Моделирование радиотехнических и телекоммуникационных устройств

Е. А. Григорьевых
Д. Г. Хафизов
Р. Г. Хафизов

МОДЕЛИРОВАНИЕ РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ 

И ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ УСТРОЙСТВ

Учебное пособие

Йошкар-Ола

ПГТУ
2023

УДК 621.396.6(075.8)
ББК  32.844я73

Г 83

Р ецензенты :
Загайнов К. А., Начальник центра эксплуатации филиала в Республике 
Марий Эл ПАО «Ростелеком»;
Павлов В. В., канд. техн. наук, доцент кафедры радиотехники и связи
Поволжского государственного технологического университета

Печатается по решению

редакционно-издательского совета ПГТУ

Григорьевых, Е. А. 

Г 83    Моделирование радиотехнических и телекоммуникационных 

устройств: учебное пособие / Е. А. Григорьевых, Д. Г. Хафизов, 
Р. Г. Хафизов. – Йошкар-Ола: Поволжский государственный технологический университет, 2023. – 92 с.
ISBN 978-5-8158-2323-5

Учебное пособие включает описание четырех разделов по вопросам 

формирования и детектирования основных типов модулированных сигналов в программах Mathcad, GnuRadio и Labview. Каждый раздел сопровождается практической работой и контрольными вопросами.

Для студентов специальности 11.05.01 «Радиоэлектронные системы и 

комплексы», направлений подготовки 11.04.01 «Радиотехника», 12.03.04, 
12.04.04 «Биотехнические системы и технологии», 09.03.02, 09.04.02 
«Информационные системы и технологии».

УДК 621.396.6(075.8)

ББК 32.844я73

ISBN 978-5-8158-2323-5
 Е. А. Григорьевых, Д. Г. Хафизов, 
Р. Г. Хафизов, 2023
© Поволжский государственный
технологический университет, 2023

ОГЛАВЛЕНИЕ

Используемые сокращения................................................................4
Введение..............................................................................................5

1. Общая структура радиотехнических 
и телекоммуникационных систем.................................................8

Контрольные вопросы и задания...............................................21

2. Преобразование частоты и фильтрация сигналов ..............22

Контрольные вопросы и задания...............................................45

3. Модуляция сигналов..................................................................46

3.1. Амплитудные модуляторы..................................................46
3.2. Частотные модуляторы........................................................59
3.3. Фазовые модуляторы ...........................................................66
Контрольные вопросы и задания...............................................71

4. Детектирование модулированных сигналов.........................72

4.1. Амплитудное детектирование.............................................72
4.2. Частотное детектирование...................................................82
4.3. Фазовое детектирование......................................................86
Контрольные вопросы и задания...............................................89

Заключение........................................................................................90
Список литературы...........................................................................91

ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ СОКРАЩЕНИЯ 

LO (LocalOscillator) – гетеродин
PLL (PhasedLockedLoop) – ФАПИ – фазовая автоподстройка частоты
SDR (Software-defined radio) – программно определяемая радиосистема
АМ – амплитудная модуляция
АПЧ – автоматическая подстройка частоты
АРУ – автоматическая регулировка усиления
АЦП – аналого-цифровой преобразователь
ВАХ – вольт-амперная характеристика
ВВВ – высоковольтный выпрямитель
ВП – виртуальный прибор
ВЦ – входная цепь
ВЧРМ – входной радиочастотный модуль
ГУН – генератор, управляемый напряжением
ИС – интегральная схема
МШУ – малошумящий усилитель
ОГ – опорный генератор
ПЧ – промежуточная частота
РЛС – радиолокационная система
РПУ – радиопередающее устройство
См – смеситель
СтД – стереодекодер
УВЧ – усилитель высокой частоты
УЗЧ – усилитель звуковой частоты
УМ – усилитель мощности
УПЧ – усилитель промежуточной частоты
УРЧ – усилитель радиочастоты
ФВЧ – фильтр высоких частот 
ФД – фазовый детектор
ФМ – фазовая модуляция
ФНЧ – фильтр нижних частот
ЧМ – частотная модуляция

ВВЕДЕНИЕ

Моделирование – это метод научного познания, при использо
вании которого исследуемый объект или явление замешается 
другим, более простым объектом, называемым моделью. В результате изучения свойств, параметров, поведения модели появляется возможность получения новой информации об исследуемом объекте или явлении, что позволяет расширить и углубить 
их описание и понимание. 

Математическим моделированием называется исследование 

объекта или явления с помощью математической модели, которая 
воспроизводит наиболее важные черты оригинала. При этом составляется такое списание процессов, которое, с одной стороны, 
достаточно полно характеризует эти процессы и пригодно для 
решения поставленных перед моделированием задач, а с другой –
является приемлемым для программирования и решения на ЭВМ.

В общем случае процесс моделирования можно разбить на че
тыре основных этапа. 

На первом этапе производится формулировка задач и целей 

моделирования, разработка математической модели и программы 
ее исследования. Задачи моделирования должны определить совокупность новых сведений, которые необходимо получить в результате моделирования, определить границы подлежащего моделированию объекта или явления, определить совокупность ограничений и допущений, при которых будет проводиться моделирование. 
Точная формулировка целей позволяет максимально упростить 
модель, исключив из нее не относящиеся к делу детали или специализировав модель. На этом же этапе осуществляют сбор и оценку 
априорной информации об объекте исследования. 

Второй этап включает в себя программирование математиче
ской модели и отладку моделирующей программы. На этом этапе 

выбирается конкретный тип программы (пакет программ) для 
решения поставленной задачи, проводится программирование 
математической модели, осуществляется реализация модели, 
включая и ее отладку. 

На третьем этапе проводятся эксперименты для заданных 

условий и ситуаций использования исследуемого объекта. 

На четвертом этапе осуществляется интерпретация резуль
татов моделирования, позволяющая получить новую информацию об объекте моделирования.

Радиотехнические и телекоммуникационные системы и 

устройства независимо от назначения представляют собой совокупность средств и приборов, соединенных между собой и предназначенных для целенаправленного выполнения единой задачи 
или ряда задач, связанных с передачей, приемом и преобразованием информации. При исследовании радиотехнических и телекоммуникационных систем и устройств методами моделирования 
могут возникать значительные сложности, связанные с тем, что 
они являются сложными системами с большим числом элементов 
и связей между ними. 

В учебном пособии представлены, кроме необходимых теоре
тических сведений, практические рекомендации по моделированию радиотехнических и телекоммуникационных систем и 
устройств в средах программирования MathCad, LabVIEW, 
а также в пакете программ GNU Radio с применением SDR
HackRFOne.

MathCad представляет собой систему автоматизированного 

проектирования с графическим режимом ввода выражений, позволяющую выполнять различные численные и символические 
вычисления. Имеет простой и интуитивный для пользователя интерфейс.

Среда программирования LabVIEW (англ. Laboratory Virtual

Instrumentation Engineering) представляет собой среду разработки 

для создания программ на графическом языке программирования 
фирмы National Instruments. В основе программирования используется понятие виртуальных приборов (ВП), состоящих из «лицевой панели» и «схемы». 

Программно определяемая радиосистема (англ. Software
defined radio, SDR) представляет собой радиопередатчик и/или 
радиоприёмник, позволяющую с помощью программного обеспечения управлять параметрами (рабочая частота, полоса приема, 
тип модуляции) радиопередачи и/или радиоприемом.

Пакет программ GNU Radio предназначен для обеспечения 

управления SDR и цифровой обработки сигналов и состоит из 
большого числа готовых блоков. В состав GNU Radio входит 
также визуальный редактор GNU Radio Companion, позволяющий 
визуально соединять блоки в готовое «устройство».

Предлагаемое вниманию читателей учебное пособие посвя
щено моделированию радиотехнических и телекоммуникационных устройств. Продолжением его будет издание, где предлагается рассмотреть радиотехнических и телекоммуникационных 
систем.

Авторы выражают благодарность проректору по развитию 

университетского комплекса, д-ру техн. наук, профессору Алексею Аркадьевичу Роженцову и заведующему кафедрой радиотехнических и медико-биологических систем, канд. техн. наук, доценту Алексею Александровичу Баеву за поддержку работ при 
подготовке материалов учебного пособия, а также студенту 4-го 
курса специальности «Радиоэлектронные системы и комплексы»
Алексею Масликову за помощь в работе с пакетом программ GNU 
Radio с применением SDR HackRFOne.

1. ОБЩАЯ СТРУКТУРА РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ

И ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ СИСТЕМ

Радиотехнические и телекоммуникационные системы могут 

классифицироваться по различным признакам, например, по 
назначению (системы передачи информации, извлечения информации, разрушения информации и др.), способу передачи информации (аналоговые, цифровые), типу используемой среды передачи информации (эфирные, кабельные, оптоволоконные) и т.п. 
При этом, несмотря на назначение и используемые методы обработки сигналов в различных системах, их объединяет единый 
подход к построению структуры. Как правило, они содержат 
одинаковые по назначению блоки и устройства. 

Ниже рассмотрим структуры некоторых радиотехнических 

и телекоммуникационных систем.

Радиолокационные системы

Радиолокационная система (РЛС) представляет собой сложное 

радиотехническое устройство и состоит из большого числа элементов и устройств. На рисунке 1.1 представлена обобщенная 
структура РЛС.

Передающее устройство РЛС представляет собой комплекс 

устройств, предназначенный для формирования и излучения радиолокационных сигналов. При этом происходят генерация, усиление и управление параметрами колебаний в соответствии с передаваемой информацией (модуляция). Взаимодействие элементов радиопередающего устройства (РПУ) начинается с преобразования высоковольтным выпрямителем (ВВВ) напряжения первичных источников питания в высокое постоянное напряжение.

Рис. 1.1. Обобщенная структурная схема РЛС

Из этого напряжения модулятор формирует мощные модули
рующие импульсы и подает их либо на генератор, либо на усилитель мощности (УМ). Во время действия модулирующего импульса формируются либо усиливаются мощные импульсы электромагнитной энергии сверхвысокой частоты. Моменты формирования модулирующих импульсов определяются импульсами 
синхронизации.
Сформированные радиопередающим устрой
ством радиоимпульсы через элементы высокочастотного тракта 
поступают на распределительно-волноводные схемы антенной 
системы.

Принятые антенной системой эхо-сигналы по волноводному 

тракту через волноводно-коаксиальный переход поступают на 
вход радиоприемного устройства.
В приемном тракте эхо
сигналы, усиленные в усилителе высокой частоты (УВЧ), поступают на смеситель, где преобразуются на промежуточную частоту. Необходимое для преобразования опорное напряжение поступает от местного гетеродина. На входе смесителя установлен 

преселектор, обеспечивающий
требуемое ослабление помех, 

принимаемых по зеркальному каналу. Таким образом, в преобразователе осуществляется перенос спектра входных сигналов с 
высокой частоты в область промежуточных частот. Основное 
усиление и обработка сигналов производятся на промежуточной 
частоте. Аппаратура, реализующая эту обработку, находится на 
некотором удалении от антенны. Поэтому сигналы предварительно усиливаются специальными усилительными каскадами –
предварительным усилителем промежуточной частоты. Каскады 
его строятся широкополосными и служат не только для усиления 
сигналов по мощности, но и согласования с низкоомной нагрузкой (кабельными линиями).

Согласованная фильтрация одиночных узкополосных эхо
сигналов производится в усилителе промежуточной частоты 
(УПЧ), представляющем собой многокаскадный усилитель с линейными фильтрами, формирующими амплитудно-частотную 
характеристику, соответствующую форме и ширине главного лепестка спектра одиночного эхо-сигнала. Для обеспечения линейной обработки сигналов (без ограничения амплитуды) принимаются меры по расширению динамического диапазона УПЧ с помощью схем автоматической регулировки усиления (АРУ). Выходное напряжение УПЧ поступает на амплитудный или (и) фазовый детектор (ФД). 

Цифровая обработка сигналов в современных РЛС произво
дится, как правило, после фазового детектирования сигналов и 
предполагает преобразование аналогового сигнала в цифровой 
код с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП),
накопление сигналов, принятие решения о наличии или отсутствии эхо-сигнала в каждом элементе разрешения. После автоматического обнаружения эхо-сигнала производится автоматиче