Параметрическая оценка характеристик электрических цепей

При решении различных задач в связи, навигации, радио и гидролокации, в устройствах синхронизации и управления требуются оценки неизвестных частотно-временных характеристик. При этом точность и помехоустойчивость работы системы зависит от эффективности используемых алгоритмов при обработке сигналов и достигаемой минимизации погрешностей оценок.

Существующие методы оценки можно разделить на параметрические и непараметрические. Непараметрические методы включают периодограммы, модифицированные периодограммы Барлета и Уэлша и метод Блэк-мена-Тьюки. Для непараметрических методов характерны следующие ограничения: низкое спектральное разрешение при коротких сегментах данных, что не позволяет проводить анализ нестационарных систем с достаточной точностью; необходимость взвешивания для предотвращения просачивания спектральных составляющих. Этих сложно- стей можно избежать, используя параметрические методы. Платой за улучшение оценок СПМ оказывается возрастание вычислительной сложности алгоритмов получения оценок, которая стала успешно преодолеваться только на современном уровне развития вычислительной техники [1; 2].

При параметрическом оценивании полагают, что широкополосный шум фильтруется или проходит по тракту передачи подлежащей анализу системы. Тогда адаптивный фильтр используется для моделирования характеристики, обратной характеристике системы или передаточной характеристике, а по завершении установления последующая обработка полюсов или нулей моделирующего фильтра дает информацию о свойствах системы. Структурная схема системы обратного адаптивного моделирования динамического объекта показана на рисунке 1. Наблюдение неизвестного объекта осуществляется по временным отсчетам его выходного сигнала x_k ( k = 0, 1, 2, ...).

В качестве адаптивного фильтра используется цифровой адаптивный трансверсальный фильтр, весовые коэффициенты которого перестраиваются по методу наименьших квадратов.

Рис. 1. Структурная схема системы адаптивного моделирования объекта

Дискретная передаточная функция адаптивного фильтра имеет вид:

Wa ( " ) = YCZZA = ^ к"

X ( ^z ) i = 0

где N – длина фильтра;

w_i,k – текущие значения весовых коэффициентов.

Ей соответствует уравнение:

y k =i> , ,л- i i =0              .

Весовые коэффициенты фильтра на k -м шаге определяются из рекуррентного соотношения:

wk+1 = wk + 2^x k-isk, где ц - параметр скорости сходимости адаптивного алгоритма.

Сигнал ошибки вычисляется по формуле:

^£ k = g k - m - yk .

При сравнительно медленных адаптивных процессах становится справедливым соотношение:

Wa (z )W (z)- 1, где W(z) – искомая дискретная передаточная функция объекта [3].

Структурная схема системы параметрического анализа частотно зависимых цепей представлена на рисунке 2. Сигнал с выхода генератора шумоподобного сигнала (ГШПС) поступает на вход исследуемой системы. Напряжение с ее выхода поступает в первый канал и преобразуется в цифровой эквивалент аналого-цифровым преобра- зователем, после чего сохраняется в оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ). После заполнения памяти оцифрованными отсчетами сигнала, микроконтроллер (МК) считывает записанные данные и, используя интерфейсный блок USB, передает их в персональный компьютер (ПК). Так же МК осуществляет управление работой АЦП и ОЗУ. В качестве эталонного сигнала используется цифровой эквивалент, полученный по второму каналу, имеющий аналогичную структуру.

Основой генератора шумоподобного сигнала (рис. 3) является программируемая логическая интегральная схема DD1, на базе которой создается тридцатидвухразрядная м-после-довательность с периодом повторения 4 295 с. Полученная последовательность подается на вход 12-разрядного цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) DA1, опорное напряжение для которого формируется источником DA2. Аналоговое напряжение с выхода ЦАП подается на вход фильтра Бесселя низких частот с частотой среза 500 кГц (DA3), обеспечивающего необходимое качество при обработке ступенчатого сигнала.

На рисунке 4 представлена принципиальная электрическая схема одного канала ввода информации. Измеряемый сигнал поступает на вход аналого-цифрового преобразователя (DA1), полученный цифровой код быстро (на максимальной частоте работы АЦП) записывается в ОЗУ. Управление схемой осуществляется ПК через мост USB-UART (DD3). Команды поступают в МК (DD2), который формирует и выставляет управляющие сигналы для АЦП (DA1) и ОЗУ (DD1). После окончания процедуры преобразования сигнала АЦП останавливается и МК считывает полученные данные и передает их в персональный компьютер. После чего процедура ввода данных повторяется.

Рис. 2. Структурная схема установки:

ГШПС – генератор шумоподобного сигнала на ПЛИС; АЦП – аналого-цифровой преобразователь; ОЗУ – оперативное запоминающее устройство; МК – микроконтроллер; ПК – персональный компьютер

DD1 – EPM7128; DA1 – TL5619; DA2 – REF5025; DA3 – TL072

DD2

Рис. 4. Принципиальная электрическая схема канала ввода информации:

VROUT VRIN	A/D	CLK DO DI D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9 DIO Dll
AGND AGND
DGND1 DGND1 DGND2
		DVCC1 DVCC1 DVCC2
VIN+ VDC VIN-
		AVCC AVCC

AO Al A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 A10 All A12 A13 A14	SRAM	DO DI D2 D3 D4 D5 D6 D7
WR CS 61
		vcc GND

PAO/ADCO PA1/ADC1 PA2/ADC2 PA3/ADC3 PA4/ADC4 PA5/ADC5 PA6/ADC6 PA7/ADC7	CPU	PCO/SCL PC1/SDA PC2/TCK PC3/TMS PC4/TDO PC5/TDI PC6/TOSC1 PC7/TOSC2
PBO/XCK/TO PB1/T1 PB2/AIN0/INT2 PB3/AIN1/OSC0 PB4/SS PB5/MOSI PB6/MISO PB7/SCK		PDO/RXD PD1/TXD PD2/INT0 PD3/INT1 PD4/OC1B PD5/OC1A PD6TCP1 PD7/OC2
AREF		XTAL1 XTAL2
		vcc vcc vcc GND GND GND
RESET
AVCC GND

TXD RXD RTS CTS TEST	RTX	VCCIO vcc USBDM USBDP
GND GND GND		3VOUT AGND

DA1 – HI5805; DD1 – V5V5256; DD2 – ATMEGA16; DD3 – FT232R

Д.В. Воловик, А.Л. Якимец. Параметрическая оценка характеристик электрических цепей

Рис. 5. Спектр шумоподобного сигнала

Полученные персональным компьютером массивы с отсчетами АЦП по обоим каналам обрабатываются для получения информации об исследуемом объекте. Интерфейсная программа написана в программном пакете Borland C++ Builder 6.0, возможно сохранение как исходных данных, так и результатов обработки полученных массивов. Копия экрана со спектром шумоподобного сигнала, полученного программой, представлена на рисунке 5.

Созданный программно-аппаратный комплекс позволяет проводить анализ прохождения электрических сигналов через различные радиотехнические системы. Полученные данные могут использоваться либо при моделировании этих объектов, либо для анализа их внутренней структуры.