Методическое пособие 764

ную нагрузку со стороны промышленных и сельскохозяйственных предприятий, сбрасывающих свои сточные воды. В водах р. Дон обнаружены повышенные концентрации суль- фат-ионов (1,12-1,93 ПДК), общего железа (1,4 – 8,7 ПДК), нитритов (1,1 – 6,5 ПДК) и аммонийного азота(3,1227,92 ПДК). По содержанию NH4+-иона воды оцениваются как «грязные» и относятся к 5 классу качества. Большая часть проб воды р. Дон с повышенными значениями загрязняющих веществ обнаружена в городах Воронеж, Семилуки и Нововоронеж.

2.Для вод р. Воронеж характерны превышения ПДК железа общего (1,1-2,1 ПДК) и нитритов (1,0 – 1,5 ПДК). По содержанию NH4+-иона воды оцениваются как «умеренно загрязненные» и относятся к 3 классу качества. Большая часть проб воды р. Воронеж с высокими значениями загрязняющих веществ обнаружена на территории с. Ступино и с. ЧертовицыРамонского района.

3.Воды р. Усмань испытывают значительную рекреационную нагрузку. Вдоль русла реки расположены многие туристические базы, детские лагеря, базы отдыха, загородные отели. По показателю общей жесткости воды реки относятся к «жестким» на территории г. Воронежа (пос. Сомово и Боровое), с. Новой Усмани и Рамонского района (биосферный заповедник). Превышения ПДК в водах р. Усмань обнаружены для сульфат-ионов (1- 1,26

ПДК), общего железа (1,4 – 3,6 ПДК), нитритов (7- 63,8 ПДК), аммонийного азота (1,12-10,2 ПДК). По содержанию NH4+-иона воды оцениваются как «загрязненные» и относятся к 4 классу качества. Большая часть проб воды р. Усманка с повышенными значениями загрязняющих веществ обнаружена на территории г. Воронежа (пос. Сомово), Новая Усмань и с. УглянецВерхнехавского района.

4.Химический анализ проб воды показал, что качество исследуемых рек, протекающих в пределах Ближнего Подворонежья, можно оценить как: река Дон – «грязная»; река Усманка «загрязненная»; река Воронеж «умеренно загрязненная».

Вопрос о сохранении чистоты поверхностных водных объектов стоит достаточно остро, поэтому одной из первоочередных задач природоохранных служб г. Воронежа и Воронежской области является жесткий контроль за состоянием и использованием речных вод.

Литература

1.Дмитриева В.А. Водные ресурсы Воронежской области в условиях меняющихся климата и хозяйственной деятельности : монография / В. А. Дмитриева; М-во образования и науки РФ, Воронеж.гос. ун-т. - Воронеж : Издательский дом ВГУ, 2015. - 192 с.

2.Маслова М.О. Эколого-аналитическая оценка качества вод рекреационных зон ближнего Подворонежья// М.О. Маслова, Т.И. Прожорина, Н.И. Якунина // Вестн. Воронеж. гос.ун-та. Сер. География и геоэкология. – 2014. - №4. – С. 48-56.

ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет»

T.I. Prozhorina,T.V. Nagih

ENVIRONMENTAL QUALITY ASSESSMENT WATER RIVER MIDDLE

PODVORONEZHYA

The increasing anthropogenic load strongly influences the quality of surface water resources. Monitoring and control over the condition of water bodies will help to identify the sources and causes of water pollution, assess their ecological status at the time of the study and make a forecast for the future. The results of chemical analysis of various along the length of the rivers are given: Don, Voronezh and Usmanka, flowing within the 40-km zone of the large industrial city of Voronezh. A relationship has been established between the chemical composition and the quality of river waters subjected to intense anthropogenic loads

Key words: water quality assessment, chemical analysis, organoleptic analysis, ecological and analytical methods for analysis of natural waters, water quality class, priority pollutants, anthropogenic load, maximum permissible concentrations of fishery facilities

Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education «The Voronezh State

University»

171

СЕКЦИЯ 4. ВОПРОСЫ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ПРИМЕНЕНИИ ФИЗИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ,

СПЕЦИАЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ

УДК: 621.3

Д.В. Журавлѐв, С.В. Поляков

РАЗРАБОТКА CIC-ФИЛЬТРА ДЛЯ ЦИФРОВОГО ПРИЕМНИКА

В данной статье приведены краткое описание и расчѐтная часть приѐмника, применение СIC-фильтров в задачах децимации. CIC-фильтр представляет собой каскадное соединение двух фильтров: БИХ фильтра интегратора и гребенчатого КИХ фильтра. Расчѐт фильтров проводился в программе "Softcell Filter Designer" от фирмы Analog Devices, также приведены структурные схемы расчѐта таких параметров приѐмника, как: чувствительность, избирательность по соседнему каналу, динамический диапазон

Ключевые слова: CIC-фильтр, понижающий преобразователь частоты, гетеродин, алиасинг

Целью данной работы является применение CIC-фильтров в задачах децимации сигнала при создании цифрового приѐмника, обеспечивающего помехоустойчивый приѐм кодированного сигнала по каналам с ограниченной пропускной способностью. На рис.1 показана структурная схема приѐмника.

Рис. 1. Структурная схема приѐмника

Основным элементом цифрового приѐмника является понижающий частотный преобразователь (AD6636). Понижение частоты дискретизации (децимацию) используют из-за того, что на высоких частотах процессор не успевает обработать поступающий сигнал. Децимация происходит следующим образом: выбираются отсчѐты из спектра. В спектральной области это выглядит как наложение на сигнал мешающих сигналу отсчѐтов, на частотах кратных коэффициенту децимации. Чтобы этого не происходило перед децимацией необходимо сигнал профильтровать. Для децимации на высоких частотах используют CIC-фильтры. АЧХ этих фильтров обладает единичным коэффициентом усиления в полосе пропускания и обеспечивает полное подавление на частотах кратных коэффициенту децимации. На рис. 2 приведена структурная схема понижающего преобразователя частоты.

CIC – фильтр (каскадный интегрально-гребенчатый фильтр). Главная отличительная особенность CIC фильтров заключается в том, что они не требуют операций умножения. Это значительно упрощает работу процессора. Для начала рассмотрим два простейших фильтра: БИХ фильтр интегратор и гребенчатый КИХ фильтр. На рис. 3 представлены АЧХ фильтра интегратора и гребенчатого фильтра.

172

Рис. 2. Структурная схема понижающего частотного преобразователя

Рис. 3. АЧХ фильтра интегратора и АЧХ гребенчатого фильтра

Проведем каскадное соединение фильтра интегратора и гребенчатого фильтра. В результате получим CIC фильтр первого порядка, представленный на рис. 4. На рис. 5 показана АЧХ полученного CIC фильтра первого порядка.

Рис. 4. Каскадное соединение фильтра интегратора и гребенчатого фильтра

173

рим использование в качестве антиалиасингового ФНЧ CIC фильтра. Поскольку требуемая полоса среза антиалиасингового ФНЧ равна π/R (см. рис. 6б), а первый нуль АЧХ CIC фильтра имеет на частоте ω = 2π/D , то для устранения алиасигна требуется CIC фильтр с задержкой гребенчатого фильтра D = 2R. При этом выбором порядка N фильтра можно обеспечить требуемое подавление в полосе заграждения для устранения алиасинга при децимации. Например, пусть требуется произвести децимацию сигнала с коэффициентом R=4 при подавлении алиасинга на 40 дБ. Поскольку R=4, то задержка D=2∙4=8 Увеличение порядка CIC фильтра на единицу увеличивает коэффициент подавления в полосе заграждения на 11..13 дБ, поэтому для обеспечения заданного подавления алиасинга требуется фильтр 4-го порядка (N=4). Коэффициент усиления CIC фильтра равен:

Таким образом, CIC фильтр можно считать рассчитанным, его структурная схема представлена на рис. 7.

Рис. 7. CIC фильтр дециматор при R=4 и N=4

Рассмотрим модификацию CIC фильтра дециматора. Для этого проанализируем каскадное соединение гребенчатого фильтра и дециматора, как это показано на рис. 8.

Рис. 8. Каскадное соединение гребенчатого фильтра и дециматора

Разностное уравнение схемы, представленной на рис.4, можно представить следующим образом:

175

Далее получена эквивалентная схема каскада гребенчатого фильтра и дециматора (рис. 9). Эквивалентный каскад удобнее тем, что задержка не зависит от коэффициента децимации R, это позволяет реализовать перестраиваемый фильтр дециматор меняя только коэффициент R.

Для удобства расчѐт фильтров производился в программе Softcell Filter Design от фирмы Analog Devices. В качестве метода расчѐта использовалось косинусное сглаживание АЧХ. Программа позволяет рассчитывать фильтры для понижающего преобразователя частоты и строить к ним спектральные характеристики. На рис. 10 приведена АЧХ фильтров понижающего преобразователя частоты. Как видно из рисунка подавление фильтров составляет 130 дБ, при заданной полосе подавления 110 дБ. Полоса пропускания 50кГц.

Рис. 9. Эквивалентный каскад гребенчатого фильтра и дециматора

176

Из рис. 12 следует, что полезный сигнал проходит без потерь, а помехи полностью подавляются. Далее были определены чувствительность, избирательность по соседнему каналу и динамический диапазон приемника. Чувствительность приѐмника составила 36 мкВ, избирательность по соседнему каналу 64дБ, а динамический диапазон составил 90,2 дБ.

Рассмотренный приѐмник может работать в широкополосном диапазоне и поддерживает такие стандарты как GSM, EDGE CDMA2000, WiMAX. Его также можно использовать как лабораторный стенд: он позволяет изучать принципы цифровой обработки сигналов: децимации, спектрального анализа сигнала, проведения расчѐтов цифровых фильтров, измерения параметров приѐмника (чувствительность, избирательность по соседнему каналу и динамический диапазон).

Теоретический расчѐт фильтров был проведѐн с помощью программы Softcell Filter Design от фирмы Analog Devices. Применение для децимации CIC-фильтров, обусловлено отсутствием операций умножения, что упрощает и ускоряет работу центрального процессора.

Литература

1. Сергиенко А. Б. Цифровая обработка сигналов [Текст]. – СПб.: Питер, 2003.-604с.:

ил.

2. Солонина А. И., Улахович Д.А., Яковлев Л.А. Алгоритмы и процессы цифровой обработки сигналов [Текст]. – СПб.: БХВ-Петербург, 2002.-464 с.: ил.

ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»

D.V. Zhuravlev, S.V. Polyakov

THE DEVELOPMENT OF A CIC-FILTER DIGITAL RECEIVER

This article provides a brief description and the estimated portion of the receiver, the use of CIC filters in decimation tasks. The CIC filter is a cascade connection of two filters: IIR filter integrator comb FIR filter. The calculation of the filters was carried out in the "Softcell Filter Designer" from the company Analog Devices is also presented structural schemes of the calculation of the receiver parameters: sensitivity, adjacent channel selectivity, dynamic range

Keywords: CIC filter, step-down frequency Converter, oscillator, aliasing

Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education «Voronezh state technical University»

УДК: 621.3

Д.В. Журавлѐв, В.О. Шурыгин, М.М. Мочалов, А.С. Бовкун

АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ДИАГНОСТИКИ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ

Проведен статистический анализ ряда диагностических данных. Получена генеральная совокупность, которая описывается с помощью смесей распределений Вейбулла. На основании полученных результатов предложена классификация подшипников буксового узла колесной пары в зависимости от степени износа

Ключевые слова: вибродиагностика, контроль, буксовый узел, дефект, ударный импульс, распределение

В процессе многолетнего эксплуатирования (c 2001 года по настоящее время) инфор- мационно-измерительной системы УДП-2001СМ [1] была собрана значительная база кон- трольно-измерительной информации, позволяющая провести статистический анализ результатов диагностики.

178

Для проведения статистического анализа были взяты данные о диагностировании 10000 колесных пар. Диагностика проводилась с использованием метода ударных импульсов. База данных включает в себя как бракованные, так и исправные буксовые узлы. Решение о присвоении статуса ―брак‖ выносилось, если уровень ударных импульсов в процессе замера превышал 3,3 В.

На рис. 1 показана вероятность появления события X (уровень ударных импульсов) в продиагностированной базе колесных пар.

Рис. 1. Вероятность появления события X

Результатом диагностики каждой колесной пары являются значения уровней ударных импульсов. Будем считать факт диагностирования т.е. получения уровня значения ударного импульса каждого буксового узла независимым испытанием, результатом которого служат значения случайных величин: X - уровень ударных импульсов, принимающий значения от 0 до 5 В с шагом 0.33. Для i-го испытания значения X i определяются не только количеством и

величиной дефектов на рабочих поверхностях подшипников, но и суммарным влиянием большого количества случайных факторов [2].

Проанализируем свойства случайной величины X . Будем рассматривать полученное в результате испытаний множество значений X как одномерную статистическую совокупность. Полигон эмпирического распределения случайной величины X представлен на рис. 2. При построении полигона эмпирического распределения диапазон от 0 до 5 В разбит на 16

интервалов с левыми границами Pni (теоретическая частота Pni pi n * h , где n – объем вы-

борки, h - шаг), соответствующими уровням дискретизации xi 0..5 .

Основные характеристики генеральной совокупности следующие. Математическое ожидание равно M x 1,322 , дисперсия Dx 1,202 . Предположим, что величина X имеет нормальное распределение, тогда теоретическая плотность распределения будет иметь вид

Следует учесть, что исходный сигнал x1(t) в устройстве вибродиагностическом виброизмерительном после усиления подвергается нелинейному преобразованию вида

179

которое существенно ограничивает динамический диапазон входных сигналов, но не снижает вероятность обнаружения дефектов подшипника.

Рис. 2. Полигон эмпирического распределения уровней ударных импульсов

С учѐтом ограничений (4) выражение (3) примет вид:

На рис. 3 показан график теоретической плотности распределения (5) совмещѐн с полигоном эмпирического распределения уровней ударных импульсов.

Как видим, приведѐнные кривые существенно различаются. Для лучшего объяснения, почему эмпирическое распределение не соответствует нормальному, нужно воспользоваться проверкой гипотезы о нормальном распределении генеральной совокупности по критерию2 - Пирсона.

По таблице критических точек распределения 2 , по заданному уровню значимости α и числу степеней свободы k s 3 (s-число групп выборки) находим критическую точку

180