Развитие геофизики и средств обработки данных. Цифровая обработка сигналов

ВВЕДЕНИЕ 3
1. РАЗВИТИЕ ГЕОФИЗИКИ И СРЕДСТВ ОБРАБОТКИ ДАННЫХ 4
1.1 Понятие геофизики 4
1.2 Состав и содержание геофизики 6
2. АНАЛОГОВЫЕ И ЦИФРОВЫЕ СИГНАЛЫ, ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ. АНАЛОГОВО-ЦИФРОВОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ 8
2.1 Аналоговые и цифровые сигналы 8
2.2 Преимущества и недостатки цифрового сигнала 9
2.3 Аналогово-цифровое преобразование 10
3. КОД МАНЧЕСТЕР-II 15
3.1 Спектры выходных сигналов 17
3.2 Методика формирования строб-импульсов 18
3.3 Амплитудное детектирование 19
3.4 Выделение несущих частот 22
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 26

1.1 Понятие геофизики

Геофизика-предмет естествознания, занимающийся физическими процессами и физическими свойствами Земли и окружающей ее космической среды, а также использованием количественных методов их анализа. Термин геофизика иногда относится только к геологическим применениям: форме Земли; ее гравитационному и магнитному полям; ее внутренней структуре и составу; ее динамике и выражению поверхности в пластинчатой тектонике, генерации магм, вулканизме и породообразовании. Однако современные организации геофизики используют более широкое определение, которое включает в себя водный цикл, включающий снег и лед; жидкую динамику океанов и атмосферы; электричество и магнетизм в ионосфере и магнитосфере и солнечно-земных отношениях; и аналогичные проблемы, связанные с Луной и другими планетами.
Хотя геофизика была признана отдельной дисциплиной только в 19 веке, ее происхождение восходит к древним временам.
...

1.2 Состав и содержание геофизики

Основные направления исследований геофизики относятся к областям фундаментальной, общей, глобальной и планетарной геофизики.
Наиболее тщательно проработанным направлением геофизики является физика твердой Земли, основными разделами которой являются сейсмология, геодезия, гравиметрия, геомагнетизм, геоэлектрика, геотермия, реология, физика горных пород и минералов, их слагающих. Из всей совокупности геофизических направлений исследований необходимо выделить прикладную геофизику, в основе которой лежат методы и теория геофизической съемки и геофизической разведки, главным образом, развивающиеся с целью и задачами поиска месторождений полезных ископаемых. Таким образом, в рамках этих геофизических направлений развиваются различные геофизические методы, среди которых для разведки месторождений полезных ископаемых используются разнообразные методы разведочной геофизика, а для контроля за их разработкой – методы промысловой геофизики.
...

2.1 Аналоговые и цифровые сигналы

Все средства связи, которые на сегодняшний день используются в мире, основаны на передаче электрического тока из одной точки в другую. По каналам связи могут передаваться различные типы сигналов. Мы рассмотрим два основных типа сигналов: аналоговые и цифровые.
Аналоговые и цифровые сигналы коренным образом отличаются друг от друга. Основное различие между ними заключается в самой структуре сигнального потока. Аналоговые сигналы представляют собой непрерывный поток, характеризующийся изменениями частоты и амплитуды (рис. 2.1.1), а в цифровом сигнале используются дискретные (прерывистые) значения, т.е. амплитуда колебаний принимает определенные значения в единицу времени (рис. 2.1.2).

Рисунок 2.1.1 Аналоговый сигнал

Рисунок 2.1.2 Цифровой сигнал


2.3 Аналогово-цифровое преобразование

Преобразование сигналов из аналоговой формы в цифровую выполняется в устройстве, называемом аналого-цифровым преобразователем (рис. 2.3.1). В этих устройствах параллельно осуществляются два процесса преобразования измерительной информации: квантова­ние и дискретизация. Их совместное действие описывается мате­матическим выражением
(1)
где N(kΔt) — цифровой код (число квантов), соответствующий моменту времени kΔt.

Рисунок 2.3.1 Схема аналого-цифрового преобразования звукового сигнала

Дискретизация сигнала заключается в выборке отсчетов аналогового сигнала с заданной периодичностью и определяется частотой дискретизации. Причем частота дискретизации должна быть не менее удвоенной частоты наивысшей гармоники (частотной составляющей) исходного звукового сигнала. На рисунке 2.3.2 показан процесс квантования по уровню аналогового сигнала, причем мгновенные значения амплитуды кодируются 3-разрядными числами.
...

3. КОД МАНЧЕСТЕР-II

Код Манчестер-II — линейное кодирование, в котором каждый бит данных кодируется перепадом от низкого уровня к высокому или наоборот в середине такта.
В Манчестерском коде представлены перепады сигнала логической единицы, это если в середине такта напряжение изменяется с низкого на высокое, и логического нуля, если перепады с высокого на низкое. Пример манчестерского кодирования представлен на рисунке 3.0.1.

Рисунок 3.0.1 Кодирование Манчестер-II

Плюсы технологии:
• Сигнал синхронизируется, что позволяет уменьшить количество ошибок, а также повысить надежность;
• Простота;
• Отсутствие постоянной составляющей при передачах длинных последовательностей нулей или единиц.

Бит обозначен переходом в центре тактового интервала, по которому и выделяется синхросигнал. Первая несущая частота кода соответствует чередованию нулей и единиц. Вторая несущая частота – последовательности нулей или единиц, и в 2 раза больше первой.
...

3.2 Методика формирования строб-импульсов

Первой задачей приемника на выходе кабеля является формирование строб-импульсов, синхронных по частоте с тактовой частотой передачи кода передатчиком. Спектры случайных кодовых последовательностей,
приведенные на рисунке 3.2.1, достаточно наглядно показывают, что основные несущие частоты случайных кодов существенно варьируют по амплитуде и не имеют взаимной корреляции. Фазы гармоник на каждой из основных несущих частот имеют два постоянных значения, различающихся на 180о, что определяется противофазностью формирования кодов 0 и 1, и кодовых последовательностей 01 и 10, но какой-либо корреляции между этими четырьмя значениями фаз для случайных последовательностей также не имеется. Это означает, что устойчивую и достаточно надежную автосинхронизацию как по одной из основных частот, так и по их комбинации, выполнить невозможно.
...

3.3 Амплитудное детектирование

Различие фаз колебаний на каждой из основных частот кодовых последовательностей на 180о при нулевой постоянной составляющей позволяет простым преобразованием выходного сигнала, а именно – двухполупериодным амплитудным детектированием, получить сигнал амплитудных значений выходного сигнала кабеля, который имеет удвоенные значения основных частот с однозначным значением фаз любых комбинаций кодовых последовательностей на этих частотах. Пример амплитудного детектирования выходного сигнала для отрезка случайной кодовой последовательности приведен на рисунке 3.3.1

Рисунок 3.3.1 Амплитудное детектирование
На рисунке 3.3.2 приведены спектры сигналов после амплитудного детектирования. Как следует из этого рисунка, несущая гармоника последовательности чередования нулей и единиц и соответствующие гармоники кодов 01 и 10 в последовательностях случайных кодовых сигналов с частоты 0.
...

3.4 Выделение несущих частот

Фазовое постоянство частоты f"o любых кодовых последовательностей позволяет выделить колебания с частотой f"o узкополосным селекторным фильтром (СФ) и получить синхронизирующий сигнал (частоту синхронизации). Пример выделения частоты синхронизации селекторным фильтром приведен на рисунке 3.4.1. Методы автоматической настройки селекторных фильтров на несущую частоту f"o, а равно и методы автоматического слежения за несущей частотой с определенной постоянной времени ее сохранения на интервалах отсутствия несущей частоты во входном сигнале (периоды пауз), в радиотехнике известны и хорошо отработаны. В простейшем случае, длительность временной постоянной автостабилизации может регулироваться непосредственно добротностью селекторного фильтра или шириной полосы его избирательности. Формирование строб-импульсов по выделенной частоте синхронизации также известно в самых различных вариантах.
...