216849 (Модель тракта прослушивания гидроакустических сигналов), страница 3

Рис. 11 ИПХ фильтров Ханна, Хэмминга, Кайзера

Рис. 12 Вид частотных окон Ханна, Хэмминга и Кайзера

Все представленные окна имеют общий параметр – размер окна L, который равен 27 частотным отсчетам, что составляет примерно 5 % от полосы принимаемого сигнала.

На рисунке 13 приведен результат восстановления сигнала при применении частотного окна Хэмминга:

Чем больше n, тем большая доля энергии, сосредоточенная в главном лепестке спектра (и тем шире этот главный лепесток), и тем меньше уровень боковых лепестков. Черная пунктирная линия – исходный сигнал, синяя – восстановленный сигнал при применении частотного окна Хэмминга.

Рис. 13 Иллюстрация эффекта, возникающего при вырезании полосы фильтром Хэмминга

Как видим, при этом уменьшаются амплитудные искажения в средней части реализации.

Как видно из рисунка 13 частотные окна, форма которых отлична от прямоугольной, вносят амплитудные искажения на краях полосы обработки. Для минимизации влияния использования частотных окон на уровень сигнала, с частотой, близкой к краям полосы обработки (0.3÷4.5) кГц, необходимо несколько расширить полосу фильтрации.

3.3 Частотный сдвиг при понижении полосы частот прослушивания

Итогом работы тракта прослушивания является возможность дать оператору прослушать сигнал полученный в результате обработки. Поскольку человеческое ухо лучше воспринимает звук в диапазоне от 0,3 до 4 кГц то возникает необходимость переноса полученного сигнала в область более низких частот, что влечет за собой ряд дополнительных проблем.

В результате проведенного моделирования было установлено, что сдвигать можно не на произвольное количество спектральных отчетов и более того, не при произвольной величине перекрытия. Следующие рисунки 14-17 иллюстрируют этот эффект.

Рис.14а. Спектр восстановленного сигнала после сдвига его полосы в частотной области на 2Δf. Перекрытие входных выборок 50%

Рис. 14б. Спектр восстановленного сигнала после сдвига его полосы в частотной области на 3Δf. Перекрытие входных выборок 50%

Рис 15а. Состыкованная реализация восстановленного сигнала после сдвига его полосы в частотной области на 4Δf. Перекрытие входных выборок 50%

Рис 15б. Состыкованная реализация восстановленного сигнала после сдвига его полосы в частотной области на 3Δf. Перекрытие входных выборок 50%

Рис. 16а Спектр восстановленного сигнала после сдвига его полосы в частотной области на 4Δf. Перекрытие входных выборок 25%

Рис. 16б Спектр восстановленного сигнала после сдвига его полосы в частотной области на 4Δf. Перекрытие входных выборок 17%

Рис 17а. Состыкованная реализация восстановленного сигнала после сдвига его полосы в частотной области на 4Δf. Перекрытие входных выборок 25%

Рис 17б. Состыкованная реализация восстановленного сигнала после сдвига его полосы в частотной области на 5Δf. Перекрытие входных выборок 25%

И также в результате проведенного моделирования установлено, что осуществить сдвиг частот без потери качества прослушивания можно только в случае, если величина перекрытия входных выборок является делителем числа n - базы БПФ. При этом сдвинуть на один спектральный отсчет или на нечетное число отсчетов нельзя ни при какой величине перекрытия, иначе происходят искажения и нестыковки последовательных фрагментов восстановленного сигнала.

В таблицу 1 сведены полученные в результате проведенного моделирования данные о соотношении величины перекрытия входных выборок и числа спектральных отсчетов, на которые можно сдвигать (понижать или повышать) полосу сигнала.

Таблица 1 . Взаимосвязь минимальной полосы частотного сдвига от величины перекрытия входных выборок

На основании вышеизложенного, можно сделать выводы о том, что для устранения эффектов, вызванных появлением некорректных отсчетов при формировании канала наблюдения в частотной области и не во всей полосе, а в ограниченной полосе, необходимо:

- обязательное исключение части отчетов в восстановленной реализации сигнала

из дальнейшей обработки;

- применение частотного фильтра с ЧХ, отличной от прямоугольной;

- расширение полосы обработки.

При этом величина перекрытия входных выборок должна быть больше суммы максимальной задержки сигнала на элементах АР и длительности ИПХ частотного фильтра. Других ограничений на величину перекрытия не накладывается.

Традиционно информация, используемая в тракте шумопеленгования, берется с перекрытием входных выборок на величину η. Это реализуется в интересах следующих задач и трактов гидроакустического комплекса:

• тракты автоматического сопровождения цели (АСЦ) и выработки классификационной информации по ним;

• тракт обнаружения дискретных составляющих сигнала во всем секторе обзора;

• задача выделения огибающей сигналов во всем секторе обзора.

Однако для тракта прослушивания сигналов и помех, в котором для удобства оператора реализована (в цифровой области) возможность понизить частоту прослушивания, оказалось, что величина перекрытия входных выборок должна быть делителем числа n - количество точек БПФ.

Поскольку для процедуры БПФ обычно выбирают число n, являющееся степенью 2: n=2^x ,

где x – целое положительное число, то и величина перекрытия должна быть тоже степенью 2, так как других простых делителей у n нет.

4 Программный макет тракта прослушивания

4.1 Структурная схема алгоритма обработки в тракте прослушивания

Структурная схема алгоритма обработки в тракте прослушивания цифровой ГАС с формированием каналов наблюдения в частотной области приведена на рисунке 18.

Рис. 18 Структурная схема алгоритма обработки в тракте прослушивания

1) АР – антенная решетка, M – количество ее приемных элементов;

2) АПО – фильтрация сигнала, предварительное усиление;

3) АЦП – аналого-цифровое преобразование с частотой дискретизации 24000Гц, процессов, принятых на М приемных элементах антенны; получаем дискретизированные по пространству и по времени выборки входного поля;

4) Набор реализаций с перекрытием 25 % точек;

5) БПФ – n-точечное быстрое преобразование Фурье по всем М каналам. Частотное разрешение системы df=fd/n;

6) ФПК – формирование пространственного канала: осуществляется в частотной области умножением на фазирующие коэффициенты и суммированием выходов задержанных реализаций. Получаем один выход в полосе от 1 до 8 кГц, границам полосы частот соответствуют номера частотных отсчетов Кн=[1000/df]=21 и Кв=[8000/df+0.5]=171.

7) Вырезание полосы частот, соответствующей заданному оператором номеру частотного диапазона Nd (от 1 до 3):

I чд - от Кн= 21 до Кв=53,

II чд - от Кн= 42 до Кв=106,

III чд - от Кн= 85 до Кв=171;

8) Сдвиг полосы в область от 0.3 кГц (для удобства оператора); сдвиг осуществляется на величину:

4Δf = 187 Гц - в I чд,

32Δf = 1497 Гц – во II чд,

76Δf = 3556 Гц – в III чд;

9) Умножение на спектральное окно, в нашем случае окно Ханна с числом точек, зависящим от ширины частотного диапазона:

K=53 – в I чд,

K=81 – во II чд,

K=99 – в III чд ;

10) Восстановление сигнала во временную область с использованием процедуры ОБПФ на те же самые n точек;

11) Отбрасывание некорректных отсчетов – по n/8 точек в начале и в конце реализации;

12) Стыковка реализаций;

13) Цифро-аналоговое преобразование (ЦАП) с частотой дискретизации 24000кГц;

14) Вывод результатов на динамик или выносные аудиосистемы.

4.2 Структурная схема программного макета тракта прослушивания

В соответствии с описанными в предыдущих разделах алгоритмами функционирования тракта прослушивания для выбора параметров и уточнения алгоритмов обработки в среде инженерных расчетов MatLab была написана моделирующая работу этого тракта программа. Язык программирования среды MatLab является наиболее удобным для работы с матричными структурами данных, а также содержит большое число вспомогательных функций и операций над матрицами и многомерными массивами данных. Кроме того, MatLab обладает широкими возможностями по графическому отображению результатов.

Структурная схема программного макета тракта прослушивания приведена на рисунках 19 и 20.

Программный макет тракта прослушивания включает в себя следующие функциональные блоки:

1. Блок задания параметров антенной решетки и параметров цифровой обработки в тракте ШП.

Задаются основные параметры системы, включая:

- Скорость звука,

- Частота дискретизации,

- Задание мнимой единицы,

- Количество элементов АР,

- Шаг между приемными элементами АР,

- длительность формируемого сигнала,

-Количество частотных диапазонов,

-Число точек БПФ,

- величина перекрытия входных выборок,

-Нижняя полоса и верхняя полоса всего тракта, и разбивка на 3 диапазона.

1. Блок задания параметров сигнала и параметров обработки в тракте прослушивания.

В этом блоке происходит выбор типа сигнала:

-тональный,

-амплитудно-модулированный тональный,

- амплитудно-модулированный шумовой;

Задаются:

- несущая частота сигнала,