ВЫПУСКНАЯ РАБОТА БАКАЛАВРА «ЦИФРОВОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК СИСТЕМЫ ФАЗОВОЙ АВТОПОДСТРОЙКИ ПРИ СОВМЕСТНОМ ДЕЙСТВИИ СИГНАЛА И ШУМА» Студент: Ляченков А.В. Научный руководитель: Евсиков Ю.А.
Download ReportTranscript ВЫПУСКНАЯ РАБОТА БАКАЛАВРА «ЦИФРОВОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК СИСТЕМЫ ФАЗОВОЙ АВТОПОДСТРОЙКИ ПРИ СОВМЕСТНОМ ДЕЙСТВИИ СИГНАЛА И ШУМА» Студент: Ляченков А.В. Научный руководитель: Евсиков Ю.А.
Slide 1
ВЫПУСКНАЯ РАБОТА БАКАЛАВРА
«ЦИФРОВОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И
ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК
СИСТЕМЫ ФАЗОВОЙ
АВТОПОДСТРОЙКИ ПРИ СОВМЕСТНОМ
ДЕЙСТВИИ СИГНАЛА И ШУМА»
Студент: Ляченков А.В.
Научный руководитель: Евсиков Ю.А.
Slide 2
Задание на выпускную работу
бакалавра
Ознакомиться по литературе с математическими моделями элементов базиса
простейших функциональных элементов при комплексном описании входных
радиосигналов и помех;
Составить математические модели функциональных элементов системы;
Составить дискретные модели элементов системы;
Получить эпюры напряжений, соответствующих переходным процессам в
системе при отсутствии и наличии шума;
Все расчеты проводить с использованием безразмерных параметров
входного сигнала и параметров системы.
Slide 3
Назначение системы ФАПЧ
Фазовая автоподстройка частоты (ФАПЧ) — система автоматического регулирования,
подстраивающая частоту управляемого генератора так, чтобы она была равна частоте опорного
сигнала. Регулировка осуществляется благодаря наличию отрицательной обратной связи. Выходной
сигнал управляемого генератора сравнивается на фазовом детекторе с опорным сигналом,
результат сравнения используется для подстройки управляемого генератора.
Система ФАПЧ используется для частотной модуляции и демодуляции, умножения и
преобразования частоты, частотной фильтрации, выделения опорного колебания для когерентного
детектирования и в других целях.
ФАПЧ сравнивает фазы входного и опорного сигналов и выводит сигнал ошибки, соответствующий
разности между этими фазами. Сигнал ошибки проходит далее через фильтр низких частот и
используется в качестве привода для генератора, управляемого напряжением (ГУН),
обеспечивающего отрицательную обратную связь. Если выходная частота отклоняется от опорной,
то сигнал ошибки увеличивается, воздействуя на ГУН в сторону уменьшения ошибки. В состоянии
равновесия выходной сигнал фиксируется на частоте опорного.
ФАПЧ широко используется в радиотехнике, телекоммуникациях, компьютерах и других
электронных устройствах. Данная система может генерировать сигнал постоянной частоты,
восстанавливать сигнал из зашумлённого коммуникационного канала или распределять сигналы
синхронизации в цифровых логических схемах, таких, как микропроцессоры, ПЛИС и т.д. С тех пор,
как интегральная схема может полностью реализовать технику ФАПЧ, она часто используется в
современных электронных устройствах с тактовой частотой более ГГц.
Slide 4
Использование метода комплексных
амплитуд при моделировании РЭУС
Slide 5
Использование метода комплексных
амплитуд при моделировании РЭУС
Метод КА применяется для формирования
математических моделей РЭУС как на основе
принципиальных, так и на основе функциональных схем,
которые обычно составляются на уровне функциональных
звеньев радиоустройств. Математические модели на
основе метода КА универсальны, так как пригодны для
исследования работы РЭУС при любых видах возмущений
на входе.
Slide 6
Базис простейших элементов
Моделирование радиотехнических систем удобно проводить, используя
функциональные схемы. Каждый элемент функциональной схемы выполняет
определенную операцию: фильтрацию, преобразование частоты,
ограничение амплитуды, детектирование и др.
Несмотря на большое разнообразие радиотехнических устройств, обычно
удается представить их в виде совокупности простейших функциональных
элементов, число которых невелико. При использовании метода КА
достаточно ограничиться 8-ю простейшими функциональными элементами,
образующими базис: узкополосный линейный фильтр, звено «нелинейный
безынерционный элемент – полосовой фильтр», идеальный фазовращатель,
идельное звено задержки, идеальный смеситель и идеальный амплитуднофазовый детектор, идеальный амплитудный ограничитель, балансный
модулятор. Имея в распоряжении математические модели и
соответствующие им цифровые модели базиса простейших функциональных
элементов, можно моделировать большинство радиотехнических устройств и
систем.
Slide 7
Эволюция FORTRAN
FORTRAN 66 (1972): на базе стандарта фирмы IBM Fortran IV.
FORTRAN 77 (1980): Введено множество улучшений:
Введены операторы открытия и закрытия файла (OPEN, CLOSE) и вывода на
стандартное устройство — PRINT.
Добавлены строковый тип данных и функции для его обработки.
Введён блочный IF и конструкция IF THEN — ELSE IF THEN — END IF, а также
оператор включения фрагмента программы INCLUDE.
Введена возможность работы с файлами прямого доступа.
Увеличена максимальная размерность массива с 3 до 7. Сняты ограничения
на индексы массива.
Усовершенствованы и расширены возможности работы с процедурами.
Введено понятие внутреннего файла (каковыми являются массивы, числовые
и строковые переменные). Внутренние файлы позволяют, в частности,
осуществлять преобразование число-строка и строка-число стандартным
операторами чтения и записи READ и WRITE.
Slide 8
Эволюция FORTRAN
Перфокарта с разметкой колонок под FORTRAN.
Slide 9
Эволюция FORTRAN
FORTRAN 90 (1991): Значительно переработан стандарт языка.
Введён свободный формат написания кода. Появились дополнительные описания IMPLICIT
NONE, TYPE, ALLOCATABLE, POINTER, TARGET, NAMELIST.
Введены управляющие операторы и конструкции. Добавлены DO … END DO (вместо
завершения цикла меткой), DO WHILE, оператор передачи управления на начало цикла
CYCLE, конструкция выбора SELECT CASE (для замены громоздких конструкций IF и
операторов GOTO), а также заключительный оператор программной единицы, модульной
или внутренней процедуры END.
Введён инструментарий указателей и функции для работы с оперативной памятью (по
аналогии с языком С).
Введены операторы работы с динамической памятью (ALLOCATE, DEALLOCATE, NULLIFY).
Введено маскирование присваивания массивов (присваивание при выполнении
наложенного на элементы массива логического условия без использования операторов
условия), а также работа с сечениями массивов
Стандартные операции присваивания, сложения, вычитания, а также деления и умножения
на число распространены на массивы и их секции, определяемые сечениями. В этом случае
осуществляется поэлементное присваивание.
Появились новые встроенные функции, в первую очередь для работы с массивами. В языке
появились элементы ООП. Введены производные типы данных. Отдельно объявлен список
устаревших черт языка, предназначенных для удаления в будущем.
Добавлены дополнительные функции для работы со строковыми данными, в частности,
функции TRIM (удаление завершающих пробелов) и REPEAT(кратное копирование строки) и
функции выравнивания по левой и правой границам.
Slide 10
Эволюция FORTRAN
FORTRAN 95 (1997):
Коррекция предыдущего стандарта. Введён оператор и конструкция FORALL,
позволяющие более гибко, чем оператор и конструкция WHERE, присваивать
массивы и заменять громоздкие циклы. FORALL позволяет заменить любое
присваивание сечений или оператор и конструкцию WHERE, в частности,
обеспечивает доступ к диагонали матрицы. Данный оператор считается
перспективным в параллельных вычислениях, способствуя более
эффективному, чем циклы, осуществлению распараллеливания.
FORTRAN 2003 (2004): Дальнейшее развитие поддержки ООП в языке.
Взаимодействие с операционной системой. Добавлены также следующие
возможности:
Асинхронный ввод-вывод данных.
Средства взаимодействия с языком C.
Усовершенствование динамического размещения данных.
FORTRAN 2008: Стандартом предполагается поддержка средствами языка
параллельных вычислений (Co-Arrays Fortran). Также предполагается
увеличить максимальную размерность массивов до 15, добавить встроенные
специальные математические функции и др.
Slide 11
Структурная схема ФАПЧ
Slide 12
Математическая модель системы
ФАПЧ
Slide 13
Дискретная модель системы ФАПЧ
Slide 14
FORTRAN-программа
complex j/(0.,1.)/,Uc,Usm,Uupch,Uao,Upg,D,Uf,Ush
real V(600),Fi,dt0,Sy,Uafd,Ak,x1,x2,Ug
Uc=(10.,0.)
Uupch=(0.,0)
Ug=5
Upg=Ug
Uop=1
Fi=0
write(*,*)'vvedite dt0'
read *,dt0
write(*,*)'vvedite w0'
read *,w0
write(*,*)'vvedite Sy'
read *,Sy
Slide 15
FORTRAN-программа
write(*,*)'vvedite Ak'
read *,Ak
D=cexp(j*w0)
do I=1,600
call random(x1)
call random(x2)
Ush=Ak*cmplx(x1-0.5,x2-0.5)
Uc=Uc*D
Usm=0.5*conjg(Uc+Ush)*Upg
Uupch=Uupch*(1-dt0)+dt0*Usm
Uao=1.27*(Uupch/cabs(Uupch))
Uafd=real(conjg(Uao)*Uop)
Uf=Uf*(1-dt0)+dt0*Uafd
Fi=Fi+dt0*Sy*Uf
Upg=Ug*cexp(j*Fi)
V(I)=Uafd
end do
call graf(V,600,1)
stop
end
Slide 16
Эпюры напряжений с выхода АФД
(отрицательная расстройка)
Параметры моделирования: dt0=.01, Ω=-.01, Sy=2.
Ak=0
Ak=20
Ak=100
Slide 17
Эпюры напряжений с выхода АФД
(положительная расстройка)
Параметры моделирования: dt0=.01, Ω=.01, Sy=2.
Ak=0
Ak=20
Ak=100
Ak=300
ВЫПУСКНАЯ РАБОТА БАКАЛАВРА
«ЦИФРОВОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И
ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК
СИСТЕМЫ ФАЗОВОЙ
АВТОПОДСТРОЙКИ ПРИ СОВМЕСТНОМ
ДЕЙСТВИИ СИГНАЛА И ШУМА»
Студент: Ляченков А.В.
Научный руководитель: Евсиков Ю.А.
Slide 2
Задание на выпускную работу
бакалавра
Ознакомиться по литературе с математическими моделями элементов базиса
простейших функциональных элементов при комплексном описании входных
радиосигналов и помех;
Составить математические модели функциональных элементов системы;
Составить дискретные модели элементов системы;
Получить эпюры напряжений, соответствующих переходным процессам в
системе при отсутствии и наличии шума;
Все расчеты проводить с использованием безразмерных параметров
входного сигнала и параметров системы.
Slide 3
Назначение системы ФАПЧ
Фазовая автоподстройка частоты (ФАПЧ) — система автоматического регулирования,
подстраивающая частоту управляемого генератора так, чтобы она была равна частоте опорного
сигнала. Регулировка осуществляется благодаря наличию отрицательной обратной связи. Выходной
сигнал управляемого генератора сравнивается на фазовом детекторе с опорным сигналом,
результат сравнения используется для подстройки управляемого генератора.
Система ФАПЧ используется для частотной модуляции и демодуляции, умножения и
преобразования частоты, частотной фильтрации, выделения опорного колебания для когерентного
детектирования и в других целях.
ФАПЧ сравнивает фазы входного и опорного сигналов и выводит сигнал ошибки, соответствующий
разности между этими фазами. Сигнал ошибки проходит далее через фильтр низких частот и
используется в качестве привода для генератора, управляемого напряжением (ГУН),
обеспечивающего отрицательную обратную связь. Если выходная частота отклоняется от опорной,
то сигнал ошибки увеличивается, воздействуя на ГУН в сторону уменьшения ошибки. В состоянии
равновесия выходной сигнал фиксируется на частоте опорного.
ФАПЧ широко используется в радиотехнике, телекоммуникациях, компьютерах и других
электронных устройствах. Данная система может генерировать сигнал постоянной частоты,
восстанавливать сигнал из зашумлённого коммуникационного канала или распределять сигналы
синхронизации в цифровых логических схемах, таких, как микропроцессоры, ПЛИС и т.д. С тех пор,
как интегральная схема может полностью реализовать технику ФАПЧ, она часто используется в
современных электронных устройствах с тактовой частотой более ГГц.
Slide 4
Использование метода комплексных
амплитуд при моделировании РЭУС
Slide 5
Использование метода комплексных
амплитуд при моделировании РЭУС
Метод КА применяется для формирования
математических моделей РЭУС как на основе
принципиальных, так и на основе функциональных схем,
которые обычно составляются на уровне функциональных
звеньев радиоустройств. Математические модели на
основе метода КА универсальны, так как пригодны для
исследования работы РЭУС при любых видах возмущений
на входе.
Slide 6
Базис простейших элементов
Моделирование радиотехнических систем удобно проводить, используя
функциональные схемы. Каждый элемент функциональной схемы выполняет
определенную операцию: фильтрацию, преобразование частоты,
ограничение амплитуды, детектирование и др.
Несмотря на большое разнообразие радиотехнических устройств, обычно
удается представить их в виде совокупности простейших функциональных
элементов, число которых невелико. При использовании метода КА
достаточно ограничиться 8-ю простейшими функциональными элементами,
образующими базис: узкополосный линейный фильтр, звено «нелинейный
безынерционный элемент – полосовой фильтр», идеальный фазовращатель,
идельное звено задержки, идеальный смеситель и идеальный амплитуднофазовый детектор, идеальный амплитудный ограничитель, балансный
модулятор. Имея в распоряжении математические модели и
соответствующие им цифровые модели базиса простейших функциональных
элементов, можно моделировать большинство радиотехнических устройств и
систем.
Slide 7
Эволюция FORTRAN
FORTRAN 66 (1972): на базе стандарта фирмы IBM Fortran IV.
FORTRAN 77 (1980): Введено множество улучшений:
Введены операторы открытия и закрытия файла (OPEN, CLOSE) и вывода на
стандартное устройство — PRINT.
Добавлены строковый тип данных и функции для его обработки.
Введён блочный IF и конструкция IF THEN — ELSE IF THEN — END IF, а также
оператор включения фрагмента программы INCLUDE.
Введена возможность работы с файлами прямого доступа.
Увеличена максимальная размерность массива с 3 до 7. Сняты ограничения
на индексы массива.
Усовершенствованы и расширены возможности работы с процедурами.
Введено понятие внутреннего файла (каковыми являются массивы, числовые
и строковые переменные). Внутренние файлы позволяют, в частности,
осуществлять преобразование число-строка и строка-число стандартным
операторами чтения и записи READ и WRITE.
Slide 8
Эволюция FORTRAN
Перфокарта с разметкой колонок под FORTRAN.
Slide 9
Эволюция FORTRAN
FORTRAN 90 (1991): Значительно переработан стандарт языка.
Введён свободный формат написания кода. Появились дополнительные описания IMPLICIT
NONE, TYPE, ALLOCATABLE, POINTER, TARGET, NAMELIST.
Введены управляющие операторы и конструкции. Добавлены DO … END DO (вместо
завершения цикла меткой), DO WHILE, оператор передачи управления на начало цикла
CYCLE, конструкция выбора SELECT CASE (для замены громоздких конструкций IF и
операторов GOTO), а также заключительный оператор программной единицы, модульной
или внутренней процедуры END.
Введён инструментарий указателей и функции для работы с оперативной памятью (по
аналогии с языком С).
Введены операторы работы с динамической памятью (ALLOCATE, DEALLOCATE, NULLIFY).
Введено маскирование присваивания массивов (присваивание при выполнении
наложенного на элементы массива логического условия без использования операторов
условия), а также работа с сечениями массивов
Стандартные операции присваивания, сложения, вычитания, а также деления и умножения
на число распространены на массивы и их секции, определяемые сечениями. В этом случае
осуществляется поэлементное присваивание.
Появились новые встроенные функции, в первую очередь для работы с массивами. В языке
появились элементы ООП. Введены производные типы данных. Отдельно объявлен список
устаревших черт языка, предназначенных для удаления в будущем.
Добавлены дополнительные функции для работы со строковыми данными, в частности,
функции TRIM (удаление завершающих пробелов) и REPEAT(кратное копирование строки) и
функции выравнивания по левой и правой границам.
Slide 10
Эволюция FORTRAN
FORTRAN 95 (1997):
Коррекция предыдущего стандарта. Введён оператор и конструкция FORALL,
позволяющие более гибко, чем оператор и конструкция WHERE, присваивать
массивы и заменять громоздкие циклы. FORALL позволяет заменить любое
присваивание сечений или оператор и конструкцию WHERE, в частности,
обеспечивает доступ к диагонали матрицы. Данный оператор считается
перспективным в параллельных вычислениях, способствуя более
эффективному, чем циклы, осуществлению распараллеливания.
FORTRAN 2003 (2004): Дальнейшее развитие поддержки ООП в языке.
Взаимодействие с операционной системой. Добавлены также следующие
возможности:
Асинхронный ввод-вывод данных.
Средства взаимодействия с языком C.
Усовершенствование динамического размещения данных.
FORTRAN 2008: Стандартом предполагается поддержка средствами языка
параллельных вычислений (Co-Arrays Fortran). Также предполагается
увеличить максимальную размерность массивов до 15, добавить встроенные
специальные математические функции и др.
Slide 11
Структурная схема ФАПЧ
Slide 12
Математическая модель системы
ФАПЧ
Slide 13
Дискретная модель системы ФАПЧ
Slide 14
FORTRAN-программа
complex j/(0.,1.)/,Uc,Usm,Uupch,Uao,Upg,D,Uf,Ush
real V(600),Fi,dt0,Sy,Uafd,Ak,x1,x2,Ug
Uc=(10.,0.)
Uupch=(0.,0)
Ug=5
Upg=Ug
Uop=1
Fi=0
write(*,*)'vvedite dt0'
read *,dt0
write(*,*)'vvedite w0'
read *,w0
write(*,*)'vvedite Sy'
read *,Sy
Slide 15
FORTRAN-программа
write(*,*)'vvedite Ak'
read *,Ak
D=cexp(j*w0)
do I=1,600
call random(x1)
call random(x2)
Ush=Ak*cmplx(x1-0.5,x2-0.5)
Uc=Uc*D
Usm=0.5*conjg(Uc+Ush)*Upg
Uupch=Uupch*(1-dt0)+dt0*Usm
Uao=1.27*(Uupch/cabs(Uupch))
Uafd=real(conjg(Uao)*Uop)
Uf=Uf*(1-dt0)+dt0*Uafd
Fi=Fi+dt0*Sy*Uf
Upg=Ug*cexp(j*Fi)
V(I)=Uafd
end do
call graf(V,600,1)
stop
end
Slide 16
Эпюры напряжений с выхода АФД
(отрицательная расстройка)
Параметры моделирования: dt0=.01, Ω=-.01, Sy=2.
Ak=0
Ak=20
Ak=100
Slide 17
Эпюры напряжений с выхода АФД
(положительная расстройка)
Параметры моделирования: dt0=.01, Ω=.01, Sy=2.
Ak=0
Ak=20
Ak=100
Ak=300