СОДЕРЖАНИЕ
Введение
1 Анализ ТЗ
2 Линейно частотно-манипулированные сигналы
3 Согласованный фильтр
4 Моделирование
4.1 Создание ЛЧМ–сигнала и пачки состоящей из пятиимпульсов
4.2 Создание согласованного фильтра и его импульснойхарактеристики
4.3 Прохождение через согласованный фильтр
4.4 Создание накопителя и прохождение через него
4.5 Создание детектора и прохождение через него
4.6 Создание порогового устройства и анализполученного результата
5 Функциональная схема цифрового согласованного обнаружителясигналов
Заключение
Список литературы
ВВЕДЕНИЕ
Основным назначениемлюбого приемника является выделение (обнаружение) полезного сигнала или егопараметров из действующей на входе приемника аддитивной смеси сигнала и помехи (шума).Среди прочих задач можно выделить задачу обнаружения полезного сигнала, онасостоит в том, чтобы определить, имеется ли в действующем на входе приемникаколебании полезный сигнал или оно образовано только помехой (шумом). Приемник врезультате решения этой задачи должен дать ответ типа “да” или “нет”, т.е.имеется ли полезный сигнал или нет.
Обнаружение, прием иобработка сигналов производится по определенным правилам, а оптимальнаярешающая схема построения приемного устройства, работающего в условияхразличных помех, находится методом теории статистических решений, при заданномкритерии качества. Приемник с оконечными устройствами, работающими поопределенным правилам, будет выдавать различные решения, одни из которых будутверными (о наличии сигнала в анализируемой смеси), а другие ошибочными.
Длярешения задач обнаружения строят оптимальные приемники, в состав которых входятлинейные фильтры, а именно согласованные. Выбор критерия оптимальностиопределяется решаемой задачей.
Вданной курсовой работе входными сигналами является пачка, состоящая из линейныхчастотно – манипулированных (ЛЧМ) сигналов с заданными значением частотыдевиации.
1 Анализ технического задания
Согласнозаданию, необходимо спроектировать цифровой согласованный обнаружитель сигналовдля пачки, состоящей из пяти ЛЧМ – импульсов с заданным значением частотыдевиации, а именно девиация равна 1 МГц, а частота входного сигнала 4 МГц,тогда по теореме Котельникова (частота дискретизации должна быть как минимум в2 раза больше максимальной частоты сигнала) возьмем частоту дискретизацииравной 10 МГц.
Необходимоорганизовать согласованный прием каждого импульса, накопление, для этогоиспользуем накопитель, и детектирование сжатых сигналов, для этого используемдетектор, состоящий из фильтра низких частот и устройства взятия модуля. Позаданию должен осуществляться когерентный прием, то есть он происходит приследующих условиях:
· передаваемыесигналы полностью известны
· каналсвязи имеет известные параметры
· помеханосит аддитивный характер
· синхронизациясигналов является идеальной
Согласно этим условиями осуществляется когерентный прием.
Так как параметры ЛЧМ — сигнала должны быть известны, то примем изначально, что фаза равна нулю.
Структуруобнаружителя можно определить следующим образом:
/>
Рисунок 1- Структурнаясхема цифрового согласованного обнаружителя сигналов
2 Линейные частотно – манипулированные сигналы
Подобныйсигнал изображен на рисунке 2, а, а закон изменения частоты заполнения импульса– на рисунке 2, б.
/>
Рисунок2 – ЛЧМ – импульс (а) и
изменениечастоты его заполнения(б).
Мгновеннуючастоту заполнения /> можно определить выражением:
/> /> (1)
где/> (2)
естьскорость линейного изменения частоты внутри импульса. Тогда мгновенное значениеколебания, представленного на рисунке 2, а, можно записать в виде:
/> , /> (3)
Произведение полнойдевиации частоты на длительность импульса
/> (4)
является основнымпараметром ЛЧМ – сигнала.[1]
3Согласованный фильтр
Оптимальныйпо критерию максимума отношения:
/> , (5)
где/> -возможный максимум (пика) сигнал y(nT);
T– период дискретизации;
/> -среднеквадратичное (эффективное) значение шума линейный фильтр называетсясогласованным (СФ) с сигналом.
Согласованныйфильтр, являясь линейным, полностью описывается импульсной hСФ(nT)и частотной HСФ(ejwt)характеристиками, которые связаны между собой преобразованием Фурье:
/> (6)
Импульснаяхарактеристика СФ является «зеркальным отражением» согласованного с нимсигнала:
/> (7)
Соответственноамлитудо – частотная характеристика (АЧХ) определится как модуль частотной:
/> (8)
афазочастотная характеристика(ФЧХ) как аргумент частотной. [2]
4 Моделирование
Моделированиебудем выполнять в программной среде MATLAB7.0. Для начала необходимо создать один ЛЧМ — сигнал, а затем сформировать изпяти таких импульсов пачку, пропустить через СФ, подать на накопитель дляформирования сжатого сигнала, после чего детектировать с помощью детектора.Затеи отправить на пороговое устройство, чтобы определить наличие полезногосигнала и дать решение о том, сигнал был или нет. Рассмотрим каждый из этихэтапов более подробно.
4.1 Создание ЛЧМ импульса
Исходнымиданными являются частота входного сигнала f0=4МГц, девиация равна 1 МГц, это значит, что частота линейно изменяется от 3 МГцдо 5 МГц. Длительность импульса равна 50 мкс.
Длятого чтобы построить ЛЧМ – импульс, необходимо определить и построить законизменения частоты. В результате получаем />, изобразим его:
/>
Рисунок3 – Закон изменения частоты заполнения
Построимсам импульс в соответствии с данным законом изменения частоты заполнения.
/>
Рисунок4 – ЛЧМ – импульс
Теперьсформируем пачку из пяти таких импульсов периодом следования Т=500 мкс идобавим в канал аддитивный шум, так как он необходим для когерентного приема.Получаем:
/>
Рисунок5 – Изображение шума
/>
Рисунок6 – ЛЧМ – импульс с шумом
/>
Рисунок7 – Пачка из пяти ЛЧМ – импульсов с шумом
Каквидно из рисунка 5, амплитуда шума больше амплитуды сигнала, поэтому отношениеС/Ш в данном случае равно 0.0683.
4.2 Создание согласованного фильтра и его импульснойхарактеристики
Присинтезе исходим из того, что импульсная характеристика согласованного фильтра (СФ)должна представлять собой “зеркальную” копию выделяемого сигнала с обращеннымво времени порядком следования отдельных позиций. Получаем:
/>
Рисунок8 – Изображение импульсной характеристики СФ без шума
/>
Рисунок9 – Изображение импульсной характеристики СФ с шумом
Вседальнейшие операции, то есть накопление и детектирование, будем производить приналичии аддитивного шума, изображенного на рисунке 5.
4.3 Прохождение через согласованный фильтр
Какбыло сказано выше, в канале присутствует шум.
/>
Рисунок10 – Реакция СФ на один ЛЧМ – импульс
4.4 Создание накопителя и прохождение через него
обнаружитель сигнал частотный фильтр
Накопительсоздадим с помощью блоков повторения через период Т=500мкс, таким образом, ихбудет четыре, так как необходимо получить пачку из пяти импульсов, и с помощьюсумматора, который суммирует их и получит сжатый сигнал. После всех этихопераций получаем:
/>
Рисунок11 – Сигнал на выходе накопителя
4.5 Создание детектора и прохождение через него
Какбыло показано в структурной схеме, детектор состоит из устройства взятия модуляи ФНЧ. Для подавления лепестков сжатого сигнала используем метод взвешиванияимпульсной характеристики. Новая импульсная характеристика формируется поправилу:
h'(nT) = W(nt) * h(nT)
гдеW (nT) — весовая функция или «сглаживающее окно».
Находятприменение различные типы окон, например «окно Хэмминга”:
W=0.42+0.5*cos(2*pi*n/N)+0.08*cos(4*pi*n/N);с помощью этого окна «взвесим» импульсную характеристику ФНЧ. На выходедетектора получаем следующий сигнал:
/>
Рисунок12 – Сигнал на выходе детектора
4.6 Создание порогового устройства и анализполученного результата
Значение порогавыбираем экспериментально, возьмем значение порога равным пяти, сравнимвозможный максимум (пик) полученного сигнала с этим порогом, при этом примем,что если полезный сигнал присутствует, то на выходе порогового устройствавыдается прямоугольный импульс с амплитудой 1 на заданном интервале времени.Получаем следующий результат.
/>
Рисунок13 – Сигнал на выходе порогового устройства
По рисунку 13,определяем, что в канале в интервале от 48мкс до 52 мкс присутствует полезныйсигнал.
Здесь продемонстрированприем лишь при одном значении С/Ш, использовали это значение, так как онопоказывает наиболее реальную ситуацию, когда шум больше сигнала. Таким образом,можно сделать вывод, сто чем больше отношения С/Ш, тем лучше будет приемсигналов.
5 Функциональная схема цифрового согласованногообнаружителя сигналов
/>
Порог
/>/>/> «1»
Рисунок14 — Функциональная схема цифрового согласованного обнаружителя сигналов
Заключение
Входе выполнения данной курсовой работы был спроектирован цифровой согласованныйобнаружитель сигналов, с помощью согласованного фильтра, накопителя, состоящегоиз блоков повторения через период и сумматора, детектора, состоящего изустройства взятия модуля и ФНЧ, и с помощью порогового устройства.
Быласформирована пачка из пяти ЛЧМ – импульсов, для этих импульсов были заданныдлительность и периодом повторения, а также частота входного сигнала идевиация, была получена импульсная характеристика используемого согласованногофильтра.
Согласнозаданию было необходимо организовать согласованный прием каждого импульса, чтои было сделано с помощью среды моделирования MATLAB.
Приложение 1: Текст написанной программы
clc;
clearall;
Fd=10;% Частота дискретизации, МГц
f0=4;% Частота сигнала, МГц
t=0:1/Fd:2500;% время в микросекундах
T=1/Fd;% период дискретизации
f=0.04*t+3;%построимзакон изменения частоты
figure(1);
plot(t(1:500),f(1:500));
gridon;
xlabel('time,microsec');
ylabel('frequency,MegaHz');
title('Zakonizmenenyia');
%созданиешума
Noise=randn(1,25001);
figure(2); % вывод на экран изображение шума
plot(t(1:25000),Noise (1:25000));
xlabel('Time, microsec');
ylabel('Amplitude, V');
gridon;
title('Noise');
%% созданиеЛЧМ-импульса
S=cos(2*pi*(0.04*t+3).*t)+Noise;
%S=cos(2*pi*(0.04*t+3).*t)
figure(3);
plot(t(1:500),S(1:500));
gridon;
xlabel('time,microsec');
ylabel('amplitude, V');
title('Signal')
%создаем соглаcованный фильтр
forq=1:1:500
h_SF(q)=S(501-q);
end
figure(4);
plot(t(1:500),h_SF(1:500));
gridon;
xlabel('frequency,MegaHz');
ylabel('amplitude, V');
title('Impulseharacneristic')
%реакция согласованного фильтра на один ЛЧМ-импульс
ReactionSF1=filter(h_SF,1,S)./(0.5*50*10);
figure(5); % выводнаэкранреакции
plot(t(1:1000),ReactionSF1(1:1000));
gridon;
xlabel('time,microsec');
ylabel('amplitude, V');
title('Reactionfor 1 imp');
%созданиепачкииз5 ЛЧМ-импульсов
P=zeros(1,25000);
fori=1:5000:25000
P(i+1:i+500)= S(1:500);
end
figure(6);
plot(t(1:25000),P(1:25000));
gridon;
xlabel('time,microsec');
ylabel('amplitude, V');
%Вычисляемуровеньсигнал\шум
Noise_v_kv= power (Noise,2);
z=trapz(t,Noise_v_kv);% вычисление среднеквадратичного значения шума
P_N=max(abs(P))./sqrt(z);
disp(P_N);
%формируем накопитель
forq=1:1:500;
fori=1:5000:25000;
h_1(q)= P((501-q)+i);
end
end
ReactionSF= filter(h_1,1,P)./(0.5*50*10);
figure(7);
plot(t(1:25000),ReactionSF(1:25000));
gridon;
xlabel('time, microsec');
ylabel('amplitude, V');
title('Reactionfor 5 imp');
fori = 5000:5000:25000
Reaction=ReactionSF(1:1000)+ReactionSF(i+1:i+1000);
figure(8);
plot(t(1:1000),Reaction(1:1000));
gridon;
xlabel('time, microsec');
ylabel('amplitude');
title('Onexit of nakopitel')
%созданиедетектора
reaction=abs(Reaction);
figure(9);
plot(t(1:1000),reaction(1:1000));
%созданиеФНЧ, входящего в состав детектора
N=10;
f1=0.2;f2=0.3;
f0=(f1+f2)/2;
d1=3;d2=50;
n= -(N-1)/2:1:(N-1)/2; %отсчеты
N0=(f2-f1)/2;
Hn=sin(f0*2*pi*n)./(n*pi); %задание ИХ
[H,w]=freqz(Hn,1,1024);%АЧХ фильтра
W1=HAMMING(N)';% применяем окно в качестве взвешивающей функции
[Hw1,ww1]=freqz(W1,1,1024);% часть характеристики окна
h1=Hn.*W1;
[H1,w1]=freqz(h1,1,1024);
F_h=filter(h1,1,reaction);
figure(10);
plot(t(1:1000),F_h(1:1000));
gridon;
xlabel('Time, microsec')
ylabel('Amplitude');
title('Onexit of detector');
%пороговое устройство
priem=zeros(1, 1000);
ifmax (reaction)> 2; % порог
priem(480:520)= 1;% max (vuhod_modul);
disp('сигналбыл');% вывод на экран
end
figure(11);
plot(t(1:1000),priem(1:1000));
gridon;
xlabel('Time, microsec');
ylabel('Amplitude, V');
title('Priem');