Моделирование радиочастотных сигналов

К онцепция устойчивого развития сельских территорий Российской Федерации на период до 2020 года, опубликованная Центром экономической безопасности Российской Федерации указывает на актуальность проблемы телефонизации для объектов хозяйственной деятельности, инфраструктурных подразделений оперативных служб [1, с. 30]. Устройство, описанное в публикации «Проблематика научных исследований в области телефонизации удаленных объектов хозяйственной деятельности» [2] собственной авторской разработки представляет собой адекватное решение данной проблемы с учетом ограничений по стоимости и надежности.

Приведем краткое описание работы радиоудлинителя. Основу устройства радиоудлинитель составляют абонентский и базовый блоки, формирующие дуплексный радиоканал связи между собой. К базовому блоку подключаются проводные линии связи, то есть он должен быть расположен в телефонизированной местности, например, районном центре. К абонентскому блоку, который должен быть развернут на объекте, подключается телефонный аппарат. Абонентский блок обеспечивает для абонента возможность набора номера, после осуществления им выбора линии. Сканирование проводных линий связи для получения информации о входящих вызовах осуществляется базовым блоком. Устройство запатентовано [3].

Цель моделирования устройства состоит в анализе изменения радиочастотных сигналов радиоудлинителя [2] в процессе установления связи между блоками и передачи аудиоинформации при заданных условиях внешней среды. Данная модель актуальна в связи с необходимостью отобразить и проанализировать функциональную сторону работы радиоудлинителя при передаче аудиоинформации, представленной в виде радиочастотных сигналов в дуплексном радиоканале [2]. Модель позволит спрогнозировать последствия реализации заданных способов воздействия на радиоудлинитель при передаче аудиоинформации.

Приведем краткое описание модели устройства. Снимок экрана программы приведен на рис. 1 .

Представленная математическая модель предназначена для симуляции работы устройства радиоудлинителя и построена согласно теоретическим данным, приведенным в публикациях [4, 5]. Программа имитирует формирование сложного аналогового сигнала периодической формы, его модуляцию с последующей передачей между блоками устройства по радиоканалу посредством стандартных приемопередающих устройств, его последующий анализ с учетом влияния на систему цифровых управляющих сигналов. Пользователь может изменять параметры входных сигналов, свойства модуляции, задавать эталонные значения для имитации и анализа сигналов устройством. Имитация управляющих сигналов имеет три режима: отключены, взаимодействие без учета случайных факторов внешней среды и с учетом таковых. В целях наиболее полной идентификации математиче-

Рис. 1. Экран программы «Имитационная математическая модель»

a)

MiiWW

B)

Рис. 2. Диаграммы сигналов, полученных с помощью натурных испытаний: а) – периодический сигнал; б) – амплитудно-модулированный сигнал; в) – частотно-модулированный сигнал

ской модели в программу добавлена возможность изменения типа модуляции сигнала. Пользователю предлагается выбор между амплитудной модуляцией и частотной. Для осуществления указанного выбора пользователю необходимо воспользоваться командой меню «Settings» → «Modulation Type» и далее выбрать тип модуляции в раскрывающемся списке – это может быть либо «AM» (Amplitude Modulation, амплитудная модуляция), либо «FM» (Frequency Modulation, частотная модуляция). При выборе типа модуляции в соответствующем пункте меню «Settings» программа автоматически устанавливает наиболее удобные идентификационные параметры модели и вводит данные для отображения выходных данных программы

^Ik^

в виде диаграмм, которые, однако, могут быть изменены пользователем самостоятельно при необходимости. Вычисление формы частотно модулированного сигнала выполняется по формуле (1) [6, с. 159 – 160]. Формула (1) для частотно-модулированного сигнала приведена к характеристикам и терминологии модели, описанной в публикациях [4, 5].

u(t) = UmFM × cos(2πfc t + m cos(2πfm t)), (1)

где: u(t) – функция изменения величины напряжения, U_mFM – амплитуда частотно-модулированного сигнала, f_c – частота несущего сигнала, f_m – частота модулирующего сигнала, m – коэффициент модуляции.

Имитация модуляции сигнала ампли- тудного типа позволит эффективно идентифицировать модель реальному объекту, так как чтобы показать работоспособность модели достаточно построить огибающую вокруг элементов диаграммы амплитудно-модулирован-ного сигнала, чтобы удостовериться, что форма огибающей соответствует форме исходного входного сигнала (Complex Signal (Input) – Сложный сигнал (входной), на рис. 1).Имитация модуляции сигнала частотного типа позволит произвести симуляцию частот-но-модулированного сигнала, который в настоящее время применяется в большинстве производящихся сегодня приемо-передающих радиостанций, что при идентификации модели приближает результаты ее анализа к данным. Необходимо произвести идентификацию имитационной математической модели для того, чтобы сопоставить данные о соответствии процессов, происходящих при передаче информации посредством радиоудлинителя, полученных посредством математического описания и имитации с информацией о действительных параметрах и внешнем виде сигналов, передаваемых в радиочастотном эфире.

Произведем идентификацию имитационной математической модели. На рис. 2 приведены диаграммы, соответствующие реальным сигналам. Идентификационные параметры модели для сравнения формы графических отображений сигналов, показанных на рис. 1 , следующие. Для построения диаграммы сложного периодического сигнала и диаграмм для его составляющих выбраны равные значения 15 кГц, что соответствует звуковому диапазону частот. Константы смещения по оси Y выбраны 1600 точек для амплитудно-модулиро-ванного и 450 – для частотно модулированного сигнала соответственно. Значения коэффициентов масштабирования выбраны 0,05 и 0,03 точки и 0,066 и 0,09 точек для частотно модулированного сигнала соответственно по осям X и Y. Значение коэффициента модуляции, исходя из ограничений, не должно превышать значение 1 (единица) [4] для амплитудной модуляции. Указанные параметры к идентификации модели выбраны в целях достижения соответствия данных модели и данных натурных испытаний, а также наглядности отображения результатов модели.

IWWJ«

SI

8M1 sM2

WWWW *** в)                                        r)

имитационной математической модели, соответствуют действительности и могут быть применены для получения информации о взаимодействии моделируемых элементов радиоудлинителя телефонной линии. Кроме того, предусмотренный в программе выбор типа модуляции демонстрирует заявленную в публикации [2] возможность применения радиоудлинителя совместно с любым типом выпускаемых промышленностью радиостанций ■

Рис. 3. Диаграммы результатов моделирования: а) – исходный сигнал; б) – исходный сигнал в виде составляющих элементов; в) – амплитудно-модулированный сигнал; г) – частотно-модулированный сигнал