Модель многоканального генератора оцифрованных сигналов

Модель многоканального генератора оцифрованных сигналов
C.Д. ГОРЬКОВ, М.А. ЗАЕВА, В.М. РЕШЕТЬКО
Московский инженерно-физический институт (государственный университет)
МОДЕЛЬ МНОГОКАНАЛЬНОГО ГЕНЕРАТОРА ОЦИФРОВАННЫХ СИГНАЛОВ
Модель многоканального генератора оцифрованных сигналов позволяет получить набор сигналов, используемый
при оценке эффективности различных методов цифровой обработки сигналов. К особенностям модели можно отнести алгоритмы генерации, позволяющие учесть погрешности, возникающие при прохождении приемного тракта, и
неопределенность перепада тактового сигнала.
Для обнаружения источников сигналов и определения их параметров применяются
антенные решетки, которые могут быть размещены на борту космического спутника. На
приемные элементы этих решеток поступает сигнал с Земли. При этом на каждый приемный
элемент сигнал поступает с разной задержкой и шумом. После чего выполняется оцифровка и
обработка полученных сигналов. Однако прежде чем проектировать многоканальные системы
обработки сигналов, необходимо смоделировать их работу. Для этого необходимо разработать
модель многоканального генератора сигналов, при этом генератор должен быть с изменяемыми
параметрами генерации – это необходимо для оценки влияние различных факторов на
результаты последующей обработки. Модель генератора должна обладать простотой и удобством в использовании, для облегчения работы при сборе статистических характеристик сигналов.
Основные параметры модели:
1) частота сигнала – от 0 до 64 МГц;
2) частота дискретизации – от 1 до 1024 МГц;
3) соотношение сигнал/шум по амплитуде – от 0 до 1;
4) длина выборки – от 2 до 32768 отсчетов (целая степень двойки);
5) разрядность отсчетов сигнала – от 8 до 16 разрядов.
Интерфейс пользователя представлен на рис. 1.
Рис. 1. Интерфейс пользователя
Поле «число каналов» содержит в себе целое число, которое используется моделью как число каналов многоканального генератора сигналов. Поле «частота дискретизации» содержит в
себе число, которое может быть как целым, так и дробным, используемое моделью как значение частоты дискретизации сигнала для всех каналов генератора. Поле «частота сигнала» содержит в себе число, которое может быть как целым, так и дробным, используемое моделью
как значение частоты сигнала для всех каналов генератора. Поле «число точек» содержит в себе число, которое обязано быть равным целой степени двойки, используемое в качестве числа
необходимых отсчетов сигнала, которые и будут обрабатываться моделью. Это число постоянно для всех каналов генератора. Поле «коэффициент шума» содержит в себе дробное число,
Модель многоканального генератора оцифрованных сигналов
которое используется моделью как значение коэффициента амплитудного шума, который задает отношение амплитуды шума по отношению к амплитуде сигнала. Это число постоянно для
всех каналов генератора. Поле «амплитуда фазового шума» содержит целое число, которое используется моделью как значение амплитуды фазового шума, амплитуда фазового шума задается в микросекундах, т.е. число, находящееся в этом поле равно числу микросекунд амплитуды фазового шума. Поле «коэффициент интерполяции» содержит в себе число, которое обязано
быть равным целой степени двойки, это число задается количество отсчетов, которые будут
добавлены между двумя отсчетами массива во время интерполяции. Поле «разрядность» содержит в себе список возможных вариантов значений цифровой разрядности сигналов. Оно
используется для имитации перевода массива значений сигнала в цифровой код, число разрядов которого определяется значением поля «разрядность». Поля «фазовый шум» и «фильтр
сигнала» используются, для включения и отключения соответствующих функций работы модели.
На первом этапе работы модели происходит генерация псевдонепрерывного набора отсчетов
сигнала с заданного количества каналов при частоте дискретизации в 20 раз превышающей
установленную. Отсчеты сигнала вычисляются в соответствии с выражением:
 2 j  F

X k  j   sin 
 k  ,
 20 Fs

где j – номер точки в массиве; k – номер канала; F – частота сигнала; Fs – частота дискретизации;  – смещение фазы k-го канала относительно нулевого канала, для нулевого канала этот
параметр всегда равен нулю.
Количество отсчетов массива в 20 раз превышает заданную длину выборки.
На втором этапе работы модели к каждому отсчету сигнала добавляется равномерно распределенная шумовая составляющая, значения которой по амплитуде определяются заданным соотношением сигнал-шум. Пример сигнала, а также смеси сигнала и шума приведен на рис. 2.
Рис. 2. Диаграмма смеси сигнала и шума:
cигнал;
cигнал с шумом,
A – значение сигнала в данном отсчете, Ns – номер отсчета
На третьем этапе работы модели происходит формирование набора дискретных отсчетов с
заданной частотой дискретизации. Реализуется путем прореживания массива с набором сигналов.
На четвёртом этапе работы модели происходит фильтрация набора дискретных сигналов с
помощью фильтра с конечной импульсной характеристикой. Этот этап необходим для имитации действия аналогового фильтра приемного тракта. Количество коэффициентов фильтра
фиксировано и равно 64. Функция фильтрации также используется при создании массива зна-
Модель многоканального генератора оцифрованных сигналов
чений фазового шума, однако для этого используется другой набор коэффициентов фильтра с
конечной импульсной характеристикой.
На пятом этапе работы модели добавляется фазовый шум. Задается набор случайных величин, нормально распределенных в диапазоне от -1 до 1. Длина набора соответствует длине выборки сигнала. Каждый элемент этого набора соответствует значению фазового шума. Затем
формируется новый набор отсчетов сигнала. Для более точного определения значения в заданной окрестности точки перепада тактового сигнала применяется интерполяция значений дискретного сигнала. Пример сигнала с фазовым шумом приведен на рис. 3.
Рис. 3. Диаграмма смеси сигнала с фазовым шумом:
cигнал;
cигнал с фазовым шумом,
A – значение сигнала в данном отсчете, Ns – номер отсчета
На шестом этапе производится генерация дискретных сигналов заданной разрядности. Цифровые отсчеты масштабируются по амплитуде в заданный диапазон.
Таким образом, разработанная модель генератора позволяет:
создать набор сигналов, имеющих одинаковые характеристики и отличающихся начальной
фазой (имитация отставания одного сигнала от другого) с заданной разрядностью цифровых
отсчетов;
промоделировать трансформацию сигнала в приемном тракте;
учесть в модели сигнала погрешность, вызванную неопределенностью перепада тактового
сигнала – фазовый шум.
Модель была разработана для использования на персональном компьютере с операционной
системой Microsoft Windows. Результатом работы модели являются массивы как промежуточных (результаты быстрого преобразования Фурье), так и окончательных (значения сигнала) отчетов. Для удобства эти массивы записываются в файлы формата csv и dat для дальнейшего
использования. Сдвиг фаз между каналами извлекается из массива значений, находящихся в
отдельном файле формата csv. Для разработки модели использовалась среда Microsoft Visual
Studio 8.0, модель написана на языке C# с пакетом framework 3.5. Модель обладает простым и
удобным интерфейсом, также она обладает высокой степенью защиты от ввода неверной информации. В случаи, если пользователь введет один или несколько из параметров генерации
неверно, появится сообщение сообщающее ему об этом.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Рабинер Л. Теория и применение цифровой обработки сигналов / Л. Рабинер, Б. Гоулд : пер. с
англ. М.: Мир, 1978.
2. Лабор В. Си Шарп: Создание приложений для Windows / В. Лабор/ М.: Харвест, 2003.