close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

AndronnikovRomanova

код для вставкиСкачать
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное
образовательное учреждение высшего образования
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ
ИССЛЕДОВАНИЕ УСТРОЙСТВ
РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ
В СРЕДЕ ПРОГРАММНОГО ПРОДУКТА
SYSTEM VIEW
Методические указания
по выполнению лабораторных работ
Санкт-Петербург
2016
Составители: В. Б. Андронников, М. Я. Романова
Рецензент – кандидат технических наук, доцент О. С. Астратов
Содержатся краткие сведения о работе с программным продуктом System View применительно к исследованию радиоэлектронных
устройств, а также подробные инструкции по выполнению лабораторных работ по исследованию радиоэлектронных устройств, используемых в различных радиотехнических системах.
Предназначены для студентов, обучающихся по направлению
«Радиотехника», специальность 200700 – «Радиоэлектронные системы» при изучении курсов «Прием и обработка сигналов» и «Основы
радиолокации».
Публикуется в авторской редакции.
Компьютерная верстка Ю. В. Умницына
Подписано к печати 01.06.16. Формат 60 × 84 1/16.
Бумага офсетная. Усл. печ. л. 4,2. Тираж 50 экз. Заказ № 248.
Редакционно-издательский центр ГУАП
190000, Санкт-Петербург, Б. Морская ул., 67
© Санкт-Петербургский государственный
университет аэрокосмического
приборостроения, 2016
ВВЕДЕНИЕ
При изучении технических дисциплин успешному усвоению
знаний способствует наглядность представления устройств и протекающих в них процессов. Высокую наглядность при исследовании
каких-либо процессов, реализующих работу устройств радиотехнических систем, обеспечивают физические аппаратные средства.
С помощью измерительных приборов общего назначения можно
наблюдать процессы, протекающие в исследуемых устройствах,
в реальном времени. Тенденции развития техники в последние
десятилетия предполагают переход к представлению аналоговых
процессов в физических устройствах в дискретном виде с последующей обработкой массивов цифровых данных вычислительными
средствами. При этом наглядность исследования как самих физических процессов, так и результатов исследования отходит на второй план. Для сохранения наглядности процесса исследования и
его результатов при изучении работы систем и устройств желательна визуализация процессов и результатов в аналоговом виде.
Программный продукт System View удачно сочетает дискретное
представление процессов, протекающих в исследуемых устройствах, с визуализацией этих устройств в виде функциональных
схем, а также с визуализацией как процессов, так и результатов
их вычислительной обработки. System View создан для моделирования различных устройств и систем обработки сигналов. В среде
этого продукта исследуемое устройство визуально отображается
в традиционном графическом виде (графическое моделирование) и
представляет собой функциональную схему с необходимыми связями. Каждый отображаемый элемент является некоторой подпрограммой обработки входного дискретного процесса. Совокупность
связанных элементов (функциональная схема устройства) представляет собой программу вычислений, результаты которых можно выводить как в виде процессов в реальном времени, так и в виде
массивов данных [1].
3
Возможности System View далеко не исчерпываются отмеченным графическим моделированием и позволяют выполнять широкий круг задач по оперативной обработке полученных результатов
различными вычислительными средствами, являющимися неотъемлемой составляющей продукта.
4
1. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О РАБОТЕ  
В СРЕДЕ SYSTEM VIEW
Интерфейс System View представлен двумя основными окнами: окно редактирования (окно отображения функциональных
схем – System) и окно анализа (окно отображения результатов моделирования – Analysis). Примерный вид окна System показан на
рис. 1.1. С целью удобства зрительного восприятия изображения
с бумажного листа, цветовая палитра изображения на рисунке выбрана отличной от палитры, установленной по умолчанию.
В этом окне пользователем создается функциональная схема
моделируемого устройства посредством перетаскивания манипулятором «мышь» элементов библиотеки программного продукта
в поле редактирования. Элементы библиотеки размещены с левой
стороны экрана. Имеется возможность выбора элементов либо из
Главной Библиотеки (Main Libraries), либо из Дополнительной
(Optional Libraries). Переключение отображения категорий
элементов различных библиотек выполняется нажатием левой
клавиши манипулятора «мышь» при наведении курсора на кнопку
в левом верхнем углу экрана на панели инструментов. Панель инструментов имеет стандартный вид, характерный для приложений большинства современных операционных систем.
Рис. 1.1. Примерный вид окна System
5
Пуск вычислений осуществляется с помощью кнопки
на панели инструментов. Перед пуском необходимо определить параметры «системного времени» в окне, вызываемом нажатием кнопки
. В этом окне могут быть установлены, в частности, время пуска (Start Time), время окончания вычислений (Stop Time) и
скорость выборки дискретных значений исследуемых процессов
(Sample Rate). Другие параметры частично являются производными от выше перечисленных, либо устанавливаются в зависимости от решаемой задачи.
На рис. 1.1 в поле редактирования, кроме элементов функциональной схемы, показаны элементы отображения результатов
вычислений. В приведенном конкретном случае это виртуальные
осциллографы, изображения экранов которых (Sink 4 и Sink 5)
с осциллограммами выходных напряжений размещены рядом
с элементами отображения.
Более подробно рассмотреть и проанализировать результаты вычислений можно в окне анализа, которое можно вызвать нажатием
кнопки
. Пример отображения результатов вычислений в окне
анализа для конкретной схемы рис. 1.1 показан на рис. 1.2.
Результатом вычислений, выведенных на экран в виде осциллограмм, является массив цифровых данных, которые могут быть
Рис. 1.2. Окно анализа
6
Рис. 1.3. Окно калькулятора экрана
подвергнуты какой-либо обработке из числа операций, предлагаемых так называемым «калькулятором экрана».
Вызывается калькулятор экрана нажатием кнопки
внизу
окна анализа. На рис. 1.3 показан вид окна калькулятора, предлагающий широкий выбор операций, которые можно выполнить над
массивами данных, выведенными в окна отображения результатов.
Категории операций размещены вверху в левой части окна
в виде панели инструментов с соответствующими кнопками. Нажатие кнопки с выбранной категорией вызывает появление окна
с детальным перечнем возможных операций. В правой части окна
размещены два бокса со списками экранов вывода результатов вычисления, к которым можно применить необходимые операции
обработки. Более детальные рекомендации по применению необходимых инструментов продукта System View будут даны в приводимых ниже инструкциях к выполнению лабораторных работ по
исследованию конкретных устройств радиотехнических систем.
7
2. ИССЛЕДОВАНИЕ ОБЩИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ  
РАДИОВЕЩАТЕЛЬНОГО ПРИЕМНИКА (МЕТОДИЧЕСКИЕ
УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ)
Среда исследования – программный продукт System View.
Радиоприёмник
Канал
передачи с
затуханием
Источник
входного
сигнала
Входной
контур
Смеситель
и гетеродин
ФСИ
Детектор
АРУ
УПЧ
с АРУ
Детектор
сигнала
УНЧ
Усилитель
АРУ
Рис. 2.1. Исследуемая схема радиоприемника
Функциональная схема исследуемого приемного тракта приведена на рис. 2.1. В среде System View исследуемое устройство представляется в виде функциональной схемы, состоящей из совокупности блоков, выполняющих необходимые физические и математические операции в дискретной форме. Каждый блок этой схемы
может быть представлен либо одним функциональным элементом
из библиотеки элементов, обеспечивающим выполнение требуемых
функций, либо совокупностью функциональных элементов, объединенных в один элемент программными средствами System View.
2.1. Краткое описание исследуемой схемы
В каталоге ПК, указанном преподавателем, следует открыть
файл Радиоприемный тракт.svu. Если на ПК установлен программный продукт System View, то на экране монитора отобразится
функциональная схема радиоприемника, показанная на рис. 2.2.
Для улучшения восприятия изображения с бумажного листа цветовая палитра на рис. 2.2 выбрана иной, чем на экране монитора.
Функциональное назначение элементов следующее:
0 – источник напряжения звуковой частоты (передаваемый сигнал);
1 – модулятор, на выходе которого формируется напряжение несущей частоты с амплитудной модуляцией полезным сигналом;
8
Рис. 2.2. Изображение исследуемой схемы
на экране монитора
2 – аттенюатор, позволяющий в процессе исследований изменять уровень напряжения на входе приемника (выполняет функцию канала передачи сигнала).
Собственно приемник содержит:
3 – входной контур, настроенный на частоту поступающего радиосигнала;
4 – источник шумового напряжения, имитирующего внутриприемный шум;
5 – сумматор;
7 – смеситель и гетеродин;
8 – Фильтр Сосредоточенной Избирательности (ФСИ) с шириной
полосы пропускания 9 кГц, настроенный на промежуточную частоту fпр = 465 кГц;
9 – широкополосный Усилитель Промежуточной Частоты
(УПЧ) с элементами схемы Автоматической Регулировки Усиления (АРУ) (13, 14, 15, 16);
11 – амплитудный детектор (АД);
12 – Фильтр Низкой (звуковой) Частоты (ФНЧ).
Элементы 6, 10 и 13 (усилители) не являются обязательными
устройствами и включены в схему для отладки и в исследовательских целях. Элементы 17–23, представляют собой осциллографические экраны, на которые выводятся напряжения c выходов соответствующих элементов.
Приведенная функциональная схема позволяет:
– определить реальную чувствительность приемника при приеме АМ сигналов;
9
– измерить избирательность по соседнему и зеркальному каналам;
– произвести оценку эффективности работы АРУ;
– снять сквозную частотную характеристику приемника и частотные характеристики УПЧ и УНЧ.
2.2. Порядок выполнения работы
Подготовительные операции.
Параметры каждого элемента доступны для просмотра и редактирования. Для просмотра параметров достаточно навести курсор
на выбранный элемент и задержать его на элементе. Для редактирования параметров необходимо сделать двойной щелчок левой
клавишей «мыши» на выбранном элементе и в открывшемся окне
нажать кнопку Parameters… .
Параметры элементов схемы, которые в процессе выполнения
работы могут изменяться, в исходном состоянии установлены следующими:
– элемент 0, источник синусоидального сигнала частотой
fc = 1000 Гц, амплитудой Umс = 1В;
– элемент 1, амплитудный модулятор несущей частоты f0 = 236
кГц, напряжением U0 = 0,5 В (Amp = 0.7V) и с коэффициентом модуляции m = 0,3;
– элемент 2, аттенюатор, позволяющий изменять уровень радиосигнала, с исходным ослаблением K = 12 дБ;
– элемент 4, источник Гауссова шума со стандартным отклонением 1,13 мВ.
Перед началом исследований необходимо установить параметры
«системного времени», которые определяют частоту дискретных
выборок и время анализа. Эти параметры устанавливаются в окне,
открывающимся нажатием на кнопку
в меню инструментов,
либо нажатием комбинации клавиш Ctrl + T.
Дискретный характер процессов, формирующихся в среде
System View, накладывает определенные ограничения на значения
этих величин и скорости их изменения. Поэтому при исследовании
процессов реального времени следует задавать значение частоты
дискретных выборок, моделирующих процесс, по крайней мере, на
порядок больше, чем максимальная частота в спектре формируемого и исследуемого процесса.
Исходные значения параметров, необходимых для работы, следующие: Start Time = 0; Stop Time = 20⋅10–3 с; Sample Rate = 10 МГц.
10
Чтобы отобразить осциллограммы напряжений на экранах
функциональной схемы, необходимо произвести пуск системы нажатием кнопки
в меню инструментов вверху окна редактирования схемы или нажатием клавиши F5 на клавиатуре. По окончании вычислений на экранах элементов 17–23 прорисуются соответствующие осциллограммы.
Выполните пуск системы на вычисления.
Сделайте снимок экрана со схемой и осциллограммами (снимок 1) при исходных значениях указанных выше параметров.
В процессе выполнения работы потребуется измерять значения напряжения на выходе приемника. Для выполнения измерений следует перейти в окно анализа нажатием кнопки
в меню
инструментов или нажатием одновременно клавиш Ctrl + D. При
первом включении окна анализа на экране может появиться приглашение выполнять автоматически последовательность экранных
вычислений. Следует нажать кнопку «Yes». На экране монитора
отобразятся осциллограммы напряжений в точках схемы, к которым подключены виртуальные осциллографы, как показано на
рис. 2.3. Если все осциллограммы или часть их будут свернуты, то
следует нажать кнопку
на панели инструментов окна анализа
(Open all windows).
Сделайте снимок окна анализа при развернутых осциллограммах (снимок 2).
Рис. 2.3. Окно анализа с осциллограммами
в выбранных точках схемы
11
Возврат к функциональной схеме производится нажатием той
же комбинации клавиш (Ctrl + D) либо нажатием кнопки
панели инструментов в окне анализа. Любую осциллограмму можно
рассмотреть отдельно в более крупном масштабе перетаскиванием угла окна выбранной осциллограммы при нажатой левой клавише «мыши», либо развернув это окно на весь экран средствами
Windows.
Так как будут выполняться измерения напряжения, представленного осциллограммой экрана 21, то все остальные экраны можно закрыть, а экран 21 развернуть полностью.
2.2.1. Измерение реальной чувствительности
Для измерения чувствительности используется напряжение на
выходе приемника, отображаемое осциллограммой элемента 12
(экран 21) на выходе фильтра НЧ.
Порядок измерения следующий.
Для вычисления эффективного значения (или стандартного отклонения) переменного напряжения, отображаемого выбранной осциллограммой, следует воспользоваться «калькулятором экрана».
Вызвать его можно нажатием кнопки
внизу слева в окне анализа. В появившемся окне (рис. 2.4) необходимо выбрать функцию
Рис. 2.4. Окно калькулятора экрана для схемы приемника
12
Рис. 2.5. Окно представления результатов
Operators (вверху слева), нажать кнопку <Overlay> Stats (<Наложение> статистик) и в боксе рядом с этой кнопкой установить
флажки для «Mean» (Среднее) и «Std Deviation»(Стандартное отклонение). В списке осциллограмм (Select one window) необходимо выделить экран с нужной осциллограммой.
Нажатие кнопки OK запустит вычисление среднего значения и
стандартного отклонения и выведет на экран новое окно представления результатов «Statistiks» с исследуемой осциллограммой
и наложенными на нее результатами вычислений, как, например,
на рис. 2.5.
Наведение указателя «мыши» на линию вычисленного параметра позволяет прочитать значение этого параметра (y) в строке
справа от меню инструментов окна анализа.
Выполните процедуру измерения стандартного отклонения для
выходного напряжения (экран 21).
Результат вычислений на рис. 2.5 получен по значениям напряжения на всем интервале наблюдения, а, следовательно, учитывает и значения напряжения на интервале переходного процесса,
который обусловлен спецификой работы программного продукта
System View. Дело в том, что все сигналы в системе формируются
«скачком» в момент времени Start Time = 0, поэтому в работе всех
узкополосных фильтров схемы (элементы 8, 12) неизбежно наличие переходного процесса, занимающего часть интервала наблюдения. Переходный процесс также имеет место и в системе автоматической регулировки усиления вследствие инерционных свойств нагрузки детектора АРУ, если уровень сигнала превышает значение
напряжения задержки.
13
Измерения желательно выполнять на интервале времени, где
процесс является установившимся. Для этого необходимо закрыть
экран с вычисленными статистиками, вернуться к экрану 21, щелкнув на нем левой клавишей мыши, и развернуть его до удобного
размера. Затем выделите курсором часть осциллограммы, начиная
с момента времени 5·10–3 с и до окончания интервала времени наблюдения, исключив переходный процесс. В этом случае размер
выделенной части изображения займет все экранное окно и, в дальнейшем, при выполнении статистических расчетов будет использоваться только выделенный фрагмент осциллограммы.
Вновь вызовите калькулятор экрана и повторите процедуру вычисления стандартного отклонения. Результат статистических расчетов, представленный в новом окне, будет отличаться от предыдущего результата, учитывающего переходный процесс, несмотря на
то, что в этом окне переходный процесс отображен.
В дальнейшем следует иметь в виду, что очередной пуск системы (
или F5) после изменения параметра какого-либо элемента
схемы не изменит вида осциллограмм в окне анализа, но при этом
будет мигать кнопка
, крайняя левая в меню инструментов этого окна. Обновление осциллограмм произойдет, если нажать на эту
кнопку. Чтобы не выполнять лишних манипуляций, перезапуск
системы после изменения параметра можно производить нажатием
комбинации клавиш Shift + F5. В этом случае все осциллограммы
перерисовываются автоматически, в том числе и с пересчитанной
статистикой, и обновлять окно анализа не потребуется.
Для измерения реальной чувствительности приемника необходимо определить минимальное значение напряжения входного
стандартно-модулированного сигнала, при котором обеспечивается стандартная выходная мощность (напряжение полезного сигнала на выходе приемника Uвых = 0,4 В) при заданном выходном отношении сигнал/шум (Uс / Uш = 10). Для выполнения измерения
чувствительности необходимо, чтобы приемник работал в линейном режиме.
В исследуемой схеме реализована схема АРУ с задержкой (элемент 15), что обеспечивает максимальное усиление слабых сигналов. Если входной сигнал превысит заданную пороговую величину
(напряжение задержки), АРУ уменьшит усиление в приемнике,
поддерживая заданный уровень выходного сигнала.
Следовательно, уровень входного сигнала должен быть таким,
чтобы на выходе детектора АРУ (элемент 14) напряжение не превышало величины напряжения задержки в элементе 15. Поэтому,
14
последовательно увеличивая затухание в аттенюаторе (элемент 2)
через 10 дБ и перезапуская каждый раз систему на вычисление (
или F5), необходимо добиться уменьшения напряжения на выходе
элемента 15 (экран 23) до нуля на всем интервале вычислений.
После того, как найдено затухание аттенюатора 2, при котором
АРУ не действует на всем интервале наблюдения, по осциллограмме напряжения с выхода элемента 12 (экран 21) следует измерить
стандартное отклонение выходного полезного сигнала. Измеренное
значение должно быть 0,4 ± 0,05 В. В случае, если измеренное стандартное отклонение отличается от указанного, следует подобрать
усиление в элементе 10, чтобы получить требуемый результат.
Далее следует выключить модулирующий (полезный) сигнал и
измерить стандартное отклонение выходного шума. Полезный сигнал будет выключен, если его амплитуду в параметрах элемента
0 установить, равной нулю. Стандартное отклонение напряжения
выходного шума должно быть в десять раз меньше по сравнению
с полезным сигналом. Следовательно, отношение Uс /Uш = 10 будет иметь место при значении стандартного отклонения выходного
шума порядка 0,04 В ± 10 %.
Таблица 2.1
Частота
настройки
f0, кГц
236
Потери в аттенюаторе
σ0, дБ
Реальная
чувствительность
Е0, мкВ
Примечание
Uвых мод = 500 мВ
Uс /Uш = 10
При существенном отличии измеренного значения от величины
0,04 В следует подбором усиления в элементе 10 добиться величины
стандартного отклонения шума 0,04 В, а затем, включив полезный
сигнал, вновь найти затухание в аттенюаторе 2, при котором стандартное отклонение выходного напряжения будет равно 0,4 ± 0,05 В.
Полученное значение затухания (σ0) занесите в табл. 2.1.
2.2.2. Измерение избирательности по соседнему каналу
Частотная избирательность – это способность выделять полезный сигнал из совокупности сигналов и помех, воздействующих
на вход приемника. Ослабление сигнала соседнего канала (частота
соседнего канала отличается от частоты настройки для приемника
АМ сигналов на ± 9 кГц) обеспечивается трактом ПЧ.
15
Для выполнения этого измерения следует включить полезный
сигнал, установив его амплитуду 1 В, и отключить АРУ, установив
усиление в элементе 13, равным нулю.
а) В параметрах элемента 1 (модулятор) установите частоту несущего напряжения, равную (f0 – 9 кГц) и, изменяя (уменьшая) потери в аттенюаторе, добейтесь значения стандартного отклонения
на выходе приемника, равного 0,4 В. Полученное значение потерь
σ1 в аттенюаторе занесите в табл. 2.2.
Таблица 2.2
Частота настройки
f0 – 9 кГц
f0 + 9 кГц
f0 + 2 fпр
Введенные потери дБ
σ1 = σ2 = σ3 = Избирательность дБ
sс1 = σ0 – σ1
sс2 = σ0 – σ2
sс3 = σ0 – σ3
б) Установите частоту несущего напряжения, равную (f0 + 9 кГц),
выполните измерение потерь как в пункте а), результат занесите
в табл. 2.2.
2.2.3. Измерение избирательности
по зеркальному каналу
Частота зеркального канала отстоит относительно частоты настройки приемника на величину двойной промежуточной частоты
в сторону частоты гетеродина. Избирательность по зеркальному
каналу определяется избирательными свойствами преселектора
(входная цепь, УВЧ).
Установите частоту несущего напряжения равную f3 =(f0 +2fпр)=
= (f0 + 930 кГц). В соответствии с процедурой пункта 2.2.2,а выполните измерение потерь, и результат занесите в табл. 2.2.
2.2.4. Исследование эффективности АРУ
При изменении условий распространения радиоволн в течение
сеанса приема сигналов может меняться величина продетектированного сигнала, хотя интенсивность передаваемого сообщения
(коэффициент модуляции) не изменяется. Задачей автоматической
регулировки усиления (АРУ) является поддержание постоянного
уровня сигнала на выходе детектора посредством изменения коэффициента усиления усилительного тракта приемника.
Для выполнения исследований следует установить:
– частоту несущего напряжения f0 = 236 кГц (в параметрах элемента 1);
16
– глубину модуляции (в параметрах элемента 1 – Mod Index),
равную 0,6;
– значение потерь в аттенюаторе 0 дБ (элемент 2);
– исходное усиление в элементе 13, равное 6,1 (АРУ включено).
Измерьте стандартное отклонение напряжения на выходе элемента 12 (экран 21) и с помощью изменения коэффициента усиления
элемента 10 добейтесь, чтобы величина этого отклонения стала равной 1,5 В. Устанавливая затухание в аттенюаторе, как в табл. 2.3,
измерьте выходное напряжение при каждом значении затухания.
Полученные данные занесите в табл. 2.3.
Проведите подобные измерения для случая выключенной АРУ.
Режим выключенной АРУ обеспечивается заданием коэффициента
усиления в параметрах элемента 13, равным нулю. В этом случае,
при нулевом затухании в аттенюаторе, усилитель промежуточной
частоты находится в режиме ограничения амплитуды входного напряжения и полезный сигнал на выходе отсутствует. Результаты
измерений занесите в табл. 2.3.
Таблица 2.3
Потери дБ
0
20
30
40
45
48
50
55
Uвых с АРУ
Uвых без АРУ
Uвых с АРУ
Uвых без АРУ
m = 0,6
m = 0,3
Включите АРУ и установите коэффициент модуляции m = 0,3.
Измерьте стандартное отклонение напряжения на выходе элемента 12 (экран 21) для различных значений затухания и занесите их
в табл. 2.3.
Проведите подобные измерения для случая выключенной АРУ.
Результаты измерений занесите в табл. 2.3.
2.2.5. Снятие сквозной амплитудно-частотной
характеристики
Сквозная амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) тракта
приемника определяет диапазон воспроизводимых частот и уровень частотных искажений. Мерой искажений является неравномерность частотной характеристики относительно определенной
частоты в полосе пропускания. Сквозная АЧХ определяется в основном амплитудно-частотными характеристиками трактов уси17
Примечание
6000
5000
4000
3000
2000
1000
600
400
200
100
50
Fm Гц
Таблица 2.4
UУНЧ В
UÓÍ×
UÓÍ×0
UУПЧ В
UУНЧ0 = 1,5 В
UУПЧ0 = UÓÏ×
UÓÏ×0
ления промежуточной частоты (УПЧ) и усиления низкой частоты
(УНЧ).
Для выполнения этого пункта следует:
– отключить АРУ (усиление в элементе 13 равно нулю);
– установить потери в аттенюаторе 50 дБ;
– установить частоту полезного сигнала 1000 Гц;
– установить глубину модуляции (элемент 1), равной 0,6;
– установить значение усиления в элементе 10 такое, при котором
выходное напряжение (стандартное отклонение) равно 1,5 В (UУНЧ0);
– выполнить пуск вычислений и измерить напряжение на выходе УПЧ (UУПЧ0), для чего следует воспользоваться калькулятором
экрана для осциллограммы на выходе элемента 10 (экран 19). Поскольку вычисление статистики уже производилось для экрана 21,
то появится запрос о замене экрана для вычисления статистики.
Следует нажать кнопку «Нет». В этом случае статистики будут вычисляться для обоих экранов (21 и 19).
Разместите экраны со статистиками так, чтобы они не перекрывались. Зафиксируйте значения стандартного отклонения на экране 19 (UУПЧ0) и на экране 21 (UУНЧ0) и занесите их в последний столбец табл. 2.4. Эти значения занесите в столбец для Fm = 1000 Гц.
В дальнейшем окна с вычисленными статистическими результатами закрывать не следует, поскольку при изменении параметров и перезапуске системы по команде Shift + F5 статистические
расчеты будут автоматически обновляться.
Устанавливая частоту модулирующего сигнала Fm в элементе 0
в соответствии с табл. 2.4, следует измерить значения выходного
18
напряжения УНЧ и выходного напряжения УПЧ. Результаты занести в табл. 2.4.
2.3. Оформление и содержание отчета
а) в отчете необходимо привести:
– структурную схему исследуемого приемника;
– распечатку снимка экрана с функциональной схемой приемника и прорисованными осциллограммами;
– распечатку снимка окна анализа с развернутыми осциллограммами;
б) по данным табл. 2.1 определить значение реальной чувствительности E0 по формуле
−
σ0 , äÁ
20 ⋅ U
E0 =
10
0,5 Â.
âûõ ìîä ; Uâûõ ìîä =
Объяснить, какие каскады приемника влияют на реальную чувствительность;
в) по данным табл. 2.2 определить избирательность приемника
по соседнему и зеркальному каналам;
г) по данным табл. 2.3 построить зависимости Uвых с АРУ = F(Uвх)
при m = 0,6 и m = 0,3 и Uвых без АРУ = F(Uвх) при m = 0,6 и m = 0,3.
При построении амплитудной характеристики использовать полулогарифмический масштаб, т. е. значения выходного напряжения
откладывать в линейном масштабе, а значения входного напряжения – в логарифмическом. Объяснить полученные результаты;
д) определить коэффициент усиления приемника К = Uвых / Uвх
при Uвых = 0,6 В и полученном значении реальной чувствительности Uвх = E0;
е) по данным табл. 2.4 построить сквозные нормированные частотные характеристики приемника UУНЧ / UУНЧ0 = f(FM) и UУПЧ /
UУПЧ0 = Ф(FM); значение частоты FM откладывать в логарифмическом масштабе. Объяснить расхождение между f(FM) и Ф(FM).
Рекомендуемая литература
1. Радиоприемные устройства / под ред. В. И. Сифорова. М.: Советское радио, 1974.
2. Радиоприемные устройства / под ред. А. Г. Зюко. М.: Связь, 1975.
3. Исследование показателей и функциональных узлов радиовещательного приемника: учеб. пособие / под ред. Ю. В. Мазина и
В. В. Саломасова. Л.: ЛИАП, 1981. 99 с.
19
3. ИССЛЕДОВАНИЕ ОБНАРУЖИТЕЛЕЙ РАДИОСИГНАЛОВ
(МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ  
ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ)
3.1. Исследование обнаружителя  
c фильтровой обработкой
Общий вид устройства обнаружения сигнала при некогерентной
фильтровой обработке (НКГФ) показан на рис. 3.1.
Передаточная характеристика согласованного фильтра совпадает
с комплексно-сопряженным спектром полезного сигнала [2]. При этом
существенно искажается входной полезный сигнал. Однако это не является в данном случае недостатком, так как задачей фильтра является не точное воспроизведение полезного сигнала, а обеспечение наилучшего его обнаружения на фоне помехи. На рис. 3.1 приведена схема
фильтрового обнаружителя сигнала с неизвестной начальной фазой.
Согласованный фильтр в момент времени, соответствующий окончанию действия полезного сигнала, формирует на выходе напряжение,
пропорциональное значению корреляционного интеграла Z:
Z=
T
∫0 z(t) ⋅ S(t)dt,
где z(t) – наблюдаемый сигнал; S(t) – передаваемый сигнал; T –
длительность сигнала.
Это напряжение максимально в момент окончания длительности сигнала, поэтому необходимо предусмотреть считывание значения напряжения в момент времени T.
Канал
передачи
Источник
полезного
сигнала
Вход
приёмного
устройства
Источник
внутриприёмного
шума
Согласованный
фильтр
Решающее
устройство
(индикация)
Амплитудный
детектор
Пороговое
устройство
Рис. 3.1. Схема обнаружителя НКГФ
20
Uпор
Среда исследования – программный продукт System View.
В среде System View исследуемое устройство представляется
в виде функциональной схемы, состоящей из совокупности соединенных между собой блоков, которые выполняют необходимые физические и математические операции в дискретной форме.
Каждый блок схемы на рис. 3.1 в среде System View может быть
представлен либо одним функциональным элементом из библиотеки элементов, обеспечивающим выполнение требуемых функций,
либо совокупностью функциональных элементов, объединенных
в один элемент программными средствами System View.
3.1.1. Описание исследуемой схемы
В каталоге ПК, указанном преподавателем, следует открыть
файл обнаружитель НКГФ.svu. Если на ПК установлен программный продукт System View, то на экране монитора отобразится исследуемая схема, показанная на рис. 3.2.
Цветовая палитра на рисунке отличается от изображения на
экране монитора и подобрана для удобного рассмотрения на бумажном листе. На экране монитора окна справа будут без осциллограмм.
На этой схеме элементы 0, 1, 2 и 3 формируют передаваемый сигнал. В рассматриваемом случае это последовательность радиоим-
Рис. 3.2. Изображение схемы обнаружителя НКГФ
на экране монитора
21
пульсов длительностью τ = 1 мкс и частотой повторения Fп = 100 кГц.
Частота заполнения внутри импульса fс = 10 МГц.
Назначение элементов 0–7 следующее:
– элемент 0, источник непрерывного синусоидального напряжения частотой 10 МГц;
– элемент 1, источник последовательности видеоимпульсов
τ = 1 мкс, Fп = 100 кГц;
– элемент 2 задает задержку 0,5 мкс для удобства наблюдения
осциллограмм процесса;
– элемент 3, перемножитель, на выходе которого формируется
исследуемая последовательность радиоимпульсов;
– элемент 4, аттенюатор, моделирующий ослабление сигнала,
которое имеет место при прохождении сигнала по каналу передачи;
– элемент 5, вспомогательный усилительный элемент, позволяющий отключать полезный сигнал;
– элемент 6, сумматор;
– элемент 7, источник случайного (шумового) процесса, имитирующего внутриприемный шум.
Собственно обнаружитель включает в себя фильтр 8, согласованный с шириной спектра полезного сигнала (∆f = 1/τ = 1 МГц). С выхода этого фильтра напряжение подается на амплитудный детектор, моделируемый однополупериодным выпрямителем (элемент 9)
и последовательно с ним включенным низкочастотным фильтром
(элемент 10) с полосой пропускания, согласованной с длительностью огибающей полезного сигнала.
Поскольку для согласованного фильтра принятие решения о
наличии или отсутствии полезного сигнала во входном процессе
должно происходить в момент окончания сигнала, когда отношение сигнал/шум на выходе фильтра максимально, то в приведенной схеме формируется короткий импульс (строб) считывания
в момент времени, соответствующий окончанию сигнала.
Эту задачу выполняет элемент 17, представляющий совокупность
элементов, «упакованных» в один элемент. Рассмотреть содержимое «упаковки» можно, если сделать два щелчка левой клавишей
«мыши» на элементе 17. С выхода элемента 17 строб считывания поступает на вход схемы стробирования (элемент 11 – перемножитель).
На выходе схемы стробирования будет иметь место импульс,
длительность которого равна длительности строба, а амплитуда –
амплитуде огибающей в этот момент времени, то есть формируются короткие импульсы выборочных значений напряжения огибающей в моменты времени, когда это значение максимально.
22
В состав схемы на рис. 3.2 входят элементы 18, 19, 20, 21, 22
и 23, которые представляют собой виртуальные осциллографы
с экранами, вынесенными в правую часть рисунка. На этих экранах воспроизводятся осциллограммы процессов в соответствующих точках схемы по завершении вычислений.
Полученные выборочные значения амплитуд напряжения с выхода перемножителя 11 поступают на пороговое устройство (элемент 13, схема сравнения), где они сравниваются с напряжением
порога. Это напряжение задается в элементе 12 (источник постоянного напряжения) в соответствии с критерием работы обнаружителя. На выход порогового устройства пройдут те импульсы
выборочных значений амплитуды огибающей, которые превысят
напряжение порога. В этом же элементе 13 выходные импульсы
нормируются по амплитуде (экран элемента 21).
В результате, на выходе порогового устройства имеет место последовательность нормированных по амплитуде и длительности
коротких импульсов, число которых n из N максимально возможного числа зависит как от значения напряжения порога, так и от
наличия или отсутствия полезного сигнала в реализации, поступающей на вход обнаружителя.
Поскольку на вход обнаружителя наряду с полезным сигналом
воздействует случайный процесс (шумовое напряжение), то решение о наличии или отсутствии во входной реализации полезного
сигнала носит вероятностный характер. То есть, судить о наличии
или отсутствии полезного сигнала можно лишь с некоторой вероятностью, основанной на анализе полученного объема выборочных
значений при заданном критерии работы обнаружителя.
Для нахождения вероятностных характеристик необходимо для
каждого задаваемого на входе обнаружителя значения отношения
сигнал/шум вычислить отношение n/N (отношение числа импульсов с выхода схемы сравнения (13) к максимально возможному их
числу в заданном интервале времени наблюдения).
Так как System View оперирует изменяющимися во времени значениями напряжений, то числа импульсов n и N следует представить в виде напряжений. Для n эту операцию выполняет интегратор (14). Напряжение, соответствующее известному максимально
возможному на интервале времени наблюдения числу импульсов
N, задается в виде линейно нарастающего напряжения с заранее
определенной крутизной. Вычисление отношения n/N выполняется в элементе 15, а результат выводится на экран 23. Чтобы исключить неопределенность деления на ноль в начальный момент
23
вычислений, в напряжение элемента 16 вводится незначительное
смещение (10–8 В), которое практически не влияет на результат.
3.1.2. Исследование вида напряжений в различных точках
схемы обнаружителя НКГФ
При вызове файла обнаружитель НКГФ.svu на экран монитора
выводится функциональная схема обнаружителя (рис. 3.2) с пустыми окнами осциллограмм. Осциллограммы прорисуются, если
произвести пуск моделирования. Перед пуском следует задать необходимые параметры системы. В первую очередь это касается параметров системного времени в окне, вызываемом нажатием кнопки
на панели инструментов.
Дискретный характер процессов, формирующих представление
физических или математических величин, накладывает определенные ограничения на значения этих величин и скорости их изменения. Так, при исследовании процессов реального времени следует
задавать значение частоты дискретных выборок, представляющих
процесс, по крайней мере, на порядок большим, чем максимальная
частота в спектре формируемого и исследуемого процесса.
Для ознакомления с осциллограммами напряжений для одного периода повторения входных импульсов параметры в этом
окне должны быть установлены следующие: Start Time = 0, Stop
Time = 10*10^–6 (форма записи в окне будет в виде 10e–6), Sample
Rate (частота выборки) = 10^8 (100e + 6), No.of System Loops
(число циклов) = 1. Остальные параметры в этом окне являются
производными от параметров, заданных выше, и устанавливаются
автоматически.
Исходное ослабление аттенюатора (элемент 4) следует установить 6 дБ. Для определения значения требуемого параметра
элемента схемы в окне редактирования следует навести курсор
«мыши» на нужный элемент, и подождать, пока откроется окно
с параметрами элемента. В появившемся окне можно прочесть значение установленных параметров. Для изменения значения параметра следует сделать двойной щелчок левой клавишей «мыши» на
соответствующем элементе и в появившемся окне нажать кнопку
Parameters…. Откроется окно со значениями параметров, которые
можно изменять с клавиатуры.
Для пуска вычислений следует нажать кнопку
на панели
инструментов или клавишу F5 на клавиатуре. По окончании вычислений на экранах 18–23 прорисуются осциллограммы на выхо24
Рис. 3.3. Окно анализа для схемы обнаружителя НКГФ
дах соответствующих элементов схемы. Сделайте снимок экрана со
схемой и прорисованными осциллограммами (снимок 1).
Для детального анализа полученных осциллограмм можно перейти в окно анализа, нажав кнопку
на панели инструментов. Если
при этом откроется окно с системным запросом на разрешение выполнить последовательность экранных вычислений, следует дать согласие на эти вычисления и установить флажок, чтобы это сообщение
больше не отображалось. Все окна с осциллограммами или часть их
могут оказаться свернутыми. Чтобы развернуть их, следует нажать
кнопку
. Экран монитора примет вид, показанный на рис. 3.3.
Сделайте снимок экрана с окном анализа при развернутых осциллограммах (снимок 2), указав, при каком ослаблении в аттенюаторе 4 получены осциллограммы.
Вернитесь в окно редактирования схемы, нажав кнопку
на
панели инструментов окна анализа. Установите в элементе 4 ослабление сигнала 0 дБ. Выполните пуск моделирования нажатием
комбинации клавиш Shift-F5. В этом случае окно анализа открывается автоматически с обновленными осциллограммами. Сделайте снимок окна анализа (снимок 3).
Вернитесь в окно редактирования схемы и установите в элементе 4 ослабление сигнала 50 дБ. Выполните команду Shift-F5 и
сделайте снимок окна анализа (снимок 4). При оформлении отчета
каждый снимок должен сопровождаться указанием параметров,
при которых он выполнялся.
25
3.1.3. Снятие характеристики обнаружения
Характеристика обнаружения представляет собой зависимость
вероятности правильного обнаружения от отношения сигнал/шум
при заданной вероятности ложной тревоги. Все вероятностные закономерности могут эффективно проявляться только при достаточно большом количестве испытаний либо при достаточно длительном интервале времени наблюдения. В нашем случае эффективность определяется объемом выборочных значений амплитуд
напряжения с выхода перемножителя 11. Чем больше этот объем,
тем достовернее результат статистической обработки. В лабораторных условиях объем данных ограничен ресурсами оперативной памяти ПК и временем, отведенным на выполнение работы.
При выполнении работы следует ограничиться значением максимально возможного количества выборочных значений N, равным 100, то есть задать интервал времени наблюдения, равный 100
периодам повторения входных импульсов. Для этого в окне системного времени (
) в боксе Stop Time необходимо установить значение 10–3 (ввод с клавиатуры 10^–3). Вид записи в окне – 1e–3.
Выключите полезный сигнал, установив усиление в элементе 5,
равным нулю. Запустите процесс моделирования кнопкой
или
клавишей F5.
На экране элемента 21 будет представлен результат работы порогового устройства при поступлении на его вход импульсов выборочных значений амплитуд случайного процесса. Число импульсов
n в окне 21 зависит от величины порогового напряжения и может
характеризовать частость превышения входными импульсами заданного порога. Поскольку время наблюдения выбрано, равным
100 периодам повторения входных импульсов, то максимально
возможное число превышений порога N равно 100. Следовательно,
отношение n/100 можно приближенно считать вероятностью превышения порога в отсутствие полезного сигнала, т. е. вероятностью
ложной тревоги (F). Меняя величину порога (элемент 12), можно
добиться требуемого значения F.
Текущее значение этого отношения выводится на экран 23.
Установив курсор на кривую осциллограммы в конце интервала
времени наблюдения, можно прочитать значение этого отношения
на панели инструментов окна редактирования (y = …).
Для удобства определения вычисленных значений вероятности
по экрану 23 можно увеличить размер этого окна. Для этого следует установить курсор в поле экрана 23 и щелкнуть один раз ле26
Таблица 3.1
B0 = ...дБ
B
B0 + 20 B0 + 15 B0 + 10 B0 + 5
(дБ)
B0
B0 – 5
B0 – 8 B0 – 10 B0 – 15 B0 – 20
P1
P2
P3
Pср
вой клавишей «мыши». В результате этого действия экран получит
обрамление с маркерами по углам и серединам сторон. Наведите
курсор на какой-либо угловой маркер и, нажав на левую клавишу
«мыши» и не отпуская ее, протащите угол окна в желаемое место.
При выбранных параметрах схемы значение вероятности ложной тревоги близко к 0,2. В этом можно убедиться, выполнив несколько пусков вычислений нажатием клавиши F5 и усреднив полученные значения вероятностей.
Включите полезный сигнал, установив усиление в элементе 5,
равным 1. Следуя рассмотренной методике, получите значения вероятностей для различных отношений сигнал/шум, предварительно определив ослабление аттенюатора 4, при котором это отношение
равно 1. Для этого экспериментальным путем подберите значение
ослабления полезного сигнала, при котором вероятность превышения порога (вероятность правильного обнаружения D) в среднем
за 3 ÷ 4 пуска вычислений нажатием комбинации клавиш F5 будет
равна 0,5. Полученное значение ослабления следует увеличить на
3 дБ и записать его в табл. 3.1, обозначив как B0. Устанавливая
значения ослабления B от B0 + 20 дБ до B0 – 20 дБ, получите для
каждого из них по три значения вероятностей правильного обнаружения (P1, P2 и P3) и занесите их в табл. 3.1.
3.2. Исследование фильтрового обнаружителя сигнала  
с полностью известными параметрами
Общий вид устройства обнаружения сигнала с полностью известными параметрами при когерентной фильтровой обработке
(КГФ) показан на рис. 3.4.
Для сигнала с полностью известными параметрами предполагаются известными как время появления сигнала, так и его начальная фаза. Поэтому схема обнаружителя включает фазовый
27
Канал
передачи
Вход
приёмного
устройства
Согласованный
фильтр
Решающее
устройство
(индикация)
Источник
полезного
сигнала
Источник
внутриприёмного
шума
Фазовый
детектор
Пороговое
устройство
Uпор
Генератор
опорного
напряжения
Рис. 3.4. Схема обнаружителя КГФ
детектор и генератор опорного напряжения, в котором содержится информация о времени появления полезного сигнала и о его начальной фазе.
3.2.1. Описание исследуемой схемы
обнаружителя
В каталоге ПК, указанном преподавателем, следует открыть
файл обнаружитель КГФ.svu. Если на ПК установлен программный продукт System View, то на экране монитора отобразится исследуемая схема, как на рис. 3.5.
Как и в схеме обнаружителя НКГФ (рис. 3.2), в схеме на рис. 3.5
элементы 26, 27, 28, 29, 30 и 31 представляют собой виртуальные
осциллографы, экраны которых показаны отдельно. На этих экранах по окончании вычислений будут отображаться осциллограммы
напряжений в соответствующих точках схемы.
Элементы 0, 1, 2 и 3 формируют передаваемый сигнал в виде последовательности радиоимпульсов длительностью τ = 1 мкс и частотой повторения Fп = 100 кГц. Частота заполнения внутри импульса
fс = 10 МГц. Сгенерированная последовательность радиоимпульсов
поступает на вход аттенюатора 4, моделирующего ослабление полезного сигнала в канале передачи. Далее, к полезному сигналу добавляется шумовое напряжение, имитирующее внутриприемный
шум (элемент 5). Затем аддитивная смесь полезного сигнала и шума
поступает на вход собственно обнаружителя (элементы 8–14).
28
Рис. 3.5. Изображение схемы обнаружителя КГФ
на экране монитора
Смесь сигнал + шум поступает на согласованный со спектром
сигнала фильтр 8 и далее на фазовый детектор, моделируемый перемножителем 9 и низкочастотным последетекторным фильтром 11,
согласованным со спектром напряжения огибающей. На второй
вход перемножителя 9 поступает опорное синусоидальное напряжение с частотой сигнала fс = 10 МГц с известной начальной фазой. Это
напряжение снимается с выхода элемента 10 (фазовый модулятор),
позволяющего в процессе выполнения работы изменять сдвиг фаз
между опорным напряжением и напряжением сигнала. Для установки желаемого сдвига фазы опорного напряжения относительно
напряжения полезного сигнала необходимо дважды щелкнуть левой клавишей «мыши» на элементе 10, в появившемся окне нажать
кнопку Parameters… и в окне необходимого параметра ввести нужное значение с клавиатуры.
Известное время появления сигнала моделируется выбором задержки строба считывания, формируемого в момент окончания
полезного сигнала такой же схемой, как и в обнаружителе НКГФ.
На рис. 3.5 схема формирования строба считывания «упакована»
в элемент 25 (Метасистема).
С выхода Метасистемы строб считывания поступает на вход схемы стробирования 12 (перемножитель), на второй вход которой подается напряжение огибающей сигнала (экран элемента 29). На выходе схемы стробирования формируются короткие импульсы выбо29
рочных значений напряжения огибающей в моменты времени, когда
отношение сигнал/шум максимально.
Элементы 13 и 14 образуют пороговое устройство. Элемент 14
генерирует напряжение порога, которое можно при необходимости
изменять, элемент 13 – компаратор (сравнение с порогом) и нормализатор амплитуды выходных импульсов. Элемент 15 (интегратор)
преобразует импульсное напряжение в непрерывное, пропорциональное количеству поступающих на его вход импульсов. Элементы 16 и 17 обеспечивают текущую «нормировку» вероятностных
значений на интервале времени наблюдения.
3.2.2. Исследование вида напряжений в различных точках
схемы обнаружителя КГФ
Следуя методике получения осциллограмм, приведенной в разделе 3.1, получите осциллограммы экранов 21–25 в формате рис.
3.3, предварительно задав параметры системного времени ( ):
– Start Time = 0;
– Stop Time = 10*10^–6 (форма записи в окне будет в виде 10e–6);
– Sample Rate (частота выборки) = 10^8 (100e + 6).
Установите исходное ослабление в аттенюаторе (элемент 4) 10 дБ.
Выполните пуск системы нажатием кнопки
или клавиши F5.
Сделайте снимок экрана с функциональной схемой и прорисованными осциллограммами (снимок 5).
Перейдите в окно анализа и обновите осциллограммы, нажав крайнюю левую мерцающую кнопку в панели инструментов.
В окне анализа будут прорисованы шесть осциллограмм.
Сделайте снимки окна анализа (снимок 6, 7) для одного цикла
вычислений при различных отношениях сигнал/шум (затухание
в аттенюаторе 0 и 50 дБ) на входе КГФ обнаружителя и нулевом (по
умолчанию) сдвиге фаз в элементе 10.
Установите ослабление аттенюатора (элемент 4) 3 дБ. Выполните пуск системы для трех значений сдвига фаз (элемент 10) между
сигналом и опорным напряжением (0°, 90° и 180°).
Сделайте снимки окна анализа (снимок 8, 9, 10) для этих значений сдвигов фаз.
3.2.3. Снятие характеристики обнаружения
Алгоритм получения данных для характеристики обнаружения
рассмотрен в разделе 3.1. В соответствии с ним следует задать достаточно длительный интервал времени наблюдения по сравнению
30
с периодом повторения входных импульсов. Совокупность импульсов с выхода схемы сравнения 13 представляет собой выборочный
массив для статистической обработки.
В окне системного времени (
) в боксе Stop Time задайте длительность интервала времени наблюдения 10^–3, что в сто раз превышает длительность периода повторения входных импульсов.
Выключите полезный сигнал, установив усиление в элементе 7,
равным нулю. Установите сдвиг фаз в элементе 10, равным нулю.
Выполните пуск системы на вычисление. Осциллограмма на экране
30 представляет собой результат превышения порога напряжением
шума. Число n шумовых выбросов на интервале времени наблюдения, превысивших установленный порог в момент появления строба считывания, не может быть больше N = 100, поэтому отношение
n/100 может с некоторой степенью приближения характеризовать
в данном случае вероятность превышения порога шумовым напряжением, то есть, вероятность ложной тревоги F. Чем больше интервал времени наблюдения, тем точнее результат.
Текущее значение этого отношения выводится на экран 31.
Установив курсор на кривую осциллограммы в конце интервала
времени наблюдения, можно прочитать значение этого отношения
на панели инструментов окна редактирования (y = …).
Для удобства определения вычисленных значений вероятности
по экрану 31 можно увеличить размер этого окна. Для этого следует установить курсор в поле экрана 31 и щелкнуть один раз левой клавишей «мыши». В результате этого действия экран получит
обрамление с маркерами по углам и серединам сторон. Наведите
курсор на какой-либо угловой маркер и, нажав на левую клавишу
«мыши» и не отпуская ее, протащите угол окна в желаемое место.
При выбранных параметрах схемы значение вероятности ложной тревоги близко к 0,2. В этом можно убедиться, выполнив несколько пусков вычислений нажатием клавиши F5 и усреднив полученные значения вероятностей.
Включите полезный сигнал, установив усиление в элементе 7,
равным 1. Получите значения вероятностей превышения порога
для различных отношений сигнал/шум, предварительно определив
ослабление аттенюатора 4, при котором это отношение равно 1. Для
этого экспериментальным путем подберите значение ослабления
полезного сигнала, при котором вероятность превышения порога
(вероятность правильного обнаружения D) в среднем (3 ÷ 4 запуска
вычислений нажатием Shift _ F5) равна 0,5.
31
Таблица 3.2
B0 = ...дБ
B
(дБ)
B0 + 20 B0 + 15 B0 + 10 B0 + 5
B0
B0–5
B0–8
B0–10 B0–15 B0–20
P1
P2
P3
Pср
Полученное значение ослабления следует увеличить на 3 дБ и
записать его в табл. 3.2, обозначив как B0. Устанавливая значения
ослабления B от B0 + 20 дБ до B0 – 20, получите для каждого из них
по три значения вероятностей правильного обнаружения (P1, P2 и
P3) и занесите их в табл. 3.2.
3.3. Исследование когерентного корреляционного  
обнаружителя (КГК)
Функциональная схема корреляционного обнаружителя показана на рис. 3.6. Собственно обнаружитель выделен штриховой
Источник
полезного
сигнала
Канал
передачи
Источник
шумового
напряжения
Вход
приемного
устройства
Генератор копии
полезного
сигнала
Сброс
Решающее
устройство
(индикация)
Усилитель
Перемножитель
Интегратор
Пороговое
устройство
Рис. 3.6. Схема когерентного корреляционного
обнаружителя (КГК)
32
Uпор
линией. В своем составе обнаружитель содержит генератор копии
полезного сигнала, перемножитель, интегратор со сбросом и пороговое устройство.
В этой схеме используется интегратор со сбросом напряжения после окончания наблюдения принятой реализации в момент времени
T, который, как правило, совпадает с моментом окончания полезного сигнала. Это необходимо по причине накопления «памятью»
интегратора напряжения за счет действия смеси сигнала и помехи
к моменту прихода следующего импульса в периодической последовательности входных импульсов полезного сигнала, в то время как
«память» для следующего использования должна быть очищена.
3.3.1. Описание исследуемой схемы обнаружителя
В каталоге ПК, указанном преподавателем, следует открыть
файл обнаружитель КГК.svu. Если на ПК установлен программный продукт System View, то на экране монитора отобразится исследуемая схема, показанная на рис. 3.7, с пустыми экранами осциллограмм.
Полезный сигнал, как и в предыдущих схемах, формируется
с помощью модулирования импульсной последовательностью си-
Рис. 3.7. Изображение схемы обнаружителя КГК
на экране монитора
33
нусоидального напряжения (элементы 0, 1, 2 и 3). Длительность
импульсов τ = 1 мкс, частота повторения Fп = 100 кГц, частота заполнения внутри импульса fс = 10 МГц. Элемент 5 – аттенюатор,
моделирующий ослабление сигнала в канале передачи, элемент 6 –
источник шумового напряжения, добавляемого к полезному сигналу. Элемент 8 – широкополосный усилитель, неискажающий формы сигнала.
Копия полезного сигнала формируется на выходе перемножителя 16, на один из входов которого с фазового модулятора 15 поступает копия входного синусоидального сигнала.
На второй вход поступает копия огибающей полезного сигнала.
В полученной копии радиоимпульса в процессе выполнения работы
можно изменять сдвиг фазы (элемент 15) по отношению к начальной фазе полезного сигнала, а также изменять временной сдвиг копии (элемент 17) относительно полезного сигнала. Осциллограмма
напряжения копии полезного сигнала будет отображаться на экране элемента 23.
Элементы 32, 21 вырабатывают строб считывания в момент времени, когда корреляционный интеграл достигает своего максимума. Элемент 32 – метасистема, содержимое которой можно просмотреть, дважды щелкнув на ней левой клавишей «мыши». Напряжение корреляционного интеграла формируется элементами 9 и
10 (умножение полезного сигнала на его копию и интегрирование).
Осциллограмма напряжения на выходе интегратора будет отображаться на экране элемента 26.
На выходе элемента 12 формируются выборочные значения напряжения корреляционного интеграла в момент времени, когда
значение интеграла достигает максимума, которые затем поступают на вход порогового устройства.
Элемент 22 является вспомогательным и генерирует постоянное
напряжение нормировки для вероятностных вычислений в процессе выполнения работы.
3.3.2. Исследование вида напряжений в различных
точках схемы обнаружителя КГК
В окне системного времени (
) установите следующие значения параметров:
– Start Time = 0;
– Stop Time = 3*10^–6 (форма записи в окне будет в виде 3e–6);
– Sample Rate (частота выборки) = 10^8 (100e + 6);
– No.of System Loops (число циклов) = 1.
34
Установите ослабление полезного сигнала (элемент 5) 3 дБ и выполните пуск системы на вычисление.
Сделайте снимок экрана с функциональной схемой обнаружителя и прорисованными осциллограммами (снимок 11).
Перейдите в окно анализа, нажав кнопку
на панели инструментов окна со схемой обнаружителя.
Сделайте снимки осциллограмм экранов 23–27 в окне анализа
для одного цикла вычислений, используя для запуска вычислений
комбинацию клавиш Shift_F5, при различных ослаблениях полезного сигнала в аттенюаторе 5, различных сдвигах фаз (в элементе 15) между полезным сигналом и его копией и различных временных сдвигах копии относительно оригинала (элемент 17).
Сделайте снимки осциллограмм для следующих входных данных:
– сдвиг фаз между полезным сигналом и копией 0° (элемент 15),
временная задержка копии сигнала относительно полезного сигнала 0 с (элемент 17), ослабление полезного сигнала (элемент 5) 15 дБ
и 50 дБ (снимки 12, 13).
После выполнения первого вычисления в окне анализа разверните окна осциллограмм (если окна свернуты) нажатием кнопки
на панели инструментов. Окно осциллограммы элемента 28 закройте, нажав × в правом верхнем углу этого окна, а затем вновь
«перерисуйте» осциллограммы нажатием кнопки
на панели
инструментов окна со схемой;
– сдвиг фаз между полезным сигналом и копией 180° (элемент 15), временная задержка копии сигнала относительно полезного сигнала 0 с (элемент 17), ослабление полезного сигнала (элемент 5) 15 дБ (снимок 14);
– сдвиг фаз между полезным сигналом и копией 90° (элемент 15),
временная задержка копии сигнала относительно полезного сигнала 0 с (элемент 17), ослабление полезного сигнала (элемент 5) 15 дБ
(снимок 15);
– сдвиг фаз между полезным сигналом и копией 0° (элемент 15),
ослабление полезного сигнала (элемент 5) 3 дБ, временная задержка копии сигнала относительно полезного сигнала (элемент 17)
0,5 мкс (набрать с клавиатуры 0,5*10^–6) и 0,8 мкс (16, 17);
Рисунки осциллограмм, приводимые в отчете, должны сопровождаться указанием значений параметров, при которых выполнялись вычисления.
35
3.3.3. Снятие характеристики обнаружения
Для получения характеристик обнаружения необходимо иметь
достаточно большой объем выборочных данных, причем перед
каждой новой выборкой должен быть осуществлен сброс напряжения интегратора в ноль. В противном случае напряжение на выходе
интегратора будет непрерывно расти от выборки к выборке. В связи с этим способ формирования выборочных значений для данного
типа обнаружителя отличается от способа, который применялся
к обнаружителям НКГФ и КГФ.
Модель интегратора из библиотеки элементов System View не
позволяет простыми средствами вмешиваться в алгоритм его работы, поэтому сброс напряжения интегратора по окончании интервала наблюдения осуществляется за счет организации нового цикла
вычислений с новыми параметрами шумового процесса. Объем выборочных значений в данном случае будет определяться числом циклов, устанавливаемым в окне системного времени, и должен быть
достаточным для получения достоверных результатов.
Учитывая сказанное, задайте число циклов вычислений в окне
системного времени (
) в боксе No.of System Loops, равное 100
и установите флаг в боксе Reset system on loop для сброса результатов вычислений предыдущего цикла перед началом следующего. В этом случае реализации шумового напряжения в каждом
цикле вычислений будут независимыми, а также будет выполняться сброс напряжения с выхода интегратора перед новым циклом.
Установите следующие параметры схемы:
– сдвиг фаз между полезным сигналом и копией 0° (элемент 15);
– временная задержка копии сигнала относительно полезного
сигнала 0 с (элемент 17);
– ослабление полезного сигнала (элемент 5) 3 дБ.
Выключите полезный сигнал, установив усиление в элементе
4, равным нулю. Выполните пуск системы на вычисление. Осциллограмма на экране 27 представляет собой результат превышения
порога напряжением шума. Перейдите в окно анализа (
). Вызовите калькулятор экрана (кнопка
внизу экрана слева), выберите группу Operators, в ней операцию Integrate, и в списке
справа вверху укажите окно 27, для которого следует применить
интегрирование. Нажмите OK. Операция интегрирования для осциллограммы экрана 27 переводит количество импульсов, выведенных на экран, в нарастающее напряжение. Результат интегрирования будет отображен в новом окне (w6:integral of w4).
36
Поскольку известно максимально возможное число импульсов
(100) с выхода порогового устройства (элементы 13, 14), то для этого числа заранее подсчитано значение напряжения при выполнении операции интегрирования. Это напряжение, генерируемое элементом 22, отображается в окне анализа осциллограммой экрана
28 и может служить параметром нормировки результата операции
интегрирования для осциллограммы экрана 27.
Вновь вызовите окно калькулятора экрана и выберите группу
Arithmetic, а в ней операцию Divide. Из списка экранов вверху
справа выберите окно делимого (w6:Integral of w4), а из нижнего списка – окно делителя (экран 28), и нажмите OK, тем самым произведя нормировку. Результат отобразится в новом окне
w7:Window 6 Divided by Window 5. Значение ординаты процесса
на правой границе окна с нормированными значениями напряжения интеграла (пример на рис. 3.8) следует принять в качестве значения вероятности ложной тревоги.
Для выбранных значений напряжения шума и порогового напряжения вероятность ложной тревоги близка к 0,2. Убедитесь
в этом, выполнив несколько (3 ÷ 4) пусков вычислений нажатием
комбинации клавиш Shift_F5 и усреднив полученные значения
вероятностей.
Рис. 3.8. Окно представления результатов
статистических вычислений
37
Таблица 3.3
B0 = ...дБ
B
B0 + 20
(дБ)
B0 + 15
B0 + 10 B0 + 5
B0
B0–5 B0–8 B0–10
B0–15
B0–20
P1
P2
P3
Pср
Включите полезный сигнал, установив усиление в элементе 4,
равное 1. Получите значения вероятностей превышения порога для
различных отношений сигнал/шум, предварительно определив ослабление аттенюатора 5, при котором это отношение равно 1. Для
этого экспериментальным путем подберите значение ослабления
полезного сигнала, при котором вероятность превышения порога
(вероятность правильного обнаружения D) в среднем (3 ÷ 4 запуска
вычислений нажатием Shift_F5) равна 0,5.
Полученное значение ослабления следует увеличить на 3 дБ и
записать его в табл. 3, обозначив как B0. Устанавливая значения
ослабления B от B0 + 20 дБ до B0 – 20, получите для каждого из них
по три значения вероятностей правильного обнаружения (P1, P2 и
P3) и занесите их в табл. 3.3.
3.4. Содержание отчета
В отчете для каждого типа обнаружителя должны быть представлены:
– графическая схема обнаружителя;
– рисунок (распечатка снимка) с функциональной схемой обнаружителя в среде System View;
– рисунки (распечатки снимков) с осциллограммами с указанием, при каких параметрах схемы они получены и пояснения к ним;
– графический вид экспериментальных характеристик обнаружения, построенных по данным табл. 3.1–3.3, и комментарии к ним;
– краткие выводы по работе.
Рекомендуемая литература
1. Ван Трис Г. Теория обнаружения, оценок и модуляции /
Г. Ван Трис, пер. с англ. М.: Советское радио, 1972. Т. 1.
38
2. Лукошкин А. П. Обнаружение радиосигналов на фоне шумовых помех: учеб. пособие / А. П. Лукошкин, Б. В. Устинов. Л.:
ЛЭТИ (ЛИАП), 1981.
3. Теоретические основы радиолокации / под ред. Я. Д. Ширмана. М.: Советское радио, 1970.
4. Гоноровский И. С. Радиотехнические цепи и сигналы / И. С. Гоноровский. М.: Советское радио, 1977.
39
4. ИССЛЕДОВАНИЕ КОРРЕЛЯЦИОННЫХ СВОЙСТВ  
СИГНАЛОВ И ФЛЮКТУАЦИОННЫХ ПОМЕХ  
(МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ  
ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ)
В работе определяются данные, позволяющие построить диаграммы, соответствующие виду корреляционных функций, для
различных типов сигналов, как детерминированных, так и случайных (шумовых). Функциональная схема устройства – коррелометра приведена на рис. 4.1.
Перемножитель
×
x(t)
Интегратор
∫
Kx (τ)
x(t −τ )
Линия задержки
на τ
Рис. 4.1. Схема устройства – коррелометра
Схема физически реализует математическое выражение для
функции автокорреляции [3]:
=
Kx (τ)
T
1
x(t)x(t − τ)dt, T∫
(4.1)
0
где T – интервал времени наблюдения процесса x(t); t – интервал
времени задержки.
Для функции взаимной корреляции процессов x(t) и у(t) выражение (4.1) преобразуется к виду
=
Kxy (τ)
T
1
x(t)y(t − τ)dt.
T∫
(4.2)
0
В этом случае на один вход перемножителя (рисунок 4.1) поступает процесс x(t), а на вход линии задержки поступает процесс у(t).
4.1. Описание исследуемой схемы
Вычисление значений корреляционных функций осуществляется в среде программного продукта System View. В System View
40
устройство, выполняющее вычисления, представляется в виде
функциональной схемы, состоящей из совокупности соединенных
между собой элементов, которые выполняют необходимые математические операции, описывающие физические процессы, в дискретной форме.
Дискретный характер процессов, формирующих представление
физических величин, накладывает определенные ограничения на
значения этих величин и скорости их изменения. При исследовании процессов реального времени необходимо помнить о дискретном характере их формирования, поэтому значение частоты
дискретных выборок, представляющих процесс, должно быть, по
крайней мере, на порядок большим, чем значение максимальной
частоты в спектре формируемого и исследуемого процесса.
В каталоге ПК, указанном преподавателем, следует открыть
файл АКФ sin.svu. Если на ПК установлен программный продукт
System View, то на экране монитора отобразится окно редактирования с исследуемой схемой, показанной на рис. 4.2. Цветовая палитра на рисунке отличается от изображения на экране монитора
и подобрана для удобного зрительного восприятия с бумажного
листа.
Рис. 4.2. Схема коррелометра для АКФ sin
на экране монитора
41
В схеме на рис. 4.2 обозначены следующие элементы:
0 – источник входного процесса (в данном случае – синусоидального напряжения с частотой 2 МГц);
1 – перемножитель;
2 – устройство задержки входного процесса на время τ, необходимые значения которого устанавливаются в процессе выполнения
работы;
3 – устройство, выполняющее операцию интегрирования поступающего на его вход напряжения;
4 – устройство, выполняющее операцию деления (нормировки);
5 – источник линейно нарастающего во времени напряжения.
Скорость нарастания напряжения выбрана такой, чтобы по окончании времени наблюдения (T) значение выходного напряжения равнялось напряжению с выхода интегратора при нулевой задержке
(в элементе 2). В этом случае напряжение на выходе делителя (элемент 4) можно сопоставить с коэффициентом корреляции, определяемым по формуле K(t) / K(0). В начальный момент времени (t = 0)
в делителе 4 имеет место неопределенность деления на ноль. Чтобы
исключить это, в напряжение нормировки (элемент 5) введено смещение напряжения на незначительную величину, равную 10–8 B;
6 и 7 – виртуальные осциллографы, подключенные к выходам определенных элементов схемы. Экраны этих осциллографов
(System View Sink) показаны на рисунке рядом с элементами 6 и 7.
Выражения (4.1) и (4.2) справедливы при условии T >> t. В связи с этим в окне системного времени, вызываемом нажатием кнопки
на панели инструментов, потребуется установить соответствующее значение в боксе Stop Time. Точность результатов вычислений зависит от выполнения условия T >> t: чем больше T по
сравнению с t, тем точнее результат. Однако увеличение интервала
времени измерений увеличивает требуемый для вычислений ресурс машинного времени, поэтому при выборе значения Stop Time
следует находить разумный компромисс. Поскольку максимальная задержка при выполнении работы составляет всего несколько
периодов синусоидального напряжения частотой 2 МГц, а именно 3 ÷ 6 мкс, то в нашем случае достаточным можно считать Stop
Time = 5·10–3 с (запись с клавиатуры в виде 5*10^–3, отображение
в окне системного времени: 5e–3).
В этом же окне системного времени следует установить значение
частоты выборки для формирования исследуемого процесса, которая должна быть, по крайней мере, на порядок больше значения частоты процесса. В нашем случае это значение Sample Rate = 108 Гц
42
(запись с клавиатуры: 10^8), что обеспечивает достаточную для лабораторных исследований точность формирования синусоидального напряжения.
4.2. Измерение нормированных значений автокорреляционной
функции синусоидального сигнала {KАК sin (t)/KАК sin (0)}
Поскольку в схеме на рис. 4.2 сигналы на входы перемножителя
поступают от одного источника (элемент 0), то в этом случае исследуется функция автокорреляции. Интересующие нас нормированные значения функции автокорреляции (K(t) / K(0)) будут отображаться на экране элемента 7.
Убедитесь, что исходное значение параметра Stop Time в окне
системного времени
равно 5·10–6 (запись: 5*10^–6, отображение: 5е–6), а исходная задержка t в элементе 2 равна нулю. Для
просмотра параметров элемента достаточно навести курсор на выбранный элемент и задержать его там. Для изменения какого-либо параметра элемента необходимо навести курсор на выбранный
элемент и сделать двойной щелчок левой клавишей «мыши». В появившемся окне следует нажать кнопку Parameters… , в окне параметров выбрать необходимый параметр и с клавиатуры ввести
его значение.
Выполните пуск системы на вычисление нажатием кнопки
панели инструментов окна редактирования (окно со схемой обнаружителя), или нажатием клавиши F5 на клавиатуре. На экране SystemViev 6 отобразится исследуемый процесс, а на экране
SystemViev 7 – текущие значения коэффициента корреляции.
Сделайте снимок экрана со схемой коррелятора и с прорисованными осциллограммами (снимок 1).
Как отмечалось выше, точность вычислений увеличивается
с увеличением времени наблюдения по сравнению со временем
максимальной задержки. Поэтому измерения следует выполнять
при значении параметра Stop Time в окне системного времени,
равном 5·10–3. Установите это значение.
Устанавливая последовательно значения задержки в элементе 2
в пределах от 0 до 1,5 ⋅10–6 с (1,5 мкс) с шагом 0,05 мкс (0,05⋅10–6 с),
выполните пуск вычислений после каждой установки. Дождитесь
окончания вычислений, установите курсор на изображении осциллограммы в конце интервала наблюдения на экране элемента 7
(SystemView Sink 7) и прочитайте результат вычислений (y = …),
который выводится на панель инструментов окна редактирования
43
Таблица 4.1
Нормированная АКФ синусоидального сигнала
t мкс
0
0,05
0,1
0,15
…
…
1,4
1,45
1,5
KАК sin(t)/K(0)
справа. Для удобства считывания результата следует увеличить
размер экрана SystemView Sink 7, щелкнув на нем один раз левой клавишей «мыши» и протащив маркер угла появившейся рамки в удобное место. При этом можно передвинуть весь экран на свободное место, чтобы не закрывать изображение схемы.
Полученные данные занесите в табл. 4.1.
4.3. Измерение нормированных значений автокорреляционной
функции случайного широкополосного (шумового) сигнала  
[KАК ш ш (t)/K(0)]
В каталоге ПК, указанном преподавателем, следует открыть
файл АКФ шум ш.svu. На экране монитора отобразится схема,
показанная на рис. 4.3. Отличие этой схемы от схемы на рис. 4.2
Рис. 4.3. Схема коррелометра для АКФ шумового сигнала 1
44
состоит в том, что вместо генератора синусоидального напряжения
используется генератор случайного (шумового) напряжения (элемент 0) с шириной спектра, определяемой полосой пропускания последующего фильтра (элемент 1).
В этой схеме верхняя граничная частота полосы пропускания
фильтра равна 2 МГц.
Алгоритм получения данных для построения автокорреляционной функции случайного сигнала такой же, что и в случае с детерминированным (синусоидальным) сигналом. Установите значение
параметра Stop Time в окне системного времени, равным 5·10–3.
Установите время задержки в элементе 2, равным нулю. Выполните пуск системы на вычисления нажатием кнопки
панели
инструментов окна редактирования или нажатием клавиши F5 на
клавиатуре.
Сделайте снимок экрана с прорисованными осциллограммами
с указанием ширины полосы пропускания фильтра 1 (снимок 2).
Таблица 4.2
Нормированная АКФ шумового широкополосного сигнала
t мкс
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
KАК ш ш (t)/K(0)
Устанавливая последовательно значения задержки в элементе
2 в пределах от 0 до 1⋅10–6 с (1 мкс) с шагом 0,1 мкс (0,1⋅10–6 с),
выполните пуск вычислений после каждой установки. При каждом пуске дождитесь окончания вычислений, установите курсор
на изображении осциллограммы в конце интервала наблюдения на
экране элемента 8 (System View Sink 8), прочитайте результат
вычислений (y = …) на панели инструментов окна редактирования.
Результаты вычислений занесите в табл. 4.2.
4.4. Измерение нормированных значений автокорреляционной
функции случайного (шумового) узкополосного сигнала
Откройте файл АКФ шум у.svu. На экране монитора отобразится та же схема, что и на рис. 4.3, но с меньшим значением (500 кГц)
верхней граничной частоты полосы пропускания фильтра (элемент
1). Установите значение параметра Stop Time в окне системного
времени, равным 5·10–3. Устанавливая последовательно значения
задержки в элементе 2 в пределах от 0 до 1⋅10–6 с (1 мкс) с шагом
45
Таблица 4.3
Нормированная АКФ шумового узкополосного сигнала
t мкс
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
KАК ш у(t)/К(0)
0,1 мкс (0,1⋅10–6 с), выполните пуск вычислений после каждой
установки. Дождитесь окончания вычислений, установите курсор
на изображении осциллограммы в конце интервала наблюдения на
экране элемента 8 (System View Sink 8) и прочитайте результат
вычислений (y = …) на панели инструментов окна редактирования.
Результаты измерений занесите в табл. 4.3.
4.5. Измерение значений автокорреляционной функции смеси  
шумового узкополосного и синусоидального сигналов
Откройте файл АКФ смеси.svu. На экране монитора отобразится схема, показанная на рис. 4.4. В этой схеме исследуемый сигнал
формируется на выходе сумматора 3, на входы которого поступают
синусоидальный (от элемента 0) и случайный (от элемента 2) сигналы. Элемент 2 – полосовой усилитель, определяющий ширину
спектра (500 кГц) случайного процесса. Частота синусоидального
сигнала 2 МГц.
Установите значение параметра Stop Time в окне системного
времени, равным 5·10–3. Установите время задержки в элементе 4,
Рис. 4.4. Функциональная схема коррелометра для АКФ
смеси сигналов на экране монитора
46
равным нулю. Выполните пуск системы на вычисления нажатием
кнопки
панели инструментов окна редактирования или нажатием клавиши F5 на клавиатуре.
Сделайте снимок экрана с прорисованными осциллограммами
с указанием ширины полосы пропускания фильтра 2 (снимок 3).
Устанавливая последовательно значения задержки в элементе 4
в пределах от 0 до 1,5⋅10–6 с (1,5 мкс) с шагом 0,05 мкс (0,05⋅10–6 с),
выполните пуск вычислений после каждой установки. Дождитесь
окончания вычислений, установите курсор на изображении осциллограммы в конце интервала наблюдения на экране элемента 11
(System View Sink 11) и прочитайте результат вычислений (y = …)
на панели инструментов окна редактирования. Результаты измерений занесите в табл. 4.4.
Таблица 4.4
Нормированная АКФ смеси сигналов
t мкс
0
0,05
0,1
…
…
…
1,4
1,45
1,5
KАК см(t)/К(0)
4.6. Измерение нормированных значений автокорреляционной
функции последовательности видеоимпульсов
Откройте файл АКФ ВИ.svu. На экране монитора отобразится
схема, показанная на рис. 4.5.
В этой схеме исследуемым сигналом является периодическая
последовательность прямоугольных видеоимпульсов, формируемых элементом 0, с параметрами:
– длительность импульсов 1мкс (10–6 с);
– частота следования F = 100 кГц (100*10^3 Гц).
В окне системного времени установите время исследования
(Stop Time), равным 5·10–6 с (5 мкс). В элементе 2 установите время задержки t = 0. Выполните пуск системы на вычисление (кнопили клавиша F5).
Сделайте снимок экрана с прорисованными осциллограммами
(снимок 4).
В окне системного времени установите время исследования (Stop
Time), равным 5·10–3 с (5 мс). Устанавливая последовательно значения задержки в элементе 2 в пределах от 0 до 1,5⋅10–6 с (1,5 мкс)
с шагом 0,1 мкс (0,1⋅10–6 с), выполните пуск вычислений после
каждой установки. Дождитесь окончания вычислений, установика
47
Рис. 4.5. Функциональная схема коррелометра
для АКФ видеоимпульсов на экране монитора
те курсор на изображении осциллограммы на экране элемента 8
(System View Sink 8) в конце интервала наблюдения и прочитайте результат вычислений (y = …) на панели инструментов окна
редактирования. Результаты измерений занесите в табл. 4.5.
Таблица 4.5
Нормированная АКФ последовательности видеоимпульсов
t мкс
0
0,1
0,2
…
…
…
1,3
1,4
1,5
KАК ви(t)/K(0)
4.7. Измерение нормированных значений взаимно- 
корреляционной функции последовательности  
видеоимпульсов
Откройте файл ВКФ ВИ.svu. На экране монитора отобразится
схема, показанная на рис. 4.6.
Отличие этой схемы от изображенной на рис. 4.5 состоит в дополнительном элементе задержки (элемент 3), который задает начальный временной сдвиг одного из сигналов, равный 1,2 мкс.
48
Рис. 4.6. Функциональная схема коррелометра
для ВКФ видеоимпульсов на экране монитора
В окне системного времени установите время исследования
(Stop Time), равным 5·10–6 с (5 мкс). В элементе 1 установите время задержки t = 0. Выполните пуск системы на вычисление (кнопили клавиша F5).
Сделайте снимок экрана с прорисованными осциллограммами
(снимок 5).
ка
Таблица 4.6
Нормированная ВКФ последовательности видеоимпульсов
t мкс
0
0,1
0,2
…
…
…
2,8
2,9
3,0
KВК ви(t)/K(0)
В окне системного времени установите время исследования
(Stop Time), равным 5·10–3 с (5 мс). Устанавливая последовательно значения задержки в элементе 1 в пределах от 0 до 3⋅10–6 с (3
мкс) с шагом 0,1 мкс (0,1⋅10–6 с), выполните пуск вычислений после каждой установки. Дождитесь окончания вычислений, установите курсор на изображении осциллограммы на экране элемента 9
(System View Sink 9) в конце интервала наблюдения и прочитайте результат вычислений (y = …) на панели инструментов окна
редактирования. Результаты вычислений занесите в табл. 4.6.
49
4.8. Измерение нормированных значений автокорреляционной
функции последовательности радиоимпульсов
Откройте файл АКФ РИ.svu. На экране монитора отобразится
схема, показанная на рис. 4.7.
В этой схеме исследуемый сигнал формируется на выходе перемножителя 2, на один из входов которого поступает синусоидальный сигнал с элемента 0, а на второй вход – периодическая последовательность прямоугольных импульсов длительностью 1 мкс
элемента 1.
В окне системного времени установите время исследования
(Stop Time), равным 5·10–6 с (5 мкс). В элементе 4 установите время задержки t = 0. Выполните пуск системы на вычисление (кнопка
или клавиша F5). Сделайте снимок экрана с прорисованными осциллограммами (снимок 6).
В окне системного времени установите время исследования (Stop
Time), равным 5·10–3 с (5 мс). Устанавливая последовательно значения задержки в элементе 4 в пределах от 0 до 1,2⋅10–6 с (1,2 мкс) с шагом 0,1 мкс (0,1⋅10–6 с), выполните пуск вычислений после каждой
Рис. 4.7. Функциональная схема коррелометра
для АКФ радиоимпульсов на экране монитора
50
Таблица 4.7
Нормированная АКФ последовательности радиоимпульсов
t мкс
0
0,1
0,2
…
…
…
1,0
1,1
1,2
KАК ри (t)/K(0)
установки. Дождитесь окончания вычислений, установите курсор
на изображении осциллограммы в конце интервала наблюдения на
экране элемента 10 (System View Sink 10) и прочитайте результат
вычислений (y = …) на панели инструментов окна редактирования.
Результаты вычислений занесите в табл. 4.7.
4.9. Измерение нормированных значений взаимно-корреляционной функции последовательности радиоимпульсов
Откройте файл ВКФ РИ.svu. На экране монитора отобразится
схема, показанная на рис. 4.8. В этой схеме последовательность
радиоимпульсов, поступающая на один из входов перемножителя
Рис. 4.8. Функциональная схема коррелометра
для ВКФ радиоимпульсов на экране монитора
51
5 с выхода схемы формирования (элементы 0, 1, 2), имеет фиксированную задержку, равную 1,2 мкс (элемент 3).
Вычисление нормированных значений взаимно-корреляционной функции выполняется при изменении временной задержки
последовательности радиоимпульсов, поступающих на второй вход
перемножителя 5 с выхода элемента 4.
В окне системного времени установите время исследования
(Stop Time), равным 5·10–6 с (5 мкс). В элементе 4 установите время задержки t = 0. Выполните пуск системы на вычисление (кнопили клавиша F5).
Сделайте снимок экрана с прорисованными осциллограммами
(снимок 7).
В окне системного времени установите время исследования (Stop
Time), равным 5·10–3 с (5 мс). Устанавливая последовательно значения задержки в элементе 4 в пределах от 0 до 2,2⋅10–6 с (2,2 мкс)
с шагом 0,1 мкс (0,1⋅10–6 с), выполните пуск вычислений после
каждой установки. Дождитесь окончания вычислений, установите
курсор на изображении осциллограммы в конце интервала наблюдения на экране элемента 11 (System View Sink 11) и прочитайте
результат вычислений (y = …) на панели инструментов окна редактирования. Результаты вычислений занести в табл. 4.8.
ка
Таблица 4.8
Нормированная ВКФ последовательности радиоимпульсов
t мкс
0
0,1
0,2
…
…
…
2,0
2,1
2,2
KВКри(t)/K(0)
4.10. Содержание отчета по работе
В отчете необходимо:
– привести распечатки экранных изображений функциональных схем устройств для измерения значений функции корреляции
исследованных типов сигналов (снимки 1–7). Дать краткое письменное пояснение работы схем;
– представить таблицы измерений для каждой схемы;
– по данным таблиц 4.1 ÷ 4.8 построить графики кривых, объединив их по категориям:
– а) совместный график кривых АКФ синусоидального сигнала
и АКФ смеси;
52
– б) совместный график кривых АКФ широкополосного и узкополосного шумового сигнала;
– в) совместный график кривых АКФ и ВКФ видеоимпульсов;
– г) совместный график кривых АКФ и ВКФ радиоимпульсов.
– дать в письменном виде объяснение результатов, полученных
в каждом эксперименте. Сравнить нормированные корреляционные функции между собой, указать, в чем заключается их отличие
и чем оно объясняется.
Рекомендуемая литература
1. Кречетов А. Д. Руководство к выполнению лабораторных работ по курсу «Основы помехоустойчивости радиосистем». Части 1
и 2 / А. Д. Кречетов. Л.: ЛИАП, 1969.
2. Левин Б. Р. Теоретические основы статистической радиотехники / Б. Р. Левин. М.: Сов. радио, 1966. С. 185–191, 193–206.
3. Тихонов В. И. Статистическая радиотехника / В. И. Тихонов.
М.: Сов. радио, 1966. С. 69–110.
4. Мирский Г. Я. Аппаратурное определение характеристик
случайных процессов / Г. Я. Мирский. М.: Энергия, 1967.
5. Дулевич В. Е. Теоретические основы радиолокации / В. Е. Дулевич и др. М.: Сов. радио, 1964. С. 118–124.
53
5. РАДИОВЫСОТОМЕР МАЛЫХ ВЫСОТ (МЕТОДИЧЕСКИЕ
УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ)
5.1. Общие положения
Измерение высоты летательного аппарата (ЛА) должно осуществляться от высоты его нахождения до высоты касания с посадочной поверхностью, то есть до нуля. Использование для этой цели
радиолокационных устройств с простым импульсным зондирующим сигналом сопряжено с существенными проблемами. Одна из
них – минимальная измеряемая дальность, которая определяется
длительностью излучаемого импульса. При скорости распространения радиоизлучения порядка 3·108 м/с и длительности импульса, например, 1 мкс минимальная измеряемая дальность составляет 150 м.
Это обусловлено тем, что импульсы, отраженные от объекта
с меньшей дальности, будут иметь время задержки менее 1мкс.
В результате, отраженные и излученные импульсы будут частично
перекрываться во времени, что исключает их раздельное наблюдение и фиксацию времени прихода отраженного импульса. Для
высотомера это не приемлемо. Уменьшение длительности зондирующего импульса для импульсного радиолокатора связано с расширением спектра зондирующего сигнала, а, следовательно, с существенным усложнением аппаратуры, устанавливаемой на борту
ЛА, и увеличением эфирного диапазона частот, занимаемого при
работе устройства.
Одним из путей преодоления отмеченных трудностей является
использование в качестве зондирующего сигнала непрерывного
синусоидального электромагнитного колебания с изменяющейся
частотой [4]. На рис. 5.1 показан пример линейного изменения частоты зондирующего сигнала (fизл). Изменение частоты принятого
отраженного сигнала (fотр) будет иметь точно такой же характер
(fотр1 или fотр2), но с запаздыванием по времени, обусловленным задержкой распространения радиоволн, пропорциональной дальности до отражающего объекта.
Из рис. 5.1 следует, что при линейном изменении частоты зондирующего сигнала в каждый момент времени значение разностной
частоты fразн = fизл – fотр остается постоянным и зависит только от
времени задержки tз отраженного сигнала (fразн1, fразн2). Поскольку
tз однозначно связано с дальностью отражающего объекта, то fразн
может служить эквивалентом параметра «дальность».
54
f
f разн 2
f разн 1
fизл
tз2
fотр1 fотр 2
tз1
t
Рис. 5.1. Линейный закон изменения частоты
зондирующего сигнала
Значение разностной частоты остается постоянным, если частота излучаемого сигнала непрерывно линейно растет. Реализовать
рост частоты излучаемого сигнала до бесконечности невозможно,
поэтому приходится использовать периодическое изменение его
частоты (периодическая модуляция), пример которого показан на
рис. 5.2, а. При этом напряжение разностной частоты будет отличаться от синусоидального. Как показано на рис. 5.2, б при линейно-ломанном законе модуляции это напряжение представляет соа)
f
Девиация ∆ f
tз
fизл
fразн
fотр
TМ
б)
t
U
t
Рис. 5.2: а) закон изменения частоты зондирующего сигнала;
б) форма сигнала разностной частоты
55
бой последовательность синусоидальных пакетов, разделенных зонами перехода значения разностной частоты через нуль. Эти зоны
называются зонами обращения.
Спектр такого напряжения отличается от спектра непрерывного
синусоидального напряжения. Вследствие периодичности пакетов
он является дискретным и состоит из гармоник с частотами, кратными частоте модуляции Fм = 1/Tм.
Дискретность спектра является причиной постоянной ошибки
измерения разностной частоты (а, следовательно, и дальности), поскольку невозможно измерить частоту, которой нет в спектре исследуемого сигнала.
Поскольку в качестве эквивалента дальности (высоты) используется частота, то выходным измерительным устройством должен
быть измеритель частоты – частотомер. В более общем случае в качестве измерительного устройства может использоваться анализатор спектра, шкала частот которого проградуирована в единицах
дальности.
Перед тем, как приступить к исследованию спектра сигналов
разностной частоты, следует рассмотреть спектры простых сигналов, таких, как периодические последовательности видео- и радиоимпульсов.
5.2. Ознакомление со спектрами простых сигналов
Работа выполняется в среде программного продукта System
View. В этой среде исследуемое устройство представляется в виде
функциональной схемы, состоящей из совокупности блоков, выполняющих необходимые физические и математические операции в дискретной форме. Это означает, что исследуемые процессы
представлены их выборочными значениями в некоторые моменты
времени. Чем короче интервал времени между соседними выборками, тем точнее соответствие дискретного представления реальному
аналоговому процессу.
В каталоге, указанном преподавателем, следует открыть файл
спектр.svu. Если на компьютере установлен пакет System View,
то на экране монитора будет открыто окно редактирования с исследуемой схемой, как на рис. 5.3. Цветовая палитра рисунка отличается от экранной палитры для удобства зрительного восприятия
изображения с бумажного листа.
Здесь совокупность элементов 0 и 2 формирует последовательность прямоугольных видеоимпульсов, а элементов 0, 1, 2 и 3 – по56
Рис. 5.3. Схема исследования на экране монитора
следовательность прямоугольных радиоимпульсов. Элементы 4 и
5 – виртуальные осциллографы, подключенные к выходам исследуемых схем. Экраны этих осциллографов (Sink 4 и Sink 5)
показаны рядом с соответствующими элементами. Элемент 2 –
устройство задержки, используемое с целью обеспечить удобное
расположение осциллограмм на экранах. Элемент 3 – перемножитель, на выходе которого формируется радиоимпульс. Исходные
параметры исследуемых сигналов следующие:
– исходная длительность импульсов 100 мкс (100⋅10–6 c);
– исходная частота повторения импульсов 1 кГц;
– частота заполнения в радиоимпульсе 1 МГц.
Просмотреть значения параметров можно, наведя курсор мыши
на соответствующий элемент и задержав его. В появившемся окне
можно прочитать текущие значения параметров элемента. Для изменения параметров необходимо сделать двойной щелчок левой
клавишей «мыши» на выбранном элементе и в открывшемся окне
нажать кнопку Parameters … .
Перед пуском программы на вычисления установите необходимые параметры системного времени. Для этого на панели инструментов окна редактирования нажмите кнопку
. В открывшемся окне параметров установите Start Time – 0 с, Stop Time – 10–3 с
(вид записи – 1e–3), Sample Rate – 10⋅10 + 6 (вид записи – 10e+6) Гц,
No. of System Loops – 1 .
57
Запустите программу на вычисление нажатием кнопки
на
панели инструментов окна редактирования. По завершении цикла
вычислений на экранах Sink 4 и Sink 5 прорисуются осциллограммы исследуемых процессов. Сделайте снимок экрана с прорисованными осциллограммами (снимок 1).
Более подробное изображение осциллограмм будет получено,
если нажать кнопку
на панели инструментов окна редактирования. Откроется окно анализа с осциллограммами, как на рис. 5.4.
Чтобы вычислить спектр какого-либо из отображенных сигналов, следует воспользоваться «калькулятором экрана». Для этого
необходимо в окне анализа внизу слева нажать кнопку
. В открывшемся окне следует последовательно нажать кнопки Spectrum
и FFT. В окне выбора экрана (Select one window) необходимо
выделить нужный экран, например, Sink 4 и затем нажать кнопку
OK. Откроется окно с результатом быстрого преобразования Фурье
(БПФ, FFT) выбранного сигнала. Масштаб по горизонтали следует изменить, выделив с помощью курсора интересующую область
Рис. 5.4. Осциллограммы исследуемых процессов в окне анализа
58
Рис. 5.5. Огибающая спектра одиночного
прямоугольного видеоимпульса
(0 ÷ 50кГц) изображения спектра. Вид окна с изображением результата вычисления быстрого преобразования Фурье видеоимпульса
показан на рис. 5.5.
Поскольку операция преобразования Фурье была применена
к сигналу в виде единственного видеоимпульса (осциллограмма на
рис. 5.4), то спектр должен быть сплошным. На рис. 5.5 заполнение
не воспроизводится, а отображается лишь огибающая спектра.
Применив с помощью калькулятора экрана в окне анализа операцию преобразования Фурье к радиоимпульсу (Sink 5), следует
получить изображение огибающей спектра для одиночного радиоимпульса. При нажатии кнопки OK появится окно с предложением
перерисовать полученный ранее спектр. Следует отказаться от этого, нажав кнопку «Нет». Тогда новый спектр будет показан в другом окне.
Масштабируйте изображение в этом окне, выделяя нужную область так, чтобы по горизонтальной оси укладывалось 50 кГц, как
на рис. 5.6.
Закройте окна с осциллограммами, а окна со спектрами с помощью кнопки
на панели инструментов окна анализа разверните
на весь экран.
Сделайте снимок экрана с двумя огибающими спектров (снимок 2).
Поскольку исследуется периодическая последовательность импульсов, то в среде System View для отображения действительной
дискретной структуры спектра необходимо, чтобы на осцилло59
Рис. 5.6. Огибающая спектра одиночного
прямоугольного радиоимпульса
грамме сигнала в окне анализа присутствовало несколько периодов
повторения процесса. Поэтому вернитесь в окно редактирования
нажатием кнопки
. Затем нажмите кнопку
и в окне Stop
Time установите время, равное 30·10–3 с. Запустите программу на
вычисление нажатием клавиш Shift_F5. На экране будут отображены результаты вычисления БПФ для последовательностей из
30-и видео- и радиоимпульсов с предыдущим вариантом масштабирования, о чем может свидетельствовать надпись в каждом окне
«Scaled». Снимите это масштабирование нажатием кнопки
на
панели инструментов для каждого спектра и вновь масштабируйте
изображения в каждом окне по оси частот так, чтобы в окнах отображался интервал частот 50 кГц, как на рис. 5.7.
Сделайте снимок экрана с изображением двух спектров в окне
анализа (снимок 3).
Вернитесь в окно редактирования и установите частоту повторения импульсов 2 кГц. Для этого необходимо навести курсор на
элемент 0 и дважды щелкнуть левой клавишей «мыши».
В открывшемся окне нажмите кнопку Parameters… и в появившемся окне с клавиатуры установите необходимые значения изменяемого параметра.
Выполните пуск вычислений нажатием комбинации клавиш
Shift – F5. Снимите предыдущее масштабирование и вновь установите масштаб обоих изображений по оси частот 50 кГц на все
окно.
Сделайте снимок экрана с изображением двух спектров в окне
анализа (снимок 4).
60
Рис. 5.7. Спектры последовательностей
видео- и радиоимпульсов
Установите частоту повторения импульсов 500 Гц. Выполните пуск вычислений нажатием комбинации клавиш Shift – F5.
Масштабируйте полученные изображения по вертикали.
Сделайте снимок экрана с изображением двух спектров в окне
анализа (снимок 5).
Установите длительность импульса 200 мкс и выполните пуск
вычислений нажатием комбинации клавиш Shift – F5. Масштабируйте изображения, как и в предыдущих случаях.
Сделайте снимок экрана с изображением двух спектров в окне
анализа (снимок 6).
При оформлении отчета рассчитайте по формуле (5.1) спектр наблюдаемой последовательности импульсов для t = 100 мкс и Tм = 1 мс,
нормированный к амплитуде первой гармоники, где A1 – амплитуда первой гармоники, K = 1, 2, 3,... 20 – номер гармоники.
 K ⋅π⋅τ 
 π⋅τ 
sin 
sin 


T
 K 
1
 M=
, A
 TM  ⋅ =
G

1
π⋅τ
K ⋅π⋅τ
 TM  A1
TM
TM
(5.1)
В отчете должны быть представлены графики спектров, полученных расчетным путем по формуле (5.1) и изображения спектров, полученных с помощью ПК (снимки 2–6).
61
5.3. Исследование функциональной схемы  
устройства измерения дальности  
при непрерывном излучаемом сигнале
Упрощенная функциональная схема высотомера показана на
рис. 5.8, где «И» – измеритель частоты, проградуированный в единицах дальности, либо анализатор спектра.
Откройте файл высотомер.svu. На экране отобразится исследуемая функциональная схема устройства измерения дальности при
непрерывном излучении радиоволн, показанная на рис. 5.9. Данная схема позволяет исследовать свойства измерителя дальности,
использующего непрерывное излучение частотно-модулированного сигнала.
В этой схеме предусмотрена возможность изменения закона
модуляции. Если задействован «Формирователь модулирующего
напряжения 1» (элементы 1, 3, 5), то закон модуляции – линейноломанный, как на рис. 5.2,а. Если задействован «Формирователь
модулирующего напряжения 2» (элементы 2, 4, 5), то закон модуляции пилообразный.
Переключение вида модуляции осуществляется установкой
коэффициентов усиления в усилительном элементе 3, равным 1,
а в элементе 4, равным 0 для линейно-ломанного закона, либо соответственно 0 и 1 для пилообразного. В результате на выход сумматора проходит сигнал либо с выхода элемента 1, либо с выхода
элемента 2. Элемент 6 – генератор синусоидального напряжения,
управляемый по частоте.
Схема позволяет исследовать работу устройства при наличии
нескольких отраженных сигналов, имеющих различные временные задержки и различные фазы. В схеме на рис. 5.9 реализованы
два канала задержанных сигналов. Канал задержки 1 – элементы
7, 9 и 11 (элемент задержки); канал задержки 2 – элементы 8, 10
Формирователь
модулирующего
напряжения
Модулятор
частоты
ПереПридат емник
чик
Смеситель
Генератор
несущей
частоты
Рис. 5.8. Упрощенная схема радиовысотомера
62
Фильтр
НЧ
И
Рис. 5.9. Функциональная схема исследуемого устройства
на экране монитора
и 12 (элемент задержки). Элементы 7 и 8 – фазовращатели, позволяющие изменять фазу «отраженного», т. е. задержанного сигнала. Напряжения с выходов каналов суммируются и поступают на
смеситель (элемент 14 –перемножитель), на второй вход которого
подается напряжение излучаемого сигнала с выхода элемента 6.
С выхода смесителя преобразованное напряжение поступает на
фильтр нижних частот (элемент 15), выходное напряжение которого является объектом исследований.
5.3.1. Исследование временных и спектральных
характеристик сигнала разностной частоты
и дискретной ошибки измерения дальности
Исходные установки параметров элементов схемы следующие:
– частота модуляции – 1 кГц. Для просмотра значения параметра следует войти в элемент 1 (метасистема) и в открывшемся окне
навести курсор на элемент 20, усиление в котором должно быть,
равным единице, а в элементах 22 и 24, равным нулю. Для возврата
63
в окно редактирования следует нажать кнопку
на панели инструментов метасистемы;
– усиление в элементе 3 равно 1; в элементе 4 равно 0 (закон модуляции симметричный линейно-ломанный);
– несущая частота – 200 кГц (элемент 6);
– начальные фазы задержанных сигналов – 0° (устанавливаются
значениями параметра Phase Offset в элементах 7 и 8, равными 0);
– девиация частоты ∆fm = fmax – fmin = 250 кГц (параметр Mod
Gain элемента 6);
– усиление в элементе 9 равно 1, в элементе 10 равно 0 (включен
канал задержки 1);
– задержка в канале 1 (элемент 11) tз = 20 мкс.
Перед запуском схемы на вычисления убедитесь, что в окне системного времени (нажать кнопку
) время Stop Time установлено 2·10–3. Запустите вычисления, нажав кнопку
на панели
инструментов окна редактирования System View.
Сделайте снимок экрана с прорисованными осциллограммами
(снимок 7).
Более подробно осциллограммы можно рассмотреть, если перейти в окно анализа, нажав кнопку
на панели инструментов окна
редактирования. Если в окне анализа сохраняются предыдущие осциллограммы, следует обновить их, нажав мигающую кнопку
и
на панели инструментов окна анализа.
Сделайте снимок экрана с окном анализа (снимок 8).
Закройте осциллограмму Sink 17 в окне анализа и разверните
на весь экран оставшиеся осциллограммы, нажав кнопку
панели инструментов окна анализа. По осциллограмме экрана Sink 18
определите разностную частоту Fр0 сигнала посредством подсчета
числа L пересечений сигнальной кривой нулевого уровня в направлении сверху вниз, приходящегося на период модуляции. Зафиксируйте число L0 и определите Fр0 в соответствии с формулой (5.2)
с указанием частоты (периода) модуляции.
Fð0 =
1
Ãö , Tm / L
(5.2)
где Tm – период модуляции.
Занесите значения L0 и Fр0 в табл. 5.1.
Вернитесь в окно редактирования ( ) и установите значение
фазы отраженного сигнала 75° (параметр Phase Offset в эле64
Таблица 5.1
Фаза
отраженного сигнала
(град.)
0°
75°
Fm = 2 кГц
Fm = 1 кГц
Fm = 0,5 кГц
Fр0 = Fр0 = Fр0 = L0 = L0 = L0 = Fрн = Fрн = Fрн = Lн = Lн = Lн = менте 7). Запустите вычисления нажатием комбинации клавиш
Shift – F5.
Сделайте снимок экрана с окном анализа (снимок 9).
По осциллограмме экрана Sink 18 определите разностную частоту сигнала Fрн способом, предложенным выше, и зафиксируйте
Lн и Fрн. Выполните то же самое для частот модуляции Fm, равных
500 Гц и 2 кГц. Полученные данные занесите в табл. 5.1.
Вернитесь в окно редактирования (
). Установите исходную
частоту модуляции 1 кГц (элемент 1 метасистема) и фазу отраженного сигнала 0° (элемент 7).
В окне системного времени (
) установите значение параметра Stop Time, равным 60·10–3 c. Выполните пуск системы нажатием комбинации клавиш Shift – F5. Для осциллограммы экра-
на Sink 18 с помощью калькулятора экрана (
) в окне анализа
выполните быстрое преобразование Фурье (БПФ – FFT). Разверните изображение спектра на весь экран и масштабируйте полученное
изображение спектра так, чтобы на оси частот отображался интервал от 0 до 50 кГц.
Сделайте снимок окна с БПФ для осциллограммы экрана Sink 18 
(снимок 10).
Установите фазу отраженного сигнала 75° (элемент 7). Выполните пуск системы нажатием комбинации клавиш Shift – F5.
Сделайте снимок окна с БПФ для осциллограммы экрана Sink 18 
(снимок 11).
5.3.2. Исследование разрешающей способности по дальности
устройства и влияния девиации частоты
Закройте окно с БПФ в окне анализа и перейдите в окно редактирования. Установите следующие параметры схемы:
– частоту модуляции 1кГц (усиление в элементе 20 метасистемы равно 1, в элементах 22 и 24 равно 0);
65
– значение времени задержки в канале 1 (элемент 11) – 10 мкс;
– значение времени задержки в канале 2 (элемент 12) – 30 мкс;
– усиление равно 1 в элементе 10. При этом моделируется наличие двух отраженных сигналов с разными задержками;
– значения фаз 0° в элементах 7 и 8 (Phase Offset);
– в окне системного времени (
) установите значение параметра Stop Time, равным 2·10–3 c.
Запустите вычисления нажатием клавиш Shift_F5.
Сделайте снимок окна анализа с осциллограммами Sink 16 и
Sink 18 (снимок 12).
В окне системного времени (
) установите значение параметра Stop Time, равным 60·10–3 c. Запустите вычисления нажатием комбинации клавиш Shift – F5.
С помощью калькулятора экрана окна анализа выполните БПФ
для сигнала в окне Sink 18. Разверните окно со спектром на весь
экран. Масштабируйте изображение так, чтобы по оси частот отображался интервал от 0 до 50 кГц.
Сделайте снимок окна со спектром (снимок 13).
Вернитесь в окно редактирования и установите значения фаз 75°
в элементах 7 и 8. Запустите вычисления нажатием комбинации
клавиш Shift – F5. Убедитесь, что сигналы с установленными
временными задержками разрешаются по частоте.
Сделайте снимок окна со спектром (снимок 14).
Установите время задержки 20 мкс в канале 2. Запустите вычисления нажатием комбинации клавиш Shift – F5. Убедитесь в отсутствии разрешения по частоте.
Сделайте снимок окна со спектром (снимок 15).
Установите девиацию частоты (Mod Gain) в элементе 6, равную
500 кГц вместо 250 кГц. Запустите вычисления нажатием комбинации клавиш Shift – F5. Убедитесь в улучшении разрешения
по частоте.
Сделайте снимок окна со спектром (снимок 16).
5.4. Оформление отчета
Отчет должен содержать:
– упрощенную графическую функциональную схему высотомера;
– функциональную схему исследуемого устройства;
– осциллограммы и спектрограммы, полученные при выполнении работы, с необходимыми пояснениями;
– экспериментальные и расчетные данные.
66
При оформлении отчета рассчитайте по формуле (5.3) масштабный коэффициент mR
R = mR × Fр0
(5.3)
для значений Fр0 из табл. 5.1 при tз = 20 мкс. Значение R находится
по значению задержки tз.
С учетом полученного значения mR рассчитайте по формуле (5.4)
фиксированное значение полосы модуляции ∆fm.
mR
=
 cTm 
=
4
 ∆fm 
c
,
4∆fm Fm
(5.4)
где с – скорость распространения радиоволн.
По формуле (5.5) рассчитайте протяженность q зоны обращения
в долях периода разностной частоты и выделите зоны обращения
на распечатке осциллограммы (снимок 9) сигнала разностной частоты.


 ∆fm  2
2
q = Fð0tç = 
(5.5)
 tç = γtç . T
m


 2 
Рассчитайте по формуле (5.6) максимальную дискретную ошибку измерения дальности ∆R, а по формуле (5.7) – ее среднеквадратическое значение s(R).
∆R = mR ∆Fð0 =
где DFр0 = Fр0 – Fрн (из табл. 5.1).
σ(R=
)
1
2 3
∆R
=
ñ
, 4∆fm
c
8 3∆fm
(5.6)
.
(5.7)
Результаты измерений и расчетов занесите в табл. 5.2.
Таблица 5.2
R = 3000 м (tз = 20 мкс)
Fm = 2 кГц
Fm = 1 кГц
Fm = 0,5 кГц
1
Период модуляции Tm , мс
0,5
1,0
2,0
2
Основная разностн. частота Fр0
3
Масштабный коэффициент mR
Данные из табл. 5.1
67
Окончание табл. 5.2
R = 3000 м (tз = 20 мкс)
4
Количество L пересечений
сигналом нулевого уровня
в пределах Tm
5
Протяженность q зоны
обращения в долях периода
разностной частоты
6
Разностная частота Fрн
7
Максимальная дискретная
ошибка измерения дальности
R, м
8
Среднеквадратическое значение
ошибки измерения дальности
σR, м
Fm = 2 кГц
Fm = 1 кГц
Fm = 0,5 кГц
Данные из табл. 5.1
Данные из табл. 5.1
Выводы по работе:
В выводах должны быть, в частности, отражены следующие вопросы:
– зависимость формы и структуры спектра периодической последовательности импульсов от параметров последовательности;
– вид и параметры модулированного ВЧ колебания и модулирующего напряжения;
– форма и структура спектра сигнала разностной частоты;
– зависимость разностной частоты и масштабного коэффициента радиодальномера от параметров модуляции;
– влияние фазовых соотношений в зонах обращения на спектр
сигнала разностной частоты;
– зависимость дискретных ошибок измерения разностной частоты и измерения дальности до точечного неподвижного объекта от
параметров модуляции сигнала и дальности до объекта;
– зависимость разрешающей способности от различных параметров.
Рекомендуемая литература
1. Никитин Г. И. Радиолокационные системы измерения координат и автосопровождения целей: учеб. пособие / Г. И. Никитин.
Л.: ЛИАП, 1978.
2. Васильев В. Г. Допплеровский измеритель скорости и угла
сноса: лаб. работа / В. Г. Васильев. Л.: ЛИАП, 1975.
68
3. Маковецкий П. В. Радиотехнические методы измерения скорости / П. В. Маковецкий. Л.: ЛИАП, 1968.
4. Виницкий А. С. Автономные радиосистемы: учеб. пособие для
вузов / А. С. Винницкий. М.: Радио и связь, 1986.
69
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Разевиг В. Д. System View – средство системного программирования радиоэлектронных устройств / В. Д. Разевиг, Г. В. Лаврентьев, И. Л. Златин; под ред. В. Д. Разевига. М.: Горячая линия –
Телеком, 2002.
2. Лукошкин А. П. Обнаружение радиосигналов на фоне шумовых помех: учеб. пособие / А. П. Лукошкин, Б. В. Устинов. Л.:
ЛЭТИ (ЛИАП), 1981.
3. Кречетов А. Д. Руководство к выполнению лабораторных работ по курсу «Основы помехоустойчивости радиосистем». Части 1
и 2 / А. Д. Кречетов. Л.: ЛИАП, 1969.
4. Виницкий А. С. Очерк основ радиолокации при непрерывном
излучении радиоволн / А. С. Винницкий. М.: Сов. Радио, 1961.
70
СОДЕРЖАНИЕ
Введение.................................................................................. 3
1. Основные сведения о работе в среде System View........................ 5
2. Исследование общих показателей радиовещательного
приемника (методические указания к выполнению
лабораторной работы)................................................................ 8
2.1. Краткое описание исследуемой схемы............................... 2.2. Порядок выполнения работы........................................... 8
10
2.2.1. Измерение реальной чувствительности..................... 2.2.2. Измерение избирательности по соседнему каналу....... 2.2.3. Измерение избирательности по зеркальному каналу... 2.2.4. Исследование эффективности АРУ........................... 2.2.5. Снятие сквозной амплитудно-частотной
характеристики....................................................... 12
15
16
16
2.3. Оформление и содержание отчета..................................... Рекомендуемая литература................................................... 19
19
3. Исследование обнаружителей радиосигналов (методические
указания к выполнению лабораторной работы)............................. 20
3.1. Исследование обнаружителя c фильтровой обработкой........ 20
3.1.1. Описание исследуемой схемы.................................. 3.1.2. Исследование вида напряжений в различных точках
схемы обнаружителя НКГФ...................................... 3.1.3. Снятие характеристики обнаружения....................... 21
24
26
3.2. Исследование фильтрового обнаружителя сигнала
с полностью известными параметрами............................. 27
3.2.1. Описание исследуемой схемы обнаружителя.............. 3.2.2. Исследование вида напряжений в различных точках
схемы обнаружителя КГФ......................................... 3.2.3. Снятие характеристики обнаружения....................... 3.3. Исследование когерентного корреляционного
обнаружителя (КГК)..................................................... 17
28
30
30
32
3.3.1. Описание исследуемой схемы обнаружителя.............. 3.3.2. Исследование вида напряжений в различных
точках схемы обнаружителя КГК............................... 3.3.3. Снятие характеристики обнаружения....................... 33
34
36
3.4. Содержание отчета......................................................... Рекомендуемая литература................................................... 38
38
4. Исследование корреляционных свойств сигналов
и флюктуационных помех (методические указания
к выполнению лабораторной работы)........................................... 40
4.1. Описание исследуемой схемы.......................................... 4.2. Измерение нормированных значений автокорреляционной
функции синусоидального сигнала {KАК sin (t)/KАК sin (0)}....
4.3. Измерение нормированных значений автокорреляционной
функции случайного широкополосного (шумового)
сигнала [KАК ш ш (t)/K(0)]............................................... 4.4. Измерение нормированных значений автокорреляционной
функции случайного (шумового) узкополосного сигнала.... 4.5. Измерение значений автокорреляционной функции смеси
шумового узкополосного и синусоидального сигналов........ 4.6. Измерение нормированных значений автокорреляционной
функции последовательности видеоимпульсов.................. 4.7. Измерение нормированных значений взаимнокорреляционной функции последовательности
видеоимпульсов............................................................ 4.8. Измерение нормированных значений автокорреляционной
функции последовательности радиоимпульсов.................. 4.9. Измерение нормированных значений взаимнокорреляционной функции последовательности
радиоимпульсов........................................................... 4.10. Содержание отчета по работе......................................... Рекомендуемая литература................................................... 5. Радиовысотомер малых высот (методические указания
к выполнению лабораторной работы)........................................... 5.1. Общие положения.......................................................... 5.2. Ознакомление со спектрами простых сигналов................... 5.3. Исследование функциональной схемы устройства
измерения дальности при непрерывном излучаемом
сигнале....................................................................... 40
43
44
45
46
47
48
50
51
52
53
54
54
56
62
5.3.1. Исследование временных и спектральных
характеристик сигнала разностной частоты
и дискретной ошибки измерения дальности................. 5.3.2. Исследование разрешающей способности по дальности
устройства и влияния девиации частоты..................... 63
5.4. Оформление отчета........................................................ Рекомендуемая литература................................................... 66
68
Список литературы................................................................... 70
65
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
2
Размер файла
5 209 Кб
Теги
andronnikovromanova
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа