Обучающая программа для моделирования радиосигналов

Работа всех радиотехнических или электронных систем напрямую связаны с сигналами, предназначенными для обмена информацией как между компонентами этих систем, так и для организации канала обмена данными систем друг с другом. Наряду с полезными сигналами, называемыми информационными, в таких системах имеются и паразитные сигналы, способные искажать передаваемую информацию. К таким сигналам можно отнести информационные сигналы от других подобных систем, а также шумы, вызванные физическими процессами, протекающими в электронных компонентах, например, тепловой шум. Подобные сигналы относят к категории случайных, изучение которых возможно лишь с некоторой вероятностью. Однако в процессе проектирования, диагностики, отладки радиотехнических систем требуется задание полностью известных сигналов, чтобы по измерениям выходной информации оценить правильность работы отдельных модулей (блоков), также самой системы в целом.

В настоящее время проектирование радиоэлектронных устройств сопровождает- ся компьютерным моделированием как самого устройства, так и результата прохождения через него некоторого заранее известного сигнала. Анализ проводится с помощью моделей сигналов и устройств, описываемых некоторыми математическими функциями [1].

Рассматриваемая в статье обучающая программа разработана коллективом авторов с целью облегчения знакомства студентов как простыми с сигналами различных форм, так и со сложными. Все рассматриваемые сигналы относятся к аналоговым, которые можно описать некоторой непрерывной математической функцией от времени. Разработка программы производилась в среде программирования Delphi® Community Edition. Это бесплатная версия компании Embarcadero для разработки программного обеспечения в некоммерческих проектах (или с доходом ниже 5000 долларов США), а также в учебных целях. На рисунке 1 показано окно задания параметров сигнала (амплитуда, частота, начальная фаза), а также его форма.

•0) синус                        Частота (Гц)1

' - прямоугольник             Амплитуда (В)1

Сдвиг фазы (гр,) О 1 пила

( 1 белый шум

• ^{1    1} сложный сигнал

Рис. 1. Задание параметров генерируемых сигналов

При изменении любого из параметров сигнала осуществляется мгновенное обновление окна графика, внешний вид которого представлен на рисунке 2.

Рис. 2. Внешний вид окна отображения графика моделируемого сигнала

Одновременно с выводом графика моделируемого сигнала производится расчет и построение его спектра. Преобразование Фурье широко используется в теории и практике многих научных дисциплин. Несмотря на то, что преобразование Фурье наряду с другими преобразованиями можно рассматривать как чисто математический функционал, во многих отраслях науки оно проявляет такой же глубокий физический смысл, как и функции, подвергающиеся этому преобразованию. Форма волны, колебания или сигнала в оптике, электротехнике и акустике является такой же физической измеряемой величиной, как и их спектр: осциллограф позволяет нам увидеть форму электрического колебания, тогда как анализатор спектра позволяет визуализировать оптический или электрический спектры. Физическая интерпретация акустического спектра ещё более ясная, поскольку человеческое ухо воспринимает звук через его спектр [1].

На рис.3 показаны настройки для моделирования сигнала, состоящего из трех гармоник различной амплитуды и частоты.

Рис. 3. Моделирование сигнала путем сложения гармоник

Программа позволяет добавлять неограниченное количество гармонических составляющих, при этом на соседнем графи- ке наблюдать измерение спектра сигнала (рис. 4).

Рис. 4. Спектр моделируемого сигнала

Для изучения процессов модуляции сигналов реализована поддержка моделирования амплитудной, частотной и фазо- вой модуляции. Результат исследования амплитудной модуляции показан на рисунке 5.

Сигнал

тпшшпштпш

А1ШШШШШШ

Рис. 5. Результаты моделирования АМ-сигнала

Программа позволяет экспортировать данные по любому из графиков в виде изображения, файлов данных: XML, Excel, HTML, Text и т.п. для последующей обработки.

Выводы: реализованное программное обеспечение позволяет наглядно демонст- рировать студентам простые сигналы и их спектры, а также сигналы с различными типами модуляции. Подобные обучающие программы особенно актуальны для дистанционного обучения, т.к. не требует от студентов установки коммерческих лицензионных продуктов.