МЕТОДИКА ОБУЧЕНИЯ ОСНОВАМ МОДЕЛИРОВАНИЯ И ПРАКТИЧЕСКОЙ РЕАЛИЗАЦИИ БЛОКОВ МНОГОКАНАЛЬНОГО ПРИЕМНОГО УСТРОЙСТВА
Авторы:
1.
Волжский государственный университет водного транспорта
(кандидат физико-математических наук, доцент; доцент кафедры радиоэлектроники)
сотрудник
сотрудник
2.
Волжский государственный университет водного транспорта
(кандидат технических наук, доцент; доцент кафедры радиоэлектроники)
Тип:
Статья
Страницы:
с 94
по 104
Статус:
Опубликован
Получено:
03.06.2022
Одобрено:
11.07.2022
Опубликовано:
28.07.2022
Классификаторы:
УДК 519.876.5 Цифровое имитирование и моделирование систем
Язык материала:
русский
Ключевые слова:
цифровые радиоэлектронные средства, радиотехнический канал связи, преобразователь частоты, сигнальный процессор, многоканальное приемное устройство
Аннотация (русский):
Приводится методика синтеза и исследования принципов функционирования радиотехнических многоканальных приемных устройств на базе цифрового сигнального процессора TMS320C5510. Методика синтеза модели объекта профессиональной деятельности – многоканального приемного устройства – включает 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. 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 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, в учебный процесс позволит увеличить качество и эффективность формирования профессиональных компетенций у будущих выпускников специальности «Техническая эксплуатация транспортного радиооборудования», повысит их конкурентоспособность на рынке труда.
Приводится методика синтеза и исследования принципов функционирования радиотехнических многоканальных приемных устройств на базе цифрового сигнального процессора TMS320C5510. Методика синтеза модели объекта профессиональной деятельности – многоканального приемного устройства – включает 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. 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 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, в учебный процесс позволит увеличить качество и эффективность формирования профессиональных компетенций у будущих выпускников специальности «Техническая эксплуатация транспортного радиооборудования», повысит их конкурентоспособность на рынке труда.
Ключевые слова:
цифровые радиоэлектронные средства, радиотехнический канал связи, преобразователь частоты, сигнальный процессор, многоканальное приемное устройство
цифровые радиоэлектронные средства, радиотехнический канал связи, преобразователь частоты, сигнальный процессор, многоканальное приемное устройство
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. Об утверждении федерального государственного образовательного стандарта высшего образования - специалитет по специальности 25.05.03 Техническая эксплуатация транспортного радиооборудования: приказ Министерства образования и науки Российской Федерации от 21 августа 2020 г. № 1082 (ред. от 26.11.2020). URL: https://legalacts.ru/doc/prikaz-minobrnauki-rossii-ot-21082020-n-1082-ob-utverzhdenii/ (дата обращения: 11.05.2022).
2. Плющаев В. И. Система контроля и передачи судовых технологических параметров береговым службам // Автоматизация и современные технологии. 2012. № 2. С. 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. Галкин Д. Н., Итальянцев С. А., Плющаев В. И. Компьютеризованная система управления пассажирским колесным теплоходом // Речной транспорт (XXI век). 2014. № 6. C. 29-31.
5. Bazylev А. 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 (дата обращения: 11.05.2022).
7. Code Composer Studio Development Tools v3.3. Getting Started Guide / spru509h.pdf. URL: http://www.ti.com/litv/pdf/spru509h (дата обращения: 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. Гордяскина Т. В., Грошева Л. С. Исследование элементов судовой приемо-передающей аппаратуры на базе сигнального процессора TMS320C5510 // Вестн. Волж. гос. акад. вод. трансп. 2020. Вып. 63. С. 40-48.
10. Гордяскина Т. В., Грошева Л. С. Реализация синхронного детектора с применением сигнального процессора TMS320C5510 // Вестн. Волж. гос. акад. вод. трансп. 2018. Вып. 54. С. 20-29.
