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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Simulation des Radioempfangs unter Lärm- und Interferenzbedingungen. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Funkamateur-Designer Die Computermodellierung wird heute zu einem integralen Bestandteil des Amateurfunkdesigns, da sie es Ihnen ermöglicht, viele Schaltungsfehler in der Anfangsphase zu vermeiden. Natürlich löst die Modellierung nicht alle Probleme: Im Endstadium sind zwar Prototyping und Anpassung eines realen Geräts erforderlich, aber eine ernsthafte Verbesserung wird höchstwahrscheinlich nicht erforderlich sein. Trotz der enormen Möglichkeiten der Programme gibt es immer wieder Aufgaben, die über die im Benutzerhandbuch beschriebenen Standardtechniken hinausgehen. Der Autor des Artikels schlägt einen nicht standardmäßigen Ansatz zur Lösung des Problems der Simulation des Empfangs von Funksignalen unter Rausch- und Interferenzbedingungen mithilfe des PSpice-Systems vor. Diese Technik kann an jeden dem Funkamateur zur Verfügung stehenden Simulator angepasst werden. Die Simulation von Transceiver-Geräten auf einem Computer ist eine sehr schwierige Aufgabe. Das Wesentliche beim Radioempfang ist die Auswahl eines Nutzsignals vor dem Hintergrund von Rauschen und Störungen. Und wenn eine getrennte Untersuchung von Sender und Empfänger in der Regel keine Schwierigkeiten bereitet, stellt sich bei der Betrachtung ihrer gemeinsamen Arbeit das Problem, das Signal am Empfängereingang, bei dem es sich um eine Mischung eines über ein Funkgerät übertragenen Nutzsignals handelt, angemessen zu beschreiben Kanal mit Störungen und Rauschen. Die Simulation des Funkempfangs ohne Störungen und Rauschen ermöglicht zwar eine Beurteilung der Leistung des Gerätes, erlaubt jedoch keine Beurteilung der Qualität der eingesetzten technischen Lösungen, die dem Funkempfang innewohnen. Das Modellierungssystem PSpice, das beispielsweise im Softwarepaket OrCAD v.9.2 enthalten ist, enthält Werkzeuge zur Geräuschanalyse. Sie sind jedoch für den Kleinsignalmodus gedacht, bei dem die Elemente des Geräts in der Nähe des Arbeitspunkts als linear betrachtet werden. Darüber hinaus können nur analoge Geräte untersucht und nur spektrale Rauschdichten berechnet werden. Die vorgeschlagene Technik ermöglicht die Analyse der kombinierten Übertragung von Nutzsignal, Rauschen und Störungen im Großsignalmodus. Betrachten wir es am Beispiel der Modellierung eines einfachen Fernbedienungssystems mit einem Funkkanal für ein Auto. Natürlich sollte man damit beginnen, die spezifischen Bedingungen des Funkempfangs zu untersuchen und ein mathematisches Modell der Interferenz-Lärm-Umgebung zu erstellen. Im allgemeinen Fall kann das Modell eines gestörten Signals, das von der Antenne zum Eingang des Funkempfängers gelangt, durch die folgende Formel dargestellt werden:
wobei UΣ(t) das Gesamtmischungssignal am Ausgang der Empfängerantenne ist; Uс(t,λс) – Nutzsignal; λc – Informationsparameter des Nutzsignals; Up(t,λp) – industrielles Störsignal; λp – Informationsparameter der Interferenz; Ähm(t) – weißes Rauschen. Das Nutzsignal erfährt nach Durchlaufen des Funkkanals verschiedene Verzerrungen. Wir gehen davon aus, dass die Vorderseite des Signals verzerrt ist und seine Amplitude abnimmt, was typisch für die Übertragung über Kommunikationskanäle ist. In unserem Fall ist dies ausreichend, da die Übertragung über eine kurze Distanz erfolgt. Industrielle Störungen können sehr unterschiedlich sein und ihr Ausmaß ist so groß, dass ein Empfang völlig unmöglich wird. Nachdem Sie absichtliche Störungen beseitigt haben (obwohl dieses Thema für die Computeranalyse sehr interessant sein kann), betrachten Sie den Fall, dass die Störungsquelle ein Auto ist. Alle anderen Geräusche und Interferenzen werden als weißes Rauschen dargestellt. Die stärkste Funkstörquelle im Auto ist der Sekundärkreis der Zündanlage [1; 2]. Ursache für das Auftreten von Störungen ist eine Funkenentladung in Zündkerzen, die zu Stromimpulsen mit steilen Fronten führt, was die große Breite ihres Spektrums erklärt. Die Pulswiederholfrequenz variiert je nach Drehzahl der Kurbelwelle eines Vierzylindermotors zwischen etwa 20 und 200 Hz. Wenn wir alles kombinieren, erhalten wir die resultierende Schaltung (Abb. 1) des Mischungsgenerators am Ausgang der Empfängerantenne. Um also mit der Modellierung des Radioempfangs unter Bedingungen von Interferenzen und Rauschen zu beginnen, benötigen wir PSpice-Modelle der Nutzsignalquelle mit Verzerrungen UС, der Generator der Störspannungshüllkurve vom Auto Uon , die Rauschspannungsquelle vom Auto Un und die Spannungsquelle des restlichen Rauschens Ush.
PSpice NOISE SOURCE MODELL Das Schema des Zufallsrauschgenerators ist in Abb. 2 dargestellt. XNUMX.
Bei der Modellierung sollten Sie auf Folgendes achten: Eout ist eine spannungsgesteuerte Spannungsquelle. Geben Sie den Namen mit dem Buchstaben E am Anfang ein. Es fungiert als Puffer und Skalierungsverstärker. Stattdessen können Sie den analogen GAIN-Block verwenden, der in der Distributionsbibliothek namens ABM.lib verfügbar ist und ähnliche Funktionen ausführt; Vnoise ist eine stückweise lineare Spannungsquelle, deren Werte aus einer im Arbeitsverzeichnis gespeicherten Eingabedatei gelesen werden. Es wurde die Spannungsquelle VPWL_FILE verwendet, die über das Attribut verfügt , da die Werte aus der Eingabedatei gelesen werden. Attribut definiert durch Eintrag: [pathl\pwlnoise.txt. Das Verzeichnis sollte dasjenige sein, in dem alle Projektdateien gespeichert sind, einschließlich schematischer *.dsn-Dateien. Speichern Sie das Schema in einer Datei mit dem Namen pwlnoise.dsn. Die Quelle Vnoise erzeugt eine Zufallsspannung, deren Effektivwert 1 V beträgt. Wir nennen dieses Signal „RAW“ – die primäre Rauschquelle (Werkstück). Die Rfil- und Cfil-Elemente filtern das RAW-Signal und Eout verstärkt es auf eine vom Benutzer angegebene Spannung (Effektivwert). Das primäre Rauschsignal V(NOISE_RAW) (Abb. 3, obere Grafik) ist gleichmäßig in der Frequenz verteilt. Der Formfaktor eines solchen Signals beträgt etwa 1,8. Die Rauschspannung hat eine dreieckige Form, wobei jede Ecke eine Diskontinuität darstellt. Diese Wellenform führt zu einem sin(x)/x-Spektrum, das Harmonische bis zu sehr hohen Frequenzen enthält, und die Amplitude des Signals nimmt mit zunehmender Frequenz ab.
Der RC-Filter beseitigt Konvergenzprobleme, die durch die diskontinuierliche Natur des Rohrauschsignals verursacht werden. Das gefilterte Rauschsignal V(NOISE_FIL) (Abb. 3, unteres Diagramm) ähnelt eher echtem Rauschen. ZUFÄLLIGES SPANNUNGSERZEUGUNGSPROGRAMM Das Programm zur Erzeugung zufälliger Spannungen ist in der Sprache GW-BASIC geschrieben (Tabelle 1). Um den Text einzugeben oder Änderungen vorzunehmen, ist die Verwendung eines beliebigen Texteditors zulässig.
Der Text des Programms muss im ASCII-Code unter dem Namen pwlnoise.bas gespeichert werden (in Microsoft Word muss das Programm beispielsweise als Textdatei gespeichert werden). In der Tabelle. 2 enthält Erläuterungen zu den Programmzeilen.
Achten Sie zunächst besonders auf Zeile 20 des Programms. Darin müssen Sie den Pfad zum Arbeitsverzeichnis mit den Projektdateien definieren. Nachdem Sie das Programm im Dialogmodus gestartet haben, sollten Sie drei Werte eingeben: TIME STEP – Zeitschritt in Sekunden – Zeitstempel zwischen Schritten in der PWL-Quelle. Dieser Parameter steuert teilweise die Bandbreite des Spektrums und die Geschwindigkeit, mit der die Quellwertedatei gescannt wird. Wenn beispielsweise der Schritt verringert wird, ändern sich zufällige Rauschwerte im Laufe der Zeit schneller, die Breite des Rauschspektrums nimmt zu und die Anzeigegeschwindigkeit der Wertedatei nimmt ab; FINAL TIME – letzte Zeit in Sekunden – Betriebszeit des Rauschgenerators. Durch Erhöhen wird die Anzahl der Schritte erhöht, die im PWL der Rauschquelle enthalten sind. RMS NOISE ist der effektive Rauschspannungswert in Volt. Dieser Parameter beeinflusst auch die Anzeigegeschwindigkeit der Datei und die Breite des Spektrums des Rauschgenerators: Je größer er ist, desto größer ist die Steilheit der Front und damit die Breite des Signalspektrums. Das Programm berechnet vier Parameter und zeigt sie an: Punkte – die Anzahl der Punkte, die in die PWL-Rauschenquelle einbezogen werden; Bandbreite – Bandbreite auf dem Niveau von -3 dB vom Maximum der Spektrumhüllkurve; Maximum Slew Rate – ungefähre maximale Dateiverarbeitungsgeschwindigkeit; CFIL ist die Kapazität des Filterkondensators. Wenn alle notwendigen Berechnungen abgeschlossen sind, erinnert Sie das Programm daran, die Parameter TIME STEP, RMS NOISE und CFIL aufzuzeichnen, die später zum Erstellen einer Simulationsaufgabe benötigt werden. Um die Ergebnisse des Programms nutzen zu können, müssen einige Vorarbeiten durchgeführt werden. Rufen Sie den Schaltplaneditor von OrCAD Capture auf, öffnen Sie die Datei pwlnoise.dsn, in der das Geräuschquellenmodelldiagramm gezeichnet werden soll (siehe Abbildung 2), und nehmen Sie die folgenden Änderungen vor. Stellen Sie die Kapazität des CFIL-Kondensators auf den vom Programm berechneten Wert ein. Setzen Sie das Attribut GAIN Eout auf den RMS-Wert, der beim Ausführen des Programms eingegeben wurde. Stellen Sie sicher, dass Sie eine Zahl ohne Dimension eingeben (Verstärkung ist dimensionslos). Sie müssen beispielsweise „0.125“ und nicht „0.125 V“ eingeben. Stellen Sie die Dauer der transienten Analysezeit (TRANSIENT) auf FINAL TIME ein, deren Wert bei der Ausführung des Programms eingegeben wurde. Sie können nun in PSpice simulieren und das PROBE-Programm wie gewohnt verwenden. Globale Ports (RAW und FIL) erleichtern die Verwendung des Rauschgeneratormodells in anderen Teilen des Schaltungsdesigns, die eine ähnliche Quelle erfordern. Vergessen Sie jedoch nicht, das Programm pwlnoise.bas jedes Mal erneut auszuführen, wenn Sie die Parameter der Rauschquelle ändern müssen. PSpice-MODELL DES INTERFERENZGENERATORS Um ein Modell der Interferenzen eines Autos zu erstellen, wird ein Interferenzspannungs-Hüllkurvengenerator benötigt (Abb. 4).
Die Form der Hüllkurve ist ein Signal, das exponentiell stark ansteigt und dann ebenfalls exponentiell allmählich auf Null abfällt. Und es ist voller Schwingungen, die zufälligen Charakter haben. Um ein Signal mit der gewünschten Form zu erhalten, verwenden wir eine gepulste Spannung von der Quelle V1, nachdem wir sie durch die Integrierschaltung R1C1 „geleitet“ haben. Durch die Wahl der Spannungsamplitude und der Zeitkonstante der RC-Schaltung erhalten wir die erforderliche Hüllkurve des Störsignals (Abb. 5).
Durch die Wahl der Parameter V1, V2, TD, TR TF, PW, PER der Impulsquelle und der Zeitkonstante der RC-Schaltung stellen wir die notwendigen zeitlichen Eigenschaften der Hüllkurve ein, die gerade den Störungen durch die Autozündung innewohnen System. Der Spannungspufferverstärker GAIN 1 wird benötigt, um die Amplitude der Hüllkurve auf einen Wert von 1 V zu skalieren. Als nächstes multiplizieren wir mit dem Analogblock MULT1 die Spannung des Hüllkurvensignals mit der Spannung des Rauschens und erhalten so das gewünschte Rauschsignal (Abb. 5, unteres Diagramm). Durch Variation des Parameters PER der Impulsquelle V1 kann eine Änderung der Motorkurbelwellendrehzahl und durch Änderung des Parameters TD der Zeitpunkt des Auftretens einer Störung relativ zum Nutzsignal simuliert werden. Mit dem vorgeschlagenen Ansatz ist es einfach, viele andere Arten industrieller Störungen zu modellieren, nicht nur solche im Automobilbereich. PSpice-MODELL DES NÜTZLICHEN SIGNALS Nehmen wir an, dass der Sender des Fernsteuersystems aus einem digitalen und einem analogen Teil besteht. Zur Übertragung von Befehlen wird ein Impulscode verwendet. Aus Sicht von Pspice handelt es sich bei einem solchen Sender um ein gewöhnliches Digital-Analog-Gerät, bei dessen Modellierung keine besonderen Probleme auftreten. Allerdings ist der Zeitaufwand für die Berechnung sehr hoch. Dies liegt daran, dass das PSpice-System gezwungen ist, den Integrationsschritt basierend auf der Änderungsrate des Signals mit der höchsten Frequenz auszuwählen. Daher ist es sinnvoll, ein vereinfachtes Hochgeschwindigkeitsmodell des Senderausgangssignaläquivalents (Abb. 6) für ideale Quellen zu erstellen.
Dies ist wesentlich komfortabler, da eine solche Quelle viel einfacher zu steuern ist (bei der Simulation realer Empfangsbedingungen kann es erforderlich sein, Trägerfrequenz, Amplitude, Phase zu variieren). Um Signalverzerrungen im Funkkanal zu berücksichtigen, wird ein Signalformverzerrungsgenerator hinzugefügt – in unserem Fall eine einfache RC-Schaltung. PSpice - GEMISCHTES SIGNALMODELL Da nun alle Modelle fertig sind, führen wir sie zusammen. Tatsächlich handelt es sich hierbei um das Äquivalent einer Empfangsantenne (siehe Abb. 1), von deren Ausgang das Gesamtsignal am Eingang des Funkempfängers ankommt. Es liegt auf der Hand, dass zur Vereinfachung der Analyse im Modell die Möglichkeit vorgesehen werden muss, die Signal-Rausch- und Signal-Rausch-Verhältnisse sowie den Pegel des Gesamtsignals anzupassen, um eine zunehmende Dämpfung zu simulieren Distanz. Dies wird mithilfe der Zwischenverstärker GAIN1-GAIN4 implementiert, die an den Ein- und Ausgängen des Addierers angeschlossen sind (siehe Abb. 1), deren Verstärkung vor dem nächsten Start der Simulation schnell geändert werden kann. PSpice FUNKSIMULATION Es ist besser, eine Aufgabe zur Modellierung für den TRANSIENT-Modus in grafischer Form vorzubereiten. Dazu schließe ich anstelle einer Antenne ein Mischsignalmodell an den Funkempfänger an. Bevor Sie jedoch mit der Modellierung beginnen, müssen Sie Dateien mit Werten zweier unabhängiger Rauschquellen erstellen und die Kapazität CFIL von Antialiasing-Filtern berechnen. Das Programm pwl-noise.bas muss zweimal verwendet werden, da die Geräuschquellen unabhängig sein müssen. Beim ersten Start des Programms erstellen wir die Anfangsdaten für die Geräuschquelle, die Teil des Geräuschgenerators der Zündanlage des Autos ist. Stellen wir zum Beispiel TIME STEP=6E-6 FINAL TIME=0.05, RMS NOISE ein =1. Als Ergebnis erhalten wir CFIL=1,88 nF und benennen die generierte Datei mit dem Namen pwlnoise.txt in pwlnoise2.txt um. Im zweiten Fall schreiben wir die Anfangsdaten, um die Quelle des zufälligen Rauschens zu starten. Stellen Sie TIME STEP=5E-6 FINAL T|ME= 0 05 RMS NOISE=1 ein. Holen Sie sich CFIL=1,6 nF und belassen Sie die Datei mit dem Namen pwlnoise.txt. Jetzt können Sie das Simulationsprogramm ausführen und die Ergebnisse sehen. Literatur
Autor: O. Petrakov, Moskau
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