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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Simulazione della ricezione radio in condizioni di rumore e interferenze. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Progettista radioamatore La modellazione al computer sta diventando parte integrante della progettazione di radioamatori oggi, in quanto consente di evitare molti errori nei circuiti nelle fasi iniziali. Certo, la modellazione non risolve tutti i problemi: comunque, nella fase finale, sono necessarie la prototipazione e la messa a punto di un dispositivo reale, ma, molto probabilmente, non sarà richiesto un serio miglioramento. Nonostante le enormi possibilità dei programmi, ci sono sempre compiti che vanno oltre le tecniche standard descritte nel manuale dell'utente. L'autore dell'articolo propone un approccio non standard per risolvere il problema della simulazione della ricezione di segnali radio in condizioni di rumore e interferenze utilizzando il sistema PSpice. Questa tecnica può essere adattata a qualsiasi simulatore a disposizione del radioamatore. La simulazione di apparecchiature ricetrasmittenti su un computer è un compito molto difficile. L'essenza della ricezione radio è la selezione di un segnale utile sullo sfondo di rumore e interferenze. E se uno studio separato del trasmettitore e del ricevitore di solito non causa difficoltà, allora quando si cerca di considerare il loro lavoro congiunto, sorge il problema di descrivere adeguatamente il segnale all'ingresso del ricevitore, che è una miscela di un segnale utile trasmesso attraverso una radio canale con interferenze e rumore. La simulazione della ricezione radio senza interferenze e rumore, ovviamente, consente di valutare le prestazioni del dispositivo, ma non consente di valutare la qualità delle soluzioni tecniche utilizzate, inerenti alla ricezione radio. Il sistema di modellazione PSpice, incluso, ad esempio, nel pacchetto software OrCAD v.9.2, contiene strumenti per l'analisi del rumore. Tuttavia, sono destinati alla modalità a piccolo segnale, quando gli elementi del dispositivo sono considerati lineari vicino al punto operativo. Inoltre, è possibile studiare solo i dispositivi analogici e calcolare solo le densità spettrali del rumore. La tecnica proposta consente di analizzare la trasmissione combinata del segnale utile, del rumore e dell'interferenza nella modalità del segnale grande. Consideriamolo sull'esempio della modellazione di un semplice sistema di controllo remoto con un canale radio per un'auto. Ovviamente, si dovrebbe iniziare con lo studio delle condizioni specifiche della ricezione radio e la creazione di un modello matematico dell'ambiente di interferenza-rumore. Nel caso generale, il modello di un segnale con interferenza, che arriva dall'antenna all'ingresso del radioricevitore, può essere rappresentato dalla seguente formula:
dove UΣ(t) è il segnale di miscela totale all'uscita dell'antenna ricevente; Uс(t,λс) - segnale utile; λc - parametro informativo del segnale utile; Up(t,λp) - segnale di interferenza industriale; λp - parametro informativo dell'interferenza; Um(t) - rumore bianco. Il segnale utile dopo essere passato attraverso il canale radio subisce varie distorsioni. Partiamo dal presupposto che la parte anteriore del segnale è distorta e la sua ampiezza diminuisce, il che è tipico per la trasmissione sui canali di comunicazione. Nel nostro caso questo è sufficiente, poiché la trasmissione avviene a breve distanza. Le interferenze industriali possono essere molto diverse e il loro livello è tale che la ricezione diventa completamente impossibile. Dopo aver eliminato l'interferenza intenzionale (sebbene questo argomento possa essere molto interessante per l'analisi al computer), considera il caso in cui la fonte dell'interferenza è un'auto. Tutti gli altri disturbi e interferenze saranno rappresentati come rumore bianco. La fonte più potente di interferenza radio in un'auto è il circuito secondario del sistema di accensione [1; 2]. Il motivo del verificarsi dell'interferenza è una scarica di scintilla nelle candele, che si traduce in impulsi di corrente con fronti ripidi, il che spiega l'ampiezza significativa del loro spettro. La frequenza di ripetizione dell'impulso, a seconda della velocità dell'albero motore di un motore a quattro cilindri, varia da circa 20 a 200 Hz. Combinando il tutto, si ottiene il circuito risultante (Fig. 1) del generatore di miscela all'uscita dell'antenna del ricevitore, quindi per iniziare a modellare la ricezione radio in condizioni di interferenza e rumore, abbiamo bisogno dei modelli PSpice della sorgente del segnale utile con distorsioni UС, il generatore dell'inviluppo della tensione di interferenza dall'auto Uon , la sorgente di tensione del rumore dall'auto Un e la sorgente di tensione del resto del rumore Ush.
PSpice MODELLO DI SORGENTE DI RUMORE Lo schema del generatore di rumore casuale è mostrato in fig. 2.
Durante la modellazione, dovresti prestare attenzione a quanto segue: Eout è una sorgente di tensione controllata dalla tensione. Inseriscilo usando il nome con la lettera E all'inizio. Agisce come buffer e amplificatore di ridimensionamento. Invece, puoi usare il blocco GAIN analogico, che è disponibile nella libreria di distribuzione chiamata ABM.lib ed esegue funzioni simili; Vnoise è una sorgente di tensione lineare a tratti i cui valori vengono letti da un file di input memorizzato nella directory di lavoro. È stata utilizzata la sorgente di tensione VPWL_FILE, che ha l'attributo , poiché i valori verranno letti dal file di input. Attributo definito dalla voce: [pathl\pwlnoise.txt. La directory dovrebbe essere quella in cui vengono salvati tutti i file di progetto, inclusi i file schematici *.dsn. Salvare lo schema in un file denominato pwlnoise.dsn. La sorgente Vnoise genera una tensione casuale, il cui valore effettivo è 1 V. Chiameremo questo segnale "RAW" - la sorgente di rumore primaria (pezzo). Gli elementi Rfil e Cfil filtrano il segnale RAW e Eout lo amplifica a una tensione (valore effettivo) specificata dall'utente. Il segnale di rumore primario V(NOISE_RAW) (Fig. 3, grafico superiore) è uniformemente distribuito in frequenza. Il fattore di forma di tale segnale è di circa 1,8. La tensione di rumore ha una forma triangolare, dove ogni angolo è una discontinuità. Questa forma d'onda porta a uno spettro sin(x)/x che contiene armoniche che si estendono fino a frequenze molto alte e l'ampiezza del segnale diminuisce con l'aumentare della frequenza.
Il filtro RC elimina i problemi di convergenza causati dalla natura discontinua del segnale di rumore grezzo. Il segnale di rumore filtrato V(NOISE_FIL) (Fig. 3, grafico in basso) è più simile al rumore reale. PROGRAMMA DI GENERAZIONE CASUALE DI TENSIONE Il programma per la generazione delle sollecitazioni casuali è scritto nel linguaggio GW-BASIC (Tabella 1). Per digitarne il testo o apportare modifiche, è consentito utilizzare qualsiasi editor di testo.
Il testo del programma deve essere salvato in codici ASCII con il nome pwlnoise.bas (ad esempio, in Microsoft Word, il programma deve essere salvato come file di testo). A tavola. 2 fornisce spiegazioni per le linee del programma.
Prima di tutto, presta particolare attenzione alla riga 20 del programma. In esso, è necessario definire il percorso della directory di lavoro con i file di progetto. Dopo aver avviato il programma in modalità di dialogo, è necessario inserire tre valori: TIME STEP - passo temporale in secondi - timestamp tra i passi nella sorgente PWL. Questo parametro controlla parzialmente la larghezza di banda dello spettro e la velocità con cui viene scansionato il file dei valori sorgente. Ad esempio, se il passo viene ridotto, i valori del rumore casuale cambiano più velocemente nel tempo, l'ampiezza dello spettro del rumore aumenta e la velocità di visualizzazione del file dei valori diminuisce; TEMPO FINALE - tempo finale in secondi - tempo di funzionamento del generatore di rumore. Aumentandolo aumenta il numero di passi che sono inclusi nel PWL della sorgente di rumore; RMS NOISE è il valore effettivo della tensione di rumore in volt. Questo parametro influenza anche la velocità di visualizzazione del file e l'ampiezza dello spettro del generatore di rumore: più è grande, maggiore è la pendenza del fronte e, di conseguenza, l'ampiezza dello spettro del segnale. Il programma calcolerà e visualizzerà quattro parametri: Punti - il numero di punti che saranno inclusi nella sorgente di rumore PWL; Larghezza di banda - larghezza di banda a livello di -3 dB dal massimo dell'inviluppo dello spettro; Maximum Slew Rate - velocità massima approssimativa di elaborazione dei file; CFIL è la capacità del condensatore del filtro. Una volta completati tutti i calcoli necessari, il programma ricorderà di registrare i parametri TIME STEP, RMS NOISE e CFIL, che saranno successivamente necessari per creare un task di simulazione. Per trarre vantaggio dai risultati del programma, è necessario svolgere alcuni lavori preparatori. Accedere all'editor schematico di OrCAD Capture, aprire il file pwlnoise.dsn, in cui deve essere disegnato il diagramma del modello della sorgente di rumore (vedere la Figura 2) e apportare le seguenti modifiche. Impostare la capacità del condensatore CFIL sul valore calcolato dal programma. Impostare l'attributo GAIN Eout sul valore RMS immesso durante l'esecuzione del programma. Assicurati di inserire un numero senza una dimensione (il guadagno è adimensionale). Ad esempio, è necessario inserire "0.125", non "0.125V". Impostare la durata del tempo di analisi del transitorio (TRANSIENT) su FINAL TIME, il cui valore è stato inserito al momento dell'esecuzione del programma. Ora puoi simulare in PSpice e usare il programma PROBE nel solito modo. Le porte globali (RAW e FIL) semplificano l'utilizzo del modello del generatore di rumore in altre parti del progetto del circuito che richiedono una sorgente simile. Ma non dimenticare di eseguire nuovamente il programma pwlnoise.bas ogni volta che devi modificare i parametri della sorgente di rumore. PSpice-MODELLO DI GENERATORE DI INTERFERENZE Per creare un modello di interferenza da un'auto, è necessario un generatore di inviluppo di tensione di interferenza (Fig. 4).
La forma dell'inviluppo è un segnale che aumenta bruscamente in modo esponenziale, e poi anche esponenzialmente diminuisce gradualmente fino a zero. Ed è pieno di oscillazioni che hanno un carattere casuale. Per ottenere un segnale della forma desiderata, utilizziamo una tensione pulsata dalla sorgente V1, dopo averla "passata" attraverso il circuito integratore R1C1. Selezionando l'ampiezza della tensione e la costante di tempo del circuito RC, otteniamo l'inviluppo richiesto del segnale di interferenza (Fig. 5).
Scegliendo i parametri V1, V2, TD, TR TF, PW, PER della sorgente dell'impulso e la costante di tempo del circuito RC, impostiamo le necessarie caratteristiche temporali dell'inviluppo, che sono inerenti appunto all'interferenza dell'accensione dell'auto sistema. L'amplificatore buffer di tensione GAIN 1 è necessario per scalare l'ampiezza dell'inviluppo a un valore di 1 V. Successivamente, moltiplichiamo la tensione del segnale di inviluppo per la tensione del rumore utilizzando il blocco analogico MULT1 e otteniamo il segnale di rumore desiderato (Fig. 5, diagramma in basso). Variando il parametro PER della sorgente impulsiva V1 è possibile simulare una variazione della velocità dell'albero a gomiti del motore, e variando il parametro TD l'istante di occorrenza dell'interferenza rispetto al segnale utile. Utilizzando l'approccio proposto, è facile modellare molti altri tipi di interferenza industriale, non solo automobilistica. PSpice-MODELLO DI SEGNALE UTILE Supponiamo che il trasmettitore del sistema di controllo remoto sia composto da una parte digitale e una analogica. Il codice a impulsi viene utilizzato per trasmettere i comandi. Dal punto di vista di Pspice, un tale trasmettitore è un normale dispositivo digitale-analogico e non ci sono problemi particolari con la sua modellazione. Tuttavia, il tempo impiegato per il calcolo è molto elevato. Questo perché il sistema PSpice è costretto a scegliere il passo di integrazione in base alla velocità di variazione del segnale con la frequenza più alta. Pertanto, ha senso creare un modello semplificato ad alta velocità dell'equivalente del segnale di uscita del trasmettitore (Fig. 6) su sorgenti ideali.
Questo è molto più conveniente, poiché tale sorgente è molto più facile da controllare (quando si simulano condizioni di ricezione reali, potrebbe essere necessario variare la frequenza portante, l'ampiezza, la fase). Per tenere conto delle distorsioni del segnale nel canale radio, viene aggiunto un generatore di distorsione della forma del segnale, nel nostro caso un semplice circuito RC. PSpice - MODELLO A SEGNALE DELLA MISCELA Ora che tutti i modelli sono pronti, uniamoli. Questa infatti è l'equivalente di un'antenna ricevente (vedi Fig. 1), dalla cui uscita arriva il segnale totale all'ingresso del radioricevitore. È ovvio che per comodità di analisi nel modello è necessario prevedere la possibilità di regolare i rapporti segnale-rumore e segnale-rumore, nonché il livello del segnale totale per simulare l'attenuazione con l'aumentare distanza. Questo viene implementato utilizzando amplificatori intermedi GAIN1-GAIN4, inclusi agli ingressi e all'uscita del sommatore (vedi Fig. 1), il cui guadagno può essere rapidamente modificato prima del successivo avvio della simulazione. SIMULAZIONE RADIO PSpice È meglio preparare un'attività per la modellazione per la modalità TRANSIENT in forma grafica. Per fare ciò, invece di un'antenna, collego un modello di segnale misto al ricevitore radio. Ma prima di iniziare la modellazione, è necessario creare file di valori di due sorgenti di rumore indipendenti e calcolare la capacità CFIL dei filtri antialiasing. Il programma pwl-noise.bas dovrà essere usato due volte perché le sorgenti di rumore devono essere indipendenti. Al primo avvio del programma, creiamo i dati iniziali per la sorgente di rumore, che fa parte del generatore di rumore proveniente dall'impianto di accensione dell'auto, impostiamo ad esempio TIME STEP=6E-6 FINAL TIME=0.05, RMS NOISE =1. Di conseguenza, otteniamo CFIL=1,88 nF e rinominiamo il file generato denominato pwlnoise.txt in pwlnoise2.txt. Nel secondo caso, scriviamo i dati iniziali per lanciare la fonte del rumore casuale. Impostare TIME STEP=5E-6 FINAL T|ME= 0 05 RMS NOISE=1 Ottenere CFIL=1,6 nF e lasciare il file con il nome pwlnoise.txt. Ora puoi eseguire il programma di simulazione e vedere i risultati. Letteratura
Autore: O. Petrakov, Mosca
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