Параметризованная модель квадратурного модулятора msk-сигналав OrCAD

Параметризованная модель квадратурного модулятора MSK-сигнала

в OrCAD

Е.В. Кузьмин, Ф.Г. Зограф Сибирский федеральный университет, Красноярск

Аннотация: В статье приводиться описание выполненной реализации модели квадратурного модулятора MSK-сигнала (сигнал с минимальной частотной манипуляцией) в системе проектирования электронных устройств OrCAD. Приведена схема, описано функционирование и представлены результаты симуляции разработанной модели: цифровые и аналоговые сигналы, спектр выходного сигнала. Модель предназначена для формирования MSK-сигналов и исследования их преобразований в различных радиочастотных трактах, используя все возможности аналогово-цифрового схемотехнического моделирования системы OrCAD. Представленная модель параметризованна, для её настройки достаточно установить центральную частоту MSK-сигнала и длительность символа модулирующей последовательности. Реализация параметризованной модели модулятора MSK-сигналов в OrCAD, даёт разработчику возможность быстро и просто изменять параметры сигнала и проводить исследования непосредственно в пакете, без обращения к сторонним программным средствам, сокращая тем самым трудоемкость и сроки разработки.

Ключевые слова: схемотехническое моделирование, OrCAD, минимальная частотная манипуляция, МЧМ, квадратурный модулятор, параметризованная модель.

Введение

В современных системах связи и перспективных радионавигационных системах широкое распространение получили сигналы с минимальной частотной манипуляцией (МЧМ, minimum-shift keying - MSK) [1-3].

С привлечением разнообразных средств компьютерного моделирования разрабатываются алгоритмы и модели приёма и обработки таких сигналов. При этом проектирование и моделирование проводится на системном или функциональном уровне с последующей реализацией на ПЛИС [4-7]. В тоже время существует необходимость моделирования ряда процессов происходящих в таких системах на схемотехническом уровне, например анализ влияния радиочастотных трактов на качество работы системы [8-10]. Обозначенные вопросы удобнее и сравнительно проще решать с помощью пакетов позволяющих решать задачи схемотехнического

уровня проектирования, например, таких как ОгСЛБ, для чего, прежде всего, необходимо сформировать требуемые сигналы.

Первый способ решения - синтез и запись в файл кусочно-линейного сигнала в стороннем программном пакете, например ММЬЛБ-8ти1тк, а в ОгСЛЭ, считывание сигнала из файла с помощью специальных функциональных блоков.

Второй способ - синтез сигнала непосредственно в ОгСЛЭ, что предпочтительнее с позиций реализации как можно большего числа этапов проектирования на одной программной платформе, что и представляется актуальным, в виду возможности отказа от привлечения иных пакетов программ. В системе ОгСЛЭ предусмотрено много инструментов для моделирования как аналоговых, так и цифровых устройств [11].

Математическое описание МЖ-сигналов подробно разработано и изложено, например в [1, 2, 12-14], здесь остановимся на особенностях алгоритма формирования на основе квадратурного способа.

В квадратурном представлении МЖ-сигнал можно представить как [14]:

- действительная и мнимая компоненты комплексной огибающей (синфазная и квадратурная компоненты), которые определяются как

s

(t) = I (t) cos (2ft) - Q (t) sin (2ft),

где /0 - несущая частота

I(t) = С  S0 (t - 2iT), (2i - 1)T < t < (2i + 1)T, Q(t) = St  S0 (t-(2i +1 )T), 2iT < t < 2(i +1 )T, i = ...,-1,0,1,....

здесь S0 = cos — , где t e[-T;T] - элементарный импульс, определяющий

V 2T у

форму огибающих I (t) и Q(t), T - длительность элемента входной

символьной последовательности; С1 и & - элементы кодовых последовательностей. Элементы кодов \С1} и {&} однозначно связаны с элементами а1 входной символьной последовательности, определяющей закон частотной манипуляции:

С =

& =

а если г- четное,

а2г, если г- нечетное, а2г ,, если г- четное,

а2г+1, если г- нечетное.

Выражения (3, 4), по сути, представляют собой алгоритм относительного кодирования с разделением потока на четные и нечетные символы.

Функциональная схема квадратурного модулятора МЖ-сигнала

Функциональная схема квадратурного модулятора МЖ-сигнала построенная на основе (1 - 4) показана на рис. 1.

На вход схемы поступает последовательность униполярных импульсов аг, с длительностью символа Т. Кодер (блок 1) осуществляет относительное

кодирование dl = аг © dl-1, где [а{} - двоичная последовательность на входе

кодера, } - выходная последовательность кодера. Текущий символ

исходной последовательности аг сравнивается с предыдущим символом

кодированной последовательности dj-1, для двоичных данных - операция

сложение по модулю 2 («исключающее ИЛИ»).

Относительное кодирование необходимо для того, чтобы после сложения модулированных несущих квадратурных каналов, закон модуляции результирующего радиосигнала соответствовал информационному сообщению.

и

Сигнал в относительном коде с помощью демультиплексора (блок 2) разделяется на квадратурные потоки данных С и 5, в соответствии с (3, 4).

Рис. 1. - Функциональная схема квадратурного модулятора MSK-сигнала

Элементы C поступают в синфазный канал, S - в квадратурный, после чего потоки проходят расширители (блоки 3 и 4), где длительность каждого бита увеличивается в два раза (до 2T ). Скорость потоков в квадратурных каналах после расширителей в два раза меньше скорости исходной последовательоности. Сигнал в квадратурном канале с помощью элемента задержки (блок 5) сдвигается на время T.

Преобразователи уровней (блоки 6 и 7) формируют из униполярного сигнала биполярный, что необходимо для правильной работы модуляторов.

Модуляторы (блоки 9, 10, 13, 14) представляют собой умножители. В каждом из квадратурных каналов осуществляется двухступенчатая модуляция.

В блоках 9 и 10, в результате умножения потоков Ci и Si на

соответствующие опорные гармонические сигналы cos (nt¡ 2T) и sin (nt/ 2T) -

происходит сглаживание прямоугольной последовательности информационных символов. Сигналы становятся фазоманипулированным,

таким образом, формируются две квадратурные составляющие комплексной огибающей MSK-сигнала - синфазная и квадратурная I (t) и Q (t).

В блоках 13 и 14 происходит умножение квадратурных составляющих I (t) и Q(t) на квадратурные несущие cos (2nf0t) и - sin (2nf0t).

Результирующие сигналы имеют амплитудно-фазовую модуляцию.

После сложения квадратурных компонентов в сумматоре (блок 16) амплитудная модуляция исчезает, и результирующий сигнал становится частотно-модулированным, на выходе блока 16 имеем MSK-сигнал s (t).

Блоки 1 - 11 выполняют функцию формирования комплексной огибающей MSK-сигнала состоящей из синфазной и квадратурной компонентов, а блоки 12 - 16 представляют собой типичный квадратурный модулятор инвариантный к типу входного сигнала.

Реализация модели квадратурного модулятора MSK-сигнала в OrCAD

Входной сигнал

Для задания входной последовательности, использовался источник «DigStiml» библиотеки «SOURCESTM», предназначенный для считывания цифрового униполярного сигнала из текстового файла. Для наглядности, в качестве демонстрационного примера использовалась семипозиционная последовательность Баркера (1110010), длительность одного бита - T. На рис. 2, б показана временная диаграмма входного сигнала (сигнал in).

На практике, как правило, в радиотехнических системах связи и перспективных радионавигационных системах применяют псевдослучайные последовательности (ПСП) [1-4]. Получить ПСП можно непосредственно в OrCAD, построив соответствующую модель генератора ПСП [15].

Относительный кодер

Операция относительного кодирования реализована схемой (рис. 2, а), построенной на основе синхронного T-триггера (элемент «TFF» библиотеки «DIGPRIM»), на рис. 2, б приведены диаграммы поясняющие работу схемы относительного кодирования. Частота следования тактирующих импульсов fdock = 2/T, скважность q = 2 . Смена состояния Г-триггера происходит по заднему фронту каждого тактирующего импульса, при наличии перепада «1-0» на тактовом входе (CLK), Г-триггер меняет свое состояние на обратное (инверсное) предыдущему, реализуя, таким образом, функцию «исключающее ИЛИ». В качестве источника тактовой последовательности использовался элемент «DigClock» библиотеки «SOURCE».

Time б

Рис. 2. - Относительное кодирование: а - схема «относительного кодера» в OrCAD; б- временные диаграммы поясняющие работу «относительного кодера»

Для работы схемы необходимо задаться значением первого «опорного» бита. В приведенном примере значение «опорного» бита, определяется начальным состоянием триггера и равно «0».

а

Очевидно, что для выбранных параметров тактирующих импульсов, первый бит, перекодированной в соответствии с (3, 4), последовательности начинается с момента времени ? = Т / 2, т.е. вся итоговая последовательность

задержана на время Т/2 .

Демультиплексор, расширители, задержка

Демультиплексор разделяет поток данных на четные и нечетные биты в соответствии с (3, 4). На рис 3. показана схема, реализующая демультиплексирование, расширение и задержку, состоящая из двух синхронных ^-триггеров и инвертора (элементы «В¥¥» и «ШУ» библиотеки «ОЮРШЫ»). На рис. 4 приведены диаграммы, поясняющие работу схемы.

и

Рис. 3. - Схема демультиплексора-расширителя в ОгСЛЭ

Смена состояния ^-триггера происходит по переднему фронту тактирующего импульса, и до поступления следующего, ^-триггер сохраняет свое состояние («защелкивается»). Частота следования тактирующих импульсов /с!оск = 1/ Т, скважность д = 2. При такой тактирующей

последовательности, в «защелкнутом» состоянии, ^-триггер будет находиться время равное 2Т , увеличивая, таким образом, длительность импульсов соответствующих квадратурных потоков. Начальное состояние триггеров равно «0».

1 1 1 1 ' 1 1

<1, (!2 Л 1 <>> й 5 ^ 6 <*» <К <*,„ <1ц <!,,

J у V ? 1

\ \ - V N ч V т

1 - к 1

а. й, и < л, Л, (1,„

О 2Т 4Т 6Т Т|те 8Т ЮТ 12Т 14Т

а

О 2Т 4Т 6Т 8Т 10Т 12Т 14Т

б

Рис. 4. - Временные диаграммы, поясняющие работу демультиплексора-

расширителя: а - формирование синфазной последовательности; б - формирование квадратурной последовательности

Отметим, что на выходе схемы, квадратурные составляющие уже имеют необходимый относительный сдвиг, синфазная составляющая опережает квадратурную на время Т, т.е. исключается необходимость в отдельном узле задержки (см. рис. 1, блок 5).

В соответствии с тактирующей последовательностью, триггер П1 срабатывает, только на четные импульсы входных данных $0 , $ 2 , $ 4 ,    , формируя синфазную составляющую. На триггер П2 тактирующие импульсы подаются с инверсией, и триггер срабатывает только в моменты времени соответствующие нечетным битам $5,....

В результате работы триггерных схем импульсные последовательности приобретают суммарный сдвиг равный Т .

Преобразователи уровней

В качестве преобразователей уровня использовались элементы «БиГ ЛБМ» (рис. 5, а) библиотеки «ЭЮЛБМ», которые представляют собой буферные элементы с возможностью установки напряжений входного уровня срабатывания и выходных уровней соответствующих «0» и «1».

а

Рис. 5. - Преобразователи уровня (а) и схема формирования комплексной огибающей МЖ-сигнала и квадратурного модулятора (б) в ОгСЛБ

Модуляторы

Схема (рис. 5, б) формирует на основе потоков Ci и Si квадратурные

составляющие комплексной огибающей MSK-сигнала I (t) и Q(t), а затем

осуществляет квадратурную модуляцию.

Использованы умножители и сумматор (элементы «MULT» и «SUM» библиотеки «ABM»). В качестве источников опорных синусоидальных колебаний применены элементы «VSINUSOIDAL» библиотеки

б

«PSPICE ELEM», позволяющие настраивать задержку включения (параметр «DELAY»), амплитуда напряжения источников задается как размах сигнала -«PPAMPLITUDE».

Источники V1 и V3 генерируют опорные колебания для формирования комплексной огибающей квадратурного сигнала, V1 - синфазная компонента, V3 - квадратурная. Сигнал источника V1 задержан на время T. Сигнал источника V3 инвертирован, таким образом обеспечивается учет знака в выражении (1).

На рис. 6 показаны синфазный и квадратурный потоки до и после сглаживания импульсных последовательностей гармоническими сигналами вида sin (nt¡ 2T).

Рис. 6. - Временные диаграммы, поясняющие формирование комплексной огибающей МЖ-сигнала:

У{1_ЕУЕК), У(1) - синфазный канал, У^ ОВБ), У(О) - квадратурный канал

Источники и У4 генерируют квадратурные несущие для

формирования квадратурного комплексного сигнала, У2 - синфазная компонента, У4 - квадратурная компонента. В соответствии с (1), сигнал источника ¥2 имеет фазовый сдвиг на 90° (косинусоида). В сигналы источников внесена задержка АT = Т, для того, чтобы обозначить начало итогового МБК- сигнала. Задержка обусловлена сдвигом импульсных

последовательностей в квадратурных каналах, возникающим в результате работы триггеров.

Выбор задержек и фазовых сдвигов сигналов источников ¥1 - ¥4, также определяется требованием ортогональности квадратурных компонентов и типом итогового МЖ-сигнала - синусный или косинусный (в приведенном примере МЖ-сигнал - синусный).

На рис. 7 представлены результаты симуляции описанной модели модулятора МЖ-сигнала в ОгСЛЭ, приведены диаграммы модулированных компонент квадратурного сигнала, их огибающие, а также, результирующий МЖ-сигнал и входная символьная последовательность.

Рис. 7. - Временные диаграммы, поясняющие работу квадратурного

модулятора:

¥(1) - огибающая, ¥(8ШГЛ1) - модулированный сигнал синфазного канала, ¥(0)- огибающая, ¥(0¥ЛБЯ)- модулированный сигнал квадратурного канала, Р8Р - входная последовательность, ¥(0иТ) - выходной МЖ-сигнал

На рис. 8 показан амплитудный спектр результирующего шумоподобного MSK-сигнала, полученного в результате симуляции разработанной модели. В качестве входной, использовалась псевдослучайная последовательность [4] структуры М[14, 10, 06, 01].

-20dB-i--------

-40dB -BOdB -SOdB

-100dB

-120dB

Ю

oV(out) Frequency

Рис. 8. - Амплитудный спектр шумоподобного MSK-сигнала

Параметризация модели и тактирование

Для тактирования относительного кодера и демультиплексора использованы источники «VSQUARE» библиотеки «PSPICEELEM», в отличие от источников «DigClock», элементы «VSQUARE» можно параметризовать используя блок «PARAM» библиотеки «SPECIAL». Полная схема квадратурного модулятора MSK-сигнала показана на рис. 9. Схема выполнена в OrCAD, с использованием иерархических блоков обозначенных как mod2, demult и bufNRZ, содержимое которых описано выше (относительный кодер, демультиплексор и преобразователь уровней).

Рис. 9. - Схема квадратурного модулятора МЖ-сигналов в ОгСЛЭ

Для настройки модели необходимо, в блоке блок «РЛЯЛМ» задать длительность элемента входной последовательности Т и центральную частоту /0, все остальные параметры модели либо не требуют настройки, либо вычисляются автоматически.

Тактирующий источник относительного кодера (К5): задержка - 0, период - Т, длительность импульса - Т/2. Тактирующий источник демультиплексора (К6): задержка - Т, период - 2Т, длительность импульса - Т.

Длительности фронтов тактирующих источников - много меньше длительности элемента входной последовательности (в приведенном на рис. 9 примере - на 4 порядка).

Выводы

Разработана и выполнена в системе ОгСЛЭ функциональная схемотехническая модель квадратурного модулятора сигналов с минимальной частотной манипуляцией.

Модель обеспечивает формирование МЖ-сигналов для исследования их прохождения по различным радиочастотным трактам, используя все возможности аналогово-цифрового моделирования системы OrCAD.

Представленные результаты симуляции свидетельствуют о правильном функционировании разработанной модели.

Основное преимущество реализации параметризованной модели модулятора МЖ-сигналов именно в OrCAD, состоит в том, что разработчик имеет возможность изменять параметры сигнала непосредственно в пакете, без обращения к сторонним программным средствам, сокращая тем самым трудоемкость и сроки разработки.

Разработанная модель проста в настройке. Модель также может использоваться при изучении дисциплин затрагивающих вопросы цифровой передачи данных.

Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России в Сибирском федеральном университете (Договор № 02.G25.31.0041).

Литература

1. Sklar B., Ray R.K. Digital Communications: Fundamentals and Applications. Pearson Education, 2009. 1164 p.

2. Кокорин В.И. Радионавигационные системы и устройства. Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2006. 175 с.

3. Гантмахер В.Е., Быстров Н.Е., Чеботарев Д.В. Шумоподобные сигналы. СПб.: Наука и техника, 2005. 400 с.

4. Kuzmin E. V. Development and experimental investigation of digital MSK-signal receiver // IX International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON - 2011). Proceedings. - Krasnoyarsk: Siberian Federal University. 2011. pp. 67-70.

5. Сизоненко А.Б. Высокопроизводительная схемотехническая реализация криптографического многоскоростного генератора скалярного

произведения // Инженерный вестник Дона, 2012, №3. URL: ivdon.ru/magazine/archive/n3y2012/948.

6. Кузьмин Е.В. Реализация и исследование потенциальной точности комбинированной системы синхронизации следящего корреляционного приёмника MSK-сигнала / Е.В. Кузьмин // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: труды Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. в 2 т. Т.1. - Томск. - 2011. - 340 с. С.38 - 41.

7. Антонов-Антипов Ю.Н., Баранов Л.Д., Златников В.М. Унифицированное цифровое квадратурное преобразование сигналов ФМ-2 с реализацией на ПЛИС // Вопросы радиоэлектроники. 2004. №1. С.90-101.

8. Борисов В.И., Зинчук В.М., Лимарев А.Е., Шестопалов В.И. Помехозащищённость систем радиосвязи с расширением спектра прямой модуляцией псевдослучайной последовательностью / Под ред. В.И. Борисова. М.: РадиоСофт, 2011. 550с.

9. Кузьмин Е.В., Зограф Ф.Г. Модель управляемого цифрового синтезатора частот в OrCAD // Современные проблемы науки и образования, 2014, № 2, URL: science-education.ru/116-12876.

10. Шумоподобные сигналы в системах передачи информации / под ред. В. Б. Пестрякова. М.: «Сов. радио», 1973. 424 с.

11. Tobin Р. P Spice for Digital Communications Engineering. Morgan & Claypool, 2007. 214 p.

12. Pasupathy S. Minimum Shift Keying: A Spectrally Efficient Modulation // IEEE Commun. Mag., July, 1979. pp. 14-22.

13. Гаранин М. В., Журавлев В. И., Кунегин С. В. Системы и сети передачи информации. М.: Радио и связь, 2001. - 336 с.

14. Кузьмин Е. В. Методы равновесовой обработки шумоподобных сигналов с минимальной частотной манипуляцией // Журнал

радиоэлектроники: электронный журнал, 2007, №9 URL: jre.cplire.ru/jre/sep07/2/text.html.

15. Кузьмин Е.В., Зограф Ф.Г. Параметризованная модель генератора псевдослучайных последовательностей в OrCAD // Инженерный вестник Дона, 2013, №2 URL: ivdon.ru/magazine/archive/n3y2013/1766.

References

1. Sklar B., Ray R.K. Digital Communications: Fundamentals and Applications. Pearson Education, 2009. 1164 p.

2. Kokorin V.I. Radionavigatsionnye sistemy i ustroystva [Radio navigation systems and devices]. Krasnoyarsk: IPTs KGTU, 2006. 175 p.

3. Gantmakher V.E., Bystrov N.E., Chebotarev D.V. Shumopodobnye signaly [Spread-spectrum signals]. SPb.: Nauka i tekhnika, 2005. 400 p.

4. Kuzmin E. V. Development and experimental investigation of digital MSK-signal receiver. IX International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON - 2011). Proceedings. Krasnoyarsk: Siberian Federal University. 2011. pp. 67-70.

5. Sizonenko A.B. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2012, №3. URL: ivdon.ru/magazine/archive/n3y2012/948.

6. Kuzmin E.V. Realizatsiya i issledovanie potentsial'noy tochnosti kombinirovannoy sistemy sinkhronizatsii sledyashchego korrelyatsionnogo priemnika MSK-signala [Development and potential accuracy research of the MSK-signal receiver combined synchronization tracking system]. Radioelektronika, elektrotekhnika i energetika: trudy Mezhdunarodnoy konferentsii studentov, aspirantov i molodykh uchenykh. (Proceedings) V.1. Tomsk. 2011. pp. 38-41.

7. Antonov-Antipov Yu.N., Baranov L.D., Zlatnikov V.M. Voprosy radioelektroniki. 2004. №1. pp. 90-101.

8. Borisov V.I., Zinchuk V.M., Limarev A.E., Shestopalov V.I. Pomekhozashchishchennost' sistem radiosvyazi s rasshireniem spektra pryamoy modulyatsiey psevdosluchaynoy posledovatel'nost'yu [Communications system noise-immunity with direct-sequence spread-spectrum modulation]. Pod red. V.I. Borisova. M.: RadioSoft, 2011. 550 p.

9. Kuzmin E.V., Zograf F.G. Sovremennye problemy nauki i obrazovaniya, 2014, № 2, URL: science-education.ru/116-12876.

10. Shumopodobnye signaly v sistemakh peredachi informatsii [Spread-spectrum signals in communications system]. pod red. V. B. Pestryakova. M.: «Sov. radio», 1973. 424 s.

11. Tobin Р. P Spice for Digital Communications Engineering. Morgan & Claypool, 2007. 214 p.

12. Pasupathy S. Minimum Shift Keying: A Spectrally Efficient Modulation. IEEE Commun. Mag., July, 1979. pp. 14-22.

13. Garanin M. V., Zhuravlev V. I., Kunegin S. V. Sistemy i seti peredachi informatsii [Systems and networks of data communication]. M.: Radio i svyaz', 2001. - 336 p.

14. Kuzmin E. V. Zhurnal radioelektroniki: elektronnyy zhurnal, 2007, №9 URL: jre.cplire.ru/jre/sep07/2/text.html.

15. Kuzmin E.V., Zograf F.G. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2013, №2 URL: ivdon.ru/magazine/archive/n3y2013/1766.