ВведениеВ соответствии с Федеральным государственным образовательным стандартом 3++ специальности 25.05.03 «Техническая эксплуатация транспортного радиооборудования» [1] к объектам професси-ональной деятельности выпускников относятся:– системы радиолокации, радионавигации и радиосвязи;– средства контроля и технической диагностики судового радиооборудования;– автоматизированные идентификационные системы и комплексы, выполненные на базе цифровых аппаратно-программных систем, обеспечивающие безопасность судоходства [2–5];– оборудование глобальной морской системы связи при бедствии. Одним из объектов профессиональной деятельности выпускников является радиотехнический канал связи, в том числе УКВ и ПВ-КВ радиостанции. С целью более глубокого освоения компетенций в учебном процессе студентам необходимо изучить структуру цифровых радиоэлектронных средств, процессы формирования, передачи, приема и обработки сигналов судовыми радиоэлектронными средствами, чему не представляется возможным научить на реальном радиоприемном устройстве. Методика, предлагаемая в статье, позволяет не только выполнить моделирование процессов, происходящих в приемном устройстве, но и реализовать макет приемного устройства с возможностью наблюдения всех этапов преобразования сигнала на цифровом осциллографе.В лабораториях кафедры радиоэлектроники Волжского государственного университета водного транспорта для обучения используются лабораторные комплексы DSK-5510, основным элементом которых является цифровой сигнальный процессор, предназначенный для обработки больших потоков информации в режиме реального времени, что позволяет реализовать модели оборудования цифрового канала связи и освоить методы синтеза и иссле-дования основных принципов функционирования цифровых радиоэлектронных средств [6–9].В рамках дисциплины «Прикладные задачи цифровой обработки сигналов» обучающимся предлагается синтезировать и исследовать модель многоканального приемного устройства цифрового радиотехнического канала связи, реализуемого на базе аппаратно-программного комплекса [9, 10].На кафедре радиоэлектроники ВГУВТ для студентов специальности 25.05.03 разработана методика синтеза модели объекта профессиональной деятельности – многоканального приемного устройства, включающая следующие этапы:−теоретическое изучение структуры и принципов функционирования цифрового многоканального приемного устройства радиотехнического канала связи;−компьютерное моделирование основных процессов в приемном радиооборудовании в программной среде Matlab;−лабораторный эксперимент по разработке и исследованию модели цифрового многоканального приемного устройства на лабораторном стенде DSK-5510.Рассмотрим подробнее предложенную методику на многоканальном (двухканальном) приемном устройстве.Теоретическое изучение процессов в приемном устройствеСтруктура и функционирование радиотехнического канала связи представлены на упрощенной модели (рис. 1) [9]. Рис. 1. Структура радиотехнического канала связи: УМ – усилитель мощностиFig. 1. Structure of a radio communication channel: УМ - power amplifier Современные радиоприемные устройства являются многоканальными, выполненными по супергетеродинному принципу, что позволяет существенно расширить количество принимаемых сигналов с различных передающих устройств. В структуру приемного устройства вносится блок параметрического преобразователя частоты, позволяющий перенести спектры принятых радиосигналов с различных передающих устройств на фиксированную промежуточную частоту fpch = fget – fnes (рис. 2). Рис. 2. Структурная схема приемного устройства супергетеродинного типа: UC (t) – входной сигнал; ВЦ – входная цепь; УРЧ – усилитель радиочастоты; СМ – смеситель; ПФ – полосовой фильтр; УПЧ – усилитель промежуточной частоты; ГЕТ – гетеродин; ФСИ – фильтр сосредоточенной избирательности; ДЕМ (ДЕТ) – детектор; УЗЧ – усилитель звуковой частоты; UF (t) – выходной сигнал Fig. 2. Structural diagram of a superheterodyne receiver: UC (t) - input signal; ВЦ - input circuit; УРЧ - radio frequency amplifier; СМ - mixer; ПФ - bandpass filter; УПЧ - intermediate frequency amplifier; ГЕТ - heterodyne; ФСИ - concentrated selectivity filter; ДЕМ (ДЕТ) - detector; УЗЧ – audio frequency amplifier;UF (t) - output signal Процесс переноса спектра радиосигнала, выделенного входной цепью – полосовым фильтром (ПФ) – и усиленного усилителем радиочастоты, осуществляется с помощью специального генератора гармонических колебаний – гетеродина, входящего в состав параметрического преобразователя частоты вместе с блоком смесителя и ПФ. Частота гетеродина перестраивается одновременно с частотой входной цепи таким образом, чтобы разность частот fget – fnes= fpch всегда оставалась постоянной. Дальнейшая обработка принятого радиосигнала проводится на промежуточной частоте (усиление сигнала в усилителе промежуточной частоты, фильтрация радиосигнала в фильтре сосредоточенной избирательности, выделение передаваемого низкочастотного сообщения в детекторе, усиление низкочастотного звукового сигнала), что позволяет упростить схемотехническую структуру приемника. Рассмотренная структура приемного устройства, применяемого в современной многоканальной радиосвязи, позволяет приобрести теоретические сведения об объекте профессиональной деятельности. Закрепить полученные знания и сформировать навыки технической диагностики реального оборудования позволят компьютерное моделирование процессов преобразования сигналов в приемном устройстве и лабораторный эксперимент по его синтезу на цифровом аппаратно-программном комплексе.Компьютерное моделирование процессов преобразования сигналов в приемном устройстве в MatlabВ M-файле программного пакета Matlab задаются параметры входного однотонального АМ-сигнала с учетом его дальнейшей реализации на DSK-5510, обрабатывающего сигналы в звуковом диапазоне частот и имеющего кодек с частотой дискретизации 48 кГц. При выборе параметров сигналов учитыва-ется то, что АМ-сигнал должен быть относительно узкополосным (fupr / fnes ≤ 0,1). Параметрическое преобразование частоты АМ-сигнала. Модель сигналов на входе смесителя параметрического преобразователя. Параметры сигнала на входе смесителя параметрического преобразователя: Fd = 48 000 Гц, fnes = 4 000 Гц, fupr = 200 Гц, fget = 6 000 Гц, тогда fpch = fget – fnes = 2 000 Гц; индекс модуляции М = 1 (рис. 3, 4). Рис. 3. Осциллограмма и спектр радиосигналаFig. 3. Oscillogram and spectrum of a radio signal Рис. 4. Осциллограмма и спектр гетеродинаFig. 4. Oscillogram and spectrum of a heterodyne Модель сигнала на выходе смесителя параметрического преобразователя частоты. В цифровом смесителе производится перемножение однотонального АМ-сигнала и гармонического сигнала гетеродина, спектр сигнала на выходе смесителя становится полигармоническим, содержащим также составляющие в области промежуточных частот (рис. 5). Рис. 5. Осциллограмма и спектр сигнала на выходе смесителяFig. 5. Oscillogram and spectrum of a signal at the mixer output Модель сигнала на выходе параметрического преобразователя частоты. Выделение АМ-сигнала в области промежуточных частот проводится нерекурсивным цифровым полосовым фильтром, синтезированным в Graphic User Interface Signal Processing Toolbox (GUI SPTool).Полигармонический сигнал с выхода смесителя импортируется в SPTool и подается на ПФ, амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) которого сформирована из условия прохождения АМ-сигнала без искажений в области промежуточных частот: полоса пропускания равна удвоенной частоте управляющего сигнала: П0,7 = 400 Гц = ШАМ (ширина спектра амплитудно-модулированного сигнала), коэффициенты затухания в полосах задерживания 60 дБ, в полосе пропускания не более 3 дБ. Пример рабочего окна с параметрами синтезируемого фильтра приведен на рис. 6. Рис. 6. Пример амплитудно-частотной характеристики нерекурсивного цифрового полосового фильтраFig. 6. An example of a frequency response of a non-recursive digital bandpass filter Отсчет сигнала ym на выходе синтезированного цифрового нерекурсивного фильтра формируется в результате дискретной свертки отсчетных значений входного сигнала xk и отсче-тов импульсной характеристики фильтра hm-k: При синтезе АЧХ цифрового фильтра в Matlab синтезируются и коэффициенты импульсной характеристики фильтра, которые при практической реализации фильтра на сигнальном процессоре экспортируются из Matlab в Code Compose Studio (CCStudio) [7].Модель радиосигнала (осциллограмма и спектр) на выходе ПФ демонстрирует перемещение АМ-сигнала с несущей частоты 4 000 Гц на промежуточную частоту 2 000 Гц без изменения характера модуляции (рис. 7). Рис. 7. Осциллограмма и спектр сигнала на выходе цифрового полосового фильтраFig. 7. Oscillogram and spectrum of a signal at the output of a digital bandpass filter Детектирование АМ-сигнала.Модель сигналов на выходе смесителя детектора. При детектировании сигнала на приемной стороне цифрового канала связи известны только параметры АМ-сигнала на промежуточной частоте и значение этой промежуточной частоты, поэтому в детекторе происходит перемножение АМ-сигнала, поступившего с выхода параметрического преобразователя, и гармонического сигнала, расположенного на промежуточной частоте: Сформированный полигармонический сигнал содержит в том числе и гармонику, расположенную на частоте управляющего сигнала (полезный передаваемый сигнал). Модель сигнала, включающая осциллограмму и спектр сигнала на выходе смесителя детектора, приведена на рис. 8. Рис. 8. Модель сигнала на выходе смесителя детектораFig. 8. Model of a signal at the output of the detector mixer Модель сигналов на выходе цифрового низкочастотного фильтра детектора. Выделение полезного передаваемого сообщения – управляющего сигнала – проводится в цифровом фильтре низкой частоты (ЦФНЧ) детектора. Амплитудно-частотная характеристика синтезируется в SPTool исходя из условия прохождения управляющего сигнала без искажений fpass ≥ fupr (fpass – частота среза фильтра низкой частоты, fupr – частота управляющего сигнала). Пример выбора параметров фильтра приведен на рис. 9, модель «полезного» управляющего сигнала на выходе детектора – на рис. 10. Рис. 9. Пример амплитудно-частотной характеристики нерекурсивного цифрового фильтра низкой частотыFig. 9. An example of the frequency response of a non-recursive digital low-pass filter Рис. 10. Осциллограмма и спектр сигнала на выходе цифрового фильтра низкой частотыFig. 10. Oscillogram and spectrum of a signal at the output of a digital low-pass filter Согласно результатам анализа выходного сигнала детектора в начальной области осциллограммы наблюдается переходный процесс, обусловленный заполнением фильтра отсчетными значениями входного сигнала, после завершения которого управляющее колебание выделено без потери качества. В спектре наблюдается одно гармоническое колебание на частоте управляющего сигнала.Проведено компьютерное моделирование процесса преобразования сигналов в приемном устройстве гетеродинного типа на примере одного передающего устройства. Аналогично можно рассмотреть прием и обработку модулированных сигналов и с передающих устройств, работающих на других несущих частотах, необходимо только учитывать, что разность частот сигнала гетеродина и несущего колебания всегда должна быть фиксированной, равной промежуточной частоте (в рассмотренном примере она равна 2 кГц).Лабораторный эксперимент на аппаратно-программном комплексе DSK-5510Собранная лабораторная установка (рис. 11) включает: −аппаратно-программный комплекс DSK-5510, обеспечивающий программную реализацию блоков многоканального приемного устройства;−функциональный генератор ADG-1010 (подает на вход однотональный амплитудно-модулированный сигнал); −персональный компьютер;−осциллограф PCS-500 со встроенным быстрым преобразованием Фурье, формирующим спектр исследуемого сигнала [9, 10]. Рис. 11. Лабораторная установка по моделированию многоканального приемного устройства на DSK-5510Fig. 11. Laboratory equipment for modeling a multi-channel receiver on the laboratory stand DSK-5510 Методика эксперимента.1. Единая частота дискретизации (fд) сигналов в канале связи определяется техническими характеристиками DSK-5510, в котором используется кодек с аппаратно заложенной fд = 48 кГц, что позволяет дискретизировать сигналы звукового диапазона частот.2. Управляющая программа для цифрового сигнального процессора, реализующая многоканальное приемное устройство и подготовленная в CCStudio, выполняет синтез гармонических сигналов на требуемых частотах, перемножение сигналов, фильтрацию нерекурсивными цифровыми фильтрами и передачу текущего состояния сигналов на кодек для отображения на осциллографе. Параметры входного однополосного амплитудно-модулированного сигнала (например, Um = 40 мВ, М = 1, fnes = 4 кГц, fupr = 200 Гц) выбираются в соответствии с теоремой Котельникова (Тдискр ≤ 1 / (2fверхн)), частотой дискретизации кодека и относительной узкополосностью амплитудно-модулированного сигнала (fupr / fnes ≤ 0,1) [9, 10]. Осциллограмма и спектр радиосигнала на входе смесителя многоканального приемника приведены на рис. 12. Рис. 12. Осциллограмма и спектр радиосигнала на входе смесителя многоканального приемникаFig. 12. Oscillogram and spectrum of the radio signal at the mixer input of a multichannel receiver Гармонический сигнал с гетеродина задается на частоте f = fnes + 2000, что позволяет в смесителе перенести спектр АМ-сигнала на промежуточную частоту fpch = 2 кГц.Перемноженный АМ-сигнал и гармонический сигнал гетеродина Signal[k] = sinetable[i] • sineNes[ii] (осциллограмма и спектр приведены на рис. 13) поступает на полосовой фильтр промежуточной частоты, параметры которого описаны функцией fir(Signal, hhPF, sinFil, db1, NT, NN). Рис. 13. Осциллограмма и спектр радиосигналов на выходе смесителя многоканального приемникаFig. 13. Oscillogram and spectrum of radio signals at the mixer output of a multichannel receiver Параметры фильтра представлены коэффициентами импульсной характеристики, импортированными в проект из Matlab.Отфильтрованный АМ-сигнал sinFil (рис. 14) проходит дальнейшую обработку на промежуточной частоте. Рис. 14. Осциллограмма и спектр радиосигналов на выходе параметрического преобразователя многоканального приемникаFig. 14. Oscillogram and spectrum of radio signals at the output of the parametric converter of a multichannel receiver Для этого используются коэффициенты импульсной характеристики нерекурсивного ЦФНЧ, предварительно рассчитанные в программном пакете Matlab GUI SPTool и импортированные в CCStudio.Проводится синтез синхронного амплитудного детектора (на промежуточной частоте перемножается АМ-сигнал на гармоническое колебание, из полученного полигармонического сигнала нерекурсивным ЦФНЧ выделяется управляющий гармонический сигнал):а) формирование гармонического сигнала на промежуточной частоте (WPCH) осуществляется по формуле где – угловое приращение; – количество от-счетов гармонического сигнала на промежуточной частоте в одном колебании [9, 10];б) для синхронизации фаз АМ-сигнала и гармонического колебания на промежуточной частоте осуществляется поиск первого максимального значения АМ-сигнала и фиксации его номера NumMax;в) перемножение АМ-сигнала на гармонический сигнал промежуточной частоты (осциллограмма и спектр приведены на рис. 15) выполняется, начиная с точки с номером NumMax, по формуле где если г) сформированный сигнал подается на вход нерекурсивного ЦФНЧ, который задан функцией fir(Signal, hh, sinFiltr, db, NT1, NH), в результате фильтрации из спектра полигармонического сиг-нала выделяется управляющее низкочастотное колебание, т. к. частота среза фильтра fsr выбирается равной частоте управляющего сигнала fupr. Рис. 15. Осциллограмма и спектр сигнала после перемножения в детекторе приемникаFig. 15. Oscillogram and spectrum of a signal after multiplying in the receiver detector Отфильтрованное колебание с частотой fupr = 200 Гц подается на кодек для отображения осциллограммы и спектра на осциллографе PCS-500 (рис. 16) [9, 10]. Рис. 16. Осциллограмма и спектр управляющего сигнала на выходе приемникаFig. 16. Oscillogram and spectrum of a control signal at the output of the receiver Результаты лабораторного эксперимента наглядно демонстрируют работоспособность предложенной модели цифрового радиоприемного устройства гетеродинного типа. Полученный «полезный» сигнал выделен из однотонального АМ-сигнала на выходе приемного устройства без потери параметров: форма сигнала – гармоническая, частота fupr = 200 Гц.ЗаключениеПроведение исследований и практическая работа по изучению и синтезу объекта профессиональной деятельности на примере модели радиоприемного устройства гетеродинного типа позволяет студентам в рамках выполнения одной поставленной задачи получить теоретические знания о структуре и функционировании сложных радиотехнических систем, освоить методы радиоизмерений в цифровом оборудовании, получить навыки технической диагностики аппаратно-программных систем, научиться выбирать измеряемые технические параметры и контрольные точки. Внедрение в учебный процесс данной методики исследований, включающей как теоретическое изучение и компьютерное моделирование процессов в сложных радиотехнических системах, так и практическую реализацию этих систем на современном цифровом оборудовании, позволит повысить качество и эффективность формирования профессиональных компетенций у будущих выпускников специальности «Техническая эксплуатация транспортного радиооборудования», повысит их конкурентоспособность на рынке труда.