17519

Діагностика роботи цифрових фільтрів. Шляхом аналізу їх амплітудно-частотної характеристики

Лабораторная работа

Информатика, кибернетика и программирование

Лабораторна робота №3 На тему: Діагностика роботи цифрових фільтрів. Шляхом аналізу їх амплітудночастотної характеристики Мета роботи Дослідити і проаналізувати параметри амплітудночастотної характеристики та вплив віконної обробки при спектральному аналі

Украинкский

2013-07-01

222 KB

29 чел.

Лабораторна робота №3

На тему: «Діагностика роботи цифрових фільтрів. Шляхом аналізу їх амплітудно-частотної характеристики»

Мета роботи

Дослідити і проаналізувати параметри амплітудно-частотної характеристики та вплив віконної обробки при спектральному аналізі сигналів.

Теоретичні відомості

Для адекватного відтворення вхідного сигналу, що використовується в системах обробки, які розв’язують задачі спектрального аналізу сигналів, опис вхідного діагностичного сигналу представляється у формалізованому вигляді. Зазначені задачі розв’язуються цифровими методами, на основі швидких дискретних ортогональних перетворень, що представляються узагальненим класом швидких перетворень Фур'є з різними системами базисних функцій. Дані перетворення відносяться до класу лінійних ортогональних перетворень, зв'язаних з обчисленням виразів виду

,

де Х = [Х(0), Х(1), ... , Х(L-1)]Т , х = [х(0), х(1), ... , х(L-1)]Т  - вектори, відповідно, вихідних гармонік і початкових відліків, А - відтворююча  ортогональна матриця розміром L x L, L- кількість початкових відліків.

Системи, які реалізують ці алгоритми відносяться до стаціонарних систем з частотним коефіцієнтом передачі K(j):

де h(t) - імпульсна характеристика, що має таку інтерпретацію: якщо на вхід системи поступає гармонійний сигнал з відомою частотою і комплексною амплітудою , то комплексна  амплітуда вихідного сигналу  буде рівною: 

                                                                                                                   (1)

Представлення частотного коефіцієнта передачі (див. формулу 1) в показниковій формі має вигляд :

,

де - амплітудно-частотна характеристика (АЧХ).

Оскільки для фільтрів з скінченою імпульсною характеристикою АЧХ є однією з визначальних характеристик, на основі її аналізу визначається достовірність побудови фільтра. Розглянемо варіант перевірки фільтра методом аналізу його АЧХ на прикладі системи опрацювання інформації когерентно-імпульсної РЛС з n каналами погоджених фільтрів. Для процесора, що виконує N-точкове амплітудне дискретне перетворення Фур’є згідно з формулою (2)

,                              (2)

де N визначає розмір перетворення, n-номер елемента віддалі, l – номер гармоніки, i-номер періоду повторення в межах інтервалу обчислення ДПФ,  W(i) вагова функція, вхідний сигнал  представимо у вигляді:

,      (3)

де А - амплітуда сигналу, S - кількість частотних діапазонів між сусідніми l, Q – визначає смугу перевірки АЧХ (, де m, p - кількість гармонік, в діапазоні яких (відносно l) перевіряється АЧХ, , , si – біжуче значення частотного діапазону між сусідніми l).

Процедура діагностики відбувається таким чином. Для процесора задається значення гармоніки lj. На його інформаційні входи поступає вхідний сигнал . Зміна значень (синфазна і квадратурна складові) на вході процесора відбувається на кожному періоді повторення (по і). Одне значення визначається сумуванням по і (див.формулу 2). Після того змінюється частота поступлення , зміна задається значенням , і вираховується наступне значення .

Повна АЧХ, для заданого lj, отримується після поступлення на вхід S*N значень вхідного сигналу. На практиці обмежуються перевіркою АЧХ для 3l, відносно lj. Після перевірки амплітудно-частотних характеристик для всіх гармонік і елементів віддалі процес діагностики завершується. В ідеальному випадку характеристики всіх АЧХ повинні бути ідентичними. 

Тобто, при використанні такого підходу процес перевірки розбивається на три етапи:

- задання значень для отримання  числової послідовності вхідних сигналів;

визначення значень  Y(n,l)   реальної АЧХ;

порівняння значень  ідеальної і реальної АЧХ в кожній точці виміру.

Застосування підходу дозволяє:

- виявити помилки в роботі з точністю до функціонального вузла, наприклад помилки в заданні вагової функції, при сумуванні, в ОЗП проміжних результатів, при пересиланні інформації  між процесорами, конструктивні та технологічні помилки при проектуванні цифрових вузлів і т.п.;

- проводити діагностику в режимі реального часу;

- перевірити правильність функціювання і рівень шумів зовнішніх пристроїв, наприклад, приймача проміжної частоти;

- оцінити вплив різних типів вагових функцій на значення вихідного сигналу;

- перевірити в РРЧ значення інформації, що поступає на вхід системи опрацювання шляхом її запису в ОЗП;

- перевірити точностні параметри роботи процесорів;

- перевірити реакцію фільтра на поступлення збійної інформації.

Найвживаніші вагові функції, що використовуються при обробці наведені в таблиці 1.

         Таблиця 1

Номер функції

Назва

Тип функції

Діапазон зміни n

1

Рімана

–N/2 n N/2 – 1

2

Валле-Пусена

0  n  N/4

N/4  n  N/2

3

Тюкі

0  n  a N/2

a N/2  n  N/2

  1.  a = 0,25
    1.  a = 0,5
    2.  a = 0,75

4

Бомана

0  n  N/2

5

Пуасона

0  n  N/2

5-1         a = 2,0

5-2         a = 3,0

5-3         a = 4,0

6

Хеннінга-Пуасона

0  n  N/2

6-1         a = 0,5

6-2         a = 1,0

6-3         a = 2,0

7

Коші

0  n  N/2

7-1         a = 3,0

7-2         a = 4,0

7-3         a = 5,0

8

Трикутне

0  n  N/2

9

Ханна

(косинус квадрат)

0  n  N/2

10

Геммінга

0  n  N/2

а = 0,54

11

Блекмана

0  n  N/2

12

Гауса

0  n  N/2

а = 2,5

13

Cosa

0  n  N/2

13-1         a = 1,0

13-2         a = 3,0

13-3         a = 4,0

14

Рісса

0  n  N/2

15

w(n) = 0.25 + 0,75 cos [ (n-16)/32]

16

w(n)  = 0.4  + 0,6  cos [(n-15,5)/31].

Примітка: Значення w(n) таблиці 1 відповідає значенню W(i) (див. формулу 2).

Алгоритм формування вхідних даних для формування АЧХ полягають у видачі на кожному етапі обчислень синусоїдальної і косинусоїдальної складової комплексного сигналу, фаза яких відрізняється на значення Q на двох сусідніх періодах,  на кожному з яких обчислюється одне значення  U (i)

Завдання

Проаналізувати амплітудно-частотну характеристику фільтру з такими параметрами сигналу:

№ вар

N

l

Sm

Sp

S

A

№ вагової функції

5

16

4

-16

16

8

5

13-2

Виконання:

  1.  Згідно поданих вище формул при заданих значення параметрів вхідного сигналу та цифрового фільтру, що тестується будуємо масиви значень синусів та косинусів за таким алгоритмом:

for(i = 0; i < N; i++)

{

 sin0[i] = sin(2*pi*i/N);

 cos0[i] = cos(2*pi*i/N);

}

for(i = 0; i < SN; i++)

{

 sin1[i] = sin(2*pi*i/SN);

 cos1[i] = cos(2*pi*i/SN);

}

, де N – розмір перетворення, а SN – добуток N та S .

  1.  Далі обчислюється значення дійсної та уявної частини, що утворилися як результат добутку та  представлених у тригонометричній формі. Значення синусів та косинусів вибираємо із масивів отриманих на попередньому етапі.:

 for(i = 0; i < N; i++)

 {

  a = (abs(S*l+Qmin)*i)%SN;

  b = l*i%N;

  Re += A*cos1[a]*cos0[b] + A*sin1[a]*sin0[b];

  Im += A*cos1[a]*sin0[b] - A*sin1[a]*cos0[b];

 }

  1.  Обчислюємо значення координати Y для відображення результату:

Y[j] = sqrt(pow(Re, 2) + pow(Im, 2));

  1.  Повний лістинг програми подано у Додатку.

Методика проведення дослідження

  1.  При запуску програми з’являється головне вікно (див. рис.1):

Рис.1. Головне вікно програми

  1.  На рис.1. наведені основні формули, що використовується при проведенні аналізу та поля, в яких можна задати параметри сигналу та фільтру, що досліджується. Змінювати дані параметри можна натискаючи мишкою на стрілки, що містяться біля кожного поля праворуч.
  2.  Для перегляду результату у графічному представленні натисніть клавішу «Графік».

Рис.2. Графік АЧХ

  1.  Для отримання табличного представлення результату натисніть клавішу «Таблиця». Фрагмент значень АЧХ наведений в таблиці на рис.3.

Рис.3. Значення АЧХ  (фрагмент)

 

  1.  Код програми:

#include <vcl.h>

#include <math.h>

#pragma hdrstop

USERES("Project1.res");

USEFORM("Unit1.cpp", Form1);

USEFORM("Unit2.cpp", Graph); /* TFrame: File Type */

USEFORM("Unit3.cpp", Form3);

USEFORM("Unit4.cpp", Form4);

//---------------------------------------------------------------------------

WINAPI WinMain(HINSTANCE, HINSTANCE, LPSTR, int)

{

       try

       {

                Application->Initialize();

                Application->Title = "CMP";

                Application->CreateForm(__classid(TForm1), &Form1);

                Application->CreateForm(__classid(TForm4), &Form4);

                Application->CreateForm(__classid(TGraph), &Graph);

                Application->CreateForm(__classid(TForm3), &Form3);

                Application->Run();

       }

       catch (Exception &exception)

       {

                Application->ShowException(&exception);

       }

       return 0;

}

       double Y[1024];

       double sin0[32];

       double sin1[512];

       double cos0[32];

       double cos1[512];

//---------------------------------------------------------------------------

#include <vcl.h>

#pragma hdrstop

#include "Unit1.h"

#include "Unit2.h"

#include "Unit3.h"

#include "Unit4.h"

#pragma package(smart_init)

#pragma link "Unit2"

#pragma resource "*.dfm"

void Apply(void);

TForm1 *Form1;

//---------------------------------------------------------------------------

__fastcall TForm1::TForm1(TComponent* Owner)

       : TForm(Owner)

{

}

void __fastcall TForm1::Button3Click(TObject *Sender)

{

Apply();

Form3->Show();

}

//---------------------------------------------------------------------------

void __fastcall TForm1::BitBtn1Click(TObject *Sender)

{

Form1->Close();

}

//---------------------------------------------------------------------------

void __fastcall TForm1::Button2Click(TObject *Sender)

{

Apply();

Form4->Show();

Form4->StringGrid1->Cells[0][0]="X";

Form4->StringGrid1->Cells[1][0]="Y";

}

//---------------------------------------------------------------------------

void __fastcall TForm1::QpChange(TObject *Sender)

{

char buf[5];

       if(Qp->Text.ToInt()<= Qm->Text.ToInt())

             Qp->Text=itoa((Qm->Text.ToInt()+1),buf,10);

             Form4->StringGrid1->RowCount=abs(Qm->Text.ToInt())+abs(Qp->Text.ToInt());

       

}

//---------------------------------------------------------------------------

void __fastcall TForm1::QmChange(TObject *Sender)

{

char buf[5];

       if(Qp->Text.ToInt()<= Qm->Text.ToInt())

             Qm->Text=itoa((Qp->Text.ToInt()-1),buf,10);

             Form4->StringGrid1->RowCount=abs(Qm->Text.ToInt())+abs(Qp->Text.ToInt());

}

void Apply(void)

{

       int N = Form1->Edit2->Text.ToInt();

       int S = Form1->Edit4->Text.ToInt();

       int SN = (S*N);

       int l = Form1->Edit3->Text.ToInt();

       int A = Form1->Edit1->Text.ToInt();

       int Qmin = Form1->Qm->Text.ToInt();

       int Qmax = Form1->Qp->Text.ToInt();

//**************************************

       char buf[55];

       char *buf_ptr;

int j = 0;

int i;

double pi = 3.141592653589793;

double Re = 0;

double Im = 0;

int a;

int b;

//****************************************

       Form3->Series1->Clear();

for(i = 0; i < N; i++)

{

 sin0[i] = sin(2*pi*i/N);

 cos0[i] = cos(2*pi*i/N);

}

for(i = 0; i < SN; i++)

{

 sin1[i] = sin(2*pi*i/SN);

 cos1[i] = cos(2*pi*i/SN);

}

do

{

 for(i = 0; i < N; i++)

 {

  a = (abs(S*l+Qmin)*i)%SN;

  b = l*i%N;

  Re += A*cos1[a]*cos0[b] + A*sin1[a]*sin0[b];

  Im += A*cos1[a]*sin0[b] - A*sin1[a]*cos0[b];

 }

 Y[j] = sqrt(pow(Re, 2) + pow(Im, 2));

 Re = Im = 0;

               buf[0] = ' ';

               itoa(Qmin, buf+1, 10);

               buf[strlen(buf) + 1]='\0';

               buf[strlen(buf)]=' ';

               Form3->Series1->AddXY(j, Y[j], (itoa(Qmin, buf+1, 10)-1), clBlue);

               Form4->StringGrid1->Cells[1][j+1]=Y[j];

               Form4->StringGrid1->Cells[0][j+1]=Qmin;

               j++;

}

while(Qmin++ < Qmax);

}

Висновок: Після виконання даної лабораторної роботи вдалося дослідити і проаналізувати параметри АЧХ та вплив віконної обробки при спектральному аналізі.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

11036. Enable Mapping to \\Hostname\C$ Share on Windows 7 or Vista 56.95 KB
  Enable Mapping to \HostnameC Share on Windows 7 or Vista Just about everybody knows about the hidden administrator C share that is always built into Windows file sharing but you might have wondered why you can’t use that in Windows 7 or Vista. The reason this doesn’t work is because of UAC User Account Control that Vista is infamous for. By default Vista doesn’t allow UAC elevation over the network with a local user account. There’s a registry key that we can use to c...
11037. Работа в сети с централизованным управлением 32.5 KB
  Практическая работа Работа в сети с централизованным управлением Цель работы. Освоить приемы работы рядового пользователя в существующей сети Microsoft при наличии домена безопасности. Исходная ситуация. Для работы используются виртуальные машины Win9x и Win2k изнача
11038. Сетевое оборудование. Семейство технологий Ethernet (стандарт 802.3) 84.5 KB
  Сетевое оборудование В данном разделе рассматриваются работа физического и канального уровней модели ОСИ сетевых интерфейсов и линий связи. На канальном уровне сетевое оборудование реализует тот или иной метод доступа. Таким образом например Ethernet является как метод
11039. Сетевое оборудование стандарта Ethernet 2.38 MB
  Сетевое оборудование Выполняет функциинижних уровней OSI т.е. физического и канального. Все сетевое оборудование условно можно поделить на две группы: 1.Для построения локальных сетей 2.Для построения глобальных сетей Сетевое оборудование стандарта Ethernet. Ethe...
11040. Сетевые протоколы. Протокол TCP/IP 45 KB
  Сетевые протоколы. В данной теме рассматриваются протоколы сетевого и транспортного уровней модели OSI. На сетевом уровне требуется настроить адреса после чего узлы сети начинают видеть получать отклик друг друга. Транспортный уровень занимается коррекцией ошибо
11041. Аппараты распределительных устройств низкого и высокого напряжения 184 KB
  Переключатель – в отличии от рубильника имеет 2 системы неподвижных контактов и 3 коммутационных положения. В среднем положении контакты переключателю разомкнуты. В каждом положении происходит фиксация контактов.
11042. Мехатроника. Основные термины и определения 1.26 MB
  Введение. Основные термины и определения. Мехатроника это новое направление современной науки и техники которое стремительно развивается в последнее десятилетие во всем мире. Если наступивший век считается веком информатизации то для всех машин в самых различных сф
11043. Этапы развития мехатроники. Классификация мехатронных объектов 599.5 KB
  Этапы развития мехатроники. Классификация мехатронных объектов. Мехатроника является молодой областью науки и техники которая выделилась в самостоятельное направление совсем недавно. Об этом можно судить например по возрасту специальных периодических изданий: так ...
11044. Структура и принципы интеграции мехатронных модулей и машин 770 KB
  Структура и принципы интеграции мехатронных модулей и машин Структура мехатронных модулей Мехатронные модули по составу объединяемых устройств и элементов можно подразделить на три группы рис.3.1: модули движения; мехатронные модули движения; интеллек