ДонНТУ -> Портал магистров ДонНТУ -> Петрищева Дарья

Магистр ДонНТУ Петрищева Дарья Михайловна
Автореферат:
«Повышение эффективности программной визуализации и анализа реальных сигналов на основе их частотно-временных характеристик»

Актуальность

Технологии цифровой обработки сигналов и их изображений находят все более широкое применение в различных областях, в частности при определении характеристик сигналов, идентификации сигналов, для построения многоуровневых систем защиты. Вместе с тем в перечне основных предъявляемых к соответствующим системам требованиям на первом месте стоит универсальность, быстрота и эффективность выполнения различных процедур обработки на основе использования стандартных недорогих технических средств, входящих в комплект традиционной компьютерной техники: ПК, сканера, принтера, звуковой платы, модема. Для реализации таких систем нужны подходы, позволяющие обрабатывать реальные сигналы, а также осуществлять визуализацию их информативных характеристик сигналов.

Цели и задачи

Основной этап решения задач идентификации объектов-источников сигналов связан с комплексным анализом оператором полученных результатов измерения информативных параметров сигналов, включая их визуальные характеристики, и принятия им решения о принадлежности наблюдаемого объекта к заданному типу. В существующих системах эта задача целиком возложена на оператора, который осуществляет мониторинг количественных и визуальных показателей характеристик сигналов объектов и, на их основе, идентификацию типа источника.

    Основные задачи информационных систем анализа и идентификации сигналов:
  1. Последовательное получение и анализ характеристик сигналов объекта-источника.
  2. Накопление в базе данных информативных комплексных оценок и характеристик сигнала.
  3. Количественно- частотно-временную визуализацию информативных характеристик и параметров сигнала.
  4. Экспертную визуализацию и идентификацию сигнала на основе его информативных характеристик и параметров и анализа типовых источников сигналов в БД.

Существующие системы визуализации реальных сигналов

Измерения реальных сигналов - одни из наиболее требовательных операций в современной цифровой измерительной системе. Для обеспечения успешных измерений, программное обеспечение должно иметь возможность выполнять несколько операций одновременно (таких как масштабирование данных, фильтрация, анализ и визуализация).

Существует большое количество хороших программных цифровых анализаторов и редакторов сигналов, предназначенных для визуального анализа сигнала во временной (осциллограммы, графики уровня мощности сигнала и др.) и частотной (сонограммы, кепстры и др.) областях. Среди западных программных продуктов такого рода следует отметить Cool Edit Pro 1.2, Dart Pro, Sound Forge, Wave Lab, Wave Studio, среди отечественных – SIS 5.2, «Win-Аудио», «Лазурь», Signal Quick Viewer 2, Signal Viewer.

Во многих известных редакторах имеется возможность выполнять простейшую обработку сигналов во временной области с возможной оценкой полученных результатов в частотной области. Однако лишь несколько программных продуктов, например специальное программное обеспечение «Лазурь», способны производить сложные виды обработки, в том числе и в частотной области, через анализ, модификацию и синтез графических образов звука – по изображениям динамических спектрограмм. В новой версии программы «Лазурь» реализована прямая возможность выборки интересующего участка изображения динамической спектрограммы исследуемого объекта. К выбранному участку можно приложить либо собственные, интегрируемые в программу средства цифровой обработки изображений, либо преобразовать его в формат BMP, чтобы использовать мощный арсенал инструментов, предоставляемый популярными графическими редакторами типа Adobe Photoshop. После обработки выбранного участка изображения можно осуществить его обратную вставку на любое место на временной оси исходного сигнала посредством программы «Лазурь», с последующим синтезом (переводом в волновую форму звука) модифицированного изображения.

    Классификация систем анализа и визуализации реальных сигналов
    1. Звуковые процессори, редакторы и утилиты
    • Native Bundle
    • Native Power Pack II
    • Kaleidoscope
    • Voice FX
    • Effects Processor Pro
    • Vector Scope
    • Cool Edit Pro
    • Gold Wave
    • DART Pro 98
    • Joy2Midi
    • Sweet Little Piano
    • Audio Switch
    2. Генераторы сигналов
    • Sweep Generator
    • Sound Generator
    3. Специализированные системы анализа сигналов.
    • SpectroGram
    • Spectrum Lab
    • Topaz

Звуковые редакторы.

Программное обеспечение PowerGraph предназначено для регистрации, визуализации, обработки и хранения аналоговых сигналов, записанных с помощью АЦП, и позволяет использовать персональный компьютер в качестве стандартных измерительных и регистрирующих приборов (вольтметров, самописцев, осциллографов, спектроанализаторов и др.).

Cool Edit Pro - многодорожечный звуковой редактор с разнообразными и мощными средствами записи, воспроизведения и обработки звука, а также оконечного сведения (Mixdown) многоканальных фонограмм. Частота дискретизации — 1 Гц…100 МГц, разрядность отсчета — 8…32 бит, количество звуковых дорожек — 64. При отображении на экране возможно большое увеличение (до шести отсчетов на экране); переходы от отчета к отчету интерполируются при помощи гладких кривых.

Gold Wave - небольшой, но мощный звуковой редактор со всеми типовыми функциями. Поддерживает извлечение звуковых потоков из видеороликов AVI и считывание звуковых дорожек с CD. Уникальной возможностью GoldWave является функция Expression Evaluator — генератор волновых форм, основанный на вычислении произвольно заданных формул. Генератор предоставляет набор переменных (время, номер отсчета, частота) и широкий спектр функций — математические, случайные, а также отсчеты любой выбранной волновой формы. При помощи генератора может быть создана практически любая волновая форма — как из одних параметров, так и из других волновых форм.

Генераторы сигналов

Sweep Generator создает синусоидальный сигнал в трех режимах: стационарном (сигнал постоянной частоты), ручного управления (частота задается регуляторами) и сканирования (сигнал непрерывно изменяющейся от минимума к максимуму частоты). Предусмотрена также выдача белого шума (white noise). Сгенерированный сигнал выдается на стандартное системное аудиоустройство (Wave Mapper). Sound Generator - генератор синусоидального сигнала звуковых частот предназначен для настройки и измерения параметров аудио аппаратуры. Работает с 16, 24 и 32 битными звуковыми картами с частотой дискретизации до 384 кГц. Независимые регулировки частоты и амплитуды в каналах. Регулируемый сдвиг фаз между каналами. Дискретность установки частоты 0.00001%; уровня - 0.001 дБ; фазы - 0.001 °. Минимальный коэффициент нелинейных и интермодуляционных искажений, точность, стабильность и диапазон частот ограничены только качеством используемой звуковой карты. Синтез всех сигналов в реальном времени.

Специализированные системы анализа сигналов

Speclab - программа, непосредственно работающая с входными сигналами звукового устройства, но посредством "звукового драйвера" можно организовать интерфейс с любым АЦП (аналого-цифровой преобразователь), в том числе и с АЦП имеющимся в микроконтроллерах PIC с последовательным интерфейсом. Плагин для звуковой программы Winamp позволяет проводить анализ звуковых потоков из сети интернет. SpectrumLab прямо поддерживает работу с SDR радиоприемными устройствами - SDR-IQ и SDR-14 (by RFSpace, Inc) и системой PERSEUS (by Microtelecom s.r.l.).

Spectrogram - Двухканальный спектроанализатор любого звукового источника, подключенного к звуковой плате (желательно - с высокой чувствительностью и широким диапазоном частот). Измерения можно производить как по линенейной, так и по логарифмической шкале, спектрограмма может быть сохранена в виде изображения и/или выведена на печать.

Для визуализации сигналов общего назначения, на кафедре ПМиИ был разработан прототип такой системы - «Topaz» . Система «TOPAZ» получает инpформацию о сигнале и визуализирует его с выполнением анализа (вычислением) его основных информативных характеристик. В настоящее время ведутся исследования по пути создания новых способов и подходов к «информативной» визуализации сигналов, и распознавания сигнала с использованием базы данных сигналов, а, также, разработка соответствующего программного обеспечения в рамках существующего прототипа системы визуализации реальных сигналов «Topaz».

Исследования


Рис.1 Скриншот системы «Топаз»

Основной задачей работы есть создание новых способов и подходов, а также разработка соответствующего программного обеспечения для существующего прототипа системы визуализации реальных сигналов «Topaz», разработанной на кафедре ПМиИ в рамках хоздоговорной НИР. Анализ реальных сигналов позволяет сделать вывод, что основными характеристиками частотных срезов являются максимальная амплитуда (амплитуда пика) и частота, соответствующая данной амплитуде (частота пика). На основе данного вывода можно предположить, что графики зависимости частоты и амплитуды пика от времени способны представить исчерпывающую информацию о сигнале.

Реализация режима визуализации графиков частоты и амплитуды пика является перспективной, т.к. способна обеспечить высокую степень информативности при относительной простоте восприятия оператором по сравнению с уже реализованными режимами визуализации.

Рис. 2 - Результаты работы системы Topaz

Согласно поставленному заданию, предстоит визуализировать и обрабатывать сигналы низких частот, лежащих в длинноволновом диапазоне. Простейшим примером такого сигнала служит радио-сигнал азбуки Морзе, максимальная частота которого – 512 кГц, длительность точки и тире (временные длительности порций сигналов) – 10 отсчетов и обычно находятся в соотношении – один к трем.

Для визуализации сигнала была написана моделирующая программа такого сигнала для системы «TOPAZ» (задана абстрактная фраза передачи). Вид подаваемого сигнала показан на рисунке ниже. Результаты работы системы Topaz показаны на рисунке 2.

Анимация : количество кадров - 8, повторов - 10, продолжительность кадров - 40 мс
Рис. 3 Вид сигнала, при модуляции амплитуды по синусоидальному закону
(Анимация : количество кадров - 8, повторов - 10, продолжительность кадров - 40 мс)

Выводы

Выполненный анализ позволяет сделать вывод, что, достаточно сложные задачи цифровой обработки сигналов могут быть успешно решены с помощью сравнительно простых технических средств и понятных методов цифровой обработки изображений спектрограмм сигналов.

Целью дальнейших исследований и работ будут создание новых способов и подходов, а также разработка соответствующего программного обеспечения для визуализации реальных сигналов и их информативных характеристик, а также возможности распознавания сигнала с использованием базы данных сигналов в рамках существующего прототипа специализированной системы обработки и визуализации реальных сигналов «Topaz».

    Литература
  1. Лукин А. Введение в цифровую обработку сигналов. - М.: Наука, 2002. - 44 с.
  2. Зубарев Ю.Б., Витязев В.В., Дворкович В.П. Цифровая обработка сигналов - информатика реального времени, http://www.dspa.ru/elmaterials/artic99-13.pdf
  3. Рябкин Ю.В. Программная система визуализации частотно-временных характеристик сигналов радиолокационных станций / Донбасс – 2020. Наука и техника – производству: Материалы 3-й научно-практической конференции. Г. Донецк, 30-31 мая 2006г. – Донецк, ДонНТУ Министерство образования и науки, 2006. - c. 13-14.
  4. Дворянкин С.В., Минаев В.А. Технология речевой подписи, «Открытые системы». 1997, № 5. c. 68-71.
  5. Основные характеристики аналогового сигнала, http://www.inforeg.org.ru/about.html
  6. Сазанов В. М., Парфенов Н. С. Цифровая обработка сигналов: прошлое и настоящее. Часть 1. Прошлое, http://www.computer-museum.ru/histussr/dsp.htm
  7. Рабинер и Голд. Теория и практика цифровой обработки сигналов, http://dsp-book.narod.ru/RG.html
  8. ПО «PowerGraph», http://www.powergraph.ru/soft/
  9. Audio Spectrum Analysis, http://www.visualizationsoftware.com/gram.html
  10. LabVIEW, http://ru.wikipedia.org/wiki/LabVIEW


биография реферат библиотека ссылки отчет о поиске Марши металла в Донецке