Диссертация (1090673), страница 14
Текст из файла (страница 14)
Во временной области ФДОрешается с применением методов ЭФ и ВКФ при сравнении череспериодных СКИв предположении, что импульсы в соседних периодах идентичны. В спектральной области ту же задачу можно решить с применением методов ОКС и ВКА.Отмечено, что воспроизводимость и точность группы временных методов ФДОнапрямую зависит от динамичности формоизменения профиля отраженного СКИсигнала во времени. При этом обработка СКИ в спектральной области позволяетпроизводить помехоустойчивую ФДО в связи с тем, что ФСПМ СКИ в пределахнескольких периодов зондирования имеет квазистационарный характер.
Показано, что логоспектр соседней последовательности СКИ имеет вид двух функций,одна из которых представляет собой спектральную огибающую СКИ, а другая –несет в себе закон модуляции спектра, период которой соответствует его положению на оси кепстрального времени. Для точного нахождения ПМК в логоспектренеобходимо выделить модуляционную компоненту, для чего используется вейвлет-преобразование.
Уменьшение ошибки ФДО методом ВКА достигается расширением частотного окна дискретного логоспектра путем его искусственногодополнения нулями, что при малых отношениях сигнал-шум позволяет получитьболее точную оценку взаимного временного положения СКИ.Анализ программного моделирования показал, что среди предложенныхчисленных методов ФДО при невысоком отношении сигнал-шум (менее 20 дБ)наиболее предпочтительными оказались методы, реализованные в частотной области: ОКС и ВКА [A6,A19]85ГЛАВА 4. Программно-аппаратная реализация и результатыэкспериментальных исследований вибромеханических колебаний4.1 Строб-фрейм-дискретизация сверхкороткоимпульсных сигналовИзвестно, параметры разрешения и точность стробоскопического приемапри реализации масштабно-временной трансформации субнаносекундных радиоимпульсов требуют активной системы синхронизации и существенно зависят отстабильности амплитуды, длительности и джиттера (фазового дрожания) импульсов выборки, а быстродействие таких систем ограничивается частотой тактовогосигнала [20].
Действительно, в современных вычислительных технологиях построение цифровых систем на основе тактовой частоты синхронизации являетсяпричиной серьезных ограничений в отношении энергопотребления и быстродействия. Кроме того, масштабно-временная трансформация предполагает использование прецизионных широкополосных фазовращателей, либо управляемых ЛЗ,что трудно реализуемо с помощью цифровых методов тактирования [39,41].Современная концепция аналого-цифрового стробоскопического приема ивосстановления СКИ-сигналов на базе СФД позволяет исключить ряд основныхнедостатков тактируемых приемных устройств на базе принципа масштабновременной трансформации.Технология СФД предполагает формирование цифрового сигнала, двоичные значения которого образуются при динамическом сравнении с установленным порогом высокоскоростного управляемого компаратора и дальнейшем разбиении на требуемое количество временных интервалов [A6,A11,A16].
На каждомиз них сигнал будет иметь соответствующую запись в счетчике, принимая значения «1», либо «0» без использования высокочастотного тактового сигнала длявзятия цифровых отсчетов. При этом временные интервалы СФД, называемыеэффективным шагом дискретизации, задаются массивом аналоговых ЛЗ, которые86теоретически могут иметь бесконечно малые значения, а, следовательно, сверхмалое разрешение во времени. Реализация архитектуры и топологии ЛЗ такихсистем цифрового приема СВЧ-сигнала является оригинальным и эффективнымрешением с точки зрения улучшения производительности путем увеличения скорости обработки при значительно меньшем энергопотреблении.Реализация скоростной технологии СФД СКИ в работе представлена экспериментальным макетом системы СКИ РСЗ на базе цифрового однокристальногоприемопередатчика серии NVA6201 в корпусе QFN32 с потребляемой мощностьюне более 120 мВт, полосой пропускания приемника до 10 ГГц и частотой дискретизации до 100 Гвыб/с в полосе обзора 1 ГГц (рисунок 25) [A16].Рисунок 25.
Общий вид макета системы СКИ РСЗ на базе NVA6201, реализующего технологию СФДЦифровой приемник NVA6201 работает в режиме времякогерентного моностатического радиосенсорного захвата, т.е. строб-окно дискретизации открывается в момент прихода отраженного сигнала, обеспечивая ПВС. Его идентификация осуществляется дополняемым внешним ЧПКО на базе интегрированной высокочастотной микросхемы AD8302 по установленному пороговому значению,либо программной настройкой, которая определяет заданное время глобальнойзадержки.
В составе ПЭВМ приемопередатчик позволяет череспериодно накапливать и суммировать импульсы, увеличивая отношение сигнал-шум путем реализации принципа сингулярного шумоподавления [37].87Стробирование обеспечивает систему определенным рабочим моментом времени начала дискретизации, определяемым глобальной задержкой. Принятый СКИсигнал с выхода приемной TSA-антенны Вивальди поступает на малошумящий усилитель (диапазон усиления -6…23 дБ) и ЧПКО. Затем, при условии обнаружения, –на быстродействующий СВЧ-компаратор ADCMP580 с полосой до 10 ГГц и возможностью формирования 8192 пороговых уровней.
На выходе компаратора формируется последовательный непрерывный набор из единиц и нулей динамического вектора вида [11001011001…], каждый элемент которого в определенный момент времени с некоторым удержанием одновременно поступает на массив параллельных дискретизаторов – счетчиков на базе D-триггеров, определяя разрешение или запрет счета (рисунок 26). Массив содержит 512 быстродействующихсчетчиков. Количество всех выборок сигнала за период сканирования, получаемых из массива, называется фреймом – временным окном дискретов, а потокмгновенных значений дискретов, записанных в каждый счетчик – сэмплом [A11].Количество задействованных счетчиков может регулироваться (кратно знаменателю два: 256, 128, 64,…,2).
Если требуется грубое восстановление радиоимпульса, можно, например, использовать каждый 8-ой счетчик (т.е. всего 64).Рисунок 26. Структурные схемы СФД (слева) и цифрового приемопередатчикаNVA6201 (справа)88Формирование фрейма осуществляется следующим образом. Перед началомдискретизации счетный импульс задерживается при помощи временной задержкифрейма TF (глобальной задержки). Счетный импульс проходит через параллельные счетчики, на каждый с небольшим смещением во времени, равным эффективному шагу дискретизации TD. Текущий уровень компаратора определяет разрешение или запрет счета в момент времени, когда счетный импульс фрейма минует i-ый D-триггер.На рисунке 27 приведены временные диаграммы реализации принципаСФД.
В компараторе порогового квантователя входной аналоговый сигнал сравнивается с порогом UП и принимает значения: «0» в интервалы T1, T3, T5, T7, T9 и«1» для T2, T4, T6, T8. Причем интервалы соответствуют пересечениям СКИ с установленным пороговым уровнем компаратора. Сумма интервалов равна длиNтельности фреймаTj 1j Tф . Каждый сэмпл, попавший в интервал T j (соответ-ствующий единичной, нулевой записи в счетчики C1,С2,…,Сn) аппроксимируетсясуммой:mTD(k , j ) m TD( j ) T j , где m – количество эффективных шагов дискре-k 1тизации, попавших в j-ый интервал времени. Данный процесс соответствует единичному циклу строб-приема сигнала.После записи в счетчики цифровых значений одного фрейма уровень порогав квантователе сдвигается, и процесс дискретизации повторяется до полного восстановления СКИ.
За N-строб-циклов в каждом счетчике формируется свой сэмпл.Количество выбранных строб-циклов будет соответствовать дискретизации СКИ.Так, при эффективном интервале дискретизации 25 пс и количестве задействованных счетчиков 512 длительность фрейма составит 0,025×512 = 12,8 нс. За это времярегистрируется серия СКИ. Частота стробирования СКИ может принимать значения1,5; 3; 6; 12; 24; 48 и 100 МГц, что соответствует делению частоты процессора 100МГц [A11,A16]. Объем логических единиц сэмпла, пересчитанный в весовые зна-89чения шага порогового квантователя (эквивалентный шаг X(n,m)), определяетмгновенное значение сигнала в k-ом временном дискрете – сэмпле.Рисунок 27. Иллюстрация принципа СФД: а) фрейм-дискретизация сигнала; б)сетка счетчиков (сэмплов); в) матрица фреймовТаким образом, применение принципа СФД исключает тактирование сигналадля взятия цифровых отсчетов, что позволяет получить существенную минимизацию энергопотребления схемы.
Эффективный шаг дискретизации задается массивоммикрополосковых ЛЗ, которые теоретически могут обеспечить высокое быстродействие схемы и пикосекундное разрешение дискретов фрейма во времени. Применение данной технологии позволило разрешить вопросы цифровой обработки СКИсигналов с применением численных методов ФДО, приведенных в главе 3.На основе концепции технологии СФД разработана программа-эмулятор имасштабно-временная модель реализации СКИ РСЗ в среде MatLab [A7,A11], на базе которых производилась отладка численных алгоритмов косвенной ФДО интенсивности механических колебаний, и получены результаты программного моделирования.Так, на рисунке 28 приведена графическая программная реализация полноговосстановления отраженного от зондируемой поверхности гауссовского СКИ 3-гопорядка длительностью 200 пс за 4 цикла стробирования (4 шага квантования) с час-90тотой 3МГц при дискретизации 40 Гвыб/с и отношении сигнал-шум 20 дБ.Рисунок 28.
СКИ 3-го порядка в окне захвата: нормированный СКИ на входекомпаратора (слева); восстановленный СКИ по суммарному сэмплу sem (в центре);нормированный интерполированный СКИ (справа)При правильно выбранном шаге квантования (минимальном числе стробимпульсов полного восстановления СКИ) можно добиться уменьшения спектральной плотности шумов в окне захвата. В тоже время при выборе избыточного числаимпульсов стробирования (уменьшении шага квантования компаратора) возможноболее детальное восстановление СКИ. Однако это требует значительного времени наобработку и приводит к увеличению спектральной плотности шумов в окне захвата.4.2 Масштабно-временное моделированиеСовременная научная концепция инженерных исследований априори предполагает предварительную численную реализацию эксперимента на аналитической программной модели, включая как сами процессы, протекающие в анализируемой системе, так и алгоритмы параметрической оценки этих процессов [6,48].Наравне с оптическим методом, используемым в качестве реперного дляоценки достоверности радиоволновых виброметрических исследований, программная модель системы СКИ РСЗ служит одним из весовых критериев воспро-91изводимости ожидаемых результатов, полученных эмпирическим путем, с теоретическими – полученными из результатов моделирования [A1].
Отсюда можносудить не только об адекватности и однозначности модели, эффективности выбранных численных методов обработки СКИ, но и верно спланированном эксперименте, а также эффективности радиоволнового метода.Однако программная модель исследуемой системы, как и построение алгоритмической реализации математического аппарата обработки сигналов, должнаотвечать требованиям, касающимся минимизации использования ресурсов процессорной техники – от этого во многом зависит эффективность и быстродействие вычислений [A7].Действительно, одновременное моделирование быстроизменяющихся (субнаносекундный импульс – нано- и пикосекундное колебание) и медленно протекающих (механическое колебание – от миллисекундного до секундного цикла)процессов на одной временной оси перегружают процессор, поскольку шаг дискретизации времени приходится выбирать из расчета минимального, т.е.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
