Алгоритми реалізовано мовою програмування С++, яка надає гнучкі і ефективні засоби оперування даними, дозволяє широко використовувати можливості модульного (структурного) програмування, підтримує абстракцію даних і об’єктно-орієнтоване програмування.

Для перетворення акустичного шумового сигналу в цифрові інформаційні пакети застосовувалось АЦП звукової плати комп’ютера, з наступними характеристиками:

розрядність — 8/16 біт;

частота дискретизації — 11025, 22050, 44100 Гц;

кількість каналів — 2.

Найбільш розповсюджена серед таких АЦП є Sound Blaster фірми Creative Labs. Зчитування даних здійснюється за допомогою контролера прямого доступу до пам’яті (DMAC — Direct Memory Access Controller), або без застосування DMAC, завдяки роботі безпосередньо з портами плати ЦАП.

При такій реалізації процесор буде повністю завантажений операціями контролю за вхідними потоками даних і не зможе виконувати обчислення, пов’язані із обробкою зчитаної інформації. Крім того, об’єм даних, що записуються, обмежений об’ємом доступної процесору оперативної пам’яті, тому такий спосіб недоцільно застосовувати у вимірювальних системах, що працюють в режимі реального часу.

Отримання даних від первинного перетворювача в реальному режимі роботи процесора (наприклад, з використанням операційної системи MS-DOS) передбачає необхідність визначення базової адреси порту вводу-виводу, а також номерів апаратних переривань (IRQ) і каналу DMA, які використовуються; необхідність ініціювання цифрового процесору сигналів (Digital Signal Processor — DSP) і встановлення режиму мікшера; виділення в оперативній пам’яті буферу для записаного звуку; встановлення своїх процедур обробки переривань від звукової плати і після того програмування DMAC і DSP, шляхом передачі їм частоти дискретизації і команди на запис.

Операційні системи WINDOWS 95, 98, ME, NT, XP дозволяють організувати роботу із АЦП звукової плати персонального комп’ютера за допомогою стандартної dll-бібліотеки WINMM.DLL — набором динамічно під’єднаних бібліотек функцій, які підтримують роботу з потоком оцифрованих акустичних коливань (waveform audio).

Порядок роботи при реалізації процесу оцифровки та запису шумового сигналу наступний:

1. Виконується за допомогою виклику функції waveInOpen створюється об’єкт «waveform-audio input device». Для виклику вказаної функції необхідно вказати номер пристрою, який, як передбачається, буде виконувати запис, або вказати флаг WAVE_MAPPER. В цьому випадку система сама підбирає пристрій, здатний записати вхідний аналоговий сигнал у вказаному форматі.

2. Створюється об’єкт ”буфер” і встановлюється сповіщення, про закінчення заповнення буфера (або його частини). В зв’язку з тим, що заздалегідь невідомій розмір даних, які зчитуються, передбачено циклічне додавання буферів пристрою АЦП за допомогою виклику функції waveInAddBuffer.

3. Ініціюється початок захоплення потоку даних і очікується сповіщення про його завершення.

4. Фіксується буфер (або його частина) для отримання доступу до захопленого потоку даних і звільняються раніше створені об’єкти.

Існує також можливість запису оцифрованого шумового сигналу для зберігання в файл. Зберігання здійснюється у вигляді WAVE-файлу і має формат RIFF — Resource Interchange File Format (табл. 2.1).

Інформація в цьому форматі представляється у вигляді блоків (chunk). Кожен блок має три розділи: ідентифікатор блока — чотири символи, розмір поля даних — чотири байта і безпосередньо самі дані. Всередині поля даних можуть знаходитись вкладені блоки. Таким чином, всередині одного інформаційного файлу може знаходитись кілька потоків даних.

Алгоритм основної процедури цифрової обробки сигналу для енергетичної моделі вимірювальної системи представлений на рис. 2.1 і складається з послідовності наступних операцій:

Таблиця 2.1.

Структура файлу з вимірювальною інформацією

Зміщення від початку файлу | Довжина | Опис

0h | 4h | Ідентифікатор формату (‘RIFF’)

4h | 4h | Довжина блоку даних (довжина файлу – 8h)

8h | 4h | Ідентифікатор блоку даних

0ch | 4h | Ідентифікатор підблоку заголовку (‘fmt ’)

10h | 4h | Довжина підблоку заголовку (000ch/0010h)

14h | 2h | Тип формату представлення даних (01h)

16h | 2h | Число каналів (1 або 2)

18h | 2h/4h | Частота дискретизації, Гц

1ah/1ch | 2h/4h | Швидкість передачі даних, байт/с (добуток числа каналів, частоти дискретизації
і розрядності в байтах)

1ch/20h | 2h | Число байт для представлення одного відліку

1eh/22h | 2h | Розрядність, біт (8, 16)

20h/24h | 4h | Ідентифікатор підблоку даних (‘data’)

24h/28h | 4h | Довжина вимірювальних даних

28h/2ch | Вимірювальні дані

Ініціалізація необхідних змінних і виділення пам’яті під масиви вхідних даних і результатів.

Відкриття потоку даних. Доцільно зазначити, що функція універсальна як для випадку роботи із раніше збереженими експериментальними даними, так і для роботи в режимі реального часу. В першому випадку потоком даних буде інформація, збережена у файлі на постійному носії (HDD, CD-ROM), в другому — дані, які в режимі реального часу поступають з АЦП.

Наступні дії виконуються в циклі, поки не буде досягнуто кінця потоку даних: в режимі роботи з файлом — признак кінця файлу (eof), в режимі реального часу — зовнішнє переривання.

Безпосередня цифрова обробка сигналу включає в себе центрування сигналу, процедуру автокореляції за допомогою алгоритму швидкого перетворення Фур’є, процедуру згладжування кореляційним вікном обраної форми та процедуру безпосереднього отримання енергетичного спектру за допомогою швидкого перетворення Фур’є.

Отримане значення енергії шумових сигналів у відповідності до аналітичного рівняння зберігається у масиві вихідних даних, який при необхідності може бути збережено у файл, та відображається на моніторі комп’ютера в числовому вигляді та у вигляді графіку.

Усереднене по часу значення енергії шумових сигналів перетворюється на значення величини витрати і виводиться на екран по закінчені обробки всіх даних поточного експерименту.

Тексти