|
Arabic
Bengali
Chinese
English
French
German
Hebrew
Hindi
Italian
Japanese
Korean
Malay
Polish
Portuguese
Spanish
Turkish
Ukrainian
Vietnamese
ЕНЦИКЛОПЕДІЯ РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ ТА ЕЛЕКТРОТЕХНІКИ Моделювання радіоприймання в умовах шумів та перешкод. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки
Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки / Радіоаматор-конструктор Комп'ютерне моделювання сьогодні стає невід'ємною частиною радіоаматорського конструювання, оскільки дозволяє на ранніх стадіях уникнути багатьох схемотехнічних помилок. Звичайно, моделювання не вирішує всіх проблем: все одно на кінцевому етапі необхідні макетування та регулювання реального пристрою, проте серйозного доопрацювання, швидше за все, вже не потрібно. Незважаючи на величезні можливості програм, завжди знаходяться завдання, які виходять за рамки стандартних прийомів, описаних у посібнику користувача. Автор статті пропонує нестандартний підхід до вирішення задачі моделювання прийому радіосигналів в умовах шумів та перешкод за допомогою системи PSpice. Цю методику можна адаптувати під будь-який симулятор, що є у розпорядженні радіоаматора. Моделювання на комп'ютері приймальної апаратури - завдання дуже складне. Сутність радіоприймання - виділення корисного сигналу і натомість шумів і перешкод. І якщо роздільне дослідження передавача і приймача зазвичай не викликає труднощів, то при спробі розглянути їх спільну роботу, виникає проблема адекватного опису сигналу на вході приймача, що є сумішшю корисного сигналу, що пройшов по радіоканалу, з перешкодами і шумами. Моделювання радіоприймання без перешкод та шумів, звичайно, дає можливість оцінити працездатність пристрою, проте не дозволяє оцінити якість використаних технічних рішень, властивих саме радіоприймання. Система моделювання PSpice, що входить, наприклад, до складу пакету програм OrCAD v.9.2, містить засоби аналізу шумів. Однак вони призначені для режиму малого сигналу, коли елементи пристрою вважають лінійними поблизу робочої точки. Крім того, досліджувати можна лише аналогові пристрої, а розрахувати – лише спектральні густини шумів. Запропонована методика дозволяє проаналізувати спільне проходження корисного сигналу, шуму та перешкод у режимі великого сигналу. Розглянемо її на прикладі моделювання простої системи дистанційного керування з радіоканалом для автомобіля. Очевидно, що починати слід з вивчення конкретних умов радіоприймання та створення математичної моделі завадо-шумової обстановки. Загалом модель сигналу з перешкодами, який від антени надходить на вхід радіоприймача, можна представити наступною формулою:
де UΣ(t) - сумарний сигнал суміші на виході антени приймача; Uс(t,λс) - корисний сигнал; λс - інформаційний параметр корисного сигналу; Uп(t,λп) - сигнал промислової перешкоди; λп - інформаційний параметр перешкоди; Um(t) – білий шум. Корисний сигнал після проходження радіоканалом зазнає різних спотворень. Будемо вважати, що спотворюється фронт сигналу і зменшується його амплітуда, що при передачі по каналах зв'язку. У нашому випадку цього достатньо, оскільки передача відбувається на невелику відстань. Промислові перешкоди можуть бути дуже різноманітними, а їхній рівень таким, що прийом стане зовсім неможливим. Виключивши навмисні перешкоди (хоча ця тема може бути дуже цікавою для комп'ютерного аналізу), розглянемо випадок, коли джерелом перешкод є автомобіль. Всі інші шуми та перешкоди представимо у вигляді білого шуму. Найбільш потужне джерело радіоперешкод на автомобілі - вторинний ланцюг системи запалення [1; 2]. Причина виникнення перешкод - іскровий розряд у свічках запалювання, в результаті якого виникають імпульси струму з крутими фронтами, чим пояснюється значна ширина їх спектра. Частота проходження імпульсів залежно від частоти обертання колінчастого валу чотирициліндрового двигуна змінюється приблизно від 20 до 200 Гц. Об'єднавши все, отримаємо результуючу схему (рис. 1) генератора суміші на виході антени приймача Таким чином, щоб приступити до моделювання радіоприйому в умовах перешкод і шумів, нам знадобляться PSpice-моделі джерела корисного сигналу з спотвореннями UС, генератора напруги, що огинає, , джерела напруги перешкоди від автомобіля Un та джерела напруги інших шумів Uш.
PSpice-МОДЕЛЬ ДЖЕРЕЛА ШУМУ Схема генератора випадкового шуму показано на рис. 2.
При його моделюванні слід звернути увагу на таке: Eout - кероване напругою джерело напруги. Введіть його за допомогою імені з літерою Е на початку. Він виконує функцію буфера і підсилювача, що масштабує. Замість нього можна використовувати аналоговий блок GAIN, що є в постачальній бібліотеці з назвою ABM.lib і виконує аналогічні функції; Vnoise - джерело напруги шматково-лінійної форми, значення для якого зчитують із вхідного файлу, записаного в робочому каталозі. Використане джерело напруги VPWL_FILE, що має атрибут оскільки саме з вхідного файлу будуть зчитуватися значення. Атрибут визначається записом: [pathl pwlnoise.txt. Каталог слід вказати той, у якому збережені всі файли проекту, у тому числі схемні *.dsn файли. Збережіть схему у файлі під назвою pwlnoise.dsn. Джерело Vnoise генерує випадкове напруження, ефективне значення якого дорівнює 1 В. Цей сигнал назвемо "RAW" - первинне джерело шуму (заготівля). Елементи Rfil та Cfil фільтрують сигнал RAW, a Eout посилює його до напруги (ефективного значення), вказаного користувачем. Первинний шумовий сигнал V(NOISE_RAW) (рис. 3, верхній графік) рівномірно розподілено за частотою. Коефіцієнт форми такого сигналу приблизно 1,8. Шумова напруга має трикутну форму, де кожен кут – розрив. Така форма сигналу веде до спектру виду sin(x)/x, який містить гармоніки, що сягають дуже високих частот, а амплітуда сигналу зменшується зі зростанням частоти.
RC-фільтр усуває проблеми збіжності обчислень, що викликаються уривчастим характером необробленого шумового сигналу. Фільтрований шумовий сигнал V(NOISE_FIL) (рис. 3, нижній графік) більше нагадує реальний шум. ПРОГРАМА ГЕНЕРАЦІЇ ВИПАДКОВИХ НАПРУГ Програма генерації випадкових напруг написана мовою GW-BASIC (табл. 1). Щоб набрати її текст або внести зміни, можна використовувати будь-який текстовий редактор.
Текст програми необхідно зберегти в кодах ASCII під назвою pwlnoise.bas (наприклад, у Microsoft Word програму слід зберегти як текстовий файл). У табл. 2 наведено пояснення до рядків програми.
Перш за все зверніть особливу увагу на рядок 20 програми. У ній необхідно визначити шлях до робочого каталогу із файлами проекту. Після запуску програми в діалоговому режимі слід ввести три значення: TIME STEP - крок часу в секундах - мітки часу між кроками в PWL джерелі. Цей параметр частково керує шириною смуги спектра та швидкістю перегляду файлу значень джерела. Наприклад, якщо крок зменшений, значення випадкових перешкод змінюються в часі швидше, збільшується ширина спектра шуму та зменшується швидкість перегляду файлу значень; FINAL TIME – кінцевий час у секундах – час роботи генератора шуму. Його збільшення призводить до збільшення числа кроків, які включені до PWL джерело шуму; RMS NOISE – ефективне значення напруги шуму у вольтах. Цей параметр також впливає на швидкість перегляду файлу та ширину спектра генератора шуму: чим він більший, тим більша крутість фронту і, отже, ширина спектра сигналу. Програма розрахує та виведе на екран чотири параметри: Points - кількість точок, які будуть включені в PWL джерело шуму; Bandwidth - ширина смуги за рівнем -3 дБ від максимуму огинального спектру; Maximum Slew Rate – приблизна максимальна швидкість обробки файлу; CFIL – ємність конденсатора фільтра. Коли всі необхідні обчислення будуть проведені, програма нагадає зробити запис параметрів TIME STEP, RMS NOISE та CFIL, які будуть потрібні для складання завдання на моделювання. Щоб скористатися результатами роботи програми, необхідно провести певну підготовчу роботу. Увійдіть до редактора схем OrCAD Capture, відкрийте файл pwlnoise.dsn, у якому має бути намальована схема моделі джерела шуму (див. рис. 2), та зробіть такі зміни. Встановіть ємність конденсатора CFIL, що дорівнює значенням, обчисленим програмою. Встановіть атрибут GAIN Eout рівним RMS, значення якого введено під час виконання програми. Переконайтеся, що введено число без розмірності (посилення є безрозмірним). Наприклад, треба запровадити "0.125", а не "0.125V". Встановіть тривалість аналізу перехідних процесів (TRANSIENT) рівної FINAL TIME, значення якої введено при виконанні програми. Тепер можна виконувати моделювання в PSpice та користуватися програмою PROBE звичайним способом. Глобальні порти (RAW та FIL) дозволяють зручніше користуватися моделлю генератора шуму в інших частинах схемного проекту, де потрібне подібне джерело. Але не забувайте повторно запускати програму pwlnoise.bas щоразу, коли потрібно змінити параметри джерела шуму. PSpice-МОДЕЛЬ ГЕНЕРАТОРА ЗАВАДА Щоб створити модель перешкод від автомобіля, необхідний генератор напруги, що огинає перешкоди (рис. 4).
За формою огинаюча являє собою сигнал, що різко наростає по експоненті, а потім також по експоненті плавно спадає до нуля. А заповнений він осциляціями, що мають довільний характер. Для отримання сигналу потрібної форми використовуємо імпульсну напругу від джерела V1, попередньо "пропустивши" його через ланцюг R1C1, що інтегрує. Підбираючи амплітуду напруги та постійну часу RC-ланцюга, отримаємо необхідну огинаючу сигналу перешкоди (рис. 5).
Вибором параметрів V1, V2, TD, TR TF, PW, PER імпульсного джерела та постійного часу RC-ланцюга встановимо необхідні тимчасові характеристики огинаючої, які властиві саме перешкодам від системи запалення автомобіля. Буферний підсилювач напруги GAIN 1 потрібен для того, щоб відмасштабувати амплітуду, що обгинає до значення 1 В. Далі перемножимо напругу сигналу, що огинає на напругу шуму за допомогою аналогового блоку MULT1 і отримаємо шуканий сигнал перешкоди (рис. 5, нижня діаграма). Варіюючи параметр PER імпульсного джерела V1, можна моделювати зміну частоти обертання колінчастого валу двигуна, а змінюючи параметр TD - момент появи перешкоди щодо корисного сигналу. Використовуючи запропонований підхід, нескладно моделювати багато інших видів промислових перешкод, а не тільки автомобільних. PSpice-МОДЕЛЬ КОРИСНОГО СИГНАЛУ Припустимо, що передавач системи дистанційного керування складається з цифрової та аналогової частини. Для передачі команд використовується число імпульсний код. З точки зору Pspice, подібний передавач є звичайним цифроанапоговим пристроєм, і особливих проблем з його моделюванням не виникає. Однак витрати часу на розрахунок дуже великі. Викликано це тим, що система PSpice змушена вибирати крок інтегрування, виходячи зі швидкості зміни сигналу з найбільшою частотою. Тому є сенс створити спрощену швидкодіючу модель еквівалента вихідного сигналу передавача (рис. 6) на ідеальних джерелах.
Це набагато зручніше, оскільки таким джерелом набагато легше управляти (при моделюванні реальних умов прийому може знадобитися варіювати частоту несучої, амплітуди, фази). Для обліку спотворень сигналу в радіоканалі доданий формувач спотворень форми сигналу - у разі проста RC-цепь. PSpice-МОДЕЛЬ СИГНАЛУ СУМІШІ Тепер, коли всі моделі готові, об'єднаємо їх. Фактично це – еквівалент приймальної антени (див. рис. 1), з виходу якої на вхід радіоприймача надходить сумарний сигнал. Очевидно, що для зручності аналізу моделі необхідно передбачити можливість регулювання відносин сигнал/шум і сигнал/перешкода, а також рівня сумарного сигналу для імітації згасання зі збільшенням відстані. Реалізується це за допомогою проміжних підсилювачів GAIN1-GAIN4, що включені на входах і виході суматора (див. рис. 1), коефіцієнт посилення яких можна оперативно змінювати перед черговим запуском моделювання. PSpice МОДЕЛЮВАННЯ РАДІОПРИЄМУ Завдання на моделювання для режиму TRANSIENT краще підготувати у графічному вигляді. Для цього замість антен до радіоприймача підключаю модель сигналу суміші. Але перш ніж приступити до моделювання, необхідно створити файли значень двох незалежних джерел шуму та розрахувати ємність CFIL фільтрів, що згладжують. Програмою pwl-noise.bas доведеться скористатися двічі, оскільки джерела шуму мають бути незалежними. При першому запуску програми створимо вихідні дані для джерела шуму, що входить до складу генератора перешкод від системи запалювання автомобіля. В результаті отримаємо CFIL = 6 nF, а згенерований файл з ім'ям pwlnoise.txt перейменуємо pwlnoise6.txt. У другому випадку запишемо вихідні дані для запуску джерела випадкового шуму. Задамо TIME STEP = 5E-6 FINAL Т | МЕ = 0 05 RMS NOISE = 1 Отримаємо CFIL = 1,6 nF а файл залишимо з ім'ям pwlnoise.txt. Тепер можна запустити програму моделювання та переглянути результати. література
Автор: О.Петраков, м.Москва
Машина для проріджування квітів у садах
02.05.2024 Удосконалений мікроскоп інфрачервоного діапазону
02.05.2024 Пастка для комах
01.05.2024
▪ Роботи навчаються, спостерігаючи за людьми ▪ 3LCD-проектори Epson Home Cinema 1040 та 1440
▪ розділ сайту Вузли радіоаматорської техніки. Добірка статей ▪ стаття Вільфредо Парето. Знамениті афоризми ▪ стаття Хто винайшов зорову трубу? Детальна відповідь ▪ стаття Персонал гінекологічних кабінетів. Типова інструкція з охорони праці ▪ стаття Склянка в повітрі. Секрет фокусу
Головна сторінка | Бібліотека | Статті | Карта сайту | Відгуки про сайт
www.diagram.com.ua |
Дивіться інші статті розділу 
Останні новини науки та техніки, новинки електроніки:
All languages of this page