Введение к работе
Актуальность работы. Современные информационно-измерительные системы призваны решать сложные задачи обработки информации. Наличие шума в измерительных каналах существенно ограничивает возможности их использования. Задача подавления шума в каналах информационно -измерительных систем (ИИС) не всегда может быть выполнена классическими методами линейной или адаптивной фильтрации. Примером такой системы является система измерения параметров светоизлучающих диодов (СИПС), которая содержит несколько каналов измерения коэффициента полезного действия (КПД) светодиодов и фотодиодов.
Эффективное использование светоизлучающих диодов в медицине, военной технике, телекоммуникационных системах не возможно без знания их основных характеристик, наиболее важной из которых является КПД. Система измерения параметров светоизлучающих диодов позволяет измерять КПД. Измерение осуществляется на основе сравнения двух кривых остывания кристалла светоизлучающего диода, получаемых после воздействия коротких импульсов тока положительной и отрицательной полярности.
При разработке СИПС использовалась современная элементная база, позволяющая снизить до минимума влияние шума. Однако, так как кривые остывания кристалла находятся в микровольтовом диапазоне, то воздействие даже незначительного шума является критичным. На результат сравнения оказывают влияние собственные шумы измерительных каналов и внешние помехи. Для обеспечения приведенной погрешности сравнения кривых на уровне 1-3%, величина отношения сигнал-шум (ОСШ) на экспоненциальных участках сигнала, должна быть не ниже 17-23 дБ. Снижение ОСШ на 3 дБ приводит к увеличению приведенной погрешности на 1%. Поэтому, при разработке СИПС, наиболее актуальной является задача подавления шума и восстановления формы сигнала, особенно на информативных участках.
Предложенные методы подавления шума, такие как низкочастотная фильтрация, приводят к существенному искажению формы сигнала. Метод осреднения по последовательности одинаковых импульсов вызывает разогрев кристалла и последующее искажение формы сигнала. Для удаления шума в каналах ИИС целесообразно использовать методы нелинейной фильтрации, что обусловлено необходимостью сохранения формы исследуемого сигнала, обеспечением высокого соотношения сигнал-шум, а также необходимостью удаления шума, лежащего во всем частотном диапазоне.
Спецификой применения методов адаптивной фильтрации является отсутствие возможности выделения шума каналов, что делает недоступным их применение. Поэтому, для решения задачи восстановления формы сигнала целесообразно использовать метод извлечения сигнала из смеси с шумом.
В настоящее время разработана целая группа методов и алгоритмов слепого извлечения сигнала, непосредственное применение которых не позволяет получить наибольшую эффективность восстановления сигнала в каналах СИПС. Для решения этой задачи следует разработать алгоритм извлечения сигнала, учитывающий статистические свойства сигналов и шумов.
Диссертационная работа направлена на развитие методов восстановления формы сигналов, которые способствуют устранению шума в каналах СИПС и позволяют выполнять измерение КПД светоизлучающих диодов. Разработанный новый метод слепого извлечения сигнала может быть применен для восстановления сигнала в зашумленных каналах других информационно-измерительных систем.
Цель и задачи исследования. Диссертационная работа посвящена разработке
методов, алгоритмов и программных средств восстановления формы сигнала,
предназначенных для выполнения измерения КПД в системе измерения
параметров светоизлучающих диодов.
Для решения поставленной цели необходимо выполнить исследование
вопросов:
-
Аналитический обзор и систематизация методов подавления шумов в каналах информационно-измерительных систем.
-
Идентификация сигнала и шума в каналах измерения КПД системы измерения параметров светоизлучающих диодов.
-
Разработка и исследование метода восстановления формы сигнала в каналах измерения КПД системы измерения параметров светоизлучающих диодов.
-
Разработка аппаратных и программных средств, предназначенных для реализации предложенного метода слепого извлечения сигнала, для восстановления формы сигнала в каналах системы измерения параметров светоизлучающих диодов.
Предметом исследования является разработка метода восстановления формы сигнала в каналах информационно - измерительных систем на примере системы измерения параметров светоизлучающих диодов, который учитывает особенности исследуемого сигнала.
Методы исследования. При решении поставленных задач использовались методы теории информации, теории цифровой обработки сигналов, теории вероятностей и математической статистики, аппарат нейронных сетей и программирование.
Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие новые научные результаты:
-
Систематизация методов слепой обработки сигналов для задач восстановления формы сигнала в каналах информационно-измерительных систем.
-
Статистический анализ сигнала и шума в канале измерения КПД светоизлучающих диодов и формализация требований к методу слепого извлечения сигнала.
-
Новый метод восстановления формы сигнала в каналах системы измерения параметров светоизлучающих диодов, построенный на принципе слепого извлечения сигнала.
-
Комбинированный метод слепого извлечения сигнала, использующий свойства обобщенной асимметрии и обобщенного эксцесса произвольных
порядков, позволяющий восстанавливать форму сигнала для задачи измерения КПД светоизлучающих диодов.
5. Аппаратно-программная реализация метода восстановления формы сигнала в системе измерения параметров светоизлучающих диодов.
Практическую ценность работы составляют следующие результаты:
-
Программное обеспечение, реализации предложенного метода восстановления формы сигнала в каналах СИПС, предложенное для работы в среде Matlab.
-
Электронная схема трехканальной СИПС, позволяющая реализовать метод восстановления формы сигнала.
-
Аппаратная реализация канала измерения КПД светоизлучающих диодов.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Новый метод слепого извлечения сигнала, использующий обобщенную асимметрию и обобщенный эксцесс в качестве целевой функции для каскадной нейронной сети с адаптивной активационной функцией.
-
Применение нового метода слепого извлечения сигнала для восстановления формы сигнала в каналах СИПС.
Реализация работы. Теоретические и практические результаты диссертационной работы:
электронная схема, реализующая метод измерения КПД светоизлучающих диодов;
программное обеспечение, предназначенное для анализа статистических свойств сигнала и шума, при измерении КПД светоизлучающих диодов;
метод восстановления формы сигнала в канале измерения КПД светоизлучающих диодов, основанный на максимизации обобщенной асимметрии и эксцесса сигнала
использованы в ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский Государственный Политехнический Университет», на факультете «Технической Кибернетики», при выполнении хоздоговорной НИР № 140805201 от 25.04.2002 г. на тему «Разработка и исследование специализированного генератора и измерителя параметров эталонных излучателей».
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Международной научно-технической конференции «Измерения в современном мире» (СПбГПУ, 2007); «XV Международной конференции по вычислительной механике и современным прикладным программным системам» (МАИ, 2007); XVII, XVIII, XIX Международных научно-технических конференциях «Экстремальная робототехника» (ЦНИИ РТК, 2006, 2007, 2008); «Молодые ученые-промышленности северо-западного региона» (СПбГПУ, 2007); «XXXIV Неделе науки» (СПбГПУ, 2007). Основные результаты диссертационной работы достаточно полно отражены в 8-ми печатных работах: 5 статей и 3 тезиса докладов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка литературы, включающего 118 наименований.
Основная часть работы изложена на 167 страницах машинного текста, содержит 65 рисунков и 11 таблиц.
