METHODS OF TEACHING BASICS OF MODELING AND PRACTICAL IMPLEMENTATION OF BLOCKS OF MULTICHANNEL RECEIVER
Authors:
1.
Volga State University of Water Transport
(Candidate of Physico-mathematical Sciences, Assistant Professor; Assistant Professor of the Department of Radio Electronics)
2.
Volga State University of Water Transport
(Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor; Assistant Professor of the Department of Radio Electronics)
Type:
Article
Pages:
from 94
to 104
Status:
Published
Received:
03.06.2022
Accepted:
11.07.2022
Published:
28.07.2022
Subject area:
UDK 519.876.5 Цифровое имитирование и моделирование систем
Language:
Russian
Keywords:
digital radio-electronic means, radio-technical communication channel, frequency converter, signal processor, multichannel receiver
Abstract (English):
The paper presents methods of synthesis and research of the principles of functioning the radio-technical multichannel receivers in a case of a TMS320C5510 digital signal processor. The method of synthesizing a model of an object of professional activity – a multichannel receiver - includes the following stages: theoretical study of the structure and principles of functioning of a digital multichannel receiver of a radio communication channel; computer modeling of the main processes in the receiving radio equipment in the Matlab environment; a laboratory experiment on developing and studying a model of a digital multichannel receiver on a laboratory stand DSK-5510. Conducting the research and the practical work on studying and synthesizing the object of professional activity in case of a model of a heterodyne radio receiver allows students, within the framework of one task, to gain theoretical knowledge about the structure and functioning of complex radio engineering systems, to master methods of radio measurements in digital equipment, to gain skills in technical diagnostics of hardware and software systems, to learn how to choose the measured technical parameters and control points. Introducing the research methods, which include both the theoretical study and computer modeling the processes in complex radio engineering systems, and practical implementing these systems on modern digital equipment in the educational process will increase the quality and efficiency of developing the professional competencies of the future graduates of the specialty “Technical Operation of Transport Radio Equipment” and raise their competitiveness in the labor market.
The paper presents methods of synthesis and research of the principles of functioning the radio-technical multichannel receivers in a case of a TMS320C5510 digital signal processor. The method of synthesizing a model of an object of professional activity – a multichannel receiver - includes the following stages: theoretical study of the structure and principles of functioning of a digital multichannel receiver of a radio communication channel; computer modeling of the main processes in the receiving radio equipment in the Matlab environment; a laboratory experiment on developing and studying a model of a digital multichannel receiver on a laboratory stand DSK-5510. Conducting the research and the practical work on studying and synthesizing the object of professional activity in case of a model of a heterodyne radio receiver allows students, within the framework of one task, to gain theoretical knowledge about the structure and functioning of complex radio engineering systems, to master methods of radio measurements in digital equipment, to gain skills in technical diagnostics of hardware and software systems, to learn how to choose the measured technical parameters and control points. Introducing the research methods, which include both the theoretical study and computer modeling the processes in complex radio engineering systems, and practical implementing these systems on modern digital equipment in the educational process will increase the quality and efficiency of developing the professional competencies of the future graduates of the specialty “Technical Operation of Transport Radio Equipment” and raise their competitiveness in the labor market.
Keywords:
digital radio-electronic means, radio-technical communication channel, frequency converter, signal processor, multichannel receiver
digital radio-electronic means, radio-technical communication channel, frequency converter, signal processor, multichannel receiver
Введение
В соответствии с Федеральным государственным образовательным стандартом 3++ специальности 25.05.03 «Техническая эксплуатация транспортного радиооборудования» [1] к объектам професси-ональной деятельности выпускников относятся:
– системы радиолокации, радионавигации и радиосвязи;
– средства контроля и технической диагностики судового радиооборудования;
– автоматизированные идентификационные системы и комплексы, выполненные на базе цифровых аппаратно-программных систем, обеспечивающие безопасность судоходства [2–5];
– оборудование глобальной морской системы связи при бедствии.
Одним из объектов профессиональной деятельности выпускников является радиотехнический канал связи, в том числе УКВ и ПВ-КВ радиостанции. С целью более глубокого освоения компетенций
в учебном процессе студентам необходимо изучить структуру цифровых радиоэлектронных средств, процессы формирования, передачи, приема и обработки сигналов судовыми радиоэлектронными средствами, чему не представляется возможным научить на реальном радиоприемном устройстве.
Методика, предлагаемая в статье, позволяет
не только выполнить моделирование процессов, происходящих в приемном устройстве, но и реализовать макет приемного устройства с возможностью наблюдения всех этапов преобразования сигнала на цифровом осциллографе.
В лабораториях кафедры радиоэлектроники Волжского государственного университета водного транспорта для обучения используются лабораторные комплексы DSK-5510, основным элементом которых является цифровой сигнальный процессор, предназначенный для обработки больших потоков информации в режиме реального времени, что позволяет реализовать модели оборудования цифрового канала связи и освоить методы синтеза и иссле-дования основных принципов функционирования цифровых радиоэлектронных средств [6–9].
В рамках дисциплины «Прикладные задачи цифровой обработки сигналов» обучающимся предлагается синтезировать и исследовать модель многоканального приемного устройства цифрового радиотехнического канала связи, реализуемого на базе аппаратно-программного комплекса [9, 10].
На кафедре радиоэлектроники ВГУВТ для студентов специальности 25.05.03 разработана методика синтеза модели объекта профессиональной деятельности – многоканального приемного устройства, включающая следующие этапы:
− теоретическое изучение структуры и принципов функционирования цифрового многоканального приемного устройства радиотехнического канала связи;
− компьютерное моделирование основных процессов в приемном радиооборудовании в программной среде Matlab;
− лабораторный эксперимент по разработке и исследованию модели цифрового многоканального приемного устройства на лабораторном стенде DSK-5510.
Рассмотрим подробнее предложенную методику на многоканальном (двухканальном) приемном устройстве.
Теоретическое изучение процессов в приемном устройстве
Структура и функционирование радиотехнического канала связи представлены на упрощенной модели (рис. 1) [9].
Рис. 1. Структура радиотехнического канала связи: УМ – усилитель мощности
Fig. 1. Structure of a radio communication channel: УМ - power amplifier
Современные радиоприемные устройства являются многоканальными, выполненными по супергетеродинному принципу, что позволяет существенно расширить количество принимаемых сигналов с различных передающих устройств.
В структуру приемного устройства вносится блок параметрического преобразователя частоты, позволяющий перенести спектры принятых радиосигналов с различных передающих устройств на фиксированную промежуточную частоту fpch = fget – fnes (рис. 2).
Рис. 2. Структурная схема приемного устройства супергетеродинного типа: UC (t) – входной сигнал;
ВЦ – входная цепь; УРЧ – усилитель радиочастоты; СМ – смеситель; ПФ – полосовой фильтр;
УПЧ – усилитель промежуточной частоты; ГЕТ – гетеродин; ФСИ – фильтр сосредоточенной избирательности;
ДЕМ (ДЕТ) – детектор; УЗЧ – усилитель звуковой частоты; UF (t) – выходной сигнал
Fig. 2. Structural diagram of a superheterodyne receiver: UC (t) - input signal; ВЦ - input circuit;
УРЧ - radio frequency amplifier; СМ - mixer; ПФ - bandpass filter; УПЧ - intermediate frequency amplifier;
ГЕТ - heterodyne; ФСИ - concentrated selectivity filter; ДЕМ (ДЕТ) - detector; УЗЧ – audio frequency amplifier;
UF (t) - output signal
Процесс переноса спектра радиосигнала, выделенного входной цепью – полосовым фильтром (ПФ) – и усиленного усилителем радиочастоты, осуществляется с помощью специального генератора гармонических колебаний – гетеродина, входящего в состав параметрического преобразователя частоты вместе с блоком смесителя и ПФ. Частота гетеродина перестраивается одновременно
с частотой входной цепи таким образом, чтобы разность частот fget – fnes= fpch всегда оставалась постоянной. Дальнейшая обработка принятого радиосигнала проводится на промежуточной частоте (усиление сигнала в усилителе промежуточной частоты, фильтрация радиосигнала в фильтре сосредоточенной избирательности, выделение передаваемого низкочастотного сообщения в детекторе, усиление низкочастотного звукового сигнала), что позволяет упростить схемотехническую структуру приемника.
Рассмотренная структура приемного устройства, применяемого в современной многоканальной радиосвязи, позволяет приобрести теоретические сведения об объекте профессиональной деятельности. Закрепить полученные знания и сформировать навыки технической диагностики реального оборудования позволят компьютерное моделирование процессов преобразования сигналов в приемном устройстве
и лабораторный эксперимент по его синтезу на цифровом аппаратно-программном комплексе.
Компьютерное моделирование процессов преобразования сигналов в приемном устройстве в Matlab
В M-файле программного пакета Matlab задаются параметры входного однотонального АМ-сигнала с учетом его дальнейшей реализации на DSK-5510, обрабатывающего сигналы в звуковом диапазоне частот и имеющего кодек с частотой дискретизации 48 кГц. При выборе параметров сигналов учитыва-ется то, что АМ-сигнал должен быть относительно узкополосным (fupr / fnes ≤ 0,1).
Параметрическое преобразование частоты АМ-сигнала.
Модель сигналов на входе смесителя параметрического преобразователя. Параметры сигнала на входе смесителя параметрического преобразователя: Fd = 48 000 Гц, fnes = 4 000 Гц, fupr = 200 Гц,
fget = 6 000 Гц, тогда fpch = fget – fnes = 2 000 Гц; индекс модуляции М = 1 (рис. 3, 4).
Рис. 3. Осциллограмма и спектр радиосигнала
Fig. 3. Oscillogram and spectrum of a radio signal
Рис. 4. Осциллограмма и спектр гетеродина
Fig. 4. Oscillogram and spectrum of a heterodyne
Модель сигнала на выходе смесителя параметрического преобразователя частоты. В цифровом смесителе производится перемножение однотонального АМ-сигнала и гармонического сигнала гетеродина, спектр сигнала на выходе смесителя становится полигармоническим, содержащим также составляющие в области промежуточных частот (рис. 5).
Рис. 5. Осциллограмма и спектр сигнала на выходе смесителя
Fig. 5. Oscillogram and spectrum of a signal at the mixer output
Модель сигнала на выходе параметрического преобразователя частоты. Выделение АМ-сигнала в области промежуточных частот проводится нерекурсивным цифровым полосовым фильтром, синтезированным в Graphic User Interface Signal Processing Toolbox (GUI SPTool).
Полигармонический сигнал с выхода смесителя импортируется в SPTool и подается на ПФ, амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) которого сформирована из условия прохождения АМ-сигнала без искажений в области промежуточных частот: полоса пропускания равна удвоенной частоте управляющего сигнала: П0,7 = 400 Гц = ШАМ (ширина спектра амплитудно-модулированного сигнала), коэффициенты затухания в полосах задерживания 60 дБ, в полосе пропускания не более 3 дБ. Пример рабочего окна с параметрами синтезируемого фильтра приведен на рис. 6.
Рис. 6. Пример амплитудно-частотной характеристики нерекурсивного цифрового полосового фильтра
Fig. 6. An example of a frequency response of a non-recursive digital bandpass filter
Отсчет сигнала ym на выходе синтезированного цифрового нерекурсивного фильтра формируется в результате дискретной свертки отсчетных значений входного сигнала xk и отсче-тов импульсной характеристики фильтра hm-k:
При синтезе АЧХ цифрового фильтра в Matlab синтезируются и коэффициенты импульсной характеристики фильтра, которые при практической реализации фильтра на сигнальном процессоре экспортируются из Matlab в Code Compose Studio (CCStudio) [7].
Модель радиосигнала (осциллограмма и спектр) на выходе ПФ демонстрирует перемещение
АМ-сигнала с несущей частоты 4 000 Гц на промежуточную частоту 2 000 Гц без изменения характера модуляции (рис. 7).
Рис. 7. Осциллограмма и спектр сигнала на выходе цифрового полосового фильтра
Fig. 7. Oscillogram and spectrum of a signal at the output of a digital bandpass filter
Детектирование АМ-сигнала.
Модель сигналов на выходе смесителя детектора. При детектировании сигнала на приемной стороне цифрового канала связи известны только параметры АМ-сигнала на промежуточной частоте
и значение этой промежуточной частоты, поэтому
в детекторе происходит перемножение АМ-сигнала, поступившего с выхода параметрического преобразователя, и гармонического сигнала, расположенного на промежуточной частоте:
Сформированный полигармонический сигнал содержит в том числе и гармонику, расположенную на частоте управляющего сигнала (полезный передаваемый сигнал). Модель сигнала, включающая осциллограмму и спектр сигнала на выходе смесителя детектора, приведена на рис. 8.
Рис. 8. Модель сигнала на выходе смесителя детектора
Fig. 8. Model of a signal at the output of the detector mixer
Модель сигналов на выходе цифрового низкочастотного фильтра детектора. Выделение полезного передаваемого сообщения – управляющего сигнала – проводится в цифровом фильтре низкой частоты (ЦФНЧ) детектора. Амплитудно-частотная характеристика синтезируется в SPTool исходя из условия прохождения управляющего сигнала без искажений fpass ≥ fupr (fpass – частота среза фильтра низкой частоты, fupr – частота управляющего сигнала). Пример выбора параметров фильтра приведен на рис. 9, модель «полезного» управляющего сигнала на выходе детектора – на рис. 10.
Рис. 9. Пример амплитудно-частотной характеристики нерекурсивного цифрового фильтра низкой частоты
Fig. 9. An example of the frequency response of a non-recursive digital low-pass filter
Рис. 10. Осциллограмма и спектр сигнала на выходе цифрового фильтра низкой частоты
Fig. 10. Oscillogram and spectrum of a signal at the output of a digital low-pass filter
Согласно результатам анализа выходного сигнала детектора в начальной области осциллограммы наблюдается переходный процесс, обусловленный заполнением фильтра отсчетными значениями входного сигнала, после завершения которого управляющее колебание выделено без потери качества. В спектре наблюдается одно гармоническое колебание на частоте управляющего сигнала.
Проведено компьютерное моделирование процесса преобразования сигналов в приемном устройстве гетеродинного типа на примере одного передающего устройства. Аналогично можно рассмотреть прием и обработку модулированных сигналов и с передающих устройств, работающих на других несущих частотах, необходимо только учитывать, что разность частот сигнала гетеродина
и несущего колебания всегда должна быть фиксированной, равной промежуточной частоте (в рассмотренном примере она равна 2 кГц).
Лабораторный эксперимент на аппаратно-программном комплексе DSK-5510
Собранная лабораторная установка (рис. 11) включает:
− аппаратно-программный комплекс DSK-5510, обеспечивающий программную реализацию блоков многоканального приемного устройства;
− функциональный генератор ADG-1010 (подает на вход однотональный амплитудно-модулированный сигнал);
− персональный компьютер;
− осциллограф PCS-500 со встроенным быстрым преобразованием Фурье, формирующим спектр исследуемого сигнала [9, 10].
Рис. 11. Лабораторная установка по моделированию многоканального приемного устройства на DSK-5510
Fig. 11. Laboratory equipment for modeling a multi-channel receiver on the laboratory stand DSK-5510
Методика эксперимента.
1. Единая частота дискретизации (fд) сигналов
в канале связи определяется техническими характеристиками DSK-5510, в котором используется кодек с аппаратно заложенной fд = 48 кГц, что позволяет дискретизировать сигналы звукового диапазона частот.
2. Управляющая программа для цифрового сигнального процессора, реализующая многоканальное приемное устройство и подготовленная в CCStudio, выполняет синтез гармонических сигналов на требуемых частотах, перемножение сигналов, фильтрацию нерекурсивными цифровыми фильтрами
и передачу текущего состояния сигналов на кодек для отображения на осциллографе. Параметры входного однополосного амплитудно-модулированного сигнала (например, Um = 40 мВ, М = 1,
fnes = 4 кГц, fupr = 200 Гц) выбираются в соответствии с теоремой Котельникова (Тдискр ≤ 1 / (2fверхн)), частотой дискретизации кодека и относительной узкополосностью амплитудно-модулированного сигнала (fupr / fnes ≤ 0,1) [9, 10]. Осциллограмма и спектр радиосигнала на входе смесителя многоканального приемника приведены на рис. 12.
Рис. 12. Осциллограмма и спектр радиосигнала на входе смесителя многоканального приемника
Fig. 12. Oscillogram and spectrum of the radio signal at the mixer input of a multichannel receiver
Гармонический сигнал с гетеродина задается на частоте f = fnes + 2000, что позволяет в смесителе перенести спектр АМ-сигнала на промежуточную частоту fpch = 2 кГц.
Перемноженный АМ-сигнал и гармонический сигнал гетеродина Signal[k] = sinetable[i] • sineNes[ii] (осциллограмма и спектр приведены на рис. 13) поступает на полосовой фильтр промежуточной частоты, параметры которого описаны функцией fir(Signal, hhPF, sinFil, db1, NT, NN).
Рис. 13. Осциллограмма и спектр радиосигналов на выходе смесителя многоканального приемника
Fig. 13. Oscillogram and spectrum of radio signals at the mixer output of a multichannel receiver
Параметры фильтра представлены коэффициентами импульсной характеристики, импортированными в проект из Matlab.
Отфильтрованный АМ-сигнал sinFil (рис. 14) проходит дальнейшую обработку на промежуточной частоте.
Рис. 14. Осциллограмма и спектр радиосигналов на выходе параметрического преобразователя
многоканального приемника
Fig. 14. Oscillogram and spectrum of radio signals at the output of the parametric converter of a multichannel receiver
Для этого используются коэффициенты импульсной характеристики нерекурсивного ЦФНЧ, предварительно рассчитанные в программном пакете Matlab GUI SPTool и импортированные в CCStudio.
Проводится синтез синхронного амплитудного детектора (на промежуточной частоте перемножается АМ-сигнал на гармоническое колебание, из полученного полигармонического сигнала нерекурсивным ЦФНЧ выделяется управляющий гармонический сигнал):
а) формирование гармонического сигнала на промежуточной частоте (WPCH) осуществляется по формуле
где – угловое приращение; – количество от-счетов гармонического сигнала на промежуточной частоте в одном колебании [9, 10];
б) для синхронизации фаз АМ-сигнала и гармонического колебания на промежуточной частоте осуществляется поиск первого максимального значения АМ-сигнала и фиксации его номера NumMax;
в) перемножение АМ-сигнала на гармонический сигнал промежуточной частоты (осциллограмма
и спектр приведены на рис. 15) выполняется, начиная с точки с номером NumMax, по формуле
где если
г) сформированный сигнал подается на вход нерекурсивного ЦФНЧ, который задан функцией fir(Signal, hh, sinFiltr, db, NT1, NH), в результате фильтрации из спектра полигармонического сиг-нала выделяется управляющее низкочастотное колебание, т. к. частота среза фильтра fsr выбирается равной частоте управляющего сигнала fupr.
Рис. 15. Осциллограмма и спектр сигнала после перемножения в детекторе приемника
Fig. 15. Oscillogram and spectrum of a signal after multiplying in the receiver detector
Отфильтрованное колебание с частотой
fupr = 200 Гц подается на кодек для отображения осциллограммы и спектра на осциллографе
PCS-500 (рис. 16) [9, 10].
Рис. 16. Осциллограмма и спектр управляющего сигнала на выходе приемника
Fig. 16. Oscillogram and spectrum of a control signal at the output of the receiver
Результаты лабораторного эксперимента наглядно демонстрируют работоспособность предложенной модели цифрового радиоприемного устройства гетеродинного типа. Полученный «полезный»
сигнал выделен из однотонального АМ-сигнала
на выходе приемного устройства без потери параметров: форма сигнала – гармоническая, частота
fupr = 200 Гц.
Заключение
Проведение исследований и практическая работа по изучению и синтезу объекта профессиональной деятельности на примере модели радиоприемного устройства гетеродинного типа позволяет студентам в рамках выполнения одной поставленной задачи получить теоретические знания
о структуре и функционировании сложных радиотехнических систем, освоить методы радиоизмерений в цифровом оборудовании, получить навыки технической диагностики аппаратно-программных систем, научиться выбирать измеряемые технические параметры и контрольные точки.
Внедрение в учебный процесс данной методики исследований, включающей как теоретическое изучение и компьютерное моделирование процессов в сложных радиотехнических системах, так
и практическую реализацию этих систем на современном цифровом оборудовании, позволит повысить качество и эффективность формирования профессиональных компетенций у будущих выпускников специальности «Техническая эксплуатация транспортного радиооборудования», повысит их конкурентоспособность на рынке труда.
1. Ob utverzhdenii federal'nogo gosudarstvennogo obrazovatel'nogo standarta vysshego obrazovaniya - specialitet po special'nosti 25.05.03 Tehnicheskaya ekspluataciya transportnogo radiooborudovaniya: prikaz Ministerstva obrazovaniya i nauki Rossiyskoy Federacii ot 21 avgusta 2020 g. № 1082 (red. ot 26.11.2020). URL: https://legalacts.ru/doc/prikaz-minobrnauki-rossii-ot-21082020-n-1082-ob-utverzhdenii/ (data obrascheniya: 11.05.2022).
2. Plyuschaev V. I. Sistema kontrolya i peredachi sudovyh tehnologicheskih parametrov beregovym sluzhbam // Avtomatizaciya i sovremennye tehnologii. 2012. № 2. S. 37-39.
3. Kuzmichev I. K., Plyushchaev V. I. Ways of the ship automatic mooring implementation within the framework of free shipping technology creation // Marine intellectual technologies. 2018. N. 4 (42). V. 2. P. 98-103.
4. Galkin D. N., Ital'yancev S. A., Plyuschaev V. I. Komp'yuterizovannaya sistema upravleniya passazhirskim kolesnym teplohodom // Rechnoy transport (XXI vek). 2014. № 6. C. 29-31.
5. Bazylev A. V., Plyushchaev V. I. Digital information system for inland water transport vessels based on AIS // Journal of Physics: Conference Series 2131. 2021. P. 032031. DOI:https://doi.org/10.1088/1742-6596/2131/3/032031.
6. Texas Instruments. URL: https://www.ti.com/lit/ds/symlink/tms320vc5510a.pdf?ts=1657548093643&ref_url=https%253A%252F%252Fwww.ti.com%252Fproduct%252FTMS320VC5510A (data obrascheniya: 11.05.2022).
7. Code Composer Studio Development Tools v3.3. Getting Started Guide / spru509h.pdf. URL: http://www.ti.com/litv/pdf/spru509h (data obrascheniya: 11.05.2022).
8. Schumaher L., Kermoal J. P., Mogensen P. E., Frederiksen F. A. Stochastic MIMO Radio Channel Model with Experimental Validation // IEEE Jornal on Selected Areas in Cjmmunications. 2002. V. 20. N. 6. P. 1211-1226.
9. Gordyaskina T. V., Grosheva L. S. Issledovanie elementov sudovoy priemo-peredayuschey apparatury na baze signal'nogo processora TMS320C5510 // Vestn. Volzh. gos. akad. vod. transp. 2020. Vyp. 63. S. 40-48.
10. Gordyaskina T. V., Grosheva L. S. Realizaciya sinhronnogo detektora s primeneniem signal'nogo processora TMS320C5510 // Vestn. Volzh. gos. akad. vod. transp. 2018. Vyp. 54. S. 20-29.
