Методы и цифровые устройства адаптивной и многоскоростной фильтрации в системах управления и контроля, использующих датчики уровня радиодальномерного типа

• Автор: Иванов, Сергей Викторович
• Шифр специальности: 05.13.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2003
• Место защиты: Рязань
• Количество страниц: 232 с. : ил

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение.

Глава 1. Постановка задачи проектирования цифрового

устройства оценки измеряемого параметра и обзор известных методов решения.

1.1. Актуальность задачи оценки измеряемого параметра

по частоте сигнала.

1.2. Принцип формирования измеряемого сигнала в датчике

уровня радиодальномерного типа.

1.3. Анализ помех и искажений, присутствующих в реальном сигнале. Формирование математической

модели измеряемого сигнала.

1.4. Постановка задачи

1.5. Обзор методов подавления помех и оценивания частот
сигналов в условиях действия помех и шумов.
1.5.1. Общие положения.
1.5.2. Обзор методов оценки частоты цифрового
сигнала
1.5.3. Обзор методов коррекции сигнала с целью
устранения фазовых искажений.
1.5.4. Обзор методов подавления аддитивных помех.
Глава 2. Разработка методов подавления аддитивных помех и
периодических фазовых искажений.
2.1. Разработка и исследование подсистемы подавления
аддитивной мультигармонической помехи
2.1.1. Постановка задачи и анализ спектра помехи.
2.1.2. Метод адаптивной компенсации аддитивной мультигармонической помехи.
2.1.3. Выбор эталонного сигнала. Модель источника
помехи.
2.1.4. Анализ адаптивных алгоритмов, применяемых
при формировании модели источника помехи.
2.1.5. Применение методов многоскоростной фильтрации сигналов для уменьшения вычислительных
затрат на реализацию сложных алгоритмов
2.2. Разработка и исследование методов коррекции
сигнала для устранения периодических
фазовых искажений
2.2.1. Постановка задачи и анализ спектра полезного
сигнала при наличии фазовых скачков
2.2.2. Метод коррекции, основанный на согласовании
периодов сигнала.
2.2.3. Метод коррекции, основанный на линейном предсказании входного сигнала
2.2.4. Применение методов многоскоростной фильтрации для повышения точности функционирования алгоритмов коррекции сигналов.
2.2.5. Исследование функционирования алгоритмов
коррекции в условиях действия помех
Глава 3. Разработка структуры подсистемы оценки частоты
измеряемого сигнала
3.1. Постановка задачи.
3.2. Определение последовательности задач, решаемых
при проведении исследований
3.3. Исследование зависимости погрешности оценивания
от положения сигнала в частотной области.
3.4. Использование методов квадратурной модуляции для повышения точности оценки
частоты сигнала
а 3.5. Исследование чувствительности спектральных методов
оценивания к уровню шума.
3.6. Вычислительная сложность спектральных
методов оценивания.
3.7. Применение методов многоскоростной обработки сигналов для уменьшения вычислительной сложности спектральных методов оценивания.
3.8. Исследование точностных характеристик спектральных методов оценивания в условиях
действия гармонических помех
3.9. Разработка следящего фильтра для подсистемы
оценки частоты полезного сигнала
3 Определение оптимального с точки зрения вычислительных затрат значения коэффициента
прореживания
Глава 4. Разработка методов решения задачи оптимального проектирования структуры цифрового устройства.
Оценка влияния собственных шумов и ограничения разрядности коэффициентов цифровой системы
4.1. Формальная постановка задачи оптимального
проектирования.
4.2. Разработка методов решения оптимизационной
задачи
4.3. Оценка влияния собственных шумов устройства.
4.4. Оценка влияния ограничения разрядности
коэффициентов при построении фильтров системы
Заключение
Список литерату


Одной из самых известных задач, решаемых при помощи систем управления и контроля рассматриваемого класса, является задача контроля уровня химических сред в различных рода емкостях. В качестве датчиков в таких системах применяются измерительные приборы, называемые уровнемерами. Применение устройств, использующих радиолокационный принцип измерения, является одним из перспективных направлений разработки такого рода систем. Наиболее известным является метод на основе радиодальномера с частотной модуляцией ЧМ 2,,,,,. В ЧМдальномерах используется так называемый частотный метод измерения дальности уровня. При отражении от поверхности, находящейся на расстоянии К, в устройство измерения возвращается сигнал, задержанный на время . На выходе приемного устройства формируется так называемый разностный сигнал, мгновенная частота которого равна разности между мгновенными частотами излучаемого и отраженного сигналов. По значению приращения частоты можно судить о дальности до облучаемой поверхности. Величина частоты разностного сигнала связана с измеряемым расстоянием следующим образом. Разностный сигнал на выходе приемника его еще называют сигналом биений в этом случае является чисто гармоническим колебанием. Его спектр в идеальном случае состоит из одной линии. Рис. ЧМуровнемера в идеальном случае, где и излучаемый ЧМсигнал, принятый ЧМсигнал. Рассмотренный метод справедлив лишь при неограниченном линейном возрастании частоты излучаемого ЧМсигнала. По объективным причинам реализация такого закона изменения частоты сигнала физически невозможна. Чтобы практически реализовать метод измерения по частоте биений, вводится частотная модуляция сигнала по периодическому закону. Наиболее распространенным случаем является симметричный пилообразный закон изменения частоты сигнала. Рис. ЧМуровнемера для рассматриваемого закона изменения частоты зондирующего сигнала. На рис. ЧМсигналов и . Закон изменения частоты сигнала биений показан на рис. Вид сигнала на выходе приемника 6 представлен на рис. В данном случае сигнал б представляет собой чистую синусоиду на интервале наблюдения, соответствующем половине периода закона модуляции ЧМсигнала Тт. Рис. Рис. В реальном сигнале на выходе приемника б0 кроме составляющей, содержащей информацию об измеряемом параметре , содержится ряд мешающих составляющих, искажающих полезную информацию. Наличие в сигнале 5 участков с нелинейными фазовыми искажениями в моменты переключения пилообразного закона модуляции см. Для анализа влияния периодических нелинейных фазовых искажений на спектр измеряемого сигнала использовалась программная модель, разработанная в среде МАТЬАВ. В качестве входных сигналов этой модели использовались чистый синусоидальный сигнал и сигнал, описываемый математической моделью 1. Для вычисления спектров сигналов использовался алгоритм быстрого преобразования Фурье БПФ. Главной причиной, влияющей на точность оценки частоты полезного сигнала, является случайное смещение основного лепестка спектра сигнала, вызванное произвольными моментами переключения пилообразного сигнала по отношению к измеряемому сигналу. Пример, иллюстрирующий влияние периодических нелинейных фазовых искажений на спектр сигнала, приведен на рис. На нем показаны спектры точечных последовательностей синусоидального сигнала с частотой 6 Гц и сигнала, содержащего периодические фазовые искажения, параметры которого принимают следующие значения 6 Гц, Тт 0, с. Частота дискретизации входных сигналов 0 Гц. На верхнем рисунке показан спектр сигнала с фазовыми скачками, на нижнем спектр чистого синусоидального сигнала. Следующим типом помех, действующих в системах, использующих сигнализаторы уровня радиодальномерного типа, является аддитивная мультигармоническая помеха. Причина появления помехи такого вида заключается в невозможности обеспечить идеальную согласованность элементов СВЧтракта 3,4,5. В результате в сигнале на выходе приемника появляется аддитивная составляющая, в спектре которой содержится множество гармоник, главным образом в области низких частот. Мощность таких составляющих бывает достаточно велика, и в ряде случаев может превышать мощность полезного сигнала на дБ. СОяФ,0 0i 1.