование передатчика приемника с помощью выбранного RRC

- различные модели каналов AWGN или Многолучевое распространение;

- Rake приёмник;

- оценки канала связи;

2.2 Выбор средств реализации проекта

Поскольку на данный момент спектр средств математического модулирования очень обширен, мы остановим свой выбор на ПО с наибольшей функциональностью и с наилучшими возможностями по совместимости. А поскольку в дальнейшем предполагается физическая реализация данного исследования то целесообразно остановить свой выбор на ПО фирмы Altera.

2.2.1 Quartus

Среда разработки Quartus II обеспечивает полный цикл проектирования программируемых логических интегральных схем (далее - ПЛИС), гарантирует легкий ввод проекта, быструю обработку, и прямое программирование устройства.

Quartus II предлагает полный спектр логических средств разработки проекта:

- ввод разработки, используя схемные решения, принципиальные схемы, языки AHDL, VHDL, и Verilog HDL;

- Floorplan редактирование;

- вложенные проекты;

- мощный логический синтез;

- функциональную и временную симуляцию;

- временной анализ;

- вложенный анализ логической схемы с SignalTap II Logic Analyzer;

- программный импорт исходных файлов и создание файлов для программирования;

- автоматическое определение ошибок;

- программирование прибора и проверка[2.1].

2.2.2 Max + plus II

ПО системы MAX+PLUS II является полным комплектом, обеспечивающим создание логических дизайнов для устройств фирмы Altera с программируемой логикой, в том числе семейства семейства устройств Classic, MAX 5000, MAX 7000, MAX 9000, FLEX 6000, FLEX 8000 и FLEX 10K.

Система предлагает полный спектр возможностей логического дизайна:

- разнообразные средства описания проекта для создания проектов с иерархической структурой;

- мощный логический синтез;

- компиляцию с заданными временными параметрами;

- разделение на части;

- функциональное и временное тестирование (симуляцию);

- тестирование нескольких связанных устройств;

- анализ временных параметров системы;

- автоматическую локализацию ошибок;

- программирование и верификацию устройств.

В системе MAX+PLUS II можно как читать, так и записывать файлы на языке AHDL и файлы трассировки в формате EDIF, файлы на языках описания аппаратуры Verilog HDL и VHDL а также схемные файлы OrCAD рисунок 2.1. Кроме того, система MAX+PLUS II читает файлов трассировки, созданных с помощью ПО Xilinx, и записывает файлы задержек в формате SDF для удобства взаимодействия с пакетами, работающими с другими промышленными стандартами[2.2].

Рисунок 2.1 - Среда проектирования в системе MAX+PLUS II

2.2.3 MATLAB

MATLAB - это высокоуровневый язык для технических расчетов, а также интерактивная среда для анализа данных, разработки алгоритмов и приложений. Версия MATLAB 7 содержит множество важных новшеств в части эффективности программирования и генерации исполняемого кода, графики и визуализации, математики, доступа к данным, производительности. Основные возможности:

Среда разработки:

- обновленный рабочий стол позволяет легко управлять окнами документов, пристыковывать графические окна, сохранять настройки рабочего стола, создавать ярлыки для часто используемых команд;

- переработанные редактор массивов (Array Editor) и браузер рабочего пространства (Workspace Browser) облегчают просмотр, редактирование и визуализацию значений переменных;

- новое средство Directory Reports позволяет сканировать M-файлы для анализа эффективности кода и взаимозависимостей в нем;

- новое средство M-Lint Code Checker анализирует код и предлагает модификации, направленные на повышение производительности и облегчение поддержки;

- добавлена возможность запускать на выполнение отдельные;

- фрагменты M-кода прямо из редактора;

- автоматизировано оформление M-кода в виде документов HTML, Word и LaTeX.

Программирование:

- добавлена возможность создания вложенных функций;

- введен механизм анонимных функций, позволяющий определять однострочные функции прямо в командной строке или в сценариях;

- реализована возможность обращаться к дескрипторам функций с использованием стандартного синтаксиса вместо вызова функции feval;

- добавлены условные точки прерывания, позволяющие останавливать выполнение программы при истинности заданного выражения;

- введены маркеры блочных комментариев, позволяющие закомментировать целый блок кода.

Математика:

- введена целочисленная арифметика, позволяющая сохранять типы данных в процессе вычислений и обрабатывать большие наборы данных;

- введены арифметика с одинарной точностью (Single-precision), функции линейной алгебры, быстрого преобразования Фурье (FFT) и фильтрации для данных с одинарной точностью, позволяющие обрабатывать большие наборы данных;

- добавлены более робастные функции вычислительной геометрии, использующие ядро Qhull 2002.1 и дающие больший контроль над выбором используемых алгоритмов;

- добавлена функция linsolve, позволяющая быстрее решать системы линейных уравнений путем указания структуры матрицы коэффициентов;

- решатель обыкновенных дифференциальных уравнений (ODE solver) теперь позволяет работать с неявными дифференциальными уравнениями и многоточечными граничными условиями (multipoint boundary value problems).

Графика:

- новый интерфейс вывода графиков позволяет интерактивно создавать и редактировать графики без ввода M-кода;

- реализована возможность генерировать M-код, соответствующий графическому окну, что позволяет программно организовать повторное использование графиков;

- улучшенные возможности аннотирования графиков включают рисование фигур, выравнивание объектов, прикрепление аннотаций к точкам графиков;

- введены средства исследования данных (Data exploration), позволяющие осуществлять прокрутку больших графиков и выводить курсоры данных для легкого измерения величин при просмотре графиков;

- введена возможность выполнять для групп графических объектов преобразования поворота, отражения и масштабирования;

- пользовательские интерфейсные панели (User interface panels) и элементы управления ActiveX теперь доступны из GUIDE;

- в дескрипторной графике (Handle Graphics®) улучшена поддержка визуализации сложных уравнений с использованием полного синтаксиса TeX и LaTeX[2.3].

2.2.4 Simulink

Программа Simulink является приложением к пакету MATLAB. При моделировании с использованием Simulink реализуется принцип визуального программирования, в соответствии с которым, пользователь на экране из библиотеки стандартных блоков создает модель устройства и осуществляет расчеты. При этом, в отличие от классических способов моделирования, пользователю не нужно досконально изучать язык программирования и численные методы математики, а достаточно общих знаний требующихся при работе на компьютере и, естественно, знаний той предметной области в которой он работает.

Simulink является достаточно самостоятельным инструментом MATLAB и при работе с ним совсем не требуется знать сам MATLAB и остальные его приложения. С другой стороны доступ к функциям MATLAB и другим его инструментам остается открытым и их можно использовать в Simulink. Часть входящих в состав пакетов имеет инструменты, встраиваемые в Simulink (например, LTI-Viewer приложения Control System Toolbox - пакета для разработки систем управления). Имеются также дополнительные библиотеки блоков для разных областей применения (например, Power System Blockset - моделирование электротехнических устройств, Digital Signal Processing Blockset - набор блоков для разработки цифровых устройств и т.д).

При работе с Simulink пользователь имеет возможность модернизировать библиотечные блоки, создавать свои собственные, а также составлять новые библиотеки блоков.

При моделировании пользователь может выбирать метод решения дифференциальных уравнений, а также способ изменения модельного времени (с фиксированным или переменным шагом). В ходе моделирования имеется возможность следить за процессами, происходящими в системе. Для этого используются специальные устройства наблюдения, входящие в состав библиотеки Simulink. Результаты моделирования могут быть представлены в виде графиков или таблиц.

Преимущество Simulink заключается также в том, что он полностью совместим с DSP Builder, а также он позволяет пополнять библиотеки блоков с помощью подпрограмм написанных как на языке MATLAB, так и на языках С + +, Fortran и Ada[2.3].

2.2.5 DSP Builder

DSP Builder - пакет дополнений для Simulink, позволяющий экспортировать смоделированную систему в среду Quartys. Версия 5.1 поддерживает следующие функции:

- связь между Altera® Quartus® II и The MathWorks MATLAB (Signal Processing ToolBox и Filter Design Toolbox) и Simulink;

- поддерживает следующие семейства ПЛИС Altera:

1) Stratix®, Stratix II, and Stratix GX devices;

2) Cyclone and Cyclone II devices;

3) APEX™ II, APEX 20KC, and APEX 20KE devices;

4) Mercury™ devices;

5) ACEX® 1K devices;

6) FLEX 10K® and FLEX® 6000 devices.

- позволяет быстродействующее макетирование, используя Altera панели проявления цифрового обработчика сигналов;

- поддерживает SignalTap ® II диагностических систем логической схемы, диагностическая система, которая зондирует сигналы от Altera прибора на панели цифрового обработчика сигналов и импортирует данные в рабочие пространство MATLAB;

- визуальный анализ;

- HDL Импорт блоков объединенных в AltLib;

- импорт VHDL или Verilog HDL объектов;

- Avalon Blockset в SOPC Библиотеке Связи Компилятора включает группы элементов которые вы можете использовать, чтобы строить специализированную логическую схему, которая работает с Nios ®;

- автоматически начинает компиляцию Quartus II[2.2].

2.3 Математически модель в среде Simulink

Для исследования возможности реализации бинарного приёма ШПС сигнал была построена математическая модель в среде Simulink (рисунок 2.2). Основные моменты:

- обширное использование библиотеки «Communications Library»

- использовались суб-системы для того чтобы лучше представлять конструкцию разработки;

- использовался S-Fcn построитель для вставки частей кода написанных на C++ для генерации ШПС последовательности;

- использовались генеральные шаблоны для удобства контроля процесса модулирования;

- обширное использование графических возможностей, чтобы визуализировать данные в различных точках модели.



Рисунок 2.2 - Основной вид модели системы передачи информации с CDMA в Simulink

3. Реализация и тестирование

3.1 Особенности реализации проекта

Стоит отметить, что результатом выполнения данного исследования стал, не только ответ на поставленный вопрос в техническом задании, но и созданная многофункциональная модель рисунок 3.1 позволяющая ставить эксперименты в дальнейших работах.

Рисунок 3.1 - Общий вид окна программы

Трудоемкость реализации данного исследования, заключалась в том, что требовала глубоких знаний не только в теоретической но и в практической областях.

Конечный продукт данной работы представляет собой файлы проекта в среде MATLAB Version 7.0.

3.2 Тестирование

При проведении тестов были получены следующие результаты.



Рисунок 3.2 - Временные диаграммы работы квадратурного модулятора CDMA-сигнала

На рисунке 3.2 графики:

1) цифровая последовательность с выхода генератора ПСП;

2) она же, преобразованная в сигнал БВН (Без Возврата к Нулю - биполярный);

3) после относительного перекодирования;

4) график - четные символы перекодированной последовательности в синусном канале;

5) нечетные символы перекодированной последовательности в косинусном канале;

6) сглаженные синусоидой символы в синусном канале;

7) сглаженные синусоидой символы в косинусном канале;

8) график - амплитудно-модулированная несущая в синусном канале;

9) амплитудно-модулированная несущая в косинусном канале;

10) результирующий CDMA-сигнал.

Схема модели квадратурного приемника, а также анализатор спектра, измеритель вероятности ошибки и осциллограф изображены в нижней части рисунка 2.1. Временные диаграммы, поясняющие процесс квадратурной демодуляции CDMA-сигнала, представлены на рисунке 3.3.

Рисунок 3.3 - Временные диаграммы работы квадратурного демодулятора CDMA-сигнала

Здесь на 1-ом графике представлен радиосигнал в смеси в АБГШ после ограничения по полосе (блок Analog Filter Design 3 - фильтр Баттерворта 2-го порядка с полосой 4 кГц - в заданном диапазоне работы системы (38 кГц) эта ширина полосы канала соответствует стандартам ГКРЧ),

2-й график - радиосигнал, умноженный на несущую частоту (перемножитель вместе с низкочастотным фильтром представляет собой преобразователь частоты к нулю). Это синусный канал квадратурного демодулятора. Для формирования косинусного канала фаза восстановленной несущей частоты радиосигнала поворачивается на 90°.

На 3-ем графике представлен сигнал после перемножителя в косинусном канале.

На 4-ом и 5-ом графиках изображены осциллограммы сигналов после ФНЧ (Analog Filter Design и Analog Filter Design 2). Фильтры Батеерворта 1-го порядка, полоса их немного больше, чем тактовая частота символов в квадратурных каналах - . По форме они отдаленно напоминают сигналы в квадратурных каналах модулятора после сглаживания информационных символов синусоидой. Так как радиосигнал является частотно-модулированным, для дальнейшей обработки его исключим информацию об амплитуде, сохранив информацию о частоте и фазе, пропустив сигнал через усилитель-ограничитель (блоки Gain и Saturation).

Рисунок 3.4 - Результат моделирования - передача информации по радиоканалу с шумами



Рисунок 3.5 - спектр сигнала на выходе QPSK модулятора

На рисунке 3.5 показан спектр QPSK сигнала, который полностью соответствует расчётным значениям. Что косвенно подтверждает работоспособность модели.

В результате проведенного комплекса тестов было установлено что созданная модель не только даёт положительный ответ по вопросу бинарного приёма сигнала, но и служит богатым математическим средством для дальнейших исследований.

4. Экономическая часть

4.1 Особенности ПО как объектов разработки и производства

Целью данного дипломного проекта является изучение возможности реализации бинарного приёма ШПС сигнала, по средством реализации математической модели приёмо-передатчика в среде MATLAB.

Программное обеспечение (далее - ПО) вычислительной техники является сложным продуктом, имеющим специфические особенности. Его разработка, производство и использование осуществляются по фазам жизненного цикла.

Серийное производство разработанных ПО требует незначительных затрат, связанных только с его копированием на носители для последующего распространения. В то же время его эксплуатация требует сопровождения, что включает дополнительные затраты на проектирование и разработку небольших интерфейсных программ или дополнительных модулей, частичных изменений отдельных частей программных средств, модификацию документации или структуры базы данных.

Целью данной главы является расчет стоимости разработанного ПО. По своей экономической сущности ПО вычислительной техники относятся к основным фондам предприятия.

Особенностью является также практическое отсутствие их физического износа. Поэтому использование ПО прекращается только в результате их морального износа. Это связано с тем, что в мире происходит постоянный рост программного и аппаратного обеспечения, который предъявляет все большие требования к аппаратуре электронно-вычислительных машин, на которых будет работать программное обеспечение, а также ужесточаются требования к использованию программного обеспечения. ПО должно отвечать требованиям, предъявляемым в мире, а также отражать такой факт, как имидж предприятия в целом. Информационно-вычислительные центры должны использовать по возможности программное обеспечение, которое прошло тестирование и показало себя с лучшей стороны в критических ситуациях.

ПО подобно другим промышленным изделиям имеют определенный жизненный цикл. Каждая стадия в свою очередь делится на фазы или этапы.

Под жизненным циклом программного средства вычислительной техники понимается период от начала разработки нового ПО до снятия его с эксплуатации у заказчика или потребителя. Он включает три стадии: разработка (проектирование), производство (создание) и использование (сопровождение программного средства). Каждая стадия делится на этапы:

- проектирование;

- реализация;

- тестирование и испытание системы;

- анализ результатов тестирования и доработка системы.

Исходя из времени выполнения дипломного проектирования, был разработан график выполнения задания. Диаграмма распределения времени выполнения работ представлена на рисунке 4.1.

Рисунок 4.1 Диаграмма распределения времени выполнения работ

К этапу «проектирование» относится анализ технического задания на разработку но, прежде всего, анализ и проектирование контейнера информации Из пояснительной записки сюда нужно отнести написание введения и первой главы.

К этапу «реализация» относятся анализ данных уже спроектированной базы данных, разработка прототипа математической модели и непосредственно разработка программного обеспечения. Из пояснительной записки на этом этапе проводится написание второй и третьей глав.

На этапе «тестирование» проводится тестирование разработанного программного обеспечения и доработка программного обеспечения.

На этапе «доработка» проводится заключительные приемо-сдаточные испытания и оформление заключительных глав пояснительной записки.

4.2 Расчет стоимости программного обеспечения

4.2.1 Общие положения

В стоимость разработки ПО включаются следующие статьи затрат:

- затраты на теоретические исследования, разработку технических предложений, проведение расчетных работ, моделирование, подбор и изучение научно-технической литературы;

- затраты на проектирование и разработку рабочей документации; затраты на опытную эксплуатацию и испытания, тестирование программных средств вычислительной техники и информатики;

- затраты на технологическую подготовку разработки программных средств вычислительной техники и информатики;

- другие прямые затраты, связанные с выполнением работ по разработке программных средств вычислительной техники и информатики, включая затраты на машинное время.

Стоимость разработки программных средств вычислительной техники и информатики определяется на базе расчетной трудоемкости их создания и оценки затрат машинного времени. В качестве основных факторов стоимости разработки используются также затраты на материалы, командировки, а также некоторые другие дополнительные факторы.

При расчете стоимости разработки учитываются следующие основные статьи затрат:

- сырьё и материалы;

- основная заработная плата, ЗОСН;

- дополнительная заработная плата, ЗДОП (21% от ЗОСН);

- отчисления на социальное страхование, РСОЦ.СТР. (35% от (ЗОСН+ЗДОП);

- отчисления в фонд занятости и чрезвычайный налог, РФЗЧ (4% от (ЗОСН+ЗДОП);

- накладные расходы, РН (300% от суммы);

- прочие расходы.

4.2.2 Расчет сметной стоимости программного обеспечения

Затраты по статье “материалы” учитывают расходы на носители данных, бумагу для печатающих устройств. В процессе разработки понадобился:

- CD - диск стоимостью 1000 руб.;

- 90 листов бумаги формата А4 для распечатки документации по проекту, стоимость одного листа 20 руб.;

- листов бумаги формата A1 стоимостью 5000 рублей каждый.

Затраты по данной статье будут рассчитываться по формуле:

Pм = Цм tм ,

где Цм - стоимость одного часа машинного времени, руб/час;

tм - количество машинного времени, необходимое для разработки программных средств вычислительной техники и информатики, час.

Стоимость часа машинного времени определяется на основе действующих прейскурантов, в связи с арендой вычислительной техники. Стоимость часа машинного времени примем 910 рублей, в стоимость включены амортизационные отчисления и затраты на аренду помещения. Время разработки проекта, то есть количество машинного времени в нашем случае - 21 день по 8 часов.

Рассчитаем стоимость машинного времени:

Рм = 910 21 Ч 8 = 152880 руб.

Расчет затрат на заработную плату (Зосн):

Зосн=QH+Пр

где Q - оклад (156900 руб. - старший научный сотрудник (далее - СНС) в день 7132 руб. в день, 137500 руб. - инженер второй категории, 6250 руб. в день.(должностные оклады ОУ “Полоцкий Государственный университет” по состоянию на 05.06.2006);

Н - число фактически отработанных дней (СНС - 5 дня, инженер - 21 дня);

Пр - Премия (30% от основной заработной платы).

СНС:

Зосн1=7132 х 5 х 1,3=46357 руб.

Инженер второй категории:

Зосн2=6250 х 21 х 1.3=170625 руб.

Суммарная основная заработная плата:

ЗОСН= Зосн1+ Зосн2,

Зосн= 46357 + 170625 = 216982 руб.

Затраты по статье “отчисления на социальное страхование” определяются в процентах от затрат на заработную плату. Их величина принимается по данным предприятия-разработчика программного средства и составляет 35% от фонда заработной платы(Зобщ).

Рфсзн = Зобщ 0,35

Рфсзн = 262548 0,35 = 91892 руб

Единый платеж чрезвычайного налога для ликвидации последствий катастрофы на Чернобыльской АЭС(3%) и обязательных отчислений в государственный фонд содействия занятости(1%), производится единым платежом в размере 4% от фонда заработной платы(Зобщ)[4.1].

Рфеч = Зобщ 0,04

Рфеч = 262548 0,04=10502 руб

Сумма всех затрат, Рсум, руб., состоит из суммы заработной платы и всех отчислений:

Рсум = Зобщ + Рфсзн + Рфеч,

Рсум = 262548 +91892 +10502 =364942 руб.

Накладные расходы, Рн, руб.:

Рн = Рсум х 3,0

Рн = 364942 х 3,0 =1094825 руб

Себестоимость продукции:

Сп = Зобщ + Рфсзн + Pмат + Рм + Рн + Рфеч

Сп =262548+91892+32800+152880+1094825+10502=1645447 руб. Размер прибыли, найденной из расчета рентабельности в 30%, следовательно:

П = Сп х 0.30

П = 1645447 х 0.30 = 493634 руб.

Отчисления в местные целевые фонды:

руб.

Ставка налога на добавленную стоимость составляет 18%.

Сндс = 0.18 х (Сп+П)

Сндс = 0.18 х 2139081 =385035 руб.

Тогда, стоимость нашего программного обеспечения составит

С = Сб + Сндс + Сп + П

С = 66147 + 385035 + 1645447 + 493634 = 2590263 руб.

Все вычисленные значения занесем в таблицу 4.1.

Таблица 4.1 - Сметная стоимость программного обеспечения

Статья затрат	Затраты, руб
материалы (Pмат)	32800
затраты машинного времени (Рм)	152880
заработная плата (Зобщ)	262548
социальное страхование (Рфсзн)	91892
чрезвычайный налога (Рфеч )	10502
сумма всех затрат (Рсум)	364942
накладные расходы (Рн)	1094825
себестоимость продукции (Сп)	1645447
прибыль	493634
добавленная стоимость	2139081
НДС	385035
стоимость ПО (С)	2590263

Диаграмма отображающая удельный вес каждой статьи сметной стоимости программного средства, приведена (рисунок 4.1).

Рисунок 4.1 - Состав цены при создании ПО

Экономический эффект данного исследования по сравнению с аналогичными разработками установить нет возможности так как исследования данного направления в нашей стране на данный момент не велись.

5. Охрана труда

Охрана труда - система сохранения жизни и здоровья работников в процессе трудовой деятельности, включающая в себя правовые, социально-экономические, организационно-технические, санитарно-гигиенические, лечебно-профилактические, реабилитационные и иные мероприятия[5.1].

В целях реализации положений Кодекса законов о труде Республики Беларусь принимаются нормативные правовые акты, регулирующие отношения в области охраны труда в различных отраслях и видах производственной деятельности. Правительством Республики Беларусь (далее - ПРБ) определены государственные нормативные требования по охране труда.

Согласно концепции государственного управления охраной труда в Республике Беларусь, одобренной постановлением Совета Министров Республики Беларусь от 16 августа 2005 г. № 904, государственное управление охраной труда реализуется на следующих уровнях: республиканском; отраслевом; региональном.