Развитие методов определения параметров радиосигнала по массиву мгновенных значений

Актуальность исследований.

Повышение эффективности методов и систем определения параметров радиосигнала (СОПР), в том числе сигналов систем радиосвязи и телевидения, является важной народнохозяйственной задачей, решение которой способствует повышению качества выпускаемой продукции, росту производительности и улучшению условий труда.

Современные принципы конфигурирования автоматизированных СОПР ориентированы на использование персональных компьютеров (ПК), модульных архитектур и стандартных интерфейсов [2,5,13,14,20,60]. Компьютерные технологии, и в особенности развитие класса вычислительных или виртуальных приборов (ВП), позволяют с наименьшими затратами обеспечить высокое качество, точность и достоверность получаемой информации [37,46,50,51,71]. Все большее число задач решается не на аппаратном, а на программном уровне. Развитие алгоритмических методов определения параметров радиосигнала обеспечивает гибкость, надежность, низкую стоимость и высокое быстродействие вычислительных СОПР.

Известно несколько вариантов архитектур СОПР, среди которых наибольшей гибкостью конфигурирования обладают крейтовые и виртуальные комплексы. Они применяются в качестве различных технологических и эксплуатационных систем испытаний, мониторинга и диагностики технических характеристик телекоммуникационных систем. Входящий в систему ПК не только обеспечивает цифровую обработку данных, но также реализует управление экспериментом, передачу и хранение информации. Новые подходы позволяют быстрее и с меньшими затратами создавать измерительные комплексы различной сложности от измерения параметров сигналов до анализа спектров и управления технологическими процессами с передачей результатов удаленным пользователям.

Большой вклад в разработку методов и создание аппаратуры для измерения параметров сигналов внесли творческие коллективы ряда российских высших учебных заведений и научно-исследовательских институтов. Активно в данной области работает ряд зарубежных фирм, таких как Hewlett-Packard, Texas Instruments, National Instruments, Tektronix и др.

Классиками цифровой обработки информации являются зарубежные и отечественные ученые: Оппегейн A.B., Шафер Р. В., Уидроу Б., Стирнз С. Рабинер Л. Р., Голд Б. Гольденберг JIM., Котельников В. А., Арутюнов П. А.,.

Трифонов А.П., Шинаков Ю. С., Орнатский П. П., Минц М. Я., Чинков В. Н., Шувалов В. П., Степанов A.B., Матвеев С. А. и многие др. В настоящее время опубликовано сотни работ освещающие различные теоретические и практические вопросы, связанные с цифровой обработкой сигналов.

Анализ публикаций по применению методов ЦОС в системах испытаний показывает, что они, в основном, рассматривают вопросы синтеза оптимальных по тем или иным критериям устройств или отдельных их элементов. Вместе с тем, в связи с бурным совершенствованием средств вычислительной техники методология, алгоритмизация и программное обеспечение обработки дискретизированных сигналов отстают в своем развитии от возможностей современных персональных компьютеров. Многие решенные ранее задачи цифровой обработки данных на сегодняшнем уровне могут решаться иначе, так как быстродействие ПК позволяет осуществлять необходимые преобразования в реальном времени или за очень короткое время. К тому же появились высокоскоростные, встраиваемые в ПК средства сбора и оцифровки данных.

В условиях непрерывного развития и жесткой конкуренции научных идей существенное значение имеет уменьшение стоимости и времени разработки СОПР, предполагающее использование унифицированных, совмещаемых друг с другом программных и аппаратных модулей. Однако программное обеспечение (ПО) широко известных западных фирм не ориентировано на отечественные инструментальные средства, а универсальных отечественных программных средств в настоящее время не существует. Когда необходимо быстро создать специализированную СОПР, разработчик вынужден пользоваться комплексом зарубежных аппаратно-программных средств, что очень дорого и не всегда эффективно. Приходится покупать оборудование и приборы, которые трудно совместить с отечественными средствами, имеющимися в распоряжении разработчика. При этом дополнительно может возникнуть задача метрологической аттестации СОПР, поскольку не все зарубежные инструментальные компоненты имеют отечественные сертификаты, позволяющие их использовать в России.

Таким образом, в настоящее время существует актуальная техническая и научная проблема разработки эффективных вычислительных средств определения параметров радиосигнала, реализующих современные методы цифровой обработки информации.

Цели и задачи исследований.

Целью исследования является разработка вычислительных методов определения параметров радиосигнала на основе алгоритмов цифровой обработки массива данных мгновенных значений, а также создание специализированных СОПР, эффективно функционирующих в реальном времени и имеющих метрологические характеристики, достаточные для практических приложений.

Основными задачами диссертационной работы являются:

1. Разработка методов восстановления формы сигнала.

2. Разработка методов и алгоритмов цифровой обработки массива данных мгновенных значений в задачах определения комплекса параметров радиосигнала, в том числе среднеквадратического значения (СКЗ), частоты и фазового сдвига, а также параметров амплитудной и частотной модуляции.

3. Создание, апробация и внедрение специализированных компьютерных систем определения параметров радиосигнала, реализующих контрольно-измерительные процедуры на алгоритмическом уровне.

Методы исследований.

В работе использованы методы ортогональных преобразований Фурье и Гильберта, цифровой фильтрации, математической статистики и теории вероятности, стробоскопического преобразования, математического моделирования, а также численные методы решения задач. Результаты работы.

В работе приведены материалы, обобщающие результаты теоретических исследований и опыт практической реализации методов цифровой обработки дискретизированных радиосигналов. При этом кроме описания методов ЦОС большое внимание уделено их программной реализации. Основные теоретические и практические результаты диссертации были получены автором в ходе выполнения научно-исследовательских работ, проводимых на кафедре радиотехники и радиосистем Владимирского государственного университета в период с 1998 по 2004 гг.

Научная новизна состоит в разработке методов и алгоритмов цифровой обработки массива данных мгновенных значений в задачах определения параметров радиосигнала:

1. Предложен метод несинхронизированного стробирования, который позволяет существенно расширить диапазон рабочих частот и упростить аппаратную часть СОПР. Показано, что несинхронизированное стробирование можно совмещать с преобразованием Фурье.

2. Предложен метод многоуровнего интерполирования и усреднения результатов для определения частоты и фазового сдвига периодического сигнала, который позволяет значительно увеличить базу данных без увеличения времени анализа.

3. Предложены методы определения частоты и параметров модуляции сигналов на основе преобразований Фурье-Гильберта, которые обеспечивают высокие точностные характеристики при паразитной модуляции, наличии шумов и ограниченной разрядности АЦП.

4. Предложен метод определения фазового сдвига с преобразованием дискретизированных сигналов из временной в частотную область по Фурье, который обеспечивает высокие характеристики в условиях нелинейных искажений, наличия шумов и ограниченной разрядности АЦП.

5. Предложены и исследованы алгоритмы измерения СКЗ во временной, а также в частотной области с использованием преобразования Фурье. Практические результаты диссертации были достигнуты в процессе выполнения научно-исследовательских работ по заказам предприятий г.

Владимира. Перечень результатов, имеющих практическую ценность:

1. Созданы и апробированы алгоритмы восстановления формы дискретизированного сигнала, позволяющие в несколько раз расширить полосу рабочих частот вычислительных приборов.

2. Создан комплекс виртуальных приборов широкого назначения, в состав которого входят: генератор сигналовосциллографанализатор спектраизмеритель корреляционной функцииизмеритель частотыизмеритель фазовых сдвиговизмеритель временных интерваловвольтметризмеритель нелинейных искажений. Разработанное программное обеспечение (ПО) позволяет заменить автономные приборы на виртуальные аналоги, уменьшая стоимость комплекса от 5 до 10 раз.

3. Для контроля, испытаний и мониторинга параметров затухания в канале распространения радиоволн создан специализированный комплекс виртуальных приборов, который позволяет оценить статистические параметры замираний в радиоканале.

4. Для решения задачи определения повторяемости огибающей сигнала разработаны программные средства нахождения коэффициента взаимной корреляции двух отрезков сигналов: начального отрезка и любого отрезка аналогичной длины, вырезаемого из выбранного интервала времени со сдвигом, программируемым пользователем.

5. Разработан и реализован специализированный комплекс виртуальных приборов для мониторинга параметров гармонического напряжения в течение длительного времени до многих суток и даже месяцев с сохранением информации в виде файлов данных.

Внедрение.

Теоретические и практические результаты работы внедрены на предприятиях г. Владимира, а также используются в учебном процессе на кафедре радиотехники и радиосистем ВлГУ. Полученные акты о внедрении подтверждают техническую и экономическую целесообразность применения разработанных в диссертации методов, алгоритмов и программных средств.

Получен акт использования научных результатов диссертации в ОАО завод «Электроприбор» (г. Владимир) — в созданном комплексе компьютерных приборов применены:

• Вычислительные методы определения параметров дискретизированного радиосигнала с использованием преобразования Фурье и Гильберта.

• Метод восстановления на экране компьютерного осциллографа формы дискретизированного сигнала.

Прошли испытания и внедрены следующие аппаратно-программные средства и комплексы на их базе:

• Специализированный комплекс вычислительных компьютерных приборов внедрен в 2004 г. на ФГУП «Крона» (г. Владимир).

• Комплекс аппаратно-программных средств автоматизированных приемо-сдаточных испытаний радиостанции «Фазан» внедрен в 2003 г. на ОАО завод «Электроприбор» (г. Владимир).

• Специализированный комплекс виртуальных приборов внедрен в 2001 г. во «Владимирском филиале учебно-методического и инженерно-технического центра Мосгосэнергонадзора».

• Аппаратно-программные средства «Комплекс виртуальных приборов» внедрены во Владимирском государственном университете в учебный процесс на кафедре радиотехники и радиосистем в лабораторный цикл: «Компьютерные системы контроля и измерения» .

Созданный комплекс виртуальных приборов позволяет решать проблемы оснащения учебных лабораторий современными компьютерными средствами измерений без существенных дополнительных затрат. Комплекс мониторинга состояния радиоканала^ настоящее время внедряется в Московском научно-исследовательском радиотехническом институте (МНИРТИ).

На защиту выносится совокупность научно обоснованных технических разработок, имеющих существенное значение для экономики страны, в рамках решения задачи развития компьютерных СОПР, в том числе:

1. Метод несинхронизированного стробирования.

2. Метод определения частоты и фазового сдвига периодического сигнала путем многоуровнего интерполирования и усреднения результатов.

3. Методы определения частоты, фазового сдвига, параметров модуляции и СКЗ с преобразованием дискретизированного сигнала по Фурье и Гильберту.

4. Результаты моделирования вычислительных методов и алгоритмов определения параметров радиосигнала.

5. Созданные комплексы аппаратно-программных средств. Апробация работы.

По материалам диссертации автором сделано 20 докладов, в том числе 15 на международных конференциях. Сделаны также доклады на LVI научной сессии Российского НТО РЭС им. A.C. Попова в г. Москве, (2001 г.), на международных симпозиумах в г. Санкт-Петербурге (2002 г.) «Ingenieur des 21. Jahrhuderts» / Das Sankt-Peterburger staatliches Bergbauinstitut (Technische Universitat), в г. Владимире (2003 г.) «Information and Communication Technologies: Chances and Challenges».

Работа «Комплекс виртуальных приборов» награждена Дипломом Центрального Правления НТО РЭС им. A.C. Попова на Всероссийском конкурсе студенческих работ в 1999 г. Публикации по работе.

По тематике исследований подано три заявки на патенты (по одной получено положительное решение) и опубликовано 28 работ, в том числе 5 статей в центральных реферируемых журналах, 19 статей в трудах международных конференций и симпозиумов.

Структура работы Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложений, списка литературы, имеющего 107 наименований отечественных и зарубежных источников, в том числе 28 работ автора. Общий объем диссертации 215 страниц, в том числе, 171 страниц основного текста, 8 страниц списка литературы, 134 рисунка, 5 таблиц, 33 страницы приложений.

4.7. ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4.

1. При цифровой фильтрации для увеличения крутизны АЧХ можно отказаться от модификации значений коэффициентов импульсной характеристики фильтра, однако это увеличивает неравномерность характеристики на краях полосы пропускания и ухудшает фильтрацию вне полосы.

2. Компьютерное моделирование и апробация метода восстановления исходной формы периодического сигнала при несинхронизированном стробировании показали целесообразность его использования в алгоритмах работы виртуальных осциллографов. Восстановить форму сигнала по полученному массиву дискретных значений в полосе до значения /д/2 можно также путем использования совмещенного прямого и обратного преобразований Фурье.

3. Создан комплекс виртуальных приборов широкого назначения, в состав которого входят: генератор сигналовосциллографанализатор спектраизмеритель корреляционной функцииизмеритель частотыизмеритель фазовых сдвиговизмеритель временных интерваловвольтметризмеритель нелинейных искажений. Разработанное ПО, установленное на ПК со специализированной платой АЦП-ЦАП, позволяет заменить одновременно несколько автономных приборов (более 10) на виртуальные аналоги, уменьшая стоимость комплекса от 5 до 10 раз.

4. Для контроля, испытаний и мониторинга параметров затухания в канале распространения радиоволн создан специализированный комплекс виртуальных приборов, который позволяет: в непрерывном режиме анализа блоков данных по 1024 отсчета строить графики функций взаимной и автокорреляции, графики огибающих амплитуд сигналов и гистограммы распределения амплитудизмерять медиану, среднее значение, среднеквадратическое отклонение, глубину замираний и осуществлять оценку по критерию хкваДРат принадлежности закона распределения замираний к распределению Релея. Для решения задачи оценки повторяемости огибающей сигнала создана специальная программа, которая находит коэффициент взаимной корреляции двух отрезков сигналов: начального отрезка и любого отрезка аналогичной длины, вырезаемого из выбранного интервала времени со сдвигом, программируемым пользователем.

5. Создан специализированный комплекс виртуальных приборов для мониторинга качества электроэнергии. Разработанные программные средства предоставляют широкие возможности выбора параметров и режимов мониторинга, времени экспериментального исследования, хранения и представления информации в табличном и графическом видах. Они позволяют вести мониторинг в течение длительного времени до многих суток и даже месяцев с сохранением информации в виде файлов данных, которые затем могут анализироваться, архивироваться и храниться.

6. Разработан комплекс программных средств гибкого конфигурирования СОПР, содержащий дополнительные подсистемы контроля качества электроэнергии. Комплекс содержит унифицированные модули приемосдаточных испытаний, средства статистической обработки данных в режиме длительного мониторинга состояния объекта и среды, модули работы с приборами и процедуры, предназначенные для конфигурирования последовательности и структуры испытаний.

7. Созданные программные средства могут использоваться не только автономно, но и объединяться в любом сочетании в единый комплекс. Разработанное ПО представляет собой, по сути, комплекс конфигурирования и программирования СОПР широкого назначения. В работе программных модулей использованы оригинальные методы и алгоритмы, приведенные и исследованные в главах 2 и 3.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. При построении современных систем определения параметров радиосигнала (СОПР) все шире используются возможности персональных компьютеров (ПК), обеспечивающих решение задач управления экспериментом, обработки и представления данных. Аппаратной основой СОПР может стать АЦП, включенный в свободный слот ПК.

2. В результате проведенных исследований разработаны новые методы и алгоритмы цифровой обработки дискретизированных сигналов, в том числе:

• метод несинхронизированного стробирования и восстановления формы дискретизированного сигнала, позволяющий расширить полосу рабочих частот вычислительных приборов;

• вычислительные методы и алгоритмы определения параметров радиосигнала, в том числе: частоты, сдвига фазы, среднеквадратического значения сигнала, глубины амплитудной модуляции и девиации частоты.

3. Предложен метод многоуровнего интерполирования и усреднения результатов для определения частоты и фазового сдвига периодического сигнала, который позволяет значительно увеличить базу данных без увеличения времени анализа. Полученные результаты анализа и моделирования позволяют сделать вывод о целесообразности применения метода при наличии внешних и внутренних шумов квантования. При этом решаются задачи повышения быстродействия и точности.

4. Предложен метод определения параметров модуляции радиосигнала на основе преобразований Фурье и Гильберта. В результате теоретического анализа и математического моделирования показано, что данный метод измерения глубины АМ и девиации ЧМ сигналов обеспечивает точностные характеристики достаточные для практического применения в условиях наличия шумов и значительной паразитной модуляции. Показано, что для 12-битного АЦП при случайном белом шуме 1 бит погрешность измерения глубины АМ не превосходит 0.1%, а погрешность измерения девиации для тех же условий не превосходит 0.7%.

5. Предложен алгоритм определения частоты с преобразованием дискретизированного сигнала по Фурье и Гильберту. Теоретический анализ и математическое моделирование показало высокую эффективность применения данного метода в широкой области рабочих частот сигнала. Даже в условиях значительных нелинейных искажений сигнала, наличия шумов, ПАМ и ограниченной разрядности АЦП достижима точность измерения частоты с.

6 7 погрешностью на уровне 10″ -10″ .

6. Предложен метод определения фазового сдвига с преобразованием опорного и измерительного дискретизированных сигналов из временной области в частотную по Фурье. Показано, что высокие точностные характеристики сохраняются в условиях нелинейных искажений сигнала, наличия шумов квантования и ограниченной разрядности АЦП.

7. Проведен теоретический анализ возможностей и разработаны алгоритмы определения среднеквадратического значения (СКЗ) периодического сигнала во временной области методом интегрирования, а также путем преобразования сигнала в частотную область по методу Фурье. Сравнение результатов анализа показало, что в области малых и средних значений отношения частоты сигнала к частоте дискретизации (///д до 0.3) для одинакового объема выборки погрешности методов примерно равны, однако в области больших значений///д (0.3 — 0.46) метод Фурье обеспечивает меньшие погрешности. Преимущества временного подхода — это простота расчетов и быстрота сбора данных. Преимущество частотного подхода — более гибкая возможность определения СКЗ в требуемой полосе частот.

8. Результаты математического моделирования показали, что методы определения параметров радиосигнала с преобразованиями по Фурье и Гильберту обладают существенными преимуществами. Переход в частотную область позволяет применить вычислительные алгоритмы «очистки» неидеального сигнала от высших гармоник, шумов и паразитной модуляции. Кроме того, при измерении параметров можно использовать всю базу полученных дискретных отсчетов, т. е. реализовать обработку без потерь данных, которые неизбежны для временных методов, в частности, многоуровнего интерполирования.

9. Теоретические и практические результаты работы внедрены на предприятиях г. Владимира, а также используются в учебном процессе на кафедре радиотехники и радиосистем ВлГУ. Полученные акты о внедрении подтверждают техническую и экономическую целесообразность применения разработанных в диссертации методов, алгоритмов и программных средств.