CC BY
70
УДК 621.391 ББК 32.811.3
ЛАБОРАТОРНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ УЧЕБНОГО КУРСА «ЦИФРОВАЯ ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ»
С.Ю. Лупов, ассист., асп. 1-го года обучения Тел. (831)465-66-01; E-mail: lupov@rf.unn.ru Е.П. Фрадкина, магистрантка 1-го года обучения Каф. Радиотехники, радиофизический факультет Тел.: (831)465-66-01; E-mail: efradkina@mail.ru Нижегородский государственный университет им. Н.И.Лобачевского
http://www.rf.unn.ru
The laboratory device described in this article can be used for laboratory works on Digital Signal Processing training course. The required equipment is cheap and easy to use. The main idea is to obtain experimental signal and to process it.
Учебный программно-аппаратный комплекс, описанный в данной статье, предназначен для использования при проведении лабораторного практикума по курсу «Цифровая обработка сигналов». Основная идея заключается в получении в ходе проведения физического эксперимента простыми техническими средствами реального сигнала и его дальнейшей цифровой обработке.
Ключевые слова: цифровая обработка сигналов, лабораторная работа, предварительная обработка, спектрально-временное распределение.
Keywords: digital signal processing, laboratory work, preprocessing, time - frequency distribution.
проведения физического эксперимента простыми техническими средствами реального сигнала и его дальнейшей цифровой обработке.
Предполагается, что использование предложенной установки повысит эффективность обучения, в частности, студенты смогут закрепить полученные навыки применения методов цифровой фильтрации, квадратурного синхронного детектирования, децимации, методов спектрального оценивания при обработке реальных сигналов со слабой частотной модуляцией на фоне мешающих факторов.
2. Описание лабораторной установки «Маятник»
Лабораторная установка (рис.1) состоит из маятника, в качестве груза которого используется металлическая пластина, хорошо отражающая звук, микрофона, звуковых колонок и персонального компьютера. Микрофон и колонки соединены с соответствующими входами звукового адаптера на корпусе компьютера. Микрофон располагается между звуковыми колонками, излучающими синусоидальный сигнал, и маятником так, чтобы звук, излучаемый колонками, отражаясь от качающейся пластины, попадал в него. Сигнал, считанный с микрофона, записывается на диск компьютера в виде текстового файла.
Программа, управляющая микрофоном и звуковыми колонками, реализована в сре-
1. Введение
Одной из актуальных задач цифровой обработки сигналов является задача определения параметров зарегистрированных сигналов [1-5]. При этом важна не только окончательная оценка параметров, но и предварительная обработка полученных данных, позволяющая повысить точность оценки.
Для получения навыков работы с цифровыми сигналами в учебном курсе «Цифровая обработка сигналов» используются лабораторные практикумы, при выполнении которых исследуемый сигнал моделируется на компьютере и затем обрабатывается и анализируется. Такой подход оправдан на первом этапе обучения, но, чтобы понять все нюансы анализа сигналов, требуется анализировать данные, полученные в результате эксперимента, интуитивно понятного и проведенного самими учащимися.
Учебный программно-аппаратный комплекс «Маятник» [6], описанный в данной статье, предназначен для использования при проведении лабораторного практикума по курсу «Цифровая обработка сигналов». Основная идея заключается в получении в ходе
де программирования Lab VIEW [7]. Блок-диаграмма и внешний вид приведены на рис. 2, 3.
На переднюю панель выведены: •элемент управления, задающий частоту сигнала в колонках;
.•графический индикатор для контроля полученного с микрофона сигнала;
•элемент управления для задания имени выходного файла, в который записываются отсчеты сигнала, считанные с микрофона, с частотой дискретизации 44100 Гц (полученные данные записываются в файл в текстовом виде в одну колонку).
Полученный на такой установке сигнал интересен тем, что кроме компоненты на основной частоте, излучаемой колонками, в нем присутствует более слабая частотная компонента отраженного от качающейся пластины звукового сигнала с доплеровским сдвигом частоты [8], вычисляемого по формуле
2
f= А F' (1) А
an где
А =
- длина звуковой волны;
f
с и 330 м/с - скорость звука; /- частота звукового сигнала, излучаемого колонками (Х«75 мм для / = 4410 Гц ).
При частоте звукового сигнала 4410 Гц доплеровский сдвиг частоты отраженного от качающейся пластины сигнала не превысит 20 Гц.
Также в сигнале присутствуют шумы квантования, гармоники, возникающие из-за нелинейности звукового адаптера компьютера, а также различные звуковые помехи (шум вентиляторов компьютера, посторонние звуки в помещении).
3. Предварительная обработка сигнала, полученного на установке «Маятник»
Для увеличения точности оценки параметров полученного на установке сигнала требуется предварительная обработка, заключающаяся в выделении полезного сигнала полосно-пропускающим фильтром, переноса спектра в область низких частот с помощью квадратурного синхронного детектора.
Предварительную обработку можно произвести виртуальным прибором Ргерго-се88^.у1, передняя панель и блок-диаграмма которого изображены на рис. 4 и 5.
Для выполнения работы с данной программой необходимо на передней панели задать следующие параметры:
•частота дискретизации, с которой входной сигнал был оцифрован;
.•частота среза полосно- пропускающего фильтра;
•частота генератора опорного напряжения (ГОН) в синхронном квадратурном детекторе; •частота среза фильтра низких частот; .•коэффициент децимации. При выполнении программы потребуется ввести имя входного файла (с данными, считанными с микрофона) и имя выходного файла, в который запишется результат после предварительной обработки.
На выходе синхронного квадратурного детектора получается низкочастотный комплексный сигнал, причем фаза реальной части сигнала (верхний график) отличается от фазы мнимой части на +п/2 или -л/2 в зависимости от направления движения пластины. Мгновенная частота полученного сигнала соответствует доплеровской частоте, вычисляемой по формуле (1).
Обработанные данные записываются в выходной файл в текстовом виде в две колонки. Первая колонка соответствует реальной части обработанного сигнала, вторая - мнимой. 4. Оценка параметров сигнала
Для оценки параметров сигнала используются методы спектрального оценивания высокого разрешения [1] в скользящем окне [5, 9].
В качестве примера на рис. 6 представлен внешний вид программы, вычисляющей спектрально-временное распределение методом наименьших квадратов (МНК) Прони [1] в скользящем окне.
Перед выполнением программы необходимо ввести следующие параметры: .•размер скользящего окна; •число комплексных экспонент (параметр метода Прони);
•имя файла, в котором размещены отсчеты исследуемого сигнала (в одну колонку - для реального сигнала или в две - для комплексного).
На графическом индикаторе представлено спектрально-временное распределение исследуемого сигнала, вычисленное с помощью МНК Прони. По оси абсцисс отложено время (в отсчетах), по оси ординат - частота (нижняя граница соответствует
ы
о
кЙ О4
о
то
г ^
о
а: к
то
Ко
Рис.4. Блок-диаграмма виртуального прибора Preprocessing.vi
Спектрагьно - време»иое раа*еделе»»1е нычл методом н^меньинх квадратов Про«*1 в скользящем о«не
Рис.6. Передняя панель виртуального прибора 8ТА_Ргопулч
-с
то
з-
«»ы
то
Чз
то
£
то «у
Рис.5. Блок-диаграмма виртуального прибора Ргергоеезв^лч
частоте -20 Гц, верхняя - +20 Гц).
На спектрограмме хорошо видны две частотные компоненты, одна соответствует частоте звука, излучаемого звуковыми колонками, а вторая - частоте звуковой волны, отраженной от движущейся пластины маятника (мгновенная частота изменяется от -15 до +15 Гц, что соответствует скорости движения пластины примерно от -0,56 до +0,56 м/с).
Лабораторная установка может быть полезна при проведении занятий по учебному курсу «Цифровая обработка сигналов». Она имеет несложную конструкцию и не требует покупки дорогостоящего оборудования. При наличии соответствующего программного обеспечения может использоваться студентами при самостоятельном изучении данного курса.
5. Порядок выполнения лабораторной работы
Задача студента при выполнении практической части лабораторной работы состоит в следующем:
.•установить микрофон, звуковую колонку и маятник, как показано на рис.1;
.•запустить на компьютере программу Dopp-ler.vi (рис.2, 3), указать имя файла, в который полученные с микрофона данные будут записываться, и при необходимости задать частоту сигнала, излучаемого звуковыми колонками;
•качнуть маятник и запустить программу, нажав кнопку «Run» в программной среде LabVIEW, после 10-15 периодов колебаний маятника остановить программу, нажав кнопку «Abort Execution»;
.•с помощью программы «Preprocessing.vi» (рис.4, 5) выполнить предварительную обработку данных, включающую фильтрацию, квадратурное синхронное детектирование и децимацию, предварительно задав соответствующие параметры;
•оценить мгновенную скорость пластины маятника различными способами спектрально-временного оценивания.
При выполнении отчета по лабораторной работе можно сравнить максимальное значение мгновенной скорости маятника и период колебаний с аналогичными значениями, вычисленными теоретически.
6. Используемое оборудование и программное обеспечение
Для выполнения лабораторной работы требуются компьютер с предустановленным программным обеспечением Lab VIEW 8.2 или выше, внешние динамики и внешний микрофон.
7. Внедрение и развитие решения
Лабораторная работа внедряется в учебный процесс по курсу «Цифровая обработка сигналов» на кафедре Радиотехники радиофизического факультета ННГУ им. Н.И. Лобачевского.
В дальнейшем планируется цифровой полосно-пропускающий фильтр убрать из ВП Preprocessing.vi и реализовать в ВП Doppler.vi, работающий в реальном времени. Коэффициенты цифрового фильтра студенты должны синтезировать самостоятельно с помощью соответствующего программного обеспечения.
8. Выводы
Учебный программно-аппаратный комплекс «Маятник», описанный в статье, позволяет повысить эффективность обучения в учебном курсе «Цифровая обработка сигналов».
Основная идея заключается в получении в ходе проведения физического эксперимента простыми техническими средствами реального сигнала и его дальнейшей цифровой обработке.
Используя данный комплекс, студенты смогут лучше понять методы цифровой фильтрации, квадратурного синхронного детектирования, децимации, спектрального оценивания.
Литература
1. Марпл С. Л. Цифровой спектральный анализ и его приложения. - М.: Мир, 1990. - 584 с.
2. Методы извлечения информации о перемещении границ раздела в газодинамических экспериментах с использованием радиоинтерферометров миллиметрового диапазона длин волн / В.А. Канаков, С.Ю. Лупов, Ю.И. Орехов, А.В. Родионов // Изв. вузов. Радиофизика. - 2008. - Т. LI. - № 3. - C.234-246.
3. Особенности спектрально -временных характеристик акустических шумов в области сердца / В.Г. Кузьмин, С.В. Кузнецова, С.Ю. Лупов, Е.И. Шкелев // Тр. V научн. конф. по радиофизике. 7 мая 2001 г./Под ред. А.В. Якимова. - Н. Новгород: ТАЛАМ, 2001. - С.148-149.
4. Кисляков А.Г., Лупов С.Ю., Яковлева А.Г. Квазипериодические пульсации солнечного радиоизлучения на частоте 11,7 ГГц // Тр. (восьмой ) научн. конф. по радиофизике , посв. 80-летию со дня рождения Б.Н. Гершмана . 7 мая 2004 г. /Под ред. А.В. Якимова. - Н. Новгород: ТАЛАМ, 2004. - С.100-101.
5. Применение спектрально-временного анализа для исследования интерферометрических данных / В. А. Канаков, С.Ю. Лупов, Е.П. Фрадкина и др. // Тр. (девятой) научн. конф. по радиофизике «Факультет - ровесник Победы». 7 мая 2005 г. / Под ред. А.В. Якимова. - Н. Новгород: ТАЛАМ, 2005. - С.117-118.
6. Fradkina E.P., Lupov S.Yu. Doppler ratemeter (experimental data for Digital Signal Processing training course) // Труды XI научной конференции по радиофизике, посвященной 105-летию со дня рождения
М.Т. Греховой (Нижний Новгород, 7 мая 2007) / под ред. А.В.Кудрина, А.В. Якимова. - Н. Новгород: ТАЛАМ, 2007. - С.270-271
7. Тревис Дж., Кринг Дж. LabVIEW для всех. - М: ДМК Пресс, 2008. - 880 с.
8. Горелик Г.С. Колебания и волны. - 2-изд. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 1950. - 572 с.
9. Fradkina E.P. Short signals spectrals estimation method // Тр. XII научн. конф. по радиофизике, посв. 90-летию со дня рождения М.М. Кобрина (Н. Новгород, 7 мая 2008 г.) / Под ред. А.В. Якимова, С.М. Грача. - Н. Новгород: ТАЛАМ, 2008. - С.316-317.
УДК 621.3.01+621.38 ББК 31.21+32.85
КОМПЛЕКСНЫЙ ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ ПО ЭЛЕКТРОТЕХНИКЕ И ЭЛЕКТРОНИКЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ «МИНИАТЮРНОЙ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЙ ЛАБОРАТОРИИ МЭЛ-2», КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ, MATHCAD И LABVIEW
В.А. Алехин, д.т.н., проф., зав. каф.
Тел.: (495)-434-97-52; E-mail: alekhin@mirea.ru В.Д. Парамонов, к.т.н., доц.
Тел.: (495)-434-97-52; E-mail:paramonov@mirea.ru Кафедра Теоретических основ электротехники Московский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики
(технический университет) http://www.toe.fvms.mirea.ru
The universal laboratory stand «Miniature electrotechnical laboratory MEL-2» has been developed, allowing to carry out more than 20 laboratory works on the electrical engineering and electronics. On basis MEL-2 the complex laboratory practical work combining analog researches with real devices and virtual devices on the basis of program LabVIEW, computer modelling of electric both electronic circuits and mathematical calculations in Mathcad has been created. The complex laboratory practical work has been introduced into educational process in MIREA and many high schools of Russia.
Разработан универсальный лабораторный стенд «Миниатюрная электротехническая лаборатория «МЭЛ-2», позволяющий выполнять более 20 лабораторных работ по электротехнике и электронике. На основе МЭЛ-2 создан комплексный лабораторный практикум, сочетающий аналоговые исследования с реальными приборами и виртуальными приборами на основе программы LabVIEW, компьютерное моделирование электрических и электронных схем и математические расчеты в Mathcad. Комплексный лабораторный практикум внедрен в учебный процесс в МИРЭА и многих вузах России.
Ключевые слова: электротехника и электроника, комплексный лабораторный практикум, миниатюрная электротехническая лаборатория МЭЛ-2, расчеты в Mathcad, виртуальные приборы LabVIEW.
Keywords: the electrical engineering and electronics, a complex laboratory practical work, miniature electrotechnical laboratory MEL-2, calculations in Mathcad, virtual devices LabVIEW.
Введение
Электротехнические дисциплины с полным основанием можно считать фундаментальными общепрофессиональными дисциплинами высшего и среднего профессионального образования для широкого круга направлений подготовки: электротехника, энергетика, приборостроение, автоматизация и управление, электроника и микроэлектроника, информатика и вычислительная техника, радиотехника, мехатроника и др. Действующие государственные стандарты
предполагают получение студентами знаний, навыков и умений по расчету электрических цепей, экспериментальному исследованию электрических схем с использованием реальных приборов, применению компьютерных программ для моделирования и расчета электрических и электронных схем.
В последние годы наметилась и реализуется на практике тенденция значительного сокращения числа учебных часов, выделенных на изучение электротехнических дисциплин, что отрицательно влияет на качест-
