CC BY
20
Информационные технологии в обучении в системе профессионального образования 79
правило, имеют сложную статистическую природу. Математический пакет Mathcad обладает возможностями по моделированию, анализу шумов и оценке их влияния на принимаемый сигнал с различными характеристиками благодаря ряду статистических функций. Например, в качестве встроенных функций присутствуют все основные статистические моменты распределений, функции генерации выборок законов распределения с заданными параметрами, функции интерполяции и построения гистограмм. Самостоятельно можно реализовать дисперсионный, корреляционный или регрессионный анализ для больших объемов данных. Есть возможность цифрового анализа эмпирических шумов и зашумленных сигналов, записанных в файл, а затем считанных из программы, что очень важно в экспериментальной и исследовательской работе.
Рассматриваемый учебно-исследовательский комплекс, реализованный средствами Mathcad 13, использует как модельные, так и реальные, оцифрованные и записанные в файлы шумы. В зависимости от рассматриваемой ситуации, к ним могут быть добавлены различные сигналы. Работа производится во временной и спектральной областях. В программе исследуются зависимости от времени статистических свойств шумов. Смещаясь по массиву данных на заданное время, пользователь определяет фазовые характеристики шумов, их взаимную корреляцию, осуществляется проверка гипотез об их распределениях, анализирует изменения шумовой картины в течение различных временных промежутков.
Кроме непосредственного рассмотрения есть возможность накопления данных для анализа по большим выборкам зависимости статистических свойств от частот, временных смещений, времени суток.
Возможно применение комплекса в учебных целях как основы для лабораторных работ, самостоятельного изучения и выполнения собственного исследования студента. Исходные программы могут модифицироваться, усложняться и дополняться в зависимости от поставленных задач. Их использование будет способствовать практическому, а главное - наглядному постижению тех основ и принципов, что записаны в учебниках и пособиях или уже воплощены в конкретных радиотехнических устройствах. Без такого постижения всякая техника, какой бы современной она не была, будет оставаться «черным ящиком», что для будущего специалиста такое просто недопустимо.
Литература
1. Баскаков, С.И. Радиотехнические цепи и сигналы / С.И. Баскаков. - М: Высшая школа, 1988.
2. Зверев, В.А. Выделение сигналов из помех численными методами / В.А. Зверев, А.А. Стромков. - Н. Новгород: ИПФ РАН, 2001.
Компьютерное моделирование и вычислительный эксперимент
в цифровой обработке звуковых сигналов
А.А. Колчев (kolchevaa@mail.ru), Д.Г. Шпак (dmtrshpk@mail.ru)
Марийский государственный университет, г. Йошкар-Ола
По мере развития компьютерных технологий в современном мире возникает все большая необходимость в разработке программных комплексов по изучению дисциплин узкой направленности. В данной статье мы хотим представить программный комплекс по изучению цифровой обработки звуковых сигналов.
Программный комплекс является визуализатором математических методов по обработке звуковых сигналов и обрабатывает звуковые данные, хранящиеся в 16-битных файлов формата wav. Помимо звуковых данных из файла считываются основные параметры (начальная и конечная частота зондирования, скорость зондирования, частота дискретизации, задержка) необходимые для методов обработки и другая дополнительная информация, например, наименования трассы наклонного зондирования ионосферы.
Структура программы представлена следующим образом:
■ окно анализатора спектра предназначено для наблюдения и измерения относительного распределения энергии электрических (электромагнитных) колебаний в полосе частот [1]. Отображает информацию для сравнительной характеристики спектра до и после применения методов обработки. В окне анализатора спектра реализована возможность изменения параметров математических методов обработки с целью получения наиболее лучших результатов.
■ окно осциллографа предназначено для исследования электрических сигналов во временной области путем визуального наблюдения графика сигнала на форме, а также для измерения амплитудных и временных параметров сигнала по форме графика [1]. Так же как и окно анализатора спектра является вспомогательным и позволяет видеть результаты на определенном этапе выполнения алгоритмов обработки.
80
ИТО Марий Эл - 2009
• окно ионограммы является растровым изображением звуковых файлов и предназначено для визуализации работы по обработке звуковых файлов [2]. Это окно позволяет устанавливать частотный диапазон для наиболее эффективного отображения и отчистки ионограммы, кроме того, полученные результаты пользователь может сохранить в формате Ъшр.
• окно параметров позволяет устанавливать параметры для достижения наилучшего результата обработки звуковых файлов, кроме того, в программе предусмотрена возможность сохранения/загрузки подобранного сочетания параметров. Окно параметров позволяет подключать одновременно несколько методов и параметров обработки (блок обрабатываемых отчетов, число отчетов быстрого алгоритма вычисления дискретного преобразования Фурье, весовые окна, частотная полоса подблока, метод усреднения спектральных блоков, метод медианной фильтрации, смещение, оценка коэффициента эксцесса, метод режекции с параметрами: число отбрасываемых отсчетов и количество итераций для спектра и осциллографа, коэффициент границы отбрасываемых отсчетов [3]) и отключать вспомогательные окна для достижения быстродействия выполнения математических операций.
Применение оптимальных сочетаний методов обработки позволят получить наиболее качественно обработанные звуковые данные в виде изображения, на которых отчетливо видны результаты работы алгоритмов по отчистке и выделению сигналов (рис. 1, рис. 2).
Рис. 1. Ионограмма до обработки Рис. 2. Ионограмма после обработки
Одним из преимуществ программного комплекса, является пакетная обработка файлов, позволяющая автоматически обрабатывать большое количество информации с заданными параметрами и сохранять результаты в виде изображений формата Ьшр, которые могут быть использованы как для подтверждения тех или иных гипотез методов обработки, так и для дальнейшего анализа полученных данных.
Информативность данной системы и удобный интерфейс позволяет пользователю легко разобраться в навигации программного комплекса, наглядность позволяет разобраться даже в не знакомых методах обработки звуковых данных и понять принципы действия алгоритма.
Программный комплекс может применяться в обучении студентов физико-математических специальностей, изучающих дисциплины связанные с цифровой обработкой сигналов, как в качестве компьютерной модели, так и в качестве вычислительного эксперимента.
Литература
1. Ярославский, Л.П. Цифровая обработка сигналов в оптике и голографии. Введение в цифровую оптику / Л.П. Ярославский. - М.: Радио и связь, 1987. - 296 с.
2. Айфичер, Эммануил С. Цифровая обработка сигналов: практический подход, 2-е издание.: пер. с англ. / Эммануил С. Айфичер, Барри У. Джервис - М.: Издательский дом «Вильямс», 2004. - 992 с.
3. Сойфер, В.А. Теоретические основы цифровой обработки изображений: учебное пособие / В.А. Сойфер, В.В. Сергеев, С.Б. Попов, В.В. Мясников. - Самара: Самарский государственный аэрокосмический университет им. академика С.П. Королева, 2000. - 256 с.
