автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Разработка метода идентификации многочастотных гармонических сигналов с квадратурной амплитудной модуляцией

Глава 1. Методы идентификации объектов и процессов - обзор и классификация. Обзор методов модуляции. Постановка задачи.

1.1 Обзор и классификация методов идентификации объектов и процессов.

12 Обзор и классификация методов модуляции.

1.3 Постановка задачи.

Жизнь современного человека немыслима без обмена информацией. Такой обмен может осуществляться с помощью различных средств. Быстрое развитие телекоммуникационных технологий, повсеместное внедрение на производстве, транспорте и в быту вычислительной техники требует увеличения скорости и количества передаваемой информации. Для этого старые каналы связи заменяются новыми, например применение волоконно-оптических кабелей; разрабатываются и внедряются новые и совершенствуются старые методы модуляции, коррекции ошибок, сжатия информации и т.д.; поэтому представляет большой интерес разработка методов идентификации сигналов несущих какую-либо информацию.

Существующие методы идентификации при передаче сообщений делятся на два класса - методы активной и пассивной идентификации. В первом случае используются специально выбранные тестовые сигналы, например для оценивания канала, по которому осуществляется передача, а во втором - идентифицируются сигналы, несущие информацию. Широкое применение при идентификации нашли корреляционные фильтры, как обеспечивающие высокую помехозащищенность.

При идентификации многочастотных гармонических сигналов большинство методов основано на применении структур с линейными фильтрами, что накладывает определенные ограничения, которые определяются соотношением Габора. Это соотношение связывает ширину полосы пропускания и время переходного процесса. Улучшение полосовых свойств системы неизбежно приводит к увеличению времени переходного процесса и наоборот. И это противоречие кажется неразрешимым. Попытаться разрешить это противоречие можно с использованием нелинейных фильтров в структурах приемников. Основы нелинейной фильтрации, положенные в основу данной работы, были предложены

Буштруком А.Д. и Сухих Т.Н /4, 15/, и могут быть применены для разработки метода идентификации многочастотных гармонических сигналов с квадратурной амплитудной модуляцией. Этот вид модуляции был выбран потому, что он обеспечивает наибольшую скорость передачи информации по каналам тональной частоты, и является обобщением для амплитудной и фазовой модуляции.

Целью диссертационной работы является разработка и исследование метода и алгоритмов идентификации многочастотных гармонических сигналов с квадратурной амплитудной модуляцией, основанного на использовании синтезируемого полосового нелинейного корреляционного фильтра.

В соответствии со сформулированной целью в работе решались следующие задачи:

1. Обзор и классификация методов идентификации объектов и процессов и методов модуляции сигналов с целью определения области исследования.

2. Разработка метода идентификации многочастотных гармонических сигналов с квадратурной амплитудной модуляцией, основанного на применении в структурах приемников систем передачи данных полосового нелинейного корреляционного фильтра.

2.1. Разработка методики синтеза линейного полосового фильтра в структуре полосового нелинейного корреляционного фильтра.

2.2. Разработка методики синтеза форсирующего фильтра в структуре полосового нелинейного корреляционного фильтра.

2.3. Разработка методики синтеза нелинейного полосового фильтра в структуре полосового нелинейного корреляционного фильтра.

2.4. Разработка методики расчета весовых коэффициентов для первых основных гармоник на выходе безынерционного элемента с нечетной нелинейностью.

3. Разработка математической модели системы передачи данных с использованием в приемнике полосовых нелинейных корреляционных фильтров.

4. Разработка программного и аппаратного обеспечения для идентификации многочастотных гармонических сигналов с квадратурной амплитудной модуляцией.

4.1 .Разработка процедур и алгоритмов идентификации многочастотных гармонических сигналов с квадратурной амплитудной модуляцией, основанных на применении в структурах приемников полосовых нелинейных корреляционных фильтров.

4.2.Разработка варианта практической реализации системы передачи данных, использующую разработанный метод идентификации многочастотных гармонических сигналов с квадратурной амплитудной модуляцией.

В диссертационной работе для решения поставленных задач использовались методы: линейной алгебры, статистического анализа, корреляционные методы, теории управления.

Результаты работы получены с помощью следующих программных продуктов:

1. FreePascal 1.0 использовался для расчета параметров математической модели.

2. Delphi 3 - для реализации математической модели системы передачи данных с квадратурной амплитудной модуляцией на ЭВМ.

3. Electronic Workbench 5.01 Trial version применялся для проектирования аналоговой части плат передатчика и приемника.

4.0rcad 9.1 demo version использовался для проектирования и разводки плат передатчика и приемника.

5. Asotar - для проверки параметров математических моделей.

6. Икар vl.l - для построения переходных характеристик фильтров.

Новизна работы заключается в следующем:

- разработан метод идентификации многочастотных гармонических сигналов с квадратурной амплитудной модуляцией, основанный на применении синтезированного полосового нелинейного корреляционного фильтра, который является оригинальным;

- разработана методика синтеза полосового нелинейного корреляционного фильтра, применение которого, в приемниках систем передачи данных, позволяет разрешать противоречие между точностью и быстродействием присущее линейным фильтрам; разработана методика расчета весовых коэффициентов для первых основных гармоник на выходе безынерционного элемента с нечетной нелинейностью, позволяющая определять амплитудные значения сигнала на выходе нелинейного фильтра;

- на основе предложенного метода разработаны процедуры и алгоритмы идентификации многочастотных гармонических сигналов с квадратурной амплитудной модуляцией.

Положения выносимые на защиту

1. Метод и алгоритмы идентификации многочастотных гармонических сигналов с квадратурной амплитудной модуляцией, основанный на использовании синтезированного полосового нелинейного корреляционного фильтра.

1.1 Методика синтеза полосового фильтра, входящего в структуру полосового нелинейного корреляционного фильтра.

12 Методика синтеза форсирующего фильтра, входящего в структуру полосового нелинейного корреляционного фильтра.

13 Методика синтеза нелинейного полосового фильтра, входящего в структуру полосового нелинейного корреляционного фильтра.

1.4 Методика расчета весовых коэффициентов для первых основных гармоник на выходе безынерционного элемента с нечетной нелинейностью.

2. Программные и аппаратные средства для идентификации многочастотных гармонических сигналов с квадратурной амплитудной модуляцией.

Практическая ценность данной работы заключается в том, что предлагаемые структуры, измерительные схемы, метод и алгоритмы для идентификации многочастотных гармонических сигналов с квадратурной амплитудной модуляцией, по сравнению со структурами использующими только полосовые линейные фильтры, позволяют добиться лучших результатов при идентификации, особенно при малом времени обработки сигнала, что говорит о возможности их применения в различных системах передачи данных, особенно многочастотных, для построения автоматизированных систем управления на базе современных технических средств, при проектировании систем т.д.

Результаты работы используются в цикле учебных дисциплин «Специальные вопросы теории автоматического управления» и «Моделирование систем управления» специальности 21.02.00 Автоматизация технологических процессов и производств.

Полученные процедуры и алгоритмы реализованы в программном продукте, зарегистрированном в российском агентстве по патентам и товарным знакам №2000610892.

Результаты научно - исследовательской работы переданы на ВСЖД, где использовались при разработке технических требований к автоматизированной системе контроля температуры тигельных установок.

По теме диссертации выполнялись работы в соответствии с планами научно-исследовательских работ кафедры «Управление в технических системах» Братского государственного технического университета.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались:

- на XX и XXI научно - технических конференциях Братского государственного технического университета (Братск, 1999; Братск, 2000);

2и т-ч и и и Л

-й Всероссийской научно - технической конференции с международным участием «Энергетика: управление, качество и эффективность использования энергоресурсов», Благовещенск, 2000 г.

Результаты работы были представлены в составе экспозиции БрГТУ и Иркутской области на международных выставках:

- «Наука, образование и новые технологии» (Иркутск, 6-9 апреля 1999г.);

- «Энергетика и энергосбережение» (Иркутск, 4-7 апреля 2000 г.);

- «Наука, образование, новые технологии-2001» (Иркутск, 4-7 февраля

2001 г.).

Представлялись на региональных выставках:

- «Дни Братска в Иркутске» (Иркутск, 8 октября 2000 г.);

- «Братск сегодня» (Братск, 12 декабря 2000 г.).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 9 работ, в том числе 8 статей и 1 тезис доклада. Зарегистрирован 1 программный продукт, свидетельство №2000610892.

Структура и объем диссертационной работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и четырех приложений. Объем диссертации составляет 116 страниц основного текста, 40 рисунков, 15 таблиц. Список литературы содержит 82 наименования.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ и РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Основными новыми результатами работы являются следующие:

1. Разработан метод идентификации многочастотных гармонических сигналов с квадратурной амплитудной модуляцией, основанный на использовании синтезированного полосового нелинейного корреляционного фильтра.

1.1. Разработана методика синтеза полосового фильтра, входящего в структуру полосового нелинейного корреляционного фильтра.

1.2. Разработана методика синтеза форсирующего фильтра, который обеспечивает фазовую коррекцию полосового фильтра, входящего в структуру полосового нелинейного корреляционного фильтра.

1.3. Разработана методика синтеза нелинейного полосового фильтра, входящего в структуру полосового нелинейного корреляционного фильтра. Использование этого фильтра в структурах приемников систем передачи данных позволяет разрешать противоречие между точностью и быстродействием присущее линейным фильтрам.

1.4. Получена методика расчета весовых коэффициентов для первых основных гармоник на выходе безынерционного элемента с нечетной нелинейностью, позволяющая определять амплитудные значения сигнала на выходе нелинейного фильтра.

1.5. Получены аналоги соотношения Табора для нелинейного фильтра, из которых следует, что синтезированный нелинейный фильтр обладает лучшими избирательными свойствами по сравнению с линейным фильтром.

2. Разработан алгоритм математического моделирования системы передачи данных с квадратурной амплитудной модуляцией.

3. На основе предложенного метода разработаны процедуры и алгоритмы идентификации многочастотных гармонических сигналов с квадратурной ам

108 плитудной модуляцией.

4. Разработан программно - аппаратный комплекс для осуществления идентификации многочастотных гармонических сигналов с квадратурной амплитудной модуляцией.

Разработанный метод идентификации позволяет добиться лучших результатов при идентификации по сравнению с методами идентификации основанных на использовании только полосовых линейных фильтров. Данный метод может быть реализован в различных системах передачи данных, особенно многочастотных, для построения автоматизированных систем управления на базе современных технических средств, при проектировании систем и т.д.

1. Александровский Н.М., Дейч A.M. Методы определения динамических характеристик нелинейных объектов //Автоматика и телемеханика. 1968. №5.-С.3-11.

2. Баскаков СИ. Радиотехнические цепи и сигналы. М.: Высш.шк., 1988 -448 с: ил,

3. Боккер П. Передача данных. Т. 1. М.: Связь, 1980.

4. Буштрук А.Д. Корреляционные методы идентификации нелинейных динамических объектов. Братск: БрИИ, 1998. - 165 с.

5. Буштрук А.Д., Буштрук Т.Н., Манахов A.B. Результаты исследований по одному из видов корреляционных фильтров. / Деп. ВИНИТИ от 10.11.1999 №3300-В. 99 с.

6. Буштрук А.Д., Буштрук Т.Н., Манахов A.B. Синтез полосопропускаю-щего и фазокорректирующ;его фильтров для корреляционно спектральных анализаторов. / Деп. ВИНИТИ от 05.04.2000 №910-В00. - 34 с.

7. Буштрук А.Д., Буштрук Т.Н., Манахов A.B. Синтез нелинейных полосопропускающих фильтров. / Деп. ВИНИТИ от 06.05.2000 №1328-В00. 49 с.

8. Буштрук А.Д., Буштрук Т.Н., Манахов A.B. Аналоги соотношения Габора для нелинейных полосовых фильтров. / Деп. ВИНИТИ от 02.08.2000 №2154-В00.-12с.

9. Буштрук А.Д., Буштрук Т.Н., Манахов A.B. Результаты исследований для системы частотного уплотнения с K A M 4 // Управление в системах: Вестник ИрГТУ, 2000. - ВЫП. 3. - С. 42 - 46.

10. Буштрук А.Д., Буштрук Т.Н., Манахов A.B. Весовые коэффициенты для первых основных гармоник на выходе безынерционного элемента с нечетной нелинейностью // Труды Братского государственного технического университета. Братск: БрГТУ, 2000. - С. 148 - 150.

11. Буштрук А.Д., Буштрук Т.Н., Акулов Д.В. Корреляционно спектральный метод пассивной идентификации линейных динамических объектов. // Управление в системах: Вестник ИрГТУ. Сер. Киберенетика. - Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 1999. - Вьш.2. - С. 21 - 28.

12. Буштрук А.Д., Сухих Т.Н. Идентификация параметров моделей нелинейных динамических объектов с использованием гармонических входных воздействий. / Деп. ЦНИИТЭИ приборостроения 20.10.1987 №3951 пр.87. 16 с.

13. Быков В.В. Цифровое моделирование в статистической радиотехнике.- М.: Советское радио, 1971. 320 с.

14. Быков Ю.М. Основы обработки информации в АСУ химических производств: Теория и расчет информационных подсистем. Л.: Химия, 1986. -152 с.

15. Возенкрафт Дж., Джекобе И. Теоретические основы техники связи. -М.:Мир, 1969.

16. Витерби А., Омура К. Принципы цифровой связи и кодирования. -М.:Радио и связь, 1982.

17. Гелль П. Как превратить персональный компьютер в измерительный комплекс: Пер. с франц. -2-е изд., испр. -М,: ДМК, 1999. 144с.

18. Горелов. Г.В., Фомин А.Ф., Волков A.A., Котов В.К. Теория передачи сигналов на железнодорожном транспорте. ~ М.: Транспорт, 1999. 415 с.

19. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника: Учебное пособие для приборостроительных специальностей вузов. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высшая школа 1991.-622 с.

20. Дарахвелидзе П.Г., Марков Е.П., Котенок O.A. Программирование в Delphi 5. СПб.: БХВ - Санкт - Петербург, 2000. - 784 с.

21. Девятов Б.Н., Демиденко Н.Д. Динакмика распределенных процессов в технологических аппаратах, распределенный контроль и управление. Красноярск, 1976.-311 с.

22. Дейч A.M. Методы идентификации динамических объектов. М.: Энергия, 1979.-240 с.

23. Джонсон П., Лион Ф. Статистика и планирование эксперимента в технике и науке: Методы планирования эксперимента. М.: Мир, 1981. - 520 с.

24. Зевеке Г.В., Ионкин П.А., Нетушил A.B., Страхов СВ. Основы теории цепей. М.: Энергоатомиздат, 1989. - 528 с.

25. Каппелин В., Константинидис А.Дж., Эмилиани П. Цифровые фильтры и их применение. М.: Энергоатомиздат, 1983. - 360 с.

26. Кафаров В.В., Дорохов И.Н., Кольцова Э.М. Системный анализ процессов химической технологии. М.: Наука, 1983. - 367 с.

27. Кичатов Ю.Ф. Аналитический метод решения задачи оптимизации нелинейных систем одного класса //Автоматика и телемеханика. 1965. - №8. -С. 1348-1356.

28. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М: Наука, 1973.- 831 с.

29. Лагутенко О.И. Модемы. Справочник пользователя. Санкт-Петербург.: Лань. - 1997. - 364 с.

30. Лебедев О.Н. и др. Изделия электронной техники. Цифровые микросхемы. Микросхемы памяти. Микросхемы ЦАП и АЦП: Справочник. М.: Радио и связь, 1994. - 248 с.

31. Липатов В.Н. Типовые процессы химической технологии как объекта управления. М.:Химия, 1973. - 320 с.

32. Логинов Н.В. Методы стохастической аппроксимации // Автоматика и телемеханика. 1968. - №1. - С. 34-42.

33. Макс Ж. Методы и техника обработки сигналов при физических измерениях: В 2-х т. -М.: Мир, 1983.

34. Мюллер С. Модернизация и ремонт ПК, 11-е издание.: Пер. с англ.: Уч.пос. М.: Издательский дом «Вильяме», 2000. - 1136 с.

35. Назаров М.В., Кувшинов Б.Н., Попов О.В. Теория передачи сигналов. -М.: Связь, 1970.

36. Новиков Ю.В., Калашников O.A., Гуляев С.Э. Разработка устройств сопряжения для персонального компьютера типа IBM PC. Под общей редакцией Ю.В. Новикова. Практ. Пособие М.: ЭКОМ., 1997. - 224 с.

37. Овсепян Ф.А. Райбман Н.С. Яралов A.A. Идентификация объектов спеременной условной дисперсией //Автоматика и телемеханика. 1978. №9. -С. 59 - 66.

38. Попков Ю.С., Киселев О.Н., Петров Н.П., Шмульян Б.Л. Идентификация нелинейных стохастических систем. М.: Энергия, 1976. - 440 с.

39. Пупков К.А., Капалин В.И., Ющенко A.C. Функциональные ряды в теории нелинейных систем.-М.: Наука, 1976. -448 с.

40. Райбман Н.С. Идентификация объектов управления обзор // Автоматика и телемеханика. 1979. №6. - С. 101 - 107.

41. Райбман Н.С, Чадаев В.М. Построение моделей процессов производства. М.: Энергия, 1975. - 374 с.

42. Райбман Н.С, Капитоненко В.В., Овсепян Ф.А., Варлаки П.М. Дисперсионная идентификация. М.: Наука, 1981. - 336 с.

43. Рывкин A.A. и др. Справочник по математике. М.: «Высшая школа», 1975.-554 с.

44. Сверкунов Ю.Д. Идентификация и контроль качества нелинейных элементов радиоэлектронных систем спектральный метод. М.: Энергия, 1975. -97 с.

45. Смит Дж. Сопряжение компьютеров с внешними устройствами. Уроки реализации: Пер. с англ. М.: Мир, 2000. - 266 с.

46. Современные методы идентификации систем: Пер. с англ./Под. ред. П. Эйкхоффа. М.: Мир, 1983. - 400 с.

47. Солодовников В.В., Дмитриев А.Н., Егупов Н.Д. Анализ и синтез нелинейных систем автоматического регулирования при помощи ряда Вольтера и ортогональных спектров //Техническая киберентика. Т.З. 4.2. М.: Машиностроение, 1969. - С. 223-254.

48. Стейн С, Джонс Дж. Принципы современной теории связи и их применение к передаче дискретных сообщений. М.: Связь, 1971.

49. Теория автоматического управления (Под ред. A.B. Нетушила). М.: Высшая школа, 1976. 395 с.

50. Тихонов А.Н., Гончаровский A.B., Степанов В.В., Ягола А.Г. Регуля-ризирующие алгоритмы и априорная информация. М.: Наука, 1983. - 198 с.

51. Ту Ю. Современная теория управления. -М.: Машиностроение, 1971. -472 с.

52. Фаронов В.В. Турбо Паскаль 7.0. Начальный курс. Учебное пособие. -М.: «Нолидж», 1998. 616 с.

53. Цыпкин ЯЗ. Основы теории обучающихся систем. М.: Наука, 1970. -288 с.

54. Чаки Ф. Современная теория управления. М.: Мир, 1975. - 424 с.

55. Шахнов В.А. Микропроцессоры и микропроцессорные комплекты интегральных микросхем: В 2-х т. М.: Радио и связь, 1988.

56. Шевкопляс Б.В. Микропроцессорные структуры. Инженерные решения: Справочник. 2-е изд. Перераб. И доп. - М.: Радио и связь, 1990. - 512 с.

57. Шецен М. Синтез нелинейных систем в одном специальном случае // Техническая кибернетика за рубежом /Сб. переводов под ред. В.В. Солодовни-кова. М.: Машиностроение, 1968. - С. 216-230.

58. Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы: Справочник. М.: Радио и связь, 1987. -352 с.

59. Шинаков Ю.С., Колодяжный Ю.М. Теория передачи сигналов электросвязи. М.: Радио и связь. 1989. - 288 с.

60. Юров В. Assembler. СПб: Издательство «Питер», 2000. - 624 с.

61. A.Bruce Carlson. Communication systems: An introduction to signal andnoise in electrical communication.(Second edition). Copyright 1968,1975 by McGraw hill. Inc.

62. Al Lovrich, Ray Simar. Implementation of FIR/IIR Filters with the TMS32010/TMS32020. 1989, Texas Instruments. Application report: SPRA003A.

63. Billings S.A., Fakhowri S.Y. Identification ofnonlinear Sm-systems. // Int. J.Systems Sci. 1979. - №10. - P. 1401-1408.

64. Bunke H., Schidt W. H. Asymptotic results on nonlinear approximations of regreassion function and waighted least squares // Math.Operations forash. And Statist. 1980. -Vol.11. - №1. - P. 3 - 22.

65. Bushtruk A. D., Sukhikh T. N., Structural identification of Sm-systems (article). /9*A IFAC/IFORS Simp, on Identification and Systems Parameter Estimation. Budapest, Hungary, 1991 P. 628 -633.

66. Chen G.J. Lai T.L., Wei C.Z. Convergence systems and strong consistency of least squaresestimates in regression models // J. Multivar. Anal. -1981. V.l 1. -№3.-P. 689-693.

67. Corradi C, Stefanini L. Efficient computations of maximum likelihood estimates in ARMA regressions models // Numer. Tech. Stochast. Syst. Collect. Pap. Conf, Gargnano, Semp. Amsterdam e.a. 1980. P. 243 - 252.

68. Fakhowri S.A. Identification of class of non-linear systems with Gaussian non-white inputs // Int. J. Systems Sci. -1980. V.l 1. - №5. - P. 541-555.

69. Jacob John, Raghavan Subramaniyan.V32bis Datapump Implementation on the Motorola MPC82x Processor. Motorola India Electronics Limited, 1997.

70. Haber R., Keviczky L. Nonlinear structures for system identification // Periodica Polytechnica. Electrical Engineering. 1974. - V. 18 . - №4. - P. 393-404.

71. Henry Yiu. Implementing V.32bis Viterbi Decoding on the TMS320C62xx DSP. 1998, Texas Instruments Hong Kong Ltd. Application report: SPRA444.

72. ITU Study Group 14, "Draft Recommendation V.34 for a Modem Operating at Data Signalling Rates of up to 28800 bit/s for Use on the General Switched Telephone Network and on Leased Point-to-Point 2-Wire Telephone-Type Circuits", Document 57-E, June 1994.

73. Loginov V.V., Kochanov V. A. Implementing the high speed modem with multidimensional modulation using the TMS320C542 DSP. ESIEE, Paris, 1996, SPRA321.

74. Massey Tim and Lyer Ramesh. DSP Solutions for Telephony and Data/Facsimile Modems. 1997, Texas Instruments Inc. Literature number SPRA073.

75. Ron Mancini. Single supply op amp design. Analog applications journal. November 1999. P. 20-22.

76. Ron Mancini. Matching operational amplifier bandwidth with applications. Analog applications journal. February 2000. p. 36-38,

77. Steven A. Tretter. V.34 Transmitter and Receiver Implementation on the TMS320C50 DSP. 1997, Texas Instruments Inc. Literature number SPRA159.

78. Steven W. Smith. The Scientist and Engineer's Guide to Digital Signal Processing (Second edition). California Technical Publishing, 1997-1999.

79. Буштрук А.Д., Буштрук Т.Н., Манахов А.В. Программа построения частотных характеристик и моделирования линейных и нелинейных систем (Икар У1.1).(свидетельство).Российское агентство по патентам и товарным знакам №2000610892, 11.09.2000 г.