基于视觉传达的网络模拟信号传输监测系统设计

2021-02-06王媛媛

现代电子技术 2021年4期

王媛媛

（大连工业大学艺术与信息工程学院，辽宁大连116034）

模拟信号的主要优点是其精确的分辨率，在理想情况下，它具有无穷大的分辨率。模拟信号的主要缺陷是会受到外界的影响。信号被多次复制，或进行长距离传输之后，这些随机噪声的影响可能会变得十分显著。传统的监测系统均存在一定局限性，基于状态的监测系统只能监测到传输过程中的异常网络节点，无法确定节点对传输的影响程度[1]。基于能量的监测系统能够较为准确地定位传输问题节点，但是无法精准确定节点对模拟信号传输的影响程度。视觉传达技术是通过视觉媒介，向使用者直观显示数据的一种数字信息技术，实际应用中具有很大的优势[2]。基于以上分析，本文设计了一种基于视觉传达的网络模拟信号传输监测系统。

1 系统硬件设计

在传统模拟信号传输监测系统硬件部分的基础上，设计监测系统硬件部分。本文设计的系统硬件部分主要为监测通信板，通信板通过CAN总线和以太网完成上位机与网络模拟信号传输监测采集端的数据交换。

监测通信板的微控制器选择STM32F405RGT6芯片，芯片周围的时钟电路产生增强时钟信号，为微控芯片及周围电路提供工作时钟。STM32F405RGT6芯片具有高性能、低功耗的特点，微控制器集成多个接口，可以连接CAN总线传输信号数据。

CAN总线的传输形式为帧格式传输，在CAN控制器的控制下传输信号。控制器在CAN总线不传输信号数据时，将串行位标识符发送至总线。在CAN总线电路中加入光电耦合器，保证总线传输模拟信号数据不受到周围线路干扰[3]。

以太网芯片选择DM9161，芯片内置波形整形滤波器、集成缓冲存储器和E2PROM接口等，芯片符合IEEE 802.3u标准。在工作时，以太网芯片接收到微控芯片传输的报文后，监控信号传输线路是否空闲。若线路空闲，则立即发送数据帧，反之等待。

监测通信板加入复位电路以便在信号传输监测过程中，节省对监测系统内存空间的占用[4]。复位芯片选择DS1834A，芯片的上拉电阻设置为10 kΩ。

在通信板加入FPGA集成电路，进行复杂的数学计算。使用FPGA开发监测通信板，提高监测系统的可靠性。FPGA芯片EP4CE能够实现自定义逻辑，大容量的FLASH闪存器可以存储运行程序，并通过JTAG接口对通信板进行整体调试。JTAG调试信号的定义如表1所示[5]。

表1 JTAG调试信号的定义

调试通信板后，完成对监测通信板的设计。硬件部分采集到的信号经过监测通信板处理后，传输至上位机中，进一步处理信号，实现对模拟信号传输的监测。设计系统的硬件部分后，设计系统的软件部分。

2 系统软件设计

2.1 模拟信号预处理

上位机接收到硬件部分传输的数据后，首先预处理信号。假设上位机接收到的信号为x(k)，如果信号x(k)的均值不为0，则从信号中减去信号的均值。计算信号估计协方差，并构成协方差矩阵E{v(k)vT(k)}。将协方差矩阵通过矩阵变换为单位矩阵，完成奇异值分解[6-7]。

奇异值分解后，利用FFT方法进行载波频率估计。对经过奇异值分解后的信号进行时域采样，若采样频率为fs，采样间隔为Ts，采样时长为T，采样点数N，N=T Ts，Ts=1fs。经过采样后的信号序列为x′(n)，n=0,1,2,…,N-1。对信号x′(n)做FFT变换，获得x′(n)的频谱图[8-9]。在频域上选取点k1，其中，为信号的中心频率，其数值为网络信号传输双方共同设置的频率值。

若一共在频域中选取M个频域点，则M满足M≤的关系，中心频率的修正值fe可按下式计算[10]。

按照上述过程使用FFT估计得到信号载波频率后，对信号进行压缩感知处理。

2.2 信号压缩感知

在模拟信号传输过程中，信号会被大量压缩，压缩后的信号虽然增加了传输速度，但是也导致大量信号数据被丢弃。因此，需要通过压缩感知技术获取被丢弃的信号数据。使用AIC模型对确定载波频率的信号X(f)

做压缩感知处理。AIC模型的结构如图1所示，主要包含解调、低通滤波和均匀采样三部分[11-13]。

图1 AIC结构

图1 中的信号pc(t)为码片序列，输入AIC模型的信号X(f)与码片序列pc(t)相乘后所得信号输入低通滤波器。经过AIC模型中的积分计算处理后，输出的信号为压缩感知后的监测信号。对信号压缩感知处理后，检测信号中是否存在异常突发部分。

2.3 信号突发检测

网络中模拟信号正常传输时，监测系统硬件部分采集的信号中无异常突发部分。若网络传输过程中出现问题，需要检测出现突发的信号部分。本文使用滑动窗口法检测信号突发部分。滑动窗口法是将两个能量相对静止的能量窗按照信号顺序滑动，以两窗口内的数据信号能量比值作为判别量，滑动窗口法的检测原理如图2所示。

图2 滑动窗口法原理

设两个滑动窗口长度均为L，接收的数据信号序列为{r(n)}，则两窗口A，B的能量和突发检测函数计算式如下：

式中：EA为窗口A的能量；EB为窗口B的能量；M n为突发检测函数[14]。检测信号突发部分后，利用视觉传达技术将监测结果可视化显示。

2.4 视觉传达的可视化结果显示

利用视觉传达技术在监测终端的界面上显示模拟信号在网络中的传输过程。图3为利用视觉传达技术显示监测结果的流程[15]。

图3 监测结果可视化流程

当系统检测到传输过程中出现异常时，根据上述计算处理过程，在系统监测终端显示可能导致出现异常的网络传输节点，并显示该节点出现的问题概率。至此，完成了对基于视觉传达的网络模拟信号传输监测系统设计。

3 实验研究

为精准监测网络模拟信号的传输情况，本文设计基于视觉传达的网络模拟信号传输监测系统。本节将设计实验，测试系统的有效性。

3.1 实验设计

本次实验采用对比实验的形式，实验的对比组系统1为传统的基于状态技术的网络模拟信号传输监测系统，对比组系统2为基于能量的网络模拟信号传输监测系统，实验组为本文设计的基于视觉传达的网络模拟信号传输监测系统。实验监测对象为分布式网络，使用该分布式网络传输参数不同的模拟信号，使用实验组和对比组监测系统对网络中传输的数据进行监测。

实验对比指标为系统监测异常信号的精度和系统的可视化情况。通过对比以上两个指标衡量对比组和实验组三个监测系统的可靠性与可行性高低。

3.2 实验准备

本次实验中系统监测的分布式网络结构如图4所示。

图4 实验网络结构

在分布式结构网络中传输的模拟信号参数如表2所示。

对比组和实验组监测系统对正常模拟信号参数监测后，人为对实验网络模拟信号添加噪声干扰，使用高精度示波器检测添加噪声干扰后模拟信号传输的变化。通过对比监测系统的输出结果与示波器检测到的结果之间相对误差，衡量监测系统的监测精度。进行系统监测精度的同时，对系统可视化情况进行测试。通过对比监测系统的可视化情况，评价三个系统对传输过程监测可视化情况的优劣性。记录并分析实验数据，得出对应的实验结论，完成实验验证。