(4.7)
Здесь - информационно зависимый член. При получаем:
, (4.7)
Отсюда, , .
Представим ЧМн сигнал в виде (7.6):
. (4.8)
На рисунке 4.1 представлена структурная схема полученного квадратурного модулятора.
Рисунок 4.1 - Квадратурное формирование сигнала с бинарной частотной манипуляцией
4.1.2 Квадратурная реализация ЧМн демодулятора
Принятый радиосигнал , подвергается умножению на два опорных колебания, сдвиг по фазе между которыми составляет :
(4.9)
(4.10)
Каждый из результатов умножения, содержит два слагаемых. Одно из них - низкочастотное (косинус или синус начальной фазы), другое - высокочастотное (сигнал с несущей ). Низкочастотные составляющие выделяются с помощью ФНЧ:
;. (4.11)
Для демодуляции ЧМн полученную фазовую функцию необходимо продифференцировать :
(4.12)
То есть на выходе демодулятора, при , мы получим:
. (4.13)
Рисунок 4.2 - Квадратурная обработка сигнала с бинарной частотной манипуляцией
4.1.3 Символьная синхронизация
Для оптимальной демодуляции все цифровые приемники должны синхронизироваться с переходами поступающих цифровых символов. В нашем случае используется некогерентная ЧМн, следовательно, восстанавливать несущую частоту и фазу опорного колебания не требуется.
В модели будем использовать символьный синхронизатор, принадлежащий к классу разомкнутых синхронизаторов, в котором схема выделяет копию выхода генератора тактовых импульсов передатчика непосредственно из поступающего информационного потока .
Разомкнутые символьные синхронизаторы также иногда называют нелинейными синхронизаторами на фильтрах. Синхронизаторы этого класса генерируют частотный компонент со скоростью передачи символов, пропуская поступающий низкочастотный сигнал через последовательность фильтра и нелинейного устройства. Желательный частотный компонент, передаваемый со скоростью передачи символов, изолируется с помощью полосового фильтра, после чего насыщающий усилитель с высоким коэффициентом насыщения придает ему нужную форму. В результате восстанавливается прямоугольный сигнал генератора тактовых импульсов.
На рисунке 4.3 приведена одна из возможных структурных схем разомкнутого битового синхронизатора.
Рисунок 4.3 - Разомкнутый битовый синхронизатор
Фурье-компонент на частоте тактового генератора создается посредством задержки и умножения. Длительность задержки равна половине периода передачи бита, и это значение является оптимальным, поскольку оно дает наибольший Фурье-компонент . Сигнал всегда будет положительным во второй половине любого периода передачи бита, но будет иметь отрицательную первую половину, если во входном потоке битов произошло изменение состояния. Это дает прямоугольный сигнал содержащий в себе Фурье-компонент на частоте следования битов. Нужный спектральный компонент отделяется с помощью полосового фильтра, и ему придается нужная форма посредством насыщающего усилителя с передаточной функцией следующего вида:
для , для других . (4.14)
4.1.4 Модель системы
В соответствии с описанными выше математическими преобразованиями информационного сигнала в Simulink построена модель системы передачи информации с квадратурным формированием и обработкой ЧМн-сигнала (рисунок 4.4).
Источником информации является генератор ПСП (PN Sequence Generator). Формула генераторного полинома ПСП в данном контексте значения не имеет. Информационное сообщение преобразуется к биполярному виду (блок Unipolar to bipolar converter).
Далее информационный сигнал поступает на квадратурный модулятор, где происходит амплитудная модуляция соответствующих квадратур. После сложения квадратурных компонент амплитудная модуляция исчезает, и результирующий радиосигнал становится частотно-модулированным. Блок Slider Gain моделирует усилитель мощности на выходе передатчика. Девиация частоты равна ± 500 кГц, закон модуляции повторяет исходную биполярную последовательность. Соотношение тактовой частоты информационных символов и девиации частоты сформированного ЧМ - сигнала таково, что он относится к классу сигналов некогерентной ЧМн. Затем сформированный сигнал пропускается через ограниченный по полосе канал связи с аддитивным белым гауссовским шумом и принимается квадратурным приемником, в котором над сигналом производятся операции, обратные описанным выше, для восстановления информационной последовательности.
Рисунок 4.4 - Модель системы передачи информации с квадратурным формированием и обработкой ЧМн-сигнала
Временные диаграммы, поясняющие процесс формирования сигнала, представлены на рисунке 4.5.
На рисунке 4.5 1-й график - цифровая последовательность с выхода генератора ПСП после преобразования в сигнал БВН (Без Возврата к Нулю - биполярный), 2-й - тактовые импульсы сопровождения информационной последовательности, 3-й - сглаженные синусоидой символы в косинусном канале, 4-й - сглаженные синусоидой символы в синусном канале, 5-й - амплитудно-модулированная несущая в косинусном канале, 6-й - амплитудно-модулированная несущая в синусном канале, 7-й -результирующий ЧМн-сигнал.
Рисунок 4.5 - Временные диаграммы работы квадратурного модулятора ЧМн-сигнала
Временные диаграммы, поясняющие процесс квадратурной демодуляции ЧМн-сигнала, представлены на рисунке 4.6.
Здесь на 1-ом графике представлен радиосигнал в смеси в АБГШ после ограничения по полосе (блок Analog Filter Design 3 - фильтр Баттерворта 2-го порядка с полосой 2 МГц - в заданном диапазоне работы системы (2402.5 МГц)), 2-й график - радиосигнал, умноженный на несущую частоту. Это косинусный канал квадратурного демодулятора. На 3-ем графике представлен сигнал после перемножения в синусном канале. На 4-ом и 5-ом графиках изображены осциллограммы сигналов после ФНЧ (блоки Analog Filter Design). Фильтры Баттерворта 2-го порядка, полоса их немного больше, чем тактовая частота символов в квадратурных каналах - 1000 МГц. По форме они отдаленно напоминают сигналы в квадратурных каналах модулятора после сглаживания информационных символов синусоидой. Далее сигнал поступает на демодулятор, описанный в 7.1.2, и вычисляется значение , после чего стоит блок sign для определения знака (модуль нас не интересует). Соответственно на 6-м графике изображен демодулированный сигнал, а на 7-м графике - сопровождение тактовыми импульсами, полученными по методу выделения синхропоследовательности описанному в 4.1.3.
Рисунок 4.6 - Временные диаграммы работы квадратурного демодулятора ЧМн-сигнала
Для наглядности на рисунке 4.7 приведем отдельно исходную информационную последовательность (график 1), сигнал в смеси с шумом (график 2) и принятую квадратурным способом информационную последовательность (график 3).
Рисунок 4.7 - Результат моделирования - передача информации по радиоканалу с шумами
Спектр сформированного ЧМн-сигнала с шумами, вычисленный с помощью БПФ, представлен на рисунке 4.8.
Построенная модель системы и сформированный ЧМн-сигнал по своим параметрам соответствуют теории и могут служить объектом исследования и применяться при проектировании радиосистемы на начальных стадиях разработки.
Рисунок 4.8 - Спектр сформированного ЧМн сигнала с шумами
5. Безопасность и экологичность проекта
Разрабатываемое устройство работает совместно с ПК, все основные результаты работы интерфейсной платы выводятся на экран монитора. При работе с ПК оператор находится перед дисплеем. Оказываемое воздействие на окружающую среду разрабатываемой системы мало по сравнению с ПК. Поэтому рассмотрим характеристики безопасности и экологичности работы с видеодисплейными терминалами (ВДТ).
Применение ВДТ и ПЭВМ повышает уровень организации труда, дает широкую, оперативную, наглядную, информацию о состоянии производства, ходе технологических процессов, позволяют видеть динамику и оперативную связь.
Стремительное изменение характера труда, переход во все больших видах деятельности человека к управленческим функциям, широкое использование вычислительной техники как главного помощника при выполнении умственных операций привело к появлению специфических опасностей, сопровождающих работу с видеодисплейными терминалами (ВДТ).
Результаты наблюдений и исследований, накопленные в странах Европы и США, показывают, что работа с видеотерминалами может быть вредной для здоровья. Исследования выявили связь между использованием видеотерминалов и множеством заболеваний. К наиболее распространенным симптомам относятся: боли в спине и области шеи, ухудшение зрения, боли в кистевых и плечевых суставах, нарушение сна, хронические головные боли, тошнота, слабость.
Результаты исследований, проведенных отечественными учеными, указывают на стойкое снижение работоспособности и возможность развития различных заболеваний у операторов ВДТ. Этому способствует напряженный нервно - эмоциональный характер труда, специфические условия зрительной работы, вынужденная поза, гиподинамия и гипокинезия.
Лица за ВДТ могут подвергаться воздействию низкоэнергетического рентгеновского и УФ излучения, электромагнитного излучения (экраны наиболее интенсивно излучают на частотах 10,4 - 15 кГц - частоте строчной развертки), статического электричества, возникающего в результате облучения экрана потоком заряженных частиц электронной трубки, а также воздействию шума, неудовлетворительного освещения и микроклимата.
Проводимые обследования показали, что фактически нет такого рабочего места за дисплеем, которое соответствовало бы санитарно-гигиеническим и эргономическим требованиям.
Необходимость постоянно следить за информацией на дисплее требует от оператора напряжения воли для обеспечения необходимого уровня внимания.
По данным психологических наблюдений человек способен поддерживать активно внимание на протяжении 15 - 25 минут, затем наступает фаза пассивности (отдыха) и возобновление нового периода активного внимания. Работа с дисплеями характеризуется монотонностью (однообразием), что способствует быстрому развитию переутомления.
Многообразие причин аварийности систем и травматизма в производственных условиях позволяет говорить, что наиболее подходящими для оценки опасностей являются модели, представляющие собой процесс появления и развития цепи соответствующих предпосылок в виде диаграмм. Под диаграммами влияния причинно-следственных связей понимают некоторое представление моделируемых процессов с помощью графических символов. Основными достоинствами выявления и оценки опасностей при помощи диаграмм влияния служат высокая информативность представления и описания исследуемых факторов, хорошая наглядность и удобство интерпретации и обработки результатов посредством использования ЭВМ.
Рисунок 5.1 - Дерево причин отказа работы интерфейсной платы
Широкое распространение получила диаграмма ветвящейся структуры, называемая “дерево причин (отказов, опасностей, событий)”. Построение “деревьев” является эффективной процедурой выявления причин различных, нежелательных событий (аварий, травм, пожаров и т.д.), что и необходимо для проведения системного анализа, дерево причин для данной системы приведено на рисунке 8.1.
5.1 Меры, повышающие надежность работы интерфейсной платы
Рассматривая “дерево отказов” выявим мероприятия, позволяющие предупредить возможные отказы системы:
- использование стабилизированного источника питания позволит предупредить выход из строя элементов;
- нельзя превышать максимально допустимые электрические параметры микросхем с целью предотвращения их выхода из строя;
- проверять правильное подключение радиомодема;
- подключать интерфейсную плату должен только специалист;
- обеспечивать стабильную работу операционной системы;
- проведение инструктажа персонала.
5.2 Меры защиты от вредных и опасных факторов при изготовлении и эксплуатации устройства
Существуют меры защиты от вредного воздействия производственных факторов при работе с ВДТ.
Конструкция ВДТ, его дизайн и совокупность эргономических параметров должны обеспечивать надежное и комфортное считывание отображаемой информации в условиях эксплуатации. Конструкция ВДТ должна обеспечивать возможность фронтального наблюдения экрана путем поворота корпуса в горизонтальной плоскости вокруг вертикальной оси в пределах ± 30° и в вертикальной плоскости вокруг горизонтальной оси в пределах ± 30° с фиксацией в заданном положении. Дизайн ВДТ должен предусматривать окраску корпуса в спокойные мягкие тона с диффузным рассеянием света. Корпус ВДТ, должен иметь матовую поверхность с коэффициентом отражения 0,4 - 0,6 и не иметь блестящих деталей, способных создавать блики.
Конструкция ВДТ должна предусматривать наличие ручек регулирования яркости и контраста. Для обеспечения надежного считывания информации при соответствующей степени комфортности ее восприятия должны быть определены оптимальные и допустимые диапазоны визуальных и эргономических параметров таблице 5.1.
Измерения рентгеновского излучения перед экраном цветного дисплея показали, что на расстоянии 5 см. от экрана мощность дозы составляет 100 мкГр/час.А на расстоянии 250 см. от экрана - 0,0025 мкГр/час. Мощность дозы рентгеновского излучения отечественных телевизионных приёмников у поверхности экрана и корпуса не превышает предельно допустимой нормы (100 мкР/час.), что регламентируется ГОСТ 29.05.006-85.
Конструкция ВДТ должна обеспечивать величину эквивалентной дозы рентгеновского излучения в любой точке на расстоянии 0,05 м. От экрана и корпуса ВДТ не более 0,1 мбэр/час. (100 мкР/час.).
Особое внимание следует обратить на статическое электричество. Измерения показали, что напряженность электростатического поля в рабочей зоне как отечественных, так и импортных дисплеев достигает 85 -62 кВ/м. при норме 20 кВ/м. в течение одного часа (ГОСТ 12.1.045-84).
Для предотвращения образования и защиты от статического электричества в помещении используются нейтрализаторы и увлажнители, полы имеют антистатическое покрытие.