Методи і пристрої для достовірної ідентифікації розподілених об’єктів комп’ютеризованих систем

Размещено на http://www.allbest.ru/

[Введите текст]

Тернопільський національний економічний університет

Домбровський Збишек Іванович

УДК 621.3. 037.72 .001. 68:681.3

МЕТОДИ І ПРИСТРОЇ ДЛЯ ДОСТОВІРНОЇ ІДЕНТИФІКАЦІЇ РОЗПОДІЛЕНИХ ОБ'ЕКТІВ КОМП'ЮТЕРИЗОВАНИХ СИСТЕМ

05.13.05 - комп'ютерні системи та компоненти

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Тернопіль 2008



Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Тернопільському державному технічному університеті імені Івана Пулюя Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, с.н.с., доцент Яворський Богдан Іванович, Тернопільський державний технічний університет імені Івана Пулюя, завідувач кафедри біотехнічних систем.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Щербак Леонід Миколайович, Національний авіаційний університет, професор кафедри інформаційно - вимірювальних систем;

кандидат технічних наук, доцент Мичуда Леся Зиновіївна, Національний університет "Львівська політехніка", доцент кафедри автоматизації теплових і хімічних процесів.

Захист відбудеться 30 жовтня 2008 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 58.082. 02 Тернопільського національного економічного університету за адресою 46004 м. Тернопіль, вул. Львівська, 11, корпус 11, зал засідань вченої ради.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Тернопільського національного економічного університету за адресою 46004 м. Тернопіль, вул. Львівська, 11.

Автореферат розісланий 29 вересня 2008 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради В.В. Яцків



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Стрімкий розвиток комп'ютерної техніки та засобів телекомунікацій створив умови широкого застосування комп'ютеризованих систем (КС) для діагностики та контролю параметрів енергоспоживання. Для надійного функціонування таких КС актуальним науково - технічним завданням є забезпечення достовірності ідентифікації її розподілених об'єктів.

В енергомережах з цією метою застосовуються гармонічні (тональні) електричні сигнали ідентифікації (СІ). При зростанні кількості обєктів і розширенні розмірів мережі (аж до глобальних масштабів) відповідно підвищуються вимоги до характеристик пристроїв генерування та виявлення тональних СІ.

Ці характеристики залежать від способу виконання елементу з частотно - резонансними властивостями. В Україні, Росії та інших країнах застосовуються тональні сигналі в межах (1000-2000) Гц і аналогові електронні пристрої для генерування та електромеханічні фільтри зі смугою 34 Гц для їх виявлення. Закордонні компанії США, (“Інтел”, “Моторола”), Канади, Великобританії застосовують для цього високоякісні, пасивні та активні аналогові електричні пристрої. Спектр тональних частот цих пристроїв лежить в діапазоні (400-10000) Гц, а смуга фільтрації для виявлення тонального сигналу складає (10-30) Гц.

При збільшенні кількості об'єктів КС застосування існуючих пристроїв генерування і фільтрації тональних сигналів є неприйнятним через низьку достовірність ідентифікації, пов'язану з нестабільністю частоти генераторів і широкою смугою частоти пропускання фільтрів. Для забезпечення вимог підвищення достовірності ідентифікації при розвитку КС енергоспоживання виникає необхідність у збільшенні кількості тональних частот у 100 і більше разів при незмінному діапазоні частоти, що вимагає пошуку методів та засобів їх удосконалення шляхом застосування цифрових пристроїв.

Проте, з одного боку, досягнення потрібних характеристик цифрових генераторів і фільтрів, та, з другого боку, забезпечення їх стійкої роботи з врахуванням дискретизації, квантування та виконання арифметичних операцій над цифровим сигналом є суперечливими. Таким чином, актуальним завданням є удосконалення цифрових пристроїв генерування, фільтрації та виявлення тональних сигналів ідентифікації в КС контролю параметрів енергоспоживання.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Результати роботи використані у науково-дослідних роботах, що виконувалися на кафедрі "Біотехнічні системи" за планом наукової роботи Тернопільського державного технічного університету (ТДТУ) імені Івана Пулюя за концепцією розвитку зв'язку України до 2010 року, розробленою Держкомзв'язку, Мінпромполітики, Міноборони і СБУ та затвердженою постановою Кабінету Міністрів України від 9 грудня 1999 р. № 2238 у її пріоритетних напрямах: максимальної цифровізації; здійснення системного контролю з метою забезпечення визначення в реальному часі інформаційного навантаження і характеристик продуктивності; проведення моніторингу інформаційних потоків з метою реалізації оперативних пошукових заходів - тема ВК-501 „Дослідження і розробка методів та засобів виявлення евентуальних та ритмічних сигналів”, номер державної. реєстрації 0304U007000 (2001-2004 рр.).

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є вирішення наукового завдання підвищення достовірності ідентифікації розподілених об'єктів комп'ютеризованої системи діагностування та контролю параметрів енергоспоживання при збільшенні кількості об'єктів, за рахунок розроблення нових ефективних методів та пристроїв цифрового формування та оброблення сигналів.

Для досягнення поставленої мети необхідно було розв'язати наступні задачі:

- проаналізувати методи удосконалення пристроїв ідентифікації об'єктів КС контролю за енергоспоживанням в енергомережах з радіоканалом передачі даних та встановити закономірності між системними параметрами, які забезпечують підвищення достовірності ідентифікації об'єктів КС при розвитку мережі;

- дослідити вплив дискретизації, квантування та процесу обчислень з кінцевою розрядністю у засобах цифрової обробки сигналів ідентифікації на ступінь достовірності ідентифікації об'єктів КС;

- розробити моделі процесу ідентифікації об'єктів КС для побудови методів підвищення стабільності генерування та достовірності фільтрації тональних сигналів, визначити фактор впливу вірогідності ідентифікації об'єктів КС на характеристики цифрових пристроїв ідентифікації щодо забезпечення необхідних і достатніх умов їх стійкості при застосуванні рекурсивних алгоритмів;

- синтезувати структуру уніфікованого пристрою, який працює за рекурсивним алгоритмом, для побудови цифрових генераторів та фільтрів тональних сигналів із заданими характеристиками точності і стабільності частоти та ширини смуги пропускання;

- розробити принципові схемотехнічні рішення цифрових компонентів пристроїв сумування з накопиченням чисел із знаком, в яких відсутні переповнення;

- розробити і здійснити апробацію нових уніфікованих цифрових пристроїв стабільної генерації частоти і вузькосмугової фільтрації тональних сигналів ідентифікації та експериментально дослідити достовірність ідентифікації об'єктів КС енергоспоживання з їх застосуванням при збільшенні кількості об'єктів.

Об'єкт дослідження - процеси ідентифікації розподілених об'єктів в комп'ютеризованих системах.

Предмет дослідження - методи і пристрої для достовірної ідентифікації розподілених об'єктів комп'ютеризованих систем діагностики та контролю енергоспоживання.

Методи дослідження. Теоретичні положення дисертації ґрунтуються на теорії множин, теорії чисел, теорії цифрових кіл та сигналів, теорії цифрового оброблення сигналів (ЦОС), теорії фільтрації, теорії стійкості, а також методів математичного моделювання і експериментальних досліджень апаратних засобів.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Вперше одержано метод сумування чисел поданих кодами, що є елементами розширеного кінцевого поля в цифрових пристроях, який відрізняється від відомих тим, що результат сумування на виході формується в розширеному по відношенню до входу кінцевому полі, а опрацювання знакового розряду здійснюється згідно з правилами логіки додавання чисел із знаком, який забезпечує розширення зони нелінійності у два рази.

2. На основі запропонованого методу подання суми чисел розроблено модель процесу накопичення чисел із знаком, яка уможливила формалізацію процесу виконання арифметичних операцій для обґрунтування забезпечення стійкості функціонування цифрових пристроїв, які працюють за рекурсивним алгоритмом.

3. Удосконалено метод побудови цифрових генераторів і фільтрів тональних сигналів ідентифікації об'єктів КС на основі оптимізованої за кількістю множень цифрової ланки 2-го порядку - цифрового резонатора, що уможливило зменшення кількості операцій множення та синтез цих генераторів і фільтрів за допомогою уніфікованого багатофункціонального пристрою.

4. Дістав подальший розвиток метод структурного синтезу засобів цифрового оброблення тональних сигналів для ідентифікації об'єктів КС на основі використання переваг моделі авторегресійного ковзного середнього (АРКС), покладених в основу виявлення коротких посилок частоти та врахування структури їх реалізації ланками цифрового резонатора, що забезпечило практичну побудову ефективних (з малими затратами), програмно переналагоджуваних пристроїв стабільного генерування і вузько смугової фільтрації сигналів.

Практичне значення одержаних результатів. За результатами виконаних досліджень створено уніфіковані пристрої генерування, фільтрації та виявлення частоти тональних сигналів, які відповідають параметрам ідентифікації об'єктів КС при розширенні енергомережі. Розроблені цифрові пристрої мають прогнозовані характеристики в складних умовах роботи і розширюють функціональні можливості апаратури за рахунок програмування і комплексного використання в якості генератора сітки частот і набору фільтрів різної частоти, що на два порядки зменшує витрати на апаратуру (100 генераторів і фільтрів реалізують одним програмованим пристроєм), а також забезпечують високу часову і температурну стабільність частоти генерації і фільтрації сигналів ідентифікації, скорочується час на впровадження і підвищується продуктивність їх застосування при розширенні КС контролю енергоспоживання (частоти генерування і фільтрації переналагоджуються через радіоканал).

Наукові положення і висновки дисертації впроваджено в апаратуру КС контролю енергоспоживання, яка виробляється серійно на ВАТ ТКБР “Стріла” (м. Тернопіль).

Особистий внесок здобувача. Усі теоретичні та експериментальні дослідження виконані автором самостійно. У друкованих працях опублікованих у співавторстві, автору дисертації належать: [4] спосіб реалізації функціональної схеми за допомогою цифрових пристроїв; [5,7] структура цифрового резонатора; [6] наукове положення про сукупний вплив ЦОС; [8] - модель шумів РЦФ; [9] концепція функціонування і принципи побудови КС з радіоканалом; [10] - метод реалізації смугових фільтрів на основі цифрового резонатора; [11, 12] - методи побудови і засоби реалізації, [13] - функціональні рішення та алгоритм роботи процесора РЦФ.

Апробація результатів дисертації. Основні наукові результати досліджень і положень дисертаційної роботи доповідались на науково-технічних конференціях: "Обработка сигналов".- Ленинград, 1990 р.; "Проблемы передачи и обработки сигналов.- Рига, 1991 р., а також на секції „ Перспективні інформаційні технології, комп'ютерні системи та мережі, бази даних і знань на основі інтелектуальних систем”, наукових конференцій Тернопільської академії народного господарства, Тернопіль, 2004 р. та 2006р.

Публікації. За темою дисертації опубліковано 14 наукових праць, загальним обсягом 45 стор. З них: 8 статей у фахових виданнях; 3 авторських свідоцтва та патент на винаходи; 2 тези доповідей в матеріалах наукових конференцій, 3 роботи опубліковані одноосібно.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Повний обсяг роботи -158 сторінок. Основний зміст викладено на 134 сторінках машинописного тексту, містить 27 рисунків, 10 таблиць, додатків на 12 сторінках. Список використаних джерел із 135 найменувань на 11 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

цифровий пристрій сигнал енергоспоживання

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовано її мету та задачі досліджень, означено об'єкт та предмет дослідження, визначено її зв'язок з науковими програмами. Сформульовано наукову новизну, практичне значення й особистий внесок автора в одержаних результатах, подано відомості про їх апробацію та впровадження.

У першому розділі проведено аналіз застосування цифрових засобів генерування, фільтрації та виявлення тональних сигналів для підвищення достовірності ідентифікації об'єктів КС контролю параметрів енергоспоживання при збільшені кількості об'єктів. Показано, що в КС контролю енергоспоживання з просторово розподіленою у регіональних масштабах структурою її об'єктів з використанням радіоканалів для достовірної ідентифікації об'єктів застосовують тональні сигнали фіксованої частоти , в межах від 1000 до 2000 Гц. Генерування цих сигналів здійснюють аналоговими пристроями, а виявлення протягом інтервалу - смуговими фільтрами з смугою пропускання 34 Гц, які реалізують за допомогою електромеханічних фільтрів (ЕМФ). Пристрої з такими характеристиками забезпечують ідентифікацію до 50 об'єктів КС.

Дослідженням встановлено, що при збільшені кількості об'єктів КС методи аналогового опрацювання і недосконалість існуючих пристроїв ідентифікації - нестабільність і неточність частоти генерації тональних посилок, низька роздільна здатність внаслідок широкої смуги фільтрів та нестабільність їх параметрів не забезпечують достовірності ідентифікації. Тому актуальним є застосування цифрових методів оброблення сигналів для реалізації пристроїв високої стабільності і точності генерування частот і вузької смуги пропускання пристроїв їх виявлення в фіксованому діапазоні частоти, з метою достовірної ідентифікації великої кількості об'єктів КС. Порівняльним аналізом різних способів виявлення близьких тональних частот (ТЧ) при коротких посилках встановлено, що одним із придатних є частотна фільтрація за допомогою рекурсивних цифрових фільтрів (РЦФ). Проте поряд із перевагами РЦФ, є недоліки пов'язанні з ефектами сукупного впливу дискретизації і квантування, а також специфіки функціонування цифрових пристроїв з кінцевою розрядністю, які при використанні рекурсивних алгоритмів в реальному часі призводять до нестійкої роботи.

Основна причина цього недоліку пов'язана з кінцевою і обмеженою розрядністю пристроїв додавання, що призводить до нелінійності процес сумування. З аналізу відомих засобів запобігання переповнень зроблено висновок, що задача сумування чисел із знаком без переповнення в існуючих цифрових пристроях додавання, а також загальна задача стійкості РЦФ залишаються нерозв'язані. Застосування РЦФ може стати перспективним напрямком для ідентифікації об'єктів КС при зростанні кількості споживачів і розширенні енергомережі при розробленні методів усунення недоліків пов'язаних із нелінійністю суматора, при апаратній реалізації. На підставі виконаного аналізу сформульовано задачі для їх розв'язання в наступних розділах.

У другому розділі обґрунтовано метод удосконалення пристроїв ідентифікації об'єктів КС діагностики та контролю енергоспоживання. На підставі визначення ідеалізованих характеристик, яким повинні відповідати цифрові пристрої генерування тональної частоти по стабільності і фільтри щодо смуги пропускання виконано оцінку їх впливу на достовірність ідентифікації об'єктів КС з радіоканалом при їх збільшенні. Подано комплекс моделей процесу цифрового опрацювання коротких посилок тональних частот для визначення принципів, за яких забезпечується уніфікація і технологічність пристроїв їх реалізації. Розглянуто теоретичні основи накопичення чисел із знаком в пристроях додавання, у взаємозв'язку із стійкістю функціонування цифрових рекурсивних пристроїв при застосуванні їх як засобу підвищення достовірності ідентифікації у спеціальних умовах роботи. Для побудови цифрових пристроїв ідентифікації об'єктів КС, на основі абстрагування виділено узагальнені формальні фактори, на підставі яких, окремі пристрої генерування, фільтрації і виявлення об'єднують у підсистему .

При зростанні кількості об'єктів КС для достовірної ідентифікації цифровими пристроями, запропоновано функціональну схему (рис. 1 а, б). Кожен об'єкт містить (рис.1а) два генератори, які по черзі протягом 250 мс генерують дві різні частоти і передають їх по радіоканалу до всіх об'єктів КС, а на рис. 1б відповідно приймач радіоканалу одного з об'єктів, який містить два фільтри налаштовані на ці частоти. Сигнал з першого фільтру, накопчується протягом певного інтервалу і після досягнення порогу фіксується Трг.

Рис. 1. Функціональна схема ідентифікації об'єктів енергоспоживання за тональним сигналом при використанні радіоканалу в КС.

Обґрунтовано формально, що вибір критерію виявлення і вірогідності помилки ідентифікації pnk, залежать від показників стабільності тональної частоти генератора , резонансної частоти фільтра і його добротності , та тривалості процесу ідентифікації . Ці показники визначають рівень регулярної складової завад Nk, яка разом з шумом впливає на достовірність ідентифікації: . Одержано співвідношення для знаходження кількості - тональних частот, для найбільш можливого значення пропускної здатності підсистеми ідентифікації , на фоні адитивного незалежного нормального білого шуму, при смузі пропускання .

Оптимальний критерій вибору порогу, для нормального розподілу ймовірностей визначають за формулою , де - інтеграл імовірності, - задана імовірність помилки, - дисперсія сумарної енергії тональних сигналів, - математичне сподівання цієї енергії, а достовірність ідентифікації виразом , де - дисперсія відношення енергії сигналу до енергії завади, а - математичне сподівання цього відношення. Для визначення принципів побудови і проектування цифрових пристроїв підсистеми ідентифікації розроблено математичні моделі генерування та фільтрації сигналів, формалізовані на основі теорії різницевих рівнянь. Вибір моделі процесу цифрової фільтрації ТЧ шляхом знаходження авторегресійного ковзного середнього значення в дискретні моменти часу базується на апріорній інформації про сигнал.

При апаратній реалізації ЦОС виконують у цифрових фізичних пристроях з кінцевою розрядністю і значення коефіцієнтів подають кодами із кінцевого поля. Значення відліків тональних сигналів у процесах ідентифікації об'єктів КС- є раціональні числа x, які після АЦП набувають значень цифрових послідовностей {x} із скінченого інтервалу для яких lim x= М, а обчислювальний процес являє собою дискретну модель неперервного процесу. Показано, що при виконанні арифметичних операцій у кінцевому полі, (в кільці цілих чисел по модулю деякого цілого числа М=, який залежить від розрядності m-1 регістрів обчислювального пристрою) істинний результат сумування може бути однозначно поданий лише за умови, якщо абсолютна величина вхідних чисел не перевищує половини цього модуля. Схематично динаміку сумування цифрового сигналу, з врахуванням нелінійності суматора і виникнення періодичних коливань в цифровій рекурсивній ланці, ілюструє схема, подана на рис.2.

Рис. 2. Виникнення граничних коливань на виході РЦФ через зміну знаку в суматорі внаслідок переповнення його фізичної розрядності.

Для усунення граничного циклу при сумуванні чисел по модулю М запропоновано метод побудови суматора, в якому відсутні: переповнення і зміна знаку при значних варіаціях чисел на вході з кінцевої їх множини М={} до значень X =. При застосуванні такого суматора в РЦФ, оператор його функції передачі H(nT) відображає вхід в розширений простір виходу -, що забезпечує для рекурсивного фільтру високого порядку локальну стійкість при дотриманні необхідних і достатніх умов стійкості апроксимації і наближеної її реалізації та уможливлює побудову цифрових пристроїв генерації і фільтрації тонального сигналу близьких ТЧ.

У третьому розділі виконано структурно - параметричний синтез уніфікованих цифрових пристроїв генерації та фільтрації набору сигналів близьких тональних частот для достовірної ідентифікації об'єктів КС енергоспоживання. Обгрунтовано на основі моделей поданих у 2-му розділі, застосування оптимізованої за кількістю множень цифрової ланки 2-го порядку - цифрового резонатора (ЦР) в якості багатофункціонального уніфікованого пристрою генератора сітки тональних частот і набору вузько смугових фільтрів (рис. 3). Приведено розрахунок смугового фільтру, який орієнтований на його реалізацію регулярною структурою - ЦР. Досліджено частотні характеристики набору смугових фільтрів при їх реалізації у форматі імпульсно кодової модуляції (ІКМ) і дельта модуляції (ДМ), порівняльний аналіз яких показав переваги застосування ІКМ. Розроблено принципові рішення нових схем цифрових пристроїв для сумування чисел в яких відсутні переповнення і виконано теоретичні дослідження їх, які доводять істинні результати сумування для різних варіантів кодування чисел із знаком.

Рис. 3. Структурна схема рекурсивної ланки ЦР для ІКМ.

Ширина смуги частоти кожного з фільтрів на рівні З дБ загасання, визначає достовірність ідентифікації при збільшені об'єктів СК, який повинен бути нижче лінії значення порогу „в”, тому що, при недостатній ширині смуги вони накладаються на рівні „б”, який вище порогу (рис. 4). Залежність добротності фільтрів (ширини смуги) від кількості тональних частот подано на рис.5.

Рис. 4. Модулі АЧХ при збільшені кількості фільтрів із смугою 30 Гц.

Рис. 5. Залежність добротності від кількості тональних частот .

Дослідження практично досяжних показників фільтрів при ІКМ і структурі синтезованих з ланок 2-го порядку у залежності від смуги фільтра подано в табл.1.

Таблиця 1 - Характеристики фільтрів з ІКМ для 3-х різних смуг

Формат Даних	Смуга фільтра Гц	Порядок фільтра	Розрядність суматора	Кількість фільтрів /Тд	Придатність до генерації
ІКМ	30	8	16 паралельно	1400	Повна
ІКМ	10	10	24 паралельно	1200	Повна
ІКМ	3	12	32 паралельно	1000	Повна



Характеристики порядку і швидкодії структури 2-го порядку синтезованих з ДМ у залежності від смуги фільтра подано в табл.2.

Таблиця 2 - Характеристики фільтрів з ДМ для 3-х різних смуг

Формат даних	Смуга фільтра Гц.	Порядок фільтра	Розрядність суматора	Кількість фільтрів /Тд	Придатність до генерації
ДМ	30	10	1-послідовний	100	Часткова
ДМ	10	13	1-послідовний	80	Часткова
ДМ	3	16	1-послідовний	60	Часткова

Порівняльний аналіз різних фільтрів подано на графіках на рис. 6 і 7.

Рис. 6 - Залежність порядку фільтра від смуги з ІКМ та ДМ

Дослідження характеристик фільтрів ІКМ і ДМ показує переваги застосування ІКМ сигналів у порівнянні з ДМ: більша крутизна АЧХ та більша кількість фільтрів може бути реалізована одним обчислювальним пристроєм за період дискретизації. Аналіз стійкості цифрового опрацювання сигналів ідентифікації за алгоритмом



Рис. 7 - Залежність кількості фільтрів від смуги з ІКМ та ДМ форматами.

,

який визначає сукупність арифметичних операцій множення і додавання чисел, а також запам'ятовування кодованих значень вхідної і вихідної послідовності на проміжку часу, кратному періоду дискретизації сигналу в цифрових пристроях, що містять m+1 двійкових розрядів показали, що при додаванні чисел з фіксованою комою в суматорі, при m=k, і значеннях в будь якій комбінації рівних „1”+„1”, то їх сума , яка формується в кінцевих полях Галуа, буде мати нульове значення за рахунок циклічності по модулю M, а значення переносу буде належати розширеному полю (k+1). Якщо числа на вході приймають значення із знаком „плюс-мінус”, то значення результату (сума з урахуванням переносу) не буде істинною через порушення умови замкнутості по модулю числа . З врахуванням розрядності цифрових пристроїв - m умова стійкості визначається за виразом:

.

Істинний результат на виході РЦФ без переповнень отримують, якщо розрядність ЦФ задовольняє умові, а не шляхом масштабуванням, яке узгоджує відносні значення чисел на вході і виході. На основі запропонованого автором методу побудови суматора з додатковим розрядом на виході в якому не виникають переповнення, розроблено принципово нову функціональну схему суматора, який є базовим для побудови ЦФ (рис. 8). Пристрій для додавання чисел складається з послідовно з'єднаних однорозрядних суматорів 4.1, 4.2, 4.3, 4.4, та логічного блоку, який містить елементи „І”- 1 і 3, елемент 2 нерівнозначності, елемент „АБО”-5. Оскільки значення переносу в старший розряд формується за правилом: , а на виході розрядність на один розряд більше входу, то розрядні значення суми для усіх випадків будуть відповідати умові, яка виключає переповнення

і забезпечує істинний результат додавання (табл. 3).

Рис.8. Функціональна схема пристрою для додавання чисел в якому відсутні переповнення.

Теоретичні та експериментальні дослідження процесу виконання обчислень запропонованими цифровими засобами сумування, при кодуванні чисел з фіксованою комою трьома основними способами в кінцевих полях, доводять достовірність арифметичних операцій і відсутність переповнень (табл. 3).



Таблиця 3 - Результати додавання чисел із знаком в суматорі без переповнення

Додавання чисел при різних способах кодування
Прямий код числа	Обернений код числа	Доповнюючий код числа
0, 1111 1, 1111 +0, 1111 - 1, 1111 =0,10000 =1, 10000	0, 1111 1, 1111 +0, 1111 - 1, 0000 =0,10000 =1, 10000	0, 1111 1, 1111 +0, 1111 - 1, 1111 =0,10000 =1, 10000

Для реалізації рекурсивної ланки цифрових фільтрів розроблено пристрій багато розрядного суматора з накопиченням (рис. 9), в якому загальне число розрядів k = n+1, тобто на один більше, а число додаткових елементів для реалізації запропонованого суматора не залежить від числа розрядів.

Характеристика суматора без переповнення при значеннях на входах m+m із знаками +/- вихід приймає істинне значення результату додавання (2m) і не змінює його знак (рис.9).

Рис. 9. Характеристика вхід - вихід суматора без переповнення.

В четвертому розділі розроблено і описано апаратні засоби на основі цифрових уніфікованих пристроїв для стабільної генерації та достовірного виявлення тональних сигналів ідентифікації об'єктів КС контролю енергоспоживання при їх розширенні. Розроблені засоби ідентифікації входять до складу КС енергоспоживання, як підсистема. Пристрій ідентифікації (рис. 10) містить наступні блоки: АЦП, набір цифрових резонаторів, налаштованих на різні частоти, пристрій запам'ятовуючий, логічний пристрій виявлення, пристрій керування і ЦАП. Шляхом зміни коефіцієнтів цифровий резонатор перемикається для формування цифрового тонального сигналу кодування потрібного об'єкту КС, або їх фільтрацію для ідентифікації об'єкту КС. Автором запропонована функціональна схема уніфікованого цифрового пристрою - резонатора (рис. 11).

Для утримання обчислень в межах відносних значень у форматі чисел з фіксованою комою використовують масштабування з плаваючою (поблочно) комою в межах кожного фільтру. Проміжні значення вихідного сигналу зберігаються в запам'ятовуючому пристрої (ЗП), який приєднано до магістралі вхід-вихід. Значення коефіцієнтів аі та bі зберігаються в постійному ЗП. Арифметичні операції додавання виконуються в процесорі паралельно над числами з фіксованою комою в 32-розрядному форматі. Обчислення добутків 24 - розрядних чисел виконується по модулю множенням на 24 розрядні значення коефіцієнтів, а знак обробляється окремо. Висока швидкодія досягається за рахунок застосування конвеєрного виконання процесів передачі і виконання операцій множення і додавання із знаком. Реалізації алгоритму рекурсивної ланки 2-го порядку виконується за програмою із 11 кроків. Пристрій керування забезпечує паралельне виконання команд алгоритму ЦР. Вхідні значення відліків і результати зберігають у двохпортовому надоперативному ЗП, для незалежного і одночасного доступу.

Рис. 10. Структурна схема цифрового Рис. 11. Функціональна схема пристрою ідентифікації об'єктів в КС. цифрового резонатора.

Використання запропонованої архітектури резонатора уможливлює реалізацію до 1000 ЦФ 10 порядку з частотою дискретизації вісім кГц. На основі розроблених цифрових пристроїв побудовано підсистему ідентифікації об'єктів в КС (рис. 12). В режимі генерування виробляється цифровий тональний сигнал певної частоти, який при допомозі ЦАП перетворюють в аналоговий сигнал ТЧ, який передають через радіоканал. Цей сигнал приймають усі об'єкти мережі, в яких на виході приймача АЦП здійснює перетворення сигналу ТЧ в цифрову форму. Кожна вибірка ТЧ протягом 125 мкс обробляється програмою, еквівалентною 1024 фільтрам різної частоти, встановленим паралельно. На одному з об'єктів у якому ЦР налаштований на частоту цього сигналу виділяється ТЧ. В якості пристрою виявлення застосовується двійковий лічильник. Розрахункове значення порогу встановлюються шляхом порівняння коду старших восьми розрядів лічильника із постійним кодом порогу, який встановлюється програмно, що додатково підвищує достовірність ідентифікації і забезпечує повну уніфікацію цифрових пристроїв.

Для оцінювання показників якості цифрових пристроїв ідентифікації щодо нестабільності частоти генераторів та ширини смуги ЦФ, розроблено відповідні засоби тестування, які придатні для впровадження як на етапах виробництва, так і експлуатації.

Для тестування ЦФ запропоновано використовувати сигнал як послідовність двійкових кодів, значення яких відповідає відлікам синусоїди на виході аналого-цифрового перетворювача, яка поступає на цифрові входи ЦФ.

Для тестування АЧХ усіх фільтрів в наборі пропонується розроблений автором прецизійний цифровий ЛЧМ генератор тональних сигналів НЧ.

Рис.12. Структурна схема підсистеми ідентифікації об'єктів КС контролю енергоспоживання із застосуванням уніфікованих цифрових пристроїв:

1 - блок програмованого генератора тональних частот (ТЧ); 2 - генератор ТЧ; 3 - ЦАП; 4 - радіопередавач; 5 - радіоприймач; 6 - АЦП; 7 - уніфікований цифровий генератор та фільтр ТЧ об'єкту; 8 - ЦАП, 9 - радіопередавач; 10 - пристрій запам'ятовування; 11 -приймач; 12 - пристрій виявлення; 13 - АЦП; 14 - набір програмованих фільтрів; 15 - пристрій декодування; 16 - пристрій керування; 17 - вхід-вихід ЦК; 18 - вихід об'єкту; 19 - вхід об'єкту енергоспоживання (1...N); 20 - радіоканал зв'язку.

Експериментальні дослідження розроблених цифрових пристроїв ідентифікації виконувались шляхом лабораторних випробувань та імітаційного моделювання на ЕОМ, квантованих за рівнем дискретної вибірки з адитивної суміші сигналу 3-х близьких частот з шумом, і порівняння їх з розрахунками ідеальних пристроїв.

Порівняння розрахункових і даних імітаційного моделювання показали співпадання їх характеристик з середньоквадратичною похибкою 0.16 10-3.

У додатках подано документи, які підтверджують впровадження результати наукових досліджень по темі дисертації, а також технічний опис КС діагностики і контролю енергоспоживання з використанням радіоканалів зв'язку.



ВИСНОВКИ

В дисертаційній роботі розв'язано актуальне наукове завдання підвищення достовірності ідентифікації об'єктів комп'ютеризованих систем енергоспоживання за рахунок розроблення уніфікованих пристроїв цифрової техніки, яке має важливе значення для розвитку діагностики та контролю розподіленими об'єктами енергоспоживання при їх збільшенні. Побудова уніфікованих пристроїв цифрової техніки для підвищення достовірності ідентифікації об'єктів КС енергоспоживання уможливлено такими науково обґрунтованими результатами проведених досліджень.

1. Аналіз відомих пристроїв ідентифікації об'єктів енергоспоживання у КС контролю із застосуванням радіоканалу для зв'язку і методів забезпечення достовірності виявив, що існуючі пристрої ідентифікації при розвитку мережі і тенденції до зростання кількості об'єктів можуть бути удосконалені засобами цифрового оброблення сигналів шляхом підвищення стабільності частоти генератора і зменшення ширини смуги пропускання фільтрів, за умови врахування впливу квантування, дискретизації та виконання обчислень з кінцевою розрядністю, які у сукупності визначають достовірність ідентифікації.

2. Досліджені методи ЦОС шляхом порівняння нерекурсивних і рекурсивних алгоритмів показали, переваги застосування рекурсивних алгоритмів, щодо забезпечення стабільності генерування та вузькосмугової фільтрації близьких тональних частот, але при цьому виявили недоліки, пов'язані із квантуванням та нелінійністю обчислень у суматорі з кінцевою розрядністю, які призводять до нестійкості функціонування цифрових пристроїв ідентифікації об'єктів КС.

3. Розвинуто системні аспекти побудови пристроїв ЦОС ідентифікації об'єктів КС за рахунок обґрунтування застосування АРКС, і комплексу моделей процесів генерування та вузькосмугової фільтрації коротких посилок тональних сигналів, на основі яких виявленні подібні ознаки, що уможливило:

- запропонувати процедуру розроблення уніфікованої цифрової структури для генерування і фільтрації: від формування вимог до синтезу рекурсивної ланки;

- отримати вирази для оцінювання кількості достовірної ідентифікації об'єктів КС у мережі з радіоканалом за рахунок розгляду їх у сукупності щодо стабільності генерування та звуження смуги пропускання фільтрів, у взаємозв'язку з вибором імовірності їх помилки із врахуванням завад у радіоканалі;

- запропонувати формалізований опис процесів РЦФ, для дослідження необхідних та достатніх умов стійкості функціонування цифрових пристроїв, за яким доведено їх залежність від нелінійності результатів обчислень при сумуванні внаслідок переповнення розрядності, на основі якого розроблено новий метод усунення переповнень в суматорі, який відрізняється від відомих тим, що результат сумування формується в розширеному кінцевому полі по відношенню до входу.

4. Виконано обґрунтування вибору і синтез структури ланки другого порядку шляхом деталізації розрахунку комплексно - спряжених коефіцієнтів функції передачі у виді цифрового резонатора, придатного для побудови багато функціонального уніфікованого пристрою: генератора сітки тональних частот високої стабільності і набору смугових фільтрів з вузькою шириною смуги пропускання тональних сигналів, базовим пристроєм реалізації якого є суматор.

5. Розроблено на основі запропонованого методу нові схеми пристроїв сумування і накопичення чисел і компоненти опрацювання знакового розряду згідно з правилами логіки виконання операцій із знаком, які забезпечують істинні результати та знак сумування чисел в цифровому пристрої з обмеженою розрядністю, а проведений теоретичний аналіз сумування чисел для різних способів їх кодування із знаком підтвердив відсутність переповнення.

6. Розроблені уніфіковані цифрові пристрої підсистеми ідентифікації об'єктів КС на основі багатофункціонального цифрового резонатора в якості уніфікованого пристрою: генератора сітки тональних частот із стабільністю не гірше 10-6 і набору вузько смугових (із меншою в 10 разів смугою частоти) фільтрів, уможливили удосконалити метод ідентифікації об'єктів КС при їх збільшені в 100 разів, без зменшення достовірності (на рівні 0.97).

Розроблені цифрові пристрої у порівнянні з відомими рішеннями мають переваги в тому, що усі функції і характеристики їх можна змінювати шляхом програмування, що дало можливість скоротити в 200 разів обсяг обладнання, а регулярна структура уможливлює реалізацію у виді надвеликих інтегральних схем (НВІС). Експериментальне дослідження розроблених цифрових пристроїв підсистеми ідентифікації об'єктів КС підтвердило ефективність такої реалізації.



СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Домбровський З.І. Оцінка кількості ідентифікованих об'єктів систем керування за тональним сигналом// Міжнародний науково-технічний журнал Комп'ютинг. - 2007.- Т.6, вип. 3.- С. 106-111.

2. Домбровський З.І. Методи та засоби підвищення достовірності ідентифікації об'єктів у розподілених системах керування// Вісник Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя.- 2006.- Т.11, №2.- С. 109-116.

3. Домбровський З.И. Особенности выполнения арифметических операций сложения// Республик. межвед. научно-технический зборник „Автоматизация производственных процессов в машиностроении и приборостроении”.- Львов, 1989-вип. №28- С. 156-158.

4. Погрибной В.А. Алгоритмы и структуры нерекурсивной и рекурсивной фильтрации с дельта- модуляцией на однородных вычислительных средах/ Погрибной В.А., Тимченко А.В., Домбровский З.И. // Республик. межвед. научно-технический зборник „Автоматизация производственных процессов в машиностроении и приборостроении”.- Львов, 1990- вип. №29,- С. 125-129.

5. Яворский Б.И. Расчет цифровых полосовых фильтров типа Чебышева/ Яворский Б.И., Домбровский З.И. // Радиотехника.- 1981.- Т. 36, №10.- С. 79-81.

6. Яворский Б.И. Частота дискретизации при реализации цифровых полосовых фильтров Яворский Б.И., Домбровский З.И., Яворский В.И., Лотоцкий Я.В. // Изв. вузов. Радиоэлектроника.- 1985.- №4. -С. 78-80.

7. Яворский Б.И. Тест-сигнал для рекурсивных цифровых фильтров Яворский Б.И., Домбровский З.И. // Изв. вузов. Радиоэлектроника.- 1983.- Т. 26, № 7.- С. 57-59.

8. Яворский Б.И. Определение дисперсии шумов рекурсивных полосовых цифровых фильтров/ Яворский Б.И., Домбровский З.И. // Радиотехника.- 1984.- № 5.- С. 57-58.

9. Пат. 16344 Республики Казахстан, МКИ G06F 13/14. Система программного управления удаленными объектами/ Домбровский З.И. (Украина) и Панфилов Ю.А., Жумадилов Е.С., Полонский А.И. (Республика Казахстан) Куклевский С.Е., Пискун С.А., Кравец А.А, (Украина); заявитель патентообладатель Товарищество с ограниченой ответственностю „Востоктранссигнал”.-№ 960924.1; заявл. 23.05.95; опубл. 22.11.96.

10. А.с.1803962. СССР МКИ Н 03 Н 17/04.Цифровой рекурсивный фильтр / В.А. Погрибной, А.В.Тимченко, А.Н.Атаманчук, З.И.Домбровский (СССР) - №4808044-09; заявл. 23.03.90; опубл. 23.03.93, Бюл.№11.

11. А.с. 1517024. СССР, МКИ G 06 F 7/50.Вычислительное устройство / З.И.Домбровский, М.А.Дуда, Л.А. Узлова (СССР).-№4386360/24; заявл. 01.03.88; опубл. 23.10.89. Бюл.№39.

12. А.с. 1343409. СССР, МКИ G 06 F 7/50.Устройство для суммирования двоичных чисел/ З.И.Домбровский, М.А. Дуда, Л.А. Узлова(СССР).- №4051343/24-24; заявл. 07.04.86; опубл. 07.10.87. Бюл.№37.

13. Яворский Б.И. Повышение эффективности аппаратуры для реализации цифровой рекурсивной фильтрации/ Яворский Б.И., Домбровский З.И. //Труды научной конференции "Обработка сигналов".- Ленинград, 1990р.- С. 68 .

14. Домбровский З.И. DM- signals filtration by comb filters/Домбровский З.И., Погрибной В.А., Тимченко А.В., Яворский Б.И.// Труды научной конференции "Проблемы передачи и обработки сигналов"- Рига, 1991.- С. 16-18.



АНОТАЦІЯ

Домбровський З. І. Методи і пристрої для достовірної ідентифікації розподілених об'єктів комп'ютеризованих систем .- Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.05 - комп'ютерні системи та компоненти. - Тернопільський національний економічний університет, Тернопіль, 2008.

Дисертаційна робота присвячена розробленню цифрових пристроїв підвищення достовірності ідентифікації розподілених об'єктів КС діагностики і контролю енергоспоживання із використанням тональних сигналів при розвитку мережі. На основі формального подання характеристик пристроїв ідентифікації розроблено моделі, структуру цифрових пристроїв стабільного генерування та вузькосмугової фільтрації для достовірного виявлення тональних сигналів при ідентифікації об'єктів КС енергоспоживання при їх значному збільшенні.

У дисертації розроблено та досліджено нові цифрові пристрої сумування двійкових чисел, які забезпечують істинний результат і підвищують функціональну стійкість обчислень за рекурсивним алгоритмом, що уможливило удосконалити побудову цифрових генераторів і фільтрів тональних сигналів ідентифікації об'єктів КС на основі оптимізованої за кількістю множень цифрової ланки 2-го порядку - цифрового резонатора. Запропоновано цифрові пристрої для побудови генератора сітки частот і набору фільтрів різної частоти, які на два порядки зменшують витрати на апаратуру та скорочується час на впровадження при розширенні КС контролю енергоспоживання.

Ключові слова: комп'ютеризована система, достовірна ідентифікація, розподілені об'єкти, цифровий резонатор, цифрові пристрої стабільного генерування, вузькосмугові цифрові фільтри, нові цифрові пристрої сумування.



АННОТАЦИЯ

Домбровский З.И. Методы и устройства для достоверной идентификации распределенных объектов компьютеризированных систем. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук за специальностью 05.13.05 компьютерные системы и компоненты, Тернопольский национальный экономический университет, Тернополь, 2008.

Диссертационная работа посвящена разработке цифровых устройств повышения достоверности идентификации распределенных объектов КС диагностики и контроля энергопотребления при увеличении количества объектов, за счет разработки эффективных методов и устройств цифрового формирования и обработки тональных сигналов идентификации (СИ). Анализ обеспечения достоверности идентификации распределенных объектов КС в энергосетях показал, что, при росте количества объектов и расширении размеров сети (вплоть до глобальных масштабов) соответственно повышаются требования к характеристикам устройств генерирования и выявления тональных СИ. Эти характеристики зависят от способа выполнения элемента с частотно резонансными свойствами. При увеличении количества объектов КС применение существующих аналоговых устройств генерирования и фильтрации тональных сигналов, неприемлемо из-за низкой достоверности идентификации, обусловленной нестабильностью частоты генераторов и широкой полосой частоты пропускания фильтров. Для обеспечения требований повышения достоверности идентификации при развитии КС энергопотребления возникает необходимость в увеличении количества тональных частот в 100 и больше раз при неизменном диапазоне, что требует поиска методов и средств их усовершенствования путем применения цифровых устройств. Достижение с одной стороны, требуемых характеристик цифровых генераторов и фильтров, и, с другой стороны обеспечения их устойчивой работы с учетом дискретизации, квантования и выполнения арифметических операций над цифровым сигналом составляют противоречивость.Таким образом возникает научная задача -- усовершенствования цифровых устройств генерирования фильтрации и выявления тональных сигналов идентификации в КС контроля параметров энергопотребления, решение которой актуально.

На основе формального представления характеристик устройств идентификации разработаны модели процесса идентификации объектов КС контроля энергопотребления в энергосетях с радиоканалом передачи данных, установлены закономерности между системными параметрами, которые обеспечивают повышение достоверности идентификации объектов КС при развитии сети и увеличении количества ее объектов:

- исследовано влияние дискретизации, квантования и процесса вычислений с конечной разрядностью в средствах цифровой обработки сигналов идентификации, которые влияют на степень достоверности идентификации объектов КС;

- определен фактор влияния достоверности идентификации объектов КС на характеристики цифровых устройств идентификации относительно обеспечения необходимых и достаточных условий их устойчивости при применении рекурсивных алгоритмов.

- синтезирована структура унифицированного устройства, которое работает по рекурсивному алгоритму, для построения цифровых генераторов и фильтров тональных сигналов с заданными характеристиками точності, стабильности частоты и ширины полосы пропускания;

В диссертации впервые получен метод сложения чисел представленных кодами, которые являются элементами расширенного конечного поля цифровых устройств, который отличается от известных тем, что результат на выходе формируется в расширенном по отношению к входу конечном поле, а обработка знакового разряда осуществляется согласно с правилами логики сложения знаков чисел, что обеспечивает расширение зоны нелинейности в два раза. На основании предложенного метода разработаны и исследованы новые цифровые устройства суммирования двоичных чисел, которые повышают функциональную устойчивость вычислений по рекурсивному алгоритму.

Усовершенствован способ построения цифровых генераторов и фильтров тональных сигналов идентификации объектов КС на основе оптимизированной за количеством умножений цифрового звена 2-го порядка - цифрового резонатора, что сделало возможным выполнить синтез этих генераторов и фильтров с помощью унифицированного многофункционального устройства.

Получил последующее развитие метод структурного синтеза средств цифровой обработки тональных сигналов для идентификации объектов КС на основе использования преимуществ модели авторегрессионного скользящего среднего (АРСС) и учета структуры их реализации звеньями цифрового резонатора, что обеспечило практическое построение с малыми затратами программно переналаживаемых устройств стабильного генерирования и узкополосной фильтрации сигналов.

В результате проведенных исследований созданы цифровые устройства идентификации распределенных объектов КС, которые имеют прогнозируемые характеристики в сложных условиях работы и расширяют функциональные возможности аппаратуры за счет программирования. При этом на два порядка уменьшаются расходы на аппаратуру , а также обеспечивается высокая временная и температурная стабильность частоты генерации и фильтрации сигналов, сокращается время на внедрение и повышается производительность их применения при расширении КС контроля энергопотребления (частоты генерирования и фильтрации переналаживаются через радио канал).

Ключевые слова: компьютеризированная система, достоверная идентификация, распределенные объекты, цифровой резонатор, цифровые устройства стабильного генерирования, узко полосовые цифровые фильтры, новые цифровые устройства суммирования.

SUMMARY

Dombrovskiy Z.I. Methods and devices for reliable identification of the distributed objects of computerized systems. - Manuscript.

The Thesis for the Candidate of Technical Science Scientific Degree in the Specialty 05.13.05- computer systems and components.- Ternopil national economic university, Ternopil, 2008.

Dissertation work is devoted to design of digital devices for increasing of the reliable identification of distributed objects of computer systems (CS) for diagnostics and control of energy consumption with using of tonal-frequency signals under spreading of network.

On the basis of the formal representation of characteristics of identification devices are developed models and the structure of digital devices for the stable generation and narrow band filtration for the reliable detection of tonal-frequency signals during CS objects identification with their extensive increasing.

In the dissertation new digital devices for binary numbers summation, which provide a correct result and promote functional stableness of the algorithm of calculations, are developed. These made possible of improving of the digital generators and filters of tonal-frequency signals structure for objects of CS identification on the basis of optimized digital cascade named the second order digital resonator by numbers of multiplications.

Digital devices for the construction of frequencies generator and for the set of different frequency filters, which decrease of apparatuses expenses by two degrees.

Keywords: computerized system, reliable identification of objects, digital resonator, digital devices of the stable generating, narrow-band digital filters, new digital devices of summation.

Размещено на Allbest.ru

...