Педагогические науки/1. Дистанционное образование

Синица В.И., Дарчук С.Е.

Национальный технический университет Украины

«Киевский политехнический институт», Украина

Виртуальный симулятор для изучения спектрального анализа методом периодограмм

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 симуляторов с целью обеспечения гармоничного сочетания традиционных и компьютерных средств обеспечения учебного процесса.

Для создания виртуального стенда использовался визуально-интегрированная среда программирования - программный продукт LabVIEW (пакет LabVIEW 8.2), который поддерживается большинством интерфейсных операционных систем.

Для изучения раздела «Классические методы спектрального анализа» разработан симулятор, который обеспечивает возможность уяснить основные понятия периодограммного метода анализа, ознакомиться с процедурой выполнения и характеристиками анализа, а также моделировать процесс спектрального анализа указанным методом набора гармонических сигналов и шумовой компоненты.

Программная часть виртуального симулятора имеет пользовательский интерфейс, внешний вид которого представлен на рисунке 1.

Интерфейс пользователя симулятора состоит из трех основных полей: поле регулировки параметров входного сигнала; поле установки параметров спектрального анализа; поле графического представления информации.

Поле установки параметров спектрального анализа позволяет устанавливать следующие параметры: количество сегментов, на которые разбивается выборка; степень перекрытия сегментов; выбор вида оконной функции, а также параметры усреднения периодограмм – количество и время задержки между записями. Кроме того, в этом поле располагаются ручки управления просмотром спектра в виде 3D поверхности, которые позволяют выбирать частоту и номер периодограммы для детального просмотра.

Рисунок 1 - Интерфейс пользователя симулятора: осциллограмма сегментированного сигнала; спектр (периодограмма) третьего сегмента

В режиме «Анализ» с помощью системы вкладок симулятор позволяет просматривать: весь сигнал; до 8 временных сегментов, в зависимости от выбора пользователя, с применением окон и перекрытия; спектр каждого сегмента.

В режиме «Просмотр» на графической панели представляются: спектр каждого сегмента; суммарный спектр по всем сегментам; суммарный спектр по всем записанным выборкам, а также усредненный спектр по всем сегментам.

Кроме того, в этом режиме работы на вкладке «3D поверхность» можно более детально изучить свойства полученного спектра, используя ручки управления, которые позволяют получать сечение поверхности в двух координатах. Также обеспечивается возможность получения проекции спектра на выбранную плоскость.

Например, на рисунке 2 представлена спектральная поверхность входного сигнала, отображенного на рисунке 1.

Рисунок 2 – Спектр в виде поверхности на вкладке «3D - поверхность»

Разработанный симулятор внедрен в программу подготовки студентов всех форм обучения и используется в дистанционном обучении на платформе Moodle по курсу «Цифровая обработка сигналов» при выполнении лабораторных работ в разделе «Классические методы спектрального анализа. Метод периодограмм».

Вывод: виртуальный симулятор, обеспечивает понимание процесса спектрального анализа с помощью метода периодограмм и делает его наглядным, а также является реальной возможностью для эффективной подготовки будущего специалиста.

Литература:

1. LabVIEW для всех / Джеффри Тревис: Пер. с англ. Клушин Н.А. – М.:ДМК Пресс; ПриборКомплект, 2004. – 544с.: ил.

2. Рабинер Л., Гоулд Б. Теория применения цифровой обработки сигналов. Пер. с англ. под редакцией Ю. Н. Александрова. М. «Мир», 1978 г., 848 стр. с ил.