Моделирование процесу обробки сигналу з широтно-импульсной модуляцією і перешкоди в приймальному устрої системи передачі информации

КУБАНСКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ.

УНИВЕРСИТЕТ.

АРМАВИРСКИЙ МЕХАНИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ.

Кафедра_ внутризаводского електроустаткування і автоматики __.

(найменування кафедры).

Утверждаю______________.

Зав. кафедрой__ВЭА_______ професор _____У. Куроедов.

«___"______________2002 г.

ЗАВДАННЯ на курсову работу Студенту___________20-оа21___________ групи __________третьего__________курса факультета___________________АМТИ_________________________________________ специальности_____________2204___ «Програмне забезпечення ЗТ і АСУ"________ тов._________________________Спихайло А.В. 20-Э- 255А_____________________ Ф. І. Про., шифр Тема роботи «Моделювання процесу обробки сигналу з широтноімпульсної модуляцією і перешкоди в приймальному устрої системи передачі інформації» _ Зміст завдання: 1. Використовуючи математичний апарат, скласти моделі сигналів, процесів перетворення сигналів в приймальному устрої системи передачі; 2. Здійснити комп’ютерне моделювання процесу обробки сигналу з широтно-импульсной модуляцією і перешкоди в приймальному устрої системи передачі; результати моделювання відобразити як графіків тимчасових і спектральних діаграм сигналов.

Объем работы_______20 сторінок_________________________________________________ Рекомендована література: Ф. Є. Темніков та інших. Теоретичні основи інформаційної техніки. М.: Енергія, 1979; У. А. Ігнатов. Теорія інформації та сигналов.М.: Рад. Радіо, 1979; З. І. Баскаків. Радіотехнічні кайдани й посадили сигнали. М.: Вищу школу, 1983.

Термін виконання роботи: з «__21___"__сентября__ по «__1____».

_декабря__2002___г.

Термін защиты:

«__10___» _грудня 2002___г.

Дата видачі задания:

«__21___» _сентября_2002___г.

Керівник проекта___________Локтионов У. Д., доцент, кандидата технічних наук підпис, ф. і. про., звання, степень.

Завдання прийняв студент__________Спихайло.

А.В.________________________________ підпис, Ф.И.О, дата.

КУБАНСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ.

УНИВЕРСИТЕТ.

АРМАВИРСКИЙ МЕХАНИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ.

Кафедра_ внутризаводского електроустаткування і автоматики __.

(найменування кафедры).

ПОЯСНЮВАЛЬНА ЗАПИСКА до курсової работе.

з дисципліни «Теорія інформації та сигналов».

на тему «Моделювання процесу обробки сигналу з широтно-импульсной модуляцією і перешкоди в приймальному устрої системи передачі информации».

Выполнил студент групи 20-оа21.

_ _ Спихайло А.В.

_.

(Ф. І. О.).

Допущен до защите Руководитель работы____________________________________________.

Защищен ________ Оцінка ___________.

(дата).

Члени комісії ________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________.

(підпис, дата, розшифровка подписи).

Реферат.

Ця робота містить 20 аркушів, 22 рисунка.

Відповідно до завданням розглядаються процеси складання математичну модель ШИМ-сигнала, формування та перетворення ШИМсигналів в передающем і приймальному пристроях системи передачі; а також здійснено комп’ютерне моделювання процесу перетворення сигналу в приймальному устрої системи передачі информации.

Комп’ютерне моделювання сигналів і його побудова демонстраційних графіків діаграм здійснено у системі MathCAD 2000 Professional.

Результатом праці є графіки тимчасових і спектральних діаграм моделированных сигналов.

Ключове слово: широтно-импульсная модуляція, імпульсний сигнал, період, тривалість імпульсів, радіосигнал, канал зв’язку, фільтрація, частота зрізу, спектральне уявлення, пряме і зворотне перетворення Фур'є, помехи.

Содержание Введение…5 1. Широтно-импульсная модуляция…7 2. Математичне моделирование…8 3. Комп’ютерне моделирование…11 Заключение…19 Список використаної литературы…20.

Як відомо, передача інформації на відстань здійснюється за каналу зв’язку як сигналів. Основні елементи каналу зв’язку — передавач, приймач фізична середовище, у якій відбувається поширення електромагнітних хвиль [3]. Середовищем поширення може бути як вільне простір, і спеціальні технічні устрою — волноводы, кабелі та інші лінії передачи.

Нині найбільш широке застосування отримали електричні сигнали, різновидом яких є радіосигнали. Під радіосигналом розуміється високочастотне електричне коливання, одне із параметрів якого змінюється згідно із законом зміни переданого повідомлення. Радіосигнали створюються з допомогою устрою, званого радіопередавачем, який перетворює яке надходить від первинного джерела повідомлення електричні коливання. Ці вагання неможливо знайти безпосередньо використовуватимуться порушення електромагнітних хвиль через їх відносної низкочастотности. Тож у радіотехніці застосовують способи передачі сигналів, засновані у тому, що низькочастотні коливання, містять вихідне повідомлення, з допомогою спеціальних пристроїв управляють параметрами досить потужного несе коливання, частота якого в радіодіапазоні. Процес подібного перетворення сигналів називають модуляцією несе колебания.

Нині різні методи модуляції сигналів знаходять широке використання у сучасній комп’ютерній техніці, наприклад, в модемах для перетворення цифрового сигналу, що йде від комп’ютера, в аналоговий для його по телефонної сети.

Модульований радіосигнал випромінюється антеною передавача. Порушені у своїй електромагнітні хвилі викликають появу у антени приймача радіосигналу, рівень котрого зазвичай дуже малий. Після частотною фільтрації і через посилення ухвалений сигнал може бути підданий демодуляции (детектированию) — операції, зворотної стосовно модуляції. У результаті не вдома приймача виникає коливання, що є копією переданого вихідного сообщения.

Аналогічно сигнал обробляється в модемі на приймаючої боці каналу зв’язку — повідомлення детекторі демодулируется і перетворюється на цифровий вид, зрозумілий компьютеру.

У кожному реальному каналі зв’язку крім корисного сигналу неминуче присутні перешкоди, які з багатьом причин, — через хаотичного теплового руху електронів в елементах ланцюгів, недосконалості контактів в апаратурі, впливу сусідніх радіоканалів з близькими несучими частотами, наявності у просторі шумового космічного радіовипромінювання тощо. Здатність радіотехнічних коштів передачі протидіяти шкідливому впливу перешкод забезпечуватиме високу вірність передачі називають помехоустойчивостью. У сучасному радіотехніці завдання створення помехоустойчивых систем є одним із центральных.

У цьому курсової роботі здійснено моделювання процесу обробки сигналу з широтно-импульсной модуляцією і перешкоди в приймальному устрої системи передачі. У першому етапі складено математичні моделі отриманого на каналі зв’язку радіосигналу з широтно-импульсной модуляцією і перешкодами, і навіть математичні моделі процесу обробки даного сигналу в приймальнику. З другого краю етапі здійснено комп’ютерне моделювання процесу обробки радіосигналу з широтно-импульсной модуляцією і перешкодами в приймальному устрої системи передачі информации.

1. Широтно-импульсная модуляция.

При широтно-импульсной модуляції (ШИМ; англійський термін — pulse width modulation, PWM) як несе коливання використовується періодична послідовність прямокутних імпульсів, а інформаційним параметром, що з дискретним модулирующим сигналом, є тривалість цих імпульсів (рис.1).

Періодична послідовність прямокутних імпульсів однаковою тривалості має постійну складову, назад пропорційну скважности імпульсів, тобто прямо пропорційну їх тривалості [4]. Пропустивши імпульси через ФНЧ із частотою зрізу, значно меншою, ніж частота прямування імпульсів, цю постійну складову можна легко виділити, отримавши постійна напруга. Якщо тривалість імпульсів буде різної, ФНЧ виділить повільно мінливий напруга, отслеживающее закон зміни тривалості імпульсів. Отже, з допомогою ШИМ можна створити нескладний ЦАП: значення отсчетов сигналу кодуються тривалістю імпульсів, а ФНЧ перетворює импульсную послідовність в плавно змінюваний сигнал.

2. Математичне моделирование.

Передача інформації на відстань можна здійснити з допомогою системи передачі, що з (рис. 2) джерела повідомлення, передавача, лінії зв’язку, приймача і одержувача повідомлень. Передача інформації з допомогою системи передачі супроводжується впливом на корисний сигнал різноманітних перешкод. У зв’язку з цим у структурної схемою відображено джерело помех.

Для прийому сигналу потрібно спочатку сформувати ШИМ-колебания в передавачі. Уявлення послідовності прямокутних імпульсів різної тривалості можна записати у вигляді ряду Фур'є [4]:

де A — амплітуда колебаний;

T — період импульсов;

?(t) — функція зміни тривалості імпульсів від времени.

Генератор ВЧ коливань здійснює формування високочастотних гармонійних електричних коливань, виконують роль несучих коливань корисного сигналу. Аналітичне вираз даних коливань має наступний вид:

де Un (t), A, (зв — миттєве значення, амплітуда, кутова частота високочастотного електричного коливання соответственно.

У результаті накладення послідовності прямокутних імпульсів на високочастотні коливання аналітичне вираз напруги не вдома модуляционного устрою матиме наступний вид:

При передачі на каналі зв’язку відбувається деяке його згасання і спотворення помехами:

где k — коефіцієнт загасання корисного сигналу; Upomt — миттєві значення помех.

Далі ослаблений радіосигнал з широтно-импульсной модуляцією і перешкодами надходить в обробці до приймальника, структурна схема якого зображено малюнку 3.

У високочастотному фільтрі суміш «сигнал+помеха» перетворюється з тимчасової області у частотную:

где fft — функція швидкого прямого перетворення Фур'є. Потім виконується частотно-избирательная фільтрація сигналу, як оператор якої використовується функція Хевисайда Ф (х) (значення функції одно 1, якщо х?0, і 0 у решті випадках):

где? — параметр фільтра, впливає на форму результуючого сигналу. Значення? підбирається залежно від величини спектра перешкод. Для побудови спектральних графіків сигналів також використовується швидке пряме перетворення Фур'є. У ідеальному разі модульований сигнал безперешкодно і отфильтрованный сигнал идентичны.

Далі сигнал назад перетвориться з частотною області у временную:

де ifft — функція зворотного перетворення Фурье.

Після високочастотної фільтрації ослаблений в лінії зв’язку імпульсний сигнал вступає у підсилювач, і вираз напруги не вдома підсилювача має вид:

где k — коефіцієнт загасання корисного сигнала.

У амплитудном фільтрі відсікається негативна складова амплітуди сигнала:

Для переходу від високочастотних коливань до цифровим імпульсам необхідно сигнал пропустити через фільтр нижніх частот [3],[5]. Частотна характеристика фільтра визначається выражением:

где f — верхня частота зрізу фильтра;

целое число n — порядок фильтра.

Параметри висловлювання (10) підбираються емпірично задля досягнення найкращою фільтрації. Сигнал із виходу амплитудного фільтра перетворюється на частотну область з допомогою прямого перетворення Фурье:

Далі застосовується фільтрація нижніх частот (12) і переклад сигналу у тимчасову область (13) (зворотне перетворення Фурье):

Вислів (13) описує огибающую функцію сигналу не вдома амплитудного фільтра. Наступне вираз перетворює огибающую ht в послідовність униполярных прямокутних импульсов:

где m — емпірично підібраний параметр, залежить від форми ht.

Отже, не вдома приймача отримано отфильтрованный від перешкод сигнал з широтно-импульсной модуляцією як цифрових импульсов.

3. Комп’ютерне моделирование.

На цьому етапі курсової роботи з побудови графіків тимчасових і спектральних діаграм сигналів використовуються їх вищеописані математичні модели.

Спершу передавачі склалася послідовність прямокутних униполярных імпульсів, тривалість якого є функцією від часу ?(t). На малюнках 4, 5 і шість зображені часові й спектральні діаграми тривалості імпульсів і отриманої моделюючою функции.

Далі отримана моделююча функція накладається на високочастотні коливання, у результаті створюється радіосигнал з широтно-импульсной модуляцією (див. мал.7, 8).

Потім модульований сигнал передається на каналі зв’язку системи передачі інформації, де відбувається деяке його згасання і спотворення перешкодами. Цей процес відбувається завершує етап формування та передачі сигнала.

Отже, з лінії зв’язку до приймальника надходить радіосигнал з широтноімпульсної модуляцією що з перешкодами (див. мал.9, 10).

Для фільтрації нижніх частот сигналу корисно знати параметри перешкод. Параметр фільтра? залежить від форми спектра перешкоди (рис. 11, 12).

При відомому? можна братися до високочастотної фільтрації сигнала:

Позаяк у лінії зв’язку стався деякий згасання корисного сигналу, то після фільтрації слід збільшити напруга результирующих коливань (рис. 15, 16).

Для подальшого перетворення сигналу виділимо позитивні складові амплітуди його коливань, тобто. проведемо амплитудную фільтрацію. Отриманий в результаті сигнал та її спектральна діаграма зображені на малюнках 17 і 18.

На малюнку 18 відображена частотна характеристика фільтра з порядком 1 — в смугу пропускання фільтра потрапляють лише корисні нижні частоти до частоти среза.

Результат НЧ фільтрації відображено на малюнках 19 і 20.

Для уявлення ШИМ-сигнала в цифровому вигляді (як прямокутних униполярных імпульсів) необхідно перетворити функцію ht згідно з наступним условием:

Отримана послідовність імпульсів практично збігаються з вихідної (рис.21), що свідчить про високий рівень фільтрації і перетворення сигналу. На малюнку 22 зображено спектральна діаграма кінцевого сигналу. Такий спектр відповідає послідовності імпульсів перемінної длительности.

Заключение

.

Сучасна теоретична радіотехніка насичена поняттями і чи методами з різних наукових областей, передусім математики, фізики, теорії ланцюгів, інформації та сигналів. Усі вони утворюють взаємозалежне єдність і дружина мають розглядатися як одне у межах підходу, прийнятого сучасної наукою. Основний концепцією, що дозволяє казати про системному характері теоретичної радіотехніки, є концепція математичної модели.

У цьому курсової роботі розглянутий ряд математичних моделей сигналів — аналогових і дискретних. Об'єднані у єдине ціле вони утворюють жодну з найважливіших в наші дні систем — систему передачі від передавача до приймачу на каналі связи.

Простий, перший погляд, принцип моделі приймального устрою одноканальній системи передачі, розглянутий у цій роботі, обробний що поступив радіосигнал з ШИМ що з перешкодами, є основним в проектуванні комп’ютерних мереж, і різних систем зв’язку; може бути легко модернізовано відповідно до структурою і призначенням проектованої системи передачі информации.

На основі ШИМ можна створити ЦАП різної складності. Зокрема, широтно-импульсная модуляція і демодуляция успішно застосовують у процесі обробки даних модемами.

Отже, застосувавши теоретичні знання до практики математичного і комп’ютерного моделювання, можна істотно прискорити процес розробки технічних пристроїв і проаналізувати надійність їх работы.

Список використаної литературы.

1. Темніков Ф.Е. та інших., Теоретичні основи інформаційної техніки. М.: Енергія, 1979. 2. Ігнатов В.А., Теорія інформації та сигналів. М.: Рад. Радіо, 1979. 3. Баскаків С.І., Радіотехнічні кайдани й посадили сигнали. М.: Вищу школу, 1983 4. Сергієнко Г. Б., Цифрова обробка сигналів, СПб: Пітер, 2002. 5. Прянишников В. А., Електроніка. Курс лекцій, СПб: Корона принт, 2000. ———————————;

Одержувач сообщения.

Джерело сообщений.

Передатчик.

Приемник.

Лінія связи.

Джерело помех.

Рис. 2. Структурна схема одноканальній системи передачі информации.

[pic].

(1).

(2).

Unt = A co (зв t.

Urezt = st? Unt.

(3).

Ukrt = (k? Urezt)+Upomt.

(4).

ВЧ-Фильтр Усилитель.

Амплітудний фильтр

НЧ-Фильтр

Рис. 3. Структурна схема приймального устрою системи передачі информации.

f = fft (Ukr).

(5).

gj = fj? Ф (|fj| - ?).

(6).

Uk2 = ifft (g).

(7).

[pic].

(8).

[pic].

(9).

[pic].

(10).

(11).

f = fft (Ud).

gj = kj? fj.

h = ifft (g).

(12).

(13).

[pic].

(14).

Рис. 9 Імпульсний сигнал з помехами Рис. 10 Спектр імпульсного сигналу з помехами Рис. 11 Перешкоди в лінії связи Рис. 12 Спектр перешкод в лінії зв’язку й параметр ВЧ-фильтра ?

Рис. 13 Сигнал не вдома ВЧ-фильтра Рис. 14 Спектр сигналу не вдома ВЧ-фильтра Рис. 15 Сигнал із посиленою напряжением Рис. 16 Спектр посиленого сигнала.

[pic].

Рис. 17 Сигнал не вдома амплитудного фильтра.

[pic].

[pic].

Рис. 18 Спектр сигналу не вдома амплитудного фільтра і АЧХ НЧ-фильтра.

[pic].

Рис. 19 Сигнал з амплітудної фільтрацією та її огибающая Рис. 20 Спектр облямовує сигналу з амплітудної фильтрацией.

[pic].

Рис. 21 ШИМ-сигнал не вдома приемника Рис. 22 Спектр ШИМ-сигнала не вдома приемника.

[pic].

[pic].

Рис. 4. Закон зміни тривалості импульсов.

[pic].

Рис. 5. Моделююча функция.

[pic].

Рис. 6. Спектральна діаграма моделюючою функции.

[pic].

[pic].

Рис. 7. Радіосигнал з ШИМ.

[pic].

Рис. 8. Спектр радиосигнала.

[pic].

де Upom — функція помех.

0 T 2T 3T 4T 5T t.

sм (t).

0 T 2T 3T 4T 5T t.

sшим (t).

? = k sм (t).

Рис. 1. Широтно-импульсная модуляция.