Дипломная работа: Пеленгатор системы радиомониторинга

Анализ литературы показал: чтобы уменьшить значение СКО при неизменном диаметре АР необходимо проводить накопление сигнала, т.е. многократный съем информации.

В результате проведения накопления сигнала в нижней области диапазона частот, СКО может быть меньше 5 уже при диаметре АР равном 2.5 м.

В таблице 2.1 приведены данные зависимости УБЛ и СКО от частоты и диаметра разработанных кольцевых АР, при количестве элементов АР равным девяти.

Таблица 2.1 - Зависимость УБЛ и СКОот частоты

Анализируя данные таблицы 2.1 видно, что уменьшение СКО главного максимума от среднего значения на нижних частотах происходит с увеличением диаметра АР.

Таким образом, по результатам проведенного анализа можно сделать вывод: обеспечить заданные в ТЗ характеристики АнС и перекрыть весь рабочий диапазон частот можно в том случае, если в заданном диапазоне частот от 20 до 290 МГц использовать кольцевую АР диаметром 3 м, а в заданном диапазоне частот от 290 до 6020 МГц использовать кольцевую АР с диаметром 1.0 м, при этом в нижней части рабочего диапазона частот необходимо использовать накопление сигнала.

Работа АнС с двумя и более литерами предполагает наличие в системе коммутирующего устройства, обеспечивающего согласованную работу каждой литеры. В качестве такого устройства, наиболее целесообразно применить так называемый диплексер - устройство, в состав которого входят два и более пассивных фильтра высоких и низких частот (ФВЧ и ФНЧ), объединенных по выходу в общий канал. Таким образом представляется возможным осуществить "сшивку" двух заданных диапазонов 20…290 МГц и 290…6020 МГц, в один.

Общий вид АнС станции АСМИРИ представлен на рисунке 2.4

В результате проведенного анализа АнС АСМИРИ, выяснилось, что техническим характеристикам ТЗ удовлетворяет АР с цифровым формированием ДН, использующая ВКФ метод формирования ДН.Для обеспечения заданной точности пеленгования, исходя из перекрытия частотного диапазона, минимального уровня боковых лепестков и количества антенных элементов, антенная система должна включать в себя следующие элементы:

- две литеры предметного канала с девятью элементами в каждой литере, представляющими собой пассивные вибраторы с резистивной нагрузкой и вибратором-директором. При этом диаметр НЧ литеры составляет 3 м., а ВЧ - 1 м. "Сшивку" диапазонов необходимо выполнить с использованием частотного диплексера;

Рисунок 2.4-Общий вид АнС станции АСМИРИ

- две литеры опорного канала с использованием в качестве АнЭ конического вибратора. "Сшивку" диапазонов необходимо выполнить аналогично предметному каналу, используя частотный диплексер.

2.3 Выбор и обоснование анализатора спектра

Спектральный анализ - это один из методов обработки сигналов, который позволяет охарактеризовать частотный состав измеряемого сигнала.

В основе работы АС лежит явление резонанса, а сам процесс выделения частотных составляющих осуществляется при помощи различных резонансных систем или их эквивалентов. При этом различают параллельный, последовательный и комбинированный частотный анализ.

Сущность параллельного частотного анализа заключается в том, что все частотные составляющие в определенной полосе частот, называемой полосой обзора, выявляются одновременно. Анализ осуществляется с помощью большого числа элементарных резонаторов со смещенными резонансными частотами, одновременно находящимися под воздействием исследуемого сигнала. При этом, каждый резонатор, под воздействием сложного сигнала, возбуждаясь, будет выделять частотные составляющие, соответствующие его частоте настройки.

Достоинством параллельного частотного анализа является то, что все частотные составляющие выделяются одновременно и практически мгновенно. Однако существуют ограничения, связанные с реализацией большого количества резонаторов с узкой полосой пропускания, следствием которого является не всегда удовлетворительное разрешение частотных составляющих.

Сущность последовательного частотного анализа состоит в том, что частотные составляющие сигнала в полосе обзора выявляются последовательно (поочередно), посредством перестройки входного резонатора в пределах полосы обзора. При этом резко увеличивается разрешающая способность АС и уменьшается его быстродействие.

Комбинированный частотный анализ основан на комплексном использовании в одном АС параллельного и последовательного методов анализа, при этом удается получить широкие полосы анализа при высокой скорости обработки результатов. Учитывая заданную в ТЗ полосу одновременного анализа и время обработки результатов, данный метод является наиболее приемлемым при решении поставленной задачи.

Согласно ТЗ, обработка результатов измерений в рассматриваемой системе должна проводиться в цифровой форме на ПЭВМ.

Под цифровой обработкой понимают процесс, при котором требуемые измерения и вычисления осуществляются путем операций над числами, представляющими в дискретной форме анализируемый сигнал.

Таким образом, устройство, осуществляющее цифровой анализ спектральных составляющих частотного спектра исследуемого сигнала будет представлять собой ЦАС.

К основным параметрам ЦАС относятся: средняя частота входного сигнала; максимальная полоса входного сигнала; максимальный уровень входного сигнала; ДД входного сигнала; частотное разрешение; время анализа; тип интерфейса обмена с ПЭВМ.

Первые четыре параметра определяются, в основном, типом интегральной микросхемы (ИМС) входного АЦП, остальные - примененными аппаратно-программными средствами.

В силу существующих технологических ограничений многие параметры взаимосвязаны не лучшим образом. Так, например, увеличение верхней частоты анализируемого сигнала или расширение полосы анализа ведет к уменьшению ДД. Время анализа напрямую зависит от выбранного частотного разрешения и состоит из времени накопления нужного числа отсчетов и времени выполнения программной процедуры спектрального анализа. Впрочем, во многих современных ЦАС, процесс ввода отсчетов происходит в фоновом режиме, за счет использования прямого доступа к памяти, что не влияет на общее время вычислений.

На сегодняшний день разработано около десятка ЦАС используемых в системах РМ и различающихся, как типом, так и техническими возможностями.

Параметры некоторых устройств ЦАС, разработанных и применяемых в настоящее время в различных системах РМ, приведены в таблице 2.3.

Таблица 2.3 -Параметры существующих ЦАС

Как видно из анализа данных таблицы 2.3, имеющимся в настоящее время набором устройств ЦАС, возможен спектральный анализ сигналов с верхней частотой до 500 МГц, полосой анализа до 550 МГц и ДД входных сигналов до 90 дБ. При этом время вычисления БПФ для ЦАС, с реализацией алгоритма вычисления БПФ на ПЭВМ, определяется самой ПЭВМ, в которой он установлен, а с реализацией последнего аппаратно, на специализированном процессоре в составе ЦАС - определяется возможностью применяемого процессора.

Таким образом для решения поставленной задачи, учитывая заданный в ТЗ ДД системы и полосу одновременного анализа, в первом приближении, в соответствии с данными таблице 2.6, можно сказать, что наиболее подходящими являются ЦАС построенные на базе специализированных процессоров с цифровой обработкой сигналов (ЦОС) типа AD9650.При этом заданное в ТЗ время пеленгования и обнаружения ИРИ будет определяться производительностью процессоров ЦОС и структурой построения ЦАС. В связи с этим осуществим анализ вариантов построения ЦАС.

Существует несколько вариантов построения ЦАС, ориентированных на применение совместно с ПЭВМ. Кроме типа интерфейса обмена с ПЭВМ они отличаются наличием или отсутствием процессора ЦОС и цифровых фильтров. Наиболее простая структура ЦАС изображена на рисунке 2.5.

Рисунке 2.5-Структурная схема простого ЦАС

Общий принцип работы ЦАС, структурная схема которого представлена на рисунке 2.5, следующий. Входной сигнал проходя через входной фильтр оцифровывается в АЦП и запоминается в буферном оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ). Под управлением контроллера интерфейса данные из буферного ОЗУ переводятся во внутреннюю память ПЭВМ, в которой и производится вычисление спектра (например, реализация алгоритма БПФ). При частотах дискретизации меньших скорости обмена данными ЦАС с ПЭВМ, буферное ОЗУ может отсутствовать.

Источником частоты дискретизации служит генератор, иногда перестраиваемый, с уровнем комбинационных составляющих спектра меньше, чем у АЦП.

Входной фильтр должен иметь высокие качественные характеристики для исключения анализа внеполосных сигналов прошедших через предыдущее устройство. Зачастую он является выходным каскадом источника сигналов (например, фильтр в РПрУ), что еще больше упрощает ЦАС. В этом случае входной фильтр ЦАС вырождается в ФНЧ малого порядка.

Вышеперечисленные структуры ЦАС - это устройства ввода аналоговых сигналов в ПЭВМ, в которой и происходит вычисление спектра. Общим отличием такого рода ЦАС является отсутствие процессоров ЦОС, что приводит к невозможности использования аппаратных устройств обработки, а также к временным затратам при вычислении спектра в ПЭВМ. С другой стороны отсутствие процессора ЦОС приводит к упрощению ЦАС, сокращаются стоимость и сроки разработки, как самого устройства, так и программного обеспечения для него.

Введение процессора ЦОС в ЦАС, позволяет переложить весь программный алгоритм вычисления спектра с ПЭВМ на устройство ЦАС, решая его аппаратно. Это оправдывает себя в случае несоответствия скорости вычисления алгоритмов на ПЭВМ.Структурная схема ЦАС с процессором ЦОС изображена на рисунке 2.6.

Рисунке 2.6-Структурная схема ЦАС с процессором ЦОС

Работа схемы, представленной на рисунке 2.6, аналогична рассмотренной выше, с той лишь разницей, что поток цифровых данных передается не в буферное ОЗУ, а по каналу прямого доступа к памяти во встроенный микропроцессор, который и осуществляет процедуру вычисления спектра. Для сокращения времени выполнения этой процедуры, процессоров может быть несколько. ЦФ в схеме может отсутствовать, что определяется конкретной задачей применения ЦАС.

Данный тип устройств позволяет кроме вычисления собственно спектра сигналов также выполнять функции устройств обработки (обнаружение, пеленгация и т.д.), что определяется исключительно программным обеспечением устройства ЦОС.

Однако при этом, написание ПО выполняется на языке низкого уровня, что требует немало времени по сравнению выполнением того же для ПЭВМ. Поэтому, с экономической точки зрения, применение структуры ЦАС с процессором ЦОС нецелесообразно, тем более учитывая тенденции развития современных электронно-вычислительных технологий можно сказать, что по техническим характеристикам, таким как скорость вычисления алгоритмов, общая производительность системы и др., ЦАС с вычислением алгоритмов на ПЭВМ будут уже не только соизмеримы с производительностью ЦАС на базе процессоров ЦОС, но и превосходить последние.

Таким образом, в соответствии с ТЗ, наиболее целесообразным и оптимальным будет применение ЦАС построенного по схеме, приведенной на рисунке 2.5, использующего минимальное количество аппаратных ресурсов, при максимальной загрузке используемой ПЭВМ. При этом производительность применяемой ПЭВМ, учитывая опытные данные, должна соответствовать производительности ПЭВМ с центральным процессором типа Core 2 Quad или Corei-серии.

При цифровой обработки сигналов, наиболее широко используется преобразование Фурье (БПФ), которое является математической основой, связывающей временной или пространственный сигнал (или же некоторую модель этого сигнала) с его представлением в частотной области. При этом, по аналогии с рассмотренными фильтровыми методами анализа, в качестве входных резонаторов используются так называемые элементарные частотные каналы (ЭЧК), выполняющие функции резонаторов частоты, аналогично фильтровым.