K004470 Дипломная работа Функциональная схема мобильной станции

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 8

1 Анализ технического задания 10

2 Выбор и обоснование структурной схемы 16

2.1 Общая характеристика и принцип функционирования системы 16

2.2 Энергетический расчёт радиолинии 18

3 Функциональная схема мобильной станции 29

3.1 Речевой кодер 32

3.2 Канальный кодер 35

3.3 Модулятор 43

4 Принципиальная схема модема 47

5 Экспериментальные исследования 57

6 Конструкция мобильного терминала 68

7 Технико-экономическое обоснование проекта 70

7.1  Обоснование  целесообразности  разработки  модема 70

7.2  Затраты  на  техническую  подготовку  производства 71

7.3  Расчет  себестоимости  и  цены  изделия 74

7.4  Расчет  эксплутационных  издержек  у  потребителя 77

7.5 Расчет  капитальных  вложений  при  производстве  изделия  и 79

определение  годового  экономического  эффекта 79

8. Безопасность и экологичность работ 84

8.1 Анализ условий труда, степени тяжести и напряжённости работ 84

8.2 Меры по улучшению условий труда, оптимизация трудового процесса. 88

8.3 Пожарная безопасность в лаборатории 89

8.4 Защита окружающей природной среды 92

Заключение 93

Список использованных источников 94

Введение

Системы связи с кодовым разделением каналов в большинстве своём известны как мобильные системы связи.

В настоящее время мобильные средства связи приобрели широкую популярность, ни один человек уже не может представить свою жизнь без своевременного получения информации: будь то речевой сигнал или  какие-либо данные. Большое распространение приобрели именно сотовые системы связи, так как мобильные терминалы данной системы отвечают экономическим, эргономическим, эстетическим требованиям, а также требованиям безопасности излучения. А самое главное преимущество данной системы с точки зрения потребителя – это  огромное количество предоставляемых услуг с возможностью свободного передвижения абонентов сети. Услуги, предоставляемые сотовой связью: обычная двусторонняя телефонная связь, многосторонняя телефонная связь (так называемая конференцсвязь – с участием в разговоре более двух абонентов одновременно), голосовая почта. При организации обычного двустороннего телефонного разговора, начинающегося с вызова, возможны режимы автодозвона, ожидания вызова, переадресации вызова (условный и безусловный) и многое другое.

Актуальность исследования систем мобильной связи очевидна для каждого, поэтому и сегодня стоит вопрос об оптимальном построении таких сетей. Сотовые системы прошли уже длинный путь модернизации, но на сегодняшний день самыми перспективными системами считаются системы, базирующиеся на кодовом разделении каналов. Это связано с тем, что вышеупомянутые системы по сравнению с другими системами цифровой связи:

- обладают исключительной сложностью результирующих сигналов, тем

самым повышая конфиденциальность передачи;

- имеют малую спектральную плотность результирующего сигнала, что повышает скрытность системы;

- эффективно передают информацию при многолучевом распростране-нии радиоволн;

- устойчивы к воздействию как импульсных, так и сосредоточенных по частоте помех;

- осуществляют близкую к когерентной обработку сигналов, тем самым доводя помехоустойчивость до предельных значений;

- имеют низкий уровень потребляемой мощности абонентской станции, что обеспечивает ее длительную работу без подзарядки;

- облегчают либо полностью исключают необходимость частотного планирования;

- гибки в развертывании, легко адаптируются к требованиям по предоставляемым услугам в конкретной сети пользования.

1 Анализ технического задания

Ключевой момент технологии с кодовым разделением каналов(КРК) – использование  шумоподобных сигналов. Вместо разделения спектра или временных слотов каждому пользователю назначается фрагмент шумоподобной несущей. Поскольку её фрагменты являются квазиортогональными, возникает возможность отвести всю ширину выделенного канала для каждого пользователя. Благодаря решению проблемы ближней – дальней зоны и динамическому управлению мощностью вся полоса частот 4 МГц используется каждым пользователем и она же вновь используется в смежной соте. Емкость на одну соту определяется балансом между требуемым отношением сигнал/шум для каждого пользователя и фактором сжатия кодовой последовательности.

В системе КРК передаваемая в эфире информация от базовой станции к мобильной или наоборот попадает ко всем абонентам сети, но каждый абонент понимает только ту информацию, которая предназначена для него. Это организовано за счет применения кодирования передаваемых данных.

Систему с кодовым разделением каналов называют широкополосной системой, а сигналы, которые проходят в эфире – шумоподобными. Широкополосная – потому, что занимает широкую полосу частот. Шумоподобные сигналы  –  потому, что когда в эфире на одной частоте, в одно и то же время разговаривают несколько абонентов, сигналы накладываются друг на друга. Помехоустойчивая – потому, что при возникновении в широкой полосе частот (4 МГц) сигнала – помехи узкого диапазона, сигнал будет принят почти неизмененный. За счет помехоустойчивого кодирования утерянные данные система восстановит.

При построении системы КРК соседние станции могут использовать те же радиочастоты. Таким образом, снимается часть проблем частотного планирования, которые являются начальными для планировщиков сетей других технологий (примером одной из таких ныне действующих систем является GSM)  связанных с необходимостью обеспечения оптимального частотного разноса всех секторов базовых станций. При проектировании выполняется привязка системы к реальной территории. Для этого следует осуществить сбор данных о площади, характере местности, количестве населения, характере его размещения, потребительских способностях, сделать предварительные расчеты ожидаемого количества абонентов. При расчетах нагрузки учитывается категория района, и речевая активность абонентов, которая зависит от времени суток.

В процессе территориального планирования необходимо определить зону уверенного приема, которая в общем случае представляет собой окружность. Таким образом, задача проектирования сводится к определению радиуса такой окружности. Реально, радиус действия является "дышащим" и зависит, в частности, от текущей загрузки сети. Следующим шагом является обеспечения телефонного трафика, который определяет необходимое количество речевых каналов. Для его обеспечения объем оборудования должен быть достаточным, чтобы обслуживать вызовы в период ЧНН.

Одной из проблем, которые решается при проектировании системы КРК, является проблема покрытия, т.е. обеспечение заданного соотношения сигнал/помеха. Для удовлетворительной работы такой сети необходимо свести к минимуму общий уровень помех, для чего предлагается использование направленных антенн для абонентских станций (по направлению на базовую станцию). Количественным показателем качества цифрового приёмника является безразмерное отношение сигнал/шум (SNR - Signal Noise Ratio):

где       Eb – энергия на бит;

N0 – спектральная мощность шума;

  I0 – интерференция.

Под спектральной плотностью мощности шума в выражении подразумевается последняя для тепловых шумов, а интерференция - это взаимное влияние от других абонентов. Значение отношения сигнал/помеха определяет отношение количества ошибочно переданных бит к их общему числу. В данном случае отношение сигнал/помеха на входе не задано, но имеется вероятность ошибки на бит, равная 10-4. Согласно [1], зная эту вероятность можно определить отношение сигнал/помеха и оно будет равно 6 дБ. Энергия, приходящаяся на один бит, и скорость передачи данных связаны следующим соотношением:

где        Ps – мощность сигнала;

 R – скорость телеграфирования (модуляции).

Шум плюс интерференционная составляющая – это спектральная плотность мощности. Если спектр сигнала имеет равномерное распределение с полосой W, тогда шум плюс интерференционная составляющая спектральной плотности мощности есть:

где первое слагаемое представляет собой уровень теплового шума приёмника (F_N – фактор   шума приёмника).

Переписав выражение для отношения сигнал/помеха в терминах скорости передачи данных и ширины занимаемого спектра, получим формулу, связывающую отношение энергии на один бит к мощности шума с мощностью, приходящейся на конкретного пользователя, а также со скоростью передачи данных, суммарной мощностью, приходящейся на других пользователей, и шириной занимаемого спектра:

Эта формула поясняет, что системы с кодовым разделением доступа дают наибольшее преимущество в сетях с высокой плотностью абонентов и высоким трафиком.

Систем с КРК долгие годы не принимались во внимание в подвижных системах беспроводной связи по причине наличия так называемой проблемы ближней-дальней зоны. Поскольку результатом работы приёмника в таких системах является свёртка принимаемого и опорного сигналов, возникала неоднозначность в идентификации сигнала свёртки. Так, например, боковые лепестки сигнала свёртки от близкорасположенного мобильного терминала могут оказаться сравнимыми по амплитуде с основным откликом сигнала свёртки от наиболее удалённого терминала. Поэтому другой наиболее важный момент в системах с КРК: все подвижные терминалы должны создавать вблизи антенны базовой станции примерно одинаковую напряжённость поля. Если использовать управление мощностью таким образом, чтобы принимаемая мощность от всех удалённых объектов была бы эквивалентной, то все преимущества расширения спектра становятся реализуемыми. Таким образом, взаимное влияние можно выразить соотношением:

где         N - это общее число пользователей.

Соотношение сигнал/помеха приобретает вид:

Максимальное число абонентов на базу достигается в том случае, если мощность добавляется ровно настолько, насколько необходимо для обеспечения требуемого отношения сигнал/помеха, в точном соответствии с принятым значением вероятности ошибки. Если мы установим значение левой части вышеуказанного выражения равным заданному отношению сигнал/помеха и решим это выражение относительно N, то получим соотношение для определения ёмкости базовой станции для системы с КРК:

Если P_s→∞, то

Учитывая, что скорость передачи данных в системе 9,6 кбод, получим:

Или, учитывая, что 20,2 дБ – это  10, и возводя в квадрат, получим, что число пользователей, приходящихся на одну базовую станцию при соотношении сигнал/помеха = 6 дБ, равно 100. Как можно заметить, соотношение сигнал/шум и количество абонентов взаимосвязаны: если увеличить соотношение сигнал/шум на 3 дБ, то допустимое количество абонентов уменьшится вдвое, то есть до 50.

2 Выбор и обоснование структурной схемы

Необходимо разобраться, что  представляет собой система вообще. Как и  большинство сотовых систем связи,  структуру данной системы с кодовым разделением каналов можно представить тремя подсистемами:

- подсистема   мобильных   станций   ПМС   (mobile   station   sub system MSS);

- подсистема базовых станций ПБС (base station sub system BSS);

- подсистема коммутации ПК (switching subsystem SSS), – функциональ-ное сопряжение которых описывается рядом интерфейсов.

Функциональное построение ССМС иллюстрируется схемой на рисун-

ке 2.1.

Рисунок 2.1 – Схема построения сети с КРК

2.1 Общая характеристика и принцип функционирования системы

Подсистема мобильных станций объединяет оборудование, обеспечивающее доступ абонентов в систему. Главным звеном в архитектуре ССМС является подсистема коммутации, которая включает в себя центр коммутации мобильной связи ЦКМС (mobile switching center MSC), визитный (гостевой) регистр местоположения ВРМ (visited location register VLR), домашний регистр местоположения ДРМ (home location register HLR), центр аутентификации ЦА (authentication center AUC) и регистр идентификации оборудования РИО (equipment identity register EIR). В подсистему базовых станций входят базовые приемопередающие станции БС (base transceiver station BTS) и контроллеры базовых станций КБС (base station controller BSC).

Центр коммутации мобильной связи обслуживает группу сот и обеспечивает все виды соединений, в которых нуждается в процессе работы мобильная станция, т.е. коммутацию мобильных абонентов друг с другом, с абонентом ТФОП и др. На ЦКМС возлагаются также функции коммутации каналов, к которым относятся "передача обслуживания" (или "эстафетная передача") и переключение каналов в соте при появлении сильных помех и неисправностей, если только это не является обязанностью КБС. Помимо коммутационных задач ЦКМС, управляет процедурами слежения за мобильными станциями с помощью домашнего и визитного регистров местоположения для обеспечения доставки вызова, а также процедурами аутентификации и идентификации абонентов с помощью ЦА и РИО.