Laboratornaya_1

УДК 621.391.26(076.5)

Алехин В.А., Бессонов И.В. Исследование оптимальных когерентных демодуляторов АМ- и ЧМ-сигналов. − Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2010. − 30 с.

Рассматриваются корреляционные когерентные демодуляторы двоичных сигналов, обеспечивающие при белом гауссовском шуме потенциальную помехоустойчивость приёма. Исследуются процессы обработки двоичных АМ- и ЧМ-сигналов. Статистически оцениваются вероятности ошибочных решений. Предназначена для студентов специальностей: 210304 и 210402.

Табл. 3. Ил 8. Библиогр.: 7 назв.

Рецензент С.С. Гарматюк, доцент кафедры АиРПУ ТТИ ЮФУ.

1. ЦЕЛИ РАБОТЫ

1.1.Изучение принципа действия демодуляторов дискретных радиосигналов.

1.2.Оценка потенциальной помехоустойчивости приема амплитудно- (АМ) и частотно-манипулированных (ЧМ) радиосигналов в аддитивной смеси их с тепловым шумом.

1.3.Исследование влияния порога различения на помехоустойчивость приема АМ-радиосигналов.

2.ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА

Лабораторный стенд выполнен в виде автономного прибора, питаемого от сети переменного напряжения 220В, 50Гц и изображён на рис. 1. Он состоит из базового блока, в котором имеются:

-источники сигналов;

-узлы КОДЕР-1, АЦП и сумматор;

-светодиодное табло передаваемого и принятого сигналов, ЦАП

иустройство контроля ошибок;

-узел индикации, в котором расположены измерительные приборы постоянного и переменного напряжений, а также движковый потенциометр напряжения смещения;

-слот (в середине базового блока) для установки сменных блоков, содержащих исследуемые функциональные узлы, гнезда контрольных точек, необходимые органы управления и индикации.

Рис. 1. Внешний вид лабораторного стенда

В базовом блоке в субблоке ИСТОЧНИКИ СИГНАЛОВ представлены:

-гармонические сигналы с частотами 1, 2 и 110 кГц с регуляторами уровня выходных колебаний от нуля до полутора вольт;

-амплитудный модулятор с частотой несущего колебания 110 кГц и модуляцией гармоническим колебанием с частотой 1 кГц,

4

уровень несущего колебания U0 и глубина модуляции m регулируются

впределах 0…1,5В и 0…1 соответственно;

-генератор шумового напряжения (ГШ) (гауссов квазибелый в полосе 10Гц – 100кГц шум) с регулировкой его выходного уровня;

-импульсные последовательности тактовой (С1) и цикловой (С2)

синхронизации, имеющие периоды повторения Т=450 мкс и Тц=17Т соответственно. Эти последовательности могут быть использованы для внешней синхронизации осциллографа:

-гармонические колебания f1=27 кГц и f2 =18 кГц, используемые для получения радиосигналов с дискретными видами модуляции;

-периодическая последовательность импульсов прямоугольной

формы δ(t) с малой длительностью tи=5 мкс, периодом следования Ти=Тц=17Т=(17•450) мкс и амплитудой Uи≈5 В, имитирующая последовательность вида «δ-функции»;

-электрические колебания сложной формы S1, S2 и S3, состоящие из двух гармоник каждое (частота основной гармоники 2кГц);

-электрическое колебание S4, состоящие из суммы первой и третьей гармоник с частотами 23 и 69 Гц, используемое для исследования АЦП;

-регулируемые источники постоянных напряжений U1 и U2, изменяемых в пределах от минус 10В до плюс 10В;

-диапазонный генератор электрических колебаний низкой частоты (НЧ) в пределах 20Гц – 160 кГц, имеющий плавную и ступенчатую регулировки выходного напряжения в пределах 0…5В. Установка частоты производится с помощью встроенного частотомера с цифровой индикацией.

Колебания всех источников стенда, кроме ГШ и генератора НЧ, получены от одного генератора с кварцевой стабилизацией частоты путем деления его частоты и последующей фильтрации. Это обеспечивает надежную синхронизацию процессов, наблюдаемых на экране осциллографа.

В узле КОДЕР-1 производится ручное формирование любой символьной двоичной кодовой комбинации натурального двоичного кода с помощью микротумблеров. Набранная комбинация индицируется на светодиодном табло с надписью «ПЕРЕДАНО». Такое же табло с надписью «ПРИНЯТО» расположено над обозначением «ДЕКОДЕР-1».

Для аналоговых колебаний КОДЕРОМ-1 является аналогоцифровой преобразователь (АЦП). На вход 1 АЦП подается кодируемое непрерывное колебание. Вход 2 АЦП является «открытым» (воспринимающим постоянные напряжения) и служит для снятия статической характеристики аналого-цифрового преобразования.

5

Нижнее гнездо S (k t) служит для наблюдения отсчетов преобразуемого сигнала. При этом могут быть использованы два

значения частоты дискретизации входного напряжения f 1 = 125 кГц и f 2 = 2,3 кГц, переключаемые соответствующим тумблером.

Кнопочный переключатель «РАЗРЯДНОСТЬ» позволяет получить число разрядов АЦП, равное 3, 4 и 5. При всех отжатых кнопках производится восьмиразрядное преобразование.

Цифро-аналоговый преобразователь ЦАП имеет один вход и два выхода. На выходе 1 формируется ступенчатое напряжение в соответствии с выбранной в АЦП разрядностью и частотой дискретизации. Между первым и вторым выходами АЦП включен сглаживающий фильтр. Таким образом, на выходе 2 формируется выходное напряжение после сглаживания в фильтре. Тумблер «0Vτ», расположенный ниже ЦАП, служит для компенсации задержки на Т, вносимой демодулятором. При непосредственном соединении АЦП и ЦАП тумблер должен находиться в положении «0», а при включении между ними модулятора и демодулятора – в положении «τ».

Узел контроля ошибок предназначен для регистрации ошибок, обнаруженных при приеме дискретных сигналов в «системе связи». Признаки обнаруженных ошибок с выхода этого узла подсчитываются компьютером за определенное время наблюдения. При этом рассчитывается оценка вероятности ошибки. Признаки обнаруженных ошибок имеют вид положительных импульсов прямоугольной формы с длительностью 200 мкс. Они формируются только для первых пяти символов (информационных) последовательности. Длительность признака ошибки в пятисимвольной информационной посылке определяется положением первого ошибочно принятого символа и моментом окончания 5-го символа.

Ниже узла контроля ошибок расположены гнезда входов компьютера с потенциометрами для регулирования уровня напряжений, подаваемых на компьютер. Связь с компьютером осуществляется экранированным кабелем, который заканчивается разъемом, подключаемым ко входу звуковой платы компьютера.

В данной лабораторной работе используется сменный блок «МОДУЛЯТОР - ДЕМОДУЛЯТОР», вставляемый в центральный слот базового блока.

Блок «МОДУЛЯТОР - ДЕМОДУЛЯТОР» содержит манипулятор, работающий в режимах АМ, ЧМ, ФМ и ОФМ, «канал связи», представленный в форме сумматора с полосовым фильтром (ПФ) для подачи шумового напряжения от ГШ, и демодулятор, построенный по корреляционной схеме. ПФ служит для ограничения

6

ширины спектра шумового напряжения в пределах 10…35 кГц. Коэффициент передачи сумматора по напряжению с сигнального входа равен 0,5, а с шумового входа равен 5.

На сменном блоке приведена функциональная схема корреляционного демодулятора (изображенная на рис. 2) с точками для наблюдения опорных электрических колебаний, входных напряжений перемножителей, интеграторов, порогового напряжения и входного напряжения решающего устройства.

Рис. 2. Функциональная схема корреляционного демодулятора

Переключение видов модуляции осуществляется кнопкой, расположенной около обозначения модулятора, установленный вид модуляции индицируется светодиодными индикаторами.

В блоке имеются также переключатель начальной фазы опорного колебания (ФМ и ОФМ), ручная установка порога (АМ) и индикатор ошибки.

Блок позволяет изучать виды дискретной модуляции, наблюдать аддитивную смесь сигнального напряжения с шумовым при различных их соотношениях, изучать принцип действия корреляционного демодулятора, осуществляющего когерентную обработку сигнала при разных видах модуляции, оценивать помехоустойчивость приема дискретных сигналов.

Сменный блок крепится к стенду четырьмя фасонными винтами. Для выполнения лабораторной работы, кроме стенда, необходимо иметь двухлучевой (или двухканальный) осциллограф и персональный компьютер с соответствующим программным обеспечением для выполнения специальных измерительных и демонстрационных функций (двухканального анализа спектра, построения гистограмм, корреляционных функций, вычисления

вероятности ошибок).

7

3. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПЕРСОНАЛЬНОГО КОМПЬЮТЕРА

Программный пакет «Теория электрической связи» (ТЭС) предназначен для его использования совместно с лабораторным стендом. Пакет содержит программную реализацию ряда измерительных приборов: спектроанализатора, коррелятора, построителя гистограммы (оценка вероятности мгновенных значений сигнального напряжения) и подсчета числа ошибок с последующей оценкой их вероятностей, а также двухканального осциллографа.

Вызов компонентов осуществляется с помощью клавиш в левом верхнем углу на панели управления, вызываемой на экран компьютера с помощью «иконки» «ТЭС» нажатием левой клавиши «мыши».

Исследуемые напряжения следует подавать на входы А и Б стенда. При этом уровень напряжений можно менять с помощью потенциометров, расположенных около соответствующих входов.

Режим «СПЕКТРОАНАЛИЗАТОР» вызывается нажатием на клавишу 1. После нажатия на эту клавишу на экране монитора ПК появляются изображения двух экранов спектроанализатора (по каналам А и Б) с органами управления в левой их части, позволяющими регулировать верхнюю FB и нижнюю FН границы интервала частотного анализа, а также масштаб изображения по уровню гармоник. Пользоваться органами управления спектроанализаторов можно с помощью курсора и левой клавиши «мыши». Пользуясь этим спектроанализатором, следует обращать внимание на уровень исследуемых напряжений, подаваемых для спектрального анализа на входы А и Б стенда. Эти напряжения, во избежание перегрузки анализатора и появления искаженных результатов анализа, не должны превышать 0,7 В. Регулировка уровня сигналов на входах А и Б осуществляется с помощью упомянутых выше потенциометров.

Режим «ГИСТОГРАММА» (диаграмма уровней) вызывается нажатием на клавишу 2. После этого на экране монитора ПК появляется окно, изображающее экран измерителя в координатах «плотность вероятности − напряжение». Исследуемое напряжение следует подавать на один из входов макета (А или Б). Поскольку в этом случае используется режим «МОНО» звуковой карты ПК, не имеет значения, на какой именно вход подавать напряжение. Не следует подавать исследуемое напряжение одновременно на оба входа.

График, получаемый в режиме «ГИСТОГРАММА», представляет собой оценку плотности вероятности мгновенных значений исследуемого напряжения.

Режим «КОРРЕЛЯТОР» вызывается нажатием на клавишу 3, после чего на экране монитора ПК появляется окно с изображением

8

трех двухкоординатных систем в координатах «коэффициент корреляции – временной сдвиг τ», на двух из которых (слева) отображаются автокорреляционные функции (АКФ) напряжений, подаваемых на входы А и Б стенда, а на третьем (справа) – взаимокорреляционная функция ВКФ напряжений на входах А и Б стенда.

Графики АКФ и ВКФ строятся в диапазоне значений τ от минус

20 мс до плюс 20 мс. Осмысленные результаты программа выдает

только после хотя бы однократного нажатия на кнопку «Пуск», расположенную правее клавиши 4 на панели управления.

Уровень исследуемых напряжений на входах А и Б влияет на их нелинейные искажения.

Режим «ПОДСЧЕТ ОШИБОК» вызывается нажатием на клавишу 4. После этого на экране монитора ПК появляется окно, содержащее надписи:

-«Количество ошибок в символе»;

-«Количество ошибок в букве»;

-«Количество символов»;

-«Количество букв»;

-«Оценка вероятности ошибки в символе»;

-«Оценка вероятности ошибки в букве»;

Подсчет производится после нажатия на кнопку «Пуск». Длительность анализа зависит от заданных настроек с помощью окна «НАСТРОЙКИ» вызываемого шестой клавишей.

Время счета в секундах определяет интервал времени, в пределах которого производится подсчет ошибок. Для работы в режиме подсчета ошибок необходимо на входы А и Б подавать соответственно признаки (импульсы) ошибок в букве и символе. Число символов в букве равно 5.

4. ОПТИМАЛЬНЫЙ ПРИЕМ ДИСКРЕТНЫХ РАДИОСИГНАЛОВ

4.1. Постановка задачи оптимального приема известного сигнала

В настоящей лабораторной работе исследованию подлежат демодуляторы двоичных АМ- и ЧМ-радиосигналов, известных полностью. Это означает, что в точке приема сигналов, под которыми подразумеваются радиоимпульсы, соответствующие передаче двоичных «1» и «0» некоторой информационной последовательности, известны точно все их характеристики: длительности импульсов,