Синица В.И., Аверьянов В.В.

Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт»

Виртуальный симулятор адаптивного цифрового фильтра на основе алгоритма Винера

Кафедра «Информационно-измерительной техники» проводит активную работу по компьютерному моделированию алгоритмов цифровой обработки сигналов, в частности разработку серии виртуальных приборов и симуляторов, с целью использования при проведении всех видов занятий со студентами.

Виртуальные симуляторы являются одним из элементов, составляющих обучающую систему, частично заменяют готовый теоретический материал, предлагая студентам самим прийти к выводу о существующей зависимости между физическими параметрами для объекта исследования. Кроме того, они позволяют получать наглядные динамические иллюстрации физических экспериментов и явлений при проведении лабораторного практикума, воспроизводить их скрытые детали, которые не видны при наблюдении реальных экспериментов. Такой подход позволяет развивать у студентов способности критического анализа полученных результатов и формировать научное мышление.

В статье рассматривается виртуальный симулятор, реализующий алгоритм цифровой фильтрации, базирующийся на принципах адаптивного подавления помех, разработанный на базе программного комплекса LabVIEW (пакет LabView 8.6).

Программа виртуального прибора специально разработана для более глубокого понимания принципа работы адаптивных цифровых фильтров по алгоритму Винера c перестраиваемыми весовыми коэффициентами.

Программа крайне проста в использовании, все взаимодействие с ней осуществляется через удобный пользовательский интерфейс, внешний вид которого представлен на рисунке 1.

Интерфейс программы, ничем не перегружен и интуитивно понятен. Позволяет просматривать и визуально оценивать результаты работы адаптивного алгоритма на каждом шаге его выполнения, исследовать влияние отдельных параметров алгоритма и параметров исследуемого сигнала на получаемый результат.

Рисунок 1 – Интерфейс пользователя цифрового фильтра: в графическом поле представлена осциллограмма процесса адаптивной фильтрации сигнала

Интерфейс пользователя прибора «Адаптивный фильтр» состоит из трех основных панелей: панель регулировки параметров входного сигнала; панель установки параметров ФНЧ и адаптивного КИХ-фильтра; графическая панель.

Панель регулировки параметров входного сигнала содержит два поля: поле регулировки (амплитуда, частота, уровень шума, параметры выборки) и поле управления запуском и сбросом выполнения алгоритма.

Графическая панель представляет собой индивидуальное меню в виде системы вкладок. Вкладка «Входной сигнал» предназначена просмотра осциллограммы анализируемого сигнала с целью установки и изменения его параметров. Вкладка «Оценка шума» - шумовой составляющей сигнала и оптимального значения шума, полученного в процессе работы фильтра. Вкладка «Погрешность оценки шума» - разность между шумовой составляющей сигнала и оптимальным значением шума. Вкладка «Выходной сигнал» - отфильтрованный сигнал адаптивным алгоритмом Винера. Вкладка «Сравнение» - сравнительные осциллограммы входного и отфильтрованного сигналов.

Прибор позволяет свободно конфигурировать параметры входного сигнала и параметры алгоритма в пределах допустимых диапазонов и при запуске алгоритма на выполнении наблюдать за тем как динамически (поотсчетно) происходит очищение сигнала от шума. Симулятор можно использовать для разных целей, например для проведения компьютерных измерений в реальном времени: амплитуды входного сигнала и шумовой составляющей; отношение сигнал/шум на входе и выходе фильтра; оценку шума, значения коэффициентов адаптивного КИХ-фильтра.

Визуализация данных организована таким образом, что в процессе интерактивной фильтрации пользователь легко может вернуться к предыдущему этапу работы.

Отличительными чертами симулятора являются простота и наглядность пользовательского интерфейса, сочетающаяся с эффективным динамическим представлением графических данных. Для достижения необходимых результатов имеются простые и понятные регулировки, а сам процесс адаптации максимально визуализирован.

Вывод: Виртуальный симулятор может служить прекрасным средством для научных разработок, а также для обучения студентов по специальностям, связанными с информационными технологиями.

Литература:

1. Уидроу Б., Стирнз С. Адаптивная обработка сигналов: Пер. с англ. — М.: Радио и связь, 1989. — 440 с: ил. ISBN 5-256-00180-9.

2. 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.