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라디오 전자 및 전기 공학의 백과사전 잡음 및 간섭 조건에서 라디오 수신 시뮬레이션. 무선 전자 및 전기 공학 백과사전
무선 전자 및 전기 공학 백과사전 / 라디오 아마추어 디자이너 컴퓨터 모델링은 초기 단계에서 많은 회로 오류를 방지할 수 있기 때문에 오늘날 아마추어 무선 설계의 필수적인 부분이 되고 있습니다. 물론 모델링이 모든 문제를 해결하는 것은 아닙니다. 어쨌든 최종 단계에서 실제 장치의 프로토 타이핑 및 조정이 필요하지만 대부분의 경우 심각한 개선이 필요하지 않습니다. 프로그램의 엄청난 가능성에도 불구하고 항상 사용 설명서에 설명된 표준 기술을 넘어서는 작업이 있습니다. 이 기사의 저자는 PSpice 시스템을 사용하여 잡음 및 간섭 조건에서 무선 신호 수신을 시뮬레이션하는 문제를 해결하기 위한 비표준 접근 방식을 제안합니다. 이 기술은 무선 아마추어가 사용할 수 있는 모든 시뮬레이터에 적용할 수 있습니다. 컴퓨터에서 트랜시버 장비를 시뮬레이션하는 것은 매우 어려운 작업입니다. 라디오 수신의 본질은 잡음과 간섭의 배경에 대해 유용한 신호를 선택하는 것입니다. 그리고 송신기와 수신기에 대한 별도의 연구가 일반적으로 어려움을 일으키지 않는 경우 공동 작업을 고려하려고 할 때 라디오 채널을 통해 전송되는 유용한 신호와 간섭 및 잡음이 혼합 된 수신기 입력 신호를 적절하게 설명하는 데 문제가 발생합니다. 물론 간섭과 노이즈가 없는 무선 수신 시뮬레이션을 통해 장치의 성능을 평가할 수 있지만 무선 수신에 내재된 기술 솔루션의 품질을 평가할 수는 없습니다. 예를 들어 OrCAD v.9.2 소프트웨어 패키지에 포함된 모델링 시스템 PSpice에는 노이즈 분석 도구가 포함되어 있습니다. 그러나 장치의 요소가 작동 지점 근처에서 선형으로 간주되는 소신호 모드를 위한 것입니다. 또한 아날로그 소자만 조사할 수 있으며 노이즈 스펙트럼 밀도만 계산할 수 있습니다. 제안된 기법은 대신호 모드에서 유용한 신호, 잡음, 간섭의 결합 전송을 분석할 수 있게 한다. 자동차용 라디오 채널이 있는 간단한 원격 제어 시스템을 모델링하는 예에서 이를 고려해 보겠습니다. 분명히 무선 수신의 특정 조건을 연구하고 간섭 잡음 환경의 수학적 모델을 만드는 것부터 시작해야 합니다. 일반적으로 안테나에서 라디오 수신기의 입력으로 오는 간섭 신호의 모델은 다음 공식으로 나타낼 수 있습니다.
여기서 UΣ(t)는 수신기 안테나 출력에서의 전체 혼합 신호입니다. Uс(t,λс) - 유용한 신호; λc - 유용한 신호의 정보 매개변수 Up(t,λp) - 산업 간섭 신호; λp - 간섭 정보 매개변수 Um(t) - 백색 잡음. 라디오 채널을 통과한 후 유용한 신호는 다양한 왜곡을 겪습니다. 신호의 전면이 왜곡되고 진폭이 감소한다고 가정합니다. 이는 통신 채널을 통한 전송에 일반적입니다. 우리의 경우 전송이 짧은 거리에서 발생하기 때문에 이것으로 충분합니다. 산업 간섭은 매우 다양할 수 있으며 그 수준은 수신이 완전히 불가능할 정도입니다. 의도적인 간섭을 제거한 후(이 주제는 컴퓨터 분석에 매우 흥미로울 수 있음) 간섭 소스가 자동차인 경우를 고려하십시오. 다른 모든 잡음과 간섭은 백색 잡음으로 표시됩니다. 자동차에서 가장 강력한 무선 간섭 소스는 점화 시스템의 1차 회로입니다[2; 20]. 간섭이 발생하는 이유는 스파크 플러그의 스파크 방전으로 인해 가파른 전면의 전류 펄스가 발생하여 스펙트럼의 상당한 폭을 설명합니다. 200기통 엔진의 크랭크축 속도에 따른 펄스 반복률은 약 XNUMX~XNUMXHz로 다양합니다. 모든 것을 결합하여 수신기 안테나의 출력에서 혼합 발생기의 결과 회로 (그림 1)를 얻습니다.따라서 간섭 및 잡음 조건에서 무선 수신 모델링을 시작하려면 왜곡이있는 유용한 신호 소스의 PSpice 모델이 필요합니다.
PSpice 노이즈 소스 모델 랜덤 노이즈 생성기의 구성이 그림에 나와 있습니다. 2.
모델링할 때 다음 사항에 주의해야 합니다. Eout은 전압 제어 전압 소스입니다. 처음에 문자 E가 있는 이름을 사용하여 입력하십시오. 버퍼 및 스케일링 증폭기 역할을 합니다. 대신 ABM.lib라는 배포 라이브러리에서 사용할 수 있고 유사한 기능을 수행하는 아날로그 GAIN 블록을 사용할 수 있습니다. Vnoise는 작업 디렉토리에 저장된 입력 파일에서 값을 읽는 조각별 선형 전압 소스입니다. 속성이 있는 전압 소스 VPWL_FILE이 사용되었습니다. , 입력 파일에서 값을 읽을 것이기 때문입니다. 기인하다 항목으로 정의됨: [pathl\pwlnoise.txt. 디렉토리는 회로도 *.dsn 파일을 포함하여 모든 프로젝트 파일이 저장되는 디렉토리여야 합니다. pwlnoise.dsn이라는 파일에 스키마를 저장합니다. 소스 Vnoise는 유효 값이 1V인 무작위 전압을 생성합니다. 이 신호를 "RAW"라고 부르겠습니다. 이는 기본 노이즈 소스(작업물)입니다. Rfil 및 Cfil 요소는 RAW 신호를 필터링하고 Eout은 이를 사용자가 지정한 전압(유효 값)으로 증폭합니다. 3차 노이즈 신호 V(NOISE_RAW)(그림 1,8, 위 그래프)는 주파수에서 균일하게 분포됩니다. 이러한 신호의 형상 계수는 약 XNUMX입니다. 노이즈 전압은 각 모서리가 불연속인 삼각형 모양을 갖습니다. 이 파형은 매우 높은 주파수까지 확장되는 고조파를 포함하는 sin(x)/x 스펙트럼으로 이어지며 신호의 진폭은 주파수가 증가함에 따라 감소합니다.
RC 필터는 원시 노이즈 신호의 불연속 특성으로 인해 발생하는 수렴 문제를 제거합니다. 필터링된 잡음 신호 V(NOISE_FIL)(그림 3, 하단 그래프)는 실제 잡음과 비슷합니다. 임의 전압 생성 프로그램 무작위 응력 생성 프로그램은 GW-BASIC 언어로 작성되었습니다(표 1). 텍스트를 입력하거나 변경하려면 모든 텍스트 편집기를 사용할 수 있습니다.
프로그램의 텍스트는 pwlnoise.bas라는 이름으로 ASCII 코드로 저장해야 합니다(예: Microsoft Word에서 프로그램은 텍스트 파일로 저장해야 함). 테이블에서. 2는 프로그램 라인에 대한 설명을 제공합니다.
우선 프로그램의 20번째 줄에 특별한 주의를 기울여야 합니다. 여기에서 프로젝트 파일이 있는 작업 디렉토리의 경로를 정의해야 합니다. 대화 모드에서 프로그램을 시작한 후 세 가지 값을 입력해야 합니다. TIME STEP - 초 단위의 시간 단계 - PWL 소스의 단계 간 타임스탬프. 이 매개변수는 스펙트럼의 대역폭과 소스 값 파일이 스캔되는 속도를 부분적으로 제어합니다. 예를 들어 단계가 줄어들면 랜덤 노이즈 값이 시간이 지남에 따라 더 빠르게 변하고 노이즈 스펙트럼의 폭이 증가하며 값 파일을 보는 속도가 감소합니다. FINAL TIME - 최종 시간(초) - 소음 발생기 작동 시간. 이를 높이면 노이즈 소스의 PWL에 포함되는 단계 수가 증가합니다. RMS NOISE는 유효 노이즈 전압 값(볼트)입니다. 이 매개 변수는 또한 파일을 보는 속도와 노이즈 생성기의 스펙트럼 폭에 영향을 미칩니다. 크기가 클수록 전면의 경사도가 커지고 결과적으로 신호 스펙트럼의 폭이 커집니다. 프로그램은 3개의 매개변수를 계산하고 표시합니다. 포인트 - PWL 노이즈 소스에 포함될 포인트 수; 대역폭 - 최대 스펙트럼 포락선에서 -XNUMXdB 수준의 대역폭 최대 슬루율 - 대략적인 최대 파일 처리 속도; CFIL은 필터 커패시터의 커패시턴스입니다. 필요한 모든 계산이 완료되면 프로그램은 나중에 시뮬레이션 작업을 생성하는 데 필요한 TIME STEP, RMS NOISE 및 CFIL 매개변수를 기록하도록 알려줍니다. 프로그램 결과를 활용하려면 몇 가지 준비 작업을 수행해야 합니다. OrCAD Capture 도식 편집기에 들어가 노이즈 소스 모델 다이어그램을 그려야 하는 pwlnoise.dsn 파일을 열고(그림 2 참조) 다음과 같이 변경합니다. CFIL 커패시터의 커패시턴스를 프로그램에서 계산된 값으로 설정합니다. GAIN Eout 속성을 프로그램이 실행될 때 입력된 RMS 값으로 설정하십시오. 차원 없이 숫자를 입력했는지 확인하십시오(게인은 차원이 없음). 예를 들어 "0.125V"가 아닌 "0.125"를 입력해야 합니다. 과도 해석 시간(TRANSIENT)의 지속 시간을 프로그램 실행 시 입력한 값인 FINAL TIME으로 설정합니다. 이제 PSpice에서 시뮬레이션하고 일반적인 방식으로 PROBE 프로그램을 사용할 수 있습니다. 글로벌 포트(RAW 및 FIL)를 사용하면 유사한 소스가 필요한 회로 설계의 다른 부분에서 노이즈 생성기 모델을 더 쉽게 사용할 수 있습니다. 그러나 노이즈 소스 매개변수를 변경해야 할 때마다 pwlnoise.bas 프로그램을 다시 실행하는 것을 잊지 마십시오. 간섭 발생기의 PSpice-모델 자동차에서 간섭 모델을 생성하려면 간섭 전압 포락선 생성기가 필요합니다(그림 4).
엔벨로프의 모양은 기하급수적으로 급격히 증가한 다음 지수적으로 점차 1으로 감소하는 신호입니다. 그리고 그것은 임의의 특성을 가진 진동으로 가득 차 있습니다. 원하는 모양의 신호를 얻기 위해 적분 회로 R1C1을 통해 "통과"한 후 소스 V5의 펄스 전압을 사용합니다. 전압 진폭과 RC 회로의 시정수를 선택하여 필요한 간섭 신호 포락선을 얻습니다(그림 XNUMX).
펄스 소스의 V1, V2, TD, TR TF, PW, PER 매개 변수와 RC 회로의 시정수를 선택하여 자동차 점화 시스템의 간섭에 정확하게 내재된 엔벨로프의 필요한 시간 특성을 설정합니다. 포락선의 진폭을 1V 값으로 조정하려면 전압 버퍼 증폭기 GAIN 1이 필요합니다. 다음으로 아날로그 블록 MULT1을 사용하여 엔벨로프 신호의 전압에 노이즈 전압을 곱하고 원하는 노이즈 신호를 얻습니다(그림 5, 하단 다이어그램). 펄스 소스 V1의 매개변수 PER을 변경하여 엔진 크랭크축 속도의 변화를 시뮬레이션하고 매개변수 TD를 변경하여 유용한 신호와 관련된 간섭 발생 순간을 시뮬레이션할 수 있습니다. 제안된 접근 방식을 사용하면 자동차뿐만 아니라 다른 많은 유형의 산업 간섭을 쉽게 모델링할 수 있습니다. PSpice-유용한 신호 모델 원격 제어 시스템의 송신기가 디지털 부분과 아날로그 부분으로 구성되어 있다고 가정해 보겠습니다. 펄스 코드는 명령을 전송하는 데 사용됩니다. Pspice의 관점에서 볼 때 이러한 송신기는 일반적인 디지털-아날로그 장치이며 모델링에 특별한 문제가 없습니다. 그러나 계산에 소요되는 시간은 매우 높습니다. 이는 PSpice 시스템이 주파수가 가장 높은 신호의 변화율을 기반으로 통합 단계를 선택해야 하기 때문입니다. 따라서 이상적인 소스에서 등가 송신기 출력 신호(그림 6)의 단순화된 고속 모델을 생성하는 것이 좋습니다.
이러한 소스는 제어하기가 훨씬 쉽기 때문에 훨씬 더 편리합니다(실제 수신 조건을 시뮬레이션할 때 반송파 주파수, 진폭, 위상을 변경해야 할 수 있음). 무선 채널의 신호 왜곡을 고려하기 위해 신호 모양 왜곡 생성기가 추가되었습니다. 이 경우에는 간단한 RC 회로입니다. PSpice - 혼합 신호 모델 이제 모든 모델이 준비되었으므로 병합하겠습니다. 실제로 이것은 전체 신호가 라디오 수신기의 입력에 도달하는 출력에서 수신 안테나(그림 1 참조)와 동일합니다. 모델에서 분석의 편의를 위해 거리 증가에 따른 감쇠를 시뮬레이션하기 위해 전체 신호의 레벨뿐만 아니라 신호 대 잡음비 및 신호 대 잡음비를 조정할 수 있는 가능성을 제공해야 합니다. 이것은 가산기의 입력과 출력에 포함된 중간 증폭기 GAIN1-GAIN4를 사용하여 구현되며(그림 1 참조), 시뮬레이션의 다음 시작 전에 게인을 빠르게 변경할 수 있습니다. PSpice 라디오 시뮬레이션 TRANSIENT 모드에 대한 모델링 작업을 그래픽 형식으로 준비하는 것이 좋습니다. 이를 위해 안테나 대신 혼합 신호 모델을 라디오 수신기에 연결합니다. 그러나 모델링을 시작하기 전에 두 개의 독립적인 노이즈 소스 값 파일을 만들고 안티앨리어싱 필터의 커패시턴스 CFIL을 계산해야 합니다. 노이즈 소스가 독립적이어야 하므로 pwl-noise.bas 프로그램을 두 번 사용해야 합니다. 프로그램을 처음 시작할 때 자동차 점화 시스템의 소음 발생기의 일부인 소음원에 대한 초기 데이터를 생성해 보겠습니다 예를 들어 TIME STEP=6E-6 FINAL TIME=0.05, RMS NOISE=1로 설정하겠습니다. 결과적으로 CFIL=1,88 nF가 되고 pwlnoise.txt라는 생성된 파일의 이름을 pwlnoise2.txt로 바꿉니다. 두 번째 경우에는 초기 데이터를 작성하여 임의 노이즈 소스를 시작합니다. TIME STEP=5E-6 FINAL T|ME= 0 05 RMS NOISE=1로 설정 CFIL=1,6 nF를 얻고 파일 이름을 pwlnoise.txt로 둡니다. 이제 시뮬레이션 프로그램을 실행하고 결과를 볼 수 있습니다. 문학
저자: O. Petrakov, 모스크바
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