Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время результаты работы информационно-измерительных, телеметрических систем в виде числовых массивов интерактивно обрабатываются алгоритмами цифровой обработки сигналов в памяти ЭВМ. Интеллектуализация первичных преобразователей, базовым элементом которых часто является микроконтроллер, представляет возможность решения таких задач, как линеаризация, масштабирование, фильтрация в цифровом виде, децентрализовано в реальном масштабе времени.
Известны результаты работы по созданию цифровых датчиков в виде интегральных микросхем: ТМРОЗ/04, LM74, МАХ1617, AD7816, DS18B20, которые осуществляют аналого-цифровое преобразование первичных сигналов. Появляется возможность применения цифровой фильтрации совместно с антиэлайзинговой с целью снижения составляющей погрешности от наложения спектров вследствие дискретизации и устранения высокочастотных помех.
При создании многоканальных систем решают задачи выбора частоты
дискретизации внутри датчика и частоты выдачи данных с его выхода. Следование
тенденциям к синхронно-асинхронному принципу формирования
оптимизированных по интенсивности потоков цифровых данных напрямую ведет к изменению текущей частоты дискретизации вслед за изменениями состояния контролируемого объекта. Многие технические приложения требуют применения перестраиваемых фильтров. Это, прежде всего, различные адаптивные системы: адаптивное сжатие, адаптивная дискретизация, а также оптимальный прием сигналов на фоне помех и многие другие. Использование микроконтроллеров на этапе первичной обработки, позволяет применять перестраиваемые цифровые фильтры, обладающими преимуществами по сравнению с аналоговыми в плане перестройки параметров. Большинство имеющихся решений в области микросхем аналоговых фильтров с задаваемыми параметрами прежде всего с целью унификации аппаратуры, предполагают установку конкретных значений на этапе создания систем.
Основательно можно считать задачу разработки цифровых фильтров с малой вычислительной сложностью алгоритмов и возможностью быстрой перестройки параметров своевременной, важной и актуальной.
Цель и основные задачи работы. Целью диссертационной работы является исследование и разработка перестраиваемых рекурсивных цифровых фильтров с конечной импульсной характеристикой и устройств для изменения параметров фильтра.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решаются следующие задачи:
Исследуются вопросы особенностей применения цифровых фильтров на этапе первичной обработки информации.
На основе анализа управляемости известных цифровых фильтров исследуются и разрабатываются алгоритмы и структуры перестраиваемых рекурсивных цифровых фильтров.
Анализируются погрешности разработанных цифровых фильтров.
Определяются вычислительные затраты по количеству операций на перестройку и фильтрацию.
Разрабатываются устройства анализа свойств сигналов для изменения параметров цифровых фильтров.
6. Решаются задачи построения на базе разработанных устройств
многоканальных телеметрических систем.
Методы исследований. При проведении исследований использовались методы теории сигналов, теории погрешностей, аналитического, имитационного и натурного моделирования, а также численные методы математического анализа.
Научная новизна. В процессе работы над диссертацией были получены следующие результаты:
Синтезированы алгоритмы и устройства перестраиваемых цифровых рекурсивных фильтров с конечной импульсной характеристикой, отличающиеся меньшим временем на перестройку и фильтрацию по сравнению с существующими.
Разработана оригинальная программная реализация цифрового рекурсивного фильтра с конечной импульсной характеристикой для обработки сигналов в диспетчерских каналах связи.
Синтезировано устройство анализа свойств сигнала для управления параметрами цифровых фильтров, отличающееся от известных наличием блока определения минимального значения времени между моментами пересечения сигналом апертуры для определения максимального значения первой производной.
Впервые получены оценки вычислительных затрат на перестройку и фильтрацию предлагаемых структур цифровых фильтров и произведено сравнение их с существующими.
Практическая значимость и внедрение результатов работы.
Основными практическими результатами можно считать следующие: 1. Запатентована и внедрена программа реализации цифрового рекурсивного фильтра с конечной импульсной характеристикой для обработки сигналов в диспетчерских каналах связи ЮЗМО г. Таганрог.
Разработаны устройства перестраиваемых цифровых рекурсивных фильтров с малыми вычислительными затратами на перестройку и фильтрацию и внедрены при разработке эхолота «Аквазонд» в ООО «Аквазонд» г.Таганрог, а также в Федеральном государственном унитарном предприятии «НИИ радиосвязи» г.Ростов-на-Дону.
Запатентовано устройство анализа свойств сигналов для управления параметрами цифровых фильтров.
Достоверность н обоснованность научных положений, результатов и выводов, приведенных в диссертационной работе, обеспечиваются корректным использованием математического аппарата, аналитическим, имитационным и натурным моделированием и достаточной апробацией материалов диссертации.
Положения, выносимые на защиту:
Алгоритм и устройство перестраиваемого цифрового рекурсивного фильтра с конечной импульсной характеристикой, обладающего меньшим временем перестройки и фильтрации по сравнению с известными.
Реализация устройства анализа свойств сигналов для изменения частоты дискретизации и параметров цифрового фильтра при изменении характеристик сигнала.
Оценка вычислительных затрат и погрешностей предложенных цифровых фильтров и сравнение их с известными.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных и всероссийских конференциях, а также на ежегодных конференциях профессорско-преподавательского состава ТТИ ЮФУ с 2005 по 2009 годы.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 работ, в числе которых 1 монография, 6 научных статей, (5 статей опубликованы в ведущих научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК), а также положительное решение о выдаче патента Российской Федерации и 2 свидетельства о регистрации программ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка, включающего 92 наименования, и двух приложений. Основная часть работы изложена на 171 странице машинописного текста, который поясняется 90 рисунками и 4 таблицами. Общий объем диссертации, включая приложения, составляет 217 страниц.
