Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России»
Скачать 1.16 Mb.
|
Цель исследования – создание методов построения банка цифровых фильтров, минимизирующих использование программных и аппаратных средств. Для достижения цели исследования необходимо решить следующие задачи: 1. Исследование и анализ основных задач мониторинга широкого частотного диапазона. 2. Разработка методов и алгоритмов построения БЦФ для задач мониторинга ШЧД 3. Анализ аппаратно-программных средств для реализации методов и алгоритмов построения БЦФ. 4. Разработка библиотеки моделей, методов и структур банков цифровых фильтров в MATLAB/Simulink. 1. Цифровая фильтрация в задачах мониторинга широкого частотного диапазона
В настоящее время с изобретением современных средств передачи и обработки информации, материалов и технологий развитие науки и техники идёт ускоренными темпами. Технические системы стремительно совершенствуются в направлении увеличения скоростей, рабочих частот, размеров блоков обрабатываемых данных, уменьшения времени обработки, реакции и размеров элементарных составляющих. Соответственно, совершенствуются приборы и устройства мониторинга в таких технических системах. К параметрам приборов и устройств мониторинга в современных условиях предъявляются повышенные требования независимо от областей их применения. Следовательно, растут сложность и стоимость систем мониторинга. Рассмотрим несколько характерных примеров. В микроэлектронике современные направления развития можно выявить, если проследить за историей совершенствования осциллографа, который называют «глазами электроники» – прообраза современных средств мониторинга. Все его развитие – это борьба за расширение полосы частот. Так, например, ламповые осциллографы имели только «закрытый» вход – емкость на входе отрезала постоянную составляющую, а с ней – «гигантский» диапазон частоты до 20 Гц, который сегодня можно разложить на десятки октав. В настоящее время существуют цифровые осциллографы с полосой до нескольких гигагерц и очень большим частотным разрешением. Цена осциллографа с полосой в 200 МГц на порядок меньше цены осциллографа с полосой, расширенной всего в 2.5 раза. Если брать осциллографы с более широкими полосами частот, то разница в цене может достигать нескольких порядков. Ещё одним характерным примером состояния дел в современных научно-технических системах является такая важная область науки и техники, как автоматика. Одним из важнейших показателей динамической системы является быстродействие, которое проявляется в маневренности транспортных средств, в производительности технологического оборудования и т.д. Значимость быстродействия для динамических систем подчеркивается принятой терминологией: характер переходного процесса определяет качество системы. Быстродействие в автоматике определяют по частоте среза, а частота среза определяется ширину полосы пропускания. Таким образом, важнейшие параметры систем опять зависят от ширины полосы частот, т.е. от частотного диапазона. Успешное воплощение перспектив развития современных коммуникационных технологий во многом базируется на возможности расширения частотного диапазона. Расширение частотного диапазона дало возможность использовать сотовую связь в её современном виде, широкополосные каналы доступа в Интернет, которые позволяют на высокой скорости передавать видео- и аудио данные. Современное цифровое телевидение высокого качества – это ещё один пример использования ШЧД. Благодаря расширению частотного диапазона в медицине появились новые методы диагностики, которые во многом предопределили её успехи. Таким образом, важнейшей тенденцией развития современных систем мониторинга является резкое расширение частотного диапазона с возможностью его полного одновременного анализа, как правило, в реальном масштабе времени. Диапазон частот процесса (сигнала) и спектр Проблема определения диапазона частот проста для непрерывных сигналов, но становится трудноразрешимой в тех случаях, когда при передаче применяются различные методы кодирования и маскировки, затрудняющие обнаружение сигналов и их идентификацию. В частности, даже элементарная передача сообщений сотовой связи подвергается множественным процедурам шифровки, канального кодирования, перемежения и т.п. Для систем спецсвязи характерна передача сигнала со скачками несущей частоты, а в системах последнего поколения – так называемых «когнитивных» – и с автоматическим выбором свободной частоты, вида модуляции и т.п. Скачки частоты с разной длительностью импульсов характерны и для сигналов РЛС (Например, для станции SPY-1 в модификации Е используются скачки частоты в 10МГц после каждых 7 пачек). На рис.1.1 слева приведён пример частотной диаграммы РЛС морского базирования (наблюдение 1981), а справа – выделенный интервал диаграммы в увеличенном масштабе.  Рис.1.1 – Частотная диаграмма РЛС В связи с растущей сложностью обрабатываемых сигналов усложняется и процедура их наблюдения. В классической интерпретации спектр отражает процесс в целом и не зависит от времени [11]. Даже традиционно используемое понятие текущего спектра (1.1), который определен историей процесса до текущего момента уже неприемлемо.  (1.1)Наблюдение непрерывных, быстроменяющихся сигналов проводят с помощью скользящего спектра [11]:  (1.2)Однако и он становится неприменим для сигналов импульсного типа, характерных, например, для РЛС. В этих условиях однократному преобразованию подвергается выделенный интервал, соответствующий длине импульса. Результатом этого является мгновенный спектр — спектр фрагмента сигнала определенной длительности, то есть в определённом окне [11]:  , (1.3)где h(nT) – оконная функция. Разрешающая способность анализа При определении диапазона частот важную роль играет такое понятие, как разрешающая способность. Разрешение – способность прибора измерять расстояние (угловое, линейное, Хемминга, частотное) между близкими объектами. При спектральном анализе можно определить разрешающую способность как минимальную ширину полосы частот, при которой сигналы различимы. А для этого необходимо оговорить величину минимального уровня интенсивности между соседними частотами. Например, в оптике две соседние точки разрешаются, если минимум интенсивности между ними достаточно мал, чтобы его разглядеть. Для снятия зависимости от субъективности восприятия был введен эмпирический критерий разрешения Рэлея, который определяет минимальное угловое расстояние между точками как  , (1.4)где θ — угловое разрешение (минимальное угловое расстояние), λ — длина волны, D — диаметр объектива. Коэффициент подобран так, чтобы интенсивность в минимуме между пятнами была равна примерно 0,8 от интенсивности в их максимумах — считается, что этого достаточно для различения невооруженным глазом. Примерно ту же величину перекрытия соседних частот обеспечивает анализатор БПФ. Следует однако отметить, что перекрытие не всегда играет отрицательную роль. Например, при разделении частотного диапазона на поддиапазоны для исключения разрывов спектра на их границах, перекрытие вводится специально и может составлять десятки процентов. Разрешение – понятие многозначное. Можно говорить о разрешение по углу места, дальности, частоте, и т.п. В радиотехнике под разрешением сигналов понимают также процедуру, направленную на разделение интерферирующих сигнальных копий или нейтрализацию их взаимного вредного взаимодействия [32]. При этом основными факторам, затрудняющими решение задачи по определению разрешения сигналов, являются межсимвольная интерференция (МСИ) и замирания. Они имеют родственную природу, поскольку являются результатом линейного суммирования множества взвешенных и задержанных во времени копий сигнала. Соответственно, задача временного разрешения, т.е. эффективного разделения сдвинутых во времени копий сигнала, непосредственно связана с задачей подавления МСИ. Для приёмников под разрешающей способностью можно понимать шаг настройки. Выпускаются приемники с шагом 10, 50, 100 и 200 кГц. В данном случае разрешение можно определить как минимальный шаг, на который разбит частотный диапазон. Когда в частотном диапазоне интервалов несколько сотен или более тысячи уже можно говорить о широком частотном диапазоне. Решение задачи разрешения по частоте, которая возникает при наблюдении суперпозиции сигнальных реплик, отличающихся только частотным сдвигом, затрудняется теми же факторам, что и задача временного разрешения. Разрешающая способность в задаче разрешения по частоте определяется коэффициентом корреляции, выражение для которого имеет следующий вид [32]:  , (1.5)где  и  частотно-сдвинутые копии сигнала.Если же наложенные друг на друга копии сигналов отличаются как временным, так и частотным сдвигами, то речь идёт о частотно-временном разрешении, качество которого зависит от параметров функции неопределённости [32]:  (1.6) Следует различать понятия разрешающая способность и разрешение. Первое понятие – характеристика прибора, вторая – сигнала (объекта) Невозможно однозначно определить разрешение сигнала по частоте без привязки к спектру сигнала, т.е. разрешение зависит от особенностей спектра. Как известно [27], при вычислении спектра G(f) возникает ошибка, аддитивные составляющие которой представляют собой дисперсию D оценки G(f) и её смещение b2:  , (1.7) где G – спектральная плотность мощности;  – разрешающая способность прибора или ширина полосы для одной спектральной составляющей; T – время анализа.Поскольку в первом слагаемом находится в знаменателе, а во втором в числителе, задача выбора полосы анализа при фиксированном T состоит в выборе такого , которое минимизирует  (1.7): . (1.8)Широкополосный сигнал и широкий частотный диапазон Если определить базу анализа сигнала как произведение длительности сигнала на ширину полосы, то под широкополосным сигналом понимают такой, для которого это значение много больше единицы [32]. Широкополосные сигналы (ШПС, M-последовательности, хаотические последовательности) в последнее время стали активно использоваться в спутниковой, сотовой и корпоративной связи. Широкий частотный диапазон (ШЧД) – это диапазон, в котором могут одновременно работать десятки, и даже сотни источников излучений, в том числе и с широкой частотной полосой. Определим ШЧД как диапазон, ширина которого в сотни раз превосходит разрешающую способность прибора, его анализирующего.
До рассмотрения основных задач мониторинга ШЧД остановимся на самом понятии «мониторинг». Определим его как комплекс действий по систематическому или непрерывному сбору информации о параметрах сложного объекта или процесса. Мониторинг может включать в себя просто наблюдение за состоянием основных параметров системы, либо поиск отклонений в значениях этих параметров или обнаружение инородных свойств и объектов в системе с заранее известными свойствами. Задачи мониторинга присутствуют в различных областях науки и техники. В данной работе будет рассмотрено несколько задач, которые связаны с мониторингом ШЧД. Измерение вибраций и поиск резонансных частот в технических системах Важной задачей мониторинга, при решении которой прослеживаются современные тенденции развития цифровой фильтрации, является задача измерения вибраций и поиска резонансных частот в технических системах. Любая техническая система должна не терять работоспособность при продолжительном влиянии на нее всевозможных механических воздействий. Одним из основных подобных воздействий может быть названа вибрация. Однако существует целый ряд систем, для которых вибрация – неизбежное условие их существования. Примерами таких систем являются: авиационные детали и приборы, двигатели, турбины, некоторые музыкальные инструменты. Видно, что обнаружение неисправностей в некоторых из этих систем является жизненно важной задачей, поскольку неисправности могут непосредственно повлиять на жизнь и здоровье людей. Это показала недавняя катастрофа на Саяно-Шушенской ГЭС. Проводимый мониторинг выявил повышение уровня вибраций турбины в 4 раза за одну неделю! Технические средства контроля обеспечили обслуживающий персонал объективной информацией, но она была проигнорирована. Частотная характеристика турбоагрегатов включает в себя большое количество резонансных частот. Выделить отдельные из них в общем вибрационном шуме проблематично. Например, нелегко заметить увеличившуюся вибрацию одной из тысячи лопаток турбины. Выделить такую резонансную частоту способен только очень узкополосный фильтр. Поэтому аппаратура мониторинга должна включать в себя эффективные блоки цифровых фильтров. Радиомониторинг Возрастание интенсивности радиообмена в последние годы делает необходимым осуществлять жёсткий контроль радиообстановки, проводящийся, как гражданскими, так и военными ведомствами, в реальном масштабе времени в очень широком частотном диапазоне. В связи с ростом радиобмена в эфире появляется большое количество самых разнообразных радиоизлучений, которые нужно отслеживать и фиксировать для проведения дальнейшей обработки [29]. Эти радиосигналы могут как непрерывно присутствовать в эфире, так и появляться на очень короткое время, а затем исчезать. При этом обнаруживаться должны в том числе и сигналы, возникающие в эфире даже на десятки микросекунд в разных областях частотного диапазона. Поскольку скорости сигналов не соответствуют человеческим возможностям, в настоящее время создаются или уже созданы специализированные многофункциональные АПК, работающие в автоматическом режиме и решающие широкий круг задач, связанных с радиомониторингом и контролем радиоэфира. Это задачи поиска и обнаружения радио излучений, классификации, пеленгации источников радиоизлучений, демодуляция, декодирование. С середины 1990-х годов начался новый этап в развитии и использовании радиосвязи. Характерной чертой современных систем связи является возможность автоматического контроля качества канала связи при выборе несущей частоты, мощности излучения, модуляции, скорости манипуляции, вида кодирования сообщения и других параметров [30]. Следует отметить, что в настоящее время радиомониторинг включает в себя следующий комплекс действий, осуществляющихся непрерывно:
Развитие элементной базы микропроцессорной техники позволило создать эффективные адаптивные узкополосные и широкополосные средства связи, использующие сигнально-кодовые конструкции (СКК), которые благодаря надежности и скрытности широко используются в системах спутниковой и радиорелейной связи. Это приводит к возрастанию сложности решения задач мониторинга всех перечисленных уровней. Здесь следует добавить присущие радиоэфиру искажения сигналов [31, 32]: – многолучевое распространение. Как следствие, в точке приема поле формируется несколькими лучами, отличающимися по амплитуде, фазе, поляризации и углам прихода (азимуту и углу места); – глубокие замирания сигнала в точке приема (до 20 дБ и более), связанные, прежде всего, с интерференцией близких по амплитудам лучей распространения; – быстрые, от единиц секунд до нескольких минут, изменения параметров лучей, обусловленные присутствием в ионосфере неоднородностей различных масштабов и их динамикой. В современных системах связи находят все более глубокое применение сложные и широкополосные сигналы, когда принимаемый сигнал не выделяется или едва выделяется на фоне шумов естественного происхождения или станционных помех [32]. Во многих странах разработаны стандарты связи, обеспечивающие помехозащищенность и снижение доступности систем передачи данных. Это различные варианты межгосударственных соглашений типа STANAG, система глобальной автоматической связи HFDL, военные стандарты MIL-STD-188-110B, MIL-STD-188-141 и другие. Согласно указанным стандартам длительность излучаемых сигналов в радиообмене может составлять доли секунд, регламентирована и работа в режиме программной перестройки несущей частоты, когда длительность элементарной посылки передачи составляет десятки-сотни миллисекунд. Кроме того, для информационной защиты каналов связи предусматриваются дополнительные меры организационного и технического плана. К организационным мерам относятся строгое соблюдение регламента связи, правила смены рабочих частот и радионаправлений, радиоконтроль радиоэлектронных средств в интересах выявления и устранения демаскирующих признаков. К техническим мерам относятся меры, обеспечивающие энергетическую, временную и информационную скрытность передаваемой информации. Энергетическая и временная скрытность обеспечивается применением направленных антенн, пониженных мощностей излучения и выбором рабочих частот, затрудняющих обнаружение факта передачи информации. Реализуемые меры информационной защиты современных радиолиний, работающих в широком частотном диапазоне, затрудняют ведение мониторинга сетей связи по следующим причинам: – использование в радиообмене на одном узле связи большого количества частот; – применение в одной системе связи сигналов с различными видами и параметрами модуляции и кодирования и их смены в ходе сеанса; – сокращение продолжительности сеансов связи; – уменьшение энергетического уровня сигналов. Наиболее эффективным средством обеспечения временной скрытности является режим сверхкороткой пакетной передачи (СКП) на повышенной скорости. Например, в радиостанции CHX 200 фирмы "Сименс" длительность такого пакета равна 230 мс. Для повышения помехозащищенности и защиты от преднамеренных помех используется смешанный режим СКП-ППРЧ (псевдо перестройка частоты), использующий кратковременную передачу информации в эфир со скачкообразным изменением несущей частоты. По результатам анализа загрузки широкого диапазона также отмечено существенное увеличение доли широкополосных сигналов с фазовой манипуляцией, причем как на мононесущих, так и с частотным уплотнением. В ближайшей перспективе в системах военной связи ожидается активное использование сигналов с квадратурной амплитудной манипуляцией. Всего в широком радиодиапазоне классы сигналов с учетом протоколов физического и канального уровней образуют до 150 различных СКК. Модернизация систем связи ШЧД на канальном и сетевом уровнях идет по пути внедрения современных сетевых технологий, пользователям широко предоставляются сетевые услуги: электронная почта, Интернет, передача файлов и т.д. При этом современные линии связи ШЧД позволяют осуществлять надежную передачу данных с высокой канальной скоростью при достаточно высокой скрытности. Для повышения пропускной способности систем передачи информации ШЧД повсеместно применяются эффективные алгоритмы сжатия информации, что обуславливает необходимость безошибочного приема всех элементов сообщения, без чего вероятность его выделения весьма невысока. При этом возникает задача обеспечения приема с существенно более высоким качеством, чем требовалось раньше, например, при приеме обычных сообщений частотной телеграфии. Современные средства радиомониторинга такими возможностями в полной мере не обладают. Восстановить же, например, даже с небольшим числом ошибок перехваченное открытое архивированное сообщение крайне затруднительно, не говоря уже о сообщениях, предназначенных для криптографической обработки. По этой причине возникает необходимость разработки эффективных методов помехоустойчивого радиоприема, включая создание алгоритмов демодуляции и декодирования, адекватных применяемым в контролируемых каналах связи или обладающих даже более высокими характеристиками. Таким образом, можно сформулировать некоторые основные требования, предъявляемые к системам радиомониторинга при их проектировании: 1. Развитие средств обнаружения сигналов и пеленгования источников кратковременных сигналов и сигналов с ППРЧ для модернизации существующих радиопеленгаторов в целях улучшения инструментальных и эксплуатационных характеристик. Создание на их основе систем местоопределения кратковременных сигналов, функционирующих в автономно-командном режиме. 2. Разработка помехоустойчивых аппаратно-программных средств обнаружения, классификации, демодуляции и декодирования современных видов СКК, достоверный перехват сигналов при минимальном соотношении сигнал/помеха. 3. Совершенствование методов и аппаратно-программных средств автоматического поиска и классификации сигналов, допускающих регулярную модернизацию под новые классы сигналов или новые задачи радиоконтроля без существенного расширения аппаратных средств. Кроме того, самым главным требованием, предъявляемым к АПК мониторинга ШЧД, является работа в реальном масштабе времени. Это ведёт к увеличению скорости и объёма вычислений, а значит, и к резкому росту аппаратных затрат. Такие системы требуют серьёзных вычислительных мощностей, которые не всегда могут быть доступны. В основу таких АПК положены операции цифровой обработки сигналов, одной из основных в которой является цифровая фильтрация. В данной работе предлагаются методы цифровой фильтрации, которые позволят решить основные проблемы, стоящие в задачах радиомониторинга. |
Похожие:
 | Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... В рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы | | Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... В рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы |
| Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... В рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы | | Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... В рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы |
| Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... В рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы |  | Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... В рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы |
| Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... В рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы | | Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... В рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы |
| Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... В рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы | | Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... В рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы |
| Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... В рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы | | Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования |
| Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования | | Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования |
| Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования | | Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... «Разработка новых методов индивидуальной коррекции сводно-радикального статуса при бактериальных инфекциях» |
