Техническая эксплуатация транспортного радиооборудования (водный транспорт), высших учебных заведений водного транспорта Издательство фгоу впо вгавт н. Новгород, 2006




НазваниеТехническая эксплуатация транспортного радиооборудования (водный транспорт), высших учебных заведений водного транспорта Издательство фгоу впо вгавт н. Новгород, 2006
страница2/5
Дата10.11.2012
Размер0.61 Mb.
ТипДокументы
1   2   3   4   5

Цифровые сигналы

При передаче импульсных сигналов применяют специальное преобразование, называемое квантованием.

При передаче каждый импульс может иметь амплитуду лишь с разрешенным значением. Число разрешенных значений амплитуд импульсов конечно и задано. Например, на рис. 5 (в) разрешенные значения амплитуд пронумерованы цифрами 1, 2, 3, …; величина Δu равна разности между любыми двумя соседними разрешенными значениями амплитуд. Если истинное значение амплитуды импульса сигнала uΔ(t), подлежащее передаче, попадает между разрешенными значениями, то амплитуду передаваемого импульса принимают равной разрешенному значению, являющемуся ближайшим к истинному.

Итак, такое преобразование называют квантованием, совокупность разрешенных значений амплитуд передаваемых импульсов называют шкалой квантования, а интервал Δu между соседними разрешенными значениями – шагом квантования. Например, на рис. 5 (в) разрешенные значения амплитуд импульсов приняты равными целым числам 0; 1; 2; 3 и образуют равномерную шкалу квантования, которая может быть продолжена и на область отрицательных значений сигнала u(t); при этом шаг квантования Δu=1.

Последовательность импульсов, полученная в результате квантования импульсов сигнала uΔ(t), также является импульсным сигналом, для которого введем обозначения uц(t). Особенность этого сигнала состоит в том, что амплитуды импульсов теперь имеют только разрешенные значения и могут быть представлены десятичными цифрами с конечным числом разрядов. Такие сигналы называют дискретными или цифровыми. Квантование приводит к ошибке квантования e(t) = uц(t) – uΔ(t). На рис. 5 (г) приведен пример временной диаграммы ошибки е(t). Передача цифрового сигнала uц(t) вместо сигнала uΔ(t) фактически эквивалентна передаче импульсного сигнала uΔ(t) с предварительно наложенным на него сигналом ошибки е(t), который в этом случае может рассматриваться как помеха. Поэтому е(t) часто называют помехой квантования или шумом квантования.

Цифровая обработка сигналов

В последнее время все более широкое распространение во всех сферах деятельности получила цифровая обработка сигналов, что объясняется рядом ее преимуществ.

Цифровая обработка сигнала в приёмных системах может быть использована с того места радиотракта, где частота сигнала понижается настолько, чтобы можно было без потерь дискретизировать сигнал с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и обработать затем отсчёты сигнала цифровым сигнальным процессором или специализированным процессором.

При этом, наиболее выгодной с точки зрения цифровой обработки сигнала является обработка сигнала на нулевой ПЧ (на видеочастоте). При этом частота дискретизации, и, соответственно, скорость потока данных, поступающих на сигнальный процессор, являются минимально возможными, и сигнальный процессор больше времени может посвятить собственно обработке сигнала, чем операциям ввода отсчётов сигнала.

Так как снесение спектра осуществляется в ноль, то для сохранения информации сигнал должен быть представлен двумя своими квадратурами – косинусной и синусной. Схема обработки при этом должна быть квадратурной.


Преимущества цифровой обработки радиосигнала

К основным преимуществам цифровой обработки перед аналоговой обработкой относится:

  1. стабильность параметров обработки.

Если стабильность частоты настройки и в аналоговых приемниках с синтезаторами частоты достаточно высока, то характеристики смесителей, фильтров и демодуляторов изменяются от времени и температуры;

  1. возможность автоматической адаптации к условиям приема и характеру сигнала, состоящей в оптимизации структуры, характеристик и параметров приемника и всех устройств, входящих в приемный комплекс;

  2. способность работать как с традиционными, так и с новыми видами модуляции, с кодированными сигналами и сигналами с временным и частотным уплотнением каналов при приемлемых масса/габариты/стоимость показателях (при чисто аналоговой обработке эти показатели катастрофически возрастают при усложнении модуляции);

  3. сокращение времени настройки, возможность работы с прыгающей частотой за счет новых подходов к построению гетеродина (синтезатора частоты), получения за счет цифровой обработки сигнала ПЧ с широкой полосой панорамы спектра диапазона принимаемых частот и цифрового анализа этого спектра;

  4. многоканальность с идентичными характеристиками каналов. Реализация принципа: один приёмник - много каналов приёма,

  5. возможность мониторинга спектра принимаемых частот. Эта функция реализовывалась с помощью дорогостоящих панорамных приставок. При цифровой обработке радиосигнала функция мониторинга спектра реализуется сигнальными процессорами с помощью быстрого преобразования Фурье (БПФ) различной длины и статистической обработки спектра;

  6. новые  возможности при  встраивании приемника в вычислительный обрабатывающий комплекс. Если ранее аналоговые приемники могли лишь управляться от компьютера (перестройка частоты, управление усилением и фильтрами, выбор демодулятора), то теперь в компьютер вводится цифровой поток данных из приемника, предназначенный для дальнейшей обработки и/или запоминания. Сам же приемник может быть выполнен в виде модуля, встраиваемого в крейт вычислительного комплекса или ПЭВМ;

  7. снижение массы, габаритов и схемотехническое упрощение, и, как следствие, существенное повышение надежности;

  8. снижение цены по сравнению с аналоговым приемником из-за большей технологичности и небольшого количества и невысокой цены компонентов при массовом производстве.


Структура цифрового приемника

 На рис. 6 изображена структурная схема одного канала современного приёмного многоканального комплекса, в котором использованы современные технические решения в области цифровой обработки радиосигнала на ПЧ.

  АЦП преобразует аналоговый сигнал в цифровой поток отсчётов и дальнейшая обработка выполняется цифровым образом.

О


Рис. 6 . Структурная схема одного канала современного приёмного многоканального комплекса
сновные элементы цифровой части приёмника сосредоточены в модуле цифрового приёмника. Этот модуль производит канальную фильтрацию и демодуляцию сигнала. Модуль может обрабатывать один или несколько каналов приёма.

Основные компоненты модуля - высокочастотный АЦП, цифровой квадратурный понижающий преобразователь DDC (их может быть несколько) и сигнальный процессор (процессоры).

Кроме перечисленных функций, модуль цифрового приёмника может производить мониторинг спектра входного сигнала с помощью быстрого преобразования Фурье (БПФ).

С выхода модуля информационный поток демодулированных данных от одного или нескольких каналов приёма поступает в вычислительную среду для дальнейшей обработки. В эту вычислительную среду поступают данные и от других аналогичных приёмных модулей, которые подключены к выходу ПЧ аналоговых приёмных трактов других диапазонов. В модуле цифрового приёмника отсчёты с выхода АЦП обрабатываются специализированным сигнальным процессором DDC (Digital Down Converter).

Функции этого процессора - преобразование информативного спектра частот в область низких (нулевых) частот, квадратурная фильтрация и децимация отсчётов сигнала.

Децимация (в k раз) – сокращение размера сигнала путем удаления последовательностей из k-1 избыточных отсчетов (т.е. остается лишь каждый k-й отсчет).

Децимация сигнала производится, как правило, после его преобразования, сужающего ширину спектра сигнала в k раз. Это и приводит, согласно теореме Найквиста-Колмогорова, к сокращению числа отсчетов, необходимых для полного восстановления сигнала, в k раз.

По реализуемым функциям - это цифровой приёмник прямого преобразования. DDC имеет два перемножителя, генератор отсчетов SIN и COS, идентичные каналы НЧ децимирующих фильтров. Частота настройки внутреннего генератора может изменяться в диапазоне от 0 до 25МГц (до половины тактовой частоты DDC). Частота среза фильтров изменяется от сотен Гц до сотен кГц. Процессор производит децимацию отсчётов сигнала для того, чтобы скорость потока данных с выхода DDC была сообразна ширине спектра выходного сигнала.

 



Рис. 7. Преобразование спектра в DDC

На рис. 7 показано преобразование спектра сигнала с выхода АЦП, производимое DDC.
Следует отметить, что на выходе DDC отношение Сигнал/Шум выше, чем на входе, из-за эффекта процессорного усиления. Возрастание отношения Сигнал/Шум весьма значительное.

Сейчас цифровая обработка сигнала (ЦОС) аппаратно организована на процессоре цифровой обработки, в состав которого может входить и АЦП с ЦАП. Для разработки программ ЦОС существует специальное программное обеспечение.

Целевая система, построенная на процессорах ЦОС, представляет собой сложный комплекс, состоящий из множества компонентов, связанных различными интерфейсами. Для моделирования и выполнения программ ЦОС существуют интегрированные среды.

Интегрированные среды объединяют в себя мощные средства для инженерных и научных расчетов, и визуализации полученных данных.

Все пакеты имеют средства для обработки сигналов. Они имеют открытую архитектуру и позволяют организовать взаимодействие с аппаратурой ЦОС, подключать стандартные DLL. Управляющие библиотеки модулей ЦОС и беспроцессорных модулей могут быть подключены к указанным пакетам с использованием их стандартных средств для работы с DLL.

Виды обработки сигналов

По задачам, решаемым в результате обработки сигнала, она подразделяется на:

  1. первичную,

  2. вторичную,

  3. третичную.

Как и любая классификация, такое разделение весьма условно и зависит от специфики решаемой задачи, области применения и материальных средств, которые могут быть в нее вложены.

К первичной обработке относится измерение отдельных параметров сигнала.

Задачами вторичной обработки могут быть расчет спектров, распознавание образов, статистический анализ результатов.

Формирование баз данных и баз знаний, разработку рекомендаций для специалистов можно отнести к третичной обработке.

Вторичная обработка производится преимущественно в отложенном режиме и осуществляется устройствами вторичной обработки (УВО) в роли которых обычно выступают персональные ЭВМ. Однако однозначно провести границу между первичной и вторичной обработкой невозможно.

Например, в системах дистанционного кардиомониторинга, где также осуществляется прием и обработка сигнала, первичная обработка включает в себя следующие этапы:

  1. усиление электрокардиосигнала (ЭКС);

  2. оцифровка;

  3. фильтрация от помех;

  4. компрессия;

  5. передача ЭКС по каналам связи.

Другой пример - спутниковые радионавигационные системы (СРНС).

Математическое обеспечение спутниковой радионавигации распадается на первичную и вторичную обработки информации, определяемые следующим образом.

Первичная обработка решает задачи поиска и обнаружения сигналов, слежения за ними, измерения радионавигационных точек (РНП), приема и декодирования служебной информации.

Получаемые на выходе РНП лишь функционально связаны с вектором состояния потребителя, компонентами которого являются координаты и составляющие вектора скорости потребителя в гринвичской системе координат.

Вторичная обработка преобразовывает РНП в вектор на основе навигационных алгоритмов и обеспечивает решение сервисных задач, состав которых зависит от требований потребителя.

В литературе [1] в главе 6 авторы дают следующее деление методов и алгоритмов обработки сигналов в своей области на первичную и вторичную:

“Алгоритмы первичной обработки - алгоритмы поиска сигналов по задержке и частоте, алгоритмы фильтрации фазы, задержки сигнала и оценки дискретного параметра. Алгоритмы вторичной обработки - итерационные алгоритмы определения координат, определение координат при избыточности измерений, сравнение точности оценок координат потребителя, полученных псевдодальномерным и разностнодальномерным методами”.

Условимся в учебных целях первичной называть достаточно простые преобразования сигнала, выполняемые в режиме реального времени непосредственно в месте приема сигнала. Это может быть усиление, оцифровка, фильтрация, компрессия и решение практических задач статистического анализа данных.

Вторичной обработкой будем считать обработку, осуществляемую в отложенном режиме времени, требующую для своей реализации более сложного математического обеспечения.

Третичной назовем обработку, на основе которой должны быть приняты так называемые управляющие решения (решения с очень весомыми последствиями). Одной из характеристик последних является то, что для их принятия необходимо привлечение и анализ большого количества обработанной информации по большому количеству параметров с привлечением баз данных и баз знаний, методов многокритериального оценивания, оптимизации решений и т. д.


Методы анализа процессов, протекающих в РПУ

Одним из наиболее универсальных методов познания является метод математических моделей (математическое моделирование).

Математическая модель - это описание какого-либо класса явлений реального мира на языке математики. Метод моделирования дает возможность применять математический аппарат к решению практических задач. Понятия числа, геометрической фигуры, уравнения, неравенства, функции, производной являются простейшими примерами математических моделей.

Независимо от предыдущей классификации любой вид обработки сигналов любого вида базируется на построении математической модели. Математическая модель определяет необходимое программное обеспечение для своей реализации и определяется тем математическим методом, который выбран для ее получения.

Не претендуя на полноту охвата, перечислим основные методы, применяемые для анализа процессов, протекающих в РПУ:

  1. Метод, основанный на Фурье-преобразовании,

  2. операционный метод (преобразование Лапласа-Карсона),

  3. метод на основе интеграла наложения (интеграла Дюамеля),

  4. метод, основанный на решении неоднородного линейного дифференциального уравнения,

  5. метод, основанный на вейвлет-преобразовании.

Здесь мы остановимся на введении в вейвлет-анализ, как наиболее распространяющийся в настоящее время, а применяемый нами на практике 4-й метод подробно изложен в литературе [3].


Вейвлеты

Вейвлеты (wavelets) — это обобщенное название временных функций, имеющих вид волновых пакетов той или иной формы, локализован­ных по оси независимой переменной (t или х) и способных к сдвигу по ней и масштабированию (сжатию-растяжению). Вейвлеты создаются с помощью специальных базисных функций — прототипов, задающих их вид и свойства. По локализации во временной и частотной областях они занимают промежуточное положение между синусоидальной функ­цией и функцией Дирака.

Общая характеристика и место вейвлетов

Набор вейвлетов, в их временном или частотном представлении, мо­жет приближать сложный сигнал или изображение, причем идеально точно или с некоторой погрешностью. Вейвлеты имеют явные преимущества в представлении локальных особенностей функций но сравне­нию с рядами Фурье. В области обработки изображений они дают но­вые эффективные способы обработки изображений, например, удале­ния из них шума и сжатия файлов, хранящих изображения.

Благодаря прекрасному представлению локальных особенностей сигна­лов, принципиально отсутствующему у рядов Фурье, вейвлеты нашли практическое применение для анализа тонких особенностей сложных сигналов и изображений, для их сжатия и очистки от шума. Это по­лезно в геофизике, биологии, медицине, радиотехнике и других от­раслях науки и техники. Вейвлет-преобразования считаются пер­спективными для передачи сжатых изображений по каналам Интер­нета с ограниченной пропускной способностью. Они уже положены в основу новейшей техники сжатия видеоинформации по массово­му и популярному стандарту записи видеофильмов на компакт-диски - MPEG 4.

1   2   3   4   5

Похожие:

Техническая эксплуатация транспортного радиооборудования (водный транспорт), высших учебных заведений водного транспорта Издательство фгоу впо вгавт н. Новгород, 2006 iconУчебно-методическое пособие для выполнения курсовых работ Нижний Новгород Издательство фгоу впо «вгавт»
Автоматизация технологических комплексов./ А. В. Соловьев, Е. Н. Поселенов – Н. Новгород: Изд-во фгоу впо «вгавт», 2012. – 74 с
Техническая эксплуатация транспортного радиооборудования (водный транспорт), высших учебных заведений водного транспорта Издательство фгоу впо вгавт н. Новгород, 2006 iconУчебно-методическое пособие для студентов всех специальностей технического вуза Нижний Новгород Издательство фгоу впо «вгавт»
Культура в информационном обществе: Учебно-методическое пособие / А. С. Балакшин. – Н. Новгород: Изд-во фгоу впо «вгавт», 2008. –...
Техническая эксплуатация транспортного радиооборудования (водный транспорт), высших учебных заведений водного транспорта Издательство фгоу впо вгавт н. Новгород, 2006 iconКраткий словарь терминов и разъяснений по правоведению Нижний Новгород Издательство фгоу впо «вгавт»
Государство и право : краткий словарь терминов и разъяснений по правоведению / С. Н. Кожевников. – Н. Новгород : Изд-во фгоу впо...
Техническая эксплуатация транспортного радиооборудования (водный транспорт), высших учебных заведений водного транспорта Издательство фгоу впо вгавт н. Новгород, 2006 iconТитульный лист
Омский институт водного транспорта (филиал) фгоу впо «Новосибирская государственная академия водного транспорта»
Техническая эксплуатация транспортного радиооборудования (водный транспорт), высших учебных заведений водного транспорта Издательство фгоу впо вгавт н. Новгород, 2006 iconТитульный лист
Омский институт водного транспорта (филиал) фгоу впо «Новосибирская государственная академия водного транспорта»
Техническая эксплуатация транспортного радиооборудования (водный транспорт), высших учебных заведений водного транспорта Издательство фгоу впо вгавт н. Новгород, 2006 icon160905 Техническая эксплуатация транспортного радиооборудования
Рабочей программой предусмотрено изучение следующих основных разделов (дидактических единиц)
Техническая эксплуатация транспортного радиооборудования (водный транспорт), высших учебных заведений водного транспорта Издательство фгоу впо вгавт н. Новгород, 2006 iconУчебное пособие для студентов очного и заочного обучения технических специальностей Нижний Новгород Издательство фгоу впо «вгавт»
Редакционная коллегия серии «Информационные технологии в системах управления и телекоммуникаций»
Техническая эксплуатация транспортного радиооборудования (водный транспорт), высших учебных заведений водного транспорта Издательство фгоу впо вгавт н. Новгород, 2006 iconОсновная образовательная программа высшего профессионального образования укрупненная группа 160000 «Авиационная и ракетно-космическая техника»
Специальность 162107. 65 «Техническая эксплуатация транспортного радиооборудования»
Техническая эксплуатация транспортного радиооборудования (водный транспорт), высших учебных заведений водного транспорта Издательство фгоу впо вгавт н. Новгород, 2006 iconМетодическое пособие для студентов очного и заочного обучения технических специальностей Ответственный редактор Ю. С. Федосенко Нижний Новгород Издательство фгоу впо «вгавт»
Редакционная коллегия серии «Информационные технологии в системах управления и телекоммуникаций»
Техническая эксплуатация транспортного радиооборудования (водный транспорт), высших учебных заведений водного транспорта Издательство фгоу впо вгавт н. Новгород, 2006 iconI. Область применения
Об утверждении и введении в действие федерального государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования...
Разместите кнопку на своём сайте:
Библиотека


База данных защищена авторским правом ©lib.znate.ru 2014
обратиться к администрации
Библиотека
Главная страница