Информационно-измерительная система для исследования характеристик устройств приема и обработки сигналов

 

Койжанова Акбота Жексенбековна,

магистрант,

Максимов Анатолий Владимирович,

старший преподаватель кафедры Радиоэлектроники и защиты информации.

Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники.

 

В последнее несколько лет увеличилось количество радиосистем, разнообразие типов применяемых в них сигналов. В то же время развитие полупроводниковой электроники и особенно микроэлектроники дало возможность усложнить структуры радиоприемных устройств и способы обработки принимаемых сигналов, расширились функции радиоприемников. В результате возросли актуальность и сложность задач синтеза структур радиоприемных устройств, отвечающих современным требованиям и оптимальных по своим техническим и экономическим показателям.

Современные устройства приема и обработки сигналов (УПОС) имеют множество параметров, которые позволяют судить о пригодности устройств для конкретных условий эксплуатации. Так как эти параметры описывают достаточно сложную реакцию УПОС на совокупность сигнала и помех, то для исследования УПОС требуется много различных типов измерительных приборов, а методика измерений достаточно сложна.

Оборудование, применяемое для данных целей, имеет относительно высокую стоимость. Недорогой альтернативой указанному классу устройств могут служить программно-аппаратные комплексы, построенные на основе стандартных цифровых генераторов и осциллографов, управление которыми осуществляется с помощью специализированных программных продуктов, например, таких как LabVIEW [2].

Информационно-измерительная система (ИИС) позволяет заменить устаревшее оборудование лабораторий. Исследовательская работа проведена с целью выявления новых возможностей в модуле УПОС и последующего включения их в цикл лабораторных работ.

ИИС включает в себя устройство приема и обработки сигналов (модуль УПОС), персональный компьютер с портами управления, генератор стандартных сигналов и осциллограф (управляемые кодами языка SCPI). Основным критерием при проектировании структурной схемы является максимальная приближенность модулируемого процесса к реальному приему. Управление всей ИИС, включая модуль УПОС и приборы, осуществляется программным модулем, разработанным в среде LabView (National Instruments).

Среда разработки виртуальных приборов LabView (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench) – это среда разработки и платформа для выполнения программ, созданных на графическом языке программирования. Используется в качестве стандартного инструмента для проведения измерений, анализа данных, управления приборами и исследуемыми объектами [3].

Разработанный программный модуль позволяет полностью автоматизировать процесс снятия характеристик. Модуль УПОС оснащен разъемом для подключения сетевого адаптера 12 В, который подключается к сети 220 В. На рисунке 1 приведена структурная схема модуля УПОС.

Для исследовательских целей модуль УПОС реализуется на основе трех схем: прямого преобразования, прямого усиления и супергетеродинного типа [4].

Исходя из этого, устройство содержит следующие узлы:

-                     входные цепи;

-                     усилитель сигнала радиочастоты (УРЧ);

-                     балансный смеситель;

-                     синтезатор частот (гетеродин);

-                     усилитель сигнала промежуточной частоты (УПЧ);

-                     детектор;

-                     усилитель сигнала звуковой частоты (УЗЧ);

-                     выходное устройство;

-                     микроконтроллер.

 

Рис. 1. Структурная схема модуля УПОС.

 

Кроме этого в модуле УПОС, реализованы устройства имитирующие сигналы соседней станции и шумы.

Входная цепь модуля УПОС связывает антенну с усилителем радиочастоты.

Усилитель сигнала радиочастоты предназначен для усиления сигнала и изменения коэффициента усиления. УРЧ состоит из буферного каскада, предварительного усилителя, реализованных на операционных усилителях (ОУ) ADA4857-1, и регулируемого усилителя AD8324.

Балансный смеситель служит для преобразования сигнала, в случае реализации супергетеродинного приемника, и для усиления сигнала, в случае приемника прямого усиления.

Синтезатор частот выполняет функцию гетеродина для приемников с переносом сигнала.

Другой синтезатор частот выполняет функцию генератора, эмулирующего соседнюю станцию. В качестве генератора и гетеродина используется микросхема AD9834, синтезатор частоты, основанный на методе прямого цифрового синтеза.

Усилитель сигнала промежуточной частоты, в зависимости от того, какая схема приемника исследуется, усиливает сигнал или на промежуточной частоте, или на радиочастоте. В качестве УПЧ используется регулируемый усилитель AD8324. Для согласования дифференциального выхода усилителя AD8324 и несимметричного входа детектора использован каскад с дифференциальным входом на ОУ LMH661 фирмы National Semiconductor.

Детектор необходим для выделения полезного сигнала.

Усилитель сигнала звуковой частоты усиливает сигнал до уровня необходимого для воспроизведения динамическим громкоговорителем.

Микроконтроллер обеспечивает преобразование управляющих кодов SCPI в биты коммутации ключей и коды последовательной шины SPI, образующей внутренний канал между микроконтроллером и отдельными микросхемами, а также формирует сигналы с широтно – импульсной модуляцией (ШИМ), для управления напряжениями перестройки варикапов.

Как говорилось выше, управление модулем УПОС осуществляется программным модулем, разработанным в среде LabView.[3]

В модуле УПОС осуществляется управление:

-                     выбором антенного входа или входа с генератора сигналов;

-                     переключением типов входных цепей;

-                     коэффициентами усиления трактов РЧ и ПЧ;

-                     настройками частоты входных цепей и усилителя РЧ;

-                     избирательностью усилителя РЧ и тракта ПЧ;

-                     управление режимом работы балансного смесителя;

-                     управление генератором шума и его амплитудой;

-                     включением узкополосной помехи, управлением её частотой и амплитудой;

-                     управлением частотой синтезатора гетеродина;

-                     усилением тракта ЗЧ и отключением выхода на динамическую головку [1].

Программа состоит из нескольких модулей, каждый из которых отвечает за отдельный вид исследования: установки; резонансные характеристики; амплитудно-частотные характеристики (АЧХ); спектральный анализ и осциллограммы. На рисунке 2 приведен интерфейс пользователя, для управления модулем УПОС.

 

Рис. 2. Панель интерфейса управления модулем УПОС (базовые настройки).

 

Во вкладке «резонансные характеристики» рассматриваются АЧХ и зависимость резонансного коэффициента от частоты. Перед началом исследования устанавливаются параметры «количество измерений» и «количество АЧХ». На рисунке 3 приведена панель индикации модуля исследования резонансных характеристик.

 

Рис. 3. Панель интерфейса исследования резонансных характеристик.

 

Резонансные характеристики исследуются как для ВЦ, так и УРЧ. В одном файле можно сохранить несколько характеристик, которые будут отображены после выбора или создания файла.

Во вкладке «АЧХ» рассматриваются АЧХ УРЧ, АЧХ УПЧ и т.д. Характеристики строятся путем запроса на осциллограф уровня напряжения с первого и второго каналов с последующим вычислением коэффициента передачи из соотношения 2канал/1канал. На рисунке 4 приведена панель интерфейса исследования АЧХ.

 

Рис. 4. Панель интерфейса исследования АЧХ.

 

В конце процесса измерения можно сохранить данные в файл табличного формата. На графике отображаются максимум 4 графика, если их будет больше, последние будут заменяться. Данный модуль не зависит от измеряемого прибора и его можно использовать самостоятельно, выделив в отдельную программу.

Панель интерфейса для спектрального анализа приведена на рисунке 5.

 

Рис. 5. Панель интерфейса спектрального анализа.

 

Разработанная ИИС предназначена для изучения процессов и характеристик, рассматриваемых в дисциплине УПОС, и использование данной системы в учебном процессе – при выполнении лабораторных работ и проведении научно-исследовательских работ прикладного характера.

 

Литература

 

1.                  Лукина А.А., Максимов А.В. Информационно-измерительная система для исследования характеристик устройств приёма и обработки сигналов // Материалы Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, Томск, 15–17 мая 2013 г. – Томск: В-Спектр, 2013: В 5 частях. – Ч. 1. – 370 с. ISBN 978-5-91191-284-0 (Ч. 1) c. 306-310.

2.                  Бутырин П.А., Васьковская Т.А., Каратаева В.В., Материкин С.В. Автоматизация физических исследований и эксперимента: компьютерные измерения и виртуальные приборы на основе LabVIEW 7 / Под ред. А.П. Бутырина. М.: ДМК Пресс, 2005. 264 с.

3.                  Суранов А.Я. LabVIEW 8.20: Справочник по функциям. М.: ДМК, 2007. 533 с.

4.                  Колосовский Е.А. Устройства приема и обработки сигналов. Учебное пособие для вузов. – М: Горячая линия – Телеком, 2007. – 456 с.: ил.

 

Поступила в редакцию 18.05.2015 г.