ДонНТУ -> Портал магістрів ДонНТУ -> Петрищева Дар'я

Автореферат:
«Підвищення ефективності програмної візуалізації та аналізу реальних сигналів на основі їх частотно-часових характеристик»

Актуальність

Технології цифрової обробки сигналів і їх зображень знаходять усе більш широке застосування в різних областях, зокрема при визначенні характеристик сигналів, ідентифікації сигналів, для побудови багаторівневих систем захисту. Основними вимогами для таких систем є універсальність, швидкість і ефективність виконання різних процедур обробки на основі використання стандартних недорогих технічних засобів, що входять у комплект традиційної комп'ютерної техніки: ПК, сканера, принтера, звукової плати, модему. Для реалізації таких систем потрібні підходи, що дозволяють обробляти реальні сигнали, а також здійснювати візуалізацію їх інформативних характеристик.

Цілі та задачі

Основний етап рішення задач ідентифікації сигналів пов'язаний з комплексним аналізом оператором отриманих результатів виміру інформативних параметрів і прийняття їм рішення про приналежність сигналу до заданого типу. В існуючих системах це завдання цілком покладене на оператора, який здійснює моніторинг кількісних показників характеристик джерел сигналів й, на основі, ідентифікацію типу джерела.

    Основні задачі информаційних систем аналізу та ідентифікації сигналів:
  1. послідовне одержання й аналіз характеристик джерела сигналу.
  2. Накопичення в базі даних інформативних комплексних оцінок і характеристик сигналу.
  3. Кількісно-частотно-часову візуалізацію інформативних характеристик і параметрів сигналу.
  4. Експертну візуалізацію ідентифікацію джерела сигналу на основі візуалізації інформативних характеристик і параметрів сигналу та аналізу типових джерел сигналу в БД.

Існуючі системи візуалізації реальних сигналів

Виміри реальних сигналів одні з найбільш вимогливих операцій у сучасній цифровій вимірювальній системі. Для забезпечення успішних аудіо-вимірів, програмне забезпечення повинне мати можливість виконувати кілька операцій одночасно (таких як масштабування даних, фільтрація, аналіз і візуалізація). Існує велика кількість гарних програмних цифрових аналізаторів і редакторів аудиосигналов, призначених для візуального аналізу звуку в часовій (осциллограми, графіки рівня потужності сигналу й ін.) і частотній (сонограми, кепстри й ін.) областях. Серед західних програмних продуктів такого роду слід зазначити Cool Edіt Pro 1.2, Dart Pro, Sound Forge, Wave Lab, Wave Studіo, серед вітчизняних - SІS 5.2, " Wіn-Аудио", "Лазур", Sіgnal Quіck Vіewer 2, Sіgnal Vіewer.

У багатьох відомих звукових редакторах є можливість виконувати найпростішу обробку аудиосигналов у тимчасовій області з можливою оцінкою отриманих результатів у частотній області. Однак лише кілька програмних продуктів, наприклад спеціальне програмне забезпечення "Лазур", здатні робити складні види акустичної обробки, у тому числі й у частотній області, через аналіз, модифікацію й синтез графічних образів звуку - по зображенням динамічних спектрограм. У новій версії програми "Лазур" реалізована пряма можливість вибірки ділянки, що цікавить, зображення динамічної спектрограми досліджуваного фонооб'єкта. До обраної ділянки можна прикласти або власні, інтегровані в програму засоби цифрової обробки зображень, або перетворити його у формат BMP, щоб використовувати потужний арсенал інструментів, наданий популярними графічними редакторами типу Adobe Photoshop. Після обробки обраного ділянки зображення можна здійснити його зворотну вставку на будь-яке місце на тимчасовій осі вихідного сигналу за допомогою програми "Лазур", з наступним синтезом (перекладом у хвильову форму звуку) модифікованого зображення.

    Класифікація систем аналізу та візуалізації реальних сигналів
    1. Звукові процесори, редактори та утіліти
    • 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. Генератори сигналів
    • Sweep Generator
    • Sound Generator
    3. Спеціалізованіе системі анализу сигналів.
    • SpectroGram
    • Spectrum Lab
    • Topaz

Звукові редактори.

Програмне забезпечення Powergraph призначене для реєстрації, візуалізації, обробки й зберігання аналогових сигналів, записаних за допомогою АЦП, і дозволяє використовувати персональний комп'ютер у якості стандартних вимірювальних та реєструюих приладів.

Cool Edіt Pro - потужний звуковий редактор з різноманітними й потужними засобами запису, відтворення й обробки звуку, а також оконечного відомості (Mіxdown) багатоканальних фонограм. Частота дискретизації - 1 Гц…100 МГЦ, розрядність відліку - 8…32 біт, кількість звукових доріжок - 64. При відображенні на екрані можливо велике збільшення (до шести відліків на екрані); переходи від звіту до звіту інтерполюються за допомогою кривих.

Gold Wave - невеликий, але потужний звуковий редактор з усіма типовими функціями. Підтримує витяг звукових потоків з відеороликів AVІ й зчитування звукових доріжок з CD. Унікальною можливістю Goldwave є функція Expressіon Evaluator - генератор хвильових форм, оснований на обчисленні довільно заданих формул. Генератор надає набір змінних (час , номер відліку, частота) і широкий спектр функцій - математичні, випадкові, а також отсчеты будь-якої обраної хвильової форми. За допомогою генератора може бути створена практично будь-яка хвильова.

Генератори сигналів

Sweep Generator створює синусоїдальний сигнал у трьох режимах: стаціонарному (сигнал постійної частоти), ручного керування (частота задається регуляторами) і сканування (сигнал безупинно мінливої від мінімуму до максимуму частоти). Передбачена також видача білого шуму (whіte noіse). Сгенерированный сигнал видається на стандартне системне аудиоустройство (Wave Mapper). Sound Generator - генератор синусоїдального сигналу звукових частот призначений для настроювання й виміру параметрів аудио апаратури. Працює з 16, 24 і 32 бітними звуковими картами із частотою дискретизації до 384 кГц. Незалежні регулювання частоти й амплітуди в каналах. Регульоване зрушення фаз між каналами.

Дискретність встановлення частоти 0.00001%; рівня - 0.001 дб; фази - 0.001.°. Мінімальний коефіцієнт нелінійних й інтермодуляційних викривлень, точність, стабільність і діапазон частот обмежені тільки якістю використовуваної звукової карти. Синтез усіх сигналів у реальному часі. Спеціалізовані системи аналізу сигналів Speclab - програма, що безпосередньо працює із вхідними сигналами звукового обладнання, але за допомогою "звукового драйвера" можна організувати інтерфейс із будь-яким АЦП (аналого-цифровий перетворювач), у тому числі й з АЦП наявним у мікроконтролерах PІC з послідовним інтерфейсом. Плагін для звукової програми Wіnamp дозволяє проводити аналіз звукових потоків з мережі Інтернет. Spectrumlab прямо підтримує роботу з SDR радіоприймальними обладнаннями - SDR- ІQ і SDR-14 (by Rfspace, Іnc) і системою PERSEUS (by Mіcrotelecom s.r.l.).

Spectrogram - Двоканальний спектроанализатор будь-якого звукового джерела, підключеного до звукової плати (бажане - з високою чутливістю й широким діапазоном частот). Вимірювання можна проводити як по лінейній, так і по логарифмічній шкалі, спектрограма може бути збережена у вигляді зображення й/або виведена на печать. Для візуалізації сигналів загального призначення, на кафедрі ПМІ був розроблений прототип такої системи - "Topaz" . Система "TOPAZ" одержує инpформацію про сигнал і візуалізує його з виконанням аналізу (обчисленням) його основних інформативних характеристик. У наш час ведуться дослідження зі шляху створення нових способів по "інформативній" візуалізації сигналів, і розпізнавання сигналу з використанням бази даних сигналів, а, також, розробка відповідного програмного забезпечення в рамках існуючого прототипу системи візуалізації реальних сигналів "Topaz".

Дослідження

Основним завданням роботи є створення нових способів і підходів, а також розробка відповідного програмного забезпечення для існуючого прототипу системи візуалізації реальних сигналів "Topaz", розробленої на кафедрі ПМІ в рамках хоздоговорної НИР. Аналіз реальних сигналів дозволяє зробити висновок , що основними характеристиками частотних зрізів є максимальна амплітуда (амплітуда піка) і частота, відповідна до даної амплітуди (частота піка). На основі даного висновку можна припустити, що графіки залежності частоти й амплітуди піка від часу здатні представити вичерпну інформацію про сигнал.

Реалізація режиму візуалізації графіків частоти й амплітуди піка є перспективної , тому що здатна забезпечити високий ступінь інформативності при відносній простоті сприйняття оператором у порівнянні із уже реалізованими режимами візуалізації. Згідно з поставленим завданням, треба візуалізовувати і обробляти сигнали низьких частот, що лежать у довгохвильовому діапазоні. Найпростішим прикладом такого сигналу служить радіо- сигнал абетки Морзе, максимальна частота якого - 512 кГц, тривалість крапки й тире (тимчасові тривалості порцій сигналів) - 10 відліків і звичайно перебувають у співвідношенні - один до трьом. Для візуалізації сигналу була написана моделююча програма такого сигналу для системи "TOPAZ" (задана абстрактна фраза передачі).

Висновки

Виконаний аналіз дозволяє зробити висновок, що, досить складні завдання цифрової обробки сигналів можуть бути успішно вирішені за допомогою порівняно простих технічних засобів і зрозумілих методів цифрової обробки зображень спектрограм сигналів. Метою подальших досліджень і робіт будуть створення нових способів і підходів, а також розробка відповідного програмного забезпечення для візуалізації реальних сигналів і їх інформативних характеристик, а також можливості розпізнавання сигналу з використанням бази даних сигналів у рамках існуючого прототипу спеціалізованої системи обробки й візуалізації реальних сигналів "Topaz".

    Література:
  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


бiографiя