Labview для радиоинженера: от виртуальной модели до реального прибора (стр. 1 из 2)
Е.16.О. LABVIEW ДЛЯ РАДИОИНЖЕНЕРА:
ОТ ВИРТУАЛЬНОЙ МОДЕЛИ ДО РЕАЛЬНОГО ПРИБОРА
Ю.К.Евдокимов, В.Р.Линдваль, Г.И.Щербаков
Казанский государственный технический университет им.А.Н.Туполева, 420111, г.Казань, ул.К.Маркса, д.10, (843)238-99-24, lindvall@ru.kstu-kai.ru
1. Введение
В последние годы в России издан ряд книг по LabVIEW, написанных В. К. Батовриным, В. В. Каратаевым, П. А. Бутыриным и их коллегами [1-4]. Следует здесь также отметить весьма содержательную книгу-справочник по функциям LabVIEW 7 А. Я. Суранова [5]. Большую популярность в среде пользователей LabVIEW имеет книга Л. И. Пейч, Д. А. Точилина, Б. П. Поллака [6]. Хорошим стартовым руководством может послужить книга Джеффри Тревиса [7].
По содержанию основная часть известных книг по LabVIEW предназначена для пользователей, желающих использовать LabVIEW, главным образом, как средство программирования. Другая часть книг посвящена применению LabVIEW в рамках инструментария, используемого в лабораторном практикуме или для автоматизации физических исследований.
Нам представляется, что можно выстроить содержание книги по LabVIEW так, что методика и ход изложения материала в книге будут связаны с получением или повышением профессиональных знаний в конкретной предметной области. При таком подходе LabVIEW является общим фоном, на котором читатель изучает какой-либо академический курс или предметную область.
Нами предпринята попытка реализации именно такого подхода. Особенность книги состоит в том, что возможности LabVIEW как среды программирования демонстрируются на примерах в конкретной предметной области. Эта предметная область - цифровая обработка сигналов, радиоэлектроника, компьютерные измерения и автоматизация эксперимента, электродинамика и распространение радиоволн. Мы полагаем, что в этом случае мотивация изучения LabVIEW у читателя будет значительно выше. Большая часть примеров в книге строится по известным методическим принципам «шаг за шагом», «от простого к сложному» или «делай как я», показавшим свою эффективность на курсах изучения LabVIEW.
2. Результаты работы
В докладе приведены материалы, которые связаны с той частью книги, где рассматриваются вопросы создания виртуального лабораторного практикума по дисциплине «Электродинамика и распространение радиоволн». Организация лабораторного практикума по электродинамике сопряжена с рядом принципиальных трудностей. Это в первую очередь то, что человеческие органы чувств не воспринимают действие электромагнитного поля радиочастотного диапазона, а, значит, отсутствует наглядность экспериментов. Значительную трудность представляет разработка лабораторных установок, обладающих необходимой надежностью и работоспособных в пытливых, но неумелых руках студентов. В настоящее время основным является теоретический подход к изучению электродинамики. Реальный эксперимент в учебной лаборатории электродинамики может лишь подтверждать некоторые моменты теоретических построений.
Вместе с тем моделирование и разработка виртуальных приборов в среде LabVIEW позволяют провести виртуальный эксперимент с полнотой и наглядностью, недостижимой даже в самой современной и оснащенной научной лаборатории. Ряд из вошедших в книгу результатов публиковался ранее [8-11].
При своем распространении плоская волна может встречать на своем пути различные объекты. Целью работы является изучение отражения и преломления плоской электромагнитной волны при её нормальном падении на границу раздела двух сред и исследование их с помощью виртуальной лабораторной установки. При изучении явления отражения и преломления электромагнитной волны на границе раздела двух сред представляют интерес два момента. Первым является изучение амплитудно-фазовых соотношений падающей, отраженной и преломленной волн и их зависимость от параметров граничащих сред (рис.1). Вторым является изучение распределение амплитуды поля в обеих средах (рис.2).
Рис.1. Лицевая панель ВИ «Отражение и преломление». Страница «Фазовая диаграмма амплитуд волн»
Рис.2. Лицевая панель ВИ «Отражение и преломление». Страница «Распределение амплитуд волн»
 |
Радиотехнические системы связи, телевизионного и звукового вещания используют свободное распространение электромагнитных волн в атмосфере Земли. Простейшим случаем является распространение радиоволн в свободном пространстве. Распространение радиоволны из точки излучения в точку приема происходит в некоторой существенной области пространства. Если распространение радиоволн происходит у поверхности Земли, то ее свойства оказывают сильное влияние на уровень поля в точке приема.
Рис.3. Лицевая панель ВИ «Распространение радиоволн в свободном пространстве»
Рис.4. Структурная схема ВИ «Распространение радиоволн в свободном пространстве»
Если трасса радиоволны уходит вверх, в тропосферу и ионосферу, то их свойства необходимо учитывать при расчете радиолиний. Эти явления достаточно хорошо исследованы. Однако их изучение в рамках натурного лабораторного эксперимента крайне затруднено ввиду самого масштаба этих явлений. Вместе с тем вполне реально осуществить их изучение на математических компьютерных моделях.
Мы предполагаем, что лабораторная установка позволит определять мощность на входе приемника при заданной дальности или максимальную дальность связи при заданной чувствительности приемника. Остальными исходными данными являются: частота сигнала в МГц, мощность передатчика в Вт, чувствительность приемника в дБ/мВт, КНД передающей и приемной антенн в дБ, КСВ этих антенн, длины в м и погонные затухания в дБ/м фидеров от передатчика до передающей антенны и от приемной антенны до приемника(рис.3 и 4).
В большинстве реальных радиолиний передающая и приемная антенны расположены вблизи земной поверхности. При этом ее электромагнитные параметры, форма, рельеф существенно влияют на уровень сигнала в точке приема. Целью следующей работы является изучение закономерностей распространения радиоволн вблизи поверхности Земли. Мы предполагаем, что лабораторная установка позволит определять относительный уровень поля в точке приема в зависимости от дальности, высот подъема передающей и приемной антенн, электрических параметров поверхности Земли. Остальными исходными данными являются: длина волны передатчика в м, ширина диаграммы направленности передающей антенны в вертикальной плоскости, вид поляризации поля.
Рис.5. Лицевая панель ВИ «Линия над Землей». Страница «Коэффициент отражения»
На странице «Коэффициент отражения» размещены два индикатора: «Модуль коэффициента отражения» и «Фаза коэффициента отражения в радианах» (рис.5). На них отображаются зависимости соответствующих величин от угла скольжения. Под каждым индикатором находится панель курсора, предназначенная для измерения графика на экране.
На странице «Амплитуда поля над землей» размещен графический индикатор «Амплитуда поля в мВ/м». На нем отображается зависимость амплитуды поля от расстояния в км (рис.6). Структурная схема установки приведена на рис.7.
Виртуальная лабораторная установка позволяет:
- Исследовать отражение волны от поверхности Земли при различных поляризациях, длинах волн и параметрах земной поверхности.
- Исследовать распределение поля по расстоянию на заданной высоте.
- Исследовать распределение поля по высоте на заданном расстоянии.
Рис.6. Лицевая панель ВИ «Линия над Землей». Страница «Амплитуда поля над землей»
Рис.7. Структурная схема ВИ «Линия над Землей»
Радиоволны над поверхностью Земли распространяются в ее газообразной оболочке – атмосфере. Строение атмосферы изменчиво в пространстве и во времени. Обычно ее разделяют на тропосферу, стратосферу и ионосферу. Тропосфера – самый нижний слой атмосферы. Целью работы является изучение электрических свойств тропосферы и закономерностей распространения радиоволн в ней.
Виртуальный прибор должен обладать возможностями по моделированию зависимости диэлектрической проницаемости от высоты и траектории распространения радиоволны в тропосфере. На рисунках приведены лицевая панель виртуальной установки и ее структурная схема (рис.8 и 9).
Рис.8. Лицевая панель ВИ «Тропосфера». Страница «Траектория волны в тропосфере»
Виртуальная лабораторная установка позволяет:
- измерять зависимость относительной диэлектрической проницаемости от высоты;
- определить, при каком значении угла становится возможен возврат волны к поверхности Земли;
- проводить измерения траектории волны в тропосфере.
3. Оборудование
Виртуальный лабораторный практикум реализован на персональных компьютерах с использованием лицензионного программного обеспечения LabView 7.1 фирмы National Instruments. В учебной компьютерном классе проводятся лабораторные практикумы для студентов направлений «Радиотехника» и «Телекоммуникации».