Разработка модели приемника сигнала с квадратурной фазовой манипуляцией (QPSK) в среде Microwave Office

В последнее время во многих системах связи используются цифровые системы. Основным преимуществом такого подхода является легкость восстановления цифровых сигналов по сравнению с аналоговыми.

В настоящее время во всех современных системах связи с подвижными объектами используются методы цифровой модуляции и цифровая обработка сигналов при демодуляции. Современные достижения радиоэлектроники обеспечивают возможность реализовать в передатчике и приемнике системы связи достаточно сложные алгоритмы цифровой обработки электрических сигналов. В результате качество передачи практически любых сообщений в цифровых системах оказывается выше, чем качество передачи этих сообщений с помощью аналоговых систем связи. Например, оказалось возможным передавать сообщения в присутствии шума и помех с большей точностью или передавать больше сообщений при прочих равных условиях [1]. При использовании цифровых технологий очень низкая частота ошибок делает возможным высокую точность сигнала. Так же цифровые каналы надежнее, допускают более гибкую реализацию. Остаётся только отметить, что с аналоговыми технологиями подобные процедуры недоступны.

В данном курсовом проекте будет описана разработка модели приемника сигнала с квадратурной фазовой манипуляцией (QPSK) в среде Microwave Office, включая модели генератора тестовых сигналов и канала передачи.

1. Теоретические сведения QPSK

2. AWR Design Environment. Описание программы

Американская компания Applied Wave Research (AWR) в 1994 г. начала разработку новой системы проектирования высокочастотных и сверхвысокочастотных радиоэлектронных устройств. Исходной предпосылкой ее создания было то, что большинство известных программ были разработаны в 70-х и 80-х гг. XX века, и к настоящему времени они претерпели лишь незначительные изменения. Кроме того, эти программы разрабатывались для компьютерных систем на базе ОС Unix, и поэтому, будучи перенесенными на персональный компьютер (ПК), они работают достаточно медленно и трудны в использовании, С появлением новой версии каждой такой программы ее ядро оставалось прежним, модификация же, как правило, сводилась к добавлению вспомогательных процедур для решения узких задач проектирования, а также к разработке пользовательского интерфейса, пытающегося догнать возможности очередной версии Windows.

Компания AWR начала разработку своих продуктов с создания принципиально новой среды проектирования, которая опиралась бы на аппаратную платформу ПК, операционные системы Windows 95 и NT. а также использовала методы объектно-ориентированного программирования. Первый продукт компании выпущен в начале 1998 г. - это система трехмерного электромагнитного моделирования многослойных структур EMSight, затем была разработана программа анализа нелинейных схем и систем VoltaireXL. Следующий продукт, носящий название Microwave Office, органично объединил в себе пакеты анализа СВЧ устройств EMSight и VoltaireXL.Office (MWO) представляет собой полностью интегрированный пакет программ, предназначенный для разработки устройств СВЧ. Набор программ включает модуль VoltaireLS для линейного моделирования схем в частотной области, модуль VoltaireXL для нелинейного моделирования схем со значительной нелинейностью методом гармонического баланса и слабо нелинейных схем методом рядов Вольтерра, и модуль EMSight для трехмерного электромагнитного моделирования многослойных структур, а также разработанный позже модуль Aristan для проектирования печатных конструкций и топологии ИС. Последний продукт VSS (Visual System Simulator), выпушенный в начале 2002 г., позволят выполнять моделирование систем связи на основании библиотек, состоящих более чем из 700 элементов устройств аналогово-цифровой обработки сигналов (эта программа перенесена из системы ACOLADE). MWO2002 работает под управлением Windows 98/Ме и Windows NT/2000/VP.Office обеспечивает беспрецедентную высокую производительность и имеет весьма легко осваиваемый интуитивно понятный интерфейс. Этот пакет переводит технологию проектирования интегральных схем на современный уровень и дает возможность инженерам моделировать линейные и нелинейные схемы различной сложности одновременно с использованием результатов многомодового анализа электромагнитного поведения отдельных частей проекта (ЕМ-анализа), а также с учетом наличия цифро-аналогового функционального устройства обработки сигналов.

В настоящее время пакет Microwave Office включает одночастотный и многочастотный методы гармонического баланса для анализа нелинейных схем, анализа схем с малой нелинейностью методом на основе рядов Вольтера, различные методы анализа шумов, в том числе и фазовых, анализ устойчивости усилительных схем и анализ генераторов.

Многие из возможностей пакета Microwave Office недоступны в существующих системах моделирования. Например, метод рядов Вольтера, являющийся самым быстрым методом анализа интермодуляционных искажений (IM) в схемах со слабой нелинейностью, позволяет увеличить скорость анализа в 10...100 раз по сравнению с методом гармонического баланса. Более того, анализ на основе рядов Вольтера легко интегрируется с методом линейного анализа, что позволяет производить оптимизацию коэффициента шума и таких линейных характеристик, как коэффициент передачи и КСВ одновременно с уровнем интермодуляционных искажений.

Реализация многочастотного метода гармонического баланса, использованная в пакете, является и настоящее время самой быстрой, благодаря использованию моделей, специально предназначенных для моделирования СВЧ устройств, современной технологии моделирования и программирования. Высокая скорость анализа является следствием объектно-ориентированного подхода к программированию, а также того, что система уравнений формируется непосредственно из схемного представления без промежуточного преобразования в файл списка соединений. В результате инженеры получили возможность настраивать и оптимизировать схемы с помощью инструмента Tuner, не имеющего аналога в других программах.

Для проектирования схем имеется обширная библиотека моделей сосредоточенных и распределенных, линейных и нелинейных, идеальных и неидеальных элементов. Сюда входят полосковые, микрополосковые и копланарные линии передачи, а также многие другие распространенные элементы. Имеется функция поиска нужных элементов и их моделей в Интернете. В случаях, когда правильная модель используемого устройства отсутствует или эффект близкого расположения элементов уменьшает точность модели, пользователи могут обратиться к модулю полного электромагнитного анализа EM-Sight. Он включает в себя собственный графический редактор и механизм моделирования топологических структур методом моментов. Он позволяет производить расчет характеристик антенн в дальней зоне, а также получать их эквивалентную схему замещения в формате SPICE [3].

3. Разработка приемника сигнала

3.1 Разработка генератора тестовых сигналов

В процессе разработки приемного устройства требуется иметь генератор сигналов определенной модуляции и удовлетворяющего требуемым параметрам реальных сигналов. Исходя из технического задания (ТЗ) - приемник с QPSK модуляцией, в качестве источника можно использовать блок QPSK модулятора, а именно QPSK_SRC, который генерирует сигнал с псевдослучайной последовательностью битов. Блок генератора псевдослучайной последовательности с QPSK модуляцией приведен на рисунке 3.1.1

Рисунок 3.1.1 - Блок генератора с QPSK модуляцией

Параметры блока:

OUTLVL - уровень выходной мощности. Зададим его равным 50 дБм, что соответствует мощности передатчика в 100 Вт;

OLVLTYP - тип выходной мощности (Average Power (дБм));

RATE - символьная скорость. Так как QPSK передает 2 бита за символ, а в AWR мы должны в настройках выставлять символьную скорость в Герцах, то мы получаем нашу скорость равную 0.25 МГц;

СTRFRQ - центральная частота (частота несущей). Исходя из ТЗ частота несущего колебания - 0.98 ГГц;

PLSTYP - вид формирующего фильтра.

Ниже приведены графики некоторых параметров сигнала, полученных в генераторе тестовых импульсов.

Рисунок 3.1.2 - Глазковая диаграмма

Рисунок 3.1.3 - Диаграмма созвездий

Рисунок 3.1.4 - Спектральная характеристика QPSK модулятора

3.2 Разработка модели канала передачи

Для имитации канала передачи в среде моделирования VSS используется блок: Additive White

Gaussian Noise Channel: AWGN.

Описание:- реализует канал с аддитивным белым гауссовским шумом(AWGN). Эта модель

суммирует независимый гауссовский шум с входным сигналом.

Параметры блока AWGN:

?PWR - уровень мощности шума;

?PWRTYP - этот параметр устанавливает толкование уровня выходного шума;

?LOSS - потери при передаче.

Рисунок 3.2.1 - Канал с аддитивным белым гауссовским шумом (AWGN) высокочастотный радиоэлектронный приемник сигнал

Используя техническое задание, необходимо установить значения параметров блока модели канала передачи, а именно: LOSS, PWR. Для вычисления параметра PWR воспользуемся формулой 3.2.1:

S/N = OUTLVL - PWR - LOSS (3.2.1)

Где S/N - отношение мощности сигнала к мощности шума;

OUTLVL - мощности сигнала на входе блока AWGN;

PWR - уровень мощности аддитивного белого гауссовского шума;

LOSS - ослабление сигнала в канале передачи

Выразим из формулы 3.2.1 величину PWR, приняв ослабление в канале передачи равное 50 дБ,и произведем необходимые расчеты:

PWR = OUTLVL - LOSS - S/N = 50 - 100 - 10 = -60дБм

Таким образом, значение параметра PWR следует установить равным - 60 дБм.

Модель канала передачи изображена на рисунке 3.2.2.

Рисунок 3.2.2 - Модель канала передачи

Ниже приведены диаграмма созвездия и глазковая диаграмма, полученные в канале передачи.

Рисунок 3.2.3 - Глазковая диаграмма

Рисунок 3.2.4 - Диаграмма созвездий

3.3 Разработка фильтра сосредоточенной селекции

В любой системе имеет место естественное или преднамеренное ограничение диапазона частот сверху. Это приводит к межсимвольной интерференции.

Для устранения межсимвольной интерференции выбираем фильтр сосредоточенной селекции. Полосовой фильтр - идеальный вариант в нашей системе для предотвращения межсимвольной интерференции и выделения полезного сигнала на фоне шумов. Так как нам необходимо пропустить сигнал с несущей и двумя боковыми частотами. С помощью мастера для автоматизированного синтеза линейных частотных фильтров iFilter, задавая необходимые параметры, формируем необходимый нам полосовой фильтр.

Рисунок 3.3.1 - Рабочее окно мастера автоматизированного синтеза iFilter

Рисунок 3.3.2 - Модель фильтра сосредоточенной селекции

С помощью этого блока мы можем обратиться к линейному фильтру и подключить его в схему. На рисунке 3.3.3 представлена принципиальная схема созданного нами в iFilter полосового фильтра.

Рисунок 3.3.3 - Принципиальная схема полосового фильтра

Построим графики параметров сигнала полученных после прохождения фильтра сосредоточенной селекции.

Рисунок 3.3.4 - Глазковая диаграмма

Рисунок 3.3.5 - Диаграмма созвездий

3.4 Разработка квадратурного демодулятора

В цифровых приемниках перенос частоты осуществляется сразу на нулевую частоту. При приеме сигналов со сложными видами модуляции важен точный прием не только амплитудной, но и фазовой составляющей сигнала.

Для того чтобы не потерять фазу принимаемого сигнала, из сигнала с выхода фильтра сосредоточенной селекции выделяется его синфазная (I(t)) и квадратурная (Q(t)) составляющие. Для этого сигнал перемножается на тригонометрические функции sin(щt) и cos(щt).

Смоделируем в AWR систему переноса частоты с помощью гетеродина (квадратурный демодулятор). Модель изображена на рисунке 3.4.1. Схема включает в себя смесители, гетеродин и фазовый преобразователь для реальной и мнимой части сигнала. Реальный и мнимый сигналы смещены по фазе на 90 градусов.

Рисунок 3.4.1 - Модель системы переноса частоты

Смеситель MIXER_B имеет блок изменяемых параметров:

* MODE -DIFF (режим преобразования - вычитание);

* GCONV - ?10дБ (преобразование усиления);

* P1DB - 10дБм (точка компрессии на 1 дБ);

* IP3 - 30дБм (точка компрессии третьего порядка);

* LO2OUT - ?25дБ (развязка между входом LO и выходом OUT);

* IN2OUT -?25дБ (развязка между входом и выходом);

* LO2IN -?25дБ (развязка между входами LO и IN);

* OUT2IN -?25дБ (развязка между выходом OUT и входом IN);

* PLO -10дБ (отношение мощности порта LO);

* PIN -?10дБм (отношение мощности входного порта);

* PINUSE: IN2OUTH Only (использование PIN);

* NF -10дБ (коэффициент шума);

* NOISE: AUTO (модель шума).

Синусоидальная и косинусоидальная формы сигналов формируются с помощью блоков SINE и PHASE.

Модель фазовращателя PHASE имеет один изменяемый параметр - величину сдвига фазы. В данном случае значение составляет 90 градусов.

В качестве гетеродина выступает блок SINE, имеющий следующие характеристики:

* FRQ = 0.98 ГГц (частота);

* AMPL = 1 (амплитуда);

* PHS = 0 градусов (сдвиг фазы);

* STRFRQ -центральная частота (только для комплексных сигналов).

На рисунках 3.4.2-3.4.3 изображены спектры сигнала на выходах смесителей.

Рисунок 3.4.2 - Спектр синфазной составляющей сигнала

Рисунок 3.4.3 - Спектр квадратурной составляющей сигнала

Из рисунков 3.4.2-3.4.3 видно, что спектры сигналов совпадают и смещены к нулю по оси частот.

3.5 Разработка автоматической регулировки усиления

Автоматическая регулировка усиления (АРУ)-- процесс, при котором выходной сигнал некоторого устройства, как правило, электронного усилителя, автоматически поддерживается постоянным по некоторому параметру (например, амплитуде простого сигнала или мощности сложного сигнала), независимо от амплитуды (мощности) входного сигнала. Система представляет собой замкнутую цепь автоматического регулирования, содержащую усилитель с регулируемым коэффициентом усиления и цепь регулирования[4].

Рассмотрим состав схемы петли АРУ.

VGA_L (Linear Variable Gain Amplifier) - линейный усилитель переменного усиления. Блок VGA_L реализует поведение модели линейного усиления. Коэффициент усиления этого усилителя находится под контролем второго входа или задается параметром, если управляющий вход отключен.

Параметры блока:

· GAIN - усиление усилителя, используется при отключенном втором входе;

· GTYP - усиление мощности или напряжения;

· CTRLTYP - тип управления: линейный или в дБ.

Далее необходимо выделить огибающую сигнала для последующего отслеживания изменения ее уровня. Для этого после блока VGA_L сигнал подается на блок CMAG, который возвращает модуль входного комплексного сигнала (огибающую сигнала).

Для корректной регулировки усиления необходимо усреднять изменение уровня сигнала на определённом промежутке значений. Это позволяет плавно регулировать усиление блока AMP_B. Блок RUN_AVG усредняет указанное число пришедших отсчетов сигнала. Параметр N - число усредняемых блоком выборок (значение посчитано ниже).

Изменение уровня сигнала в цепи АРУ необходимо инвертировать. Это необходимо для выравнивания уровня сигнала на выходе усилителя VGA_L и корректной работы всей системы. Блок NEG инвертирует пришедший на вход сигнал.

Блок AMP_B - реализует поведение нелинейного усилителя с задаваемым коэффициентом усиления. Используется для управления блоком VGA_L и усиления сигнала на выходе цепи обратной связи.

Параметры блока AMP_B:

· GAIN - усиление усилителя;

· P1DB - точка компрессии на 1дб по выходу.

Блок DLY_SMP - задержка входного потока сэмплов, на заданное количество сэмплов. Используется из-за того, что в реальной схеме присутствует задержка при прохождении сигналом цепи АРУ, чего нет в программе.

Блок DLY_SMP выполняет вспомогательную роль и нужен для корректной работы программы. В реальной схеме его использование не требуется.

Ниже приведена модель схемы автоматической регулировки усиления (АРУ).

Рисунок 3.5.1 - Система автоматической регулировки усиления

Выберем число усредняемых блоком RUN_AVG значений.

При заданной частоте следования символов и количестве отсчетов на один символ, равном 2, мы имеем 250000 отсчетов за одну секунду. Найдем длительность одного отсчета.

(4.4.1)

Далее выберем постоянную цепи обратной связи АРУ равной 0.1 секунды и вычислим количество необходимых усредняемых значений.

(4.4.2)

На рисунке 3.5.2 изображен график работы системы.

Рисунок 3.5.2 - График работы системы АРУ

Из рисунка 3.5.2 можно сделать вывод, что система автоматической регулировки усиления работает правильно.

3.6 Разработка системы фазовой автоподстройки частоты

Фазовая автоподстройка частоты (ФАПЧ) -- система автоматического регулирования, подстраивающая частоту управляемого генератора так, чтобы она была равна частоте опорного сигнала. Регулировка осуществляется благодаря наличию отрицательной обратной связи. Выходной сигнал управляемого генератора сравнивается на фазовом детекторе с опорным сигналом, результат сравнения используется для подстройки управляемого генератора.

ФАПЧ сравнивает фазы входного и опорного сигнала и выводит сигнал ошибки, соответствующий разности между этими фазами. Затем сигнал ошибки проходит через фильтр низких частот (ФНЧ), для плавного изменения управляющего напряжения для генератора управляемым напряжением (ГУН). При отклонении опорной частоты, сигнал ошибки уменьшается или увеличивается в зависимости от разницы фазы опорного сигнала и сигнала на выходе ГУНа. В состоянии равновесия сигнал на выходе ФАПЧ фиксируется на частоте опорного[5].

Эквивалентная схема петли ФАПЧ показана на рис. 3.6.1 и включает в себя три минимально необходимые элемента: фазовый детектор ФД, фильтр низкой частоты ФНЧ и управляемый напряжением генератор ГУН.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 3.6.1 - Эквивалентная схема петли ФАПЧ

Возможность установления нулевого сигнала ошибки (совпадение фаз и частот опорного и управляемого генераторов) зависит от исходной разности частот. Если разность частот находит в пределах, называемой полосой захвата, сигнал коррекции с выхода фазового детектора изменяет частоту управляемого генератора до тех пор, пока эти частоты не совпадут. При значительной разности частот «захвата» частот не происходит и ГУН работает в автономном режиме.

На входы фазового детектора одновременно поступает опорный сигнал и сигнал от управляемого генератора. На выходе фазового детектора имеет место сигнал ошибки, пропорциональный разности фаз колебаний опорного и управляемого генераторов. Этот сигнал после ограничения по полосе частот в ФНЧ поступает на управляющий вход ГУН, изменяя его частоту таким образом, что сигнал ошибки становится равным нулю в установившемся состоянии.

В установившемся режиме работы частота ГУН с точностью до фазы совпадает с частотой опорного генератора. Если в результате случайных воздействий частота управляемого генератора не слишком сильно отклоняется от частоты опорного генератора, петля ФАПЧ вырабатывает нормальный сигнал коррекции, удерживая частоту управляемого генератора. Если случайное отклонение частоты управляемого генератора будет очень велико, больше полосы удержания петли, то сигнал ошибки на выходе фазового детектора не откорректирует частоту управляемого генератора, петля фазовой автоподстройки «разваливается» и управляемый генератор переходит в режим автономной генерации.

К неработоспособности петли ФАПЧ могут привести не только слишком большие, но и слишком быстрые отклонения частоты управляемого генератора. Петля фазовой автоподстройки имеет определенное время выработки сигнала коррекции. И если период отклонения частоты управляемого генератора будет превышать время установления петли, то частота управляемого генератора не будет корректироваться и управляемый генератор, также будет работать в автономном режиме.

Полоса захвата и полоса удержания -- это два ключевых параметра системы ФАПЧ, которые характеризуют её рабочий диапазон частот.

Область захвата определяется как диапазон частот, сосредоточенный вокруг собственной частоты ГУН (f_n), в котором система ФАПЧ в состоянии произвести захват частоты и войти в синхронизм с внешним входным сигналом. В зависимости от конструкции системы ФАПЧ, ширины полосы пропускания фильтра нижних частот и усиления петли обратной связи, область захвата находится как правило, в диапазоне между и . Иногда область захвата называют областью вхождения в синхронизм. Полоса захвата частоты - полосы частот захвата слева или справа от опорной частоты, которые, как правило, симметричны[6].

Область удержания определяется как диапазон частот, сосредоточенный вокруг собственной частоты ГУН, в котором система ФАПЧ может поддерживать режим синхронизма с внешним опорным сигналом. При этом предполагается, что система ФАПЧ первоначально захватила и удерживает частоту входного сигнала. Область удержания также известна как область слежения. Область удержания -- это диапазон частот, в котором после того, как произошел захват частоты, система ФАПЧ будет точно отслеживать частоту внешнего опорного сигнала. Полоса удержания (синхронизации) -- диапазон частот в области удержания слева или справа от опорной частоты (т. е. область удержания в 2 раза шире полосы удержания).

В данном проекте система ФАПЧ используется для восстановления частоты следования импульсов.

В схеме используются следующие блоки:

DIVIDER - фазовый делитель, предназначенный для использования в системах фазовой автоподстройки частоты. Блок может функционировать с обоими входами: вещественным и комплексным, обеспечивая соответственно вещественный и комплексный сигналы на выходе с поделённой фазой в N раз.

PFDCP- фазо-частотный детектор, составленный из двух триггеров и обратной связи, восстановленной через логический элемент И.

2ND_PASS - пассивный фильтр второго порядка, используемый в ФАПЧ. Выходной сигнал управляет напряжением на генераторе управляемом напряжением (ГУН).

DLY_SMP - этот блок задержки на определённое количество дискрет применим в петлях обратной связи.

VCO_B- перестраиваемый ГУН, имитирует фазовый шум, а также функционирует как генератор свободных колебаний без управляемого входа.

Расчёт всех параметров системы ФАПЧ приведен ниже:

Чтобы рассчитать коэффициент деления N, необходимо знать тактовую частоту и инерционность ФАПЧ. По техническому заданию (ТЗ) дана скорость передачи данных, равная 0.5 Мбит/с, так как в данном курсовом проекте используется модуляция QPSK, в которой за один такт передается два бита информации, следовательно, тактовая частота будет равно половине частоты передачи данных, и равная . Теперь зададимся инерционностью ФАПЧ, например .

(3.6.1)

Полагая, что ГУН выполнен по схеме с кварцевым резонатором и относительной нестабильностью частоты , определим обопщенную расстройку ГУНа по формуле 4.6.2:

(3.6.2)

Таким образом:

Найдем частоту нуля () и полюса () передаточной характеристики ФНЧ:

(3.6.3)

Далее определим частоту нуля:

(3.6.4)

Значения нулей и полюсов рассчитанные выше получились меньше ожидаемых, и по рекомендации научного руководителя значения нуля было принято за 17,5кГц, а значение полюса за 1,75кГц. Рассчитываем номиналы элементов ФНЧ. Для этого находим частоту нулей и полюсов передаточной характеристики непосредственно из передаточной характеристики ФНЧ. Передаточная характеристика имеет вид:

(3.6.5)

Из нее несложно выразить нули и полюса:

;

;

Ниже приведен график амплитудно-частотной характеристики фильтра:

Зная конкретные значения нуля и полюса и задаваясь R₂=1000 Ом, находим С₁ и С₂. Они получаются равными: С₁=0.01 мкФ, С₂=0.1мкФ.

Затем для проверки работоспособности фильтра с найденными параметрами необходимо приметить их к фильтру стоящему в системе фазовой автоподстройки частоты. На рисунках 3.6.4-3.6.6 приведен спектр сигнала на выходе ФАПЧ в переходном процессе:

Список используемых источников