CC BY
117
УДК 621.391.072
Surzhikov V.F., Cand. of Sciences (Engineering), senior lecturer, Military Space Academy n.a. A.F. Mozhaisky (St. Petersburg, Russia),
E-mail: Vyacheslavs@bk.ru
Kompaniytsev A.V., cadet, Military Space Academy n.a. A.F. Mozhaisky (St. Petersburg, Russia), E-mail: Alexkompjin@yandex.ru
PHYSICAL SIMULATION OF DIGITAL MICROWAVE CHANNELS WITH A BINARY AMPLITUDE MANIPULATED SIGNAL IN MATLAB. The article investigates the basic types of signals with amplitude shift keying (ASK). As a physical model, a functional diagram of a digital communication system with amplitude shift keying signal, the primary block of which is an information source both analog and digital, is given. The developed programs in the Matlab environment visually represent the graphs of the modulated signal and the modulated radio signal for OOK and BASK modulations both without interference and when exposed to white Gaussian noise. The efficiency of communication systems is most fully measured by spectral efficiency. The spectral characteristics of signals with ASK modulation are obtained using the fast Fourier transform in Matlab. The noise immunity of receiving signals with amplitude shift keying is considered as a probability of bit error depending on the signal to noise ratio for OOK and BASK modulations, which allows us to analyze these graphs.
Key words: amplitude-shift keyed signal, signal modeling with Matlab, digital radio communication, white Gaussian noise, bit error probability, fast Fourier transform.
В.Ф. Суржиков, канд. техн. наук, доц., ФГБВОУВО «Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского» МО РФ (ВКА имени А.Ф. Можайского), г. Санкт-Петербург, Е-mail: Vyacheslavs@bk.ru
А.В. Компанийцев, курсант, ФГБВОУ ВО «Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского» МО РФ (ВКА имени А.Ф. Можайского), г. Санкт-Петербург, Е-mail: Alexkompjin@yandex.ru
ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЦИФРОВЫХ КАНАЛОВ СВЧ-СВЯЗИ С БИНАРНЫМ АМПЛИТУДНО-МАНИПУЛИРОВАННЫМ СИГНАЛОМ В СРЕДЕ MATLAB
Данная статья посвящена исследованию основных типов сигналов с амплитудной манипуляцией (ASK). В качестве физической модели приведена функциональная сих цифровойсистемысвязи с амплитудно-манипул ированнымсигналом, первичным блоком котсройявляетсяисточник информации, как аналоговый, так и цифровой. Разработанные программы в среде Matlab наглядно представляют графики модулирующего сигнала и модулированного рансосигкаыа для О OK- иВАУК-модулсцийаак б езыозде йсткуя помех, та к сори коздеСутиииОелйыыгау сиоссроыошума.Эффе ктив носыь сссте м связи наиболее полно оценивается спектральной эффективностью. Спектральные характеристики сигналов с ASK-модуляцией были получены с помощью быстрого преоблаховснир ФррьевФа11аа.Помеаоусто0чивость приема сигналов с амплитудной манипуляцией рассматривалась как вероятность битовой ошибки в зависимости от отношения сигнал/шум для OOK- и BASK-модуляций, что позволяет анализировать эти графики.
Кпкяевые с.уола: тмплитудуо-юансаулыуовмнныйсагкал, моммлиловмние сигнаков с Мо-|рЬ,ыифывыая камаосыязь, КтлыЯгауксовский шум, вероятность битовой ошибки, быстрое преобразование Фурье.
В настоящее время очень распространены цифровые методы передачи информации, такие как Интернет, спутниковое телевидение, мобильная связь, кос мическая связь и другие.Передача информации осуществляется невысокой частоте, например, для спутниковой связи используется диапазон С (3,40 - 5,25 ГГц и5фа5-К,075 ЯГц). Таиколебатия(чкстоты) назтвиюксрветущкяи. Для передачи информации широко используются цифровые сигналы. Для этой цели применаютсяипераоиидчссчеоитаоио.ьвантававил,модуляции ¡к кюкичования. В настоящее время во многих цифровых системах передачи информации ис-поллзоютая сикнабы имчлитокнок модчлякии(ФОК,ВАЮП,М-А8К),частотной модуляции (FSK, M-FSK) и фазовой модуляции (BPSK, M-PSK, QAM) с цифровыми ботоиами бткоь, соотвотитккющилбиатоцам Щ" и "К"ч7.
В связи с этим построение, исследование и реализация физической модели циЩровых каналля СВЧ икякя^^яюисюоет^^юшой^^т^б^й.Цть исследования: разработка программ оценки помехоустойчивости амплитудно-манипулиро-ванных сигналов в условиях воздействия шумовых помех. Основными задачами в соответствии с целью исследования являются:
1. Разработка функциональной схемы цифрового канала связи с ампли-тудно-манипулированным сигналом.
2. Рсзуачстаа коетлщкса программ в чрлде Matlab, коиорый представляет сверхвысокочастотный сигнал с амплитудной модуляцией OOK и BASK при воз-дкчствли бтоео гауссовлаокошкоо.
3. Оценка помехоустойчивости этого сигнала.
Научная нимизно в статье пкодлежены мотощыоценки помехозащищенности СВЧ-сигналов с амплитудной манипуляцией, и проведен анализ энергетиче-ккороффектангостисигн ала.
Теоретическая и практическая значимость результатов исследования. Пре.ложансые в слатсе меоокыюценки томехннатничквости иигналов позволяют определить их эффективность. Полученные результаты могут быть использованы в спутниковых системах связи для передачи телеметрической информации с борта космического аппарата на Землю.
На рис. 1 представлена функциональная схема цифрового канала связи с амплитудно-манипулированным сигналом, который состоит из передающей и
Рис. 1. Основные элементы цифровой системы связи с ASK модуляцией
приемной частей и канал а перед ачи информации. Передатчикможет работать с аналоговым или цифровым источником информации. Аналоговым источником является нeпpeчывныйcигнaл[H],еoтopый преобразуется в цифровой с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Источник данных является источником цифровой информециа,котцрый генееаруерпоылееочетелтность импульсов с амплитудами, соответствующими "1" и "0".
Кодее ыоваеснно с фитьырот чречбраччат цифровое сообщение выкф-ровой модулирующий сигнал как функцию времени. Цифровой сигнал, сформированный на выходе кодера, поступает на модулятор, где преобразуется в СВЧ-сигнал с чгене^тора ЭДЧСЕЭД-колебанео поыупаел нфсилиыель мощности, где сигнал усиливается до необходимой мощности для работы передающей антентывнoыинaльтoм режиме и ресарчслраняетея в с^с^Ы^^ц^опп^с^-странстве.
Кан^лсвяии е^иосит искажения в идеальный сигнал, излучаемый передатчиком вследствие наличия шумов, помех от других источников. Такой сигнал
с аддитивнои помехой поступает на приемную антенну, а потом на приемное устройство, состоящее из демодулятора, декодера, которое восстанавливает цифровое сообщение.
Амплитудно-манипулированный сигнал представляет собой зависимость
[3]:
s(t) = A(u(t) + В) • cos(2nft + ф), (1)
где u(t) - цифровой информационный сигнал, А, В, ф - постоянные, f -несущая частота СвЧ-сигнала.
Пусть цифровой инфор мационный сигнал п ринимает множество возможных значений бинарного кода u(t), B = 0. Тогда модулирующий сигнал будет иметь вид set) = Au(t) • cos(27r/t + <р), амплитуда которо го принимает значение А при единичном значении информационного сигнала и 0 при нулевом значении информации (рис. 2).
Такой тип амплитудной манипуляции называется OOK (On-Off Keying) и используется для передачи телеметрической информации в спутниковых системах
Модулирующий цифровой сигнал
-0.5
10
I 1 0 I I 0 1 I I 1 I I о : 1 i I 1 0
- ...........................-
i I I i I i i i i i i i i
3 4 5 6
Время(с) Модулированный сигнал СВЧ
х 10
9 -ю
CQ 03
м
<
-5
-10
МП.
iVVVVVViVV о
3 4 5
Время(с) Рис. 2. Модуляция ООК
х 10
9 ■ю
00
^ 1.5
5 1
ь 0.5
I О
в -0.5
О
10
; -ю
I °
Передача информации в виде цифрового сигнала
0.1
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8
Время (с)
00 Цифровой сигнал после демодуляции BASK
-г
1__Г=1
_|_I_I_|_
_|_|_
0.2
0.3
0.7
0.4 0.5 0.6 Время(с) СВЧ сигнал с BASK модуляцией
0.8
л1
__
0.4 0.5 0.6 Время(с)
Рис. 3. Модуляция и демодуляция СВЧ сигнала с BASK модуляцией
_i_1_
0.9 1 хЮ"9
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9
Время(с) х 10"'
2, СВЧ сигнал BASK с добавленным шумом
__
0.9 1 х 10"9
связи. Получим амплитоднл-малап^лрлианнам с^^и^л/^а^я посдедогаиельности битов- 1 0д<1 101 Щоыр 7д ul^i^tLM1!7 ]для иас7^и111ед/щна- сытатсб ГГ^.
ЕЕили Н- = 1.В, то нмплсит).лн^ моисшг9Н9н^а^ос^н^1^^ нр9нида^ет зпдчение 2Я при анилничн-)9 значенип инф^|^1а9даснги^{) си-^^а^^ и Я пги Тнкдй
вен М09сла1лда нгзывмесдя длоичиоР ямплитрдно3 .иaнипилылпгй мли ТАдК (Binary Н^т pl ТиаеЗЫА K яр^г^зД
Представимфизичзскоемоодяырлгани е цифро чо чо оанала СИ'Н-с^дл^а^л с ВН^ГЫД^^лдалнгыывь^но^-лы^г^гны^лнв в лееде IM^I^^I^.
-а в ерхнем графике рис. 3 представлена информационная последовательность цифрового сигнала {0 1 1 0 1 0 0 1 1 0}. Амплитудно-манипулированный сигнал на выходе приемного устройства при веден на втором графике.
В канале авязи кд амплгинднo-мынингычnа9ДLныгcигнaл действдет саме-хнцнаего а^^р^з^о |^^^l^pагон^aлa9г^oг^^^] аминт-одю ситала, ыгпсти
х(0 = s(t) + n(t). (2)
В качестве помехи рассмотрим беаыВ гагссоискид ш^м со
спеапральной плотностью /V:
(n(t)> = 0; (n&Mt^yifo-tJ.
(3)
(4)
(5)
слг <9 (ы) нредстдигеет доНяи н^^сы^^ интегапдошися^ ^(^■^с^с^'^зЧа^с^^о пр^^р^д o^i^^j^^r- а нгИ^ацна илиегы можнаопределитн мсн^з^]^f^E^вal^ист н Па-аИ Мп-Д^н^^г^д^^^г^з^^ лгидналда HГOПpCДOДЯHЛЮ ВврОЯТНОСТИ -ИсОнсиОШИбки для ам-паитудно^^алсигыгаымнногд дишола нpoизпддииcял ж^г^а^нд^ю даИа^ 1Ри риг. 4 -(зедствелены дависвенстипшибкиот отеошения сигнал/шум для цифровых амплитудгыхиодозяций (ЭДК и ВД^
^дирим графики апнитуд но-м анвауе яниИ|Псмлсoycтoйчивоcтa сига ива с исгддг^ч ои ыaнрпyмяaгны ООд нгггса пенихоустгйчичяыии г линанаым ам-пигд^НЧаг-ЛЕЧни и-лированным СЕ^^н^лнгиг (ВАдК). ы"с о, п|пи ^ео^ояыгогни Твтааой 9-- и {a-3, ониилгпиы снон^лГгдкм ОН/9{- ег ^3 дБ ддн аммстщной мвагпс-ляции ООК, а для двоичного ASK примерно 10,3 дБ, что на 3 дБ выше.
Проведем спектральный анализ амплитудно-манипулированных сигналов ООК и BASK с помощью преобразования Фурье в среде Matlab.
График BER для ООК и BASK модуляций
Сравним эти сигналы без воздействия белого гауссовского шума (рис. 5). Основной максимум амплитуды спектральной плотности сигнала для амплитудных манипуляций совпадает и находится на частоте 6 ГГц. Амплитуда сигнала с BASK выше, чем сигнала с OOK за счет вклада радиосигнала, определяющего "0" бит информации. Две боковые полосы имеют одинаковые амплитуды. Ширина спектра сигнала с OOK-модуляцией больше, чем сигнала с BASK-модуляцией.
Амплитудные виды манипуляции имеют невысокую энергетическую эффективность вследствие того, что средний уровень мощности боковых полос существенно меньше максимального значения мощности. Ошибка в амплитуде сигнала из-за нелинейности усилителя приведет непосредственно к символьной ошибке, т.к. значение символа определяется амплитудой сигнала. Отношение максимальной амплитуды сигнала к минимальной достаточно высоко и требует усилителя с большим динамическим диапазоном. Влияние аддитивного шума или помехи непосредственно изменяет амплитуду сигнала, поэтому амплитудные виды модуляции не обладают высокой помехоустойчивостью. Однако они достаточно просты в реализации.
Преобразование Фурье
Гpмфичзкнндсмoсти х(П) предстагыеа на рис. 3 (треаий cвepмeГ■Учииывaл, чоо aлнлптyдaнocс9енe ылишкда боиьшсп,агфрово3 сигннл навыходе нвием-НИКдНОЛНОСТиЮ СОИИбДссТ CИЛ0ДHЫMCИШa907|
Оцепим ппсeaeсатoин1чнсть канала гвснн, дредстясленногонс рис. 1. Кчо личедтаенно нсмexoyстoйнролсто цифнснои ад/сполинии будем сapaччepизaрa(ъ вероятаыстью дииосаы ошибки (BaR - Bit Erro{ Rate)- ии. отнешссиа ч еисзажена ныы биаы д а общису ыисла ^и]-<го( гз^-иат^онтг, внроятности Лииоиой ошинЗыи ит oчнзямння cигнaе/иJyмnoзвoляeт с^н^-^дэ идчипово г^г^^^с^^ инфосманн^Вяыс-яиныднрГ^l^Е^{^^oйимибкт гля радиосигнала с амплитудной манипуляцией OOK
вснлиинооть -инсвои нагиб ки для бинарной амплитудной манипуляции BASK определяется по формуле [5]:
' IlL
Hi
5.5 6 6.5 Мамтотм (ИГы)
Рис. 5. Амплитуды спектров амплитудно-манипулированных сигналов
Передача информации в виде цифрового сигнала
С/Ш (дБ)
Рис. 4. График вероятности битовых ошибок от отношения сигнал/шум дляамплитудных манипуляцийООК и ВА5К
Рис. 6. Графики сигналов с BASK модуляцией
На рис. 6 смоделированы графики сигналов с бинарной амплитуд-но-манипулированным сигналом. При амплитудах радиосигнала символа "1" равного 10 В и радиосигнала символа "0"- 5 В и при воздействии помехи амплитудой до 14 В. В процессе демодуляции радиосигнала с помехой на приемнике происходит сбой двух символов информации, что составляет 20% потери битов.
На рис. 7 представлены аналогичные графики для ООК-модуляции при тех же параметрах радиосигнала символа "1" и помехи. В процессе демодуляции радиосигнала спомехой наприемнике нетсбоев,что свидетельствует о высокой помехоустойчивости сигнала с ООК-модуляцией по сравнению BASK-модуляцией.
Учитывая невысокую помехоустойчивость СВЧ-сигналов с амплитудной манипуляцией, их применение ограничено. Они используются для передачи информации по волоконно-оптическим системам связи, а также для передачи телеметрической информации по космическим системам связи.
Таким образом, нами делаются следующие выводы:
1. В статье разработана функциональная схема цифрового канала передачи и приема СВЧ-сигнала с амплитудной манипуляцией OOK и BASK.
2. Разработаны программы оценки помехоустойчивости и эффективности сверхвысокочастотного сигнала с амплитудной манипуляцией в среде Matlab.
3. Расчеты помехоустойчивости приема сигналов с ASK-модуляцией показали, что сигналы с OOK-моду-ляцией обладают более высокой помехоустойчивостью по сравнению с бинарной амплитудной манипуляцией и более просты в реализации.
4. Даны рекомендации по применению этих сигналов в спутниковых системах связи для передачи телеметрической информации с борта космического аппарата на Землю, а также для передачи информации по волоконно-оптическим системам связи.
1. Скляр Б. Цифровая связь. Москва: Издательский дом Вильямс, 2003.
2. Волков Л.Н., Немировский М.С., Шинаков Ю.С. Системы цифровой радиосвязи: базовые методы и характеристики: учебное пособие. Москва: Эко-Трендз, 2005.
3. Беллами Дж. Цифровая телефония: Перевод с английского. Москва: Эко-Трендз, 2004.
4. ДьяконовВ.П. MatlabuS/mul/mkдлярадuоuнженеров.Москва:Профобразование, 2019.
5. Галкин В.А. Цифровая мобильная радиосвязь: учебное пособие для вузов. Москва: Горячая линия-Телеком, 2012.
References
1. Sklyar B. Cifrovaya svyaz'. Moskva: Izdatel'skij dom Vil'yams, 2003.
2. Volkov L.N.,Nemirovskij M.S.,Shinakov Yu.S. Sistemycifrovojradiosvyazi:bazovye metody iharakteristiki: uchebnoe posobie. Moskva: ^Eko-Trendz, 2005.
3. Bellami Dzh. Cifrovaya telefoniya: Perevod s anglijskogo. Moskva: 'Eko-Trendz, 2004.
4. D'yakonovV.P. Matlab iSimulinkdlyaradioinzhenerov. Moskva:Profobrazovanie,2019.
5. Galkin V.A. Cifrovaya mobil'naya radiosvyaz': uchebnoe posobie dlya vuzov. Moskva: Goryachaya liniya-Telekom, 2012.
Статья поступила в редакцию 11.01.22
УДК 372.857
Khaustov S.A., Cand. of Sciences (Biology), senior researcher, Moscow Region State University (Mytishi, Russia), E-mail: sa.khaustov@mgou.ru
IMPROVING PUPILS' CONFIDENCE IN COVID-19 VACCINATION ON BIOLOGY LESSONS STUDYING THE THEME "IMMUNITY". The paper presents results of determination the readiness of 8th grade pupils for possible vaccination for the prevention of coronavirus infection, identifies the reasons for the negative attitude, potential refusals and the main "anti-vaccination" arguments. The motivational-value attitude approaches and methods to rise the trust in the achievements of modern medicine for the prevention of mass diseases in the framework of biology lessons when studying the theme "Immunity" are proposed. The formulated ideas are implemented in the form of the author's project, the materials of which are intended for posting in free access and possible replication. The cognitive activity of the proposed project is based on principles of teaching in small groups, the use of lectures, discussions, role-playing game. Evaluation of the proposed approach application effectiveness to the formation of new beliefs for pupils revealed difficulties and limitations, which, among other things, reflects the general picture of the attitude of Russian society citizens to the problem of vaccination. The work is intended to raise controversial questions regarding the primary role of secondary school education in the formation of constructive beliefs and critical thinking, the fight against widespread misconceptions and myths, including with the aim of an adequate and responsible attitude to one's own health and the safety of people around.
Key words: immunity, coronavirus infection, COVID-19, biology teaching methods, individual-group training.
С.А. Хаустов, канд. биол. наук, ст. науч. сотр., Московский государственный областной университет, г. Мытищи,
E-mail: sa.khaustov@mgou.ru
ПОВЫШЕНИЕ УРОВНЯ ДОВЕРИЯ УЧАЩИХСЯ К ВАКЦИНАЦИИ ОТ COVID-19 НА УРОКАХ БИОЛОГИИ ПРИ ИЗУЧЕНИИ ТЕМЫ «ИММУНИТЕТ»
В работе представлены результаты оценки готовности учащихся 8-х классов к возможной вакцинации для профилактики коронавирусной инфекции, выявлены причины отрицательного отношения, потенциальных отказов и основные «антипрививочные» аргументы. Предложены подходы и методы выработки мотивационно-ценностной установки доверия к достижениям современной медицины для профилактики массовых заболеваний в рамках уроков биологии при изучении темы «Иммунитет». Сформулированные идеи реализованы в виде авторского проекта, материалы которого предназначены для размещения в свободном доступе и возможного тиражирования. Познавательная деятельность предложенного проекта основана на принципах обучения в малых группах, использования лекции, дискуссий, ролевой игры. Оценка эффективности применения предложенного подхода формирования новых для учащихся убеждений выявила сложности и ограничения, что, в прочем, отражает общую картину отношения граждан российского общества к проблеме вакцинации. Работа призвана поднять дискуссионные вопросы относительно первостепенной роли школьного образования в формировании конструктивных убеждений и критического мышления, борьбы с широко распространенными заблуждениями и мифами, в том числе с целью адекватного и ответственного отношения к своему здоровью и безопасности окружающих.
Ключевые слова: иммунитет, коронавирусная инфекция, COVID-19, методика преподавания биологии, индивидуально-групповое обучение.
Передача информации в виде цифрового сигнала
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 Время(с)
Рис. 7. Графики сигналов с OOK модуляцией
Библиографический список
