Разработка виртуальной модели передающей части лабораторного стенда для изучения частотной модуляции (ЧМ)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

• Введение
• 1. Разработка структурной схемы передающей части лабораторного стенда для изучения ЧМ
• 1.1 Виды и принцип работы частотных модуляторов
• 1.2 Принцип измерения модуляционных характеристик
• 1.3 Разработка структурной схемы передающей части лабораторного стенда для изучения ЧМ
• 2. Разработка виртуальной модели передающей части лабораторного стенда для изучения ЧМ
• 2.1 Описание отдельных блоков виртуальной модели передающей части лабораторного стенда для изучения ЧМ
• 2.2 Исследование модулятора канала связи ЧМ при низкой и высокой информационной частоте без воздействия шумов
• 2.3 Исследование влияния шумов Гауссовского и Релеевского распределения на процесс модуляции при низком информационном сигнале
• 2.4 Исследование влияния шумов Гауссовского и Релеевского распределения на процесс модуляции при высоком информационном сигнале
• 3. Анализ надежности программного продукта
• 3.1 Специфика понятия отказа программы
• 3.2 Измерение надежности программы
• 3.3 Понятие кортежа программы
• 3.4 Исправления кортежа
• 3.5 Обработка сбоев и ошибок
• 3.6 Математическая модель и расчет характеристик надежности
• 4. Определение цены программного продукта
• 4.1 Расчет основной заработной платы
• 4.2 Расчет дополнительной заработной платы
• 4.3 Расчет отчислений
• 4.4 Расчет затрат на материалы, покупные изделия, полуфабрикаты
• 4.5 Затраты на оплату машинного времени
• 4.6 Расчет себестоимости программного продукта
• 5. Охрана труда и техника безопасности при работе с ЭВМ
• 5.1 Влияние электромагнитного поля, создаваемого ЭВМ
• 5.2 Влияние компьютера на здоровье человека
• 5.3 Параметры ЭМП, влияющие на биологическую реакцию
• 5.4 Последствия действия ЭМП ПК для здоровья человека
• 5.5 Общие сведения о заземляющих устройствах
• Заключение
• Список литературы
• Введение
• Во всем мире для передачи радиосигналов используют различные виды модуляции. Основные виды модуляции: амплитудная (АМ), частотная (ЧМ) и фазовая (ФМ).
• При амплитудной модуляции (АМ) в соответствии с законом передаваемого сообщения меняется амплитуда модулируемого сигнала. Поэтому при тестовом тональном модулирующем сигнале высокочастотный модулируемый сигнал изменяется по закону:
• .
• Основными параметрами АМ являются: коэффициент амплитудной модуляции; частота несущих колебаний.
• По помехоустойчивости амплитудная модуляция существенно уступает частотной и фазовой и поэтому в современных радиотехнических системах практически не применяется.
• При фазовой модуляции (ФМ) амплитуда колебания фазы сигнала а мгновенная частота сигнала меняется по закону , следовательно, девиация частоты пропорциональна частоте модулирующего сигнала .
• Большое распространение за последнее время получает частотная модуляция (ЧМ). Системы с ЧМ обладают большей помехоустойчивостью и лучшими метрологическими характеристиками. Поэтому выбранной темой дипломной работы является «Лабораторный стенд «Изучение частотной модуляции» (передающая часть)».
• Частотная модуляция (ЧМ) вид аналоговой модуляции, при котором информационный сигнал управляет частотой несущего колебания.
• При частотной модуляции мгновенное значение частоты сигнала несущей меняется в ответ на мгновенное значение напряжения видеосигнала (включая уровень вершин синхроимпульсов). Такой метод модуляции создает бесконечное число частотных составляющих в виде боковой полосы частот. Амплитуда этих составляющих уменьшается по мере удаления от частоты несущей. На практике необходимо передавать только ограниченное число этих составляющих, без влияния при этом на качество воспринимаемого изображения. Ограничение полосы этих уменьшающихся составляющих приводит к возникновению очень малых искажений. Основными параметрами ЧМ являются девиация частоты и индекс частотной модуляции.
• Девиация это наибольшее отклонение мгновенной частоты модулированного сигнала от значения его несущей частоты.
• Девиация равна половине величины полосы качания, то есть разности максимальной и минимальной мгновенных частот.
• Другой величиной, характеризующей частотную модуляцию, является индекс частотной модуляции, или отношение девиации частоты к частоте модулирующего сигнала.
• При ЧМ в такт со звуковым сигналом изменяется частота излучаемых колебаний, а амплитуда их остается неизменной. Спектр ЧМ сигнала занимает значительно большую полосу частот.
• За счет ограничения спектра возникает переходный процесс, как по амплитуде, так и по частоте. Длительность установления частоты от до зависит от отношения , где необходимая полоса частот, устанавливаемая для передачи двоичного ЧМ сигнала. Компромисс между допустимыми искажениями и необходимой полосой частот достигается при значениях .
• Частотная модуляция может быть получена прямым способом, когда модулирующее напряжение подается непосредственно на управитель частоты, или косвенным, когда частотная модуляция получается через фазовую.
• Достоинство прямого способа возможность получения глубокой и линейной частотной модуляции (ЧМ), недостаток трудность обеспечения стабильности средней частоты колебания с ЧМ. Достоинство косвенного способа высокая стабильность средней частоты, недостатки неглубокая модуляция, трудность передачи низких модулирующих частот.
• Частотный модулятор (ЧМ) представляет собой устройство, обеспечивающее частотную модуляцию между передаваемым (модулирующим) сигналом и высокочастотным сигналом, изменяющимся по частоте. Обычно в широкополосных системах связи модуляция осуществляется на промежуточной частоте. Основное требование, предъявляемое к таким модуляторам, заключается в очень высокой степени линейности модуляционной характеристики. Практически коэффициент нелинейных искажений модулятора должен лежать в пределах 0,01-0,5%.
• Актуальность и важность темы дипломной работы заключается в разработке методик исследования ЧМ модулятора на основе виртуального лабораторного стенда в программной среде MatLab, а именно в передающей части. Была разработана виртуальная модель, которую удобно использовать для выполнения лабораторных работ.
• Объектом исследования лабораторного стенда в передающей части является частотная модуляция при изменении уровня модуляции, частоты модулирующего сигнала и влияние шумов (Гауссовский и Релеевский).
• Основной целью дипломной работы является создание виртуальной модели лабораторного стенда для изучения частотной модуляции в передающей части для улучшения процесса усвоения студентами принципа работы частотного модулятора. Данная модель позволит видеть преобразование сигнала в различных узлах системы.
• Главной задачей дипломной работы является разработка структурной схемы модулятора, описание его основных блоков, а также разработка виртуальной модели модулятора в программной среде MatLab.
• Научной новизной дипломной работы является возможность исследования передающей части ЧМ с помощью виртуальной модели в программной среде MatLab для успешного освоения одного из методов модуляций (частотной модуляций) и проведения сравнительного анализа исходного и промодулированного сигнала при изменений определенных параметров и воздействий помех.
• 1. Разработка структурной схемы передающей части лабораторного стенда для изучения ЧМ
• Для разработки общей структурной схемы передающей части лабораторного стенда для изучения ЧМ необходимо ознакомиться с основным назначением и параметрами частотного модулятора.
• Частотный модулятор представляет собой устройство, обеспечивающее частотную модуляцию между передаваемым (модулирующим) сигналом и высокочастотным сигналом, изменяющимся по частоте. Обычно в широкополосных системах связи модуляция осуществляется на промежуточной частоте. Практически коэффициент нелинейных искажений модулятора должен лежать в пределах 0,01-0,5%.

Из основных требований, предъявляемых к частотным модуляторам для широкополосных систем связи, можно выделить следующие:

1) малые нелинейные искажения при девиации частоты в несколько мегагерц;

2) отсутствие паразитной амплитудной модуляции;

3) оптимальная крутизна модуляционной характеристики;

4) стабильность центральной частоты.

1.1 Виды и принцип работы частотных модуляторов

Существуют разные виды частотных модуляторов. Например:

- на основе генератора управляемого напряжением (ГУН);

- на основе LC генератора;

- частотный модулятор на биениях и т.д.

Упрощенная структурная схема частотного модулятора показана на рисунке 1.1.



Рисунок 1.1. Структурная схема частотного модулятора

В общем виде частотный модулятор - это генератор, частота колебаний которого управляется напряжением (ГУН), подаваемым на вход модулятора. Наиболее распространенный способ частотной модуляции заключается в воздействии на реактивные элементы колебательного контура, задающего частоту колебаний самовозбуждающегося LC генератора.

Удобным современным элементом, применяющимся для этих целей, является варикап (варактор). Варикап представляет собой полупроводниковый диод, емкость p-n перехода которого имеет сильно выраженную зависимость от приложенного напряжения. Для работы в качестве управляемой емкости используется обратная ветвь характеристики диода, так как при этом получается высокая добротность и температурная стабильность элемента.

На рисунке 1.2 показана одна из многих возможных схем LC генератора, которая может выполнять функции частотного модулятора. Здесь транзистор VT1 включен по схеме с общей базой. Резисторы R1, R2 и R3 задают режим транзистора по постоянному току. Положительная обратная связь осуществляется за счет внутренней емкости коллектор-эмиттер транзистора VT1 и емкости С1. Частота генерации определяется параметрами параллельного LC контура, состоящего из индуктивности L1, емкостей варикапов VD1, VD2 и коллекторной емкости транзистора. Для уменьшения паразитных реактивностей и упрощения схемы контур заземлен по постоянному току. Применение двух, включенных встречно, варикапов позволяет улучшить форму напряжения, вырабатываемую генератором, приближая ее к синусоидальной. Через резистор R4 и дроссель Др2 на варикапы подается запирающее напряжение смещения Е_см, которое задает рабочую точку варикапов.

Рисунок 1.2. Схема LC генератора

Модулирующее напряжение поступает через развязывающий конденсатор С3. Под воздействием модулирующего напряжения меняется емкость варикапов и, следовательно, частота колебаний, вырабатываемая генератором. На рисунке 1.3 показана типовая характеристика высокочастотного варикапа. Подобной характеристикой обладают приборы типа КВ-102, КВ-109, КВ-121 и др.

Рисунок 1.3. Типовая характеристика высокочастотного варикапа

Известно, что связь между резонансной частотой контура и емкостью конденсатора квадратичная (формула 1.1).

(1.1)

Следовательно, для получения линейной частотной модуляции необходимо иметь квадратичную зависимость емкости и напряжения. Из рисунка видно, что характеристика варикапа близка к квадратичной зависимости. Однако совпадение не полное и практически линейную модуляцию можно получить только на небольшом участке характеристики, выбираемом при настройке модулятора индивидуально для различных экземпляров варикапов.

Рисунок 1.4 иллюстрирует процесс изменения емкости варикапа в зависимости от приложенного напряжения. Удовлетворительная линейность получается при девиации частоты, не превышающей 0,5-1,5% от центральной частоты модулятора.

Рисунок 1.4. Процесс изменения емкости варикапа в зависимости от приложенного напряжения

Поэтому на практике получила распространение схема частотного модулятора на биениях, упрощенная структурная схема которого представлена на рисунке 1.5.

Рисунок 1.5. Схема частотного модулятора на биениях

Принципиальные схемы генераторов могут быть подобны схеме, представленной на рисунке 1.2. Варикапы в генераторах включаются в противоположных полярностях, а модулирующие сигналы подаются на оба генератора синфазно. Благодаря этому девиация частоты модулятора удваивается и, кроме того, компенсируются нелинейные искажения по четным гармоникам. Сигналы с выходов обоих генераторов проходят на смеситель через линеаризирующие устройства, уменьшающие искажения по нечетным гармоникам. Частотные модуляторы, выполненные по подобным схемам, широко применяются в радиорелейной аппаратуре. Например, в аппаратуре «Восход», «Дружба», «Курс» и пр.

Более современные решения связаны с построением модуляторов на интегральных схемах. При этом LC генераторы не технологичны и поэтому применяются RC генераторы.

1.2 Принцип измерения модуляционных характеристик

Принцип измерения характеристик частотных модуляторов основан на использовании того факта, что спектр ЧМ сигнала описывается функциями Бесселя, которые связывают амплитуды составляющих спектра с индексом частотной модуляции . Графики функций Бесселя для первых трёх порядков представлены на рисунке 1.6. Из рисунка видно, что при определенных индексах отдельные составляющие спектра обращаются в «0». При модуляции синусоидальным сигналом эти моменты легко заметить по анализатору спектра.

Рисунок 1.6. Графики функций Бесселя

На рисунке 1.7 показаны характерные спектрограммы ЧМ сигналов для различных индексов модуляции.



Рисунок 1.7. Спектрограммы ЧМ сигналов для различных индексов модуляции

При отсутствии модулирующего сигнала спектрограмма (а) состоит из одной составляющей - несущей частоты f₀. При подаче модулирующего сигнала с частотой F_м спектр в общем виде состоит из несущей частоты и боковых составляющих, отстоящих друг от друга на F_м. Количество боковых составляющих зависит от индекса частотной модуляции. Спектрограммы (в) и (г) показывают обращение в «0» несущей частоты или боковых частот при индексах модуляции, определяемых по функциям Бесселя. Например, нулю несущей частоты соответствуют следующие значения индексов частотной модуляции: 2,4; 5,5; 8,6; …; нулям первой пары боковых частот - 3,8; 7; 10,2….

Крутизна модуляционной характеристики определяется по формуле 1.2:

, (1.2)

Индекс частотной модуляции определяется по формуле 1.3:

, (1.3)

где F₂ - верхняя частота группового спектра.

Используя формулу (1.3) крутизна модуляционной характеристики определяется по формуле 1.4:

. (1.4)

1.3 Разработка структурной схемы передающей части лабораторного стенда для изучения ЧМ

Изучив и проанализировав большое количество литературы в соответствии требованию технического задания была разработана структурная схема передающей части лабораторного стенда для изучения ЧМ, представленная на рисунке 1.7. В схеме предусматривается возможность регулирования уровня модуляции, частоты модулирующего сигнала и влияние шумов Гауссовского и Релеевского распределения.

Рисунок 1.7. Структурная схема передающей части лабораторного стенда для изучения ЧМ

В схеме предусмотрена возможность регулирования уровня модуляции, уровня сигнала, подача сигналов с генераторов шума.

Передающая часть структурной схемы лабораторного стенда для изучения ЧМ состоит из следующих основных блоков:

- генератор 1 низкочастотный f₁;

- генератор 2 низкочастотный f₂;

- аттенюатор 1;

- частотный модулятор;

- аттенюатор 2;

- сумматор;

- генератор шумовой 1;

- генератор шумовой 2.

Выходной сигнал снимается с помощью осциллографа и анализатора спектра.

Назначение основных блоков лабораторного стенда для изучения ЧМ в передающей части:

· Генератор 1 низкочастотный представляет собой входной низкочастотный сигнал f₁;

· Генератор 2 низкочастотный представляет собой входной низкочастотный сигнал f₂, (f₂<f₁);

· Аттенюатор 1 - устройство, для плавного, ступенчатого или фиксированного понижения или же повышения уровня входного сигнала, в частности частоту девиации. Уровень частоты девиации изменяется в пределах (110). Минимальный коэффициент усиления аттенюатора равен нулю, а максимальный коэффициент усиления аттенюатора равен десяти;

· Аттенюатор 2 - устройство, для плавного, ступенчатого или фиксированного понижения или же повышения уровня промодулированного сигнала. Уровень промодулированного сигнала изменяется в пределах (110). Минимальный коэффициент усиления аттенюатора равен нулю, а максимальный коэффициент усиления аттенюатора равен десяти;

· Аттенюатор 3 - устройство, для плавного, ступенчатого или фиксированного понижения или же повышения уровня шума. Уровень шума изменяется в пределах (110). Минимальный коэффициент усиления аттенюатора равен нулю, а максимальный коэффициент усиления аттенюатора равен десяти;

· Частотный модулятор - устройство, осуществляющее модуляцию входного сигнала по частоте;

· Сумматор - устройство, суммирующее входной промодулированный сигнал с одним из видов шумов;

· Генератор 1 шумовой - Гауссовский шум т.е. белый шум, спектральные составляющие которого равномерно распределены по всему диапазону задействованных частот.

· Генератор 2 шумовой - Релеевский шум. Релеевский шум формируется при прохождении Гауссовского шума через узкополосные цепи.

· Анализатор спектра - прибор для наблюдения и измерения относительного распределения энергии электрических (электромагнитных) колебаний в полосе частот.

· Осциллограф - прибор, предназначенный для исследования (наблюдения, записи; также измерения) амплитудных и временных параметров электрического сигнала, подаваемого на его вход, либо непосредственно на экране, либо записываемого на фотоленте.

2. Разработка виртуальной модели передающей части лабораторного стенда для изучения ЧМ

На основе разработанной структурной схемы лабораторного стенда (рисунок 1.7) можно смоделировать виртуальную модель с помощью программных средств, в частности Simulink.

Simulink - интерактивный инструмент для моделирования, имитации и анализа динамических систем. Он дает возможность строить графические блок-диаграммы, имитировать динамические системы, исследовать работоспособность систем и совершенствовать проекты. Simulink полностью интегрирован с MATLAB, обеспечивая немедленным доступом к широкому спектру инструментов анализа и проектирования. Simulink также интегрируется с Stateflow для моделирования поведения, вызванного событиями. Эти преимущества делают Simulink наиболее популярным инструментом для проектирования систем управления и коммуникации, цифровой обработки и других приложений моделирования.

2.1 Описание отдельных блоков виртуальной модели передающей части лабораторного стенда для изучения ЧМ

В программной среде MatLab в качестве низкочастотного генератора используется блок Sine Wave, который формирует синусоидальный сигнал с заданной амплитудой, частотой, фазой и смещением (рисунок 2.1). Окно настройки блока Sine Wave имеет следующий вид (рисунок 2.2). Основные параметры блока:

· аmplitude (амплитуда);

· bias (постоянная составляющая сигнала);

· samples per period (количество тактов на один период синусоидального сигнала) и т.д.



Рисунок 2.1. Пиктограмма блока Sine Wave

Рисунок 2.2. Окно настройки параметров блока Sine Wave

В программной среде MatLab в качестве аттенюаторов используется ползунковый регулятор Slider Gain.

Рисунок 2.3. Пиктограмма Slider Gain

Назначение: Обеспечивает изменение уровня частоты девиации, уровня сигнала и уровень шума с помощью ползункового регулятора.



Рисунок 2.4. Окно задания параметров блока Slider Gain

Параметры блока:

Low (нижний предел коэффициента усиления).

High (верхний предел коэффициента усиления).

Для изменения коэффициента усиления блока Slider Gain необходимо передвинуть ползунок регулятора. Перемещение ползунка вправо приведет к увеличению коэффициента усиления, перемещение влево - к уменьшению.

На рисунке 2.5 представлен узел виртуальной модели, содержащий генератор 1, генератор 2 в программной среде MatLab

Рисунок 2.5. Узел модели содержащий генератор 1, генератор 2

Рисунок 2.6. Спектрограмма входного сигнала с высокой информационной частотой при малом уровне девиации



Рисунок 2.7. Осциллограмма входного сигнала с высокой информационной частотой при малом уровне девиации

В качестве частотного модулятора используется блок FM Modulator Passband( частотный модулятор), обеспечивающие связь между передаваемым (модулирующим) сигналом и выходным сигналом, изменяющимся по частоте.

Рисунок 2.8. Пиктограмма блока Modulator Passband1

В окне настройки блока FM Modulator Passband можно изменять частоту несущей, начальную фазу, постоянную модуляций, такт дискретности.



Рисунок 2.9. Окно настройки параметров блока FM Modulator Passband

На рисунке 2.10 представлен узел виртуальной модели, содержащий генератор 1, генератор 2 и частотный модулятор.

Рисунок 2.10. Узел модели содержащий генератор 1, генератор 2 с добавлением частотного модулятора

Рисунок 2.11. Спектрограмма входного сигнала с низкой информационной частотой при среднем уровне девиации



Рисунок 2.12. Осциллограмма входного сигнала с низкой информационной частотой при среднем уровне девиации

В качестве генератора 1 шумовой используется блок Gaussian Noise Generator - Гауссовский шум т.е. белый шум. Белый шум - стационарный шум, спектральные составляющие которого равномерно распределены по всему диапазону задействованных частот. Примерами белого шума являются шум водопада или шум Шоттки на клеммах большого сопротивления. Название получил от белого света, содержащего электромагнитные волны частот всего видимого диапазона электромагнитного излучения. В природе и технике «чисто» белый шум (то есть белый шум, имеющий одинаковую спектральную мощность на всех частотах) не встречается (ввиду того, что такой сигнал имел бы бесконечную мощность), однако под категорию белых шумов попадают любые шумы, спектральная плотность которых одинакова (или слабо отличается) в рассматриваемом диапазоне частот.

Рисунок 2.13. Пиктограмма Gaussian Noise Generator

Rayleigh Noise Generator1 (Генератор 2 шумовой) - Релеевский шум формируется при прохождении Гауссовского шума через узкополосные цепи.

Рисунок 2.14. Пиктограмма Rayleigh Noise Generator1

Осцилограммы и сигналограммы выходного сигнала снимаются с помощью осциллографа и анализатора спектра. В программной среде MatLab в качестве осциллографа используется блок Scope, а в качестве анализатора спектра используется блок Averaging Power Spectral Density.

Scope - осциллограф (рисунок 2.15).

Назначение:

- построение графиков исследуемых сигналов в функции времени;

- построение графиков исследуемых сигналов в функции времени;

- позволяет наблюдать за изменениями сигналов в процессе моделирования.

Рисунок 2.15. Пиктограмма блока Scope

Настройка окна осциллографа выполняется с помощью панелей инструментов (рисунок 2.16)

Рисунок 2.16. Окно настройки параметров блока Scope

Панель инструментов содержит 11 кнопок:

1. Print - печать содержимого окна осциллографа;

2. Parameters - доступ к окну настройки параметров;

3. Zoom - увеличение масштаба по обеим осям;

4. Zoom X-axis - увеличение масштаба по горизонтальной оси;

5. Zoom Y-axis - увеличение масштаба по вертикальной оси;

6. Autoscale - автоматическая установка масштабов по обеим осям;

7. Save current axes settings - сохранение текущих настроек окна;

8. Restore saved axes settings - установка ранее сохраненных настроек окна;

9. Floating scope - перевод осциллографа в изменяющийся режим;

10. Lock/Unlock axes selection - закрепить/разорвать связь между текущей координатной системой окна и отображаемым сигналом. Опция доступна, если включен режим Floating scope;

11. Signal selection - выбор сигналов для отображения. Опция доступна, если включен режим Floating scope.

Averaging Power Spectral Density - служит для наглядного представления формы сигналов и их энергетического спектра (рисунок 2.17). Спектр (в данном случае прямоугольных импульсов) представляется амплитудно-частотной характеристикой мощности с усреднением и фазо-частотной характеристикой. Блок имеет следующие параметры:

- length of buffer - размер буфера;

- number of point for fft - число точек для быстрого преобразования Фурье;

- plot after how many points - построение графика после задания числа точек;

- sample time - эталонное время.



Рисунок 2.17. Пиктограмма блока Averaging Power Spectral Density

На рисунке 2.18 представлено полностью открытое окно анализатора спектра. Оно содержит три графика:

- график временной зависимости входного сигнала;

- график амплитудно-частотной характеристики мощности входного сигнала;

- график зависимости фазы от частоты.

Рисунок 2.18. Окно настройки параметров блока Averaging Power Spectral Density

На рисунке 2.19 приведены графики, создаваемые блоком Averaging Power Spectral Density.

Рисунок 2.19. Графики, создаваемые блоком Averaging Power Spectral Density

В программной среде MatLab была разработана виртуальная модель передающая части лабораторного стенда канала связи ЧМ на основе общей структурной схемы (рисунок 1.7) и на основе применения выше описанных блоков MatLab, которая имеет следующий вид (рисунок 2.20).

Рисунок 2.20. Виртуальная модель лабораторного стенда для изучения ЧМ (передающая часть) в программной среде MatLab

2.2 Исследование модулятора канала связи ЧМ при низкой и высокой информационной частоте без воздействия шумов.

В этом подпункте проводилось исследование модулятора канала связи ЧМ при низкой и высокой информационной частоте для малого уровня девиации с коэффициентом усилителя К_у3=0,2, для среднего уровня девиации с коэффициентом усилителя К_у3=1 и для большого уровня девиации с коэффициентом усилителя К_у3=2,5, которое задается уровнем модулированного сигнала, соответственно коэффициентом усиления К_у3 аттенюатора Slider Gain3. Спектрограммы модулятора с низкой и высокой информационной частотой при малом уровне девиации (К_у3=0,2) приведены на рисунке 2.22 (а,б), а осциллограммы модулятора с низкой и высокой информационной частотой при малом уровне девиации (К_у3=0,2) приведены на рисунке 2.23 (а, б).



Рисунок 2.22. Спектрограммы модулятора с низкой и высокой информационной частотой при малом уровне девиации (К_у3=0,2) с коэффициентом усиления аттенюатора Slider Gain3

а)	б)

Рисунок 2.23. Осциллограммы модулятора с низкой и высокой информационной частотой при малом уровне девиации (К_у3=0,2) с коэффициентом усиления аттенюатора Slider Gain3

Спектрограммы модулятора с низкой и высокой информационной частотой при среднем уровне девиации (К_у3=1) приведены на рисунке 2.24 (а,б), а осциллограммы модулятора с низкой и высокой информационной частотой при среднем уровне девиации (К_у3=1) приведены на рисунке 2.25 (а, б).

а)	б)

Рисунок 2.24. Спектрограммы модулятора с низкой и высокой информационной частотой при среднем уровне девиации (К_у3=1) с коэффициентом усиления аттенюатора Slider Gain3

а)	б)

Рисунок 2.25. Осциллограммы модулятора с низкой и высокой информационной частотой при среднем уровне девиации (К_у3=1) с коэффициентом усиления аттенюатора Slider Gain3

Спектрограммы модулятора с низкой и высокой информационной частотой при большом уровне девиации (К_у3=2,5) приведены на рисунке 2.26 (а,б), а осциллограммы модулятора с низкой и высокой информационной частотой при большом уровне девиации (К_у3=2,5) приведены на рисунке 2.27 (а,б).

а)	б)

Рисунок 2.26. Спектрограммы модулятора с низкой и высокой информационной частотой при большом уровне девиации (К_у3=2,5) с коэффициентом усиления аттенюатора Slider Gain3

а)	б)

Рисунок 2.27. Осциллограммы модулятора с низкой и высокой информационной частотой при большом уровне девиации (К_у3=2,5) с коэффициентом усиления аттенюатора Slider Gain3

2.3 Исследование влияния шумов Гауссовского и Релеевского распределения на процесс модуляции при низком информационном сигнале

В этом подпункте исследуется модулятор с низкой информационной частотой при малом уровне шума с коэффициентом шума К_у2=0,5, при среднем уровне шума с коэффициентом шума К_у2=1 и при большем уровне шума с коэффициентом усиления шума К_у2=1,5, которое задается коэффициентом усиления шума аттенюатора Slider Gain2. Уровень девиации, которое задается уровнем модулированного сигнала, соответственно коэффициентом усиления К_у3 аттенюатора Slider Gain3 будет постоянным и равен К_у3=2. Спектрограммы модулятора с низкой информационной частотой при малом уровне шума Гауссовского и Релеевского распределения с коэффициентом усиления шума К_у2=0,5 приведены на рисунке 2.28(а, б), а осциллограммы модулятора с низкой информационной частотой при малом уровне шума Гауссовского и Релеевского распределения с коэффициентом усиления шума К_у2=0,5 на рисунке 2.29 (а, б).

а)	б)

Рисунок 2.28. Спектрограммы модулятора при малом уровне шума (К_у2=0,5) Гауссовского и Релеевского распределения с коэффициентом усиления шума аттенюатора Slider Gain2

а)	б)

Рисунок 2.29. Осциллограммы модулятора при малом уровне шума (К_у2=0,5) Гауссовского и Релеевского распределения с коэффициентом усиления шума аттенюатора Slider Gain2

Спектрограммы модулятора с низкой информационной частотой при среднем уровне шума Гауссовского и Релеевского распределения с коэффициентом усиления шума К_у2=1 приведены на рисунке 2.30 (а, б), а осциллограммы модулятора с низкой информационной частотой при среднем уровне шума Гауссовского и Релеевского распределения с коэффициентом усиления шума К_у2=1 на рисунке 2.31 (а, б).

а)	б)

Рисунок 2.30. Спектрограммы модулятора при среднем уровне шума (К_у2=1) Гауссовского и Релеевского распределения с коэффициентом усиления шума аттенюатора Slider Gain2

а)	б)

Рисунок 2.31. Осциллограммы модулятора при среднем уровне шума (К_у2=1) Гауссовского и Релеевского распределения с коэффициентом усиления шума аттенюатора Slider Gain2

Спектрограммы модулятора с низкой информационной частотой при большом уровне шума Гауссовского и Релеевского распределения с коэффициентом усиления шума К_у2=1,5 приведены на рисунке 2.32 (а, б), а осциллограммы модулятора с низкой информационной частотой при большом уровне шума Гауссовского и Релеевского распределения с коэффициентом усиления шума К_у2=1,5 на рисунке 2.33 (а, б).

а)	б)

Рисунок 2.32. Спектрограммы модулятора при большом уровне шума (К_у2=1,5) Гауссовского и Релеевского распределения с коэффициентом усиления шума аттенюатора Slider Gain2

а)	б)

Рисунок 2.33. Осциллограммы модулятора при большом уровне шума (К_у2=1,5) Гауссовского и Релеевского распределения с коэффициентом усиления шума аттенюатора Slider Gain2

2.4 Исследование влияния шумов Гауссовского и Релеевского распределения на процесс модуляции при высоком информационном сигнале

В этом подпункте исследуется модулятор с высокой информационной частотой при малом уровне шума с коэффициентом шума К_у2=0,5, при среднем уровне шума с коэффициентом шума К_у2=1 и при большем уровне шума с коэффициентом усиления шума К_у2=1,5, которое задается коэффициентом усиления шума аттенюатора Slider Gain2. Уровень девиации, которое задается уровнем модулированного сигнала, соответственно коэффициентом усиления К_у3 аттенюатора Slider Gain3 будет постоянным и равен К_у3=2. Спектрограммы модулятора с высокой информационной частотой при малом уровне девиации (К_у3=0,5) приведены на рисунке 2.34 (а,б), а осциллограммы модулятора с высокой информационной частотой при малом уровне девиации (К_у3=0,5) приведены на рисунке 2.35 (а, б).

а)	б)

Рисунок 2.34. Спектрограммы модулятора при малом уровне шума (К_у2=0,5) Гауссовского и Релеевского распределения с коэффициентом усиления шума аттенюатора Slider Gain2

а)	б)

Рисунок 2.35. Осциллограммы модулятора при малом уровне шума (К_у2=0,5) Гауссовского и Релеевского распределения с коэффициентом усиления шума аттенюатора Slider Gain2

Спектрограммы модулятора с высокой информационной частотой при среднем уровне девиации (К_у3=1) приведены на рисунке 2.36 (а,б), а осциллограммы модулятора с высокой информационной частотой при среднем уровне девиации (К_у3=1) приведены на рисунке 2.37 (а, б).

виртуальный частотная модуляция сигнал

а)	б)

Рисунок 2.36. Спектрограммы модулятора при среднем уровне шума (К_у2=1) Гауссовского и Релеевского распределения с коэффициентом усиления шума аттенюатора Slider Gain2

а)	б)

Рисунок 2.37. Осциллограммы модулятора при среднем уровне шума (К_у2=1) Гауссовского и Релеевского распределения с коэффициентом усиления шума аттенюатора Slider Gain2

Спектрограммы модулятора с высокой информационной частотой при большом уровне девиации (К_у3=1,5) приведены на рисунке 2.38 (а,б), а осциллограммы модулятора с высокой информационной частотой при большом уровне девиации (К_у3=1,5) приведены на рисунке 2.39 (а, б).

а)	б)

Рисунок 2.38. Спектрограммы модулятора при большом уровне шума (К_у2=1,5) Гауссовского и Релеевского распределения с коэффициентом усиления шума аттенюатора Slider Gain2

а)	б)

Рисунок 2.39. Осциллограммы модулятора при большом уровне шума (К_у2=1,5) Гауссовского и Релеевского распределения с коэффициентом усиления шума аттенюатора Slider Gain2

3. Анализ надежности программного продукта

Надежностью называется свойство изделий выполнять заданные функции с сохранением эксплуатационных показателей в определенных пределах в течение требуемого промежутка времени.

Надежность радиоэлектронного устройства обеспечивается его безотказностью, ремонтопригодностью, сохраняемостью и долговечностью работы составных частей.

Все выше перечисленные характеристики являются определяющими показателями и для программного продукта. Но, в связи с особенностью продукта, будут иметь свою специфику.

3.1 Специфика понятия отказа программы

Многочисленные попытки определить понятие ошибки в программе, как математическое, привели к противоположному результату: стало понятно, что одна и та же программа может устроить одного и не устроить другого потребителя. То есть программа оказалась не логическим, а физическим объектом, и вместо понятий правильно/неправильно к ней надо применять категории приемлемо/неприемлемо, имея в виду конкретного потребителя.

Критерий приемлемости может зависеть от совершенно нематематических факторов: например, из-за неудачного монитора потребитель отдаст преимущество программе, требующей меньшего внимания на экране (при прочих равных показателях); медленный дисковод может сделать перевес в сторону избыточной загрузки оперативной памяти и т. д. Однако такие предпочтения носят неустойчивый характер и меняются при обновлении оборудования. Более устойчивы требования, связанные с организационно-технологическими условиями эксплуатации программы, такими, как способы получения исходных данных, организация их ввода в машину, контроль их правильности, способы использования выхода программы. Обычно эти требования заранее известны неточно и в процессе эксплуатации уточняются. Бывают случаи отказа от закупленного программного обеспечения после первых попыток приспособиться к его особенностям. Даже в программировании технических и физических задач критерий приемлемости субъективен.

Столь же субъективно понятие отказа программы. По сути, оно означает, что использование программы дало не те результаты, которые ожидались потребителем. Иногда можно предъявить разработчику определенные претензии. Если в наличии описание того, как программа должна работать, и оно явно нарушено, то можно говорить об объективно зафиксированной ошибке. В других случаях явной ошибки нет, но действуют непредусмотренные факторы. Если понятие ошибки в программе вполне аналогично понятию ошибки в конструкции физического устройства, то понятие программного сбоя или отказа имеет существенное отличие от технических аналогов. Отказ аппаратуры означает переход ее в новое, нерабочее состояние, которого нет у исправного прибора, а сбой аппаратуры - нежелательное изменение состояния прибора, порождающее нестабильность функционирования. Отказ программы ничего в ней не меняет и означает только ее неожиданное поведение, с самого начала в нее заложенное, но не предусмотренное при данном режиме эксплуатации. При сбое программа может выдавать разные результаты при повторных запусках из одних и тех же исходных данных. Это может быть связано с особенностями аппаратуры или операционной системы, с которой программа взаимодействует, но не с изменением самой программы. Поэтому для программы отсутствует понятие ремонта в обычном смысле этого слова. Отказ по существу означает первое столкновение с ошибкой, а сбой - нестабильно проявляющуюся ошибку.

Таким образом, понятия наработки на отказ или вероятности отказа за определенное время, на которых построена вся теория надежности в технике, для программного продукта теряют смысл. Ошибка в программе либо есть, либо нет, и при том для разных пользователей - по-разному. С другой стороны, у каждого пользователя складывается свое представление о надежности данного программного продукта, основанное на статистике ошибок в реализуемом режиме эксплуатации. Сложный программный продукт обычно невозможно модифицировать силами пользователя, а в случае внесения модификаций трудно предсказать, как поведет себя программа в уже опробованных ранее ситуациях. По сути, каждое исправление программы уничтожает весь накопленный опыт ее эксплуатации. Поэтому на практике используется внесение корректировок в руководство пользователя, которые либо запрещают использование программы в каких-то случаях, либо указывают дополнительные операции при обращении к программе, позволяющие обойти ошибку. Последний вариант является основным, поскольку наличие запретов на использование программы в практически нужных случаях обычно влечет отказ от программы в целом. Число и характер таких исправлений в руководстве пользователя субъективно говорит о ее надежности.

Программу надо рассматривать совместно с руководством по эксплуатации (инструкцией) и режимом эксплуатации, характеризующим частоту появления различных исходных данных, способы их получения, а также способы использования результатов счета. В конечном счете, именно режим эксплуатации дает возможность определить приемлемость результата. Надо учесть также среду реализации программы, включающую трансляторы, операционную систему, такие характеристики компьютера как быстродействие, разрядность, скорость передачи данных и т. п. Изменение среды может изменить и оценку (ценность) полученного результата, например, при повышении точности расчетов или сокращении времени решения задачи. Такой набор характеристик эксплуатации программы называется «кортежем программы», и понятие надежности относится именно к нему, а не к самой программе.

Математический анализ надежности будет построен на оценке избыточных затрат, возникающих при работе по откорректированной инструкции. Это позволит дать количественную оценку надежности кортежа программы, выработать методику принятия решения о замене программы на новую с учетом риска обнаружения новых ошибок.

3.2 Измерение надежности программы

Имеется несколько подходов к количественному измерению надежности. Во-первых, можно рассчитать величину экономического риска, вызванного возможностью ошибок в программе. По сути, этот риск определяется разделами инструкции, устанавливающими использование результатов программы при данном режиме эксплуатации, и вероятностями ошибок, влияющими на каждый тип использования. Такой риск может быть основан только на прогнозе возможных ошибок, что значительно снижает ценность подобного подхода. Во-вторых, оцениваются реальные потери за период эксплуатации, вызванные ошибками. Если определить тенденцию изменения реальных средних потерь за конкретный период (например, за месяц или год), можно прогнозировать экономический риск на будущее.

Существует также понятие статической надежности программы, измеряемой как дополнительная вероятность обнаружения новой ошибки, не учтенной в предыдущих коррекциях, при очередном обращении к программе. Простейшая оценка статистической надежности определяется формулой 3.1:

(3.1)

или

 (3.2)

где n - количество выполненных обращений к программе;

f(n) - число обнаруженных ошибок;

e(d,n) - доверительный интервал оценки вероятности ошибки при заданном уровне значимости.

Простейшая оценка статистической надежности по формуле 3.2 равна (формула 3.3):

(3.3)

В качестве оценки дисперсии d с гарантией можно пользоваться максимально возможной дисперсией (равной 1/4) двоичной случайной величины (в соответствии с двумя возможными исходами обращения к кортежу: удача = 0, ошибка = 1).

Недостаток такого подхода то, что не учитываются корректировки кортежа после обнаружения каждой новой ошибки. Ситуация исправляется, если учитывать только новые ошибки, не компенсируемые ранее сделанными корректировками инструкции.

Более сложной, но иногда оправданной оценкой статистической надежности может служить байесовская оценка вероятности верного срабатывания кортежа при задании некоторой экспертной оценки априорной вероятности ошибки и использовании статистической выборки отказов при обращениях к программе. Этот метод результативен, если есть основания для прогноза частоты ошибок в исходном кортеже. Теоретически использование обеих оценок не вполне корректно, так как процесс, включающий коррекцию кортежа по каждой ошибке, не стационарен, а это предполагается в обосновании методов оценки вероятности.

Можно также выделить не вполне конструктивный, но логически безупречный подход к определению комбинаторной надежности программы, определяемой как отношение числа вариантов исходных данных, на которых программа срабатывает верно, к общему числу вариантов исходных данных. В условиях динамической корректировки кортежа эта надежность постоянно растет. Однако оценить ее можно только статистически, используя формулы, приведенные выше, для обработанной статистической выборки результатов обращений к программе, из которой выброшены повторные варианты исходных данных. В общем случае возникает та же трудность с потерей стационарности процесса при корректировках. За исключением статистической оценки комбинаторной надежности, полученной на основе многократного тестирования программы, работающей безошибочно на всей серии тестовых обращений. Это соответствует стадии тестирования программы в процессе отладки, когда каждая обнаруженная ошибка исправляется на уровне программы или инструкции, а потом тестирование начинается заново по полной программе. В этом случае на каждом прогоне тестов корректировок не возникает, и процесс возникновения ошибки остается стационарным. Оценка хи-квадрат тогда дает . Более точная оценка может быть основана на знании внутренней структуры программы.

Нестабильность работы программы измеряется числом зарегистрированных ошибок за определенный период эксплуатации, т. е. числом внесенных в инструкцию корректировок за этот срок. В период устойчивой работы оборудования количество внесенных корректировок f можно оценить численным интегралом по времени от нестабильности D(i), измеренной на последовательных интервалах времени длительности h(i) (формула 3.4):

(3.4)

Поскольку технического износа у программы, инструкции и режима эксплуатации нет, то до наступления износа компьютера нестабильность монотонно падает за счет корректировок. По мере износа компьютера (старение технической части среды) возникают специальные корректировки для обхода машинных сбоев и поломок: нестабильность начинает расти. При нормальном режиме эксплуатации предусматривается своевременная замена оборудования, и рост нестабильности ограничен введением предосторожностей на период освоения новых приборных средств.

3.3 Понятие кортежа программы

Необходимо уточнить, что подразумевается под программой. Во-первых, программа, так же, как и аппаратура, не существует изолированно, всегда имеется некоторая "окружающая среда", которая влияет на ее функционирование. Роль окружающей среды для программ исполняют другие программы - например, драйверы, сетевые программы, программы пользовательского интерфейса, различные прикладные библиотеки и т.д. При изменении окружающей среды (например, замене драйвера) надежность программы может ухудшиться, и вопрос о том, где источник ошибки, в программе или в среде, может оказаться сложным. Во-вторых, надежность зависит от режима эксплуатации. Любая достаточно сложная программа допускает очень большое число комбинаций входных данных, из которого на практике используется ограниченное подмножество, причем для разных пользователей (или групп пользователей) эти подмножества различны. При одних входных данных программа отказывает чаще, чем при других, и этот факт можно сформулировать как изменение режима эксплуатации. Режим эксплуатации характеризуется частотой обращения к программе (вызов и/или ввод данных), временем работы программы, квалификацией пользователей, статистическим распределением вероятности (частот) разных областей исходных данных, организационной схемой и реализацией процедур получения исходных данных, использования выхода программы, проверки исходных и выходных данных программы, анализа результатов работы.

Обязательный атрибут современной программы - документация. В руководствах описывается, в частности, в какой программной среде должна функционировать программа, и какие комбинации входных данных недопустимы.

Таким образом, говоря о надежности, следует иметь в виду следующий кортеж: «исходный текст программы, руководства, окружение, режим эксплуатации». Надежность характеризует не саму программу, а этот кортеж.

3.4 Исправления кортежа

Среда реализации, режим эксплуатации, инструкция могут меняться без изменения программы:

1. Изменения программы считаются переходом к новому кортежу, поскольку аннулируют весь прошлый опыт эксплуатации - возникает кортеж новой программы;

2. Изменение среды сопровождается и коррекцией в инструкции в той части, где существенны специальные свойства среды реализации;

3. Изменение режима эксплуатации должно фиксироваться в протоколе эксплуатации. Есть два подхода к накопленной статистике: отдельно по каждому режиму или общая выборка;

4. Основной тип правки кортежа: внесение изменений и добавлений в инструкцию для устранения ошибок и сбоев, обходов трудностей, изменений в составе задач;

5. Пока не внесена правка в исходный текст программы (не считая оболочки, обеспечивающей связь со средой), статистика сбоев считается непрерывной для кортежа. Протокол эксплуатации считается непрерывным с регистрацией всех поправок кортежа;

6. Любое изменение в программе требует начать новый протокол для нового полученного кортежа;

7. Протокол не входит в кортеж, а входит в "статистику эксплуатации". У разных пользователей возможны различные протоколы для одинаковых кортежей. Рекомендуется ориентироваться только на свой протокол, поскольку возможны незарегистрированные документально отличия в аппаратных средствах (например, степень износа различных устройств), в операционной системе и в режиме эксплуатации.

3.5 Обработка сбоев и ошибок

Сбои и ошибки в программе обрабатываются таким образом:

1. При обнаружении действия программы, не соответствующего ее назначению, регистрируется ошибка (в протоколе);

2. Предпочтительной является поправка кортежа путем изменения инструкции. Возможны варианты: изменения в инструкции оператора, изменения в инструкции подготовки данных (для пользователя), наложение ограничений на допустимые исходные данные, т.е. запрещение на использование программы в определенных ситуациях;

3. Если необходимая правка инструкции нежелательна, то можно попробовать менять операционную систему, трансляторы или устройства с соответствующим изменением инструкции;

4. Если реализация (2) не допустима (слишком жесткие требования в инструкции), а реализация (3) слишком дорога, то надо менять кортеж, т.е. заменять или корректировать саму программу;

5. Режим эксплуатации считается не подлежащим изменению - это технологическое требование инфраструктуры, в которой функционирует программа.

3.6 Математическая модель и расчет характеристик надежности

Модель эксплуатации программы выглядит следующим образом. Обращение к программе - это либо запуск программы с исходными данными, либо ввод данных в работающую программу. Ввод данных осуществляется либо пользователем в диалоге, либо от внешних устройств автоматически. Предполагается, что известна средняя частота обращения к программе v, т.е. за время эксплуатации Т (достаточно большое) произошло К=Tv обращений. Если при обращении к программе обнаружена ошибка, то она регистрируется в протоколе (журнал эксплуатации), и в работу вступает аналитик. Его задача - выяснить причину ошибки и, если она заложена в программу, найти такое изменение инструкции ввода, при котором программа даст верный результат, т.е. нужно указать пользователю действия, позволяющие обойти ошибку. Если такое изменение инструкции невозможно, то в инструкцию вводится признак данных, для которых обращение к данной программе запрещено и требуется другое средство обработки. В тех случаях, когда изменения слишком значительны, эксплуатация программы может стать невозможной. Но в данном разделе рассматривается случай, когда программа содержит ошибки, которые можно исправить коррекцией инструкции. Тогда за время эксплуатации Т накапливается f = f(T) изменений в инструкциях.

Итак, при проведении анализа надежности программного продукта количественные характеристики, оценивающие различные образцы радиоэлектронной аппаратуры, не однозначны. Поэтому для измерения надежности программы существует своя методика, связанная, прежде всего, с ее условиями эксплуатации.

4. Определение цены программного продукта

В данной дипломной работе разработана виртуальная модель лабораторного стенда. Она предназначена для изучения ЧМ в передающей части, то есть для изучения частотного модулятора. На основе данной модели возможно проведение лабораторных работ.

Данная лабораторная модель требует наличие на компьютере установленной программы MatLab версии 6.5 и выше, содержащей пакет Simulink 5.0.

Для установки данной программы компьютер должен отвечать следующим требованиям:

- СD-ROM;

- 128 MB ОЗУ минимум, рекомендовано 256 MB;

- 128 MB свободного места на диске;