Реферат по предмету "Коммуникации и связь"


Анализ радиосигналов и расчет характеристик оптимальных согласованных фильтров

Министерство общего и профессионального образования РоссийскойФедерации
УГТУ-УПИ имени С.М. Кирова
кафедра
Теоретические основы радиотехники
АНАЛИЗ РАДИОСИГНАЛОВ И РАСЧЕТ ХАРАКТЕРИСТИК ОПТИМАЛЬНЫХСОГЛАСОВАННЫХ ФИЛЬТРОВ
КУРСОВОй ПРОЕКТ

ЕКАТЕРИНБУРГ 2001 год

/>Содержание
 
Реферат
Введение
Расчёт акф заданного сигнала
Расчёт спектральной плотности и энергетического спектра
Расчёт импульсной реакции и рекомендации к построениюсогласованного фильтра
Заключение
Перечень условных обозначений
Библиографический список
Реферат
Информация ценилась всегда, а сразвитием человечества информации становится все больше и больше. Информационныепотоки превратились в огромные реки.
В связи с этим возниклонесколько проблем передачи информации.
Информацию всегда ценили за еедостоверность и полноту поэтому ведется борьба за передачу ее без потерь иискажения. С еще одной проблемой при выборе оптимального сигнала.
Все это переносится и на радиотехникугде разрабатываются приемные передающее и обрабатывающие эти сигналы. Скоростьи сложность предаваемых сигналов постоянно усложняется оборудование.
Для получения и закреплениязнаний по обработке простейших сигналов в учебном курсе есть практическоезадание.
В данной курсовой работерассматривается прямоугольная когерентная пачка, состоящая из N трапецеидальных(длительность вершины равна одной третьей длительности основания) радиоимпульсов,где:
а) несущая частота,1,11МГц
б) длительность импульса (длительностьоснования),15мкс
в) частота следования,11.2 кГц
г) число импульсов в пачке,9
Для заданного типа сигналанеобходимо произвести (привести):
Расчёт АКФ
Расчет спектра амплитуд иэнергетического спектра
Расчет импульснойхарактеристики, согласованного фильтра
Рекомендации по построениюсогласованного фильтра.
Спектральная плотность — естькоэффициент пропорциональности между длиной малого интервала частот Df и отвечающей ему комплекснойамплитудой гармонического сигнала DAс частотой f0.
Спектральное представлениесигналов открывает прямой путь к анализу прохождению сигналов через широкийкласс радиотехнических цепей, устройств и систем.
Энергетический спектр полезендля получения различных инженерных оценок, устанавливающих реальную ширинуспектра того или иного сигнала. Для количественного определения степени отличиясигнала U (t) и его смещенной во времени копии U (t-t) принято вводить АКФ.
Зафиксируем произвольный моментвремени /> и постараемся так выбратьфункцию />, чтобы величина /> достигала максимальновозможного значения. Если такая функция действительно существует, то отвечающийей линейный фильтр называют согласованным фильтром.
/>Введение
Курсовая работа позаключительной части предмета «Теория радиотехнических сигналов и цепей»охватывает разделы курса, посвященного основам теории сигналов и их оптимальнойлинейной фильтрации.
Целями работы являются:
изучение временных испектральных характеристик импульсных радиосигналов, применяемых врадиолокации, радионавигации, радио телеметрии и смежных областях;
приобретение навыков по расчетуи анализу корреляционных и спектральных характеристик детерминированныхсигналов (автокорреляционных функций, спектров амплитуд и энергетическихспектров).
В курсовой работе для заданноготипа сигнала необходимо произвести:
Расчет АКФ.
Расчет спектра амплитуд иэнергетического спектра.
Импульсной характеристикисогласованного фильтра.
В данной курсовой работерассматривается прямоугольная когерентная пачка трапецеидальных радиоимпульсов.
Параметры сигнала:
несущая частота (частота радиозаполнения),1,11МГц
длительность импульсов, (длительностьоснования) 15 мкс
частота следования,11,2 кГц
число импульсов в пачке,9
Автокорреляционная функция (АКФ)сигнала U (t) служит для количественного определения степени отличиясигнала U (t) и его смещённой во времени копии /> (0.1) и при t = 0 АКФ становится равной энергиисигнала. АКФ обладает простейшими свойствами:
свойство чётности:
/> т.е. KU(t) =KU (-t).
при любом значении временногосдвига t модуль АКФ непревосходитэнергии сигнала: ½KU(t) ½£KU(), что вытекает из неравенства Коши — Буняковского.
Итак, АКФ представляетсясимметричной кривой с центральным максимумом, который всегда положителен, а внашем случае АКФ имеет ещё и колебательный характер. Необходимо отметить, чтоАКФ имеет связь с энергетическим спектром сигнала: />; (0.2) где ½G (w) ½/> квадрат модуляспектральной плотности. Поэтому можно оценивать корреляционные свойствасигналов, исходя из распределения их энергии по спектру. Чем шире полоса частотсигнала, тем уже основной лепесток автокорреляционной функции и тем совершеннеесигнал с точки зрения возможности точного измерения момента его начала.
Часто удобнее вначале получитьавтокорреляционую функцию, а затем, используя преобразование Фурье, найтиэнергетический спектр сигнала. Энергетический спектр — представляет собойзависимость ½G (w) ½/> от частоты.
Согласованные же с сигналомфильтры обладают следующими свойствами:
Сигнал на выходе согласованногофильтра и функция корреляции выходного шума имеют вид автокорреляционнойфункции полезного входного сигнала.
Среди всех линейных фильтровсогласованный фильтр даёт на выходе максимальное отношение пикового значениясигнала к среднеквадратичному значению шума.
/> />Расчёт акф заданногосигнала
/>
Рис.1. Прямоугольная когерентная пачка трапецеидальныхрадиоимпульсов
В нашем случае сигнал представляетсобой прямоугольную пачку трапецеидальных (длительность вершины равна однойтретьей длительности основания) радиоимпульсов (см. рис 1) в которойчисло импульсов N=9, а длительность импульса Ti=15 мкс.
/>
Рис.2. Сдвиг копии огибающей сигнала
S3(t)  
S2(t)  
S1(t)   Период следования импульсов в пачке Tip » 89,286 мкс., поэтому скважность q = Tip/Ti= 5,952. Для расчёта АКФ воспользуемся формулой (0.1) и графическимпредставлением смещённой по времени копии сигнала на примере одноготрапецеидального импульса (огибающей). Для этого обратимся к рисунку 2. Длярасчёта главного лепестка АКФ огибающей сигнала (трапеции) рассмотрим трипромежутка:
Для величины сдвига Tпринадлежащего промежутку от нуля до одной третьей длительности импульсанеобходимо решить интеграл:
/>
Решая этот интеграл, получаем выражение для главноголепестка АКФ данного сдвига копии огибающей сигнала:
/>
Для T принадлежащего промежуткуот одной третьей до двух третьих длительности импульса получаем следующийинтеграл:
/>
Решая его, получаем:
/>/>
Для Т, принадлежащего промежуткуот двух третьих длительности импульса до длительности импульса интеграл, имеетвид:
/>
Поэтому в результате решенияимеем:
С учётом свойства симметрии (чётности)АКФ (смотрите введение) и соотношения, связывающего АКФ радиосигнала и АКФ егокомплексной огибающей: /> имеемфункции для главного лепестка АКФ огибающей ko (T) радиоимпульса и АКФрадиоимпульса Ks (T):
/>
/>
в которых, входящие функции,имеют вид:
Таким образом, на рисунке 3 изображёнглавный лепесток АКФ радиоимпульса и его огибающей, т.е. когда в результатесдвига копии сигнала, когда участвуют все 9 импульсов пачки, т.е. N = 9.
Видно, что АКФ радиоимпульсаимеет колебательный характер, но в центре обязательно максимум. При дальнейшемсдвиге число пересекающихся импульсов сигнала и его копии будет уменьшаться наединицу, а, следовательно, и амплитуда через каждый период следования Tip= 89,286 мкс.
Поэтому, окончательно АКФ будутиметь вид как на рисунке 4 (16 лепестков, отличающихся от главноготолько амплитудами) с учётом того, что на этом рисунке Т=Tip.:
/>
Рис. 3. АКФ главного лепестка радиоимпульса и его огибающей
 
/>
Рис. 4. АКФ Прямоугольной когерентной пачки трапецеидальныхрадиоимпульсов
 
/>
Рис. 5. Огибающая пачки радиоимпульсов.
/>Расчёт спектральнойплотности и энергетического спектра
/>
Для расчёта спектральнойплотности воспользуемся, как и при расчётах АКФ, функциями огибающейрадиосигнала (смотрите рис.2), которые имеют вид:
/>
и преобразованием Фурье дляполучения спектральных функций, которые с учётом пределов интегрирования дляn-го импульса будут рассчитываться по формулам:
/>
для огибающей радиоимпульса и:
для радиоимпульса соответственно.
Далее вычисляем спектральнуюплотность огибающей радиосигнала для всех N импульсов в соответствии свыражением:
/>
/>
График этой функции представленна (рис.5).
на рисунке для наглядностирассмотрен разный частотный диапазон
/>
Рис. 6. Спектральная плотность огибающей радиосигнала.
 
Как и ожидалось, главныймаксимум расположен в центре, т.е. при частоте w=0.
Энергетический же спектр равенквадрату спектральной плотности />ипоэтому график спектра имеет вид как на (рис 6) т.е. очень похож награфик спектральной плотности:
/>
Рис. 7. Энергетический спектр огибающей радиосигнала.
Вид спектральной плотности длярадиосигнала будет иной, поскольку вместо одного максимума при w = 0 будет наблюдаться два максимума при w = ±wо, т.е. спектр видеоимпульса (огибающейрадиосигнала) переносится в область высоких частот с уменьшением вдвоеабсолютного значения максимумов (см. рис.7). Вид энергетического жеспектра радиосигнала будет так же очень похож на вид спектральной плотностирадиосигнала, т.е. тоже будет осуществлён перенос спектра в область высокихчастот и так же будет наблюдаться два максимума (см. рис.8).
 
/>
/>
Рис. 8. Спектральная плотность пачки радиоимпульсов.
/>
Рис. 9./>Расчёт импульснойреакции и рекомендации к построению согласованного фильтра
Как известно, наряду с полезнымсигналом, зачастую присутствуют шумы и поэтому при слабом полезном сигналеиногда трудно определить есть полезный сигнал или нет.
Для приёма сигнала сдвинутого вовремени />на фоне белого гауссовскогошума (белый гауссовский шум «БГС» имеет равномерную плотностьраспределения) n (t) т.е. y (t) = />+n (t), отношение правдоподобия при приёме сигнала известной формы имеет вид:
/>
где No — спектральная плотностьшума.
Поэтому приходим к выводу, чтооптимальная обработка принимаемых данных — суть корреляционный интеграл
/>
Полученная функция представляетсобой ту существенную операцию, которую следует выполнить над наблюдаемымсигналом с тем, чтобы оптимальным (с позиции критерия минимума среднего риска) образомпринять решение о наличии или отсутствии полезного сигнала.
Не вызывает сомнений тот факт,что данная операция может быть реализована линейным фильтром.
Действительно, сигнал на выходефильтра с импульсной характеристикой g (t) имеет вид:
/>
Как видно, при выполненииусловия g (r-x) = K×S (r-t) эти выражения эквивалентны и тогдапосле замены t = r-x получаем:
/>
где К — постоянная, а to — фиксированное время, при котором наблюдается выходной сигнал.
Фильтр с такой импульснойхарактеристикой g (t) (смотрите выше) называется согласованным.
Для того чтобы определитьимпульсную характеристику необходимо сигнал S (t) сместить на tовлево, т.е. получим функцию S (tо + t), а функцию S (tо — t) получитьпутём зеркального отображения сигнала относительно оси координат, т.е. импульснаяхарактеристика согласованного фильтра будет равна входному сигналу, и при этомполучаем на выходе согласованного фильтра максимальное отношение «сигнал-шум»./> />
При нашем входном сигнале для построения такого фильтра необходимо сначаласоздать звено формирования одного трапецеидального импульса схема, которогоизображена на (рис.9).
 
Рис. 10. Звено формирования радиоимпульса с заданнойогибающей.
 
На вход звена формированиярадиоимпульса с заданной огибающей (см. рис.9), подаётся сигнал огибающейрадиосигнала (в нашем случае трапеция).
В колебательном звенеформируется гармонический сигнал с несущей частотой wо (в нашем случае 1,11МГц), поэтому на выходе этого звена имеемгармонический сигнал с частотой wо.
С выхода колебательного звенасигнал подаётся на сумматор и на звено линии задержки сигнала на Ti (в нашемслучае Ti =15 мкс), а с выхода звена задержки сигнал подаётся на фазовращатель(он нужен для того чтобы после окончания импульса отсутствовал радиосигнал навыходе сумматора).
После фазовращателя сигнал тожеподаётся на сумматор. На выходе сумматора, наконец, имеем трапецеидальныерадиоимпульсы с частотой радиозаполнения wот.е. сигнал g (t)./> />
Поскольку нам необходимо получить когерентную пачку из 9 трапецеидальныхвидеоимпульсов то необходимо сигнал g (t) подать на звено формирования такойпачки схема, которой имеет вид как на (рис 10):
 
Рис. 11. Звено формирования когерентной пачки.
На вход звена формированиякогерентной пачки подаётся сигнал g (t), который представляет собойтрапецеидальный радиоимпульс (или последовательность трапецеидальныхрадиоимпульсов).
Далее сигнал идёт на сумматор ина блок задержки, в котором реализуется задержка входного сигнала на периодследования импульсов в пачке Tip умноженный на номер импульса минусединица, т.е. (N-1), а с выходабока задержки снова на сумматор.
Таким образом, на выходе звенаформирования когерентной пачки (т.е. на выходе сумматора) имеем прямоугольнуюкогерентную пачку трапецеидальных радиоимпульсов, что и требовалось реализовать.
/>Заключение
В ходе работы были проведенысоответствующие расчеты и построены графики по ним можно судить о сложностиобработки сигналов. Для упрощения математический расчет проводился пакетах MathCAD 7.0 и MathCAD 8.0. Даннаяработа является необходимой частью учебного курса, чтобы студенты имелипредставления об особенностях применении различных импульсных радиосигналов врадиолокации, радионавигации и радио телеметрии, а также могли спроектироватьоптимальный фильтр тем самым, внеся свой скромный вклад в “борьбе" заинформацию.
/>Перечень условныхобозначений
 
wо— частота радиозаполнения;
w — частота
Т, (t) — временной сдвиг;
Тi— длительностьрадиоимпульса;
Tip— периодследования радиоимпульсов в пачке;
N— числорадиоимпульсов в пачке;
t— время;
/>Библиографический список
1.  Баскаков С.И. «Радиотехническиецепи и сигналы: Учебник для вузов по спец. „Радиотехника“».- 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Высш. шк., 1988 — 448 с.: ил.
2.  «АНАЛИЗ РАДИОСИГНАЛОВ И РАСЧЁТ ХАРАКТЕРИСТИК ОПТИМАЛЬНЫХСОГЛАСОВАННЫХ ФИЛЬТРОВ: Методические указания к курсовой работе по курсу „Теориярадиотехнических сигналов и цепей“»/ Киберниченко В.Г., Дороинский Л.Г.,Свердловск: УПИ 1992.40 с.
3.  «Усилительные устройства»: Учеб: пособие для вузов. — М.: Радиои связь, 1989. — 400 с.: ил.
4.  Букингем М. «Шумы в электронных приборах и системах»/ Пер. сангл. — М.: Мир, 1986


Не сдавайте скачаную работу преподавателю!
Данный реферат Вы можете использовать для подготовки курсовых проектов.

Поделись с друзьями, за репост + 100 мильонов к студенческой карме :

Пишем реферат самостоятельно:
! Как писать рефераты
Практические рекомендации по написанию студенческих рефератов.
! План реферата Краткий список разделов, отражающий структура и порядок работы над будующим рефератом.
! Введение реферата Вводная часть работы, в которой отражается цель и обозначается список задач.
! Заключение реферата В заключении подводятся итоги, описывается была ли достигнута поставленная цель, каковы результаты.
! Оформление рефератов Методические рекомендации по грамотному оформлению работы по ГОСТ.

Читайте также:
Виды рефератов Какими бывают рефераты по своему назначению и структуре.

Сейчас смотрят :

Реферат The Conquering Normans
Реферат Билеты по предмету Античная культура за осенний семестр 2000 года
Реферат Закон сохранения энергии в макроскопических процессах
Реферат Техника и электроника СВЧ (Часть 1)
Реферат Недостающее звено в создании искусственного интеллекта
Реферат Особенности бухгалтерского учета основных средств в филиале ГПНО Нижегородпассажиравтотранс
Реферат Динамические структуры данных: очереди
Реферат Аделаида Парижская
Реферат "dvd технологии и цифровое видео в оу: с чего начать, область применения, средства и хитрости"
Реферат Motivation Is Progression Essay Research Paper Motivation
Реферат Проект створення автомийки
Реферат Общество как сложная система. Сферы общественной жизни, их взаимосвязь. Важнейшие институты общества
Реферат Рецензия на повесть Юрия Вяземского Шут
Реферат Открытое акционерное общество энергетики и электрификации "Мосэнерго"
Реферат Тюркское влияние на этническую динамику русского народа