CC BY
20
216 ИТО Марий Эл -2010
Программный комплекс по обработке радиофизических сигналов
Шпак Дмитрий Геннадьевич (dmtrshpk@mail.ru), Колчев Алексей Анатольевич (kolchevaa@mail.ru)
ГОУВПО «Марийский государственный университет», г. Йошкар-Ола
Аннотация
В работе рассмотрен программный комплекс по обработке радиофизических сигналов, позволяющий дополнительно к построению ионограммам наклонного зондирования реализовать следующие функциональные возможности: построение ионограмм с заданным разрешением по времени запаздывания и частоте; разделение сигнала и шума на выходе приемника, обнаружение сосредоточенных по спектру помех в месте приема и измерение их характеристик.
В современном мире развитие науки немыслимо без применения информационных технологий. Особенно ярко это проявляется в изучении дисциплин узкой направленности. В данной статье мы хотим представить программный комплекс (ПК) по обработке радиофизических сигналов ЛЧМ-ионозонда. В отличие от связных радиосигналов сигналы радиофизического зондирования часто имеют неопределенную форму, так как вид сигнала определяется физическим состоянием объекта исследования. Обнаружение сигнала новой, неизвестной формы во многих случаях и представляет наибольший интерес. В связи с этим, методы обнаружения, основанные на выделении сигналов известной формы (корреляционная обработка, фильтрация) дают неудовлетворительные результаты. В ПК для обнаружения шумов декаметрового диапазона радиоволн и сигналов радиофизического зондирования ионосферы сигналами с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ) использовался оригинальный алгоритм, основанный на методиках обнаружения аномальных значений при экспериментальных измерениях и комплекс вспомогательных методик: медианный фильтр, периодограмма Барлетта, метод Уэлча [1].
ЛЧМ-ионозонд является радиолокатором, извлекающим информацию об ионосферной радиолинии из принимаемого сигнала. Эта информация может использоваться как для решения задач повышения надежности, так и для оптимизации характеристик системы к условиям распространения радиоволн в ионосфере.
Принцип работы ЛЧМ-ионозонда: сигнал с линейной частотной модуляцией распространяется в ионосфере и поступает на вход приемника. В приемнике происходит его сжатие в частотной области. Обработка ЛЧМ-сигнала методом сжатия в частотной области состоит в умножении принятого сигнала на сигнал гетеродина, комплексно-сопряженный излучаемому сигналу и дальнейшему спектральному анализу разностного сигнала. Результатом работы ионозонда является ионограмма-зави -симость времени группового запаздывания от частоты зондирования. ПК реализует построение ионо-граммы ЛЧМ-сигналов, хранящихся в файлах формата *^ау. Основным окном ПК является окно навигации (рис. 1), с помощью которого осуществляются действия по настройке методов обработки, перемещение по обрабатываемому файлу, выгрузки информации в *Лх1 файл для дальнейшего его анализа в математической среде МаШСа^
Рис. 1. Окно навигации
Информационные технологии в обучении
217
На рисунке 2а изображена ионограмма трассы Кипр - Йошкар-Ола после обработки, для сравнения на рисунке 2Ь приведена ионограмма того же файла до обработки. Окно ионогрммы позволяет проводит исследования с целью увеличения качества обработки ЛЧМ-сигналов. В этом окне происходит построение ионограмм с заданным разрешением по времени запаздывания и частоте, которые могут изменяться в широких пределах. Разделение принимаемого зондирующего сигнала и аддитивного шума, поступающего на вход приемника, восстановление сигнала, отраженного от ионосферы, оценка помеховой обстановки и анализ каналов, пораженных станционными помехами, определение отношения сигнал/шум в полосе частот приемника осуществляется при обработке ЛЧМ-сигнала [2]. Результаты этой обработки для отдельных мод сигнала можно увидеть, если выделить, хотя бы одну моду сигнала с помощью клавиатуры или манипулятором «мышь» и нажать на кнопку «Сору». Для более точного выделения области в окне ионограммы реализована функция увеличения изображения. Результат выделенного и обработанного изображения можно видеть на рис. 4. Здесь представлены графики отношения сигнал/шум, восстановленный сигнал выделенной моды, весь восстановленный сигнал, весь шум, изменения спектральной плотности, изменения фазы, частота с максимальной спектральной плотностью, ширина выделенного сигнала. Кроме того построенная ионограмма может быть сохранена в формате *.р^, который позволяет сохранять не только изображения, но и параметры принятого сигнала такие как частота зондирования, скорость зондирования, задержка, частота дискретизации, наименования трассы.
Одним из основных преимуществ ПК, является пакетная обработка файлов, позволяющая автоматически обрабатывать большое количество информации с заданными параметрами [3].
Рис. 2. Ионограмма после (а) и до (Ь) обработки
218
ИТО Марий Эл -2010
Рис. 3. Результат выделения изображения
Данный комплекс может быть применен не только в практическо-производственных целях, но также в учебных, как основы для лабораторных работ или выполнения собственного научного исследования по радиофизике. Его использование будет способствовать практическому и наглядному изучению основных принципов, которые записаны в учебниках, пособиях или уже в готовых радиотехнических устройствах. Программный комплекс может дополняться и модифицироваться в зависимости от поставленных задач.
Литература
1. Шпак, Д.Г. Комплекс методов обработки сигналов на выходе приемника ЛЧМ-ионозонда / Д.Г. Шпак, А.А. Колчев // Всероссийская конференция с элементами научной школы для молодежи. Ульяновск, 2009.
2. Колчев, А.А. Новые измерительные методики ЛЧМ-ионозонда / А.А. Колчев, А.Е.Недопекин, Д.А. Фомин, Д.Г. Шпак, А.Г. Чернов, В.В. Шумаев, А.О. Щирый // Пятнадцатая региональная конференция по распространению радиоволн. СПб., 2009.
3. Колчев, А.А. Компьютерное моделирование и вычислительный эксперимент в цифровой обработке звуковых сигналов / А.А. Колчев, Д.Г. Шпак // Вестник Марийского государственного университета. Йошкар-Ола, 2009.
