75607

Сигналы. Электрический сигнал в радиотехнике

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Сигнал это информационная функция несущая сообщение о физических свойствах состоянии или поведении какойлибо физической системы объекта или среды а цель обработки сигналов извлечение сведений которые отображены в этих сигналах и преобразование этой информации в форму удобную для восприятия и использования. Для выявления общих свойств сигналов их классифицируют по ряду признаков рис. По возможности предсказания мгновенных значений сигналов в любые моменты времени различают сигналы детерминированные и случайные. Информативным...

Русский

2015-01-15

390 KB

10 чел.

ОС. Лекция 1

ВВЕДЕНИЕ

Сигналом называется процесс изменения во времени физического состояния какого-либо объекта, служащий для отображения, регистрации и передачи сообщений. Электрический сигнал – это изменяющаяся во времени физическая величина (ток, напряжение, напряженность электрического или магнитного полей и т.д.), в законе изменения которой содержится сообщение или информация.

В процессе преобразования сообщения в электрический сигнал имеет место модуляция, т.е. управление параметрами некоторой электрической величины. В результате модуляции соответствующий параметр становится функцией времени, а несущая функция превращается в сигнал (см. рис.1).

Сигнал - это информационная функция, несущая сообщение о физических свойствах, состоянии или поведении какой-либо физической системы, объекта или среды, а цель обработки сигналов - извлечение сведений, которые отображены в этих сигналах и преобразование этой информации в форму, удобную для восприятия и использования.

Для выявления общих свойств сигналов их классифицируют по ряду признаков (рис. 2). По возможности предсказания мгновенных значений сигналов в любые моменты времени различают сигналы детерминированные и случайные.

По величине интервала времени, в котором существуют отличные от нуля значения сигнала, различают непрерывные и импульсные сигналы.

По повторяемости мгновенных значений сигнала различают периодические и непериодические сигналы.

В зависимости от выбора несущего процесса различают радиосигналы и видеосигналы. Видеосигналы – это такие сигналы, у которых несущими процессами являются постоянные токи и напряжения. Радиосигналы – это такие сигналы, у которых несущими процессами являются гармонические колебания и электромагнитные волны.

Кроме постоянных или синусоидальных токов и напряжений в качестве несущих процессов могут использоваться последовательности видеоимпульсов и радиоимпульсов. Сигналы с такими несущими процессами являются импульсно-модулированными сигналами. В зависимости от того, какой параметр несущего электромагнитного процесса подвергается модуляции, различают:

  •  амплитудно-модулированные сигналы (АМ);
  •  частотно- модулированные сигналы (ЧМ);
  •  фазомодулированные сигналы (ФМ);
  •  сигналы с широтно-импульсной модуляцией;
  •  сигналы с частотной модуляцией.

Информативным параметром сигнала может быть частота сигнала, центральная частота и ширина полосы сигнала (если сигнал широкополосный), период повторения сигналов и т.д. Целью обработки при проведении физического эксперимента может быть получение аналитического описания физического процесса, т.е. получение математической модели.

Рис. 2. Классификация сигналов

В радиотехнике, радиолокации, электрической связи, в системах и сетях передачи информации, автоматическом управлении целью обработки является получение, передача и обработка информации, содержащейся в сигналах.

Обработка может производиться в аналоговой или цифровой формах.

Для выполнения обработки в цифровой форме исходный аналоговый сигнал должен быть вначале преобразован в цифровую форму, т.е. представлен в виде серии отсчетов (мгновенных значений сигнала), взятых с некоторой частотой. Операция преобразования сигнала в цифровую форму производится с помощью АЦП. Для того, чтобы по набору цифровых отсчетов можно было восстановить значения измеряемого аналогового сигнала в люьой момент времени с требуемой точностью, необходимо правильно выбрать разрядность АЦП и интервал дискретности измерений во времени. Обработку сигналов, представленных в цифровой форме, называют цифровой обработкой сигналов (ЦОС).

Методами ЦОС являются алгоритмы цифровой фильтрации, спектрально-корреляционного анализа, модуляции и демодуляции сигналов, адаптивной обработки и др. Алгоритмы ЦОС, в отличие от других вычислений на ЭВМ, предусмативают, как правило, их выполнение в реальном масштабе времени.

Средствами реализации ЦОС программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС), микропроцессоры общего назначения, микроконтроллеры, цифровые сигнальные процессоры (ЦСП). Последние аппаратно и программно оптимизированы на задачи ЦОС и образуют ее специализированную элементную базу. В режиме off line ЦОС может выполняться с помощью готовых компьютерных программ, представленных наиболее полно в MATLAB.  

Примером задачи ЦОС и средств ее решения может быть задача обнаружения и определения параметров в реальном времени1 радиолокационного линейно-частотно модулированного (ЛЧМ) спутникового сигнала, рассмотренная ниже. Общая структура системы радиотехнического контроля радиолокационных спутниковых сигналов показана на рис. 1

Рис. 1. Структура системы радиотехнического контроля радиолокационных

спутниковых сигналов. ПУТ-приемно-усилительный тракт, АОП-акустооптический

процессор, СРЦОС – система регистрации и обработки сигналов.

Акустооптоэлектронный процессора, преобразует поток ЛЧМ-сигналов в поток мгновенных спектров [1,2]. Технические возможности современной аппаратуры позволяют получать мгновенный частотный спектр за 4 мкс при количестве разрешимых элементов  128. В результате на СРЦОС поступает поток мгновенных спектров с частотой следования элементов  40 МГц (если каждый мгновенный спектр включает от 128 частотных линий) и эдементные и кадровые сигналы синхронизации .

Рис. 2. Вид кадра, содержащего один элемент спектра ЛЧМ-сигнала

Один ЛЧМ-сигнал занимает несколько (8-10) кадров. Чтобы получить ЛЧМ-сигнал, нужно обнаружить последовательно идущие кадры, содержащие элементы ЛЧМ-сигнала и просуммировать их за 16 мкс.

В результате будет получен сигнал, содержащий несколько (например, 8) последовательно расположенных линий спектра.

Основными задачами цифровой обработки является обнаружение в реальном времени  ЛЧМ-сигналов в условиях шумов и помех и определение параметров ЛЧМ-сигнала, таких как центральная частота, полуширина спектра и амплитуда. Структура системы регистрации и цифровой обработки сигналов (СРЦОС) приведена на рис. 3.

Рис. 3. Структура СРЦОС. СИ_К- синхроимпульс кадра, СИ_Д – синхроимпульс данных (элементный синхроимпульс)

.

В процессе цифровой обработки решается несколько задач:

  1.  Фильтрация шумов и помех в потоке данных;
  2.  Обнаружение информативных сигналов в потоке данных и идентификация параметров: центральной частоты, полуширины спектра и мощности.
  3.  Анализ обнаруженных сигналов с целью исключения возможности ошибочного принятия сигнала помехи за информативный сигнал.
  4.  Передача параметров информативных сигналов на удаленный компьютер.

Предварительная обработка данных, требующая высокой скорости выполнения, реализована в ПЛИС.  На этапе предварительной обработки производится фильтрация помех (п.1) и формирование 32-х битных отсчетов содержащих амплитуду сигнала, индекс в кадре и номер кадра для исключения из дальнейшей обработки неинформативных данных (п.2). Информативными считаются сигналы, превышающие пороговый уровень и не совпадающие с «картой помех». В «карте помех» сохраняется частотный диапазон структурно-детерминированных (станционных) помех, определенный непосредственно перед приемом спутникового сигнала.

Последовательность обработки информационного потока данных иллюстрируется на рис. 4.

Рис. 4. Последовательность обработки информационного потока данных

Другие примеры задач реального времени, решаемых с помощью систем ЦОС:

Обнаружение и определение параметров

  1.  Донных сигналов электромагнитно-акустических толщиномеров;
  2.  Эхо-сигналов спектрометров ЯКР.

В задаче обнаружения и определения параметров донных сигналов электромагнитно-акустических (ЭМА) толщиномеров необходимо измерение времени прохождения ультразвукового импульса, порождаемого радиоимпульсом, через металлическое изделие. Таким способом определяется тощина металла. ЭМА-толщиномеры используются в атомной промышленности для контроля толщины металлических конструкций и для измерения толщины нефтегазовых труб в процессе эксплуатации. Пример вида зашумленных донных сигналов ЭМА-толщиномера приведен на рис. 7.

           

Рис. 7

Определение толщины металла производится по расстоянию между центрами отраженных (донных) сигналов. Центры определяются по положению максимумов  отраженных сигналов. Структура типового ЭМА-толщиномера А1270 приведена на рис. 8

Рис. 8

Блок обработки сигналов выполнен на базе ПЛИС и/или сигнального процессора.

Выводы.

К основным задачам ЦОС относятся:

  •  аппроксимация сигналов;
  •  обнаружение и определение параметров сигналов;
  •  цифровая фильтрация;
  •  спектрально-корреляционный анализ;
  •  модуляции и демодуляции сигналов;

Разработка алгоритмов ЦОС включает:

  1.  Высокоуровневую программную (MATLAB, LabView, LabWindows/CVI).
  2.  Низкоуровневую программную (LabWindows/CVI, С/С++).
  3.  Аппаратно-программную (LabWindows/CVI, С/С++).
  4.  Аппаратную (VHDL, С/С++).

Направления лабораторных работ по курсу:

1. Программная реализация базовых методов цифровой обработки (свертки, фильтрации, корреляции, прямого и обратного преобразования Фурье).

  2. Сравнительный анализ эффективности различных методов с точки зрения степени подавления шумов, степени искажения сигнала и быстродействия и выбор наилучшего.

  3. Программная реализация и сравнительный анализ сложных видов цифровой обработки.

  4. Аппаратно-программная реализация методов цифровой обработки с генерацией модельных зашумленных сигналов и  с использованием записей реальных сигналов.


ЛИТЕРАТУРА

  1.  Тутыгин В.С. Цифровая обработка сигналов: уч. пособие. [Электронный ресурс] /В.С.Тутыгин –www.unilib.neva.ru, 2013. – 300с.
  2.  Тутыгин В.С.  Цифровая обработка коротких сигналов./В.С.Тутыгин - СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2012. – 164с. ISBN 978-5-7422-3723-5.
  3.  Тутыгин В.С. Цифровая обработка сигналов: лаб. практикум/ В.С.Тутыгин -  СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2013. – 106с.
  4.  Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов. Учебник для вузов. 2-е изд.-СПб.: Питер, 2006.-751с.
  5.  А.И.Солонина, С.М.Арбузов. Цифровая обработка сигналов. Моделирование в MATLAB: Учебное пособие. – СПб.: БХВ-Петербург, 2008 – 816с. ISBN 978-5-9775-0259-7
  6.  Юкио Сато Без паники! Цифровая обработка сигналов: Пер. с яп.. – М.: Изд. дом Додэка – XXI, 2010 - 176с. ISBN 978-5-94120-251-5.
  7.  С.Л.Марпл-мл. Цифровой спектральный анализ и его приложения: Пер. с англ. – М.:Мир, 1990 – 584с. ISBN 5-03-001191-9
  8.  Давыдов А.В. Цифровая обработка сигналов. Конспект лекций. http://prodav.narod.ru/textbook/index.html 
  9.  Яневич Ю.М. Задачи приема сигналов и определения их параметров на фоне шумов. Конспект лекций. Физический ф-т СПбГУ.,
  10.  Ж. Макс. Методы и техника обработки сигналов при физических измерениях. В 2-х томах. М.: Мир, 1983,- 567с.
  11.  Котоусов А., Морозов А. Оптимальная фильтрация сигналов и компенсация помех. М.: Горячая линия-Телеком, 2008,-166с.
  12.  Айфичер Э., Джервис Б. Цифровая обработка сигналов. Практический подход. / М., "Вильямс", 2004, 992 с.
  13.  Машеров Е.  Цифровая обработка сигналов – некоторые основные понятия. http://www.nsi.ru/~EMasherow/DSP.htm
  14.  Давыдов А.В. Теория сигналов и систем. http://prodav.narod.ru/signals/index.html.
  15.   Тутыгин В.С. Автоматизация физического эксперимента: учеб. пособие/ В.С.Тутыгин. -  СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2013. – 200с.
  16.   Тутыгин В.С. Основы автоматизации физического эксперимента: лаб. практикум/ В.С.Тутыгин -  СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2008. – 96с.

1 В.С.Тутыгин. Новые адаптивные алгоритмы обнаружения и определения параметров ЛЧМ-сигналов/ В.С.Тутыгин, С.В.Шедов, А.В.Южаков // Цифровая обработка сигналов. - 2011. - N 1. - С. 16-23


В.С.Тутыгин.  Цифровая обработка спутниковых ЛЧМ-сигналов в реальном времени средствами ПЛИС XILINX/ В.С.Тутыгин, А.В.Южаков // Научно-технические ведомости СПбГПУ. Серия Информатика. Телекоммуникации. Управление.  №6.1(138).2011, С.32-38.


А.В.Анищенко. Действующий макет средства радиотехнического контроля параметров РЛС с синтезированной апертурой антенны./Анищенко А.В., Катков Б.Г., Купряшкин И.Ф.,Попов В.Г., Рогов С.А., Тутыгин В.С., Яковлев Ю.В.// Вестник ВАИУ-2010 №4(11)-С.116-121.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

39032. Современные технологии доступа к БД 117 KB
  Технология ODBC все еще признается в качестве отраслевого стандарта доступа к базам данных однако также не развивается поэтому разработчики программного обеспечения все чаще обращают свое внимание на современные и возможно более эффективные технологии. С конца 90ых годов и до настоящего времени фирма Microsoft пытается создать универсальную платформу доступа к разнородным хранилищам данных для семейства своих операционных систем Windows. Источниками данных в данном случае могут являться не только SQLсервера Баз Данных но и иные...
39033. Технологии разработки распределенных информационных систем 121.5 KB
  Получить представление о компонентной объектной модели COM. Развитием трехуровневой архитектуры является так называемая многоуровневая nуровневая организация вычислений Multitier computing когда информационная система состоит из большого количества удаленных друг от друга объектов серверов каждый из которых может предоставлять другим объектам клиентам разнообразные информационные услуги. В настоящее время наиболее популярны следующие технологии организации распределенных информационных систем: Технология COM и ее развитие...
39034. Разработка технического задания на разработку ИС 77.5 KB
  Техническое задание ТЗ – это завершающий предпроектную стадию документ который содержит цели и обоснование проектирования а также определяет основные требования к ИС и исходные данные необходимые при разработке. В настоящее время при составлении технического задания обычно руководствуются требованиями следующих ГОСТов: 34.60289 Техническое задание на создание автоматизированной системы – описывает состав и содержание ТЗ которые распространяются на автоматизированную информационную систему в целом в том числе: общесистемные...
39035. Базовые технологии доступа к БД в Borland C++ Builder и их принципы 156 KB
  Указания к выполнению лабораторной работы Современные информационные системы не могут существовать без Баз Данных. По этой причине современные средства разработки приложений должны обеспечивать программиста средствами которые бы: Обеспечивали универсальный механизм доступа к базам данных построенных с использованием различных СУБД; Обеспечивали приемлемый уровень эффективности; Позволяли быстро разрабатывать полнофункциональные приложения для работы с БД любого размера. В Borlnd C Builder предлагается большое количество компонентов...
39036. Использование Borland C++ Builder в качестве средства быстрой разработки приложений 46 KB
  Компоненты для изучения: BitBtn StringGrid вкладка dditionl DteTimePicker вкладка Win32. Компоненты для изучения: StringGrid вкладка dditionl PgeControl вкладка Win32 Timer вкладка System. Компоненты для изучения: ColorBox вкладка dditionl RichEdit вкладка Win32 Timer вкладка System. Компоненты для изучения: MskEdit вкладка dditionl PgeControl вкладка Win32 Timer вкладка System.
39037. Разработка многооконных приложений с использованием Borland C++ Builder 88.5 KB
  Для добавления новой формы в проект приложения необходимо вызвать команду File New Form главного меню или нажать соответствующую кнопку на панели инструментов. Для каждой формы приложения вызывается метод CreteForm создать форму объекта приложения ppliction. Главная форма автоматически отображается на экране при запуске приложения в то время как остальные формы которые иногда называют вторичными будут созданы но останутся невидимыми для пользователя до тех пор пока не будут явно...
39038. Количество информации. Мера Хартли и мера Шеннона 80.5 KB
  Рассмотрение предложенных способов измерения количества информации удобно начать с примера. Тем не менее только на основе априорной информации мы не можем точно сказать какое именно число очков выпало в результате конкретного подбрасывания. С поступлением новой информации о результате подбрасывания эта неопределенность может уменьшаться.
39039. Понятие информационной системы 98.5 KB
  Сейчас пришло время дать этому понятию более точное определение: Информационная система ИС это взаимосвязанная совокупность средств методов и персонала используемых для хранения обработки и выдачи информации в интересах достижения поставленной цели. Как видно из определения информационные системы обеспечивают сбор хранение обработку поиск выдачу информации необходимой в процессе принятия решений задач из любой области. Основными элементами работы информационных систем являются: ввод новой информации и выдача текущей информации по...
39040. Классификация информационных систем 123 KB
  Основная проблема классификации ИС заключается в том что единой системы оснований для классификации выработать не удалось. Предлагается классифицировать информационные системы по следующим признакам: По масштабам применения – настольные офисные и корпоративные. ПО: различные программные приложения связанных общим информационным фондом Такие приложения создаются с помощью так называемых настольных СУБД FoxPro Prdox dBse MS ccess или с помощью файловой системы и диалоговой оболочки для ввода редактирования и обработки данных. Это...