16344

Линейная фильтрация сигналов

Лабораторная работа

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Линейная фильтрация сигналов Методические указания к лабораторной работе Лабораторная работа по исследованию прохождения сигналов через линейные цепи с постоянными параметрами используется в процессе изучения курса Радиотехнические цепи и сигналы и Радиолок...

Русский

2013-06-20

137.18 KB

12 чел.

Линейная фильтрация сигналов

Методические указания к лабораторной работе

Лабораторная работа по исследованию прохождения сигналов через линейные цепи с постоянными параметрами используется в процессе изучения курса «Радиотехнические цепи и сигналы» и «Радиолокационные системы» студентами специальности 201600 «Радиоэлектронные системы». Лабораторная работа «Линейная фильтрация сигналов» построена на базе алгоритмов быстрого преобразования Фурье и выполнена в форме приложения для Windows 95...98, NT.

  Ил. 7, список лит. 4 назв.

 Одобрено учебно-методической комиссией приборостроительного факультета для специальности 201600 «Радиоэлектронные системы».

 Рецензент Н. Г. Гайсов.

                                                                           Издательство ЮУрГУ, 2003.

1. Введение

 

 Лабораторная работа выполняется с использованием цифровой программной модели лабораторного стенда, выполненной в форме Windows - приложения. Укрупнённая структурная схема модели приведена на рис.1.

Рис. 1.

Назначение всех элементов этой схемы очевидно и не требует дополнительных пояснений.

Сигнал, сформированный управляемым модулем формирования сигнала, поступает в модуль фильтрации, вычисляющий реакцию на входной сигнал фильтра, частотная характеристика которого определяется модулем задания фильтра. Вычисление реакции фильтра на входной сигнал осуществляется в спектральном представлении сигнала и характеристики фильтра.

 Входной сигнал, реакция фильтра или их спектры (по выбору пользователя) отображаются модулем отображения в соответствующих окнах в виде осциллографических изображений. 

 Условия эксперимента, определяемые формой и параметрами сигнала, а также типом и характеристиками фильтра, задаются в главном рабочем окне приложения.

 Параметры, тип и форма сигнала или его огибающей задаются с помощью соответствующих элементов ввода и редакции данных, расположенных на поле главного рабочего окна.

 Тип фильтра и параметры его частотной характеристики задаются в специальном рабочем окне, которое открывается щелчком левой клавиши «мыши» по рубрике «Параметры фильтра» меню.

 Любые изменения условий эксперимента моментально отражаются в осциллограмме и спектрограммах

 Более подробное описание модели стенда приведено в приложении к данным методическим указаниям.

  1.  Цель лабораторной работы

- ознакомиться с методами анализа прохождения сигналов через линейные, стационарные цепи;

- закрепить основные положения теории сигналов и цепей;

- экспериментально исследовать процессы прохождения сигналов через  линейные цепи;

-  проанализировать влияние характеристик фильтра на сигнал, проходящий через него;

- проверить степень согласования экспериментальных данных с соответствующими теоретическими положениями.

 3. Расчетное задание

 

 Рассчитать и построить реакции одного – двух фильтров на сигналы, заданные преподавателем (задание выдаётся на подготовительном занятии, и выполняется перед лабораторной работой).

 

  4. Порядок выполнения работы и методические указания

 

 Перед началом выполнения лабораторной работы необходимо:

  1.  Ознакомиться с приведенным в приложении описанием цифровой программной модели лабораторного стенда.
  2.  Спланировать программу лабораторного исследования в соответствии с целью лабораторной работы.
  3.  Выбрать и согласовать с преподавателем типы фильтров и сигналов, которые позволят Вам наиболее полно и наглядно объяснить влияние характеристик фильтра на различные входные воздействия.

 Во время выполнения лабораторной работы необходимо получить семейство графиков, наиболее полно характеризующих процесс линейной фильтрации.

 При выполнении работы обратите внимание на возможные отклонения расчётных и экспериментальных данных.

 В связи с тем, что физический смысл факторов, действующих при линейной фильтрации, довольно сложно выяснять, не имея графических иллюстраций, рекомендуется сохранять для помещения в отчёт наиболее характерные осциллограммы сигналов или их спектров и частотных характеристик фильтров. Значения сигналов можно сохранить в главном окне приложения (в графической форме, или в форме текстового файла), а частотную характеристику фильтра - окне установки параметров фильтров (в форме текстового файла).

5. Требования к содержанию отчета

 

 Отчет по лабораторной работе должен содержать следующие материалы:

  1.  Материалы экспериментального исследования с указанием условий эксперимента, в том числе, с указанием временной структуры сигнала и его параметров.
  2.  Результаты выполнения расчетного задания. Графические изображения расчетных и экспериментальных зависимостей для одинаковых условий необходимо строить на общих координатных осях и в одинаковом масштабе.
  3.  Анализ результатов эксперимента с обоснованием причин выявленных отклонений результатов эксперимента от расчетных данных.
  4.  Список литературы, использованной при подготовке к лабораторной работе и при выполнении расчетного задания.

Примечание: Ссылки на литературные источники в тексте отчёта обязательны.

6.Контрольные вопросы

1. Какие формы представления сигнала наиболее удобны при анализе прохождения его через линейные инвариантные во времени (ЛИВ) цепи.

2. Запишите формулы вычисления реакции линейной цепи на входной сигнал, используя временную и спектральную формы представления сигнала.

3. Запишите частотную характеристику идеальной дифференцирующей цепи и RC или RL дифференцирующей цепи? В чём состоит отличие их характеристик?

4. Запишите частотную характеристику интегратора с конечным временем интегрирования и RC или RL интегрирующей цепи? В чём состоит отличие их характеристик?

5. Запишите импульсную и частотную характеристики идеальной линии задержки.

6. Постройте график сигнала на выходе дифференцирующей цепи с постоянной времени RC = 4 мкс, если на её вход поступает последовательность прямоугольных импульсов длительностью  10 мкс или 2 мкс с периодом повторения 14 мкс.

7. Какие искажения АМ сигнала возникают при прохождении его через параллельный и последовательный резонансный контур? Изобразите временные спектральные и векторные диаграммы.

8. Какие искажения ФМ сигнала возникают при прохождении его через параллельный и последовательный резонансный контур? Для обоснования ответа используйте временные спектральные и векторные диаграммы.

9. Какое влияние на сигнал оказывает наклон фазовой характеристики резонансного контура?

10. Какой частотной характеристикой должен обладать полосовой фильтр, не искажающий произвольный узкополосный сигнал? Приведите аналитическое и графическое обоснование Вашего ответа.

 7. Рекомендуемая литература

  1.  Гоноровский И. Р. Радиотехнические цепи и сигналы: Учебник для ВУЗов – 4-е изд., перераб. И доп. – М.: Радио и связь, 1986. – 512 с.: ил.
  2.  Баскаков С. И. Радиотехнические цепи и сигналы: Учебное пособие для ВУЗов по спец. «Радиотехника» - 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Высшая школа, 1988. – 208 с.:ил.
  3.  Радиотехнические цепи и сигналы. Примеры и задачи: Учебное пособие для ВУЗов/Под ред. И. С. Гоноровского – М.: Радио и связь, 1989. – 248 с.:ил.
  4.  Баскаков, С. И. Радиотехнические цепи и сигналы. Руководство к решению задач: Учеб. пособие для радиотехн. спец. Вузов. – 2-е изд., перераб. И доп. – М.: Высш. шк., 2002. – 214 с.: ил.

                                                                                   Приложение

ОПИСАНИЕ МОДЕЛИ ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА

1.П. Общие положения.

Для исследования процессов линейной фильтрации Вашему вниманию предлагается программная цифровая модель, оснащённая удобным интерфейсом управления параметрами сигналов и визуального контроля деформации АКФ при изменении параметров сигнала.

 Структурная схема модели приведена на рисунке 1.П. Назначение всех элементов этой схемы очевидно и не требует дополнительных пояснений.

Рис. 1.П.

 Назначение всех элементов этой схемы очевидно и не требует дополнительных пояснений.

Сигнал, сформированный управляемым модулем формирования сигнала, поступает в модуль фильтрации, вычисляющий реакцию на входной сигнал фильтра, частотная характеристика которого определяется модулем задания фильтра. Вычисление реакции фильтра на входной сигнал осуществляется спектральным методом с применением алгоритма быстрого преобразования Фурье (размер массива отсчетов 4096).

 Входной сигнал, реакция фильтра или их спектры (по выбору пользователя) отображаются модулем отображения в соответствующих окнах в виде осциллографических изображений. 

 Условия эксперимента, определяемые формой и параметрами сигнала и типом и характеристиками фильтра, задаются в главном рабочем окне приложения.

 Параметры, тип и форма сигнала или его огибающей задаются с помощью соответствующих элементов ввода и редакции данных, расположенных на поле главного рабочего окна.

   Тип Фильтра и параметры его частотной характеристики задаются в специальном рабочем окне, которое открывается щелчком левой клавиши «мыши» по рубрике «Параметры фильтра» меню.

 Любые изменения условий эксперимента моментально отражаются в осциллограмме и спектрограммах

   2.П. Главное рабочее окно приложения

 Сигнал и его АКФ, отображаются модулем отображения в главном рабочем окне, в поле для  визуального контроля, в форме осциллографического изображения. Примерный вид главного рабочего окна приведён на рисунке.

Рис. 2.П.

 Массивы отсчётов входного и выходного сигналов (или огибающие соответствующих радиосигналов) формируются и обновляются при любых изменениях параметров сигнала или фильтра и могут быть сохранены в форме текстовых файлов для использования в отчётах по лабораторной работе.  Для сохранения данных эксперимента воспользуйтесь меню главного окна «Файл/Сохранить/Имидж окна», «Файл/Сохранить/Значения сигнала», «Файл/Сохранить/АКФ сигнала» или «Файл/Сохранить/Все данные» (см. Рис. 3.П.)

Рис. 3.П.

 Значения сигнала, сохранённые в текстовых файлах, могут быть использованы в других  работах лабораторных комплексов по курсу «Радиотехнические цепи и сигналы» и «Радиолокационные системы».

 Формат текстового файла значений сигнала имеет следующий вид:

Строка символов: (Возможно заголовок, содержащий номер эксперимента)

Строка символов: (Наименование типа сигнала)

Строка символов: («Длительность сигнала Тс = », целое без знака(Integer))

Строка символов: (Возможно шапка таблицы – «Отсчёт         Уровень»)

Строка данных: целое без знака (Integer),  реальное со знаком(Float)

 

      Число строк данных равно 256

…   

Строка данных: целое без знака (Integer),  реальное со знаком(Float)

 Параметры сигнала задаются в главном рабочем окне приложения с помощью соответствующих окон и инструментов редактирования и немедленно отражаются в изображении осциллограмм сигнала и спектра.

 Считывание числовых значений отсчётов входного или выходного сигнала можно осуществить, приблизительно совместив положение курсора «мыши» с необходимым элементом осциллограммы и нажав любую клавишу «мыши» (см. Рис. 4.П.).

Рис. 4.П.

 В нижней части главного рабочего окна приложения (см. Рис. 2.П.) помещено окно редактирования номера эксперимента. Номер эксперимента необходим для правильного распознавания сохранённых данных, и при смене типа сигнала наращивается автоматически. Однако при изменении только параметров сигнала необходимо корректировать его вручную, если сохраняются данные эксперимента для одной и той же формы сигнала, но при разных значениях его параметров.

  3.П. Окно ввода произвольной формы сигнала.

 Для исследования спектра сигнала с произвольной формой импульса или огибающей радиоимпульса служит специальное окно «Задание формы импульса (огибающей радиоимпульса)», которое вызывается из меню главного рабочего окна «Форма(Огибающая)/Произвольная».  Вид окна «Задание формы импульса (огибающей радиоимпульса)» приведён на рисунке 5.П.

В этом окне можно задать форму видеоимпульса или форму огибающей радиоимпульса с помощью средств графического редактирования прототипа или изобразить совершенно новую форму. Мнемокнопки управления изображением снабжены всплывающими ярлычками (типа “Hint”). Описание мнемокнопок приведено на рисунке 5.П.

Рис. 5.П.

 Назначение почти всех мнемокнопок очевидно вытекает из их наименования и не требует пояснения. Кнопка «Сгладить» доступна всегда но необходима она, пожалуй, только после ручного прорисовывания части прототипа или новых элементов формы импульса (огибающей). Сглаживание осуществляется путём фильтрации изображённой формы сглаживающим фильтром с колоколообразной АЧХ.

 

Для использования отредактированной формы импульса необходимо нажать клавишу «Принять», а для отмены всех изменений – клавишу «Отменить». Для обнуления значений формы импульса необходимо нажать клавишу «Очистить».

4.П. Окно установки параметров фильтра (цепи).

 Окно «Установка параметров цепи», внешний вил которого приведён на Рисунке 6.П, предназначено для выбора вида цепи и установки её основных параметров.

Рис 6.П.

 В этом окне пользователь может выбрать одну из шести предопределённых цепей или, щёлкнув левой клавишей «мыши» на ярлычке 7, с помощью меню «Файл/Загрузить» загрузить характеристику цепи из тестового файла, подготовленного заранее или из специальной библиотеки.

 Формат текстового файла, содержащего частотную характеристику цепи, имеет вид:

Строка символов: (Возможно заголовок, содержащий номер эксперимента)

Строка символов: (Возможно шапка таблицы:  «№ п/п    Реальная сост.  Мнимая сост.»)

Строка данных: целое без знака (Integer),  реальное со знаком(Float), реальное со знаком(Float)

 

…   Число строк данных равно 2048

Строка данных: целое без знака (Integer),  реальное со знаком(Float), реальное со знаком(Float)

 Воспользовавшись меню «Файл/Сохранить», пользователь может сохранить характеристику цепи, использовавшуюся в данном эксперименте.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

28075. Экологическое законодательство в области землепользования и недропользования 3.3 KB
  Настоящий Закон регулирует отношения возникающие в связи с геологическим изучением использованием и охраной недр территории Российской Федерации ее континентального шельфа а также в связи с использованием отходов горнодобывающего и связанных с ним перерабатывающих производств торфа сапропелей и иных специфических минеральных ресурсов включая подземные воды рапу лиманов и озер. Настоящий Закон содержит правовые и экономические основы комплексного рационального использования и охраны недр...
28076. Экологическое законодательство в области охраны и использования лесов, растительного мира и животного мира 5.01 KB
  Животный мир является достоянием народов Российской Федерации неотъемлемым элементом природной среды и биологического разнообразия Земли возобновляющимся природным ресурсом важным регулирующим и стабилизирующим компонентом биосферы всемерно охраняемым и рационально используемым для удовлетворения духовных и материальных потребностей граждан Российской Федерации. Лесной кодекс Российской Федерации ЛК РФ кодифицированный нормативноправовой акт являющийся основным источником регулирующим отношения в сфере...
28077. Экологическое законодательство об экологических правах и обязанностях граждан 11.05 KB
  Провозглашение осуществление и защита экологических прав физических и юридических лиц в отношении окружающей среды является одним из основных направлений развития конституционного права России. К данному праву примыкают права и свободы гражданина связанные с использованием владением распоряжением землей и иными объектами окружающей среды. Экологические права и отношения общество природа стали вопросом номер один не в одной Декларации Декларация Стокгольмской конференции ООН по окружающей среде 1972 года...
28078. Экономический механизм охраны опс в нормативно-правовых актах 3.39 KB
  Платежи за загрязнение ОС – это один из важнейших экономических стимулов к уменьшению предприятиями негативного воздействия на ОС. Порядок исчисления и взимания платы за загрязнение ОС устанавливается законодательством РФ. Плата за загре ОС предусматривает два вида платежей: 1 за загр в пределах установленных лимитов; 2 загрязнение сверх устанх лимитов.
28079. Юридическая ответственность за экологические правонарушения 5.58 KB
  Субъекты экологического права. Объект экологического правонарушения – общественные отношения в сфере природопользования и охраны окружающей среды. Непосредственный объект экологического правонарушения – общественные отношения в той или иной определенной области природопользования. Объективная сторона экологического правонарушения – противоправное деяние которое выражается в действии или бездействии.
28081. Глобальный экологический кризис и причины возникновения экологического права 2.57 KB
  Глобальный экологический кризис и причины возникновения экологического права. Для возникновения самостоятельной отрасли права необходимы три условия: Государственный и общественный интерес к этой отрасли Специфика предмета отрасли права т. специфика регулируемых общественных отношений Особые источники права ЭП – это отрасль права регулирующая волевые общественные отношения по сохранению воспроизводству и изучению ОС и рациональному использованию ПР т.
28082. Законодательство о санитарно-защитных зонах 8.07 KB
  Документы необходимые для разработки и согласования проекта СЗЗ: Генплан предприятия с нанесенными существующими строениями и указанием перспективного строительства в М 1:500 представляется предприятием. Правоудостоверяющий документ на землепользование представляется предприятием. Реквизиты предприятия представляются предприятием. Проект нормативов предельно допустимых выбросов в атмосферу ПДВ и результаты последнего ведомственного контроля соблюдения нормативов; в случае отсутствия проекта данные...