Введение к работе
Актуальность: Большинство современных систем обработки информации и управления содержат блоки цифровой обработкой сигналов (ЦОС). Ключевым звеном большого числа подобных систем является фильтр, который требуется для подготовки информационных сигналов к определению их основных характеристик – амплитуды, фазы и частоты. Причем для многих применений требуются мгновенные значения этих параметров. В аналоговой технике существует большое число подходов к определению амплитуды, фазы и частоты, основывающихся на дифференциальных, разностных методах. Их перенос в цифровую форму приводит к частичной потере информации и внесению дополнительных ошибок из-за снижения разрядности чисел. Поэтому использование интегральных методов при построении цифровых систем обработки информации и управления процессами является предпочтительным.
В теории обработки информационных сигналов используется их перевод в гильбертово пространство, но преобразование Гильберта физически не осуществимо. Другим методом является разложение сигнала на базисные ортогональные функции, что является трудоемкой операцией, требующей больших вычислительных ресурсов. Так как для большинства применений не требуется бесконечный диапазон частот, то задачу обработки информационных сигналов возможно решить с помощью полосового ортогонального фильтра, использованного в качестве базисной функции.
Для построения ортогональных полосовых фильтров требуется ортогональное преобразование. Свойством ортогональности обладает преобразование Фурье. Кроме него развиваются и новые методы, например, появившийся в конце 80-х годов метод вейвлет-анализа. В своих работах вейвлет-анализ используют такие Российские ученые, как Н.М. Астафьева, В.П. Дьяконов, В.В. Корепанов, М.А. Кулеш, И.Н. Шардаков, Л.В. Новиков, А.П. Петухов, А.Н. Яковлев и др.
Развитие науки и техники предъявляет все более жесткие требования к системам анализа, управления и обработки информации. От таких систем требуется: локализация особенностей нестационарных сигналов во временной области, отсутствие эффекта Гиббса; нечувствительность к сдвигу ноль-линии; высокое подавление вне полосы обработки; высокая равномерность амплитудной и линейность фазовой характеристики в полосе пропускания; идентичность спектров для качественного восстановления аналитического сигнала.
Использование интегральных методов обработки сигналов вступает в противоречие с необходимостью отслеживания мгновенных значений амплитуды, фазы и частоты сигналов. Таким образом, существует научная проблема поиска новых принципов построения цифровых систем, сочетающих в себе достоинства как интегральных, так и дифференциальных методов обработки информации. Развитие теории вейвлет-анализа дает предпосылки для создания систем анализа, управления и обработки информации на базе нового класса фильтров, обладающих всеми перечисленными свойствами.
Целью работы является: Повышение точности, помехозащищенности и в целом эффективности систем обработки информации в реальном масштабе времени, в том числе и для систем управления различными объектами.
Объект исследования: системы обработки информации различной природы на базе ортогональных вейвлет-фильтров.
Предмет исследования: математическое и программное обеспечение систем анализа, управления и методы синтеза систем цифровой обработки информации на основе ортогональных преобразований.
Методы исследования базируются на применении математического аппарата свертки, теории спектрального анализа сигналов и цифровой обработки сигналов.
Эффективность алгоритмов и методов синтеза ортогональных фильтров, наследующих свойства вейвлет-функций, оценивалась в реальных условиях на реальных сигналах с использованием программно-аппаратного стенда (ПАС) на базе ПЛИС фирмы Xilinx.
Научная и теоретическая новизна:
1. Разработаны основы теории синтеза систем обработки информации на базе ортогональных вейвлет-фильтров с новыми свойствами на основе модифицированной вейвлет-функции Морле, обеспечивающих требуемое качество обработки информации при заданном отношении сигнал/шум, с учетом частотно-временных особенностей сигнала;
2. Для проектирования цифровых ортогональных вейвлет-фильтров систем обработки сигналов в реальном времени созданы:
– математический базис;
– базовые структуры;
– модели реализации модифицированной вейвлет-функции Морле и ортогональных полосовых вейвлет-фильтров.
3. Разработанный класс ортогональных вейвлет-фильтров за счет применения расчетно-аналитических выражений, связывающих границы интегрирования модифицированной вейвлет-функции Морле с ее полосой пропускания и добротностью, с учетом эффектов квантования и дискретизации в отличие от традиционных фильтров обладает:
– нечувствительностью к эффекту Гиббса;
– нечувствительностью к сдвигу ноль-линии;
– высоким подавлением вне полосы пропускания;
– высокой равномерностью амплитудной и линейностью фазовой характеристик в полосе пропускания;
– идентичностью спектров реальной и мнимой части ортогональных фильтров, что важно для качественного восстановления аналитического сигнала.
4. Разработаны высокопроизводительные алгоритмы формального построения целочисленной модифицированной вейвлет-функции Морле и целочисленных ортогональных полосовых вейвлет-фильтров.
Практическая ценность работы.
Использование разработанных теоретических подходов, моделей, методов и алгоритмов проектирования вейвлет-фильтров и базовых структур позволяет:
1. Синтезировать системы реального времени для обработки одномерных цифровых потоков информации, которые, в отличие от существующих систем, имеют на выходе сразу мгновенные значения амплитуды, фазы и частоты, что существенно упрощает построение систем анализа, оптимизации, управления, принятия решений, использующих в своей работе одномерные потоки информации.
2. Повышать точность и помехозащищенность систем обработки сигналов в реальном времени.
3. Создавать как цифровые аналоги существующих систем обработки данных, так и новые измерительные средства.
4. Повышать эксплуатационные характеристики изделия за счет использования алгоритмов, базирующихся на строгих математических выражениях, вследствие чего снижаются требования к аналоговой части приборов и не требуется настройка последних высококвалифицированными специалистами.
5. Синтезировать ортогональные вейвлет-функции и вейвлет-фильтры с требуемыми характеристиками без дополнительных итераций.
Описанные применения являются ключевыми для разных направлений обработки сигналов, таких как:
– системы ультразвукового исследования свойств и состояния вещества;
– цифровые системы измерения параметров изоляции высоковольтного оборудования;
– цифровые приемники эталонных сигналов частоты и времени;
– цифровые системы анализа сигналов доплеровского сдвига частоты;
– системыобработки информации для программно-зависимого радио;
– RFID технологии (Radio Frequency Identification).
Практическая реализация работы:
Предложенные теория синтеза, методы и алгоритмы построения ортогональных фильтров, наследующих свойства вейвлет-функций и базовые структуры модулей аппаратного вейвлет-преобразования, позволили разработать ряд изделий, которые используют ЗАО «НПО «Электрум», г. Санкт-Петербург, ЗАО «Диатранс» г. Москва, «НИИТеплоприбор», г. Москва, КБ «Арматура», филиал ГКНПЦ им. Хруничева, отделение в г. Ковров, ОАО Завод им. В.А. Дегтярева, г. Ковров, ОАО «ВКБР», г. Владимир, ОАО «Зеленоградский инновационно-технический центр», ООО «Центр инновационных технологий», г. Ковров, ОАО «Прибор РСТ», г. Ковров, ЗАО «ИДМ – ПЛЮС» г. Москва, ЗАО НПО «Измерительные системы» г. Ковров.
Часть работы выполнялась в рамках проведения ОКР по теме: «Разработка архитектуры и основных компонентов унифицированной параметризованной платформы для высокопроизводительных «систем-на-кристалле» Шифр 2007-9-2.7-00-01-003, основанием для проведения ОКР являлось решение Конкурсной комиссии Роснауки № 24 протокол № 6 от 24, августа 2007 г.
Результаты, полученные в ходе выполнения диссертационной работы, используются в учебном процессе и научных исследованиях кафедры физики ФБГОУ ВПО «Ковровская Государственная технологическая академия им. В.А. Дегтярева».
Положение, выносимое на защиту: Анализ поведения векторной диаграммы сигналов в цифровых системах обработки одномерных потоков информации систем реального времени, в отличие от существующих методов, позволяет не просто получать поток отфильтрованных отсчетов, а получать поток мгновенных значений амплитуды, частоты и фазы анализируемых сигналов, в том числе и в условиях действия помех. Потоки мгновенных значений амплитуды, частоты и фазы являются ключевыми параметрами систем анализа, оптимизации, управления, принятия решений и обработки информации в реальном времени.
На защиту выносятся:
– основы теории параметрического синтеза систем обработки информации на базе ортогональных вейвлет-фильтров с модифицированной вейвлет-функцией Морле;
– базовые принципы синтеза ортогональных нерекурсивных целочисленных вейвлет-фильтров с заданными параметрами, в том числе с высокостабильной амплитудной характеристикой в полосе пропускания;
– высокопроизводительные алгоритмы выбора коэффициентов ортогональных фильтров с требуемыми характеристиками в системах реального времени на базе модифицированной вейвлет-функции Морле;
– базовые структуры цифровых устройств, использующих интегральный метод обработки потоков сигналов с помощью цифровых ортогональных вейвлет-фильтров.
Таким образом, в виде совокупности названных положений выносятся на защиту научно-технические результаты, вносящие вклад в дальнейшее развитие теории и практики создания цифровых систем обработки информации.
Апробация результатов работы и публикации:
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях:
– Научно–техническая конференция «Управление в технических системах», (Ковров, 1998);
– Всероссийская научно-техническая конференция «Компьютерные технологии в науке, проектировании и производстве». (Нижний Новгород, 1999, 2000);
– Всероссийская научно-техническая конференция, «Компьютерные технологии в науке, проектировании и производстве» (Нижний Новгород, НГТУ, 2000);
– V Всероссийская научно-техническая конференция «Методы и средства измерений физических величин» (Нижний Новгород, 2000);
– Международная научно-практическая конференция «Теория, методы и средства измерений, контроля и диагностики» (Юж.-Рос. гос. технич. ун-т. Новочеркасск: ЮРГТУ, 2000);
– Всероссийская научно-техническая конференция, посвященная 65-летию факультета ИСТ НГТУ «Информационные системы и технологии. ИСТ-2001» (Нижний Новгород, НГТУ, 2001);
– Международная научно-техническая конференция «Новые методологии проектирования изделий микроэлектроники» (Владимир, ВлГУ, 2002);
– Всероссийская научно-техническая конференция «Информационные системы и технологии. ИСТ-2002» (Нижний Новгород, НГТУ, 2002);
– VII научно-методическая конференция стран содружества «Современный физический практикум» (Санкт-Петербург, 2002);
– Российская научно-техническая конференция «Информационные технологии в проектировании, производстве и образовании» (Ковров, КГТА, 2002);
– Тринадцатая всероссийская научно-техническая конференция (Computer-BasedConference) «Информационные технологии в науке, проектировании и производстве» (Нижний Новгород, 2004);
– Международная научно-техническая конференция «Новые методологии проектирования изделий микроэлектроники (Newdesignmethodologies)» (Владимир, 2004);
– Ежегодная XIX международная Интернет-ориентированная конференция молодых ученых и студентов по современным проблемам машиноведения МИКМУС-2007 (Москва, 2007);
– XIII научная конференция по радиофизике, посвященная 85-летию со дня рождения М.А. Миллера (Нижний Новгород, 2009 г.);
– IV межотраслевая конференция с международным участием аспирантов и молодых ученых «Вооружение. Технология. Безопасность. Управление» (Ковров, 2009).
Основное содержание диссертации отражено в 50 научных трудах, из них 15 статей в изданиях, рекомендованных ВАК для публикации результатов кандидатских и докторских диссертаций, 2 монографии, 8 патентов.
Структура диссертации: Диссертационная работа состоит из введения, семи глав и заключения, основной текст изложен на 235 стр., включает 12 таблиц, 97 рисунков, список литературы из 186 наименований.
