Федеральноеагентство по образованию
Государственноеобразовательное учреждение
высшегопрофессионального образования
«Самарскийгосударственный аэрокосмический
университетимениакадемика С.П. Королева»
Кафедра Радиотехники иМДС
Курсовая работа по ОКП натему:
«Обнаружениемногопозиционного сигнала Баркера на фоне гауссовского шума»
Проверил: Бочкарев В.А.
Самара 2010
РЕФЕРАТ
Пояснительнаязаписка 22 с, 23 рисунка, 5 источников, 1 приложение.
ДЕМОДУЛЯТОР, КОД БАРКЕРА, МОДУЛЯТОР, РЕШАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО, СИГНАЛ,СОГЛАСОВАННЫЙ ФИЛЬТР, ШУМОВОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ, CAPTURE, PSPIСE.
Цельисследования – Разработать с помощью пакета OrCAD систему с заданнымисвойствами для обнаружения кода Баркера на фоне гауссовского шума.
В результатеработы получены графические данные о работе основных узлов разрабатываемогоустройства.
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1. ГЕНЕРАТОР КОДА БАРКЕРА
2. ФАЗОВЫЙ МАНИПУЛЯТОР
3. КАНАЛ СВЯЗИ
4.ДЕМОДУЛЯТОР
5. СОГЛАСОВАННЫЙ ФИЛЬТР
6. РЕШАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
ПРИЛОЖЕНИЕ А
ВВЕДЕНИЕ
Настоящая курсовая работа завершает изучение дисциплины «Основыкомпьютерного проектирования и моделирования РЭС». Цель проектирования –приобретение студентами первого опыта самостоятельной разработки радиотехническойсистемы с помощью пакета программ OrCAD на примере системы обнаружениямногопозиционного сигнала на фоне гауссовского шума (см. рисунок 1).
/>
Рисунок 1 – Структурная схема обнаружителя радиосигналов
1) генератор многопозиционного кода
2) модулятор
3) канал связи с шумом
4) УВЧ и демодулятор
5) согласованный фильтр
6) решающее устройство
Генератор сигнала 1 формирует n-позиционный сигнал (код Шермана,Баркера и т.п.), который поступает на вход модулятора 2, где осуществляется манипуляциянесущей по амплитуде (АМн), либо по фазе (ФМн), либо по частоте (ЧМн). Далеевысокочастотный сигнал поступает в радиоканал 3, содержащий передающую иприемную антенны и среду распространения радиоволн, в которой действуют различныеисточники как естественных, так и индустриальных радиопомех. Из приемной антенныВЧ — сигнал поступает в усилитель высокой частоты (УВЧ) и демодулятор 4. Согласованныйфильтр (СФ) 5 обеспечивает подавление шума (максимизирует отношение сигнал/шум вмомент окончания входного сигнала). Решающее устройство 6 срабатывает припревышении заданного порогового уровня Uпор сигналом с выхода СФ иформирует короткий прямоугольный импульс. Наличие этого импульса(«1») на выходе решающего устройства (РУ) свидетельствует об обнаружениисигнала.
1. ГЕНЕРАТОРКОДА БАРКЕРА
Автокорреляционнаяфункция сигнала u(t), заданного на интервале [0,T] вычисляется по формуле:/>
(1)
/>
Построимграфик автокорелляционной функции для 7-ми позиционного кода Баркера, используяформулу (1) />/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>
/>/> 1
/>
Рисунок 1 – АКФ заданногокода Баркера
ПреобразованиеЛапласа вычисляется по формуле (1.2).
(1.2) />
Прямоевычисление по формуле (1.2) становится слишком громоздким при большом числепозиций N многопозиционного сигнала u(t). В этом случае используем болеепростой метод, основанный на известных соотношениях и на скачкообразныхизменениях сигнала Баркера:
/>
/>
Тогда искомоепреобразование Лапласа U(s) сигнала u(t) примет вид
/>
где U'(s) — преобразование Лапласа производной u'(t).
Найдём преобразованиеЛапласа семипозиционного сигнала Баркера (рисунок 2) с амплитудой А и длительностьюодной позиции τ.
Всоответствии с предложенной методикой рассчитаем преобразование Лапласа.
/>
Смоделируемисточник кода Баркера в пакете OrCAD, (см. рисунок А.1). Проведя анализ сигнала вовременной области в программе PSpice. Выведем в графическом модуле Prob результаты – рисунок 3.На рисунке 4 можно видеть частотный спектр сигнала Баркера.
/>
Рисунок 3 – СигналБаркера
/>
Рисунок 4 – Спектрсигнала Баркера
2. ФАЗОВЫЙ МАНИПУЛЯТОР
Для передачимногопозиционных сигналов по радиоканалу используются дискретные видымодуляции, когда амплитуда, фаза или частота высокочастотной синусоидальнойнесущей меняется скачком под воздействием модулирующего сигнала u(t), т.e.имеют место, соответственно, амплитудная манипуляция (АМн), фазовая манипуляция(ФМн) и частотная манипуляция (ЧМн).
АМниспользуется при однополярном модулирующем сигнале типа кода Шермана, а ФМн иЧМн применяются для передачи биполярных сигналов.
/>
Рисунок 5 – Структурнаясхема ФМн модулятора
Наиболеераспространенная схема фазового манипулятора состоит из генератора несущегоколебания, несущая частота подается на два ключа в прямом состоянии, и навторой после инверсии, происходит смена фазы(см рисунок 5).
Схема фазовогоманипулятора, спроектированная в OrCAD, представлена на рисунке 6.
/>
Рисунок 6 – Фазовыйманипулятор
Принципиальная схемамодулятора представлена в приложении на рисунке А.6
Промодулированныйсигнал представлен на рисунке 7. Для большей наглядности на рисунке 7 так жепоказан его спектр и спектры (сверху вниз): колебания генератора, входногосигнала, выходного сигнала.
/>
/>
Рисунок 7 – Временныезависимости и спектры модулированного колебания.
3. КАНАЛ СВЯЗИ
Припрохождении сигнала в среде распространения на него накладываютсявысокочастотные шумы. В результате детектирование полезного сигнала в смесисигнал-шум становится затруднено.
Шум, присутствующий вканале связи, обычно распределен по закону Гаусса. Кроме того, ширинаспектральной области, занимаемая шумом, значительно превосходит ширину спектраполезного сигнала. С учетом этих факторов сигнал на выходе имитатора каналасвязи с шумом представим в следующем виде:
/>
где umod(t)–сигнал с выхода модулятора
n(t) –высокочастотныйнормальный случайный процесс (шум).
Шумовойпроцесс, в свою очередь, можно разложить на два.
/>
Здесь ξ1 иξ2 –низкочастотные некоррелированные нормальные случайныепроцессы,
ω0 –центральная частота спектра шума n(t).
Такимобразом, можно смоделировать условия прохождения сигнала через канал связи.Схема шумового воздействия представлена в приложении на рисунке А.3. Результатырасчета в OrCAD представлены на рисунках 8-9.
/>
Рисунок 8 – Сигнал послепрохождения через канал передачи
/>
Рисунок 9 – Спектрсигнала после прохождения через канал передачи
4. ДЕМОДУЛЯТОР
ФМн-демодулятор (рисунок10) состоит из полосового фильтра ПФ, настроенного на несущую частоту f0=1МГц, генератор опорного напряжения ГОН, который формирует синусоидальноеколебание с амплитудой, частотой и начальной фазой, равными соответствующимпараметрам сигнала с выхода ПФ. Принимаемое и опорное колебания складываются всумматоре С и вычитаются в вычитающем устройстве ВУ1 так, что на входенелинейной цепи НЦ1 имеем сумму Uпф(t)+Uoп(t), а на входе нелинейной цепи НЦ2 — разность Uпф(t)-Uoп(t). Далее сигнал с выхода НЦ2 вычитается из сигнала свыхода НЦ1 и разностный сигнал проходит через фильтр нижних частот ФНЧ, где ивыделяется низкочастотный сигнал.
/>
Рисунок 10 – Структурная схема ФМн-демодулятора
Для настройкиПФ проведем расчет фильтра в частотной области, и выведем АЧХ ПФ. Длячисленного контроля симметрии полученной АЧХ относительно частоты f0 применимфункцию измерений B2freq.
Значение целевой функции B2freqблизко к нулю, если форма АЧХ симметрична. Можно добиться такогорезультата, если подобрать соответствующее значение параметра B резонансногоусилителя U2 (U2.B) в режиме оптимизации. При этом все остальные параметрыусилителей U1 и U2 остаются фиксированными.
Цель оптимизации – найтитакие значения варьируемых значений B и KFR. Приоптимизации используется метод наискорейшего спуска, изложенный ниже всравнении с методами градиента и методом релаксаций.
Прииспользовании метода градиента на каждом шаге нужно определять значения всехчастных производных оптимизируемой функции по всем независимым переменным, чтотребует большого объема вычислений.
Методрелаксаций обладает в этом смысле определенными преимуществами, т.к. при спускевдоль выбранного осевого направления не требуется вычисления производных. Нодвижение происходит не в оптимальном направлении.
Сочетаниеосновных идей методов релаксации и градиента дает метод наискорейшего спуска,суть которого заключается в следующем.
После того,как в начальной точке найден градиент оптимизируемой функции и тем самымопределено направление ее наибыстрейшего убывания, то в случае поиска минимумацелевой функции в данном направлении делается шаг спуска. Если значение целевойфункции в результате шага уменьшилось, то производится очередной шаг в этомнаправлении, и так до тех пор, пока в этом направлении не будет найден минимумцелевой функции. После этого вычисляется градиент и определяется новоенаправление наибыстрейшего убывания целевой функции.
Всопоставлении с методом градиента метод наискорейшего спуска оказывается болеевыгодным из-за сокращения объема вычислений. По сути, метод наискорейшегоспуска по вычислительным затратам эквивалентен методу релаксации, но выгодноотличается от него тем, что по крайней мере первые шаги после определенияградиента производятся в оптимальном направлении.
Очевидно, чточем менее резко изменяется направление градиента целевой функции, тем выгоднееиспользовать метод наискорейшего спуска по сравнению с методом градиента (т.е.вдали от точки оптимума). Вблизи оптимума направление градиента меняется резко,поэтому метод наискорейшего спуска автоматически переходит в метод градиента,т.к. минимум по каждому направлению находится за небольшое количество шагов
Важной особенностью метода наискорейшегоспуска является то, что при его применении каждое новое направлениеортогонально предыдущему. Это объясняется тем, что движение в одном направлениипроизводится до тех пор, пока направление движения не окажется касательным ккакой-либо линии постоянного уровня (так же как и в методе релаксации). Но вотличие от метода релаксации скорость сходимости к точке оптимума не зависит оториентации системы координат.
В качестве критерияокончания поиска могут использоваться те же условия, что и в методах релаксациии градиента.
После проведенияоптимизации для обоих фильтров, проведем еще раз анализ ПФ1 и ПФ2 в частотнойобласти. Результат показан в линейном масштабе на рисунке 11.
/>
Рисунок 11 – АЧХполосового фильтра
Послемоделирование схемы демодулятора представленной в приложении Б.4. На выходахблоков демодуляторов получили следующие временные и частотные диаграммы (см.Рисунки 12 – 13).
/>
Рисунок 12 – Сигнал последетектирования
/>
Рисунок 13 – Спектрысигнала после детектирования
5. СОГЛАСОВАННЫЙ ФИЛЬТР
цифровой код баркергауссовский шум
Согласованный(оптимальный) фильтр максимизирует отношение сигнал/шум на своём выходе.Структура СФ в общем случае определяется сигналом Баркера u(t) и вероятностнымихарактеристиками шума n(t). Так, если на входе СФ действует аддитивная смесь:x(t)=u(t)+n(t), где n(t) — гауссовский белый шум, то комплексный коэффициентпередачи G(jω) и импульсная характеристика g(t) фильтра имеют вид [1]:
G(jω)=kU*(jω)еxp(-jωt0)
g(t)=ku(t0-t)
Здесь U*(jω) — комплексно-сопряженная спектральная плотность сигнала u(t);
k -коэффициент усиленияСФ, задаваемый произвольно;
t0 -временнаязадержка фильтра, определяемая из условия физической реализуемости:
g(t)=0, t
Условие (5.1.) означает,что отклик фильтра на произвольное входное воздействие не может появитьсяраньше этого воздействия. Обычно выбирают t0=Т=Nτ — длительность сигнала u(t). Рассмотрим некоторые свойства CФ.
1 — Сигнал на выходефильтра, согласованного с входным сигналом u(t), совпадает по форме савтокорреляционной функцией (АКФ) этого сигнала, сдвинутой по оси времени навеличину t0. Это непосредственно следует из подстановки импульснойхарактеристики и сигнала u(t) в интеграл Дюамеля, связывающего выходной сигналс импульсной характеристикой g(t) и входным сигналом u(t). Таким образом,выходной сигнал в момент t=t0 имеет максимум, пропорциональныйэнергии входного сигнала u(t).
2 — Импульснаяхарактеристика g(t) СФ при t0=0 является зеркальным отображениемсигнала u(t)
Что бы синтезироватьфильтр необходимо. Найти передаточную функцию СФ. Произведем это по формуле5.2.:
/> (5.2.)
В результатеполучим выражение:
/>
Попередаточной функции построить принципиальную схему состоящую их линий задержеки суммирующего устройства (См. рисунок А.4).
Проанализируемсхему, подключив к входу сигнал Баркера. В результате получим на выходе АКФсигнала, сдвинутую на время задержки. Результат представлен на рисунке 14.
/>
Рисунок 14 – Реакция СФна подачу сигнала Баркера
Теперь можноподключить к входу СФ всю остальную модель. Получим следующие графики (см.рисунки 13 – 14)
/>
Рисунок 16 – Сигнал навыходе СФ
/>
Рисунок 17 – Спектрсигнала на выходе СФ
6. РЕШАЮЩЕЕУСТРОЙСТВО
Решающее устройствопредназначено для формирования импульса прямоугольной формы момент, когданапряжение с выхода СФ превысит заданный пороговый уровень Unop. Факт наличияпрямоугольного импульса на выходе РУ свидетельствует об обнаружении сигнала.
В качестве РУ обычноиспользуют операционные усилители в нелинейном режиме, триггеры Шмитта икомпараторы. В настоящей курсовой работе применим схему РУ на компаратореK521CA2 в интегральном исполнении.
Принципиальную схему см.рисунок А.5.
Делитель R1, R2 задаётпорог срабатывания компаратора:
Uпор=R2/(R1+R2)⋅E
Напряжение питания E=10В.Полагая R2=1ком, находим R1 (пороговое напряжение Unop определено при анализеСФ).
R1=2965 Ом
Выполнив расчет модели в PSpice, на выходе получили прямоугольныйсигнал, свидетельствующий об обнаружении сигнала, значит устройство разработаноправильно. (См. рисунок 17)
/>
Рисунок 17 – Сигнал навыходе решающего устройства
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В даннойкурсовой работе была разработана радиотехническая система детектирования многопозиционногоцифрового кода Баркера на фоне шума. Также бала разработана системаформирования фазово-манипулируемого сигнала. Был рассмотрен принципсогласованной фильтрации сигнала. В процессе работы над курсовым проектом былиполучены навыки разработки радиотехнических систем в среде OrCAD: блочная структурапроектирования в OrCAD Capture, анализ схем с помощью программы PSpice, работа с полученнымиданными в постпроцессоре Probe, оптимизация параметров схемы в Otimizer.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХИСТОЧНИКОВ
1. Баскаков С.М. Радиотехнические цепи и сигналы. М.: Высшаяшкола, 1983. — 536с.
2. Бочкарев В.А. Методические указания к лабораторным работампо курсу «Основы компьютерного проектирования и моделирования РЭС»,СГАУ, 2007.- 42с.
3. В.Д.Разевиг. Система проектирования OrCAD 9.2. — М.:Солон-P, 2001. — 528с., ил.
4. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. М.: Мир,1982. — 512с.
5. Ю. И. Болотовский, Г.И. Таназлы. OrCAD. Моделирование.«Поваренная» книга. 2005. — 200 с. — (Серия «Библиотека студента»)
ПРИЛОЖЕНИЕ А
/>
Рисунок А.1 – ГенераторБаркера
/>
Рисунок А.2 – Канал связи
/>
Рисунок А.3 – ФМнДемодулятор
/>
Рисунок А.4 –Согласованный фильтр
/>
Рисунок А.5– Компаратор
/>
Рисунок А.6– Фазовый модулятор