Аттестационная работа (ИАР/ВАР) на тему Программный анализатор спектра

Содержание:

​ Введение…………………………………………………………………………………………………… 3

​ 1 Обзор современного состояния
проблемы…………………………………………………. 5

​ 1.1 Обоснование
необходимости в анализе спектра сигналов……………………… 5

​ 1.2 Обзор современных
программных и аппаратных средств исследования спектров сигналов……………………………………………………………………………………………….. 12

​ 1.3 Постановка задач
проектирования……………………………………………………. 25

​ 2 Разработка программного
анализатора спектра………………………………………… 32

​ 2.1 Методика измерения и
анализа спектра……………………………………………… 32

​ 2.2 Програмно-аппаратная
архитектура анализатора спектра……………………. 34

​ 2.3 Описание реализации
программного анализатора спектра………………….. 43

​ 3 Обсуждение результатов
исследования……………………………………………………. 51

​ 3.1 Контрольный пример
работы анализатора спектра и анализ результатов 51

​ 3.2 Обзор дальнейшего
развития программного обеспечения…………………… 54

​ Заключение……………………………………………………………………………………………… 55

​ Список использованной литературы………………………………………………………….. 57

​ Приложения 59

Введение:

Исследование спектров
различной физической природы является крайне важной частью современной науки и
производства. В науке это является зачастую единственным способом изучения
строения (в том числе внутренней структуры) объектов, которые недоступны для
других способов исследования. В промышленности анализ вибрационных спектров
позволяет оценивать текущее состояние механизмов (к примеру двигателей, турбин,
конструкций) прямо во время их эксплуатации без необходимости останова. Одно из
наиболее популярных в быту применений спектроскопии – это обработка звуков,
включая их визуализацию, фильтрацию, изменение характеристик звуковых волн.

Обработка спектров
сигналов вышла на новый уровень по мере развития компьютеров и вычислительной
техники. Благодаря появлению высокоскоростных микросхем появилась возможность
проводить оцифровку сигналов практически без потери качества в широком диапазоне
частот с возможностью в дальнейшем проводить спектральный анализ в режиме
реального времени, что позволяет не только отображать параметры сигналов (к
примеру, отображение присутствующих в сигнале частот), но и обрабатывать их “на
лету”. Эта область продолжает интенсивно развиваться во многих направлениях,
начиная от новых видов исследований окружающего нас мира и заканчивая
компьютерным анализов звуков и изображений с целью построения систем
искусственного интеллекта. Это делает тему проектирования анализаторов спектра
актуальной.

Объектом исследования
данной работы является спектры сигналов.

Предметом исследования
работы является анализаторы спектров сигналов.

Целью работы является
разработка программного анализатора спектра сигналов.

Для достижения данной
цели необходимо решить следующие задачи:

— провести
описание предметной области

— провести
анализ существующих анализаторов спектра

— сформулировать
задачи проектирования

— описать
архитектуру программной и аппаратных частей анализаторы

описать работу анализатора и подвести выводы
исследования.

Заключение:

В данной работе был реализован программный анализатор
спектра сигналов. Спектр строится на основе алгоритма быстрого преобразования
Фурье, реализованного с помощью интерпретируемого языка Python. Программное
обеспечение содержит графический интерфейс пользователя, позволяющий вводить параметры
работы и отображать результаты.

Для оцифровки сигнала и его подготовке к анализу
использовался аналого-фировойй преобразователь производства Texas Instruments и
усилитель сигнала. Аппаратно анализатор построен на основе платформы Raspberry
Pi. Это обусловлено значительной вычислительной возможностью данной платформы с
одной стороны и ее совместимостью со значительным количеством различных
периферийных устройств (в том числе, таких как АЦП или усилители) и программных
библиотек с другой.

Работа состоит из трех глав, в которых последовательно
решаются поставленные задачи.

В первой главе осуществляется анализ современного
состояния проблемы, описывается применение спектроскопии в современном мире.
Также приводится описание различных методик измерения спектра как на уровне
алгоритмов (преобразования Фурье), так и на уровне аппаратных архитектур.
Показано, что современные компьютеры способны осуществлять анализ спектров в
режиме реального времени с известными ограничениями. В конце главы ставятся
задачи проектирования анализатора спектра.

Во второй главе описывается реализация анализатора
спектра, начиная с методики оцифровки сигналов и закачивания описанием
реализации программной части. Показано объединение различных аппаратных частей
анализатора в рамках платформы Raspberry Pi. Подробно описан процесс сбора
сигналов и построение их спектра.

В третьей
главе приводится пример работы анализатора спектра, вычисляется его
динамического диапазона и приводятся анализ возможностей дальнейшего
усовершенствования его работы

Фрагмент текста работы:

1 ОБЗОР СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ

1.1 Обоснование необходимости в анализе спектра сигналов Понятие спектра впервые было введено Исааком Ньютоном,
который исследовал диапазон цветов, наблюдаемых, при рассеивании белого света
через призму. [1] Вскоре этот термин стал обозначать график зависимости
интенсивности или мощности света от частоты или длины волны, также известный
как график спектральной плотности.

Термин «спектр» был расширен для применения к другим
волнам, таким как звуковые волны, которые также можно было измерить как функцию
частоты, частотного спектра и спектра мощности сигнала. Этот термин теперь
применяется к любому сигналу, который можно измерить или разложить по
непрерывной переменной, такой как энергия в электронной спектроскопии или
отношение массы к заряду в масс-спектрометрии. Спектр также используется для
обозначения графического представления сигнала как функции зависимой
переменной.

Рассмотрим наиболее часто встречающиеся виды спектров и
их применения.

Электромагнитный спектр относится к полному диапазону
всех частот электромагнитного излучения [2], а также к характерному
распределению электромагнитного излучения, испускаемого или поглощаемого этим
конкретным объектом. Устройства, используемые для измерения электромагнитного
спектра, называются спектрографом или спектрометром. Видимый спектр — это часть
электромагнитного спектра, видимая человеческим глазом. Длина волны видимого
света составляет от 390 до 700 нм [3].