Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)

Кафедра радиотехнических систем (РТС)

Исследование корреляционного приемника двоичных сигналов и приемника с согласованным фильтром

Учебно-методическое пособие по лабораторной работе

2014

Содержание

ВВЕДЕНИЕ 3

КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ 3

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ 7

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ 7

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 8

ВВЕДЕНИЕ

Цель работы: Исследование корреляционного приемника двоичных сигналов и приемника с согласованным фильтром.

КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Существуют три основные вида модуляции гармонической несущей цифровым сигналом:

1. Амплитудная модуляция (AM);

2. Частотная модуляцию (ЧМ);

3. Фазовая модуляция (ФМ) (относительная фазовая модуляция);

2.1 Амплитудная модуляция

С качественной стороны амплитудная модуляция (AM) может быть определена как изменение амплитуды несущей пропорционально амплитуде модулирующего сигнала. Амплитудная модуляция представляет собой частный случай так называемой линейной модуляции. Модуляцию такого типа можно получить прямым перемножением несущий и двухуровневого кода передачи. Математически ее можно представить в виде:

,

Если коэффициент модуляции равен 100% (а=1), то несущая при логическом нуле не передается и часто такой вид модуляции называют манипуляцией вида «включено-выключено», или амплитудной манипуляцией (АМ) (рис 2.1).

Рисунок 2.1 – АМ гармонической несущей последовательностью двоичных символов

2.2 Частотная модуляция (ЧМ)

При частотной модуляции значениям "0" и "1" информационной последовательности соответствуют определенные частоты аналогового сигнала при неизменной амплитуде. Частотная модуляция весьма помехоустойчива, поскольку помехи телефонного канала искажают в основном амплитуду, а не частоту сигнала. Следовательно, форма напряжения модулированной несущей может быть выражена в виде:

,

Рисунок 2.2 – ЧМ гармонической несущей последовательностью двоичных символов

2.3 Фазовая модуляция (ФМ)

Фазовая манипуляция применяется значительно реже, в связи со значительными сложностями измерения абсолютных значений начальных фаз в посылках. Проще определяется относительный фазовый сдвиг в соседних посылках, поэтому обычно используется фазоразностная манипуляция, которая называется относительной фазовой модуляцией. При относительной фазовой модуляции в зависимости от значения информационного элемента изменяется только фаза сигнала при неизменной амплитуде и частоте. Причем каждому информационному биту ставится в соответствие не абсолютное значение фазы, а ее изменение относительно предыдущего значения.

Рисунок 2.3 – Фазовая манипуляция

2.4 Корреляционный приемник

Корреляционный приемник – это принципиальный элемент демодулятора любого из цифровых сигналов. Он преобразует непрерывный сигнал u(t), например радиоимпульс, поступающий на его вход, в число v в соответствии с правилом

Корреляционный приемник используют для обнаружения сигнала заданной формы среди шума.

2.5 Структура корреляционного приемника

Корреляционный приемник представляет собой электронную цепь, элементами которой являются умножитель, интегратор и источник сигнала формы, соответствующей форме обнаруживаемого сигнала. Входной сигнал, представляющий собой сумму шума и, возможно, полезного сигнала, подают на один из входов умножителя. На другой вход умножителя подается эталонный сигнал, который формой, частотой и фазой совпадает с сигналом, который необходимо детектировать. Выход умножителя подключен ко входу интегратора.

Рисунок 2.4 – Структурная схема корреляционного приемника.

Перемножитель представляет собой фазовый детектор. Интегратор-RC-цепь (но при этом надо разряжать конденсатор, а не накапливать импульсы).

2.6 Реакция корреляционного приемник на входной сигнал

В том случае, если сигнал на входе совпадает с эталонным сигналом, смешанным с шумом, на входе интегратора оказывается сигнал, близкий к квадрату эталонного (различие в амплитуде, уменьшающейся из-за затухания), и, кроме того, произведение шума с близким нулю матожиданием и эталонного сигнала. В таком случае сигнал на выходе интегратора имеет большое положительное значение — квадрат сигнала всегда больше нуля, а интеграл шумовой составляющей близок к нулю при достаточно большой длительности сигнала.Если на вход подаётся смесь эталонного сигнала, сдвинутого по фазе на π, с шумом, то сигнал на выходе интегратора из аналогичных изложенным в предыдущем абзаце соображений принимает высокое отрицательное значение.При несовпадении входного сигнала с эталонным по форме или частоте, выходной сигнал умножителя не обладает знакопостоянством, а значит, выходной сигнал интегратора принимает низкие значения.

2.7 Согласованный фильтр

Согласованный фильтр-оптимальный фильтр, построенный исходя из известных характеристик сигнала. Он рассчитан на максимизацию отношения сигнал/шум.

Форма сигнала на выходе согласованного фильтра является четной функцией аргумента (t-t₀), зависит только от амплитудно-частотного спектра входного сигнала и не зависит от его фазочастотного спектра. Все гармонические составляющие выходного сигнала в момент времени t₀ одновременно достигают амплитудных значений и, суммируясь (фильтр линейный), дают пик выходного сигнала, равный

Где С - const

Импульсная реакция согласованного фильтра имеет вид:

Учитывая что входной сигнал

Получим

Т.о, импульсная характеристика согласованного фильтра полностью определяется формой сигнала (она согласованна с сигналом)

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

Лабораторная работа предназначена для исследования корреляционного приемника двоичных сигналов и приемника с согласованным фильтром. В данной лабораторной работе проводится манипуляция (разных видов) двоичного сигнала и пропускание полученного сигналов через полосовой фильтр и корреляционный приемника.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1) На рабочем столе персонального компьютера открыть файл «Исследование корреляционного приемника двоичных сигналов и приемника с согласованным фильтром.mcd»;

2) Установить значение амплитуды несущей А=1.

3) Сгенерировать свой двоичный сигнал.

4) Выбрать тип модуляции АМ.

Демонстрационная часть:

5) Посмотреть график сигнала после модулятора.

6) Посмотреть график смеси сигнала и шума.

7) Представить в отчет график сигналов до фильтра и после него.

8) Представить в отчет график сигнала с шумом (без шума) на выходе согласованного фильтра.

9) Представить в отчет график сигнала на выходе перемножителя.

10) Представить в отчет график сигнала на выходе интегратора.

11) Поменять значение амплитуды несущего колебания несколько раз.

12) Выбрать тип модуляции ЧМ;

13) Привести аналогичные графики сигналов с разными амплитудами несущего колебания при ЧМ.

14) Выбрать тип модуляции КАМ-16.

15) Привести в отчет график манипулированного сигнала.

16) Представить в отчет график манипулированного сигнала с шумом.

17) Представить в отчет график зависимости вероятностей ошибок от отношения сигнал/шум.

Статистическая обработка:

1. Изменяя сигнал/шум значения параметра σ, пронаблюдайте, как меняется вероятность ошибки 1-го и 2-го рода. В отчете приведите выводы: на что влияет параметр σ? На что влияет выбор порога и каким образом? Согласуются ли полученные данные с теорией?

2. Каким образом ошибки на практике добиваются устойчивого приема?

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Дайте определение, запишите аналитическое выражение и перечислите параметры сигнала с амплитудной модуляцией (АМ).

2. Сформулируйте преимущества и недостатки амплитудной модуляции.

3. Дайте определение, запишите аналитические выражения и приведите параметры сигнала с частотной модуляцией (ЧМ).

4. Дайте определение, запишите аналитические выражения и приведите параметры сигнала с фазовой модуляцией (ФМ).

5. Сформулируйте преимущества и недостатки частотной модуляции.

6. Что такое согласованный фильтр?

7. Какова форма напряжения на выходе согласованного фильтра?

8. Какова импульсная характеристика согласованного фильтра?