1.1 Теоретические сведения DQPSK

1.2 AWR Design Environment. Описание программы

2. Разработка генератора тестовых импульсов

3. Разработка модели канала передачи

4. Разработка модели приемника

5. Разработка автоматической регулировки усиления

6. Разработка фазовой автоподстройки частоты

Список использованных источников

1. Введение

1.1 Теоретические сведения DQPSK

Квадратурная фазовая манипуляция (QPSK). QPSK модуляция строится на основе кодирования двух бит передаваемой информации одним символом. При этом символьная скорость в два раза ниже скорости передачи информации. Для того чтобы понять как один символ кодирует сразу два бита рассмотрим рисунок 1.1.1.

Рисунок 1.1.1 - Векторная диаграмма QPSK-сигнала.

Квадратурный канал в случае с BPSK всегда равен нулю. Точки на векторной диаграмме образуют созвездие фазовой манипуляции. Для того чтобы осуществить кодирование одним символом двух бит информации, необходимо, чтобы созвездие состояло из четырех точек, как это показано на векторной диаграмме QPSK рисунка 1. Тогда мы получим, что и отличны от нуля, все точки созвездия расположены на единичной окружности. Тогда кодирование можно осуществить следующим образом: разбить битовый поток на четные и нечетные биты, тогда будет кодировать четные биты, а - нечетные. Два последовательно идущих друг за другом бита информации кодируются одновременно синфазным и квадратурным сигналами. Это наглядно показано на осциллограммах, приведенных на рисунке для информационного потока «1100101101100001»

Рисунок 1.1.2 - Синфазная и квадратурная составляющие QPSK сигнала.

На верхнем графике входной поток разделен на пары бит, соответствующих одной точке созвездия QPSK, показанного на рисунке 1. На втором графике показана осциллограмма , соответствующая передаваемой информации. Если четный бит равен 1 (обратите внимание что биты нумеруются с нуля, а не с единицы, поэтому первый в очереди бит имеет номер 0, а значит он четный по порядку), и если четный бит 0 (т.е. ). Аналогично строится квадратурный канал но только по нечетным битам. Длительность одного символа в два раза больше длительности одного бита исходной информации. Устройство выполняющее такое кодирование и согласно созвездию QPSK условно показано на рисунке 1.1.3.

Рисунок 1.1.3 - Устройство кодирования синфазной и квадратурной составляющих на основе созвездия QPSK.

В зависимость от пары бит на входе на выходе получаем постоянные в пределах длительности этой пары бит сигналы и , значение которых зависит от передаваемой информации.

DQPSK - дифференциальная квадратурная фазовая манипуляция. Ее отличие от QPSK заключается в том, что информация передается не абсолютным установившимся значением, а переходом между установившимися значениями. В некоторых случаях накладываются ограничения на допустимые переходы. Например, в модуляции р/4 DQPSK траектория сигнала не проходит через начало координат.

Рисунок 1.1.4 - Диаграмма расположения битов в р/4 DQPSK модуляции.

Рисунок 1.1.5 - Диаграмма созвездия и спектр р/4 DQPSK модуляции.

р/4 DQPSK модуляция широко используется в различных системах, например:

· Сотовые системы NADC-IS-54 и PDC.

· Беспроводные системы PHS.

· Транковые системы TETRA.

1.2 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.

Microwave 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.

Microwave 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.

Пакет включает в себя также специальный редактор топологий Aristan для схемотехнических модулей, позволяющий синтезировать топологию СВЧ устройства непосредственно по его принципиальной схеме, видоизменять ее и отслеживать изменения характеристик.

2. Разработка генератора тестовых импульсов

В программе AWR был смоделирован генератор тестовых сигналов со следующими основными параметрами:

Частота несущей 1.8 ГГц

Выходная мощность 50дБм

Скорость передачи 512000 Симв./c

Модель генератора тестовых импульсов изображена на рисунке 1.

Рисунок 2.1 - Генератор тестовых импульсов.

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

Рисунок 2.2 - Глазковая диаграмма.

Рисунок 2.3 - Диаграмма созвездия.

Рисунок 2.4 - Форма сигнала на выходе генератора.

Рисунок 2.5 - Спектр сигнала на выходе генератора.

3. Разработка модели канала передачи

квадратурная фазовая манипуляция высокочастотный

Для имитации канала передачи в среде моделирования VSS используется блок: Additive White Gaussian Noise Channel: AWGN.

Описание:

AWGN - реализует канал с аддитивным белым гауссовским шумом (AWGN). Эта модель суммирует независимый гауссовский шума с входным сигналом.

Параметры блока AWGN:

· PWR - уровень мощности шума;

· PWRTYP - этот параметр устанавливает толкование уровня выходного шума, в нашем случае выбираем мощность с единицей измерения в один мВт;

· LOSS - потери при передаче.

Рисунок 3.1 - Канал с аддитивным белым гауссовским шумом (AWGN).

Согласно заданию, модель канала должна обеспечивать отношение сигнал/шум на входе приемника 20 дБ.

Рассчитаем уровень шума в канале передачи, чтобы обеспечить заданное соотношение сигнал/шум. Выходная мощность сигнала OUTLVL = 50 dBm. Потери в канале LOSS = 100 dB.

Отношение сигнал/шум:

S/N = OUTLVL - LOSS - PWR,

PWR = OUTLVL - LOSS - S/N = 50 - 100 - 20 = -70.

PWR - это уровень шума в канале передачи.

Модель канала передачи изображена на рисунке 3.2.

Рисунок 3.2 - Модель канала передачи.

Блоком C2RI выделяем реальную часть сигнала и строим график реальной части сигнала под действием шума.

Рисунок 3.3 - График реальной части сигнала под действием шума.

Выбираем фильтр сосредоточенной селекции. Для реализации фильтра сосредоточенной селекции (ФСС), используется блок Pulse Shaping Filter: PLSSHP. PLSSHP реализует несколько стандартных фильтров формирования импульсов с помощью КИХ-фильтра.

Рисунок 3.4 - Блок фильтра сосредоточенной селекции.

Построим сигнал после прохождения ФСС.

Рисунок 3.5 - Сигнал после прохождения ФСС.

4. Разработка модели приемника

Смоделируем в AWR модель приемника прямого преобразования. Модель изображена на рисунке 4.1. Схема приемника включает в себя смеситель, гетеродин и фазовый преобразователь для реальной и мнимой части сигнала. Реальный и мнимый сигнал смещены по фазе на 90 градусов.

Параметры смесителя:

MODE=DIFF (режим преобразования - вычитание),

GCONV=-10дБ (преобразование усиления),

P1DB=10dBm (точка компрессии на 1 дБ),

IP3=30dBm (точка пересечения третьего порядка)

LO2OUT=-25dB (Л.О. вывода изоляции (сделать отрицательные потери),

IN2OUT=-25dB (На входе и выходе изоляции (отрицательные потери)),

LO2IN=-25dB (Л.О. ввода изоляции, RF Инспектор только (сделать отрицательные потери)),

OUT2IN=-25dB (Выход на вход (обратная) изоляции, RF Инспектор только (сделать отрицательные потери)),

PLO=10dB (Ссылка LO порт питания),

PLOUSE=Spur reference only (Использование ЛО= Цилиндрические ссылки только),

PIN=-10dBm (Ссылка входной порт мощности),

PINUSE= IN2OUTH Only (Использование PIN),

NF=10dB (Коэффициент шума (SSB)),

NOISE=AUTO (модель шума).

Ниже приведена модель приемника прямого преобразования.

Рисунок 4.1 - Модель приемника прямого преобразования.

Параметры гетеродина:

FRQ=1.8GHz (частота);

AMPL=1 (амплитуда);

PHS=0 Deg (фаза).

Ниже изображены реальные части сигналов, прошедших через смесители и их спектры.

Рисунок 4.2 - Реальные части сигналов, прошедших через смесители.

Рисунок 4.3 - Спектр сигнала, после первого смесителя.

Рисунок 4.4 - Спектр сигнала, прошедшего через второй смеситель.

Из рисунка 4.3 и рисунка 4.4 видно, что спектры сигналов совпадают и смещены к нулю по оси частот.

5. Разработка автоматической регулировки 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.

VGA_L (Linear Variable Gain Amplifier) - линейный усилитель переменного усиления. Блок VGA_L-реализует поведение модели линейного усиления. 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: линейное или в дБ.

Петля обратной связи состоит из:

Блок CMAG возвращает модуль входного комплексного сигнала.

Блок RUN_AVG возвращает среднее за указанное число выборок.

Блок NEG - производит инверсию сигнала.

Блок AMP_B-реализует поведение нелинейного усилителя.

Параметры блока AMP_B:

GAIN - усиление усилителя.

P1DB - точка компрессии на 1дб по выходу.

NF - отношение входного сигнала к шуму.

Блок CHANGE_FS - изменяет частоту дискретизации входного сигнала до заданной частоты дискретизации.

Параметры блока CHANGE_FS:

FSOUT - частота дискретизации.

INTRPSPN - число образов используемое для интерполяции.

Блок DLY_SMP - задержка входного потока сэмплов, на заданное количество сэмплов.

Ниже приведена модель автоматической регулировки усиления (АРУ).

Рисунок 5.1 - Модель АРУ.

Ниже на рисунке изображен график работы АРУ.

Рисунок 5.2 - График работы АРУ.

6. Разработка 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.

Рисунок 6.1 - Модель ФАПЧ.

Ниже изображены реальные части сигналов в приемнике, с включенной в цепь системой ФАПЧ.

Рисунок 6.2 - Сигналы в приемнике с системой ФАПЧ.

Список использованных источников

1. Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. Изд. Второе, испр. : Пер. с англ.-М.:Издатльский дом «Вильямч», 2003.-1104с.

2. Проектирование СВЧ устройств с помощью Microwavve Office / В.Д. Разевиг, Ю.В. Потапов, А.А. Курушин: Под ред. В.Д. Разевига.- М.: СОЛОН-Пресс,2003. - 496 с.

3. Методическое пособие: Выбор оптимального метода модуляции сигналов в современных цифровых системах радиосвязи. Моделирование в среде AWR Design Environment/ МГУ. Физический факультет. Кафедра физики сверхвысоких частот, М: 2008г-52с

Размещено на Allbest.ru