Моделирование радиоприема в условиях шумов и помех. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники / Радиолюбителю-конструктору

 Комментарии к статье

Компьютерное моделирование сегодня становится неотъемлемой частью радиолюбительского конструирования, поскольку позволяет на ранних стадиях избежать многих схемотехнических ошибок. Конечно же, моделирование не решает всех проблем: все равно на конечном этапе необходимы макетирование и регулировка реального устройства, однако серьезной доработки, скорее всего, уже не потребуется.

Несмотря на огромные возможности программ, всегда находятся задачи, которые выходят за рамки стандартных приемов, описанных в руководстве пользователя. Автор статьи предлагает нестандартный подход к решению задачи моделирования приема радиосигналов в условиях шумов и помех с помощью системы PSpice. Эту методику можно адаптировать под любой симулятор, имеющийся в распоряжении радиолюбителя.

Моделирование на компьютере приемопередающей аппаратуры - задача весьма сложная. Сущность радиоприема - выделение полезного сигнала на фоне шумов и помех. И если раздельное исследование передатчика и приемника обычно не вызывает трудностей, то при попытке рассмотреть их совместную работу, возникает проблема адекватного описания сигнала на входе приемника, представляющего собой смесь полезного сигнала, прошедшего по радиоканалу, с помехами и шумами. Моделирование радиоприема без помех и шумов, конечно, дает возможность оценить работоспособность устройства, однако не позволяет оценить качество использованных технических решений, присущих именно радиоприему.

Система моделирования PSpice, входящая, например, в состав пакета программ OrCAD v.9.2, содержит средства для анализа шумов. Однако предназначены они для режима малого сигнала, когда элементы устройства считают линейными вблизи рабочей точки. Кроме того, исследовать можно только аналоговые устройства, а рассчитать - лишь спектральные плотности шумов.

Предлагаемая методика позволяет проанализировать совместное прохождение полезного сигнала, шума и помех в режиме большого сигнала. Рассмотрим ее на примере моделирования простой системы дистанционного управления с радиоканалом для автомобиля.

Очевидно, что начинать следует с изучения конкретных условий радиоприема и создания математической модели помехо-шумовой обстановки. В общем случае модель сигнала с помехами, который от антенны поступает на вход радиоприемника, можно представить следующей формулой:

где UΣ(t) - суммарный сигнал смеси на выходе антенны приемника; Uс(t,λс) - полезный сигнал; λс - информационный параметр полезного сигнала; Uп(t,λп) - сигнал промышленной помехи; λп - информационный параметр помехи; Um(t) - белый шум.

Полезный сигнал после прохождения по радиоканалу претерпевает различные искажения. Будем считать, что искажается фронт сигнала и уменьшается его амплитуда, что типично при передаче по каналам связи. В нашем случае этого достаточно, поскольку передача происходит на небольшое расстояние.

Промышленные помехи могут быть весьма разнообразными, а их уровень таким, что прием станет совсем невозможен. Исключив преднамеренные помехи (хотя эта тема может быть очень интересна для компьютерного анализа), рассмотрим случай, когда источником помех является автомобиль. Все остальные шумы и помехи представим в виде белого шума.

Наиболее мощный источник радиопомех на автомобиле - вторичная цепь системы зажигания [1; 2]. Причина возникновения помех - искровой разряд в свечах зажигания, в результате которого возникают импульсы тока с крутыми фронтами, чем и объясняется значительная ширина их спектра. Частота следования импульсов в зависимости от частоты вращения коленчатого вала четырехцилиндрового двигателя меняется примерно от 20 до 200 Гц.

Объединив все, получим результирующую схему (рис. 1) генератора смеси на выходе антенны приемника Таким образом, чтобы приступить к моделированию радиоприема в условиях помех и шумов, нам понадобятся PSpice-модели источника полезного сигнала с искажениями UС, генератора огибающей напряжения помехи от автомобиля Uon, источника напряжения помехи от автомобиля Un и источника напряжения остальных шумов Uш.

PSpice-МОДЕЛЬ ИСТОЧНИКА ШУМА

Схема генератора случайного шума показана на рис. 2.

При его моделировании следует обратить внимание на следующее:

Eout - управляемый напряжением источник напряжения. Введите его, используя имя с буквой Е в начале. Он выполняет функцию буфера и масштабирующего усилителя. Вместо него можно использовать аналоговый блок GAIN, имеющийся в поставочной библиотеке с названием ABM.lib и выполняющий аналогичные функции;

Vnoise - источник напряжения кусочно-линейной формы, значения для которого считывают из входного файла, записанного в рабочем каталоге. Использован источник напряжения VPWL_FILE, имеющий атрибут <FILE>, поскольку именно из входного файла будут считываться значения. Атрибут <FILE> определяется записью: [pathl\pwlnoise.txt.

Каталог следует указать тот, в котором сохранены все файлы проекта, а том числе и схемные *.dsn файлы. Сохраните схему в файле с именем pwlnoise.dsn.

Источник Vnoise генерирует случайное напряжение, эффективное значение которого равно 1 В. Этот сигнал назовем "RAW" - первичный источник шума (заготовка). Элементы Rfil и Cfil фильтруют сигнал RAW, a Eout усиливает его до напряжения (эффективного значения), указанного пользователем.

Первичный шумовой сигнал V(NOISE_RAW) (рис. 3, верхний график) равномерно распределен по частоте. Коэффициент формы такого сигнала - приблизительно 1,8. Шумовое напряжение имеет треугольную форму, где каждый угол - разрыв. Такая форма сигнала ведет к спектру вида sin(x)/x, который содержит гармоники, простирающиеся до очень высоких частот, а амплитуда сигнала уменьшается с ростом частоты.

RC-фильтр устраняет проблемы сходимости вычислений, вызываемые прерывистым характером необработанного шумового сигнала. Фильтрованный шумовой сигнал V(NOISE_FIL) (рис. 3, нижний график) более похож на реальный шум.

ПРОГРАММА ГЕНЕРАЦИИ СЛУЧАЙНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ

Программа генерации случайных напряжений написана на языке GW-BASIC (табл. 1). Чтобы набрать ее текст или внести изменения, допустимо использовать любой текстовый редактор.

(нажмите для увеличения)

Текст программы необходимо сохранить в кодах ASCII под названием pwlnoise.bas (например, в Microsoft Word программу следует сохранить как текстовый файл). В табл. 2 приведены пояснения к строкам программы.

Прежде всего, обратите особое внимание на строку 20 программы. В ней необходимо определить путь к рабочему каталогу с файлами проекта.

После запуска программы в диалоговом режиме следует ввести три значения: TIME STEP - шаг по времени в секундах - метки времени между шагами в PWL источнике. Этот параметр частично управляет шириной полосы спектра и скоростью просмотра файла значений источника. Например, если шаг уменьшен, значения случайных помех изменяются во времени быстрее, увеличивается ширина спектра шума и уменьшается скорость просмотра файла значений; FINAL TIME - конечное время в секундах - время работы генератора шума. Его увеличение приводит к увеличению числа шагов, которые включены в PWL источник шума; RMS NOISE - эффективное значение напряжения шума в вольтах.

Этот параметр также влияет на скорость просмотра файла и ширину спектра генератора шума: чем он больше, тем больше крутизна фронта и, следовательно, ширина спектра сигнала.

Программа рассчитает и выведет на экран четыре параметра: Points - число точек, которые будут включены в PWL источник шума; Bandwidth - ширина полосы по уровню -3 дБ от максимума огибающей спектра; Maximum Slew Rate - приблизительная максимальная скорость обработки файла; CFIL - емкость конденсатора фильтра.

Когда все необходимые вычисления будут проведены, программа напомнит сделать запись параметров TIME STEP, RMS NOISE и CFIL, которые в дальнейшем понадобятся для составления задания на моделирование.

Чтобы воспользоваться результатами работы программы, необходимо провести некоторую подготовительную работу. Войдите в редактор схем OrCAD Capture, откройте файл pwlnoise.dsn, в котором должна быть нарисована схема модели источника шума (см. рис. 2), и сделайте следующие изменения.

Установите емкость конденсатора CFIL равной значению, вычисленному программой.

Установите атрибут GAIN Eout равным RMS, значение которого введено при выполнении программы. Убедитесь, что введено число без размерности (усиление безразмерно). Например, надо ввести "0.125", а не "0.125V".

Установите продолжительность времени анализа переходных процессов (TRANSIENT) равной FINAL TIME, значение которой введено при выполнении программы.

Теперь можно выполнять моделирование в PSpice и пользоваться программой PROBE обычным способом. Глобальные порты (RAW и FIL) позволяют удобнее пользоваться моделью генератора шума в других частях схемного проекта, где требуется подобный источник. Но не забывайте повторно запускать программу pwlnoise.bas всякий раз, когда нужно изменить параметры источника шума.

PSpice-МОДЕЛЬ ГЕНЕРАТОРА ПОМЕХ

Чтобы создать модель помех от автомобиля, необходим генератор огибающей напряжения помехи (рис. 4).

По форме огибающая представляет собой сигнал, резко нарастающий по экспоненте, а затем также по экспоненте плавно убывающий до нуля. А заполнен он осцилляциями, имеющими случайный характер. Для получения сигнала нужной формы используем импульсное напряжение от источника V1, предварительно "пропустив" его через интегрирующую цепь R1C1. Подбирая амплитуду напряжения и постоянную времени RC-цепи, получим требуемую огибающую сигнала помехи (рис. 5).

Выбором параметров V1, V2, TD, TR TF, PW, PER импульсного источника и постоянной времени RC-цепи установим необходимые временные характеристики огибающей, которые присущи именно помехам от системы зажигания автомобиля. Буферный усилитель напряжения GAIN 1 нужен для того, чтобы отмасштабировать амплитуду огибающей до значения 1 В.

Далее перемножим напряжение сигнала огибающей на напряжение шума с помощью аналогового блока MULT1 и получим искомый сигнал помехи (рис. 5, нижняя диаграмма). Варьируя параметр PER импульсного источника V1, можно моделировать изменение частоты вращения коленчатого вала двигателя, а меняя параметр TD, - момент появления помехи относительно полезного сигнала.

Используя предложенный подход, несложно моделировать и многие другие виды промышленных помех, а не только автомобильных.

PSpice-МОДЕЛЬ ПОЛЕЗНОГО СИГНАЛА

Предположим, что передатчик системы дистанционного управления состоит из цифровой и аналоговой части. Для передачи команд используется числоимпульсный код. С точки зрения Pspice, подобный передатчик представляет собой обычное цифроанапоговое устройство, и особых проблем с его моделированием не возникает. Однако затраты времени на расчет весьма велики. Вызвано это тем, что система PSpice вынуждена выбирать шаг интегрирования исходя из скорости изменения сигнала с наибольшей частотой. Поэтому имеет смысл создать упрощенную быстродействующую модель эквивалента выходного сигнала передатчика (рис. 6) на идеальных источниках.

Это гораздо удобнее, поскольку таким источником гораздо легче управлять (при моделировании реальных условий приема может потребоваться варьировать частоту несущей, амплитуду, фазу). Для учета искажений сигнала в радиоканале добавлен формирователь искажений формы сигнала - в нашем случае простая RC-цепь.

PSpice-МОДЕЛЬ СИГНАЛА СМЕСИ

Сейчас, когда все модели готовы, объединим их. Фактически это - эквивалент приемной антенны (см. рис. 1), с выхода которой на вход радиоприемника поступает суммарный сигнал. Очевидно, что для удобства анализа в модели необходимо предусмотреть возможность регулирования отношений сигнал/шум и сигнал/помеха, а также уровня суммарного сигнала для имитации затухания с увеличением расстояния.

Реализуется это с помощью промежуточных усилителей GAIN1-GAIN4, включенных на входах и выходе сумматора (см. рис. 1), коэффициент усиления которых можно оперативно менять перед очередным запуском моделирования.

PSpice МОДЕЛИРОВАНИЕ РАДИОПРИЕМА

Задание на моделирование для режима TRANSIENT лучше подготовить в графическом виде. Для этого вместо антен ь к радиоприемнику подключаю модель сигнала смеси.

Но прежде чем приступить к моделированию, необходимо создать файлы значений двух независимых источников шума и рассчитать емкость CFIL сглаживающих фильтров. Программой pwl-noise.bas придется воспользоваться два раза, поскольку источники шума должны быть независимы.

При первом запуске программы создадим исходные данные для источника шума, входящего в состав генератора помех от системы зажигания автомобиля Зададим например, TIME STEP=6E-6 FINAL TIME=0.05, RMS NOISE=1. В результате получим CFIL=1,88 nF, а сгенерированный файл с именем pwlnoise.txt переименуем в pwlnoise2.txt.

Во втором случае запишем исходные данные для запуска источника случайного шума. Зададим TIME STEP=5E-6 FINAL Т|МЕ= 0 05 RMS NOISE=1 Получим CFIL=1,6 nF а файл оставим с именем pwlnoise.txt.

Теперь можно запустить программу моделирования и посмотреть результаты.

Литература

1. Мальтийский А. Н., Подольский А. Г. Радиовещательный приемник в автомобиле. - М.: Связь, 1974
2. Ковалев В. Г. Радиоприем в автомобиле. - М.: Энергия, 1974.

Автор: О.Петраков, г.Москва

Смотрите другие статьи раздела Радиолюбителю-конструктору.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

<< Назад

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Регулярная сексуальная активность продлевает жизнь 13.05.2025

Новое исследование, проведенное учеными Вашингтонского университета в Сент-Луисе, раскрыло важную роль сексуальной активности в поддержании здоровья и сокращении риска преждевременной смерти. Доказано, что регулярные интимные отношения могут значительно уменьшить вероятность раннего ухода из жизни. В ходе 11-летнего исследования было проанализировано состояние здоровья 15 269 человек, средний возраст которых составлял 39 лет. Участники исследования были разделены на две группы в зависимости от частоты их сексуальной активности. Примерно 72% из них занимались сексом как минимум раз в месяц, и 36% - не реже одного раза в неделю. В течение исследования 228 человек скончались, среди причин смерти были болезни сердца, рак и другие заболевания. Оценив данные, исследователи пришли к выводу, что высокая интенсивность сексуальной активности существенно влияет на продолжительность жизни. В частности, люди, имеющие сексуальные отношения хотя бы раз в неделю, имели в два раза меньший риск пр ...>>

4K лазерный проектор Samsung The Premiere 5 13.05.2025

Компания Samsung представила модель 4K ультракороткофокусного лазерного проектора The Premiere 5, который обещает изменить подход к домашнему кинотеатру и развлечениям. Samsung The Premiere 5 предлагает пользователям не только высокое качество изображения, но и интуитивно понятное управление и гибкость использования. Главной особенностью новинки является уникальная тройная лазерная система, обеспечивающая ультракороткофокусную проекцию с разрешением 4K. Проектор способен отображать изображение с диагональю до 100 дюймов, при этом для этого требуется всего лишь 43 сантиметра расстояния от поверхности. Это позволяет установить устройство в самых ограниченных пространствах и проецировать картинку на любую плоскую поверхность, будь то пол, стол, стена или экран. Кроме отличного качества изображения, Samsung The Premiere 5 предлагает и необычное взаимодействие с пользователем. Проектор оснащен инфракрасной камерой и лазерным модулем, которые отслеживают движение рук и пальцев. Это ...>>

Рок-музыка помогает хирургам работать точнее 12.05.2025

Многие хирурги по всему миру включают любимые композиции во время операций - не столько ради развлечения, сколько для создания благоприятной рабочей атмосферы. Однако, как выяснилось, музыкальное сопровождение способно не только поднимать настроение, но и напрямую влиять на качество и скорость медицинских манипуляций. Новое исследование, проведенное в Техническом университете Дрездена, проливает свет на неожиданный эффект рок-музыки в условиях хирургической практики. Ученые провели серию экспериментов, чтобы выяснить, как различные музыкальные жанры воздействуют на точность движений врачей и общее время выполнения задач. Испытуемыми стали профессиональные хирурги, которым предлагалось выполнять стандартные процедуры - такие как разрез и зашивание - под музыкальное сопровождение. Особое внимание было уделено известным композициям рок-групп, в частности AC/DC и The Beatles. Результаты оказались весьма примечательными. При прослушивании энергичных треков AC/DC, таких как "Highway To ...>>

Случайная новость из Архива Самоуправляемые грузовики Volvo для сбора сахарного тростника 12.06.2017 В выращивании сахарного тростника является важным не только вырастить большой урожай, но и правильно организовать его сбор, чтобы при вывозе продукта с полей не нанести ущерб почве и молодым растениям, которые станут основой урожая в следующем году. Компания Volvo Trucks разработала самоуправляемый грузовик, который, как ожидается, поможет увеличить сбор урожая сахарного тростника в Бразилии. Грузовик будет использоваться для перевозки вновь собранного сахарного тростника. Управляемый системой автопилота он с большой точностью придерживается заданного курса, что позволяет уберечь ростки тростника от повреждений. Система преимущественно контролирует рулевое управление, используя два гироскопа, чтобы не допустить отклонение транспортного средства от заданного курса более чем на дюйм (25 мм). Для отслеживания маршрута по полю используется навигационная система GPS, а водитель может установить постоянную скорость с помощью, притормаживая или ускоряясь при необходимости. В настоящее время около 4 % урожая теряется из-за повреждений, которые наносятся росткам сахарного тростника, а также из-за уплотнения почвы при перемещении транспортных средств по полю. Использование автономных грузовиков позволит избежать значительного ущерба для почвы и сельскохозяйственных культур, повышая урожайность до 10 тонн сахарного тростника на гектар в год.

Другие интересные новости:

▪ Портативный суперкомпьютер для беспилотных авто

▪ Прототип обитаемой космической станции

▪ Однокристальная система Semiconductor RSL10

▪ Самовосстанавливающееся стекло для смартфонов

▪ Стадион вырабатывает электроэнергию

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Дозиметры. Подборка статей

▪ статья Фазы оказания медицинской помощи пораженным при катастрофах. Основы безопасной жизнедеятельности

▪ статья Какое предсказание оракула стало губительным для царя, не понявшего его значения? Подробный ответ

▪ статья Лесник лесного хозяйства. Должностная инструкция

▪ статья Конструкции ветродвигателей и ветроэнергетических установок. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Нестандартные включения микросхем в УМЗЧ. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2025