CC BY
22Н.В. Ипатова, А.А Ипатов, Т.В. Гордяскина
Исследование процесса преобразования сигналов в радиотехническом канале связи с ...
УДК 519.876.5
Н.В. Ипатова, студент ФГБОУВО «ВГУВТ» А.А. Ипатов, студент ФГБОУ ВО «ВГУВТ» Т.В. Гордяскина, доцент, к.ф-м.н., ФГБОУ ВО «ВГУВТ» 603951, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СИГНАЛОВ В РАДИОТЕХНИЧЕСКОМ КАНАЛЕ СВЯЗИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРОГРАММНОЙ СРЕДЫ MATLAB SIMULINK R2009B
Ключевые слова: Радиотехнический канал связи, цифровой радиотехнический сигнал, частота дискретизации, белый шум, моделирование в программной среде Simulink Matlab.
Исследуется процесс преобразования передаваемого сообщения по радиотехническому каналу связи в программной среде SimulinkMatlab R2009 со встроенным пакетом.
Развитие инновационных технологий в образовании позволяет в рамках учебного процесса сформировать у студентов способность к генерированию идей, решению задач по созданию теоретических моделей, позволяющих прогнозировать изменение свойств объектов профессиональной деятельности. Внедрение в учебный процесс компьютерных технологий позволяет создавать модели «классических объектов», участвующих в формировании, передаче и обработке радиотехнических сигналов. Рассмотрим «классическую модель» радиотехнического канала связи [1, 2], рис. 1.
Рис. 1. Радиотехнический канал связи
Сформированный в передающем устройстве радиотехнический сигнал (высокочастотный сигнал, содержащий полезную передаваемую информацию) излучается в виде электромагнитных волн в окружающую среду, где подвергается воздействию помех, затем смесь «радиосигнал + шум» поступает на приемное устройство, где в процессе обработки выделяется полезная передаваемая информация.
В процессе распространения в окружающем пространстве сигнал подвергается как природным (электромагнитные импульсы при ударе молний и т.д.), так и техногенным помехам (промышленные электромагнитные помехи, ретрансляционные вышки, стены зданий и т.д.). В радиотехнических системах уровень полезного сигнала соизмерим с уровнем собственных шумов источника сигнала, что создает существенные трудности при обработке этих сигналов.
Наряду с теоретическим изучением физических процессов в радиотехническом канале связи существует наиболее наглядный метод исследования - компьютерное моделирование в программной среде МайаЬ со встроенным пакетом Simulink [1].
Модель радиотехнического канала связи, рассмотренная в [1], доработана и приближена к реальному процессу передачи сигнала: добавлен шум в процессе передачи в окружающем пространстве, а также рассмотрена возможность частотного уплотнения канала связи (рассмотрено два одновременно работающих передатчика и многоканальный приемник).
Проблема выделения сигнала из смеси сигнал/шум характерна для радионавигации и цифровых систем связи, поэтому рассмотрим влияние интенсивности помехи на выделение полезного сигнала.
При реализации радиотехнического канала связи используются блоки с параметрами, удовлетворяющими условиям теоремы Котельникова: частота дискретизации 200 кГц; источник сообщений (генератор управляющего сигнала) - гармонический сигнал с управляющей частотой 5 кГц, амплитудная модуляция с несущей частотой 50 кГц; источник «белого» шума; регистрирующие устройства - осциллограф и анализатор спектра.
Рис. 2. Модель радиотехнического канала связи в программной среде Simulink МаАаЬ
Рис. 3. Осциллограммы и спектры входного сигнала с управляющей частотой 5 кГц (блок Sine Wave), частотой дискретизации 200 кГц; и модулированного сигнала с несущей частотой 50 кГц (блок Modulator Passband)
Н.В. Ипатова, А.А. Ипатов, Т.В. Гордяскина
Исследование процесса преобразования сигналов в радиотехническом канале связи с
Рис. 4. Спектр, осциллограмма и панель настройки параметров блока White Noise - «белый» шум
| ш ¡Щ ян ¡Н Si Н Ж Ш Ш ИЭ
Рис.5. Спектр, осциллограмма сигнала на входе приемника (выход блока Add) при соотношении сигнал/шум = 5
Рис. 6. АЧХ полосового нерекурсивного цифрового фильтра (ЦФ) на входе приемника, спектр и осциллограмма выходного демодулированного сигнала (блок Demodulator Passband)
Так как основной задачей радиотехнического канала связи является передача сигнала через радиотехнический канал без потери качества, то анализируя осциллограмму и спектр выходного сигнала, следует отметить, что сигнал доставлен получателю без потерь, то есть удалось выделить полезный сигнал из смеси сигнал/шум.
Исследуем процессы в канале при увеличении интенсивности шума в среде распространения сигнала.
Рис.7. Спектр, осциллограмма и панель настройки параметров блока «белый» шум
Н.В. Ипатова, А.А. Ипатов, Т.В. Гордяскина
Исследование процесса преобразования сигналов в радиотехническом канале связи с
Увеличение интенсивности шума (мощность шума соизмерима с мощностью передаваемого сигнала) приводит к искажениям, но в принимаемом сигнале можно выделить передаваемый полезный сигнал (рис. 8).
Рис. 8. Спектры, осциллограммы сигнала на выходе блока Add, на выходе приемника при соотношении сигнал/шум =1,5
При дальнейшем увеличении мощности шума (сигнал/шум <1) «полезный» передаваемый сигнал практически не выделяется приемником.
Исследуем процессы при частотном уплотнении радиотехнического канала связи. Смоделируем ситуацию, когда одновременно ведется передача радиосигналов от двух передатчиков в разных диапазонах частот, то есть используется частотное уплотнение каналов и один многоканальный приемник (рис. 9). Переключение каналов приемника моделируется с помощью ключа.
Рис. 9. Структура радиотехнического канала связи с частотным уплотнением
Рассмотрим процессы в канале 1 приемника, настроенного на несущий сигнал от передатчика 1 (полосовой нерекурсивный ЦФ настроен на прием сигнала от передатчика 1, детектор настроен на частоту несущего сигнала передатчика 1) (рис. 10-12).
Рис. 10. Осциллограмма и спектр входного сигнала с управляющей частотой 10 кГц, модулированного сигнала на выходе первого передатчика с несущей частотой 100 кГц и частотой дискретизации 500 кГц
Щ 10 Ш Шг Ш
Рис. 11. АЧХ полосового нерекурсивного фильтра на входе и сигнал на выходе канала 1 приемника
Н.В. Ипатова, А.А Ипатов, Т.В. Гордяскина
Исследование процесса преобразования сигналов в радиотехническом канале связи с
Сигнал от первого передатчика восстановлен без потери качества, а сигнал от второго передатчика полностью подавляется в приемнике (выходной сигнал с канала 2 приемника отсутствует). Аналогичным образом преобразуется сигнал от второго передатчика.
Анализируя полученные результаты, следует отметить, что исследованная модель радиотехнического канала связи позволяет с достаточной высокой степенью точности воспроизвести процессы, происходящие при реальной беспроводной передаче сигналов.
Список литературы:
[1] Филинова Н.В. Цифровая обработка детерминированных сигналов в программной среде Simulink МайаЬ К2009 / Н.В. Филинова, А.А. Ипатов, Т.В. Гордяскина // Проблемы использования и инновационного развития внутренних водных путей в бассейнах великих рек: Интернет журнал широкой научной тематики. - 2016. - Вып. 5. - Режим доступа: Ы1р://вф-река-море.рф/ (0,3 печ.л.).
[2] Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы: учебник для вузов. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1986. - 512 с.
THE STUDY OF THE SIGNAL CONVERSION PROCESS IN THE RADIO COMMUNICATION CHANNEL USING THE SOFTWARE MATLAB SIMULINK R2009B
N. V. Ipatova, A.A. Ipatov, T. V. Gordyaskina
Key words: Radio communication channel, digital radio signal, sampling frequency, white noise, modeling in the software environment Simulink of Matlab.
The authors research the process of the transmitted message transformation in the radio communication channel in the software environment Simulink of Matlab R2009 with a built-in package.
Статья поступила в редакцию 16.01.2017 г.
