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无线电电子与电气工程百科全书 模拟噪声和干扰条件下的无线电接收。 无线电电子电气工程百科全书
计算机建模正在成为当今业余无线电设计不可或缺的一部分，因为它可以让您在早期阶段避免许多电路错误。 当然，建模并不能解决所有问题：无论如何，在最后阶段，对真实设备进行原型设计和调整是必要的，但很可能不需要进行重大改进。 尽管程序具有巨大的可能性，但总有一些任务超出了用户手册中描述的标准技术。 文章作者提出了一种非标准的方法来解决使用PSpice系统在噪声和干扰条件下模拟无线电信号接收的问题。 该技术可以适用于业余无线电爱好者可用的任何模拟器。 在计算机上模拟收发设备是一项非常困难的任务。 无线电接收的本质是在噪声和干扰的背景下选择有用的信号。 如果对发射机和接收机的单独研究通常不会造成困难，那么当试图考虑它们的联合工作时，就会出现充分描述接收机输入信号的问题，该信号是通过无线电信道传输的有用信号与干扰和噪声的混合体。 当然，在没有干扰和噪声的情况下模拟无线电接收可以评估设备的性能，但无法评估所使用的技术解决方案的质量，而技术解决方案是无线电接收所固有的。 例如，OrCAD v.9.2 软件包中包含的建模系统 PSpice 包含噪声分析工具。 然而，它们适用于小信号模式，此时器件的元件在工作点附近被认为是线性的。 此外，只能研究模拟设备，并且只能计算噪声谱密度。 所提出的技术使得分析大信号模式下有用信号、噪声和干扰的组合传输成为可能。 让我们考虑一下对带有汽车无线电信道的简单远程控制系统进行建模的示例。 显然，我们应该从研究无线电接收的具体条件并创建干扰噪声环境的数学模型开始。 一般情况下，从天线到无线电接收机输入端的干扰信号的模型可以用以下公式表示：
其中 UΣ(t) 是接收器天线输出端的总混合信号； Uс(t,λс) - 有用信号； λc——有用信号的信息参数； Up(t,λp)——工业干扰信号； λp——干扰信息参数； Um(t) - 白噪声。 有用信号通过无线电信道后会经历各种失真。 我们假设信号的前端失真并且其幅度减小，这是通过通信信道传输的典型情况。 在我们的例子中，这已经足够了，因为传输发生在短距离内。 工业干扰可能非常多种多样，其强度足以使接收变得完全不可能。 消除了故意干扰（尽管这个主题对于计算机分析来说可能非常有趣），请考虑干扰源是汽车的情况。 所有其他噪声和干扰都将表示为白噪声。 汽车中最强大的无线电干扰源是点火系统的次级电路[1； 2]。 发生干扰的原因是火花塞中的火花放电，这导致电流脉冲具有陡峭的前沿，这解释了其频谱的显着宽度。 脉冲重复率取决于四缸发动机曲轴的速度，变化范围约为 20 至 200 Hz。 结合所有内容，我们得到了接收器天线输出端的混合发生器电路（图 1）。因此，为了开始在干扰和噪声条件下对无线电接收进行建模，我们需要具有失真 UС 的有用信号源的 PSpice 模型、汽车干扰的包络电压发生器 Uon、汽车干扰的电压源 Un 和其他噪声电压源 Ush。
PSpice 噪声源模型 随机噪声发生器的方案如图 2 所示。 XNUMX.
建模时应注意以下几点： Eout 是电压控制电压源。 使用以字母 E 开头的名称输入。 它充当缓冲器和缩放放大器。 相反，您可以使用模拟 GAIN 块，该块在名为 ABM.lib 的分发库中可用，并执行类似的功能； Vnoise 是分段线性电压源，其值从存储在工作目录中的输入文件中读取。 已使用电压源VPWL_FILE，其属性为，因为将从输入文件中读取值。 属性由条目定义：[pathl\pwlnoise.txt。 该目录应该是保存所有项目文件的目录，包括原理图 *.dsn 文件。 将架构保存在名为 pwlnoise.dsn 的文件中。 源 Vnoise 生成一个随机电压，其有效值为 1 V。我们将此信号称为“RAW”——主要噪声源（工件）。 Rfil和Cfil元件对RAW信号进行滤波，Eout将其放大到用户指定的电压（有效值）。 主噪声信号 V(NOISE_RAW)（图 3，上图）频率均匀分布。 这种信号的形状因子约为 1,8。 噪声电压具有三角形形状，其中每个角都是不连续的。 该波形产生 sin(x)/x 频谱，其中包含高达非常高频率的谐波，并且信号幅度随着频率的增加而减小。
RC 滤波器消除了由原始噪声信号的不连续性引起的收敛问题。 滤波后的噪声信号 V(NOISE_FIL)（图 3，下图）更像真实噪声。 随机电压生成程序 生成随机应力的程序是用GW-BASIC语言编写的（表1）。 要输入文本或进行更改，可以使用任何文本编辑器。
程序文本必须以 ASCII 代码保存，名称为 pwlnoise.bas（例如，在 Microsoft Word 中，程序必须保存为文本文件）。 在表中。 2 提供了程序行的解释。
首先，特别注意程序的第20行。 在其中，您需要定义项目文件的工作目录的路径。 在对话框模式下启动程序后，您应该输入三个值： TIME STEP - 以秒为单位的时间步长 - PWL 源中步骤之间的时间戳。 该参数部分控制频谱的带宽和扫描源值文件的速度。 例如，如果步长减小，随机噪声值随着时间的推移变化得更快，噪声频谱的宽度增加，查看值文件的速度降低； 最终时间 - 以秒为单位的最终时间 - 噪声发生器运行的时间。 增加它会增加噪声源 PWL 中包含的步数； RMS NOISE 是有效噪声电压值（以伏特为单位）。 该参数还会影响查看文件的速度和噪声发生器的频谱宽度：该参数越大，前端的陡度越大，从而信号频谱的宽度也越大。 该程序将计算并显示四个参数： Points - 将包含在 PWL 噪声源中的点数； 带宽 - 距频谱包络最大值 -3 dB 水平的带宽； 最大转换速率 - 近似最大文件处理速度； CFIL是滤波电容的电容值。 当所有必要的计算完成后，程序会提醒您记录参数 TIME STEP、RMS NOISE 和 CFIL，稍后创建模拟任务时将需要这些参数。 为了利用该计划的成果，需要做一些准备工作。 进入OrCAD Capture原理图编辑器，打开pwlnoise.dsn文件，其中应绘制噪声源模型图（见图2），并进行以下更改。 将 CFIL 电容器的电容设置为程序计算的值。 将 GAIN Eout 属性设置为程序运行时输入的 RMS 值。 确保输入的数字没有量纲（增益是无量纲的）。 例如，您需要输入“0.125”，而不是“0.125V”。 将瞬态分析时间（TRANSIENT）的持续时间设置为FINAL TIME，该值是在执行程序时输入的。 您现在可以在 PSpice 中进行模拟并以通常的方式使用 PROBE 程序。 全局端口（RAW 和 FIL）使得在需要类似源的电路设计的其他部分中更容易使用噪声发生器模型。 但当您需要更改噪声源参数时，请不要忘记重新运行 pwlnoise.bas 程序。 干扰发生器的PSpice模型 为了创建汽车干扰模型，需要干扰电压包络发生器（图 4）。
包络的形状是一个按指数急剧增加，然后按指数逐渐减小到零的信号。 它充满了具有随机特征的振荡。 为了获得所需形状的信号，我们使用来自电源 V1 的脉冲电压，然后将其“传递”通过积分电路 R1C1。 通过选择RC电路的电压幅值和时间常数，我们得到了所需的干扰信号包络线（图5）。
通过选择脉冲源的参数 V1、V2、TD、TR TF、PW、PER 和 RC 电路的时间常数，我们设置了包络的必要时间特性，这些特性正是汽车点火系统干扰所固有的。 需要电压缓冲放大器 GAIN 1 才能将包络幅度缩放至 1 V 的值。 接下来，我们使用模拟模块 MULT1 将包络信号的电压乘以噪声的电压，并得到所需的噪声信号（图 5，下图）。 通过改变脉冲源V1的参数PER，可以模拟发动机曲轴转速的变化，并且通过改变参数TD，可以模拟相对于有用信号发生干扰的时刻。 使用所提出的方法，可以轻松对许多其他类型的工业干扰进行建模，而不仅仅是汽车干扰。 有用信号的PSpice模型 让我们假设远程控制系统的发射器由数字部分和模拟部分组成。 脉冲码用于传输命令。 从Pspice的角度来看，这样的发射机是一个普通的数模设备，其建模不存在特殊问题。 然而，计算所花费的时间非常长。 这是因为 PSpice 系统被迫根据最高频率信号的变化率来选择积分步长。 因此，在理想源上创建发射机输出信号等效的简化高速模型（图 6）是有意义的。
这更加方便，因为这样的源更容易控制（当模拟真实接收条件时，可能需要改变载波频率、幅度、相位）。 为了考虑无线电信道中的信号失真，添加了信号形状失真发生器 - 在我们的例子中，是一个简单的 RC 电路。 PSpice - 混合信号模型 现在所有模型都已准备就绪，让我们合并它们。 事实上，这相当于接收天线（见图 1），总信号从接收天线的输出到达无线电接收器的输入。 显然，为了模型中分析的方便，有必要提供调整信噪比和信噪比以及总信号水平的可能性，以模拟随距离增加的衰减。 这是使用中间放大器 GAIN1-GAIN4 实现的，包括在加法器的输入和输出处（见图 1），其增益可以在下一次仿真开始之前快速更改。 PSpice 无线电模拟 最好以图形形式准备一个 TRANSIENT 模式建模任务。 为此，我将混合信号模型连接到无线电接收器，而不是天线。 但在开始建模之前，您需要创建两个独立噪声源的值文件并计算抗混叠滤波器的电容CFIL。 pwl-noise.bas 程序必须使用两次，因为噪声源必须是独立的。 程序第一次启动时，我们创建噪声源的初始数据，该噪声源是汽车点火系统噪声发生器的一部分。例如，我们设置TIME STEP = 6E-6 FINAL TIME = 0.05，RMS NOISE = 1。 结果，我们得到CFIL=1,88 nF，并将生成的文件pwlnoise.txt重命名为pwlnoise2.txt。 在第二种情况下，我们编写初始数据来启动随机噪声源。 设置 TIME STEP=5E-6 FINAL T|ME= 0 05 RMS NOISE=1 获取 CFIL=1,6 nF 并将文件命名为 pwlnoise.txt。 现在您可以运行仿真程序并查看结果。 文学
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