Практическое задание: Моделирование систем передачи данных с импульсно-кодовой модуляцией

Моделирование систем передачи данных с импульсно-кодовой модуляцией

Лабораторная работа №1. Изучение методов моделирования простейших систем в программе SystemView

Цель работы: первоначальное знакомство с программой SystemView bу Elanix (сейчас она называется SystemVue) в ее стандартной конфигурации.

Дополнительные опции и библиотеки, расширяющие ее функциональные возможности, следует изучать самостоятельно, руководствуясь описанием [1], встроенной помощью, многочисленными примерами и рекомендациями по применению, имеющимися на сайте компании Elanix (www.elanix.com <#"802322.files/image001.gif">

Рисунок 1.1 - Окно функциональных схем System

2. Задание к выполнению лабораторной работы

Задание 2.1. Создайте простейшую систему, в которой генерируется гармонический (синусоидальный) сигнал и вычисляется его квадрат (см. рисунок 1.2).

Рисунок 1.2 - Схема к заданию в окне ввода функциональных схем System

. Порядок выполнения лабораторной работы

Для проведения моделирования необходимо задать параметры моделирования: частоту моделирования (Sample Rate) и длительность реализации, которая обычно задается числом отсчетов (No. Of Samples). Для этого имеется специальное окно, которое раскрывается после нажатия кнопки «System Time» . Щелчком по кнопке «System Time» откроем диалоговое окно «System Time Specification». В простейшем случае можно принять параметры моделирования, заданные по умолчанию. Для этого надо в открывшемся диалоговом окне нажать «ОК».

Создадим схему, приведенную на рисунке 1.1. На этой схеме четыре элемента, причем два из них одинаковые.

Поместим на рабочее поле источник гармонического сигнала. Для этого дважды щелкнем левой кнопкой мыши на пиктограмме «Generic Source» библиотеки «Main». Переместим элемент на рабочее поле.

Зададим параметры источника сигнала: двойным щелчком по символу элемента откроем библиотеку «Source». Выберем группу «Periodic», затем - источник синусоидального напряжения «Sinusoid». Параметры источника задаются в окне после нажатия кнопки «Parameters…». В поле «Frequency» вводим значение частоты, например 4, остальные параметры не изменяем и нажимаем «ОК». Итак, на рабочем поле появился первый элемент - источник гармонического сигнала с единичной амплитудой и частотой 4 Гц (на рисунке 1.2 элемент с номером ―0).

Элемент квадратор выберем из библиотеки «Generic Function». Поместим элемент «Function» на рабочее поле (блок 2, см. рисунок 1.2). Двойным щелчком по символу элемента откроем библиотеку «Function». Выберем группу «Algebraic», затем - элемент возведения в степень х^а. В окне «Parameters…» в поле «Exponent» вводим значение показателя степени 2 и нажимаем «ОК». На рабочем поле появился второй элемент - устройство возведения в квадрат мгновенных значений входного колебания.

Разместим на схеме анализатор данных «Sink». В каталоге библиотеки выберем группу «Graphic» и в ней элемент «System View» (виртуальный осциллограф). Рядом с этим анализатором автоматически располагается поле графика, на котором будет нарисована эпюра напряжения в процессе моделирования. Расположим поле графика так, чтобы оно не закрывало элементы схемы.

Для размещения второго анализатора данных «Sink» удобно про-дублировать уже имеющийся на схеме анализатор. Для этого воспользуемся контекстным меню (меню правой кнопки мыши) анализатора данных «Sink», где выберем команду «Duplicate Token».

Очевидно, что второй анализатор данных можно было бы разместить, как и первый, с использованием библиотеки «Sink».

Расположим все четыре элемента в соответствии со схемой (см. рисунок 1.2).

Установим связи между элементами. Для этого имеются две возможности. Первая - с использованием элементов панели инструментов. Альтернативой является соединение элементов при нажатой клавише Ctrl клавиатуры.

Обратите внимание, что соединение и разъединение элементов всегда производится по направлению распространения сигнала.

Задание 2.2. Выполним команду Run System (нажмем F5 или щелкнем по кнопке с зеленым треугольником на панели инструментов окна ввода схемы).

В графических окнах (на рисунке 1.2 эти окна имеют надписи «System View Sink» 1 и «System View Sink» 3) появятся графики процессов на выходе генератора и выходе квадратора. Для детального рассмотрения графиков каждое окно можно увеличить после щелчка по нему левой кнопкой мыши.

Задание 2.3. Перейдем в окно анализа данных «Analysis», щелкнув по крайней правой кнопке на панели инструментов. В нем должны появиться два графика. Если этого не произойдет, нажмем на кнопку «Load New System Data», расположенную на панели инструментов окна анализа с левого края, и затем кнопку «Open All Windows». В результате должны быть построены два графика: синусоидального напряжения с частотой 4 Гц и его квадрата.

Задание 2.4. Щелкнем по кнопке «Sink Calculator» и выберем группу «Operator». Затем выберем пункт «Overlay Plot» (Наложение графиков). В окне заголовков графиков в правой верхней части диалогового окна надо отметить названия двух виртуальных осциллографов (при нажатой клавише Ctrl). После нажатия «ОК» в окне анализа данных будет построен новый график, на котором совмещены две осциллограммы.

Задание 2.5. Щелкнем снова по кнопке «Sink Calculator»  и выберем группу «Spectrum». Затем выберем тип спектра «20 log |FFT|» и в списке окон отметим название графика, на котором построены два сигнала. В результате откроется новое графическое окно с изображением спектров сигналов. Проверим, что один спектр имеет максимум на частоте 4 Гц, а второй - на частоте 8 Гц. Для упорядочивания всех графиков нажмем кнопку «Tile Vertical» на панели инструментов окна «Analysis».

Задания для самостоятельной работы

Выполните задания с 1 по 5, используя описание выполнения задания 2.1.

Задание 3.1. Включение сигнала постоянного уровня на фильтры нижних частот (ФНЧ) и верхних частот (ФВЧ) (см.рисунок 1.3).

Генератор: Source Library → Aperiodic/ Step Fct.

Параметры:

Рисунок 1.3 - Схема к заданию 1

До создания схемы необходимо задать параметры моделирования: Sample Rate = 100 Гц, No. Of Samples = 500.

Блоки, соответствующие моделям фильтров, можно найти в библиотеке Optional Libraries (нажмите кнопку в левой части панели инструментов окна System), затем войдите в библиотеку Rf/Analog → RC-Circuits. Выберите блоки, указанные на рисунке 1.3. Параметры этих блоков (значения сопротивлений резисторов и емкостей конденсаторов) оставьте без изменения.

Соберите схему до конца. Параметры источника сигнала: Amplitude (v) = 1; Start Time (sec) = 0; Offset (v) = 0.

Проведите моделирование (нажмите F5). Рассмотрите переходные процессы на выходах ФНЧ и ФВЧ. Измените уровень входного сигнала с 1 В на 2 В. Проведите моделирование и рассмотрите переходные процессы на выходах фильтров.

Объясните, почему на выходе ФНЧ переходный процесс начинается из нуля, а его установившееся значение равно уровню входного сигнала. Поясните характер зависимости выходного сигнала для ФВЧ от времени.

Занесите в отчет схему моделирования, параметры моделирования, параметры модели, переходные процессы на выходах фильтров. Поясните вид переходных характеристик для этих двух фильтров.

Постройте АЧХ и ФЧХ для ФНЧ и ФВЧ на экране (в окне System) и занесите их в отчет. Для построения частотных характеристик фильтров надо дважды щелкнуть левой кнопкой мыши на пиктограмме блока, на вкладке «Параметры» нажать кнопку «Bode Plot».

Желтым цветом на экране нарисована АЧХ, синим цветом - ФЧХ.

Задание 3.2. Воздействие линейно нарастающего сигнала на фильтр верхних частот (ФВЧ) (см.рисунок 1.4).

Рисунок 1.4 - Схема к заданию 2

Генератор: Source Library → Aperiodic/Time.

Задайте параметры моделирования: Sample Rate = 100 Гц, No. Of Samples = 500. Параметры модели ФВЧ оставьте без изменения. Параметры источника сигнала: Gain (v/sec) = 10; Offset (v) = 0.

Проведите моделирование (нажмите F5). Рассмотрите переходные процессы на выходе фильтра. Поясните характер зависимости сигнала на выходе фильтра от времени. Почему в установившемся режиме на выходе фильтра устанавливается не нулевое напряжение, как в предыдущем случае, а имеется выходной сигнал некоторого уровня? Определите, как зависит этот уровень от скорости изменения воздействия.

Занесите в отчет схему моделирования, параметры моделирования, параметры модели, переходные процессы на выходе фильтра при разных значениях скорости изменения воздействия.

Задание 3.3. Прохождение одиночного импульсного сигнала на выход фильтров нижних (ФНЧ) и верхних частот (ФВЧ) (см.рисунок 1.5).

Рисунок. 1.5 - Схема к заданию 3

Генератор: Source Library → Aperiodic/ Step Fct.

Задайте параметры моделирования: Sample Rate = 100 Гц, No. Of Samples = 1000. Параметры моделей фильтров такие же, как в примере 1. Видеоимпульс формируется как сумма двух полубесконечных ступенчатых функций. Параметры блока 4: Amplitude (v) = 1; Start Time (sec) = 0; Offset (v) = 0. Параметры блока 6: Amplitude (v) = - 1; Start Time (sec) = 5; Offset (v) = 0.

Проведите моделирование (нажмите F5). Рассмотрите переходные процессы на выходах ФНЧ и ФВЧ. Поясните характер зависимостей сигнала на выходе ФВЧ от времени. Поясните характер зависимостей сигнала на выходе ФНЧ от времени. Занесите в отчет схему моделирования, параметры моделирования, параметры модели, переходные процессы на выходах фильтров.

Опишите словами особенности сигнала на выходе фильтров обоих типов и поясните характерный вид этих зависимостей.

Задание 3.4 Воздействие периодического импульсного сигнала на фильтры ФНЧ и ФВЧ

Составьте схему модели по образцу задания 2.1.

Генератор: Source Library → Aperiodic/PulseTrain.

Задайте параметры моделирования: Sample Rate = 100 Гц, No. Of Samples = 1000. Параметры моделей фильтров такие же, как в примере 1. Параметры источника сигнала: Amplitude (v) = 1; Frequency (Hz) = 0,5; Pulse Width (sec) = 1; Offset (v) = 0; Phase (deg) = 0.

Проведите моделирование. Рассмотрите переходные процессы на выходах ФНЧ и ФВЧ. Поясните характер зависимостей сигнала на выходе ФВЧ от времени. Поясните характер зависимостей сигнала на выходе ФНЧ от времени.

Занесите в отчет схему моделирования, параметры моделирования, параметры модели, переходные процессы на выходах фильтров. Опишите словами особенности сигнала на выходе фильтров обоих типов и поясните характерный вид этих зависимостей. Сравните переходные процессы на выходах фильтров с результатами, полученными в задании 3.3.

Задание 3.5 Генератор фазоманипулированного сигнала

Фазоманипулированный сигнал получается перемножением знакопеременной последовательности импульсов и синусоидального сигнала.

Рисунок 1.6 - Схема к заданию 5

Генератор: Source Library → Noise/PN.

Параметры моделирования: Sample Rate = 1000 Гц, No. Of Samples = 2048. Параметры источника сигнала: Amplitude (±v) = 1; Rate (Hz) = 4,8; No. Levels = 2; Offset (v) = 0; Phase (deg) = 0.

Предусмотрите вывод графиков модулирующей функции (выход блока 17) и модулированного сигнала выход блока 16).

Постройте и проанализируйте спектры этих колебаний.

Задание 3.6 Генератор и канал прохождения амплитудно- модулированного (АМ) сигнала (см.рисунок 1.7)

Постройте схему формирования сигнала АМ, смоделировав выражение u(t)=[1+ 0,8cos 2π·F·t] sin 2π·f·t.

Параметры моделирования: Sample Rate = 1000 Гц, No. Of Samples = 2048. Параметры двух гармонических составляющих сигнала (блоки 0 и 1, рисунок 9) F=10 Гц, f=100 Гц. Предусмотрите вывод графиков модулирующей функции и модулированного сигнала.

Добавьте белый гауссовский шум (блок 7, см.рисунок 1.7). Смесь АМ сигнала и шума подайте на полосовой фильтр (блок 8, см.рисунок 1.7).

Рисунок 1.7 - Схема к заданию 3.6

Параметры фильтра: аналоговый, Баттерворта, полосовой, порядок 3, частоты среза Low Cutoff (f-F) Гц и Hi Cutoff (f+F) Гц. Выбор параметров линейной системы осуществляется последовательно в окнах библиотеки операторов и пояснено в п.п. а, б, в.

а) Фильтр: Operator → Linear Sys Filters.

б) Выберите тип фильтра - аналоговый (Analog), порядок 3.

в) Параметры фильтра: фильтр Баттерворта (Butterworth), полосовой (Bandpass), порядок 3, частоты среза: Low Cutoff = (f-F) Hz, Hi Cutoff = (f+F) Hz.

Постройте и проанализируйте спектры полученных сигналов.

Параметры двух гармонических составляющих сигнала (блоки 0 и 1, см.рисунок 1.7) для индивидуальных заданий приведены в таблице.

Таблица 1- Индивидуальные задания для моделирования

В соответствии с заданными значениями частот модулирующего и несущего колебания выберите значения параметров моделирования: Sample Rate, No. Of Samples, фильтра, обеспечивающих адекватное отображение результатов моделирования.

Постройте спектры полученных сигналов, сравните с результатами предыдущей модели.

Задание 3.7 Генератор сигнала с линейным законом изменения частоты (сигнал с линейной частотной модуляцией - ЛЧМ - сигнал) (см.рисунок 1.8)

Рисунок 1.8 - Схема к заданию 3.7

Генератор: Source Library → Freq Sweep.

Параметры: Amplitude = 1v, Start Freq = 10 Hz, Stop Freq = 200 Hz, Period = 1 sec, Phase = 0 deg.