Описание лабораторной установки
Лабораторной установкой является ЦВМ IBM PC, на которой установлена система MatLab версии 5.х. Используется интерактивная оболочка SPTool.
Процедура SPTool активизирует графическую интерактивную оболочку пакета Signal, включающую:
· средство поиска и просмотра сигналов – Signal Brouser;
· проектировщик фильтров – Filter Designer;
· средство просмотра характеристик фильтров – Filter Viewer;
· средство просмотра спектра – Spectrum Viewer.
Оболочка активизируется путем ввода в командном окне MatLab команды sptool. Окно SPTool состоит из трех областей – Signals (Сигналы), Filters (Фильтры) и Spectra (Спектры), под каждой из которых имеются кнопки, указывающие на то, что можно сделать с объектами, расположенными в этих областях. Чтобы обрабатывать какие-либо сигналы с помощью SPTool, прежде всего необходимо сформировать эти сигналы с помощью некоторой программы MatLab, а затем импортировать полученные векторы значений этих сигналов в среду SPTool. Войдя в среду SPTool, выберем из меню File (Файл) команду Import (Импорт). После этого откроется окно Import to SPTool, где в поле Import as выбираем Signal.
В области Source (Источник) этого окна выбран переключатель From Workspace (Из рабочего пространства). Поэтому все имена переменных рабочего пространства представлены во второй области – Workspace Contents (Содержимое рабочего пространства). Выбрав при помощи мыши необходимую переменную, следует нажать кнопку со стрелкой, указывающей на поле ввода Data. После этого в поле ввода Data должно появиться имя выбранной переменной. Затем в поле Sampling Frequence (Частота дискретизации) нужно ввести желаемое значение частоты дискретизации. Фактически этим параметром задается временной промежуток Ts между отдельными значениями выбранного вектора процесса. В поле ввода Name (Имя) необходимо указать имя, под которым введенный вектор будет записан в среде SPTool. После этого следует нажать кнопку OK, и импорт сигнала в среду SPTool будет произведен. Окно Import to SPTool исчезнет, а окно SPTool изменит свой вид: в области Signals появится запись имени вектора сигнала, и кнопка View под этой областью станет доступной. Кроме того, станет доступной кнопка Create под областью Spectra. Это означает, что можно находить спектральные характеристики импортированного сигнала.
После импорта вектора сигнала можно пользоваться средствами его просмотра. Для этого достаточно выделить в области Signals нужные сигналы и нажать на кнопку View под областью. В результате должно появиться окно Signal Browser.
Для получения сигналов, необходимых для исследования, применяется пакет SimuLink, в котором создается модель системы на основе технологии Drag-and-Drop. В качестве «кирпичиков» для построения модели применяются блоки, хранящиеся в библиотеке SimuLink. Запуск пакета SimuLink производится командой New Model. Далее в меню Simulation находятся команды управления моделированием, а в меню Format – команды редактирования формата блоков схемы и блок-схемы в целом.
Для того чтобы найти оценки спектральных свойств сигналов после их ввода в SPTool, необходимо в области сигналов окна SPTool отметить нужный сигнал и нажать кнопку Create в нижней части окна. После этого на экране появится окно Spectrum Viewer. В левой части окна расположены элементы настройки, которые в частности позволяют выбрать метод нахождения спектральной характеристики сигнала (Method). В качестве метода в работе необходимо использовать FFT (Быстрое преобразование Фурье). Для проведения вычислений после выбора метода следует использовать кнопку Apply ниже левого поля.
Порядок выполнения работы
С использованием среды MatLab 5.х необходимо произвести анализ спектров различных видов сигналов:
1) синусоидальных колебаний;
2) прямоугольных колебаний со смещением;
3) прямоугольных колебаний без смещения;
4) белого шума.
Для этого в програмном пакете SimuLink необходимо построить схему, представленную на рис.4.1 ,
Рис. 4.1
где для получения синусоидальных колебаний на сумматор (Sum) подается сигнал (с амплитудой А=1 и частотой F=0.1 Гц (2*pi*0.1)) с генератора синусоидальных сигналов (SineWave) при нулевом значение выходного сигнала блока постоянной составляющей (Constant). Прямоугольные колебания со смещением получаются путем суммирования выходных сигналов блоков PulseGenerator с амплитудой сигнала А=2 и Constant с выходным значением А=-1. Для получения прямоугольных колебаний без смещения амплитуда выходного сигнала блока PulseGenerator должна составлять А=1, при отсутствие сигнала на выходе блока Constant.
В свойствах блоков Scope (просмотр сигнала) и ToWorkspase (вывод в рабочую область) необходимо установить период дискретизации (Sample Time) Тд=0,1 с. При завершение настроек системы нужно промоделировать сигнал (кнопка 4)
Полученый сигнал импортируется в среду SPTool, где в качестве источника необходимо выделить simout, и установить частоту дискретизации Fд=10 Гц. Когда сигнал импортирован в окне SpektrWiever можно увидеть его спектр, для этого надо выбрать в качестве метода получения спектра FFT (быстрое преобразование Фурье) и линейную шкалу графика.
В ходе лабораторной работы необходимо получить спектры всех четырех видов сигналов при различных частотах дискретизации и сравнить их.
5. Требования к отчету
Отчет по работе должен содержать:
1. Название и цель работы;
2. Основные формулы;
3. Структурную схему системы;
4. Результаты моделирования в виде рисунков исходных сигналов и их спектров;
5. Выводы.
Контрольные вопросы
1. В чем заключается различие дискретного и цифрового сигналов?
2. В чем заключается суть спектрального анализа сигналов?
3. Назовите основные различия обычного и дискретного преобразования Фурье.
4. Что такое быстрое преобразование Фурье (БПФ)?
5. Что такое спектр сигнала?
6. Какими основными свойствами обладают спектры сигналов?
Список литературы
1. Гольденберг Л.М., Матюшкин Б.Д., Поляк М.Н. Цифровая обработка сигналов: Учебное пособие для вузов. – М.: Радио и связь, 1990. – 256 с.
2. Лазарев Ю.Ф. MatLAB 5.x. – К.: Издательская группа BHV, 2000. – 384 с.