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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Simulação de recepção de rádio em condições de ruído e interferência. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / Designer de rádio amador A modelagem de computador está se tornando parte integrante do projeto de rádio amador hoje, pois permite evitar muitos erros de circuito nos estágios iniciais. Claro, a modelagem não resolve todos os problemas: de qualquer forma, na fase final, a prototipagem e o ajuste de um dispositivo real são necessários, mas, muito provavelmente, não serão necessárias melhorias sérias. Apesar das enormes possibilidades dos programas, sempre há tarefas que vão além das técnicas padrão descritas no manual do usuário. O autor do artigo propõe uma abordagem não padronizada para resolver o problema de simular a recepção de sinais de rádio em condições de ruído e interferência usando o sistema PSpice. Esta técnica pode ser adaptada a qualquer simulador disponível para o rádio amador. A simulação do equipamento transceptor em um computador é uma tarefa muito difícil. A essência da recepção de rádio é a seleção de um sinal útil no contexto de ruído e interferência. E se um estudo separado do transmissor e do receptor geralmente não causa dificuldades, ao tentar considerar seu trabalho conjunto, surge o problema de descrever adequadamente o sinal na entrada do receptor, que é uma mistura de um sinal útil transmitido por um rádio canal com interferência e ruído. A simulação da recepção de rádio sem interferências e ruídos, obviamente, permite avaliar o desempenho do dispositivo, mas não permite avaliar a qualidade das soluções técnicas utilizadas, inerentes à recepção de rádio. O sistema de modelagem PSpice, incluído, por exemplo, no pacote de software OrCAD v.9.2, contém ferramentas para análise de ruído. Entretanto, destinam-se ao modo de pequenos sinais, quando os elementos do dispositivo são considerados lineares próximos ao ponto de operação. Além disso, apenas dispositivos analógicos podem ser investigados e apenas densidades espectrais de ruído podem ser calculadas. A técnica proposta permite analisar a transmissão combinada do sinal útil, ruído e interferência no modo de grandes sinais. Vamos considerá-lo no exemplo de modelagem de um sistema de controle remoto simples com um canal de rádio para um carro. Obviamente, deve-se começar estudando as condições específicas de recepção de rádio e criando um modelo matemático do ambiente de ruído de interferência. No caso geral, o modelo de um sinal com interferência, que vem da antena para a entrada do rádio receptor, pode ser representado pela seguinte fórmula:
onde UΣ(t) é o sinal de mistura total na saída da antena receptora; Uс(t,λс) - sinal útil; λc - parâmetro de informação do sinal útil; Up(t,λp) - sinal de interferência industrial; λp - parâmetro de informação de interferência; Um(t) - ruído branco. O sinal útil depois de passar pelo canal de rádio sofre várias distorções. Assumimos que a frente do sinal é distorcida e sua amplitude diminui, o que é típico para transmissão em canais de comunicação. No nosso caso, isso é suficiente, pois a transmissão ocorre em uma curta distância. A interferência industrial pode ser muito diversa e seu nível é tal que a recepção se torna completamente impossível. Tendo eliminado a interferência intencional (embora este tópico possa ser muito interessante para análise de computador), considere o caso em que a fonte de interferência é um carro. Todos os outros ruídos e interferências serão representados como ruído branco. A fonte mais poderosa de interferência de rádio em um carro é o circuito secundário do sistema de ignição [1; 2]. O motivo da ocorrência da interferência é uma descarga de faísca nas velas de ignição, que resulta em pulsos de corrente com frentes acentuadas, o que explica a largura significativa de seu espectro. A taxa de repetição do pulso, dependendo da velocidade do virabrequim de um motor de quatro cilindros, varia de cerca de 20 a 200 Hz. Combinando tudo, obtemos o circuito resultante (Fig. 1) do gerador de mistura na saída da antena do receptor. Assim, para começar a modelar a recepção de rádio em condições de interferência e ruído, precisamos de modelos PSpice da fonte de sinal útil com distorções UС, o gerador do envelope de tensão de interferência do carro Uon , a fonte de tensão de ruído do carro Un e a fonte de tensão do resto do ruído Ush.
MODELO DE FONTE DE RUÍDO PSpice O esquema do gerador de ruído aleatório é mostrado na fig. 2.
Ao modelá-lo, você deve prestar atenção ao seguinte: Eout é uma fonte de tensão controlada por tensão. Digite-o usando o nome com a letra E no início. Ele atua como um buffer e amplificador de escala. Em vez disso, você pode usar o bloco GAIN analógico, que está disponível na biblioteca de distribuição chamada ABM.lib e executa funções semelhantes; Vnoise é uma fonte de tensão linear por partes cujos valores são lidos de um arquivo de entrada armazenado no diretório de trabalho. Foi utilizada a fonte de tensão VPWL_FILE, que possui o atributo , pois os valores serão lidos do arquivo de entrada. Atributo definido pela entrada: [pathl\pwlnoise.txt. O diretório deve ser aquele em que todos os arquivos do projeto são salvos, incluindo os arquivos esquemáticos *.dsn. Salve o esquema em um arquivo chamado pwlnoise.dsn. A fonte Vnoise gera uma tensão aleatória, cujo valor efetivo é 1 V. Chamaremos esse sinal de "RAW" - a fonte primária de ruído (peça de trabalho). Os elementos Rfil e Cfil filtram o sinal RAW, e Eout o amplifica para uma tensão (valor efetivo) especificada pelo usuário. O sinal de ruído primário V(NOISE_RAW) (Fig. 3, gráfico superior) é distribuído uniformemente em frequência. O fator de forma de tal sinal é de aproximadamente 1,8. A tensão do ruído tem uma forma triangular, onde cada canto é uma descontinuidade. Essa forma de onda leva a um espectro sin(x)/x que contém harmônicos que se estendem até frequências muito altas, e a amplitude do sinal diminui com o aumento da frequência.
O filtro RC elimina problemas de convergência causados pela natureza descontínua do sinal de ruído bruto. O sinal de ruído filtrado V(NOISE_FIL) (Fig. 3, gráfico inferior) é mais parecido com o ruído real. PROGRAMA DE GERAÇÃO DE TENSÃO ALEATÓRIA O programa para geração de tensões aleatórias é escrito na linguagem GW-BASIC (Tabela 1). Para digitar seu texto ou fazer alterações, é permitido o uso de qualquer editor de texto.
O texto do programa deve ser salvo em códigos ASCII sob o nome pwlnoise.bas (por exemplo, no Microsoft Word, o programa deve ser salvo como um arquivo de texto). Na tabela. 2 fornece explicações para as linhas do programa.
Em primeiro lugar, preste atenção especial à linha 20 do programa. Nele, você precisa definir o caminho para o diretório de trabalho com os arquivos do projeto. Depois de iniciar o programa no modo de diálogo, você deve inserir três valores: TIME STEP - intervalo de tempo em segundos - timestamps entre os passos na fonte PWL. Este parâmetro controla parcialmente a largura de banda do espectro e a velocidade na qual o arquivo de valores de origem é digitalizado. Por exemplo, se a etapa for reduzida, os valores de ruído aleatório mudam mais rapidamente com o tempo, a largura do espectro de ruído aumenta e a velocidade de visualização do arquivo de valor diminui; TEMPO FINAL - tempo final em segundos - tempo de operação do gerador de ruído. Aumentá-lo aumenta o número de etapas incluídas no PWL da fonte de ruído; RMS NOISE é o valor efetivo da tensão de ruído em volts. Este parâmetro também afeta a velocidade de visualização do arquivo e a largura do espectro do gerador de ruído: quanto maior, maior a inclinação da frente e, conseqüentemente, a largura do espectro do sinal. O programa calculará e exibirá quatro parâmetros: Pontos - o número de pontos que serão incluídos na fonte de ruído PWL; Largura de banda - largura de banda no nível de -3 dB do máximo do envelope do espectro; Maximum Slew Rate - velocidade máxima aproximada de processamento de arquivo; CFIL é a capacitância do capacitor do filtro. Quando todos os cálculos necessários forem concluídos, o programa lembrará que você deve registrar os parâmetros TIME STEP, RMS NOISE e CFIL, que posteriormente serão necessários para criar uma tarefa de simulação. Para aproveitar os resultados do programa, algum trabalho preparatório precisa ser feito. Entre no editor esquemático do OrCAD Capture, abra o arquivo pwlnoise.dsn, no qual o diagrama do modelo da fonte de ruído deve ser desenhado (consulte a Figura 2) e faça as seguintes alterações. Defina a capacitância do capacitor CFIL para o valor calculado pelo programa. Defina o atributo GAIN Eout para o valor RMS inserido quando o programa foi executado. Certifique-se de inserir um número sem dimensão (o ganho não tem dimensão). Por exemplo, você precisa inserir "0.125", não "0.125V". Defina a duração do tempo de análise transiente (TRANSIENT) para FINAL TIME, cujo valor foi inserido quando o programa foi executado. Agora você pode simular no PSpice e usar o programa PROBE da maneira usual. As portas globais (RAW e FIL) facilitam o uso do modelo gerador de ruído em outras partes do projeto do circuito que requerem uma fonte semelhante. Mas não se esqueça de executar novamente o programa pwlnoise.bas sempre que precisar alterar os parâmetros da fonte de ruído. PSpice-MODELO DE GERADOR DE INTERFERÊNCIA Para criar um modelo de interferência de um carro, é necessário um gerador de envelope de tensão de interferência (Fig. 4).
A forma do envelope é um sinal que aumenta acentuadamente exponencialmente e também diminui exponencialmente gradualmente até zero. E está cheio de oscilações que têm um caráter aleatório. Para obter um sinal com a forma desejada, utilizamos uma tensão pulsada da fonte V1, após "passá-la" pelo circuito integrador R1C1. Ao selecionar a amplitude de tensão e a constante de tempo do circuito RC, obtemos o envelope necessário do sinal de interferência (Fig. 5).
Ao escolher os parâmetros V1, V2, TD, TR TF, PW, PER da fonte de pulso e a constante de tempo do circuito RC, definimos as características temporais necessárias do envelope, inerentes precisamente à interferência da ignição do carro sistema. O amplificador de buffer de tensão GAIN 1 é necessário para dimensionar a amplitude do envelope para um valor de 1 V. Em seguida, multiplicamos a tensão do sinal de envelope pela tensão do ruído usando o bloco analógico MULT1 e obtemos o sinal de ruído desejado (Fig. 5, diagrama inferior). Variando o parâmetro PER da fonte de pulso V1, é possível simular uma alteração na rotação do virabrequim do motor, e alterando o parâmetro TD, o momento de ocorrência da interferência em relação ao sinal útil. Usando a abordagem proposta, é fácil modelar muitos outros tipos de interferência industrial, não apenas automobilística. PSpice-MODELO DE SINAL ÚTIL Vamos supor que o transmissor do sistema de controle remoto consiste em uma parte digital e outra analógica. O código de pulso é usado para transmitir comandos. Do ponto de vista do Pspice, esse transmissor é um dispositivo digital para analógico comum e não há problemas especiais com sua modelagem. No entanto, o tempo gasto no cálculo é muito alto. Isso ocorre porque o sistema PSpice é forçado a escolher a etapa de integração com base na taxa de mudança do sinal com a maior frequência. Portanto, faz sentido criar um modelo simplificado de alta velocidade do equivalente do sinal de saída do transmissor (Fig. 6) em fontes ideais.
Isso é muito mais conveniente, pois essa fonte é muito mais fácil de controlar (ao simular condições reais de recepção, pode ser necessário variar a frequência da portadora, amplitude, fase). Para levar em consideração as distorções de sinal no canal de rádio, um gerador de distorção de forma de sinal é adicionado - em nosso caso, um circuito RC simples. PSpice - MODELO DE SINAL DE MISTURA Agora que todos os modelos estão prontos, vamos mesclá-los. Na verdade, isso equivale a uma antena receptora (ver Fig. 1), de cuja saída o sinal total chega à entrada do receptor de rádio. É óbvio que, para conveniência da análise no modelo, é necessário prever a possibilidade de ajustar as relações sinal-ruído e sinal-ruído, bem como o nível do sinal total para simular a atenuação com o aumento distância. Isso é implementado usando amplificadores intermediários GAIN1-GAIN4, incluídos nas entradas e saídas do somador (ver Fig. 1), cujo ganho pode ser alterado rapidamente antes do próximo início da simulação. SIMULAÇÃO DE RÁDIO PSpice É melhor preparar uma tarefa de modelagem para o modo TRANSIENTE de forma gráfica. Para fazer isso, em vez de uma antena, conecto um modelo de sinal misto ao receptor de rádio. Mas antes de começar a modelar, você precisa criar arquivos de valores de duas fontes de ruído independentes e calcular a capacitância CFIL dos filtros antialiasing. O programa pwl-noise.bas terá que ser usado duas vezes porque as fontes de ruído devem ser independentes. Na primeira inicialização do programa, vamos criar os dados iniciais para a fonte de ruído, que faz parte do gerador de ruído do sistema de ignição do carro, vamos definir, por exemplo, TIME STEP=6E-6 FINAL TIME=0.05, RMS NOISE =1. Como resultado, obtemos CFIL=1,88 nF e renomeamos o arquivo gerado chamado pwlnoise.txt para pwlnoise2.txt. No segundo caso, escrevemos os dados iniciais para lançar a fonte de ruído aleatório. Defina TIME STEP=5E-6 FINAL T|ME= 0 05 RMS NOISE=1 Obtenha CFIL=1,6 nF e deixe o arquivo com o nome pwlnoise.txt. Agora você pode executar o programa de simulação e ver os resultados. Literatura
Autor: O. Petrakov, Moscou
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