УДК 620.179.16
,
N. K.Konstantinov, v. n.ovcharuk
генератор сигналов специальной формы с заданными частотными характеристиками
GENERATION OF SIGNALS OF SPECIAL FORM FOR ANALYSIS PROPERTIES OF TRANSMIT CHANNELS
В работе дано описание принципов функционирования программно-аппаратного комплекса, предназначенного для генерации сигналов специальной формы по их частотным характеристикам. Комплекс предназначен для проведения работ по неразрушающему контролю акустическими методами, где зачастую возникает необходимость генерации зондирующих импульсов сложных форм. Среда разработки - LabView7.1, для практической реализации сигналов использованы аппаратные средства компании National Instruments.
Ключевые слова: амплитуда, устройство ввода-вывода, спектральный анализ, генератор сигналов, спектральная характеристика.
In this report givens descriptions of principle hardware-software complex. It was designed for generation signals special form on their frequency characteristics. This complex intend for analysis properties of transmit channels. The development medium - Lab View 7.1, for the practical realization of the signals used by the hardware company National Instruments.
Keywords: amplitude, DAQ-card, spectral analysis, signal generator, spectral characteristics.
Для проведения неразрушающего контроля акустическими методами часто возникает необходимость генерации зондирующих импульсов сложных форм, включая шумоподобные. От точности расчета и воспроизведения этих импульсов в значительной степени зависит эффективность исследования и достоверность полученного результата. При этом возникает задача синтезировать подобные сложные сигналы по заранее определенным параметрам. Задание этих параметров возможно как во временной, так и в частотной областях. Необходимые параметры сигнала могут изменяться в процессе работы в зависимости от свойств исследуемого объекта, а также от технических параметров применяемого оборудования и свойств линий передачи сигнала [1].
Существуют технические решения генераторов стандартных сигналов, на выходе которых имеется гармонический сигнал заданной амплитуды и частоты, либо сигнал определенной формы: генераторы прямоугольных, треугольных импульсов, последовательности импульсных сигналов и т. п. Выходной сигнал в подобных генераторах задается во временной области, такими параметрами как частота, период следования, длительностью импульса, амплитудой, скважностью и т. д. [2]
Решение данной задачи в частотной области с использованием современной вычислительной техники позволяет сделать процесс генерации сигналов более гибким, адаптируемым под конкретные условия исследования и имеющуюся измерительную аппаратуру. Это позволяет повысить достоверность результата и сократить время исследования. Так же появляется возможность создания в удобной форме базы данных сигналов, использованных при каждом исследовании для дальнейшей их статистической обработки и выявления недостатков измерительных комплексов.
Среди различных математических приемов, используемых при исследовании электрических сигналов наиболее широко применяется представление произвольной функции в виде суммы более простых «элементарных» функций. Такой подход лежит в основе принципа независимости действия (суперпозиции) при изучении преобразований сигналов. Желательно найти такое представление сигнала, которое облегчает задачи исследования прохождения реальных сигналов через информационные системы. Наглядные геометрические представления, связанные с отображением функций в качестве векторов пространства сигналов, помогают уяснить физическую сущность процессов формирования, передачи и разделения сигналов, синтеза оптимальных сигналов и устройств обработки сигналов при наличии помех.
В случае практической аппроксимации реального сигнала совокупностью базисных сигналов решающее значение приобретает простота их технической реализации. Сигнал представляется суммой ограниченного числа действительных линейно независимых базисных функций [3].
Если функция f(t), заданная в интервале t1 ≤ t ≤ t2 удовлетворяет условиям Дирихле, т. е. на любом конечном интервале функция непрерывна или имеет конечное число точек разрыва 1-го рода и конечное число экстремумов, повторяется с периодом T=t2-t1, то она может быть представлена в виде бесконечного гармонического ряда - ряда Фурье [4].
Пусть W1=2р/T – основная угловая частота (частота первой гармоники). Тогда ряд Фурье в тригонометрической форме через синусные и косинусные составляющие запишется:
, (1)
где A0 – постоянная составляющая сигнала:
;
Bmk – амплитудные значения синусных членов ряда:
;
Cmk – амплитудные значения косинусных членов ряда:
,
k – номер гармонической составляющей.
Другой вид записи ряда Фурье – через амплитуду и фазу k-й гармоники:
, (2)
где Ak- амплитудное значение k-й гармоники:
;
Fk- начальная фаза k-й гармоники [1]:
,
если Bmk<0, то фаза k-й гармоники:
.
Совокупность значений Ak называют амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ). Совокупность значений Fk называют фазово-частотной характеристикой (ФЧХ). Как спектр амплитуд, так и спектр фаз периодического сигнала удобно представлять наглядно спектральными диаграммами. На диаграмме спектра амплитуд каждой гармонике ставится в соответствие вертикальный отрезок, длина которого пропорциональна амплитуде, а расстояние на оси абсцисс отвечает частоте этой составляющей. Аналогично на диаграмме спектра фаз обозначают значения фаз гармоник
При условии что сигнал задан в виде набора спектральных составляющих: амплитуда k-ой гармоники (Ak) , начальная фаза k-ой гармоники (Fk) (где k =1,2,…,m - номер гармоники, а m - число гармоник в спектре сигнала), то задача синтеза сигнала заключается в расчёте временной функции сигнала U(t) по известному спектру сигнала. При этом спектр сигнала задан в виде таблицы амплитуд, частот и фаз гармоник. Задача синтеза сигнала решается путём расчёта значений функции во временной области U(t).
Численный синтез осуществляется путём расчёта отсчетов сигнала через равные интервалы времени и построения временной диаграммы сигнала. При этом интервал времени между соседними отсчётами называют интервалом дискретизации.
Для моделирования и генерации сигналов на персональном компьютере необходимо две составляющие: аппаратная и программная. На аппаратную составляющую возлагается вывод как цифровых, так и аналоговых данных, т. е. и управление внешними устройствами. Роль программной части заключается в обработке данных, управление аппаратной частью, вывод в удобной для пользователя информации на экран, запись обработанных данных в файл на носитель информации. Для реализации данной задачи выбрано программно-аппаратное обеспечение фирмы National Instruments, как средство, имеющее набор эффективных функций для математического моделирования сигналов и вывода результата на внешние устройства.
Вне зависимости от задачи, скорость выполнения программы является важнейшим фактором анализа данных. Библиотеки анализа LabVIEW используют максимум вычислительных возможностей компьютера. Виртуальные инструменты оптимизированы для использования математического сопроцессора. Кроме того, существуют специализированные библиотеки, использующие вычислительные возможности цифровых DSP процессоров, установленных на встраиваемых платах National Instruments [5].
Для ввода спектральных характеристик генерируемого сигнала используются значения амплитудно-частотной характеристики в восьми контрольных точках. Далее производится интерполяция введенных пользователем данных с учетом введенного коэффициента сглаживания, который может применяться для большего подобия результирующего сигнала характеристикам сигналов, реально существующих в природе и технике, а может быть отключен для более точного соответствия выходного сигнала устройства заданным параметрам. Ввод значений фазо-частотной характеристики осуществляется аналогично на соответствующей вкладке верхней части окна программы.
Моделирование сигнала происходит путем суммирования гармонических составляющих спектра с определяемым пользователем шагом, а, следовательно, генерируемый сигнал будет периодическим, с периодом, равным периоду первой гармонической составляющей. Это необходимо учитывать при выборе измерительных приборов для регистрации сигналов.
Фазовая характеристика спектра при необходимости может быть задана точно. Если же ФЧХ не является критичным параметром при решении конкретной задачи, то для упрощения регистрации реакции системы и уменьшения погрешности измерений значения ФЧХ могут быть вычислены по алгоритму получения максимальной средней мощности сигнала за период генерации. Таким же образом может быть сгенерирован шумоподобный сигнал со случайными фазами гармонических составляющих.
Фрагмент интерфейса разработанного виртуального прибора (ВП), предназначенный для задания параметров и генерации необходимого сигнала, и обобщенная блок-диаграмма этой части программы представлены на рисунке 1. Для вывода сигнала использовались DAQ-устройства National Instruments PCI-6070E и BNC-2110.
Рисунок 1. Интерфейс программно-аппаратного комплекса генерации сигнала
По причине того, что процесс моделирования сигнала является достаточно длительным, и нет возможности рассчитывать и генерировать его в реальном времени, итоговый сигнал записывается в файл, что также дает возможность его многократного использования и ведения архивов проведенных исследований.
СПИСОК Литературы
1. Влияние амплитудно-частотной характеристики объекта на спектральные характеристики сигналов акустической эмиссии. / , // Дефектоскопия. – 1986. – 9. – С. 39-45.
2. Импульсная техника / // М: Academia, 2004. – 242с.: ил.
3. Прикладная теория информации./ // - М.: Высшая школа, 1989. – 368 с.: ил.
4. Информационные и управляющие системы: сб. науч. тр. / под ред. . // – Хабаровск : Изд-во Тихоокеан. гос. ун-та, 2008 – 219с.
5. Суранов, А. Я. LabVIEW 8.20: справочник по функциям / // – М.: ДМК Пресс; 20с.
ФГОУ ВПО «Тихоокеанский государственный университет», г. Хабаровск
к. т.н., доцент, доцент кафедры «Автоматика и системотехника»
Тел.: +11
E-mail: *****@***ru
ФГОУ ВПО «Тихоокеанский государственный университет», г. Хабаровск
магистрант кафедры «Автоматика и системотехника»
Тел.: +11
E-mail: *****@***ru
