Файл: Приемопередатчик сигналов с многочастотной квадратурной амплитудной манипуляцией.pdf

57
Вследствие потенциально большего диапазона S, стартовая точка выбирается визуально. Перед двумя образцовыми символами вводится тон малого уровня с частотой 60 МГц.
На Рисунке 5.20 показано, каким образом можно выбрать стартовую точку как точку, в которой мощность символа увеличивается. Как только будет выбрана стартовая точка первого символа, стартовую точку второго символа можно смело располагать на расстоянии 320-ти символов за ней. На
Рисунке каждый раз тон 60 МГц следует после 45-ти символов OFDM.
Рисунок 5.20 - Образцы на выходе АЦП.
5.5.6 Частотный сдвиг
Точно так же, как наблюдается сдвиг фаз между сигналами гетеродинов приемника и передатчика, имеет место и частотный сдвиг между ними. Проиллюстрируем это для случая, предполагающего, что опорный кварцевый генератор с частотой 44 МГц имеет точность, равную 50 частей от миллиона частей (50 ppm). В таком случае ошибка по частоте для гетеродина будет равна:
(5,39)

58
Если LO представляет собой гетеродин понижающего преобразователя в сигнал основной полосы, то эта ошибка проявит себя как сдвиг по частоте в сигнале основной полосы (см. Рисунок 5.21). При этом поднесущие уже не будут строго ортогональны, и проявится интерференция между поднесущими.
При этом деградация SNR будет проходить по двум направлениям: во-первых, синхронизация при квантовании OFDM поднесущих в DFT не будет производиться строго на пиках мощности, что вызовет снижение мощности сигнала; во-вторых, точка квантования для остальных поднесущих не будет совпадать с точкой пересечения нулевой линии.
Таким образом, можно видеть, что чем больше частотный сдвиг, те большую деградацию испытывает SNR.
Рисунок 5.21: Сдвиг частоты гетеродина приводит к сдвигу частоты сигнала основной полосы в символе OFDM.
В этом варианте исполнения системы проблема возникновения ICI, вызванной сдвигом частоты LO, решается путем выбора для данной пары передатчик/приемник такой пары кварцевых генераторов, которые достаточно близки по частоте. Требованию к величине SNR = 30 дБ, которое необходимо для успешного детектирования сигналов
256-QAM,

59 соответствует общий сдвиг по частоте между гетеродинами передатчика и приемника, равный 8 КГц, что находим из выражения:
(5,40) где Т – это инверсное распределение по частоте в бункере, а f - соответствующий сдвиг по частоте.
Частотный сдвиг, даже если он удерживается на уровне не более 8 КГц, воздействует на параметры системы. Ранее предполагалось, что как только фазовый сдвиг между сигналами двух гетеродинов будет определен, то далее его можно считать неизменным, а его величина может использоваться при оценке канала. Остаточное различие частот гетеродинов будет сопровождаться накоплением фазового сдвига во времени. Так что в каждом из символов OFDM созвездие будет непрерывно поворачиваться на небольшой угол. Это накопление фазового сдвига происходит быстро относительно времени когерентности беспроводного канала, а значит, его можно постоянно корректировать.

60 6. ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ ЧАСТЬ
Описание выводимых графиков
Программа выводит на экран семь графиков в процессе выполнения процесса OFDM приёмопередачи.
1. Амплитуда OFDM несущих разбитых по ОБПФ позициям
2. Фазы переведенные из OFDM данных
3. Модулированный сигнал за один период сигнала на одной несущей
4. Модулированный сигнал за один период сигнала на нескольких несущих
5. Амплитуда принятого OFDM спектра
6. Фазы принятого OFDM спектра
7. График созвездия принятых фаз
Первые три графика получаются из OFDM модуляции, а последние три из процесса демодуляции. На них можно наблюдать как распределяются несущие по ячейкам ОБПФ. По принятому сигналу можно сразу же определить качество передачи, графики также показывают распределение несущих по уровням уже БПФ и их фазы, а также показывают график распределения фаз и амплитуд, несущих в виде созвездия
Вводим в программу данные для запуска работы системы, вводимые данные отображены в таблице 6.1
Таблица 6.1 – Вводимые в систему параметры
Параметры
Значения
Размер вводимого изображения
800 x 600
Размер ОБПФ
2048
Кол-во несущих
1009

61
Продолжение таблицы 6.1
Метод модуляции
QPSK
Максимальное значение пик фактора
9 dB
Соотношение сигнал/шум
12 dB
В результате выполнения программы процент битовых ошибок составил 0,68%, а процент ошибок пикселей 1,80%. Это происходит потому что размер OFDM символа не равен размеру в источнике, а также вид модуляции не 256-PSK.
С процентом пиксельных ошибок 1,80% шум на полученной картинке весьма заметен, хотя информация, полученная вполне может является приемлемой для использования.
Рисунок 6.1 – Скорость выполнения программы
Первый график на рисунке 7.3 показывает, что ОБПФ позиции почти полностью заполнены несущими. Второй график показывает уровни фаз, разбитых на четыре уровня QPSK. Уменьшая объем ОБПФ примерно на половину, а все остальные параметры оставив не измененными то время выполнения всего процесса почти не изменится. Это происходит потому что программа следит только за общем числом символов, формирующих один

62 кадр, и это число почти не меняется. Время процесса зависит от общего числа выполняемых операций, что в свою очередь зависит от числа кадров, которые требуется с модулировать и демодулировать. Для более наглядного выяснения скорости работы программы стоит сравнить ее при использовании различных типов модуляции. На рисунке 6.1 можно пронаблюдать как влияет вид модуляции на время выполнения программы. Также на рисунке 6.2 видно как возрастает количество битовых ошибок с изменением модуляции.
В итоге при самой быстрой передаче данных коэффициент битовых ошибок будет максимальным.
Рисунок 6.2 – Зависимость процента битовых ошибок от вида модуляции
Коэффициент сигнал-шум обратно пропорционален коэффициенту ошибок. Чтобы продемонстрировать это проводится эксперимент, задаются новые параметры, они приведены ниже в таблице 6.2
Таблица 6.2 Вводимые в систему параметры
Параметры
Значения
Размер вводимого изображения
600 x 900
Размер ОБПФ
1024
Кол-во несущих
400

63
Продолжение таблицы 6.2
Максимальное значение пик фактора
3 dB
Соотношение сигнал/шум
0 dB
График на рисунке 6.3 показывает зависимость между всеми видами модуляции и соотношением битовых ошибок к сигнал / шум. На нем видно, что значение битовых ошибок в некоторых видах модуляции может быть приемлемых только при высоком соотношении сигнал шум. Например, при модуляции 256-PSK при низком соотношении сигнал/шум можно сказать, что показатель BER очень высок. На рисунке 6.4 можно пронаблюдать зависимость пиксельных ошибок и сигнал / шум. Тут примерно все так же, как и на рисунке 6.3, но можно пронаблюдать в каких видах модуляции значение пиксельных ошибок приемлемо, даже при низком значении соотношения сигнал/шум
Рисунок 6.3 - зависимость между всеми видами модуляции и соотношением битовых ошибок и сигнал / шум

64
Рисунок 6.4 – зависимость пиксельных ошибок и сигнал / шум
Как и ожидалось более высокий уровень модуляции требует больше коэффициента сигнал-шум чтобы уменьшить коэффициент битовых ошибок.
Также и на рисунке 6.4 256-PSK и 16-PSK требуют значительно большего коэффициента сигнал-шум для передачи с приемлемым процентом ошибок. Рисунки с 6.5 по 6.9 показывают оригинальное изображение и принятые изображения для различных видов модуляции с разным коэффициентом сигнал-шум.

65
Рисунок 6.5 – Оригинальное изображение

66
Рисунок 6.6 – Принятые изображения используя BPSK

67
Рисунок 6.7 – Принятые изображения используя QPSK

68
Рисунок 6.8 - Принятые изображения используя 16-PSK

69
Рисунок 6.9 - Принятые изображения используя 256-PSK

70 7. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
В экспериментальной части мы проводим испытание системы с вводимым изображением с компьютера пользователя. Вводимые данные и сам процесс программы отображен на рисунке 7.1

71
Рисунок 7.1 - Процесс работы программы
Входное и выходное изображения приведены на рисунках 7.2 – 7.3
Рисунок 7.2 – Оригинальное изображение

72
Рисунок 7.3 – Принятое изображение
Передача
Как и говорилось ранее процесс передачи сопровождается определенными графиками (рисунок 7.4)

73
Рисунок 7.4 – Передача OFDM сигнала

74
Прием
Как и говорилось ранее процесс приема информации сопровождается определенными графиками (рисунок 7.5)
Рис.7.5 – Прием OFDM сигнала

75
В процессе эксперимента мы передали и приняли изображение через
OFDM системы. Если сравнить два изображения то можно сразу заявить, что качество принятого изображения весьма хуже чем оригинальное, хотя процент потери данных всего примерно 0,49%, а также это можно заметить по показателям BER и процента пиксельных ошибок.

76 8. КОНСТРУКТОРСКАЯ ЧАСТЬ
8.1 Технология изготовления печатных плат
Печатная плата (ПП) (на англ. PCB — printed circuit board) — пластина, выполненная из диэлектрика, на которой сформирована (обычно печатным методом) хотя бы одна электропроводящая цепь (электронная схема).
Печатная плата предназначена для электрического и механического соединения различных электронных компонентов или соединения отдельных электронных узлов. Электронные компоненты на печатной плате соединяются своими выводами с элементами проводящего рисунка, обычно пайкой, накруткой, склёпкой, впрессовыванием, в результате чего собирается электронный модуль (или смонтированная печатная плата).
Применение печатных проводников позволяет заменить монтажные провода и некоторые соединительные детали, а в связи с этим отпадают ручные работы по производству ряда монтажных операций. Сейчас практически во всей радиоаппаратуре печатный монтаж – основной способ соединения элементов. Печатный монтаж – система печатных проводников, обеспечивающих соединение элементов схемы. Печатный монтаж менее трудоемок, чем навесной, не требует монтажников высокой квалификации и легко поддается автоматизации и механизации.
8.2 Классификация конструкций печатных плат
Печатная плата с установленными и смонтированными на ней электронными компонентами представляет собой печатный узел, способ его формирования называют печатным монтажом. Проводники, лежащие в одной плоскости, называют печатным рисунком, слоем. По функциональному

77 назначению различают сигнальные (информационные), потенциальные
(заземление, питание), экранирующие и технологические слои проводников, а по расположению - внутренние и внешние слои. Кроме проводников платы содержат:
- присоединительные элементы монтажа: контактные площадки и монтажные отверстия;
- фиксирующие (базовые) элементы для совмещения выводов корпусов электронных компонентов с контактными площадками или монтажными отверстиями на печатной плате;
- печатные ламели для контактирования с разъемами;
- теплоотводящие и тепловыравнивающие участки;
- маркированные слои;
- технологические контактные площадки;
-паяльные маски - термостойкое электроизоляционное пленочное покрытие;
- элементы схем, выполняемые методами печати: индуктивности, емкости, сопротивления.
В зависимости от назначения и от возможностей производства печатные платы выполняют односторонними, двусторонними или многослойными, на жестком или гибком основании.
Односторонние печатные платы представляют собой изоляционное основание, на одной стороне которого выполнен проводящий рисунок. Для механической фиксации выводов штыревых компонентов в плате служат сквозные неметаллизированные отверстия, а для присоединения - контактные площадки, которыми заканчиваются все печатные проводники. Трассировка проводников на одной поверхности (в одном слое, в одном уровне) не позволяет разрешить конфликт пересекающихся трасс иначе, как установкой навесных проводных перемычек.
Двусторонняя печатная плата имеет одно основание, на обеих сторонах которого выполнены проводящие рисунки, и все требуемые электрические

78 соединения двух сторон, соединяются преимущественно сквозными металлизированными отверстиями. Конфликты пересекающихся соединений здесь решаются возможностью переноса конфликтующей трассы в обход на другую сторону печатной платы с использованием металлизированных отверстий. Такое отверстие для переноса трассы называют переходным, в отличие от монтажного. При этом конструкция переходного отверстия может быть произвольной, а монтажного - по нормам формирования паяного узла.
Тем не менее, полностью конфликтность трасс не разрешается: цепи питания и земли, монтажное поле для присоединения выводов многовыводных компонентов (микросхем) мешают свободному размещению сигнальных трасс. Эта конфликтность частично разрешается в четырех слоях межсоединений.
Четырехслойные печатные платы содержат на внутренних слоях потенциальные цепи (питания и земли), а на внешних (наружных) слоях сигнальные трассы и монтажное поле присоединения компонентов.
Конструкции четырехслойных печатных плат выгодно выполнять так, чтобы их можно было изготавливать по технологии двусторонних.
Многослойные печатные платы (МПП) содержат чередующиеся слои тонких изоляционных подложек с нанесенными на них проводящими рисунками, физически соединенными в одно многослойное основание.
Электрические соединения в многослойной структуре МПП осуществляются сквозными (преимущественно) или глухими отверстиями. Каждый из внутренних слов может представлять собой одностороннюю плату или двустороннюю с межслойными переходами.
Слои в МПП имеют определенное функциональное назначение:
- наружные монтажные спои конструируются и используются для монтажа электронных компонентов;
- сигнальные слои, несут на себе топологическую схему сигнальных межсоединений;

79
- слои земли и питания выполняют, как правило, большими полигонами с минимальным омическим и индуктивным сопротивлениями, они одновременно служат электрическими экранами, заземленными по высокой частоте развязывающими емкостями;
- теплоотводящие или тепловыравнивающие слои.
Увеличение плотности компоновки, связанное с этим увеличение количества межсоединений обычно решались увеличением слоев.
Существуют примеры создания 40 и более слойных МПП. Сегодня преимущественное направление увеличения количества межсоединений:
- увеличение плотности трасс за счет уменьшения шага трассировки с одновременным уменьшением ширины проводников;
- выполнения межслойных переходов в шаге трасс, то есть в размерах тонких проводников;
- выполнением многоуровневых межсоединений в многослойных структурах: сквозных, слепых, глухих.
Гибкие печатные платы, по существу, реализации межсоединений подобны односторонним, двусторонним и многослойным с той разницей, что изоляционные и металлические слои выполняются тонкими, для гибкости и из материалов, выдерживающих многократные изгибы.
8.3 Разводка печатной платы блока преобразования питания
В данной работе была выполнена разводка печатной платы преобразования питания. Разводка печатный платы производилась в системе
Altium Designer. Плату следует изготавливать из фольгированного стеклотекстолита методом травления. Плата имеет два слоя. Крепление платы к несущей конструкции корпуса осуществляется при помощи двух винтовых соединений, диаметр отверстий под винтовые соединения выбран
2,9 мм. Плата так же должна покрываться защитной маской – медной.