Лабораторная установка предназначена для изучения процесса согласованной фильтрации сигналов.
Параметры лабораторной установки:
Частота дискретизации – 40 кГц
Число разрядов АЦП – 6
Длительность элементарного сигнала – 0.1 мс
Интервал изменения амплитуды сигналов – 0.02 – 0.6 В
Интервал изменения уровня шума – 0.1 – 0.6 В
Полоса частот аддитивного шума – 0.05 – 20 кГц
Установка предназначена для выполнения следующих экспериментальных исследований:
· формы отклика цифрового фильтра на входное воздействие сигналов различной формы;
· разрешающей способности ЦСФ сигналов по времени прихода при наличии трех сигналов с разными задержками;
· характеристик обнаружения сложных сигналов: вероятности ложной тревоги PЛТ и вероятности правильного обнаружения PПО.
Экспериментальные исследования процесса согласованной фильтрации проводятся для простых сигналов длительностью Т с прямоугольной формой огибающей и сложных сигналов, форма которых определяется формой низкочастотной квадратурной составляющей фазоманипулированного сигнала вида (19), построенного на основе кода Баркера для N = 7, 13 и М-последовательности N =15.
Функциональная схема установки, состоящей из формирователя сигналов, канала передачи, цифрового согласованного фильтра, выполненного на микроконтроллере, и решающего устройства (РУ), приведена на рис.10.
Рис. 10. Функциональная схема лабораторной установки
Формирователь сигналов имеет три выхода. На этих выходах формируется сигнал Us1 и два сигнала Us2, Us3. Сигналы представляют собой либо простые сигналы длительностью T с прямоугольной формой огибающей и амплитудой Umс, либо сложные ФМС вида (19). Эти сигналы поступают на вход сумматора, где происходит их аддитивное аналоговое сложение с гауссовским шумом, имеющим полосу 0.05 – 20 кГц и спектральную плотность средней мощности N0. На входе микроконтроллера, выполняющего функции цифрового согласованного фильтра, происходит измерение уровня сигнала и уровня шума. При этом измеряется среднеквадратичное значение шума Uш и значения сигнала Umс.
На выходе цифрового согласованного фильтра измеряются значения свертки входного сигнала и импульсного отклика фильтра. В моменты времени, соответствующие максимальному значению выходного напряжения ЦСФ, с помощью решающего устройства происходит измерение вероятностей правильного обнаружения сигналов. При этом задается значение относительного порога Uпор, которое входит в выражение (29) .
Рис.12. Лицевая панель лабораторной установки
Вид лицевой панели лабораторной установки приведен на рис.12. На левом верхнем поле изображена функциональная схема установки. На правом верхнем поле расположен – цифробуквенный дисплей с кнопками управления. На левом нижнем поле расположены индикаторы значений сигналов и отклика. На правом нижнем поле расположены кнопки управления режимами работы установки.
Назначение кнопок в поле индикатора.
K – отображение результата последнего эксперимента
K1 – включение подсчета числа ошибок К при Кmax=10000
K2 – включение подсчета числа ошибок К при Кmax=1000
Значение кнопок в поле управления.
S2 – Вкл/Выкл второго сигнала
S3 – Вкл/Выкл третьего сигнала
Us1 – Вкл/Выкл режима изменения амплитуды сигнала S1
Us23 – Вкл/Выкл режима изменения амплитуды сигнала S2 и S3
П – Вкл/Выкл режима изменения уровня порога
Uш – Вкл/Выкл режима изменения амплитуды шума
ts2 – Вкл/Выкл режима изменения времени задержки сигнала S2 относительно сигнала S1
Кнопка ▲ – увеличение регулируемого параметра
Кнопка ▼ – уменьшение регулируемого параметра
S1 – Вкл/Выкл первого сигнала
Ш – Вкл/Выкл генератора шума
ПрS1 – Вкл/Выкл режима программирования формы сигнала
ПрH1 – Вкл/Выкл режима программирования формы импульсного отклика
Кнопки «◄» и «►» – смещение позиции программируемого элемента сигнала или отклика на один элемент влево (◄) или вправо (►).
Кнопка 1/-1 – изменение текущего значения элемента сигнала или отклика на противоположный
Кнопка «►| » – ограничение длительности сигнала и отклика до текущей позиции.
В установке предусмотрена световая индикация значения элементов сигналов с помощью светодиодов с двойным свечением. Зеленое свечение светодиода соответствует значению сигнала, равному «1», а красное – значению «-1». Изменение формы сигнала в поле «Сигнал» происходит в режиме программирования формы сигнала (кнопка ПрS1) кнопками: «◄», «►», «1/-1», «►| ».
Канала передачи обеспечивает 3 режима передачи сигналов: одиночного сигнала (Us1); двух сигналов Us2, Us3, причем у одного из них US2 задержка tз изменяется, а у другого US3 – фиксированная; трех сигналов US1, US2 и US3, задержанных друг относительно друга на величину tз (см.рис.11). Выбор одного из режимов передачи происходит с помощью кнопок «S1», «S2» и «S3» (рис.12). В формирователе сигналов предусмотрена возможность регулировки амплитуды основного сигнала US1 (кнопка Us1) и одного из 2-х задержанных сигналов US2 и Us3 (кнопка US23). Регулировка амплитуды происходит с помощью кнопок «▲» и «▼». Сформированные подобным образом сигналы поступают на три входа аналогового сумматора, а на четвертый вход этого сумматора поступает нормальный канальный шум со среднеквадратичным значением UШ в полосе ΔFс = 0,05 - 20кГц с выхода встроенного генератора шума. Цифровой согласованный фильтр построен на микроконтроллере, который состоит из аналого-цифрового преобразователя A/D, устройства управления УУ, арифметико-логического устройства АЛУ, устройства ввода вывода УВВ и постоянного запоминающего устройства ПЗУ. На вход АЦП поступает анализируемый процесс y(t). В АПЦ этот процесс преобразуется в последовательность восьмиразрядных чисел.
Формирование значений импульсного отклика фильтра обеспечивается с помощью кнопок в поле «Отклик». При этом предусмотрена световая индикация светодиодами значений формируемого импульсного отклика, аналогичная световой индикации значения сигналов. Установка режима формирования импульсного отклика происходит кнопкой H1. Для анализа формы выходного напряжения ЦСФ и при исследовании разрешающей способности по времени прихода сигналов к выходу УВВ подключен цифроаналоговый преобразователь D/A.
Решающее устройство РУ предназначено для проведения экспериментальных исследований характеристик обнаружения сигналов: вероятности ложной тревоги и вероятности правильного обнаружения. С помощью кнопок «▲» и «▼» происходит регулировка уровня порога срабатывания решающего устройства. При измерениях вероятности ложной тревоги (y(t) = n(t)) и вероятности правильного обнаружения (y(t) = uс(t) + n(t)) происходит подсчет числа превышений уровня напряжения на выходе ЦСФ над уровнем порога в моменты времени, соответствующие максимальному значению выходного напряжения ЦСФ. Результаты подсчета числа К превышений высвечиваются на дисплее, расположенном на лицевой панели. Вероятности РЛТ и РПО определяются отношением K/Kmax, где Kmax – максимальное число отсчетов в решающем устройстве за заданный интервал времени (значение Кmax высвечивается на дисплее рядом со словом расчет).
Программирование сигналов производится в следующем порядке:
Кнопкой «S1» выбирается программирование формы сигнала; кнопками «◄», «►» производится смещение на один элемент сигнала; кнопкой «1/-1» задается значение элемента сигнала; кнопка «►| » позволяет ограничить длину задаваемого сигнала текущей позицией. Светодиод, соответствующий задаваемому элементу сигнала мигает с частотой 1 Гц.
Аналогичным образом происходит программирование значений импульсного отклика для простых и сложных сигналов (кнопкой «H1» выбирается программирование значения импульсного отклика). При этом значения импульсного отклика, например, для простого 13-элементного сигнала имеют вид 1111111111111, а для сложного сигнала, той же длительности на основе кода Баркера, 1-11-111-1-111111.
При выполнении лабораторной работы в качестве сигналов могут использоваться следующие:
1. Простые
a. 11111
b. 1111111
c. 11111111111
2. Сложные
a. 111-11
b. 111-1-11-1
c. 111-1-1-11-1-11-1
d. 11111-1-111-11-11
e. 1-1-1-11111-11-111-1-1
При этом соответствующие импульсные отклики согласованного фильтра будут иметь вид:
1. Простые
a. 11111
b. 1111111
c. 11111111111
2. Сложные
a. 1-1111
b. -11-1-1111
c. -11-1-11-1-1-1111
d. 1-11-111-1-111111
e. -1-111-11-11111-1-1-11
Соединение лабораторной установки с двухканальным осциллографом производится путем подключения к коаксиальным разъемам на задней стенке установки: «Вых1» – напряжение на входе фильтра; «Вых2» – напряжение на выходе фильтра; «Вых3» – синхронизация.
.
Цифровой согласованный фильтр построен на микроконтроллере, который состоит из аналого-цифрового преобразователя A/D, устройства управления УУ, арифметико-логического устройства АЛУ, устройства ввода вывода УВВ и постоянного запоминающего устройства ПЗУ. На вход АЦП поступает анализируемый процесс y(t). В АПЦ этот процесс преобразуется в последовательность восьмиразрядных чисел.