Педагогические науки/1. Дистанционное образование

Синица В.И., Лисогор М. В.

Национальный технический университет Украины

«Киевский политехнический институт», Украина

Цифровой виртуальный анализатор АР-спектра на основе алгоритма Берга

Для продуктивного изучения теоретического материала курса «Цифровая обработка сигналов» в Национальном техническом университете Украины (КПИ) на кафедре «Информационно-измерительной техники» продолжается активная и серьезная работа по разработке серии виртуальных анализаторов и симуляторов с целью обеспечения гармоничного сочетания традиционных и компьютерных средств обеспечения учебного процесса.

Прикладные программы созданы в инструментальной среде разработки приложений LabVIEW (пакет LabVIEW 8.6), причем программное обеспечение разработано таким образом, что изучение и выполнение заданий возможно как на локальном рабочем месте, так и в режиме удаленного доступа к информационным ресурсам.

Для изучения раздела «Параметрические методы спектрального анализа» разработан анализатор, который позволяет реализовать спектральный параметрический метод нахождения спектральной плотности мощности для авторегрессионной (АР) модели на основе алгоритма Берга, что обеспечивает возможность ознакомится с параметрическим спектральным анализом и уяснить основные понятия данного метода. Использование параметрических моделей позволяет получить более точные, с более высоким разрешением спектральные оценки, чем это возможно с помощью непараметрического анализа. Параметрический анализ наиболее эффективен при работе с данными малой длины, когда непараметрические методы не могут обеспечить необходимое спектральное разрешение. Такие модели позволяют принимать более реалистические допущения о данных вне окна, следовательно, устраняются и связанные с ними искажения.

Программная часть виртуального анализатора имеет пользовательский интерфейс, внешний вид которого подражает реальному прибору и представлен на рисунке 1.

Интерфейс пользователя анализатора «Спектральный АР - анализатор» состоит из трех основных полей: поля регулировки параметров входного сигнала; поля регулировки параметров спектрального анализа; графические поля.

Устанавливая параметры входного сигнала, и изменяя параметры анализа с помощью выбора порядка модели, можно оперативно наблюдать процесс и результаты спектрального анализа на графическом поле в виде спектрограммы

Рисунок 1 - Интерфейс пользователя анализатора: в графическом поле представлена осциллограмма спектра АР-модели

Например, в графическом поле «Spectrum AR Analyze Berg» изображена спектрограмма входного сигнала, представленного суммой двух синусоидальных сигналов со следующими параметрами: амплитуда 1 – 4 В, частота 1 – 20Гц амплитуда 2 – 2 В, частота 2 – 80 Гц, количество точек – 1024. Порядок АР - модели равен 23. Сам входной сигнал во временной области отображается в графическом поле при нажатии клавиши «Signal». При нажатии клавиши «FFT» на дисплее отображается спектр дискретного преобразования Фурье входного сигнала, что позволяет наглядно сравнить результаты вычисления спектральной плотности мощности АР – модели, найденной согласно параметрическому алгоритму Берга с дискретным преобразованием Фурье, для чего и служит клавиша «Compare», которая выводит на экран результат сравнения усредненных значений спектральной плотности мощности дискретного преобразования Фурье и спектральной плотности мощности АР – модели. Усредненные значения спектральной плотности мощности дискретного преобразования Фурье и спектральной плотности мощности АР - модели в свою очередь отображаются на дисплее с помощью клавиши «Average». Данный анализатор предусматривает регулировку параметров, таких как количество точек, количество усреднений, порядка модели, амплитуды белого шума, а также частот и амплитуд входных сигналов. Кроме того для наглядного понимания работы реального прибора существуют ручки регулировки (отладки) изображения на экране.

Разработанный анализатор позволяет сократить образовательный процесс по данной теме и позволит более осмысленно принимать решение в каждом конкретном случае.

Вывод: разработанный анализатор позволяет сократить образовательный процесс по данной теме и позволит более осмысленно принимать решение в каждом конкретном случае. Виртуальный прибор, обеспечивают понимание процесса параметрического спектрального анализа АР - модели по алгоритму Берга, делает его наглядным, а также является реальной возможностью для эффективной подготовки будущего специалиста.

Литература:

1. С.Л.Марпл-мл «Цифровой спектральный анализ и его приложения» /Под редакцией И.С. Рыжака. – М.: Мир, 1990;

2. С. М. Кей, С. Л. Марпл «Современные методы спектрального анализа: Обзор», статьи, Тииэр, т.69, №11, ноябрь 1981;

3. А. Б. Сергиенко «Цифровая обработка сигналов», Питер, 2002-608с.;

4. Тревис Д. «LabVIEW для всех». — М.: ДМК Пресс, 2004., справочные руководство Prentice Hall PTR LabVIEW for Everyone. Graphical. Programming. Made.Easy and Fun. 3rd Edition. Jul 2006.