Описание лабораторной установки

Лабораторная работа № 3

ИССЛЕДОВАНИЕ УСТРОЙСТВ СКРЕМБЛИРОВАНИЯ

1. Цель работы:Исследование эффективности работы аддитивного скремблера на основе семи- и пятнадцатиразрядного регистра сдвига.

Подготовка к работе

Теоретический материал

В цифровых системах связи и вещания широко используют псевдослучайные последовательности (ПСП) для рандомизации структуры передаваемых данных (скремблирования), измерения вероятности ошибки, анализа линейных характеристик тракта по узору глазковых диаграмм, построения генераторов шумоподобных и случайных сигналов, формирования синхронизирующих последовательностей, корректирующего кодирования и в ряде других случаев.

Линейными ПСП максимальной длины называются последовательности символов кода с основанием q и длиной L = q^m– 1, где m – максимальная степень генераторного полинома. Чаще применяются двоичные ПСП, для которых L = 2^m– 1. Псевдослучайные последовательности обладают следующими свойствами применительно к цифровым системам передачи:

-свойство сдвига. Любой циклический сдвиг ПСП на целое число тактов также есть ПСП;

-свойство уравновешенности. Число единиц в двоичных ПСП равно 2^m-1, а число нулей – 2^m-1– 1, т.е. числа нулей и единиц практически равны друг другу;

-свойство сдвига и сложения. Сумма «по модулю 2» данной ПСП и ее циклического сдвига также есть ПСП.

В цифровых системах передачи используется смешивание передаваемого цифрового сигнала с мешающим сигналом (в качестве которого и выступает ПСП); таким образом, происходит скремблирование сигнала.

Скремблирование, или рандомизация, является первой операцией, выполняемой в системе DVB-T. Цель этой операции – превратить цифровой сигнал в квазислучайный и тем самым решить две важные задачи. Во-первых, это позволяет создать в цифровом сигнале достаточно большое число перепадов уровня и обеспечить возможность выделения из него тактовых импульсов (такое свойство сигнала называется самосинхронизацией). Во-вторых, скремблирование приводит к более равномерному энергетическому спектру излучаемого радиосигнала (как известно, спектральная плотность мощности случайного шума постоянна на всех частотах, поэтому превращение сигнала в квазислучайный способствует выравниванию его спектра). Благодаря равномерному спектру повышается эффективность работы передатчика и минимизируется мешающее действие радиосигнала цифрового телевидения по отношению к аналоговому телевизионному сигналу, излучаемому другим передатчиком в том же канале.

Скремблированию предшествует операция адаптации цифрового потока, представляющего собой последовательность транспортных пакетов MPEG-2 (рис.1). Пакеты, имеющие общую длину 188 байтов (синхробайт, записываемый как число 47 в шестнадцатеричной форме или 01000111 - в двоичной, и 187 байтов передаваемых данных), объединяются в группы по восемь пакетов. Синхробайт первого пакета группы инвертируется. Собственно рандомизация осуществляется путем сложения по модулю 2, то есть посредством логической операции «исключающее ИЛИ» цифрового потока данных и двоичной ПСП.

Рис.1 – Адаптация транспортных пакетов MPEG-2

Для рандомизации в системе DVB-Tиспользуется аддитивный 15-разрядный скремблер (аналогичное устройство выполняет также функции дескремблера в приемнике), структурная схема которого показана на рис.2.

Рис.2 – Скремблирование в системе DVB-T

Генератор ПСП построен на базе 15-разрядного регистра сдвига, охваченного цепью обратной связи. Для того, чтобы формируемая последовательность лишь походила на случайную и в приемнике можно было бы восстановить передаваемые данные, в начале каждого восьмого пакета (то есть, в начале каждой группы) производится инициализация генератора ПСП путем загрузки в него числа 100101010000000. Пуск регистра производится таким образом, чтобы начало псевдослучайной последовательности совпадало с началом второго байта транспортного пакета. Тогда первый после инициализации бит ПСП складывается с первым битом первого байта транспортного потока, следующего за инвертированным байтом синхронизации. Байты синхронизации транспортных пакетов не должны рандомизироваться. Для упрощения работа генератора ПСП не прекращается во время всех восьми пакетов, но в интервале синхробайтов сложение с псевдослучайной последовательностью не производится (для этого используется сигнал разрешения) и синхробайты остаются нерандомизированными. Таким образом, используемая длительностьПСПравна1503байтам(187+188·7=1503).

Восстановлениеисходныхданныхнаприемнойсторонеосуществляетсяспомощью такого же генератора ПСП, который инициализируется в начале каждой группы из восьми пакетов адаптированного транспортного потока (на начало группы указывает инвертированный синхробайт пакета).

У 15-разрядного скремблера, структурная схема которого приведена на рис.2, содержимое 14 и 15 ячеек сдвигового регистра попадает на элемент «исключающее ИЛИ», а с выхода элемента – обратно в первую ячейку (таким образом формируется ПСП). Скремблер с 7-разрядным регистром сдвига реализован аналогично, разница лишь в количестве разрядов регистра; соответственно, на элемент «исключающее ИЛИ» в данном случае попадает содержимое 6 и 7 ячеек.

Чем больше число разрядов регистра, тем больше длительность ПСП, которую он формирует, и, соответственно, ближе к случайной формируемая последовательность при передаче большого объема данных. Так, с случае использования 7-разрядного регистра длительность ПСП составляет 127 бит (2⁷ – 1), после чего начнется повторение последовательности. При использовании 15-разрядного регистра общая длительность ПСП составит 32767 бит (2¹⁵ – 1); если учесть, что используемая длительность ПСП у скремблера в системе DVB-T составляет 1503 байт (или 12024 бит), то очевидно, что в данном случае повторение ПСП не происходит (используется не вся возможная длительность ПСП).

Следует учесть, что в общем случае входной сигнал также является случайным, поэтому при скремблировании может возникнуть ситуация, когда в течение некоторого времени входной сигнал совпадает с ПСП, в этом случае последовательность на выходе скремблера в данный период времени будет состоять только из нулей (в соответствии с логикой работы элемента «исключающее ИЛИ»). Аналогично, если входные биты противоположны битам ПСП, скремблированная последовательность будет содержать только единичные биты. Однако, вероятность совпадения большого числа битов очень мала (например, учитывая, что вероятности появления нуля и единицы в ПСП примерно равны 0,5, то вероятность появления на входе тридцати нулевых бит можно оценить в 2^-30, что составляет около 10^-9).

Описание лабораторной установки

Данная модель реализована в виде документа (рабочего листа) Mathcad, поэтому для ее работы необходимо наличие установленной на компьютере программы Mathcad версии 14 (предполагается, что данная программа уже установлена в ходе подготовки к лабораторной работе №1).

Передначаломвыполнениялабораторнойработынеобходимозапуститьпрограмму Mathcad. После запуска программы выбрать в строке главного меню пункт «File» («Файл») и в ниспадающем меню выбрать «Open» («Открыть»). Откроется диалоговое окно проводника Windows, с помощью которого можно найти нужный файл. Следует найти файл «LAB3_SCR.xmcd» (расположение файла: папка с материалами – вложенная папка «Работы» –папка «Работа 3»); выбрав его, нажать в диалоговом окне кнопку «Открыть». Откроется документ, в котором средствами Mathcad смоделирована работа скремблера.

В верхней части рабочего листа производится ввод исходных данных (значок в виде дискеты рядом с соответствующей надписью). Для данной лабораторной работы в качестве исходных данных выступает двоичная (состоящая из нулей и единиц) последовательность данных на входе скремблера. Поскольку одна из задач скремблера – получение на выходе большого числа перепадов уровня, то целесообразно рассмотреть два случая: первый – наличие на входе длинной последовательности нулей, второй – наличие длинной последовательности единиц.

Поскольку для того, чтобы отследить эффективность работы скремблера, нужны длительные последовательности данных (не менее нескольких сот бит), то, чтобы исключить необходимость длительного ввода двоичных символов, входные последовательности для обоих случаев уже заданы и содержатся в текстовых файлах («text_l3_zero.txt» и «text_l3_one.txt»). Изменять содержимое этих текстовых файлов не следует. Обе последовательности длиной по 1496 бит (или 187 байт, то есть объем одного транспортного пакета без учета заголовка, который не скремблируется). Длительность каждого символа принята в размере 1 мкс.

Также в качестве задаваемого параметра рассматривается количество разрядов регистра сдвига, формирующего ПСП. Этот параметр в лабораторной работе задается переменной lr. В работе исследуется два варианта построения скремблера: первый – на основе 7-разрядного регистра сдвига, второй – на основе 15-разрядного (такой скремблер используется в системе DVB-T). Соответственно в процессе выполнения работы необходимо изменять значение переменной lr: ввод значения lr = 0 означает использование 7-разрядного регистра сдвига, ввод lr = 1 означает использование 15-разрядного регистра сдвига (ввод других значений переменной не допускается). Форма входного и выходного (скремблированного) двоичного сигнала, а также спектры, отображаются на графиках.

Также приводятся значения дисперсии спектров входного и выходного сигнала (усреднение проводится в интервале частот до 1 МГц, исключая постоянную составляющую), а также среднее значение выходного сигнала (поскольку вероятность появления нуля и единицы в случайной двоичной последовательности равна 0,5, то среднее значение случайного двоичного сигнала равно 0,5; следовательно, чем ближе к 0,5 среднее значение сигнала на выходе скремблера, тем ближе к случайному данный сигнал).

В процессе выполнения лабораторной работы необходимо проверить эффективность работы скремблера с разным числом разрядов сдвигового регистра при поступлении на его вход различных последовательностей данных.

По окончанию выполнения лабораторной работы выйти из программы Mathcad, не сохраняя изменений в файле «LAB3_SCR.xmcd».

Порядок выполнения работы

3.1. Загрузить данные на вход скремблера с 7-разрядным регистром сдвига (двоичный сигнал, содержащий длинную последовательность нулей). Для этого необходимо:

– в окне программы Mathcad щелкнуть правой кнопкой мыши на значке дискеты рядом с надписью «Ввод входной последовательности»; в открывшемся контекстном меню выбрать пункт «Properties» («Свойства»);

– в появившемся окне «ComponentProperties» («Свойства») нажать кнопку «Browse» («Обзор»). Откроется окно «ReadfromFile» («Открыть файл»), в котором нужно выбрать текстовый файл с данными;

– найти файл «text_l3_zero.txt» (расположение файла: папка с материалами – вложенная папка «Работы» – папка «Работа 3» – папка «Данные»), выбрать его и нажать кнопку «Открыть». Теперь в окне «ComponentProperties» («Свойства») нажать «ОК» и для завершения процедуры ввода данных щелкнуть на любом свободном месте рабочего листа (например, в левом верхнем углу).

Убедиться, что нужные данные загружены (по соответствующему графику).

3.2. Сравнить форму и спектр входного и выходного сигнала. Убедиться, что на выходе скремблера отсутствует длинная последовательность нулей, а спектр сигнала становится более равномерным. Добавить графики в отчет (как это можно сделать, описано в разделе «Содержание отчета»). Также добавить в отчет значения дисперсии спектров входного и выходного сигналов. Записать среднее значение выходного сигнала.

3.3. Не изменяя последовательность на входе скремблера, задействовать 15-разрядный регистр сдвига. Для этого установить значение lr = 1 (о том, как вводить новое числовое значение переменной в Mathcad, подробно изложено в описании лабораторной работы № 1).

3.4. Сравнить форму и спектр входного и выходного сигнала. Оценить эффективность работы скремблера с 15-разрядным регистром сдвига при наличии на входе длинной последовательности нулей (на выходе она должна отсутствовать). Добавить в отчет графики, а также значения дисперсии спектров входного и выходного сигналов. Записать среднее значение выходного сигнала.

3.5. Установить lr = 0 (задействовать скремблер с 7-разрядным регистром сдвига).

3.6. Загрузить данные на вход скремблера с 7-разрядным регистром сдвига (двоичный сигнал, содержащий длинную последовательность единиц). Последовательность действий аналогична приведенной в пункте 3.1, с той разницей, что следует открыть файл «text_l3_one.txt» (находится в той же папке, что и файл «text_l3_zero.txt».

3.7. Сравнить форму и спектр входного и выходного сигнала. Убедиться, что на выходе скремблера отсутствует длинная последовательность единиц. Добавить в отчет графики, а также значения дисперсии спектров входного и выходного сигналов. Записать среднее значение выходного сигнала.

3.8. Задействовать 15-разрядный регистр сдвига (аналогично пункту 3.3).

3.9. Сравнить форму и спектр входного и выходного сигнала. Оценить эффективность работы скремблера с 15-разрядным регистром сдвига при наличии на входе длинной последовательности единиц. Добавить в отчет графики, а также значения дисперсии спектров входного и выходного сигналов. Записать среднее значение выходного сигнала.

3.10. Сделать выводы о нижеследующем:

– на основании значений дисперсии, полученных в пунктах 3.2 и 3.4, сравнить эффективность работы скремблера с 7-разрядным и с 15-разрядным регистром сдвига при наличии на входе длинной последовательности нулей;

– аналогично, основываясь на значениях дисперсии, полученных в пунктах 3.7 и 3.9, сравнить эффективность работы скремблера с 7-разрядным и с 15-разрядным регистром сдвига при наличии на входе длинной последовательности единиц;

на основании полученных средних значений выходного сигнала указать, в каком из случаев на выходе скремблера получился сигнал, наиболее близкий к случайному.

Требования к отчету

В качестве отчета по данной лабораторной работе выступает «LAB3_отчет.doc». Этот файл содержит форму отчета, представленную в виде таблицы, пустые ячейки которой необходимо заполнить. В каждой из ячеек левого столбца таблицы указано, какой график и при каких исходных данных в должен быть помещен в соответствующую ячейку правого столбца.

Чтобы включить какой-либо график в файл отчета, нужно проделать следующее:

– находясь в окне программы Mathcad, расположить указатель мыши над графиком, который необходимо добавить в отчет, и щелкнуть правой кнопкой мыши;

– в появившемся контекстном меню выбрать «Copy» («Копировать»);

– запустить программу MicrosoftWord и открыть файл «LAB3_отчет.doc»;

– поместить курсор в то место, где должен располагаться график (в соответствующую ячейку таблицы); в строке главного меню выбрать пункт «Правка», а затем – «Специальная вставка». В открывшемся диалоговом окне выбрать опцию «Рисунок (метафайл Windows)», после чего нажать кнопку «ОК». График будет добавлен в виде рисунка. Аналогично следует вставить в отчет остальные графики из программы Mathcad.

В отчет должны быть включены графики входного сигнала и сигнала на выходе скремблера, а также спектры этих сигналов, в четырех случаях:

1) исследование работы 7-разрядного скремблера при наличии на входе длинной последовательности нулей;

2) исследование работы 7-разрядного скремблера при наличии на входе длинной последовательности единиц;

3) исследование работы 15-разрядного скремблера при наличии на входе длинной последовательности нулей;

4) исследование работы 15-разрядного скремблера при наличии на входе длинной последовательности единиц.

Таким образом, отчет должен включать 16 графиков.

Кроме того, в каждом из приведенных случаев необходимо включить в отчет значение дисперсии спектра сигнала на входе скремблера и дисперсии спектра сигнала на выходе скремблера. Это также отражено в таблице.

Отчет также должен содержать вывод (смотреть пункт 3.10) и ответы на контрольные вопросы, представленные в виде тестов. К каждому вопросу предлагается четыре варианта ответа, из которых только один является правильным. Необходимо заполнить имеющуюся в файле отчета таблицу ответов на контрольные вопросы. Левый столбец этой таблицы содержит номера контрольных вопросов, а в соответствующие номеру вопроса пустые ячейки правого столбца следует вписать правильный вариант ответа (букву а, б, в или г). Должны быть даны ответы на все вопросы.

Перед выходом из программы MicrosoftWord сохранить изменения в файле «LAB3_отчет.doc».

Контрольные вопросы

1) Скремблирование это…

а) превращение сигнала в квазислучайный;

б) модуляция сигнала;

в) дискретизация сигнала;

г) фильтрация сигнала.

2) При скремблировании сигнал превращается в…

а) случайный;

б) квазислучайный;

в) детерминированный;

г) аналоговый.

3) Адаптация цифрового потока представляет собой…

а) введение сигналов синхронизации;

б) разбиение пакетов на пакеты меньшего размера;

в) объединение пакетов в группы по восемь;

г) формирование новых пакетов.

4) Скремблированию не должна подвергаться следующая часть пакета:

а) последние 10 байт;

б) все четные байты;

в) все нечетные байты;

г) синхробайт.

5) Инвертированный синхробайт указывает на…

а) начало новой группы пакетов;

б) начало нового пакета;

в) конец пакета;

г) то, что пакет не скремблирован.

6) Скремблирование осуществляется с помощью логической операции…

а) И;

б) ИЛИ;

в) исключающее ИЛИ;

г) инверсия.

7) Сигнал разрешения используется для…

а) предотвращения скремблирования синхробайтов;

б) ввода новых данных;

в) ввода сервисной информации;

г) запуска/остановки генератора ПСП.

8) В системе DVB-T регистр сдвига имеет…

а) 7 разрядов;

б) 8 разрядов;

в) 12 разрядов;

г) 15 разрядов.

9) Исходные данные на приемной стороне восстанавливаются с помощью…

а) корректирующего фильтра;

б) умножителя;

в) сумматора;

г) дескремблера.

10) Одной из задач скремблирования является…

а) изменение длины пакетов;

б) подавление отдельных компонент спектра;

в) получение большого количества перепадов уровня сигнала;

г) получение сигнала, в котором нет двух идущих рядом нулей.

Дата добавления: 2018-04-05; просмотров: 573; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

Мы поможем в написании ваших работ!