LibRar.Org.Ua — Бібліотека українських авторефератів

Загрузка...

Головна Електроніка. Обчислювальна техніка → Удосконалення фільтрових методів спектрального аналізу стаціонарних ергодичних випадкових сигналів

2000.

Диссертация посвящена разработке методов и аппаратуры спектрального анализа стационарных эргодических случайных сигналов. Показано, что перспективные направления совершенствования аппаратурного спектрального анализа связаны с дальнейшим развитием и внедрением фильтровых методов. Это объясняется тем, что фильтровые анализаторы спектра являются наиболее простыми и дешевыми, но, главное, они могут обеспечить более высокую точность спектрального анализа, чем анализаторы на основе БПФ, у которых потенциальная точность ограничена методической погрешностью, присущей ДПФ.

Для сравнения различных методов аппаратурного спектрального анализа предложена обобщенная математическая модель оценок спектральной плотности мощности (СПМ). Её научная новизна состоит в том, что она основана на одном из критериев статистической теории принятия решений – максимуме функции правдоподобия и позволяет по этому критерию оценить различные методы измерения оценок СПМ с единых позиций и выявить среди них оптимальные.

Показано, что все известные классические методы аппаратурного спектрального анализа могут быть сведены к четырем видам: методу непосредственной фильтрации; методу, использующему усеченное преобразование Фурье оценки корреляционной функции случайного сигнала; методу, основанному на усреднении коэффициентов Фурье случайного сигнала по частотам, и методу временного усреднения коэффициентов Фурье случайного сигнала. Все оценки СПМ, полученные указанными методами, сведены к обобщенной математической модели.

Разработан и исследован корреляционно-фильтровый метод измерения оценки СПМ стационарных эргодических случайных сигналов, основанный на временном усреднении произведения исходного случайного сигнала и его фильтрованной реализации (на выходе узкополосного фильтра). Он обеспечивает более высокие точность и быстродействие спектрального анализа при более простой аппаратурной реализации, чем метод непосредственной фильтрации. С использованием обобщенной математической модели показано, что данный метод относится к оптимальным.

Предложены два метода оптимизации функции спектрального окна (ФСО) узкополосного фильтра для спектрального анализа: метод оптимизации по минимуму среднеквадратической погрешности аппроксимации идеальной ФСО реальной ФСО и метод оптимизации по минимуму влияния боковых лепестков, что позволяет повысить точность оценки СПМ.

Предложено требуемую ФСО формировать с помощью динамического фильтра, характеристики которого (центральная частота, коэффициент затухания) перестраиваются в режиме фильтрации по определённым законам, обеспечивающим наилучшую аппроксимацию идеальной ФСО.

Разработана обобщенная методика оптимального синтеза законов перестройки характеристик динамических фильтров для корреляционно-фильтрового метода и метода непосредственной фильтрации спектрального анализа.

Проведена конкретизация обобщенной методики оптимального синтеза ФСО динамических фильтров второго порядка и на её основе получены инженерные методики квазиоптимального синтеза ФСО: методика синтеза для линейного закона изменения коэффициента затухания фильтра и методика синтеза для постоянного коэффициента затухания, при этом в обоих случаях центральная частота динамического фильтра перестраивается по линейному закону в полосе анализа, а коэффициент передачи поддерживается постоянным.

Проведено компьютерное моделирование методов оптимизации ФСО с использованием динамических фильтров второго порядка и фильтровых методов измерения оценки СПМ (метод непосредственной фильтрации и корреляционно-фильтрового метода), его результаты подтверждают достоверность основных научных положений диссертации.

Практическое значение результатов состоит в том, что разработанные обобщенная математическая модель оценок СПМ, корреляционно-фильтровый метод измерения оценки СПМ стационарных эргодических сигналов, методы оптимизации ФСО узкополосных фильтров и методики оптимального синтеза законов перестройки характеристик динамических узкополосных фильтров для фильтровых методов спектрального анализа служат основой для создания нового класса фильтровых анализаторов спектра с более высокими точностью и быстродействием при более простой аппаратурной реализации, чем с использованием классических (стационарных) узкополосных фильтров. Введение и использование динамических узкополосных фильтров на основе разработанных методических основ их анализа и синтеза является новым направлением в прикладном спектральном анализе.

Полученные результаты исследований имеют высокую степень готовности к использованию в промышленности, потому что они доведены до формализованных инженерных методик, апробированных на ПЭВМ.

Основные результаты исследований были внедрены ОАО "Мотор-Січ" (г. Запорожье), НТ СКБ "Полісвіт" ПО "Коммунар" (г. Харьков) и в учебном процессе на кафедре "Измерительно-информационная техника" Харьковского государственного политехнического университета.

Ключевые слова: спектральный анализ, спектральная плотность мощности, оценка, погрешность, функция спектрального окна, динамический фильтр, корреляционно-фильтровый метод измерения, оптимизация, анализатор спектра.


Tishenko V.O. Improving of methods which used filters for spectral analysis of steady-state ergodic random signals. - Manuscript.

Thesis for candidat's degree by specialty 05.11.15 - metrology and metrological assurance. The Kharkiv State Polytechnic University, Kharkiv, 2000.

The scientific and methodical foundations of improving of methods which used filters for spectral analysis of random signals are designed and investigated in thesis. Generalized mathematical model of an estimation of a spectral density of power and correlatively - filtered method of measurement are designed. Two methods of optimization of a function of a spectral window (FSW) of narrow band filters for spectral analysis. It is offered to form FSW using the dynamic filter, which one works in a transient regime. A generalized and particular technique of optimum synthesis of such filters are designed. It was shown, that using of dynamic filters is guaranteed increase of accuracy and speed of spectral analysis. The main outcomes are applied in industry on Public Corporation "Motor-Sich" (Zaporozhye), ST SDB "Polisvit" PU "Comunar" (Kharkiv) and in educational process at the department "Measuring - information technique" KSPU.

Key words: spectral analysis, spectral density of power, estimate, error, function of a spectral window, dynamic filter, is correlative – filtered method, random signal, optimization.