王媛媛

（大連工業(yè)大學(xué) 藝術(shù)與信息工程學(xué)院，遼寧 大連116034）

模擬信號(hào)的主要優(yōu)點(diǎn)是其精確的分辨率，在理想情況下，它具有無窮大的分辨率。模擬信號(hào)的主要缺陷是會(huì)受到外界的影響。信號(hào)被多次復(fù)制，或進(jìn)行長(zhǎng)距離傳輸之后，這些隨機(jī)噪聲的影響可能會(huì)變得十分顯著。傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)均存在一定局限性，基于狀態(tài)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)只能監(jiān)測(cè)到傳輸過程中的異常網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，無法確定節(jié)點(diǎn)對(duì)傳輸?shù)挠绊懗潭萚1]?；谀芰康谋O(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠較為準(zhǔn)確地定位傳輸問題節(jié)點(diǎn)，但是無法精準(zhǔn)確定節(jié)點(diǎn)對(duì)模擬信號(hào)傳輸?shù)挠绊懗潭?。視覺傳達(dá)技術(shù)是通過視覺媒介，向使用者直觀顯示數(shù)據(jù)的一種數(shù)字信息技術(shù)，實(shí)際應(yīng)用中具有很大的優(yōu)勢(shì)[2]。基于以上分析，本文設(shè)計(jì)了一種基于視覺傳達(dá)的網(wǎng)絡(luò)模擬信號(hào)傳輸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

在傳統(tǒng)模擬信號(hào)傳輸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件部分的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件部分。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)硬件部分主要為監(jiān)測(cè)通信板，通信板通過CAN總線和以太網(wǎng)完成上位機(jī)與網(wǎng)絡(luò)模擬信號(hào)傳輸監(jiān)測(cè)采集端的數(shù)據(jù)交換。

監(jiān)測(cè)通信板的微控制器選擇STM32F405RGT6芯片，芯片周圍的時(shí)鐘電路產(chǎn)生增強(qiáng)時(shí)鐘信號(hào)，為微控芯片及周圍電路提供工作時(shí)鐘。STM32F405RGT6芯片具有高性能、低功耗的特點(diǎn)，微控制器集成多個(gè)接口，可以連接CAN總線傳輸信號(hào)數(shù)據(jù)。

CAN總線的傳輸形式為幀格式傳輸，在CAN控制器的控制下傳輸信號(hào)?？刂破髟贑AN總線不傳輸信號(hào)數(shù)據(jù)時(shí)，將串行位標(biāo)識(shí)符發(fā)送至總線。在CAN總線電路中加入光電耦合器，保證總線傳輸模擬信號(hào)數(shù)據(jù)不受到周圍線路干擾[3]。

以太網(wǎng)芯片選擇DM9161，芯片內(nèi)置波形整形濾波器、集成緩沖存儲(chǔ)器和E2PROM接口等，芯片符合IEEE 802.3u標(biāo)準(zhǔn)。在工作時(shí)，以太網(wǎng)芯片接收到微控芯片傳輸?shù)膱?bào)文后，監(jiān)控信號(hào)傳輸線路是否空閑。若線路空閑，則立即發(fā)送數(shù)據(jù)幀，反之等待。

監(jiān)測(cè)通信板加入復(fù)位電路以便在信號(hào)傳輸監(jiān)測(cè)過程中，節(jié)省對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)內(nèi)存空間的占用[4]。復(fù)位芯片選擇DS1834A，芯片的上拉電阻設(shè)置為10 kΩ。

在通信板加入FPGA集成電路，進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算。使用FPGA開發(fā)監(jiān)測(cè)通信板，提高監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性。FPGA芯片EP4CE能夠?qū)崿F(xiàn)自定義邏輯，大容量的FLASH閃存器可以存儲(chǔ)運(yùn)行程序，并通過JTAG接口對(duì)通信板進(jìn)行整體調(diào)試。JTAG調(diào)試信號(hào)的定義如表1所示[5]。

表1 JTAG調(diào)試信號(hào)的定義

調(diào)試通信板后，完成對(duì)監(jiān)測(cè)通信板的設(shè)計(jì)。硬件部分采集到的信號(hào)經(jīng)過監(jiān)測(cè)通信板處理后，傳輸至上位機(jī)中，進(jìn)一步處理信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬信號(hào)傳輸?shù)谋O(jiān)測(cè)。設(shè)計(jì)系統(tǒng)的硬件部分后，設(shè)計(jì)系統(tǒng)的軟件部分。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 模擬信號(hào)預(yù)處理

上位機(jī)接收到硬件部分傳輸?shù)臄?shù)據(jù)后，首先預(yù)處理信號(hào)。假設(shè)上位機(jī)接收到的信號(hào)為x(k)，如果信號(hào)x(k)的均值不為0，則從信號(hào)中減去信號(hào)的均值。計(jì)算信號(hào)估計(jì)協(xié)方差，并構(gòu)成協(xié)方差矩陣E{v(k)vT(k)}。將協(xié)方差矩陣通過矩陣變換為單位矩陣，完成奇異值分解[6-7]。

奇異值分解后，利用FFT方法進(jìn)行載波頻率估計(jì)。對(duì)經(jīng)過奇異值分解后的信號(hào)進(jìn)行時(shí)域采樣，若采樣頻率為fs，采樣間隔為Ts，采樣時(shí)長(zhǎng)為T，采樣點(diǎn)數(shù)N，N=T Ts，Ts=1fs。經(jīng)過采 樣后的信號(hào)序列為x′(n)，n=0,1,2,…,N-1。對(duì)信號(hào)x′(n)做FFT變換，獲得x′(n)的 頻 譜 圖[8-9]。在 頻 域 上 選 取 點(diǎn)k1，其 中，為信號(hào)的中心頻率，其數(shù)值為網(wǎng)絡(luò)信號(hào)傳輸雙方共同設(shè)置的頻率值。

若一共在頻域中選取M個(gè)頻域點(diǎn)，則M滿足M≤的關(guān)系，中心頻率的修正值fe可按下式計(jì)算[10]。

按照上述過程使用FFT估計(jì)得到信號(hào)載波頻率后，對(duì)信號(hào)進(jìn)行壓縮感知處理。

2.2 信號(hào)壓縮感知

在模擬信號(hào)傳輸過程中，信號(hào)會(huì)被大量壓縮，壓縮后的信號(hào)雖然增加了傳輸速度，但是也導(dǎo)致大量信號(hào)數(shù)據(jù)被丟棄。因此，需要通過壓縮感知技術(shù)獲取被丟棄的信號(hào)數(shù)據(jù)。使用AIC模型對(duì)確定載波頻率的信號(hào)X(f)

做壓縮感知處理。AIC模型的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包含解調(diào)、低通濾波和均勻采樣三部分[11-13]。

圖1 AIC結(jié)構(gòu)

圖1 中的信號(hào)pc(t)為碼片序列，輸入AIC模型的信號(hào)X(f)與碼片序列pc(t)相乘后所得信號(hào)輸入低通濾波器。經(jīng)過AIC模型中的積分計(jì)算處理后，輸出的信號(hào)為壓縮感知后的監(jiān)測(cè)信號(hào)。對(duì)信號(hào)壓縮感知處理后，檢測(cè)信號(hào)中是否存在異常突發(fā)部分。

2.3 信號(hào)突發(fā)檢測(cè)

網(wǎng)絡(luò)中模擬信號(hào)正常傳輸時(shí)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件部分采集的信號(hào)中無異常突發(fā)部分。若網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中出現(xiàn)問題，需要檢測(cè)出現(xiàn)突發(fā)的信號(hào)部分。本文使用滑動(dòng)窗口法檢測(cè)信號(hào)突發(fā)部分?；瑒?dòng)窗口法是將兩個(gè)能量相對(duì)靜止的能量窗按照信號(hào)順序滑動(dòng)，以兩窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)信號(hào)能量比值作為判別量，滑動(dòng)窗口法的檢測(cè)原理如圖2所示。

圖2 滑動(dòng)窗口法原理

設(shè)兩個(gè)滑動(dòng)窗口長(zhǎng)度均為L(zhǎng)，接收的數(shù)據(jù)信號(hào)序列為{r(n)}，則兩窗口A，B的能量和突發(fā)檢測(cè)函數(shù)計(jì)算式如下：

式中：EA為窗口A的能量；EB為窗口B的能量；M n為突發(fā)檢測(cè)函數(shù)[14]。檢測(cè)信號(hào)突發(fā)部分后，利用視覺傳達(dá)技術(shù)將監(jiān)測(cè)結(jié)果可視化顯示。

2.4 視覺傳達(dá)的可視化結(jié)果顯示

利用視覺傳達(dá)技術(shù)在監(jiān)測(cè)終端的界面上顯示模擬信號(hào)在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸過程。圖3為利用視覺傳達(dá)技術(shù)顯示監(jiān)測(cè)結(jié)果的流程[15]。

圖3 監(jiān)測(cè)結(jié)果可視化流程

當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到傳輸過程中出現(xiàn)異常時(shí)，根據(jù)上述計(jì)算處理過程，在系統(tǒng)監(jiān)測(cè)終端顯示可能導(dǎo)致出現(xiàn)異常的網(wǎng)絡(luò)傳輸節(jié)點(diǎn)，并顯示該節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)的問題概率。至此，完成了對(duì)基于視覺傳達(dá)的網(wǎng)絡(luò)模擬信號(hào)傳輸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

3 實(shí)驗(yàn)研究

為精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)模擬信號(hào)的傳輸情況，本文設(shè)計(jì)基于視覺傳達(dá)的網(wǎng)絡(luò)模擬信號(hào)傳輸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。本節(jié)將設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，測(cè)試系統(tǒng)的有效性。

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本次實(shí)驗(yàn)采用對(duì)比實(shí)驗(yàn)的形式，實(shí)驗(yàn)的對(duì)比組系統(tǒng)1為傳統(tǒng)的基于狀態(tài)技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)模擬信號(hào)傳輸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)比組系統(tǒng)2為基于能量的網(wǎng)絡(luò)模擬信號(hào)傳輸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)組為本文設(shè)計(jì)的基于視覺傳達(dá)的網(wǎng)絡(luò)模擬信號(hào)傳輸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)對(duì)象為分布式網(wǎng)絡(luò)，使用該分布式網(wǎng)絡(luò)傳輸參數(shù)不同的模擬信號(hào)，使用實(shí)驗(yàn)組和對(duì)比組監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

實(shí)驗(yàn)對(duì)比指標(biāo)為系統(tǒng)監(jiān)測(cè)異常信號(hào)的精度和系統(tǒng)的可視化情況。通過對(duì)比以上兩個(gè)指標(biāo)衡量對(duì)比組和實(shí)驗(yàn)組三個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性與可行性高低。

3.2 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

本次實(shí)驗(yàn)中系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

在分布式結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)哪M信號(hào)參數(shù)如表2所示。

對(duì)比組和實(shí)驗(yàn)組監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)正常模擬信號(hào)參數(shù)監(jiān)測(cè)后，人為對(duì)實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)模擬信號(hào)添加噪聲干擾，使用高精度示波器檢測(cè)添加噪聲干擾后模擬信號(hào)傳輸?shù)淖兓?。通過對(duì)比監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的輸出結(jié)果與示波器檢測(cè)到的結(jié)果之間相對(duì)誤差，衡量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)精度。進(jìn)行系統(tǒng)監(jiān)測(cè)精度的同時(shí)，對(duì)系統(tǒng)可視化情況進(jìn)行測(cè)試。通過對(duì)比監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可視化情況，評(píng)價(jià)三個(gè)系統(tǒng)對(duì)傳輸過程監(jiān)測(cè)可視化情況的優(yōu)劣性。記錄并分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，完成實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

三個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)模擬信號(hào)的監(jiān)測(cè)值與實(shí)際值之間的相對(duì)誤差如表3所示。

表2 實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)模擬信號(hào)參數(shù)

表3 三種系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)相對(duì)誤差 %

由表3可知，使用三種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)信號(hào)傳輸時(shí)，對(duì)比組系統(tǒng)2的相對(duì)誤差大于實(shí)驗(yàn)組系統(tǒng)，小于對(duì)比組系統(tǒng)1。對(duì)比組系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)相對(duì)誤差均大于11%，而實(shí)驗(yàn)組系統(tǒng)監(jiān)測(cè)相對(duì)誤差在2.36%之內(nèi)。說明實(shí)驗(yàn)組系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)結(jié)果更精準(zhǔn)。

三個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)模擬信號(hào)監(jiān)測(cè)可視化情況如圖5～圖7所示。

圖5 對(duì)比組系統(tǒng)1的監(jiān)測(cè)可視化結(jié)構(gòu)

圖6 對(duì)比組系統(tǒng)2的監(jiān)測(cè)可視化結(jié)構(gòu)

由圖5～圖7可知，對(duì)比組系統(tǒng)1只能標(biāo)注出所有可能導(dǎo)致傳輸問題的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，并且根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)定的相關(guān)參數(shù)，對(duì)比組系統(tǒng)1標(biāo)注的問題節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)錯(cuò)誤。對(duì)比組系統(tǒng)2能夠準(zhǔn)確標(biāo)注出可能的問題節(jié)點(diǎn)，但標(biāo)注的故障概率精準(zhǔn)度低。實(shí)驗(yàn)組系統(tǒng)能夠精準(zhǔn)標(biāo)注問題節(jié)點(diǎn)及故障概率，說明實(shí)驗(yàn)組系統(tǒng)的可視化效果更佳。

綜上所述，相比傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，本文設(shè)計(jì)的基于視覺傳達(dá)的網(wǎng)絡(luò)模擬信號(hào)傳輸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)精度、可視化效果更高，具有更好的可靠性和可行性。

4 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)一種基于視覺傳達(dá)的網(wǎng)絡(luò)模擬信號(hào)傳輸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過與另外兩種信號(hào)傳輸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)監(jiān)測(cè)精度更高，監(jiān)測(cè)可視化效果更佳，具有更好的使用可靠性。