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無線電子工学および電気工学の百科事典 ノイズや干渉のある状況での無線受信のシミュレーション。 無線エレクトロニクスと電気工学の百科事典
無線電子工学と電気工学の百科事典 / アマチュア無線デザイナー コンピューターモデリングは、初期段階で多くの回路エラーを回避できるため、今日のアマチュア無線設計に不可欠な部分になりつつあります。 もちろん、モデリングですべての問題が解決されるわけではありません。いずれにせよ、最終段階では、実際のデバイスのプロトタイピングと調整が必要ですが、おそらく深刻な改善は必要ありません。 プログラムには膨大な可能性があるにもかかわらず、ユーザーマニュアルに記載されている標準的なテクニックを超えるタスクが常に存在します。 この記事の著者は、PSpice システムを使用してノイズと干渉の条件下で無線信号の受信をシミュレートする問題を解決するための非標準的なアプローチを提案しています。 この技術は、アマチュア無線家が利用できるあらゆるシミュレータに適用できます。 コンピュータ上で送受信装置をシミュレーションするのは非常に困難な作業です。 無線受信の本質は、ノイズや干渉を背景に有用な信号を選択することです。 そして、送信機と受信機を別々に研究することが通常は問題にならないとしても、それらの共同研究を検討しようとすると、無線機を介して送信される有用な信号が混合された受信機入力の信号を適切に記述するという問題が生じます。干渉とノイズのあるチャネル。 もちろん、干渉やノイズのない無線受信のシミュレーションにより、デバイスの性能を評価することは可能ですが、無線受信に固有の使用される技術ソリューションの品質を評価することはできません。 たとえば、OrCAD v.9.2 ソフトウェア パッケージに含まれているモデリング システム PSpice には、ノイズ分析用のツールが含まれています。 ただし、デバイスの要素が動作点付近で線形であるとみなされる場合、これらは小信号モードを対象としています。 さらに、調査できるのはアナログ デバイスのみであり、計算できるのはノイズ スペクトル密度のみです。 提案された技術により、大信号モードでの有用な信号、ノイズ、干渉の組み合わせた伝送を解析することが可能になります。 車の無線チャネルを備えた単純なリモコン システムをモデル化する例で考えてみましょう。 明らかに、無線受信の特定の条件を研究し、干渉ノイズ環境の数学的モデルを作成することから始める必要があります。 一般に、アンテナから無線受信機の入力に到達する干渉のある信号のモデルは、次の式で表すことができます。
ここで、UΣ(t) は受信アンテナの出力における合計混合信号です。 Uс(t,λс) - 有用な信号。 λc - 有用な信号の情報パラメータ。 Up(t,λp) - 産業用干渉信号。 λp - 干渉の情報パラメータ。 うーん(t) - ホワイトノイズ。 無線チャネルを通過した後の有用な信号は、さまざまな歪みを受けます。 信号の前面が歪んで振幅が減少すると仮定します。これは、通信チャネルを介した送信では一般的です。 私たちの場合、送信は短距離で行われるため、これで十分です。 産業上の妨害は非常に多様である可能性があり、そのレベルは受信が完全に不可能になるようなものです。 意図的な干渉を排除した後 (ただし、このトピックはコンピュータ分析にとって非常に興味深いものになります)、干渉源が車である場合を考えてみましょう。 他のすべてのノイズと干渉はホワイト ノイズとして表されます。 自動車における最も強力な電波干渉の発生源は、点火システムの二次回路です [1; 2]。 干渉が発生する理由は、スパーク プラグ内の火花放電であり、その結果、急峻なフロントを持つ電流パルスが発生し、スペクトルのかなりの幅が説明されます。 パルス繰り返し率は、20 気筒エンジンのクランクシャフトの速度に応じて、約 200 ～ XNUMX Hz まで変化します。 すべてを組み合わせると、受信アンテナの出力における混合発生器の回路 (図 1) が得られます。したがって、干渉とノイズの条件下で無線受信のモデル化を開始するには、有用な信号源の PSpice モデルが必要です。歪み UС 、車からの干渉電圧エンベロープの発生器 Uon 、車からのノイズ電圧源 Un、および残りのノイズの電圧源 Ush を持ちます。
PSpiceノイズソースモデル ランダム ノイズ ジェネレータのスキームを図 2 に示します。 XNUMX.
モデリングするときは、次の点に注意する必要があります。 Eout は電圧制御された電圧源です。 先頭に文字 E を付けた名前を使用して入力します。 バッファおよびスケーリングアンプとして機能します。 代わりに、ABM.lib という配布ライブラリで入手可能なアナログ GAIN ブロックを使用でき、同様の機能を実行します。 Vnoise は、作業ディレクトリに保存されている入力ファイルから値が読み取られる区分的線形電圧源です。 電圧源 VPWL_FILE が使用されており、次の属性があります。 値は入力ファイルから読み取られるためです。 属性エントリによって定義: [pathl\pwlnoise.txt. このディレクトリは、回路図 *.dsn ファイルを含むすべてのプロジェクト ファイルが保存されるディレクトリである必要があります。 スキーマを pwlnoise.dsn という名前のファイルに保存します。 Vnoise 源はランダムな電圧を生成し、その実効値は 1 V です。この信号を「RAW」、つまり一次ノイズ源 (ワークピース) と呼びます。 Rfil および Cfil 要素は RAW 信号をフィルターし、Eout はユーザーが指定した電圧 (実効値) まで増幅します。 一次ノイズ信号 V(NOISE_RAW) (図 3、上のグラフ) は周波数的に均一に分布しています。 このような信号の形状係数は約 1,8 です。 ノイズ電圧は三角形の形状をしており、各角が不連続になっています。 この波形は、非常に高い周波数まで広がる高調波を含む sin(x)/x スペクトルをもたらし、周波数が増加するにつれて信号の振幅は減少します。
RC フィルターは、生のノイズ信号の不連続な性質によって引き起こされる収束の問題を排除します。 フィルタリングされたノイズ信号 V(NOISE_FIL) (図 3、下のグラフ) は、より実際のノイズに似ています。 ランダム電圧生成プログラム ランダム応力を生成するプログラムは GW-BASIC 言語で作成されています (表 1)。 テキストを入力したり変更を加えたりするには、任意のテキスト エディタを使用できます。
プログラムのテキストは、pwlnoise.bas という名前で ASCII コードで保存する必要があります (たとえば、Microsoft Word では、プログラムはテキスト ファイルとして保存する必要があります)。 テーブル内。 2 は、プログラムの行の説明を示します。
まず、プログラムの 20 行目に特に注目してください。 その中で、プロジェクト ファイルを含む作業ディレクトリへのパスを定義する必要があります。 ダイアログ モードでプログラムを開始した後、次の XNUMX つの値を入力する必要があります: TIME STEP - 秒単位のタイム ステップ - PWL ソースのステップ間のタイムスタンプ。 このパラメータは、スペクトルの帯域幅とソース値ファイルがスキャンされる速度を部分的に制御します。 たとえば、ステップを減らすと、ランダム ノイズ値は時間の経過とともにより速く変化し、ノイズ スペクトルの幅が増加し、値ファイルを表示する速度が低下します。 FINAL TIME - 最終時間 (秒) - ノイズ ジェネレーターの動作時間。 この値を増やすと、ノイズ源の PWL に含まれるステップの数が増加します。 RMS NOISE は、実効ノイズ電圧値 (ボルト単位) です。 このパラメータは、ファイルの表示速度とノイズ ジェネレータのスペクトルの幅にも影響します。値が大きいほど、前面の急峻さが大きくなり、その結果、信号スペクトルの幅も大きくなります。 プログラムは 3 つのパラメータを計算して表示します。 ポイント - PWL ノイズ源に含まれるポイントの数。 帯域幅 - スペクトルエンベロープの最大値から -XNUMX dB のレベルの帯域幅。 最大スルーレート - おおよその最大ファイル処理速度。 CFIL はフィルタ コンデンサの静電容量です。 必要な計算がすべて完了すると、プログラムはパラメーター TIME STEP、RMS NOISE、CFIL を記録するよう通知します。これらは後でシミュレーション タスクを作成するために必要になります。 プログラムの結果を活用するには、いくつかの準備作業を行う必要があります。 OrCAD Capture 回路図エディタに入り、ノイズ源モデル図を描画する pwlnoise.dsn ファイルを開き (図 2 を参照)、次の変更を加えます。 プログラムによって計算された値に CFIL コンデンサの静電容量を設定します。 GAIN Eout 属性を、プログラムの実行時に入力された RMS 値に設定します。 必ず次元のない数値を入力してください (ゲインは無次元です)。 たとえば、「0.125V」ではなく「0.125」と入力する必要があります。 トランジェント解析時間 (TRANSIENT) の継続時間を、プログラム実行時に入力した値である FINAL TIME に設定します。 これで、PSpice でシミュレーションし、通常の方法で PROBE プログラムを使用できるようになりました。 グローバル ポート (RAW および FIL) により、同様のソースを必要とする回路設計の他の部分でノイズ ジェネレーター モデルを簡単に使用できるようになります。 ただし、ノイズ源パラメータを変更する必要がある場合は、必ず pwlnoise.bas プログラムを再実行してください。 PSpice-干渉発生器のモデル 自動車からの干渉モデルを作成するには、干渉電圧エンベロープ発生器が必要です (図 4)。
エンベロープの形状は、指数関数的に急激に増加し、その後指数関数的に徐々にゼロに減少する信号です。 そしてそれはランダムな性質を持つ振動で満たされています。 目的の形状の信号を取得するには、電源 V1 からのパルス電圧を積分回路 R1C1 に「通過」させた後、それを使用します。 RC 回路の電圧振幅と時定数を選択することにより、干渉信号の必要なエンベロープが得られます (図 5)。
パルス源のパラメータ V1、V2、TD、TR TF、PW、PER と RC 回路の時定数を選択することにより、車の点火からの干渉に正確に固有のエンベロープの必要な時間特性を設定します。システム。 電圧バッファアンプ GAIN 1 は、エンベロープの振幅を 1 V の値にスケーリングするために必要です。 次に、アナログ ブロック MULT1 を使用してエンベロープ信号の電圧とノイズの電圧を乗算し、目的のノイズ信号を取得します (図 5、下の図)。 パルス源 V1 のパラメータ PER を変更することによって、エンジンのクランクシャフト速度の変化をシミュレートすることができ、パラメータ TD を変更することによって、有用な信号に対する干渉の発生の瞬間をシミュレートすることができます。 提案されたアプローチを使用すると、自動車干渉だけでなく、他の多くの種類の産業干渉をモデル化することが簡単になります。 PSpice-有用な信号のモデル リモコンシステムの送信機がデジタル部分とアナログ部分で構成されていると仮定します。 コマンドの送信にはパルスコードを使用します。 Pspice の観点からは、このような送信機は通常のデジタル - アナログ変換デバイスであり、そのモデリングに特別な問題はありません。 ただし、計算に費やす時間は非常に長くなります。 これは、PSpice システムが最高周波数の信号の変化率に基づいて積分ステップを選択する必要があるためです。 したがって、理想的なソース上で等価な送信機出力信号の簡略化された高速モデル (図 6) を作成することは理にかなっています。
このようなソースは制御がはるかに簡単であるため、この方がはるかに便利です (実際の受信条件をシミュレートする場合、搬送波周波数、振幅、位相を変更する必要がある場合があります)。 無線チャネルの信号歪みを考慮するために、信号形状歪み発生器 (この場合は単純な RC 回路) が追加されます。 PSpice-混合信号モデル すべてのモデルの準備ができたので、それらをマージしましょう。 実際、これは受信アンテナ (図 1 を参照) と同等であり、その出力から全信号がラジオ受信機の入力に到達します。 モデルでの解析を容易にするために、信号対雑音比と信号対雑音比、および増加に伴う減衰をシミュレートするための合計信号のレベルを調整できる機能を提供する必要があることは明らかです。距離。 これは、加算器の入力と出力に含まれる中間アンプ GAIN1 ～ GAIN4 を使用して実装され (図 1 を参照)、シミュレーションの次の開始前にそのゲインをすばやく変更できます。 PSpice 無線シミュレーション TRANSIENT モードのモデリング用のタスクをグラフィカル形式で準備することをお勧めします。 これを行うには、アンテナの代わりに混合信号モデルをラジオ受信機に接続します。 ただし、モデリングを開始する前に、XNUMX つの独立したノイズ源の値のファイルを作成し、アンチエイリアシング フィルターの静電容量 CFIL を計算する必要があります。 ノイズ源は独立している必要があるため、pwl-noise.bas プログラムを XNUMX 回使用する必要があります。 プログラムの最初の開始時に、車の点火システムからのノイズ発生器の一部であるノイズ源の初期データを作成しましょう。たとえば、TIME STEP=6E-6 FINAL TIME=0.05、RMS NOISE と設定しましょう。 =1。 その結果、CFIL=1,88 nF が得られ、生成された pwlnoise.txt という名前のファイルの名前が pwlnoise2.txt に変更されます。 5 番目のケースでは、ランダム ノイズのソースを起動するための初期データを書き込みます。 TIME STEP=6E-0 FINAL T|ME= 05 1 RMS NOISE=1,6 を設定し、CFIL=XNUMX nF を取得し、ファイルを pwlnoise.txt という名前で残します。 これで、シミュレーション プログラムを実行して結果を確認できます。 文学
著者：O。ペトラコフ、モスクワ
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