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ENCICLOPEDIA DE RADIOELECTRÓNICA E INGENIERÍA ELÉCTRICA Simulación de recepción de radio en condiciones de ruido e interferencia. Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica.
Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / diseñador radioaficionado Hoy en día, el modelado por computadora se está convirtiendo en una parte integral del diseño de radioaficionados, ya que permite evitar muchos errores de circuito en las primeras etapas. Por supuesto, el modelado no resuelve todos los problemas: en la etapa final, la creación de prototipos y el ajuste del dispositivo real aún son necesarios, pero lo más probable es que ya no sean necesarias modificaciones importantes. A pesar de las enormes capacidades de los programas, siempre hay tareas que van más allá de las técnicas estándar descritas en el manual del usuario. El autor del artículo propone un enfoque no estándar para resolver el problema de modelar la recepción de señales de radio en condiciones de ruido e interferencias utilizando el sistema PSpice. Esta técnica se puede adaptar a cualquier simulador a disposición de un radioaficionado. Modelar equipos transceptores en una computadora es una tarea muy difícil. La esencia de la recepción de radio es la selección de una señal útil entre un fondo de ruido e interferencias. Y si un estudio separado del transmisor y el receptor generalmente no causa dificultades, entonces al intentar considerar su funcionamiento conjunto, surge el problema de describir adecuadamente la señal en la entrada del receptor, que es una mezcla de una señal útil transmitida por radio. canal con interferencias y ruido. La simulación de la recepción de radio sin interferencias ni ruidos, por supuesto, permite evaluar el rendimiento del dispositivo, pero no permite evaluar la calidad de las soluciones técnicas utilizadas, que son específicas de la recepción de radio. El sistema de modelado PSpice, incluido, por ejemplo, en el paquete de software OrCAD v.9.2, contiene herramientas para el análisis del ruido. Sin embargo, están destinados al modo de señal pequeña, cuando los elementos del dispositivo se consideran lineales cerca del punto de operación. Además, sólo se pueden examinar dispositivos analógicos y sólo se pueden calcular las densidades de ruido espectral. La técnica propuesta permite analizar el paso conjunto de la señal útil, el ruido y la interferencia en el modo de señal grande. Considérelo usando el ejemplo de modelar un sistema de control remoto simple con un canal de radio para un automóvil. Obviamente, deberías empezar estudiando las condiciones específicas de la recepción de radio y creando un modelo matemático del entorno de interferencia y ruido. En el caso general, el modelo de una señal con ruido que llega desde la antena a la entrada del receptor de radio se puede representar mediante la siguiente fórmula:
donde UΣ(t) es la señal de la mezcla total a la salida de la antena del receptor; Uс(t,λс) - señal útil; λс - parámetro de información de la señal útil; Arriba(t,λп) - señal de interferencia industrial; λп - parámetro informativo de la interferencia; Um(t) - ruido blanco. La señal útil, tras pasar por el canal de radio, sufre diversas distorsiones. Supondremos que el frente de la señal se distorsiona y su amplitud disminuye, lo cual es típico cuando se transmite a través de canales de comunicación. En nuestro caso esto es suficiente, ya que la transmisión se produce a corta distancia. Las interferencias industriales pueden ser muy diversas y su nivel es tal que la recepción resulta completamente imposible. Habiendo descartado la interferencia intencional (aunque este tema puede ser muy interesante para el análisis por computadora), consideremos el caso en el que la fuente de interferencia es un automóvil. Imaginemos todos los demás ruidos e interferencias como ruido blanco. La fuente más poderosa de interferencias de radio en un automóvil es el circuito secundario del sistema de encendido [1; 2]. La causa de las interferencias es una descarga de chispa en las bujías, que provoca impulsos de corriente con bordes pronunciados, lo que explica la gran amplitud de su espectro. La frecuencia de repetición de impulsos, dependiendo de la velocidad del cigüeñal de un motor de cuatro cilindros, varía de aproximadamente 20 a 200 Hz. Combinando todo, obtenemos el circuito resultante (Fig. 1) del generador de mezcla a la salida de la antena del receptor. Así, para comenzar a modelar la recepción de radio en condiciones de interferencia y ruido, necesitaremos modelos PSpice de la fuente de la señal útil con distorsiones UC, el generador de envolvente del voltaje de interferencia del automóvil Uon , la fuente de voltaje de ruido del automóvil Un y la fuente de voltaje del ruido restante Ush.
MODELO DE FUENTE DE RUIDO PSpice El esquema del generador de ruido aleatorio se muestra en la fig. 2.
A la hora de modelarlo, debes prestar atención a lo siguiente: Eout es una fuente de voltaje controlada por voltaje. Ingréselo usando un nombre con una E al principio. Funciona como buffer y amplificador de escala. En su lugar, puede utilizar el bloque GAIN analógico, disponible en la biblioteca de distribución llamada ABM.lib y que realiza funciones similares; Vnoise es una fuente de voltaje lineal por partes cuyos valores se leen desde un archivo de entrada escrito en el directorio de trabajo. La fuente de voltaje utilizada es VPWL_FILE, que tiene el atributo , ya que es del archivo de entrada de donde se leerán los valores. Atributo definido por la entrada: [pathl\pwlnoise.txt. El directorio debe ser aquel en el que se guardan todos los archivos del proyecto, incluidos los archivos esquemáticos *.dsn. Guarde el diagrama en un archivo llamado pwlnoise.dsn. La fuente Vnoise genera un voltaje aleatorio, cuyo valor efectivo es 1 V. Llamemos a esta señal "RAW", la fuente principal de ruido (pieza de trabajo). Los elementos Rfil y Cfil filtran la señal RAW y Eout la amplifica a un voltaje (valor rms) especificado por el usuario. La señal de ruido primaria V(NOISE_RAW) (Fig. 3, gráfico superior) se distribuye uniformemente en la frecuencia. El factor de forma de dicha señal es aproximadamente 1,8. El voltaje de ruido tiene forma triangular, donde cada esquina es una ruptura. Esta forma de onda conduce a un espectro de la forma sin(x)/x, que contiene armónicos que se extienden a frecuencias muy altas, y la amplitud de la señal disminuye al aumentar la frecuencia.
El filtro RC elimina los problemas de convergencia computacional causados por la naturaleza intermitente de la señal de ruido sin procesar. La señal de ruido filtrada V(NOISE_FIL) (Fig. 3, gráfico inferior) es más similar al ruido real. PROGRAMA DE GENERACIÓN DE VOLTAJE ALEATORIO El programa para generar voltajes aleatorios está escrito en el lenguaje GW-BASIC (Tabla 1). Para escribir su texto o realizar cambios, puede utilizar cualquier editor de texto.
El texto del programa debe guardarse en códigos ASCII con el nombre pwlnoise.bas (por ejemplo, en Microsoft Word el programa debe guardarse como un archivo de texto). En mesa 2 proporciona explicaciones para las líneas del programa.
En primer lugar, preste especial atención a la línea 20 del programa. En él debe definir la ruta al directorio de trabajo con los archivos del proyecto. Después de iniciar el programa en modo de diálogo, debe ingresar tres valores: TIME STEP - paso de tiempo en segundos - marcas de tiempo entre pasos en la fuente PWL. Este parámetro controla parcialmente el ancho de banda del espectro y la velocidad de escaneo del archivo de valor fuente. Por ejemplo, si se reduce el paso, los valores de ruido aleatorio cambian más rápido con el tiempo, el ancho del espectro de ruido aumenta y la velocidad de visualización del archivo de valores disminuye; TIEMPO FINAL - tiempo final en segundos - tiempo de funcionamiento del generador de ruido. Su aumento conduce a un aumento en el número de pasos que se incluyen en la fuente de ruido PWL; RMS NOISE es el valor de voltaje de ruido efectivo en voltios. Este parámetro también afecta la velocidad de visualización del archivo y el ancho del espectro del generador de ruido: cuanto más grande es, mayor es la pendiente del borde y, en consecuencia, el ancho del espectro de la señal. El programa calculará y mostrará cuatro parámetros: Puntos: el número de puntos que se incluirán en la fuente de ruido PWL; Ancho de banda: ancho de banda al nivel de -3 dB desde el máximo de la envolvente del espectro; Velocidad máxima de giro: velocidad máxima aproximada de procesamiento de archivos; CFIL es la capacitancia del condensador del filtro. Cuando se hayan realizado todos los cálculos necesarios, el programa le recordará que registre los parámetros TIME STEP, RMS NOISE y CFIL, que luego serán necesarios para crear una tarea de modelado. Para aprovechar los resultados del programa, es necesario realizar un trabajo preparatorio. Ingrese al editor de esquemas de OrCAD Capture, abra el archivo pwlnoise.dsn en el que se debe dibujar el diagrama del modelo de fuente de ruido (ver Figura 2) y realice los siguientes cambios. Establezca la capacitancia del capacitor CFIL al valor calculado por el programa. Establezca el atributo GAIN Eout en el valor RMS ingresado durante la ejecución del programa. Asegúrese de que el número que ingrese no tenga dimensiones (la ganancia no tiene dimensiones). Por ejemplo, deberías introducir "0.125" y no "0.125V". Establezca la duración del tiempo de análisis transitorio (TRANSIENT) en el valor de TIEMPO FINAL ingresado durante la ejecución del programa. Ahora puedes realizar simulaciones en PSpice y utilizar PROBE de la forma habitual. Los puertos globales (RAW y FIL) facilitan el uso del modelo de generador de ruido en otras partes del diseño del circuito donde se requiere una fuente similar. Pero no olvide volver a ejecutar el programa pwlnoise.bas cada vez que necesite cambiar los parámetros de la fuente de ruido. PSpice-MODELO DE GENERADOR DE INTERFERENCIAS Para crear un modelo de interferencia de vehículos, se necesita un generador de envolvente de voltaje de interferencia (Fig. 4).
La forma de la envolvente es una señal que aumenta bruscamente exponencialmente y luego también disminuye suavemente exponencialmente hasta cero. Y está lleno de oscilaciones que son de naturaleza aleatoria. Para obtener una señal de la forma deseada, utilizamos un voltaje de pulso de la fuente V1, habiéndolo "pasado" previamente por el circuito integrador R1C1. Al seleccionar la amplitud de voltaje y la constante de tiempo del circuito RC, obtenemos la envolvente requerida de la señal de interferencia (Fig. 5).
Seleccionando los parámetros V1, V2, TD, TR TF, PW, PER de la fuente de impulsos y la constante de tiempo del circuito RC, estableceremos las características temporales necesarias de la envolvente, que son inherentes específicamente a la interferencia del coche. sistema de encendido. El amplificador buffer de voltaje GAIN 1 es necesario para escalar la amplitud de la envolvente a un valor de 1 V. A continuación, multiplicamos el voltaje de la señal envolvente por el voltaje de ruido usando el bloque analógico MULT1 y obtenemos la señal de interferencia deseada (Fig. 5, diagrama inferior). Variando el parámetro PER de la fuente de impulsos V1, es posible simular el cambio en la velocidad del cigüeñal del motor, y cambiando el parámetro TD, el momento de aparición de la interferencia con respecto a la señal útil. Utilizando el enfoque propuesto, es fácil simular muchos otros tipos de interferencia industrial, no sólo la interferencia de los automóviles. PSpice-MODELO DE SEÑAL ÚTIL Supongamos que el transmisor del sistema de control remoto consta de una parte digital y otra analógica. Se utiliza un código de número de pulso para transmitir comandos. Desde el punto de vista de Pspice, un transmisor de este tipo es un dispositivo analógico digital convencional y no existen problemas especiales con su modelado. Sin embargo, el tiempo necesario para los cálculos es muy elevado. Esto se debe al hecho de que el sistema PSpice se ve obligado a seleccionar el paso de integración en función de la tasa de cambio de la señal con la frecuencia más alta. Por lo tanto, tiene sentido crear un modelo simplificado de alta velocidad de la señal de salida del transmisor equivalente (Fig. 6) en fuentes ideales.
Esto es mucho más conveniente, ya que dicha fuente es mucho más fácil de controlar (al simular condiciones de recepción reales, puede ser necesario variar la frecuencia, amplitud y fase de la portadora). Para tener en cuenta las distorsiones de la señal en el canal de radio, se ha añadido un generador de distorsión de la forma de la señal; en nuestro caso, un simple circuito RC. PSpice - MODELO DE SEÑAL DE MEZCLA Ahora que todos los modelos están listos, combinémoslos. De hecho, es el equivalente a una antena receptora (ver Fig. 1), desde cuya salida llega la señal total a la entrada del receptor de radio. Obviamente, para facilitar el análisis, es necesario proporcionar en el modelo la capacidad de regular las relaciones señal-ruido y señal-interferencia, así como el nivel de la señal total para simular la atenuación al aumentar la distancia. Esto se logra utilizando amplificadores intermedios GAIN1-GAIN4, conectados en las entradas y salidas del sumador (ver Fig. 1), cuya ganancia se puede cambiar rápidamente antes del siguiente inicio de la simulación. SIMULACIÓN DE RADIO PSpice Es mejor preparar la tarea de modelado para el modo TRANSIENT en forma gráfica. Para hacer esto, en lugar de una antena, conecto un modelo de señal mezclada al receptor de radio. Pero antes de comenzar la simulación, es necesario crear archivos de valores de dos fuentes de ruido independientes y calcular la capacitancia CFIL de los filtros anti-aliasing. Habrá que utilizar dos veces el programa pwl-noise.bas, ya que las fuentes de ruido deben ser independientes. Cuando inicie el programa por primera vez, crearemos los datos iniciales para la fuente de ruido que forma parte del generador de ruido del sistema de encendido del automóvil. Configuremos, por ejemplo, TIEMPO PASO=6E-6 TIEMPO FINAL=0.05, RUIDO RMS =1. Como resultado, obtenemos CFIL=1,88 nF y cambiamos el nombre del archivo generado llamado pwlnoise.txt a pwlnoise2.txt. En el segundo caso, grabaremos los datos iniciales para lanzar una fuente de ruido aleatoria. Establezcamos TIME STEP=5E-6 FINAL T|ME= 0 05 RMS NOISE=1 Obtendremos CFIL=1,6 nF y dejaremos el archivo con el nombre pwlnoise.txt. Ahora puede ejecutar el programa de simulación y ver los resultados. Literatura
Autor: O. Petrakov, Moscú
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