Simulation de la réception radio dans des conditions de bruit et d'interférences. Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique

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La modélisation informatique devient aujourd'hui une partie intégrante de la conception des radioamateurs, car elle vous permet d'éviter de nombreuses erreurs de circuit dans les premières étapes. Bien sûr, la modélisation ne résout pas tous les problèmes: de toute façon, au stade final, le prototypage et l'ajustement d'un appareil réel sont nécessaires, mais, très probablement, une amélioration sérieuse ne sera pas nécessaire.

Malgré les énormes possibilités des programmes, il y a toujours des tâches qui vont au-delà des techniques standard décrites dans le manuel d'utilisation. L'auteur de l'article propose une approche non standard pour résoudre le problème de la simulation de la réception de signaux radio dans des conditions de bruit et d'interférence à l'aide du système PSpice. Cette technique peut être adaptée à tout simulateur disponible pour le radioamateur.

La simulation d'un équipement émetteur-récepteur sur un ordinateur est une tâche très difficile. L'essence de la réception radio est la sélection d'un signal utile sur fond de bruit et d'interférences. Et si une étude séparée de l'émetteur et du récepteur ne pose généralement pas de difficultés, alors en essayant de considérer leur travail commun, le problème se pose de décrire correctement le signal à l'entrée du récepteur, qui est un mélange d'un signal utile transmis via un canal radio avec interférences et bruit. La simulation de la réception radio sans interférence ni bruit permet bien sûr d'évaluer les performances de l'appareil, mais ne permet pas d'évaluer la qualité des solutions techniques utilisées, inhérentes à la réception radio.

Le système de modélisation PSpice, inclus par exemple dans le progiciel OrCAD v.9.2, contient des outils d'analyse du bruit. Cependant, ils sont destinés au mode petit signal, lorsque les éléments du dispositif sont considérés comme linéaires près du point de fonctionnement. De plus, seuls les dispositifs analogiques peuvent être étudiés et seules les densités spectrales de bruit peuvent être calculées.

La technique proposée permet d'analyser la transmission combinée du signal utile, du bruit et des interférences en mode grand signal. Considérons-le sur l'exemple de la modélisation d'un système de télécommande simple avec un canal radio pour une voiture.

Évidemment, il faut commencer par étudier les conditions spécifiques de réception radio et créer un modèle mathématique de l'environnement de bruit d'interférence. Dans le cas général, le modèle d'un signal brouilleur, qui vient de l'antenne à l'entrée du récepteur radio, peut être représenté par la formule suivante :

où UΣ(t) est le signal de mélange total à la sortie de l'antenne réceptrice ; Uс(t,λс) - signal utile ; λc - paramètre d'information du signal utile ; Up(t,λp) - signal d'interférence industrielle ; λp - paramètre d'information d'interférence ; Um(t) - bruit blanc.

Le signal utile après avoir traversé le canal radio subit diverses distorsions. Nous supposons que le front du signal est déformé et que son amplitude diminue, ce qui est typique pour la transmission sur des canaux de communication. Dans notre cas, cela suffit, puisque la transmission se fait sur une courte distance.

Les perturbations industrielles peuvent être très diverses et leur niveau est tel que la réception devient totalement impossible. Après avoir éliminé les interférences intentionnelles (bien que ce sujet puisse être très intéressant pour l'analyse informatique), considérons le cas où la source d'interférence est une voiture. Tous les autres bruits et interférences seront représentés comme du bruit blanc.

La source la plus puissante d'interférences radio dans une voiture est le circuit secondaire du système d'allumage [1 ; 2]. La cause de l'apparition d'interférences est une décharge d'étincelle dans les bougies d'allumage, qui se traduit par des impulsions de courant avec des fronts raides, ce qui explique la largeur importante de leur spectre. Le taux de répétition des impulsions, en fonction de la vitesse du vilebrequin d'un moteur à quatre cylindres, varie d'environ 20 à 200 Hz.

En combinant tout, nous obtenons le circuit résultant (Fig. 1) du générateur de mélange à la sortie de l'antenne du récepteur.Ainsi, afin de commencer à modéliser la réception radio dans des conditions d'interférence et de bruit, nous avons besoin de modèles PSpice d'une source de signal utile avec des distorsions UС, un générateur de tension d'enveloppe d'interférence d'une voiture Uon, une source de tension d'interférence d'une voiture Un et une source de tension d'un autre bruit Ush.

MODÈLE DE SOURCE DE BRUIT PSpice

Le schéma du générateur de bruit aléatoire est illustré à la fig. 2.

Lors de la modélisation, vous devez faire attention aux points suivants :

Eout est une source de tension commandée en tension. Entrez-le en utilisant le nom avec la lettre E au début. Il agit comme un tampon et un amplificateur de mise à l'échelle. Au lieu de cela, vous pouvez utiliser le bloc GAIN analogique, qui est disponible dans la bibliothèque de distribution appelée ABM.lib et exécute des fonctions similaires ;

Vnoise est une source de tension linéaire par morceaux dont les valeurs sont lues à partir d'un fichier d'entrée stocké dans le répertoire de travail. La source de tension VPWL_FILE a été utilisée, qui a l'attribut , puisque les valeurs seront lues à partir du fichier d'entrée. Attribut défini par l'entrée : [pathl\pwlnoise.txt.

Le répertoire doit être celui dans lequel tous les fichiers du projet sont enregistrés, y compris les fichiers schématiques *.dsn. Enregistrez le schéma dans un fichier nommé pwlnoise.dsn.

La source Vnoise génère une tension aléatoire dont la valeur effective est de 1 V. Nous appellerons ce signal "RAW" - la source de bruit primaire (pièce). Les éléments Rfil et Cfil filtrent le signal RAW et Eout l'amplifie à une tension (valeur efficace) spécifiée par l'utilisateur.

Le signal de bruit primaire V(NOISE_RAW) (Fig. 3, graphique supérieur) est uniformément distribué en fréquence. Le facteur de forme d'un tel signal est d'environ 1,8. La tension de bruit a une forme triangulaire, où chaque coin est une discontinuité. Cette forme d'onde conduit à un spectre sin(x)/x qui contient des harmoniques s'étendant jusqu'à de très hautes fréquences, et l'amplitude du signal diminue avec l'augmentation de la fréquence.

Le filtre RC élimine les problèmes de convergence causés par la nature discontinue du signal de bruit brut. Le signal de bruit filtré V(NOISE_FIL) (Fig. 3, graphique du bas) ressemble plus à du bruit réel.

PROGRAMME DE GÉNÉRATION DE TENSION ALÉATOIRE

Le programme de génération de contraintes aléatoires est écrit en langage GW-BASIC (tableau 1). Pour taper son texte ou apporter des modifications, il est permis d'utiliser n'importe quel éditeur de texte.

(cliquez pour agrandir)

Le texte du programme doit être enregistré en codes ASCII sous le nom pwlnoise.bas (par exemple, dans Microsoft Word, le programme doit être enregistré sous forme de fichier texte). En tableau. 2 fournit des explications sur les lignes du programme.

Tout d'abord, portez une attention particulière à la ligne 20 du programme. Dans celui-ci, vous devez définir le chemin d'accès au répertoire de travail avec les fichiers du projet.

Après avoir démarré le programme en mode dialogue, vous devez entrer trois valeurs : PAS DE TEMPS - pas de temps en secondes - horodatages entre les pas dans la source PWL. Ce paramètre contrôle en partie la bande passante du spectre et la vitesse à laquelle le fichier de valeurs source est scanné. Par exemple, si le pas est réduit, les valeurs de bruit aléatoires changent plus rapidement avec le temps, la largeur du spectre de bruit augmente et la vitesse de visualisation du fichier de valeurs diminue. TEMPS FINAL - temps final en secondes - temps de fonctionnement du générateur de bruit. L'augmenter augmente le nombre d'étapes incluses dans la PWL de la source de bruit ; RMS NOISE est la valeur effective de la tension de bruit en volts.

Ce paramètre affecte également la vitesse de visualisation du fichier et la largeur du spectre du générateur de bruit : plus il est grand, plus la pente du front est importante et, par conséquent, la largeur du spectre du signal.

Le programme calculera et affichera quatre paramètres : Points - le nombre de points qui seront inclus dans la source de bruit PWL ; Bande passante - bande passante au niveau de -3 dB à partir du maximum de l'enveloppe spectrale; Vitesse de balayage maximale - vitesse de traitement de fichier maximale approximative ; CFIL est la capacité du condensateur de filtrage.

Lorsque tous les calculs nécessaires sont terminés, le programme vous rappellera d'enregistrer les paramètres TIME STEP, RMS NOISE et CFIL, qui seront nécessaires plus tard pour créer une tâche de simulation.

Pour tirer parti des résultats du programme, certains travaux préparatoires doivent être effectués. Entrez dans l'éditeur de schéma OrCAD Capture, ouvrez le fichier pwlnoise.dsn, dans lequel le diagramme du modèle de source de bruit doit être dessiné (voir Figure 2), et apportez les modifications suivantes.

Réglez la capacité du condensateur CFIL sur la valeur calculée par le programme.

Réglez l'attribut GAIN Eout sur la valeur RMS entrée lors de l'exécution du programme. Assurez-vous d'entrer un nombre sans dimension (le gain est sans dimension). Par exemple, vous devez entrer "0.125", et non "0.125V".

Régler la durée du temps d'analyse transitoire (TRANSIENT) sur TEMPS FINAL, dont la valeur a été saisie lors de l'exécution du programme.

Vous pouvez maintenant simuler dans PSpice et utiliser le programme PROBE de la manière habituelle. Les ports globaux (RAW et FIL) facilitent l'utilisation du modèle de générateur de bruit dans d'autres parties de la conception du circuit qui nécessitent une source similaire. Mais n'oubliez pas de relancer le programme pwlnoise.bas chaque fois que vous avez besoin de modifier les paramètres de la source de bruit.

PSpice-MODÈLE DE GÉNÉRATEUR D'INTERFÉRENCES

Pour créer un modèle d'interférence d'une voiture, un générateur d'enveloppe de tension d'interférence est nécessaire (Fig. 4).

La forme de l'enveloppe est un signal qui augmente fortement de manière exponentielle, puis diminue progressivement de manière exponentielle jusqu'à zéro. Et il est rempli d'oscillations qui ont un caractère aléatoire. Pour obtenir un signal de la forme souhaitée, on utilise une tension pulsée issue de la source V1, après l'avoir "passée" dans le circuit intégrateur R1C1. En sélectionnant l'amplitude de tension et la constante de temps du circuit RC, nous obtenons l'enveloppe requise du signal d'interférence (Fig. 5).

En choisissant les paramètres V1, V2, TD, TR TF, PW, PER de la source d'impulsions et la constante de temps du circuit RC, nous définissons les caractéristiques temporelles nécessaires de l'enveloppe, qui sont inhérentes précisément aux interférences du système d'allumage de la voiture. L'amplificateur tampon de tension GAIN 1 est nécessaire pour mettre à l'échelle l'amplitude de l'enveloppe à une valeur de 1 V.

Ensuite, nous multiplions la tension du signal d'enveloppe par la tension du bruit à l'aide du bloc analogique MULT1 et obtenons le signal de bruit souhaité (Fig. 5, schéma du bas). En faisant varier le paramètre PER de la source d'impulsions V1, il est possible de simuler une variation du régime vilebrequin du moteur, et en faisant varier le paramètre TD, l'instant d'apparition des perturbations par rapport au signal utile.

En utilisant l'approche proposée, il est facile de modéliser de nombreux autres types d'interférences industrielles, pas seulement celles de l'automobile.

MODÈLE DE SIGNAL PSpice-PLEASED

Supposons que l'émetteur du système de télécommande se compose d'une partie numérique et d'une partie analogique. Le code d'impulsion est utilisé pour transmettre des commandes. Du point de vue de Pspice, un tel émetteur est un appareil numérique-analogique ordinaire, et sa modélisation ne pose aucun problème particulier. Cependant, le temps consacré au calcul est très élevé. En effet, le système PSpice est obligé de choisir l'étape d'intégration en fonction du taux de variation du signal avec la fréquence la plus élevée. Par conséquent, il est logique de créer un modèle simplifié à grande vitesse de l'équivalent du signal de sortie de l'émetteur (Fig. 6) sur des sources idéales.

C'est beaucoup plus pratique, car une telle source est beaucoup plus facile à contrôler (lors de la simulation des conditions réelles de réception, il peut être nécessaire de faire varier la fréquence porteuse, l'amplitude, la phase). Pour prendre en compte les distorsions du signal dans le canal radio, un générateur de distorsion de la forme du signal est ajouté - dans notre cas, un simple circuit RC.

PSpice - MODÈLE DE SIGNAL DE MÉLANGE

Maintenant que tous les modèles sont prêts, fusionnons-les. En fait, c'est l'équivalent d'une antenne de réception (voir Fig. 1), à partir de la sortie de laquelle le signal total arrive à l'entrée du récepteur radio. Il est évident que pour la commodité de l'analyse dans le modèle, il est nécessaire de prévoir la possibilité d'ajuster les rapports signal sur bruit et signal sur bruit, ainsi que le niveau du signal total pour simuler l'atténuation avec l'augmentation de la distance.

Ceci est mis en œuvre à l'aide d'amplificateurs intermédiaires GAIN1-GAIN4, inclus aux entrées et à la sortie de l'additionneur (voir Fig. 1), dont le gain peut être rapidement modifié avant le prochain démarrage de la simulation.

PSpice RADIO SIMULATION

Il est préférable de préparer une tâche de modélisation pour le mode TRANSITOIRE sous forme graphique. Pour ce faire, au lieu d'une antenne, je connecte un modèle de signal de mélange au récepteur radio.

Mais avant de commencer la modélisation, vous devez créer des fichiers de valeurs de deux sources de bruit indépendantes et calculer la capacité CFIL des filtres anticrénelage. Le programme pwl-noise.bas devra être utilisé deux fois car les sources de bruit doivent être indépendantes.

Au premier démarrage du programme, créons les données initiales pour la source de bruit, qui fait partie du générateur de bruit du système d'allumage de la voiture. Fixons, par exemple, TIME STEP=6E-6 FINAL TIME=0.05, RMS NOISE=1. En conséquence, nous obtenons CFIL = 1,88 nF et renommez le fichier généré nommé pwlnoise.txt en pwlnoise2.txt.

Dans le second cas, nous écrivons les données initiales pour lancer la source de bruit aléatoire. Réglez TIME STEP=5E-6 FINAL T|ME= 0 05 RMS NOISE=1 Obtenez CFIL=1,6 nF et laissez le fichier avec le nom pwlnoise.txt.

Vous pouvez maintenant exécuter le programme de simulation et voir les résultats.

littérature

1. Maltiysky A.N., Podolsky A.G. Récepteur de radiodiffusion dans une voiture. - M. : Communication, 1974
2. Réception radio Kovalev VG dans la voiture. - M. : Énergie, 1974.

Auteur : O. Petrakov, Moscou

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