98709

Проектирование системы обнаружения многопозиционного сигнала Баркера

Курсовая

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Далее высокочастотный сигнал поступает в радиоканал 3, содержащий передающую и приемную антенны и среду распространения радиоволн, в которой действуют различные источники как естественных, так и индустриальных радиопомех. Из приемной антенны ВЧ-сигнал поступает в усилитель высокой частоты (УВЧ) и демодулятор 4.

Русский

2015-11-06

396.39 KB

11 чел.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО

ОБРАЗОВАНИЯ

«САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АЭРОКОСМИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ АКАДЕМИКА С.П. КОРОЛЕВА

(НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)»

(СГАУ)
Институт электроники и приборостроения
Кафедра Радиотехники



ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовой работе на тему

«Проектирование системы обнаружения многопозиционного сигнала Баркера»

                                                                 

Выполнил:
Проверил: Бочкарёв В.А.

Самара 2015


ЗАДАНИЕ

Разработать систему обнаружения сигнала Баркера.

Исходные данные:

Число позиций кода Баркера: N=11

Код Баркера: 1 1 1 -1 -1 -1 1 -1 -1 1 -1

Длительность одной позиции:

Амплитуда несущего колебания:

Вид модуляции: ЧМн

Несущая частота:

Разнос частот:

Тип решающего устройства: Триггер Шмитта

РЕФЕРАТ

Пояснительная записка 22 с, 24 рисунка, 1 источник.

СИГНАЛ БАРКЕРА, МОДУЛЯТОР, КАНАЛ СВЯЗИ С ШУМОМ, УСИЛИТЕЛЬ ВЫСОКОЙ ЧАСТОТЫ, ДЕМОДУЛЯТОР, СОГЛАСОВАННЫЙ ФИЛЬТР, РЕШАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО, АВТОКОРРЕЛЯЦИОННАЯ ФУНКЦИЯ, ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЛАПЛАСА, ПЕРЕДАТОЧНАЯ ФУНКЦИЯ, CAPTURE, PSPICE.

Цель работы - приобретение первого опыта самостоятельной разработки радиотехнической системы с помощью пакета OrCAD на примере системы обнаружения многопозиционного сигнала на фоне гауссовского шума.

СОДЕРЖАНИЕ

Задание…………………………………………………………………….2

Реферат…………………………………………………………………….3

Введение…………………………………………………………………...5

1 Анализ многопозиционного сигнала…………………..........................7

2 Формирование модулированного колебания………………………...11

3 Моделирование шумового воздействия на передаваемый сигнал………………………………………………………………..……13

4 Детектирование модулированного колебания………........................15

5 Проектирование и анализ согласованного фильтра............................17

6 Проектирование и анализ решающего устройства….........................20

                             Заключение………………………………………………………………21

Список использованных источников…………………………………..22

ВВЕДЕНИЕ

Настоящая курсовая работа завершает изучение дисциплины «Основы компьютерного проектирования и моделирования РЭС». Цель проектирования – приобретение первого опыта самостоятельной разработки радиотехнической системы с помощью пакета программ OrCAD на примере системы обнаружения многопозиционного сигнала на фоне гауссовского шума (рисунок 1):

Рисунок 1 - Принципиальная схема обнаружителя радиосигналов

1  ̶  Генератор многопозиционного кода Баркера

2  ̶  Модулятор

3  ̶  Канал связи с шумом

4  ̶  УВЧ и демодулятор

5  ̶  Согласованный фильтр

6  ̶  Решающее устройство

Генератор сигнала 1 формирует n-позиционный сигнал (код Баркера и т.п.), который поступает на вход модулятора 2, где осуществляется манипуляция несущей по частоте (ЧМн). Далее высокочастотный сигнал поступает в радиоканал 3, содержащий передающую и приемную антенны и среду распространения радиоволн, в которой действуют различные источники как естественных, так и индустриальных радиопомех. Из приемной антенны ВЧ-сигнал поступает в усилитель высокой частоты (УВЧ) и демодулятор 4. Согласованный фильтр (СФ) 5 обеспечивает подавление шума (максимизирует отношение сигнал/шум в момент окончания входного сигнала). Решающее устройство 6 срабатывает при превышении заданного порогового уровня Uпор сигналом с выхода СФ и формирует короткий прямоугольный импульс. Наличие этого импульса ("1") на выходе решающего устройства (РУ) свидетельствует об обнаружении сигнала.

1 АНАЛИЗ МНОГОПОЗИЦИОННОГО СИГНАЛА

Построим сигнал Баркера в пакете Mathcad 15, используя исходные данные и покажем его на рисунке 2:

Рисунок 2 – 11-ти позиционный сигнал Баркера

Построим график автокорреляционной функции в пакете Excel:

Рисунок 3 – График автокорреляционной функции 11-ти позиционного сигнала Баркера

Окончательное выражение преобразования Лапласа U(s) для 11-типозиционного сигнала Баркера имеет вид:

Принципиальная схема генератора сигнала Баркера представлена на рисунке 6:

Рисунок 4 – Принципиальная схема генератора сигнала Баркера

Представим результаты моделирования в программе OrCAD-PSpice на рисунках ниже:

Рисунок 5 – Формирование 11-типозиционного сигнала Баркера

Рисунок 6 – 11-типозиционный сигнал Баркера и его спектр

2 ФОРМИРОВАНИЕ МОДУЛИРОВАННОГО КОЛЕБАНИЯ

Для передачи многопозиционных сигналов по радиоканалу используются дискретные виды модуляции, когда амплитуда, фаза или частота высокочастотной синусоидальной несущей меняется скачком под воздействием модулирующего сигнала u(t), т.е. имеют место, соответственно, амплитудная манипуляция (АМн), фазовая манипуляция (ФМн) и частотная манипуляция (ЧМн).

Наиболее распространённая схема частотного манипулятора, приведённая на рисунке 7, содержит два независимых генератора несущих колебаний ГН1 и ГН2 с амплитудой 10 В и частотами и  соответственно. В схему также входят управляемые ключи УК1 и генератор сигнала Баркера ГСБ (модулирующее колебание u(t)) и суммирующее сопротивление. Под управлением модулирующего сигнала u(t) на выход схемы попеременно поступают синусоидальные колебания  (при u(t)≥1 В) и   (при u(t)< -1В). Так формируется ЧМн-колебание

Рисунок 7 – Принципиальная схема частотного манипулятора

Представим результаты моделирования в программе OrCAD-PSpice на рисунках ниже:

Рисунок 8 - Напряжения в модуляторе (ГНЧ1, ГНЧ2, входное и выходное).

Рисунок 9 -  Спектры напряжений в модуляторе (входное, ГНЧ1, ГНЧ2, выходное).

3 МОДЕЛИРОВАНИЕ ШУМОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА  ПЕРЕДАВАЕМЫЙ СИГНАЛ

При прохождении сигнала в среде распространения на него накладываются случайные шумы. В результате обнаружение факта присутствия полезного сигнала по наблюдаемой на входе приемной части смеси сигнал-шум затруднено.

Входное, выходное напряжения и напряжение помех в схеме имитатора канала с шумом, а также их спектры показаны на рисунках 11 и 12 соответственно. 

Шум, действующий в канале связи, обычно распределен по закону Гаусса (нормальному закону). Кроме того, ширина спектральной области, занимаемая шумом, значительно превосхо-дит ширину спектра полезного сигнала. С учетом этих факторов сигнал на выходе имитатора канала связи с шумом Chanl представим в следующем виде

где (t) –сигнал с выхода модулятора,

n(t) –высокочастотный нормальный случайный процесс (шум).

Шумовой процесс n(t), в свою очередь, можно разложить на сумму двух высокочастотных составляющих

Здесь и низкочастотные некоррелированные нормальные случайные процессы,

– центральная частота спектра шума n(t).

Таким образом, формирование смеси x(t) полезного сигнала и шума можно реализовать с помощью следующей схемы, спроектированной в OrCAD Capture в блоке Channel, показанной на рисунке 10:

Рисунок 10 – Принципиальная схема имитатора канала связи с шумом

Рисунок 11 -  Временные диаграммы имитатора канала с шумом

Рисунок 12 - Спектры указанных напряжений в имитаторе канала с шумом

4 ДЕТЕКТИРОВАНИЕ МОДУЛИРОВАННОГО КОЛЕБАНИЯ

ЧМн-демодулятор показанный на рисунке 10 содержит два полосовых фильтра ПФ1 и ПФ2, настроенных на частоты манипуляции F1=f0 и F2=f0+DF, соответственно; две нелинейные цепи НЦ1 и НЦ2, вычитающее устройство ВУ и фильтр нижних частот ФНЧ.

Фактически данная схема представляет собой параллельное включение двух амплитудных детекторов с вычитанием их выходных сигналов.

Рисунок 13 - Структурная схема демодулятора

Точная настройка полосовых фильтров производится с помощью приложения  PSpice Advanced Analysis по методу наискорейшего спуска. Целью этого метода является нахождение минимального значения целевой функции, нахождение производиться с помощью вычисления градиента в направлении максимального убывания функции. Достигая минимума, вычисляется другой градиент в аналогичном направлении, и ортогонально предыдущему. Расчет оканчивается, когда вычисляется значение, равное некоторой положительной константе, заданной из условия.
АЧХ полосового фильтра после настройки показана на рисунке 14:

Рисунок 14 - АЧХ полосового фильтра после настройки

Принципиальная схема демодулятора  представлена на рисунке 15:

Рисунок 15 – Принципиальная схема демодулятора

Временные диаграммы напряжений на выходах ПФ1, ПФ2, ВУ и ФНЧ, а также их спектры представлены на рисунках 16 и 17 соответственно:

Рисунок 16 - Напряжения в демодуляторе (ПФ1, ПФ2, ВУ, ФНЧ)

Рисунок 17 - Спектры напряжений на выходах ПФ1, ПФ2, ВУ и ФНЧ

5 ПРОЕКТИРОВАНИЕ И АНАЛИЗ СОГЛАСОВАННОГО ФИЛЬТРА

Согласованный (оптимальный) фильтр максимизирует отношение сигнал/шум на своём выходе. Структура СФ в общем случае определяется сигналом Баркера u(t) и вероятностными характеристиками шума n(t). Так, если на входе СФ действует аддитивная смесь: x(t)=u(t)+n(t), t[0,T], где n(t) - гауссовский белый шум, то комплексный коэффициент передачи G(jω) и импульсная характеристика g(t) фильтра имеют вид:

G(jω)=kU*(jω)е(-jωt0) 

g(t)=ku(t0-t)

Здесь U*(jω) - комплексно-сопряженная спектральная плотность сигнала u(t);

k -коэффициент усиления СФ, задаваемый произвольно;

t0 -временная задержка фильтра, определяемая из условия физической реализуемости:

g(t)=0, t<0

Последнее условие означает, что отклик фильтра на произвольное входное воздействие не может появиться раньше этого воздействия. Обычно выбирают t0=Т=Nτ - длительность сигнала u(t). Рассмотрим некоторые свойства CФ.

В общем виде структурная схема согласованного фильтра представлена на рисунке 18:

Рисунок 18 - Структурная схема СФ

Принципиальная схема согласованного фильтра представлена на рисунке 19:

Рисунок 19 – Принципиальная схема согласованного фильтра

Временные диаграммы и спектры напряжений на входе и выходе согласованного фильтра представлены на рисунках 20 и 21 соответственно:

Рисунок 20 -  Выходное и входное напряжения в согласованном

фильтре

Рисунок 21 - Спектр напряжений в согласованном фильтре (входное,  выходное)

Входной и выходной сигналы согласованного фильтра в тестовом режиме представлены на рисунке 22:

Рисунок 22 – Выходной и входной сигнал согласованного фильтра в тестовом режиме

6 ПРОЕКТИРОВАНИЕ И АНАЛИЗ РЕШАЮЩЕГО УСТРОЙСТВА

Решающее устройство, схема которого приведена на рисунке 23, предназначено для формирования импульса прямоугольной формы в момент, когда напряжение с выхода СФ превысит порог срабатывания компаратора. Факт наличия прямоугольного импульса на выходе РУ свидетельствует об обнаружении сигнала. Временные диаграммы и гистерезисная зависимость выходного напряжения от входного приведены на рисунке 24.

Рисунок 23 – Принципиальная схема решающего устройства

Рисунок 24 – временные диаграммы на входе и выходе РУ, а также гистерезисная зависимость выходного напряжения от входного

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе выполнения данной курсовой работы я приобрел опыт в самостоятельной разработке радиотехнической системы в пакете программы Orcad Capture на примере системы обнаружения многопозиционного сигнала Баркера на фоне гауссовского шума. Научился создавать блочную структуру проектирования, проводить анализ схем с помощью Pspice, производить оптимизацию параметров.

 

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1) Бочкарев В.А. Методические указания к курсовой работе по дисциплине «Основы компьютерного проектирования и моделирования РЭС», СГАУ, 2015.- 32с.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

31445. Пространство и время - формы существования материи. Развитие представлений о пространстве и времени в истории философской и научной мысли. Проблема взаимосвязи категорий «материя», «движение», «пространство» и «время». Значение теории относительности для 28.5 KB
  Развитие представлений о пространстве и времени в истории философской и научной мысли. В истории философии сложилось 2 концепции пространства и времени 1 В античности Демокрит и Эпикур. Именно матери определяет свойства пространства и времени. Свойства пространства и времени: общие и частные.
31446. Диалектика и её альтернативы (метафизика и релятивизм, эклектика) Объективная и субъективная диалектика. Диалектика как метод научного познания и как система знаний (общая характеристика). Принцип диалектики и их взаимосвязь 35 KB
  Диалектика и её альтернативы метафизика и релятивизм эклектика Объективная и субъективная диалектика. Диалектика как метод научного познания и как система знаний общая характеристика. Диалектика учение о всеобщих разнообразиях всеобщих взаимосвязях объект Диалектика искусство вести беседу суб Диалектика как метод используется как обобщенное систематизированное знание используемое в практике нового исследования. Диалектикасистема принципов категорий и законов которыми руководствуется человек в своей познавательной и...
31447. Категории диалектики. «Единичное», «особенное», «всеобщее» 25.5 KB
  Единичное особенное всеобщее. Например единичное и общее. Группы: категории предметные 2категории отношения единичное и всеобщее служебная категория – особенное. Единичное – отдельный обладающий индивидуальной качественной и количественной определенностью предмет ограниченный в пространстве и во времен от других предметов.
31448. Категории диалектики. «Вещь», «свойство», «отношение». «Часть» и «целое» 26.5 KB
  У каждой науки есть свои категории. Философские категории это предельно общие универсальные понятия отражающих взаимосвязь всех предметов действительности. Философские категории строятся парами они противостоят друг ругу но не могут существовать друг без друга.
31449. Категории диалектики. «Система» - «структура» - «элемент». Принцип системности в научном познании 30.5 KB
  Система структура элемент. Группы: категории предметные 2категории отношения СИСТЕМА СТРУКТУРА ЭЛЕМЕНТ Элемент – относительно самостоятельная качественноопределенная составная часть сложного целого. Далеко не любая часть вещи – её элемент а только самая простая неделимая далее. Элемент позволяет в каждой системе обозначить относит её границы т.
31450. Категории диалектики. «Содержание» и «форма». Формализм 27 KB
  Содержание и форма. Группы: категории предметные 2категории отношения Содержание – это единство всех основных элементов объекта его свойств внутренних процессов связей тенденций развития. Содержание всегда определенным образом оформлено форма всегда содержательна. Поэтому закон необходимого соответствия определенной формы определенному содержанию: содержание изменяется быстрее чем форма а значит является ведущей определяющей стороной в развитии.
31451. Категории диалектики. «Сущность» и «явление», их взаимосвязь. Категория «кажимость» («видимость») 27.5 KB
  Философские категории это предельно общие универсальные понятия отражающих взаимосвязь всех предметов действительности. Сущность отражает внутреннюю внешне не воспринимаемую сторону предметов и явлений. Отношение – взаимосвязь предметов и явлений мира. Взаимосвязь – взаимообусловленность предметов разделенных в пространстве и во времени и обнаруживается обусловленность лишь в процессе их взаимодействия.
31452. Категории «причина» и «следствие», их диалектика. Принцип причинности и принцип детерминизма, их роль в научном познании. Индетерминизм 25 KB
  Принцип причинности и принцип детерминизма их роль в научном познании. Для реализации причинно следственных отношений большое значение имеют условия связи предмета с факторами внешнего окружения. При увеличении роли условии и подмена ими причинно следственных связей философ называется кандиционализмом. Причинность является генетической зависимостью – одно явление порождает другое явление.
31453. Категории диалектики. «Необходимость» и «случайность». Понятие «неизбежности» 25 KB
  Случайным является все то, что может быть, а может и не быть. Случайность выступает формой проявления необходимости, т.е. любой необходимы процесс осуществляется во множестве случайных форм