Введение к работе
Актуальность темы. Теория передачи дискретных сообщений представляет собой наиболее разработанную часть общей теории связи Тем не менее, эта теория еще не дает исчерпывающего ответа на многие вопросы, выдвигаемые практикой Так помехоустойчивость передачи дискретных сообщений подробно изучена лишь для случаев приема некоррелированных дискретных сигналов передаваемых по каналам связи, как с постоянными, так и с переменными параметрами Для приема таких сигналов отечественными учеными Тихоновым В И , Левиным Б Р , Финком Л М, Шинаковым Ю С , Трифоновым А П и зарубежными Прокисом Дж, Возенкрафтом Дж, Джекобсом И и др получены и подробно исследованы оптимальные алгоритмы приемных устройств
В действительности существует значительное количество видов информации передаваемой по дискретным каналам связи — передача речи, изображении, телеметрических данных и т д, когда импульсные сигналы, с помощью которых передается указанная информация, оказываются коррелированными, Т е несут в себе статистическую избыточность о передаваемом сообщении Зная статистические характеристики таких сигналов можно на основе их с некоторой вероятностью предсказать параметры ожидаемого сигнала и тем самым повысить достоверность принятого сообщения Отсюда естественным является стремление создать такие приемные устройства, которые бы по возможности полнее использовали статистическую избыточность импульсных коррелированных сигналов для повышения помехоустойчивости их приема и, в то же время, могли быть достаточно просто реализованы
Разработка оптимальных алгоритмов и структур приемных устройств (ПУ), реализующих информационную избыточность импульсных коррелированных сигналов с произвольной функцией корреляции, в силу нелинейности решаемой задачи, вызывает определенные трудности математического и практического свойств В тех случаях, когда последовательность импульсных сигналов может быть аппроксимирована простой или сложной цепью Маркова с конечным числом значений, удается, пользуясь математическим аппаратом условных марковских процессов, найти эффективные и приемлемые для реализации алгоритмы и структуры устройств обработки импульсных коррелированных сигналов
В реальных условиях из-за непостоянства условий приема импульсных радиосигналов (фединг, доплеровский сдвиг несущей частоты, случайная задержка сигнала и т д ) искажениям подвергаются не только дискретный информационный параметр (манипулированная частота, фаза и т д ), но и непрерывные неинформационные параметры (амплитуда, задержка, частота и т д ), что дополнительно приводит к снижению точности передачи полезной информации Для повышения помехоустойчивости необходимо одновременно выделять дискретный параметр, содержащий большую статистическую избыточность, и непрерывные параметры импульсных коррелированных сигналов. Согласован-
ное взаимодействие оценок дискретного и непрерывных параметров позволяет увеличить достоверность передаваемой информации Проведенные ранее исследования Петровым Е П показали, что реализация статистической избыточности приводит к повышению вероятности правильного распознавания значений дискретного параметра импульсных коррелированных сш налов, что может быть использовано для повышения точности оценки сопутствующих непрерывных параметров, таких как задержка, амплитуда и т п , изменяющихся относительно медленно Механизм взаимодействия оценок непрерывных и дискретного параметров коррелированных импульсных сигналов сложный и может быть исследован только при решении задачи их совместной фильтрации
Одно из первых исследований по совместной фильтрации коррелированного дискретного (информационного) и сопутствующих непрерывных параметров импульсных коррелированных сигналов было проведено Амиантовым И Н и Петровым Е П Уравнения фильтрации получены в предположении гаус-совской марковской аппроксимации распределений для непрерывных параметров и представлении простой однородной цепью Маркова с двумя значениями дискретного информационного параметра коррелированных бинарных импульсов
Позднее к задаче совместной фильтрации параметров независимых импульсных сигналов обращались в своих работах Тихонов В.И, Ярлыков М С, Смирнов В А, Харисов В Ы и др, что подтверждает ее актуальность Наибольший практический интерес представляет решение задачи совместной фильтрации параметров многоуровневых коррелированных импульсных сигналов, представляющих собой выборки из непрерывных сообщений, представленных Af-разрядными двоичными числами Исследования взаимодействия оценок сопутствующих непрерывных параметров и дискретного информационного параметра многоуровневых коррелированных импульсных сигналов не проводились
Целью работы является разработка алгоритмов и устройств для оптимальной, квазиоптимальной и адаптивной совместной нелинейной фильтрации дискретного и непрерывных параметров случайной последовательности многоуровневых импульсных коррелированных сигналов в предположении, что дискретный параметр представляет собой однородную цепь Маркова с несколькими дискретными значениями, а сопутствующие параметры - непрерывные случайные гауссовские марковские процессы
Для достижения поставленной цели решаются задачи: 1. Систематизация и анализ известных методов нелинейной обработки импульсных коррелированных сигналов
Разработка и исследование устройств оптимальной и квазиоп гималыгой нелинейной совместной фильтрации дискретного и непрерывных параметров многоуровневых импульсных коррелированных сигналов
Разработка и исследование устройств адаптивной нелинейной совместнои фильтрации дискретного и непрерывных параметров многоуровневых им-
пульсных коррелированных сигналов
Анализ помехоустойчивости синтезированных устройств при наличии белого гауссовского шума и искажений, вызванных флуктуациями непрерывных параметров
Разработка принципов практической реализации ПУ многоуровневых импульсных коррелированных сигналов программно-аппаратными средствами
Методы исследования. При решении поставленных задач в диссертационной работе использовались методы статистической теории связи, теории условных марковских процессов, теории оптимальной фильтрации, теории вероятности и математической статистики, статистической теории выбора и принятия решении, линейной и булевой алгебры При разработке программного обеспечения применялись методы объектно-ориентированного проектирования программных систем
На защиту выносятся следующие результаты, развитые или впервые полученные в настоящей работе
Оптимальный и квазиоптимальный рекуррентные алгоритмы и устройства нелинейной фильтрации дискретного параметра многоуровневых детерминированных импульсных коррелированных сигналов
Адаптивный алгоритм и устройство нелинейной фильтрации дискретного параметра многоуровневых детерминированных импульсных коррелированных сигналов
Оптимальный н квазиоптимальный рекуррентные алгоритмы и устройства совместной нелинейной фильтрации дискретного и непрерывных параметров двоичных и многоуровневых импульсных коррелированных сигналов
Адаптивный алгоритм и устройство совместной нелинейной фильтрации дискретного и непрерывных параметров двоичных и многоуровневых импульсных коррелированных сигналов
Результаты качественных и количественных исследований эффективности и устойчивости разработанных алгоритмов нелинейной фильтрации импульсных коррелированных сигналов
Новизна научных результатов заключается в следующем
Разработаны алгоритмы и структуры приемных устройств нелинейной фильтрации дискретного параметра многоуровневых импульсных коррелированных сигналов в предположении, что дискретный параметр сигнала является дискретным марковским процессом с конечным числом значений (цепь Маркова)
Предложен метод фильтрации многоуровневых импульсных коррелированных сигналов, представленных двоичными ЛГ-разрядными числами, путем раздельной фильтрации по разрядам, позволивший значительно сократить объем памяти и вычислении, сделав их пропорциональными числу фильтруемых разрядов N, и реализовать статистическую избыточность многоуровневых коррелированных сигналов с любым конечным числом значений
дискретного параметра
Разработаны оптимальный и квазиоптимальный алгоритмы совместной нелинейной фильтрации дискретного и непрерывных параметров двоичных и многоуровневых импульсных коррелированных сигналов, показавших их высокую эффективность в повышении помехоустойчивости передачи информации при относительно простой реализации
Разработан адаптивный алгоритм совместной нелинейной фильтрации дискретного и непрерывных параметров импульсных сигналов, позволяющий обеспечить работу алгоритма фильтрации без знания априорных данных о фильтруемом процессе и требующий минимальных технических ресурсов для реализации
Проведен анализ помехоустойчивости разработанных оптимальных, квазиоптимальных и адаптивных алгоритмов совместной нелинейной фильтрации дискретного параметра, принимающего два и более значения, и двух непрерывных параметров (амплитуда и задержка), показавший возможность реализации статистической избыточности импульсных коррелированных сигналов для повышения точности передачи сообщений по дискретным каналам связи
Проведены исследования возможностей программно-аппаратной реализации алгоритмов на современных средствах цифровой обработки сиі налов
Практическая ценность работы. Практические результаты диссертационной работы могут быть использованы при разработке ПУ для совместной нелинейной фильтрации дискретного и непрерывных параметров импульсных сигналов, в которых за счет перекрестных связей между каналами измерения непрерывных параметров и каналом дискретного параметра и весовой обработки сигналов, учитывающей статистические характеристики всех парамегров, удается существенно повысить помехоустойчивость передачи информации по сравнению с известными ПУ при минимизации ресурсов на реализацию ПУ
Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на XI Международной НТК «Радиолокация, навигация, связь «RNLC-2005» (Воронеж, 2005 г); VII, VIII, IX Международных НТК «Цифровая обработка сигналов и ее применения» (Москва, 2005-2007 г), 60-и, 61-й научных сессиях, посвященных Дню радио (Москва, 2005-2006 г), 14 межрегиональной НТК «Обработка сигналов в системах наземной радиосвязи н оповещения» (Н Новгород, 2006г), Всероссийских НТК «Паука-производство-технология-экология» (Киров, 2005-2007 г),
Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 печатных рабо і, из них 2 статьи в журнале, рекомендованном ВАК, 1 депонированная рукопись, 3 статьи, 11 работ в материалах и трудах конференций
Объем и структура диссертационной работы. Диссертация содержит введение, четыре главы, заключение, список литературы Общий объем работы 138 страниц машинописного текста, список литературы содержит 73 наименования В работу включено 36 рисунков
