Разработка лабораторных работ по курсу "Математические и машинные модели сигналов и систем передач"

Доклад

Целью данного дипломного проекта является разработка лабораторных работ по курсу «Математические и машинные модели сигналов и систем передач», и разработка методических указаний для их выполнения.

Реализация лабораторных работ в виде макета в настоящее время сильно затруднена или невозможна. Поэтому было принято решение реализовать лабораторные работы с помощью программ схемотехнического моделирования.

В нашем распоряжении было несколько вариантов схемотехнических программ например как:

PSpice – позволяет моделировать как аналоговые, цифровые так и смешанных устройств.

OrCad 9.2 - интегрированный программный комплекс, для проектирования аналоговых, цифровых и смешанных аналого-цифровых устройств, синтеза устройств программируемой логики и аналоговых фильтров.

Electronics Workbench 5 – в отличие от других программ схемотехнического моделирования на экране изображаются измерительные приборы с органами управления, максимально приближенные к реальности.

Так как лабораторные работы будут изучаться студентами, мы выбрали МС 7 потому что она является наиболее простой в управлении, освоении, более удобное графическое оформление, по сравнению с другими программами схемотехнического моделирования. Имеет широкую базу компонентов и возможность ее расширения. Использует возможности Windows что позволяет работать с другими программными продуктами например как MS Word, Adobe Photoshop, ACDSee и множество других.

В соответствии с техническим заданием необходимо разработать структурные и принципиальные схемы моделирования оптимальных устройств обработки дискретных сигналов. Синтез этих устройств, приводит к двум эквивалентным вариантам реализации:

- Устройство обработки на основании корреляционного приемника;

- Устройство обработки на основании согласованных фильтров.

Основная цель заключается не в воспроизведении формы сигнала, а в наличии надежной фиксации факта наличия того или другого сигнала в принятом колебании.

Краткие сведения о корреляционном приемнике и согласованном фильтре

 Корреляционный приемник

Если прием осуществляется на фоне аддитивного гаусовского шума и полезны сигнал имеет лишь один неизвестный параметр , а все остальные параметры его точно известны, то наиболее существенная операция, которую необходимо выполнить над принятым колебанием  для получения апостериорной вероятности параметра , состоит в вычислении интеграла  Приемник, реализующий эту операцию, был назван корреляционным (рисунок 1), т.е. он определяет взаимокорреляционную функцию  между принятым колебанием  и полезным сигналом.

Функция , получаемая на выходе корреляционного приемника, представляет собой «автокорреляционную функцию» полезного входного сигнала, и ее можно назвать выходным сигналом или сигнальной функцией. Если в принятом колебании  полезный сигнал  отсутствует, то сигнальная функция равна нулю. Функция , воспроизводимая на выходе приемника и обусловленная шумом, есть «взаимокорреляционная функция» между шумом и входным полезным сигналом; ее можно назвать выходным шумом  или шумовой функцией.

Существенное различие между сигнальной и шумовой функциями состоит в том, что первая при каждом фиксированном значении  является детерминированной, а вторая – случайной. Говоря о случайном характере шумовой функции , имеем в виду, что даже при детерминированном сигнале  будет различным для разных реализаций.

В то время как в принятом колебании  сигнал  и белый шум  существенно различаются по характеру изменения во времени, сигнал  и шум  на выходе корреляционнго приемника становятся подобными друг другу. Иначе говоря, корреляционный приемник устраняет существенное различие во временном поведении сигнала и шума.

Не следует думать, что «выравнивание» временных структур сигнальной и шумовой функции затрудняет обнаружение сигнала и определение истинного значения его параметра . Наоборот, операция образования взаимокорреляционной функции обеспечивает по сравнению с другими возможными методами обработки принятого колебания максимальное отношение сигнал – шум.

Описание схемы

Данная схема состоит из перемножителя, интегратора и порогового устройства. На первый вход перемножителя поступает принимаемое информационное колебание, которое по мере распространения подверглось искажениям, а на второй вход поступает известный информационный сигнал без искажений. Далее происходит вычисление корреляционного интеграла и результат поступает на пороговое устройство которое в зависимости от вычисления интеграла принимает решение какой сигнал был передан S1 или S2.

Согласованный фильтр

Согласованный фильтр – линейный фильтр, на выходе которого получается максимально возможное пиковое отношение сигнал – шум при приеме полностью известного сигнала на фоне гаусовского белого шума.

Совпадение формы амплитудно-частотной характеристики фильтра с амплитудно-частотным спектром сигнала обеспечивает наилучшее выделение наиболее интенсивных участков спектра сигнала. Слабые участки спектра сигнала фильтр ослабляет; в противном случае наряду с ними проходили бы интенсивные шумы.

Сигнал на выходе согласованного фильтра определяется только амплитудно-частотным спектром входного сигнала и не зависит от его фазо-частотного спектра. Последнее объясняется тем, что взаимные фазовые сдвиги спектральных составляющих входного сигнала  компенсируются фазо-частотной характеристикой фильтра. Поэтому все гармонические составляющие одновременно достигают амплитудных значений в момент времени  и, складываясь, дают пик выходного сигнала. Если бы фазо-частотная характеристика фильтра не компенсировала фазовых сдвигов спектральных составляющих входного сигнала, то максимумы гармонических составляющих не совпадали бы во времени, что привело бы к уменьшению или раздроблению пика выходного сигнала.

Согласованный фильтр в принципе выполняет ту же операцию, что и корреляционный приемник; в этом смысле они эквивалентны. Вопрос о применении корреляционного приемника или согласованного фильтра в каждом конкретном случае решается в зависимости  от простоты технической реализации.

Описание схемы

В ее состав входят два фильтра характеристики которых согласованы с вариантами передачи сигналов.

На вход поступает принятый сигнал, фильтры производят анализ принятой информации (сигнал «0» или «1» может быть передан различной частотой, в разной фазе) и передает на схему сравнения, которая принимает решение какой сигнал был передан S1 или S2.

Корреляционный приемник Micro-Cap

В ходе дипломного проектирования была разработана принципиальная схема реализации корреляционного приемника с помощью программы Micro-Cap 7.0, которая показана на рисунке 3.

Описание схемы.

Источником шума (Х1) служит генератор кусочно-линейного сигнала на основе датчика случайных чисел. Далее на сумматоре (Х2) происходит сложение сигналов от источника шума и от батареи (V0), для исключение постоянной составляющей. Путем изменения ко­эффициента усиления усилителя (Х3) изменяется уровень шума, подаваемого на корреляционном приемнике, что дает возможность изменять величину отношения сигнал/шум на входе приемника. Далее на сумматоре (Х4) происходит ввод шума в полезный сигнал, т.е. создаем реальную модель сигнала подвергшемуся искажениям по мере распространения. На второй вход перемножителя (Х5) поступает опорныйсигнал, их произведение поступает на интегратор (Х6).

Генератором сигнала в схеме с ФМ является генератор (U3), который задает входную последовательность.  Схема (Х5) (PSK) производит непосредственную фазовую манипуляцию, на выходе имеем модель фазоманипулированного принимаемого сигнала, которая подается на вход перемножителя схемы коррелятора. 

На рисунке 4 показаны временный диаграммы полезного сигнала, сигнала подверженный шумам, результат вычисления корреляционного интеграла.

Согласованный фильтр Micro-Cap

На рисунке 5 показана разработанная схема для реализации устройства обработки на основе согласованного фильтра. Она представляет из себя МЛЗ, в определенных отводах стоят фазовращатели, их положение определяется наличием «-1» в кодовой последовательности.

Описание схемы

На вход фильтра подается фазоманипулированный сигнал, изменяя фазу  (0; p) радиан, т.е. это, соответствует случаю, когда передается последовательность из «1» и «-1».

Фазоманипулированный сигнал (-11-111-11-1) подается на вход многоотводной линии задержки (МЛЗ), количество отводов которой (начиная с начала линии) зависит от числа символов в периоде последовательности (N), в данном случае N=8, а само число элементов линий задержки определяется как «N-1». В момент времени , когда сигнал полностью записан в линию, на соответствующих отводах присутствуют элементы сигнала с различными значениями фазы. Фазовращатели (А1-А4) в данном случае они выполнены на усилителях с коэффициентом усиления, равным -1.  Их задача состоит в том что, они меняют фазу в отводах на определенном такте принятой последовательности, что дает в момент суммирования, все элементы сигнала на входе сумматора будут находиться в одной фазе и результирующее напряжение на выходе равно сумме амплитуд напряжений всех N элементов сигнала. Это суммарное напряжение дает основной выброс. В остальное время условие синфазности суммируемых напряжений с отводов не выполняется и напряжение на выходе сумматора, определяющее АКФ сигнала, меньше, чем в момент . Напряжения на отводах, обусловленные действием помех, имея случайные сочетания, складываются по мощности.

Методические указания

На рисунке 7 показан алгоритм выполнения лабораторной работы.

Указанный алгоритм достаточно понятно описан методических указаниях, которые делятся на этапы выполнения. В каждом этапе доступно пояснено, что должен студент сделать при выполнении лабораторной работы и успешной ее защиты, так же приведен список литературы, который поможет ему лучше разобраться в устройстве изучения и при защите.

Также в дипломном проекте рассмотрены оценка экономических показателей программного обеспечения и безопасность жизнедеятельности.