Мероприятия по совершенствованию маркетинговой деятельности предприятия общественного питания

Размещено на http://www.allbest.ru/

Исследование быстрого алгоритма цифрового обнаружения узкополосных сигналов

Макашин Леонид Алексеевич

магистрант 1 курса факультет

радиотехники и электроники,

радиотехники Воронежский государственный

технический университет Воронеж, Россия

Аннотация: В статье рассматривается быстрый алгоритм цифрового обнаружения узкополосных сигналов. Приведено описание работы алгоритма. Рассмотрены результаты моделирования алгоритма обнаружения в среде MathCad. Приводится пример практической реализации данного алгоритма. Представлена информация по дальнейшему улучшению как самого алгоритма, так и улучшению макета.

Ключевые слова: цифровая обработка сигналов, цифровая техника, алгоритм обнаружения сигнала, радиотехника

Важнейшим этапом обработки узкополосного радиосигнала является обнаружение его присутствия в шуме в заданной полосе частот. В настоящее время известно множество различных способов и алгоритмов обнаружения узкополосных радиосигналов. На практике алгоритмы обнаружения могут быть реализованы как на аналоговой, так и на цифровой элементной базе. В настоящее время, в виду очень быстрого развития цифровой техники, всё чаще задачу обнаружения решают на различных цифровых схемах. Наиболее эффективным является использование специализированных сигнальных микропроцессоров и ПЛИС.

Цель исследования - практическая реализация нового цифрового алгоритма обнаружения.

Для обнаружения предлагается использовать быстрый цифровой алгоритм, приведённый на рис.1. [1]

Рисунок 1 - Структурная схема алгоритма обнаружителя

В общем случае, принимаемый узкополосный сигнал можно представить в виде:

 где  - медленно меняющиеся функции времени;

На малом интервале времени, равном длительности нескольких информационных посылок, амплитуду S(t) и начальную фазу шC(t) принимают постоянными, тогда формула (1.1) записывается в виде:

Формулу (1.4) можно записать и по-другому:

Равенство (1.5) определяется особенностями гармонического сигнала, и даёт возможность проводить квадратурную некогерентную обработку гармонического сигнала (1.4) [2].

По теореме В.А. Котельникова, частота квантования fкв равна удвоенной ширине спектра. Для гармонического сигнала (1.4), при частоте квантования равной 2f0, получающиеся отсчёты будут противофазными [2].

Для квадратурной обработки сигнала (1.1), требуется ещё удвоить частоту кантования, тем самым считывать отсчёты через четверть периода.

Таким образом, при дискретизации на периоде формируется выборка из четырёх отсчётов (рис.2).

Рисунок 2 - Формирование отсчётов

Значения отсчётов на периоде несущей равны:

При поступлении N периодов сигнала, формируются отсчёты   . Далее выборка делится на две последовательности чётных и нечётных отсчётов. На каждом периоде происходит вычисление разностей чётных и нечётных отсчётов с последующим сложением полученных разностей за N периодов. В результате формируются отклики квадратурных каналов y0 и y1 в виде:

Результатом обработки является величина z, равная:

При получении новых отсчётов происходит пересчёт величины z. Отсчёты устаревшего периода удаляются из выборки. В результате, решение о наличии узкополосного сигнала принимается по последовательности значений z1,z2,…,zi, где i - номер последнего обработанного периода.

На вход АЦП поступает узкополосный сигнал s(t), далее он дискретизируется с частотой fкв, задаваемой генератором тактовых импульсов. На выходе АЦП формируется по четыре отсчёта s0,s1,s2,s3, которые затем поступают в многоразрядный сдвиговый регистр.

На вычитателях рассчитываются разности чётных и нечётных отсчётов. Далее результат вычитаний суммируется с содержимым сдвигового регистра, в котором хранится одно полученное при обработке предыдущего периода значение. Таким образом, формируются суммы разностей отсчётов. После этого поступает новый период сигнала, и новые значения с выходов вычитателей записываются в регистры сдвига, заменяя хранящиеся в них, предыдущие значения.

Блок квадратичных вычислений (КВ) производит вычисление значения z по формуле (1.10), которое затем передаётся на решающее устройство (РУ). Для упрощения вычислений, операция по извлечению корня из  может не выполняться. В таком случае выдаётся значение z2. Решающее устройство, в соответствии с порогом z0 принимает решение R о наличии или отсутствии сигнала на входе.

В среде MathCad проведено моделирование алгоритма обнаружения. На графике (рис.3) показана зависимость оценки амплитуды сигнала от номера текущего периода. На начальном участке имеется линейный рост, за счёт заполнения многоразрядных регистров сдвига, а затем формируется оценка амплитуды гармонического сигнала в присутствии шума.

Рисунок 3 - Зависимость оценки амплитуды сигнала от номера текущего периода

Для исследования описанного алгоритма была построена лабораторная установка.

Структурная схема лабораторной установки цифрового обнаружителя узкополосных сигналов (рис.4) состоит из четырёх функциональных блоков: генераторов гармонического сигнала и шума, сумматора и цифрового обнаружителя на микроконтроллере.

Рисунок 4 - Структурная схема макета обнаружителя

Генератор шума выполнен на основе полупроводникового стабилитрона, сигнал с которого затем усиливается с помощью ОУ.

Генератор гармонического сигнала построен на мосте Вина. Для контроля коэффициента усиления используется цепочка АРУ на основе полевого транзистора [3].

Разработка устройства производилась в среде Altium Designer 16. Трехмерная модель платы обнаружителя и изготовленное устройство приведены на рис.5-6.

Рисунок 5 - Модель печатной платы готового обнаружителя

Рисунок 6 - Изготовленный макет обнаружителя

Программа написана на языке Assembler, в среде AVR Studio4.19. В ходе апробации установлено, что устройство под управлением этой программы работает и выполняет свои функции по обнаружению сигнала. В дальнейшем использование ПЛИС или сигнальных процессоров для реализации данного алгоритма позволит перейти на частоты порядка нескольких десятков мегагерц, и проверить данный алгоритм на реальных сигналах. К тому же их использование позволит улучшить и расширить алгоритм, например, добавить к нему оценку уровня шума, с которой обычный микроконтроллер не справляется в виду отсутствия некоторых аппаратных функций, например перемножителя.

Список литературы

1. Глушков А.Н., Литвиненко В.П., Проскуряков Ю.Д. Цифровой обнаружитель узкополосных сигналов // Патент РФ № 2257671 от 27.07.2005.

2. Токарев А.Б., Останков А.В., Характеристики радиотехнических сигналов: учеб. пособие // Воронеж: ГОУ ВПО “Воронежский государственный технический университет”, 2007. 149с.

3. Хоровиц П., Хилл У., Искусство схемотехники. Пер. с англ. - Изд. 2-е. - М.: Издательство БИНОМ. - 2015. - 704 с., ил.

Размещено на Allbest.ru