Параметризованная модель квадратурного модулятора MSK-сигнала в OrCAD

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Параметризованная модель квадратурного модулятора MSK-сигнала в OrCAD

В современных системах связи и перспективных радионавигационных системах широкое распространение получили сигналы с минимальной частотной манипуляцией (МЧМ, minimum-shift keying - MSK) [1-3].

С привлечением разнообразных средств компьютерного моделирования разрабатываются алгоритмы и модели приёма и обработки таких сигналов. При этом проектирование и моделирование проводится на системном или функциональном уровне с последующей реализацией на ПЛИС [4-7]. В тоже время существует необходимость моделирования ряда процессов происходящих в таких системах на схемотехническом уровне, например анализ влияния радиочастотных трактов на качество работы системы [8-10]. Обозначенные вопросы удобнее и сравнительно проще решать с помощью пакетов позволяющих решать задачи схемотехнического уровня проектирования, например, таких как OrCAD, для чего, прежде всего, необходимо сформировать требуемые сигналы.

Первый способ решения - синтез и запись в файл кусочно-линейного сигнала в стороннем программном пакете, например MatLAB-Simulink, а в OrCAD, считывание сигнала из файла с помощью специальных функциональных блоков.

Второй способ - синтез сигнала непосредственно в OrCAD, что предпочтительнее с позиций реализации как можно большего числа этапов проектирования на одной программной платформе, что и представляется актуальным, в виду возможности отказа от привлечения иных пакетов программ. В системе OrCAD предусмотрено много инструментов для моделирования как аналоговых, так и цифровых устройств [11].

Математическое описание MSK-сигналов подробно разработано и изложено, например в [1, 2, 12-14], здесь остановимся на особенностях алгоритма формирования на основе квадратурного способа.

В квадратурном представлении MSK-сигнал можно представить как [14]:

 (1)

модулятор электронный цифровой аналоговый

где - несущая частота (центральная частота спектра сигнала); и - действительная и мнимая компоненты комплексной огибающей (синфазная и квадратурная компоненты), которые определяются как

(2)

здесь , где - элементарный импульс, определяющий форму огибающих и , T - длительность элемента входной символьной последовательности; и - элементы кодовых последовательностей. Элементы кодов и однозначно связаны с элементами входной символьной последовательности, определяющей закон частотной манипуляции:

если i - четное,

если i - нечетное,

если i - четное,

если i - нечетное.

Выражения (3, 4), по сути, представляют собой алгоритм относительного кодирования с разделением потока на четные и нечетные символы.

Функциональная схема квадратурного модулятора MSK-сигнала

Функциональная схема квадратурного модулятора MSK-сигнала построенная на основе (1 - 4) показана на рис. 1.

На вход схемы поступает последовательность униполярных импульсов с длительностью символа . Кодер (блок 1) осуществляет относительное кодирование где - двоичная последовательность на входе кодера, - выходная последовательность кодера. Текущий символ исходной последовательности сравнивается с предыдущим символом кодированной последовательности , для двоичных данных - операция сложение по модулю 2 («исключающее ИЛИ»).

Относительное кодирование необходимо для того, чтобы после сложения модулированных несущих квадратурных каналов, закон модуляции результирующего радиосигнала соответствовал информационному сообщению.

Сигнал в относительном коде с помощью демультиплексора (блок 2) разделяется на квадратурные потоки данных и , в соответствии с (3, 4).

Рис. 1. Функциональная схема квадратурного модулятора MSK-сигнала

Элементы поступают в синфазный канал, - в квадратурный, после чего потоки проходят расширители (блоки 3 и 4), где длительность каждого бита увеличивается в два раза (до ). Скорость потоков в квадратурных каналах после расширителей в два раза меньше скорости исходной последовательоности. Сигнал в квадратурном канале с помощью элемента задержки (блок 5) сдвигается на время .

Преобразователи уровней (блоки 6 и 7) формируют из униполярного сигнала биполярный, что необходимо для правильной работы модуляторов.

Модуляторы (блоки 9, 10, 13, 14) представляют собой умножители. В каждом из квадратурных каналов осуществляется двухступенчатая модуляция.

В блоках 9 и 10, в результате умножения потоков и на соответствующие опорные гармонические сигналы и - происходит сглаживание прямоугольной последовательности информационных символов. Сигналы становятся фазоманипулированным, таким образом, формируются две квадратурные составляющие комплексной огибающей MSK-сигнала - синфазная и квадратурная и .

В блоках 13 и 14 происходит умножение квадратурных составляющих и на квадратурные несущие и . Результирующие сигналы имеют амплитудно-фазовую модуляцию.

После сложения квадратурных компонентов в сумматоре (блок 16) амплитудная модуляция исчезает, и результирующий сигнал становится частотно-модулированным, на выходе блока 16 имеем MSK-сигнал .

Блоки 1 - 11 выполняют функцию формирования комплексной огибающей MSK-сигнала состоящей из синфазной и квадратурной компонентов, а блоки 12 - 16 представляют собой типичный квадратурный модулятор инвариантный к типу входного сигнала.

Реализация модели квадратурного модулятора MSK-сигнала в OrCAD

Входной сигнал

Для задания входной последовательности, использовался источник «DigStim1» библиотеки «SOURCESTM», предназначенный для считывания цифрового униполярного сигнала из текстового файла. Для наглядности, в качестве демонстрационного примера использовалась семипозиционная последовательность Баркера (1110010), длительность одного бита - T. На рис. 2, б показана временная диаграмма входного сигнала (сигнал in).

На практике, как правило, в радиотехнических системах связи и перспективных радионавигационных системах применяют псевдослучайные последовательности (ПСП) [1-4]. Получить ПСП можно непосредственно в OrCAD, построив соответствующую модель генератора ПСП [15].

Относительный кодер

Операция относительного кодирования реализована схемой (рис. 2, а), построенной на основе синхронного T-триггера (элемент «TFF» библиотеки «DIG_PRIM»), на рис. 2, б приведены диаграммы поясняющие работу схемы относительного кодирования. Частота следования тактирующих импульсов скважность . Смена состояния T-триггера происходит по заднему фронту каждого тактирующего импульса, при наличии перепада

«1-0» на тактовом входе (CLK), T-триггер меняет свое состояние на обратное (инверсное) предыдущему, реализуя, таким образом, функцию «исключающее ИЛИ». В качестве источника тактовой последовательности использовался элемент «DigClock» библиотеки «SOURCE».

а

б

Рис. 2. Относительное кодирование:

а - схема «относительного кодера» в OrCAD; б - временные диаграммы поясняющие работу «относительного кодера»

Для работы схемы необходимо задаться значением первого «опорного» бита. В приведенном примере значение «опорного» бита, определяется начальным состоянием триггера и равно «0».

Очевидно, что для выбранных параметров тактирующих импульсов, первый бит, перекодированной в соответствии с (3, 4), последовательности начинается с момента времени , т.е. вся итоговая последовательность задержана на время .

Демультиплексор, расширители, задержка

Демультиплексор разделяет поток данных на четные и нечетные биты в соответствии с (3, 4). На рис 3. показана схема, реализующая демультиплексирование, расширение и задержку, состоящая из двух синхронных D-триггеров и инвертора (элементы «DFF» и «INV» библиотеки «DIG_PRIM»). На рис. 4 приведены диаграммы, поясняющие работу схемы.

Рис. 3. Схема демультиплексора-расширителя в OrCAD

Смена состояния D-триггера происходит по переднему фронту тактирующего импульса, и до поступления следующего, D-триггер сохраняет свое состояние («защелкивается»). Частота следования тактирующих импульсов скважность . При такой тактирующей последовательности, в «защелкнутом» состоянии, D-триггер будет находиться время равное , увеличивая, таким образом, длительность импульсов соответствующих квадратурных потоков. Начальное состояние триггеров равно «0».

а

б

Рис. 4. - Временные диаграммы, поясняющие работу демультиплексора-расширителя:

а - формирование синфазной последовательности;

б - формирование квадратурной последовательности

Отметим, что на выходе схемы, квадратурные составляющие уже имеют необходимый относительный сдвиг, синфазная составляющая опережает квадратурную на время , т.е. исключается необходимость в отдельном узле задержки (см. рис. 1, блок 5).

В соответствии с тактирующей последовательностью, триггер U1 срабатывает, только на четные импульсы входных данных , формируя синфазную составляющую. На триггер U2 тактирующие импульсы подаются с инверсией, и триггер срабатывает только в моменты времени соответствующие нечетным битам .

В результате работы триггерных схем импульсные последовательности приобретают суммарный сдвиг равный

Преобразователи уровней

В качестве преобразователей уровня использовались элементы «BUF_ABM» (рис. 5, а) библиотеки «DIG_ABM», которые представляют собой буферные элементы с возможностью установки напряжений входного уровня срабатывания и выходных уровней соответствующих «0» и «1».

Рис. 5. Преобразователи уровня (а) и схема формирования комплексной огибающей MSK-сигнала и квадратурного модулятора (б) в OrCAD

Модуляторы

Схема (рис. 5, б) формирует на основе потоков и квадратурные составляющие комплексной огибающей MSK-сигнала и , а затем осуществляет квадратурную модуляцию.

Использованы умножители и сумматор (элементы «MULT» и «SUM» библиотеки «ABM»). В качестве источников опорных синусоидальных колебаний применены элементы «V_SINUSOIDAL» библиотеки «PSPICE_ELEM», позволяющие настраивать задержку включения (параметр «DELAY»), амплитуда напряжения источников задается как размах сигнала - «PP_AMPLITUDE».

Источники V1 и V3 генерируют опорные колебания для формирования комплексной огибающей квадратурного сигнала, V1 - синфазная компонента, V3 - квадратурная. Сигнал источника V1 задержан на время . Сигнал источника V3 инвертирован, таким образом обеспечивается учет знака в выражении (1).

На рис. 6 показаны синфазный и квадратурный потоки до и после сглаживания импульсных последовательностей гармоническими сигналами вида

Рис. 6. - Временные диаграммы, поясняющие формирование комплексной огибающей MSK-сигнала: V (I_EVEN), V(I) - синфазный канал, V (Q_ODD), V(Q) - квадратурный канал

Источники V2 и V4 генерируют квадратурные несущие для формирования квадратурного комплексного сигнала, V2 - синфазная компонента, V4 - квадратурная компонента. В соответствии с (1), сигнал источника V2 имеет фазовый сдвиг на 90є (косинусоида). В сигналы источников внесена задержка для того, чтобы обозначить начало итогового MSK-сигнала. Задержка обусловлена сдвигом импульсных последовательностей в квадратурных каналах, возникающим в результате работы триггеров.

Выбор задержек и фазовых сдвигов сигналов источников V1 - V4, также определяется требованием ортогональности квадратурных компонентов и типом итогового MSK-сигнала - синусный или косинусный (в приведенном примере MSK-сигнал - синусный).

На рис. 7 представлены результаты симуляции описанной модели модулятора MSK-сигнала в OrCAD, приведены диаграммы модулированных компонент квадратурного сигнала, их огибающие, а также, результирующий MSK-сигнал и входная символьная последовательность.

Параметризация модели и тактирование

Для тактирования относительного кодера и демультиплексора использованы источники «V_SQUARE» библиотеки «PSPICE_ELEM», в отличие от источников «DigClock», элементы «V_SQUARE» можно параметризовать используя блок «PARAM» библиотеки «SPECIAL». Полная схема квадратурного модулятора MSK-сигнала показана на рис. 9. Схема выполнена в OrCAD, с использованием иерархических блоков обозначенных как mod2, demult и buf_NRZ, содержимое которых описано выше (относительный кодер, демультиплексор и преобразователь уровней).

Для настройки модели необходимо, в блоке блок «PARAM» задать длительность элемента входной последовательности T и центральную частоту f₀, все остальные параметры модели либо не требуют настройки, либо вычисляются автоматически.

Тактирующий источник относительного кодера (V5): задержка - 0, период - T, длительность импульса - T/2. Тактирующий источник демультиплексора (V6): задержка - T, период - 2T, длительность импульса - T.

Длительности фронтов тактирующих источников - много меньше длительности элемента входной последовательности.

Разработана и выполнена в системе OrCAD функциональная схемотехническая модель квадратурного модулятора сигналов с минимальной частотной манипуляцией.

Модель обеспечивает формирование MSK-сигналов для исследования их прохождения по различным радиочастотным трактам, используя все возможности аналогово-цифрового моделирования системы OrCAD.

Представленные результаты симуляции свидетельствуют о правильном функционировании разработанной модели.

Основное преимущество реализации параметризованной модели модулятора MSK-сигналов именно в OrCAD, состоит в том, что разработчик имеет возможность изменять параметры сигнала непосредственно в пакете, без обращения к сторонним программным средствам, сокращая тем самым трудоемкость и сроки разработки.

Разработанная модель проста в настройке. Модель также может использоваться при изучении дисциплин затрагивающих вопросы цифровой передачи данных.

Литература

модулятор электронный цифровой аналоговый

1. Sklar B., Ray R.K. Digital Communications: Fundamentals and Applications. Pearson Education, 2009. 1164 p.

2. Кокорин В.И. Радионавигационные системы и устройства. Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2006. 175 с.

3. Гантмахер В.Е., Быстров Н.Е., Чеботарев Д.В. Шумоподобные сигналы. СПб.: Наука и техника, 2005. 400 с.

4. Kuzmin E.V. Development and experimental investigation of digital MSK-signal receiver // IX International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON - 2011). Proceedings. - Krasnoyarsk: Siberian Federal University. 2011. pp. 67-70.

5. Сизоненко А.Б. Высокопроизводительная схемотехническая реализация криптографического многоскоростного генератора скалярного произведения // Инженерный вестник Дона, 2012, №3. URL: ivdon.ru/magazine/archive/n3y2012/948.

6. Кузьмин Е.В. Реализация и исследование потенциальной точности комбинированной системы синхронизации следящего корреляционного приёмника MSK-сигнала / Е.В. Кузьмин // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: труды Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. в 2 т. Т.1. - Томск. - 2011. - 340 с. С. 38 - 41.

7. Антонов-Антипов Ю.Н., Баранов Л.Д., Златников В.М. Унифицированное цифровое квадратурное преобразование сигналов ФМ-2 с реализацией на ПЛИС // Вопросы радиоэлектроники. 2004. №1. С. 90-101.

8. Борисов В.И., Зинчук В.М., Лимарев А.Е., Шестопалов В.И. Помехозащищённость систем радиосвязи с расширением спектра прямой модуляцией псевдослучайной последовательностью / Под ред. В.И. Борисова. М.: РадиоСофт, 2011. 550 с.

9. Кузьмин Е.В., Зограф Ф.Г. Модель управляемого цифрового синтезатора частот в OrCAD // Современные проблемы науки и образования, 2014, №2, URL: science-education.ru/116-12876.

10. Шумоподобные сигналы в системах передачи информации / под ред. В.Б. Пестрякова. М.: «Сов. радио», 1973. 424 с.

11. Tobin Р. PSpice for Digital Communications Engineering. Morgan & Claypool, 2007. 214 p.

12. Pasupathy S. Minimum Shift Keying: A Spectrally Efficient Modulation // IEEE Commun. Mag., July, 1979. pp. 14-22.

13. Гаранин М.В., Журавлев В.И., Кунегин С.В. Системы и сети передачи информации. М.: Радио и связь, 2001. - 336 с.

14. Кузьмин Е.В. Методы равновесовой обработки шумоподобных сигналов с минимальной частотной манипуляцией // Журнал радиоэлектроники: электронный журнал, 2007, №9 URL: jre.cplire.ru/jre/sep07/2/text.html.

15. Кузьмин Е.В., Зограф Ф.Г. Параметризованная модель генератора псевдослучайных последовательностей в OrCAD // Инженерный вестник Дона, 2013, №2 URL: ivdon.ru/magazine/archive/n3y2013/1766.

Размещено на Allbest.ru