2017 ВКФ Костомаха И.А.
•Download as PPT, PDF•
0 likes•49 views
Выпускная квалификационная работа на тему: "Разработка программных средств оценки и адаптивной компенсации искажений в звуковых каналах передачи данных"
Recommended
Recommended
More Related Content
Similar to 2017 ВКФ Костомаха И.А.
Similar to 2017 ВКФ Костомаха И.А. (20)
More from RF-Lab
More from RF-Lab (19)
2017 ВКФ Костомаха И.А.
- 1. Выпускная квалификационная работа на тему «Разработка программных средств оценки и адаптивной компенсации искажений в звуковых каналах передачи данных» Студент: Костомаха Иван Александрович Москва 2017 «Московский технологический университет» (МГУПИ) Институт комплексной безопасности и специального приборостроения Кафедра КБ-3 «Управление и моделирование систем» Научный руководитель: к.т.н., доцент Мельников Алексей Олегович
- 2. Актуальность исследования Проблема: Звуковая периферия доступна на большинстве современных персональных компьютеров, но используется только для ввода/вывода звука. Можно организовать дополнительный цифровой канал для передачи управляющих последовательностей, используя стандартные средства ввода/вывода звука. Решение: 2
- 3. Постановка задачи Задачи, которые необходимо решить: • Обзор и анализ предметной области; • Обзор и анализ технологий в области цифровой обработки сигналов; • Разработка методов оценки и адаптивной компенсации искажений в звуковых каналах передачи данных; • Анализ экономической эффективности. Цель работы - разработать алгоритм и программные средства для оценки и адаптивной компенсации искажений в звуковых каналах передачи данных. 3
- 4. Описание предметной области Существует звуковой канал передачи данных; Исследуется передача сигнала через проводной канал; Составляется оценка канала и находится его пропускная способность; Компенсируются только искажения. 4
- 5. Модель звукового канала передачи данных Схема модели звукового канала передачи данных Сигнал выхода модели: 5
- 6. Оценка характеристики передачи сигнала в канале Амплитудно-частотная характеристика Как есть Как должно быть 6
- 8. Оценка частотного отклика Метод наименьших квадратов Преобразование Фурье 8
- 9. Выравнивание канала Как происходит выравнивание: Что получается: 9
- 11. Модель канала с выравниванием Накладывание искажений и помех: Выравнивание канала: 11
- 12. Оценка нормализованной среднеквадратической ошибки Оценка NMSE где z – сигнал с компенсированными искажениями, x – исходный сигнал, E – остаточная ошибка. 12
- 13. Адаптивная фильтрация искажений 13 Адаптивный фильтр Обрабатывает подряд идущие «сэмплы» звука и с каждым следующим обработанным «сэмплом» корректирует коэффициенты фильтрации.
- 15. Результат исследования Разработаны методы оценки и адаптивной компенсации искажений в звуковых каналах передачи данных; Разработан прототип программного обеспечения, реализующего данные методы; Проведен анализ экономической эффективности;
- 16. Анализ экономической эффективности -400000 -300000 -200000 -100000 0 100000 200000 300000 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 Движение денежных средств Статья затрат Обозначе ние Величина затрат (руб.) % затрат к итогу Затраты на основные материалы Смат 5196 1,8 Основная заработная плата Сосн 128460 43,9 Дополнительная заработная плата Сдоп 26856 9,1 Отчисления от заработной платы Сотч 46905 16,1 Затраты на машинное время Смаш 4301 1,5 Накладные расходы Снакл 54360 18,5 Прочие затраты Спроч 26607 9,1 Итого Сразр 292685 100 Ленточный график разработки
- 17. Заключение В результате проведенной работы были сделаны следующие выводы: Предложенные алгоритмы компенсации искажений эффективно решают поставленную задачу; Через звуковой канал передачи данных можно передавать управляющие последовательности в устройства периферии; Анализ экономической эффективности показывает, что программное обеспечение будет востребовано.
- 18. Спасибо за внимание! ЦАП изнутри:
Editor's Notes
- Добрый день уважаемые члены государственной аттестационной комиссии. Вашему вниманию представляется выпускная квалификационная работа на тему: «Разработка программных средств оценки и адаптивной компенсации искажений в звуковых каналах передачи данных»
- Уже давно персональные компьютеры взаимодействуют со звуковой периферией посредством звуковой карты, выполняющей роль АЦП и ЦАП. Однако это взаимодействие ограничивается только лишь передачей и приемом звука. Сфера ИТ развивается бурными темпами, как и отрасль звуковой периферии. Было выдвинуто предположение, что по звуковому каналу можно передавать некие управляющие последовательности для управления звуковыми устройствами, такими как колонки, микрофон, гарнитура. Это позволит ,например, убрать с этих устройств физические кнопки управления, перенеся все взаимодействие на программную часть.
- Главной проблемой при передаче таких управляющих последовательностей будет наличие искажений в канале, возникающих из-за особенностей как приборов обработки сигналов, так и от самой среды передачи данных. Таким образом, целью ВКР является разработка алгоритма и программных средств для оценки и адаптивной компенсации искажений в звуковых каналах передачи данных. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: Провести подробный анализ предметной области: а именно провести обзор математических моделей звуковых каналов передачи данных, рассмотреть существующие методы оценки таких каналов, а также методы компенсации искажений в этих каналах; Сделать обзор существующих технологий компенсации искажений в области цифровой обработки сигналов. Разработать алгоритм компенсации искажений в звуковом канале передачи данных. Провести анализ экономической эффективности продукта.
- В этой работе рассматривается передача данных через проводной канал связи. При передаче и записи на сигнал накладываются искажения и помехи. Задача состоит в том, чтобы сначала точно оценить звуковой канал, померяв его пропускную способность, а затем компенсировать искажения в канале. Искажения в канале появляются из-за инертности устройств (линейное инертное искажение), через которые проходит сигнал, а также из-за многолучевого распространения сигнала (отражение и преломление). При подробном рассмотрении предметной области было выявлено, что метод наименьших квадратов является хорошим способом для оценки канала и будет применен в создаваемом программном обеспечении.
- Рассмотрим подробную модель канала. Входной сигнал X формируется и подается в цифро-аналоговый преобразователь, затем проходит через усилитель и воспроизводится на динамике. Во время прохода через все эти устройства в сигнал добавляются искажения. При воспроизведении на динамиках сигнал проходит через среду передачи звука и записывается на микрофон. На этом этапе в сигнал добавляется тепловой шум от усилителей и шум в виде интерференции от разных источников из этой среды передачи звука. После приема сигнала микрофоном этот сигнал проходит через усилитель и аналогово-цифровой преобразователь. Так получается выходной сигнал Y. Все устройства в модели канала рассматриваются как линейные – каждое из них может быть представлено линейной сверткой, так же, как и сама модель. Соответственно, при последовательном включении всех этих компонент общая частотная характеристика системы будет равна перемноженным частотным характеристикам всех компонент. Модель является стационарной (в пределах обозримого времени).
- Для заключения о характеристике модели канала нужно получить оценку частотного отклика системы. При этом, АЧХ надо выровнять. Это позволит сделать вывод о том, какова возможная ширина полосы передачи в конкретных условиях. Рисунок с выровненной АЧХ показывает, какой частотный диапазон можно передавать через канал без больших потерь в мощности звука (W). Н(w) – частотный отклик. В случае, когда амплитудная составляющая квадрата частотного отклика является константой, можно утверждать, что формула пропускной способности применима.
- Оценка частотного отклика необходима для заключения о характеристике модели канала, какова будет возможная ширина полосы передачи в конкретных условиях. Она производится с помощью метода наименьших квадратов. Суть этого метода в том, что имеется массив отсчётов входного (x) и выходного (y) сигналов. По входному сигналу строится матрица Вандермонда – матрица отсчетов с задержками.
- После формирования матрицы Вандермонда возможен расчет коэфициентов h. Чтобы их получить, надо совершить операцию псевдоинверсии над составленной матрицей Вандермонда и умножить это на массив отсчетов выходного сигнала. h – коэффициенты выравнивающего фильтра. Полученные коэффициенты h используются для оценки частотного отклика канала путем преобразования Фурье.
- При получении характеристики звукового канала передачи данных возможно создать фильтр (динамическую систему) с характеристикой, обратной той, что накладывает на сигнал сам канал. Это необходимо для выравнивания канала. После применения подобного фильтра возможна точная оценка пропускной способности канала.
- Коэффициенты альфа находятся с помощью МНК. Матрица вандермонда формируется уже из сигнала y, так как необходимо найти коэффициенты, обратные коэффициентам канала. Затем сигнал y перемножается с матрицей коэффициентов альфа и так находится сигнал с компенсированными искажениями.
- При прохождении через среду передачи отсчеты сигнала домножаются на коэффициенты искажений и складываются с коэффициентами шума. При выравнивании канала искаженный и зашумленный сигнал домножается на коэффициенты компенсации. Здесь х – начальный сигнал, y – сигнал с искажением и помехами, z – сигнал после выравнивания канала и Е – некомпенсированные помехи.
- Следует провести расчет normalized mean square error - нормализованной среднеквадратической ошибки. Это делается с помощью следующей формулы. Этот параметр позволит увидеть, насколько сильны в компенсированном сигнале некомпенсированные помехи.
- Адаптивная компенсация искажений происходит с помощью адаптивного фильтра, который обрабатывает подряд идущие «сэмплы» (отрезки) звука и с каждым следующим обработанным «сэмплом» корректирует коэффициенты фильтрации.