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

103 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

73955. Геодезические работы при детальной разбивке закруглений и закрепление на местности осей сооружения 2.23 MB
  Закрепление на местности осей здания или сооружения. Выбор вида закрепления осей на местности определяется характеристикой объекта строительства и классом его точности. Закрепление осей обноской Обноска – специальное приспособление ограждение применяемое на строительной площадке при выносе осей сооружения и их закрепления.
73956. Геодезические работы при строительстве зданий, сооружений 1.43 MB
  Геодезические работы при сооружении котлованов Задача геодезиста: Разметка планового контура котлована плановая разбивка; Контроль глубины отрывки котлована высотная разбивка; Исходные документы: разбивочный чертёж как вариант; план топографической съёмки масштаба
73957. Топографический план (карта) и решаемые по ним задачи 1.79 MB
  Системы координат в инженерной геодезии. В России топографические планы и карты строят в ортогональной равноугольной поперечно-цилиндрической проекции и соответствующей ей системе плоских прямоугольных координат Гаусса Крюгера Г К. Топографические съемки в крупных масштабах на участках площадью менее 20 км2 выполняются как правило в частных системах прямоугольных координат. Разграфка листов планов в этих случаях производится не меридианами и параллелями а линиями координатной сетки.
73958. Угловые измерения 1.26 MB
  Классификация теодолитов и особенности устройства ЭОП теодолитов-тахеометров Измерение горизонтальных и вертикальных углов. Принцип измерения горизонтальных и вертикальных углов Угловые измерения занимают составляют основу геодезических измерений на местности. Измерения вертикальных углов.
73960. Геодезическая опорная сеть 824 KB
  Совокупность этих пунктов составляет опорную геодезическую сеть.1 Назначение государственной геодезической сети Государственная геодезическая сеть далее ГГС представляет собой совокупность геодезических пунктов расположенных равномерно по всей территории и закрепленных на местности специальными центрами обеспечивающими их сохранность и устойчивость в плане и по высоте в течение длительного времени. Координаты ее пунктов определены по доплеровским фотографическим дальномерным радиотехническим и лазерным наблюдениям искусственных...
73961. Поверки и юстировки теодолита 1.05 MB
  Каждый теодолит должен отвечать определенным оптико-механическим и геометрическим условиям, вытекающим из схемы измерения горизонтальных и вертикальных углов.
73962. Линейные измерения 1.19 MB
  Линейные измерения. Линейные измерения непосредственным способом. Линейные измерения косвенным способом Вводная часть. Способы измерений: непосредственный косвенный Выбор способа зависит от: условий измерения вида геодезических работ требуемой точности.
73963. Теодолитная съемка 1.12 MB
  Ломанная линия точки поворота которой закреплены на местности временными знаками деревянными колышками между которыми измерены расстояния и горизонтальные углы. Виды ходов: по точности теодолитные ходы подразделяются на разряды ходы 1 разряда с относительной погрешностью не ниже...