3026

Исследование согласованного фильтра дискретных сигналов известной формы

Лабораторная работа

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Цель работы. Экспериментальное исследование характеристик сложных дискретных сигналов и особенностей их приёма согласованным фильтром. Описание лабораторной установки. Лабораторная установка выполнена в виде программно управляемой модели на ПЭВМ в с...

Русский

2012-10-23

392 KB

140 чел.

Цель работы.

Экспериментальное исследование характеристик сложных дискретных сигналов и особенностей их приёма согласованным фильтром.

Описание лабораторной установки.

Лабораторная установка выполнена в виде программно управляемой модели на ПЭВМ в составе штатного оборудования (процессор, дисковод, дисплей, принтер). Краткое описание структурной схемы исследуемого оптимального (согласованного) фильтра, изображенного на рисунке 1, приводится ниже.

Рис.1

Импульсы последовательности Баркера (n=9), длительностью T=nи
поступают на линию задержки, имеющую отводы через каждые и , и далее через инвертирующие или не инвертирующие устройства (в соответствии с формой последовательности) на сумматор. Сигнал на выходе суммирующего
устройства после 2
n тактовых интервалов и имеет вид функции корреляции входной последовательности. Для обнаружения сигнала на выходе фильтра может устанавливаться решающее устройство (РУ), в котором сигнал на выходе сумматора сравнивается с пороговым уровнем и принимается решение о присутствии на входе фильтра (да) или отсутствии (нет) данной последовательности Баркера.

Лабораторное задание.

  1.  Ознакомиться с особенностями экспериментального исследования на ЭВМ приёма дискретных сигналов согласованным фильтром (СФ).
  2.  Исследовать связь между импульсной характеристикой СФ и видом сигнала, с которым он должен быть согласован.
  3.  Исследовать форму сигнала на выходе согласованного фильтра при подаче на его вход различных сигналов (согласованного и несогласованных с фильтром, в том числе и инвертированного).
  4.  Исследовать влияние искажения элементов входной дискретной последовательности на изменение формы сигнала на выходе СФ (основного пик-выброса и боковых выбросов).

Предварительная подготовка

1. Дайте определение узкополосных и широкополосных сигналов.

Узкополосный сигнал - сигнал, значение ширины спектра которого много меньше средней частоты. Сигналы для которых не выполняется условие узкополосности называются широкополосными

2. Что общего и в чём различие потенциальной помехоустойчивости узкополосных и широкополосных сигналов (ШПС)?

Известно, ЧМ обладает высокой помехоустойчивостью и обеспечивает высокое качество воспроизведения информации при условии, что отношение сигнал-помеха на входе выше порогового значения . При уменьшении  ниже порогового значения помехоустойчивость системы связи с ЧМ резко падает. Система связи с ШПС обеспечивает надежный прием информации и при .

 

3. Какие требования предъявляются к ШПС в практике их применения?

Важным параметром системы, использующей шумоподобные сигналы, является выигрыш при обработке. Выигрыш при обработке (ВО) показывает степень улучшения отношения сигнал/шум при преобразовании полученного приемником шумоподобного сигнала в требуемый информационный сигнал. Эта процедура получила название сжатия.

Чтобы быть использованными в ШПС системе, кодовые последовательности должны обладать определенными математическими и другими свойствами, основными из которых являются очень хорошие автокорреляционные и взаимокорреляционные свойства. Кроме того, кодовая последовательность должна быть хорошо сбалансирована, то есть число единиц и нулей в ней должно отличаться не более чем на один символ.

4. Какие методы формирования широкополосных сигналов вам известны и где они используются?

В системах для формирования широкополосных сигналов используются три метода:

- псевдослучайная перестройка рабочей частоты (ППРЧ). Суть метода заключается в периодическом скачкообразном изменении несущей частоты по некоторому алгоритму, известному приемнику и передатчику. Преимущество метода - простота реализации. Метод используется в Bluetooth;

- расширение спектра методом прямой последовательности (ПРС). Метод по эффективности превосходит ППРЧ, но сложнее в реализации. Суть метода заключается в повышении тактовой частоты модуляции, при этом каждому символу передаваемого сообщения ставится в соответствие некоторая достаточно длинная псевдослучайная последовательность (ПСП). Метод используется в таких системах как CDMA и системах стандарта IEEE 802.11;

- расширение спектра методом линейной частотной модуляции (ЛЧМ). Суть метода заключается в перестройке несущей частоты по линейному закону. Метод используется в радиолокации.

5. Приведите структурную схему системы передачи информации с ШПС?

Широкополосные системы связи с ШПС в зависимости от назначения, тактико-технических характеристик, базы ШПС, элементной базы могут быть построены по различным схемам. Приведём структурные схемы передатчика и приемника цифровой системы связи с  фазоманипулированным (ФМ) сигналом, предназначенные для передачи дискретных сообщений.

В передатчике от источника информации ИИ последовательность двоичных 1 и 0 поступает на вход фазового модулятора ФМ. На второй вход ФМ поступает ФМ сигнал от генератора ФМ сигнала ГФМ. ФМ сигнал имеет длительность Т и представляет последовательность видеоимпульсов 1 и 0. Работой ГФМ управляет синхронизатор С, который формирует необходимые сигналы управления и частоты. Последовательность ШПС в виде ФМ сигналов, переносящая информационные символы, поступает в модулятор Мод, где осуществляется модуляция колебания с несущей частотой ФМ сигналом. Колебание с несущей частотой создается генератором низкой частоты ГНЧ. Усилитель мощности УМ усиливает ФМ сигнал и подает в антенно-фидерный тракт.

В приемнике сигнал проходит через смеситель См, переносится с помощью гетеродина Г на промежуточную частоту, усиливается в усилителе промежуточной частоты УПЧ и обрабатывается согласованным фильтром СФ. Сигнал с выхода СФ поступает на синхронизатор С и решающее устройство РУ.

6. Какой фильтр дискретных сигналов является оптимальным при белом гауссовском шуме? Почему он также называется согласованным?

Если шум - нормальный белый шум (т. е. шум представляет собой эргодический случайный процесс с гауссовым распределением и равномерной спектральной плотностью мощности); то оптимальным линейным фильтром является и согласованный линейный фильтр, и коррелятор. В стационарных системах в качестве оптимальных линейных фильтров чаще используют коррелятор, поскольку время наблюдения велико.

7. Какой вид имеет импульсная и амплитудно-частотная характеристики

оптимального фильтра дискретных сигналов?

Амплитудно-частотная характеристика оптимального фильтра:

;

Импульсная характеристика оптимального фильтра:

;

8. Какую форму имеет сигнальная составляющая на выходе согласованного фильтра?

;

;

;

- определяют рассогласование между истинным запаздыванием сигнала и его ожиданием.

9. Как построить согласованный фильтр для последовательности прямоугольных импульсов?

Может быть построен по следующей схеме:

11. Опишите свойства дискретных последовательностей Баркера и n-последовательностей максимальной длины регистра сдвига.

Код Баркера обладает наилучшими среди известных псевдослучайных последовательностей свойствами шумоподобности, что и обусловило его широкое применение. Для передачи единичного и нулевого символов сообщения используются соответственно прямая и инверсная последовательности Баркера.

Одними из наиболее известных фазоманипулированных сигналов являются сигналы, кодовые последовательности которых имеют максимальную длину или n-последовательности. Для построения n -последовательностей обычно используют регистры сдвига или элементы задержки заданной длины. Длина n -последовательности равна , где  - число разрядов регистра сдвига. Различные варианты подключения выходов разрядов к цепи обратной связи дают некоторый набор последовательностей.

АКФ М-последовательности равна -1 для всех значений задержки, кроме области 0±1, где ее значение меняется от -1 до 2N-1. Кроме того, М-последовательности обладают еще одним интересным свойством: в каждой из них единиц на одну больше, чем нулей.

Выполнение работы.

1. Исследовать связь между импульсной характеристикой согласованного фильтра и видом сигнала, с которым он должен быть согласован.

Заданный сигнал ( для №4) :

s(t)=+1,+1,+1,-1,-1,+1,-1

Для выбранной последовательности S(t) найдём требуемую импульсную характеристику g(t) фильтра, который должен быть согласован с S(t). Функция g(t) является зеркальным отображением сигнала S(t), т.е.

g(t)=-1,+1,-1,-1,+1,+1,+1

Получим график S(t)


Получим график g(t):

Из графиков видно, что импульсная характеристика является зеркальным отображением сигнала S(t).

2. Исследовать форму сигнала на выходе согласованного фильтра при вводе сигнала, с которым он согласован.

Для этого предварительно рассчитаем временную функцию ожидаемого сигнала на выходе фильтра y(t) в виде последовательности значений для дискретных моментов времени tk = k×tи, где –n £ k £ n. Pасчёт у(k×tи) основан на том, что напряжение на выходе СФ представляет собой по форме корреляционную функцию входного сигнала. Для корреляционной функции дискретного сигнала общего вида применима формула

,      

здесь n указывает количество элементов, на которое осуществляется сдвиг
(
n – целое число, положительное, отрицательное или нуль), так как важнейшей операцией при корреляционной обработке дискретных сигналов с использованием согласованного фильтра является поэлементный сдвиг такого сигнала. При n>0 сигнал сдвигается вправо, а при n<0 сигнал  сдвигается влево. По выше указанной формуле получим:

y(0) = 7,   y(1) = 0,   y(2) = -1,  y (3) =0,  y (4) = -1,  y (5) = 0,  y (6) = -1,  

y(7) = 0.

Аналогично составляем последовательность значений и для n < 0, т.е. находим y(-n). Получим:

y (-1) = 0,    y (-2) = -1,   y(-3) = 0,  y (-4) =-1,   y(-5) = 0,  y(-6) = -1,   y (-7) = 0.    

Введём полученные значения с клавиатуры по запросу ЭВМ в следующем порядке: 0,-1,0,-1,0,-1,0,7,0,-1,0,-1,0,-1,0.

 

На выходе согласованного фильтра получаем под действием сигнала функцию корреляции сигнала, которая имеет значительный максимум (пик).

3. Исследовать форму сигнала на выходе согласованного фильтра при вводе различных сигналов, с которыми фильтр не согласован, в том числе и сигнала, инвертированного по отношению к S(t).

При вводе сигнала, с которым фильтр не согласован (отличается от используемой последовательности S(t) одним элементом), на выходе получаем сигнал с меньшим максимумом и разным уровнем боковых выбросов (уровень бокового выброса увеличился).

Получим сигнал с отсутствующим пиком и сильно увеличенным уровнем бокового выброса.

Изменим в последовательности S(t) 3 элемента:

При изменении 3 элементов , а это больше половины входного сигнала , мы получаем очень сильно искаженный сигнал на выходе.

Введём сигнал, инвертированный по отношению к S(t):

На выходе получим сигнал, зеркально отражённый от первого.

Вывод.

Сложные сигналы должны удовлетворять ряду требований для достижения наибольшей достоверности их приёма, одним из которых является следующее: корреляционная функция должна содержать значительный максимум (пик).Изменение полярности элемента дискретного сигнала (влияние помехи) приводит к изменению (деформации) корреляционной функции – уменьшению основного пик-выброса, увеличению боковых выбросов и, следовательно, к снижению помехоустойчивости приёма.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

30391. Локальная цивилизация Древнего Египта: развитие и основные достижения 35.11 KB
  Локальная цивилизация Древнего Египта: развитие и основные достижения Эффективное использование благ Нила было невозможно без коллективного и организованного труда всех живущих в его долине. Моноотраслевая экономика экстенсивное развитие ирригационная система земледелия экономически оправданное рабство труд рабов использовался круглый год; труд на ограниченном легко контролируемом пространстве Политика. Южное направление экспансия рабы полезные ископаемые развитие ирригации. Северное направление поддержка и развитие торговых...
30392. Локальная цивилизация Древнего Шумера: развитие и основные достижения 40.75 KB
  На основе этих технологий шумеры пытаются продолжать вести хозяйство на новых землях и строят системы осушения почвы. Обслуживание ирригационной системы неизбежно привело к распространению рабского труда. Аккат Саргон Основные направления политики Саргона и его династии: создание единой ирригационной системы; поддержание постоянной армии 5400 чел. Ирригационные системы шумеров были сложнее египетских но культурных сооружений они оставили меньше.
30393. Локальная цивилизация Древнего Китая: развитие и основные достижения 35.86 KB
  Появление городской цивилизации Шан 1812 вв. В квазигосударстве Шан зарождалась пиктографическая письменность картинки. Основу культовой практики Шан составляло представление о переселении душ. союз племен Чжоу захватывает государство Шан.
30394. Локальная цивилизация Древней Персии (империя Ахеменидов): развитие и основные достижения 34.36 KB
  Рабы участвовали в экономике имели экономическую свободу так как раба не выгодно было иметь лучше продать больше продукции чем кормить его. Знать освобождается от налогов; региональная элита осуществляет экономическое управление в своей области сатрапии; кастовое общество но все социальные группы получают широкую экономическую самостоятельность; поскольку все социальные группы вовлечены в торговлю во внутреннем рынке они вынуждены пользоваться единой денежной системой и становятся зависимы от центральной власти; восточную деспотию в...
30395. Основные особенности и достижения глобальной античной цивилизации 31.46 KB
  Преобладало мелкое хозяйство крестьян и ремесленников в Римской империи создавались крупные рабовладельческие латифундии ремесленные производства. Возникают мировые империи но они недолговечны и быстро распадаются. Наиболее прочная Римская империи политическое и экономическое верховенство центраметрополии над провинциями устойчивые торговые связи смешение культур.
30396. Локальная цивилизация Древней Греции: развитие и основные достижения 32.34 KB
  Олигархия признак знатности богатство Общее между тремя формами правления коллегиальный принцип принятия решений на основе консенсуса т. демократический принцип правления. Многоотраслевая экономика; переработка с х продукции масло вино; разные формы правления тирания демократия аристократия олигархия; мифологическое сознание; развитие теоретических наук; человек объект культуры гелиоцентризм атомарная теория; всеобщее образование.
30397. Основные достижения и цивилизационное значение империи Александра Македонского 36.08 KB
  Основные достижения и цивилизационное значение империи Александра Македонского На фоне упадка грекоримской и персидской цивилизаций на роль регионального лидера начинает претендовать Македония. Задача создания единой экономической системы империи не ставилась: усилие по созданию единой нации; создание единого культа обожествления Александра Македонского. Создание империи Александра Македонского можно считать не вторым подъемом античной цивилизации а завершением ее первого кризиса. Именно политика Македонского заложила основы т.
30398. Эллинистические государства: основные достижения и цивилизационное значение 44.48 KB
  Самоуправляемые гражданские общины эпохи эллинизма. Сельские общины внутренним самоуправлением народное собрание общественный земельный фонд взносы на нужды общины; земледельцы личносвободные свобода передвижения. Земли храмов стали постепенно раздаваться в аренду членам общины. Поэтому гражданские общины активно поддерживали римскую империю когда та завоевывала ослабевшие эллинистические государства.
30399. Римская республика: основные особенности и достижения 40.7 KB
  Госаппарат: Сенат патриции куриатные коммиции затем всадники и плебеи центуриатные коммиции магистратуры цензор консулы административное военное управление квестор суд казна преторы административное управление суд эдилы муниципальное управление. Культура приобретает прикладной характер который определялся необходимостью контроля и упорядочивания духовной жизни людей; управление духовным миром.