Введение к работе
Актуальность работы. Наблюдаемое в последние годы активное развитие сотовых систем связи, пейджерных систем, других радиосредств передачи информации влечет за собой постоянное и существенное усложнение радиообстановки в KB- и УКВ-диапазонах. Увеличение плотности загрузки указанных радиодиапазонов приводит при разработке современных систем передачи информации (СПИ) к необходимости принятия специальных мер для борьбы с непреднамеренными помехами (внеполосными и паразитными излучениями), а также помехами от незарегистрированных, нарушающих установленное распределение частот источников радиоизлучений (ИРИ), совместное действие которых может существенно ухудшать качество передачи информации в СПИ. Одним из возможных способов повышения эффективности работы СПИ является выполнение глобального и оперативного (текущего) радиомониторинга.
Особое значение в последнее время приобретает разработка средств радиомониторинга на основе цифровой обработки сигналов. Это объясняется тем, что современные сигнальные процессоры и персональные ЭВМ, с одной стороны, обладают высоким быстродействием, которое позволяет решать многие задачи РМ (прежде всего относящиеся к узкополосной обработке) в режиме реального времени, с другой - предоставляют широкие возможности для накопления, хранения, передачи, обработки и отображения результатов анализа. Кроме того, цифровая обработка сигналов нередко позволяет существенно повысить качество работы системы и расширить ее функциональные возможности путем совершенствования программного обеспечения без существенных доработок аппаратуры.
Осложняет разработку цифровых систем радиомониторинга тот факт, что наиболее важные задачи РМ относятся к области широкополосной обработки. Именно, при исследовании радиообстановки в широком диапазоне частот появляется возможность одновременно оценивать количество и параметры всех присутствующих в данный момент сигналов, исследовать корреляцию между моментами их появления в эфире и прекращения работы, контролировать на этой основе происхождение и принадлежность радиопомех и выявлять взаимодействующие ИРИ.
Несмотря на наличие ряда работ, посвященных статистической теории разрешения, многие проблемы практической разработки алгоритмов и аппаратуры цифрового широкополосного радиомониторинга (ЦШРМ) остаются открытыми. В частности, из-за высокой насыщенности KB- и УКВ-циапазонов ИРИ различного назначения, разнообразия используемых видов и параметров модуляции разрешение-оценивание сигналов при ЦШРМ приходится выполнять в условиях существенной априорной ^определенности.
Вычислительная сложность алгоритмов ЦШРМ, получаемых на осно-5е классической статистической теории разрешения, существенно зависит
от априорных данных о разрешаемых сигналах, а также используемых критериев оптимизации и оказывается обычно значительной. Вместе с тем динамично изменяющаяся радиообстановка требует обеспечения при ЦШРМ достаточно высокого быстродействия. В связи с этим возникают проблемы выбора критериев оптимизации процедур обработки, поиска методов уменьшения вычислительной сложности алгоритмов разрешения-оценивания. В некоторых случаях для повышения быстродействия процедур радиомони >:.инга приходится жертвовать качеством формируемых оценок и перехопіть к использованию квазиоптимальных алгоритмов.
Специфическая особенность ЦШРМ связана также с применением высокой частоты дискретизации, необходимой для неискаженного представления в цифровой форме анализируемых сигналов, вследствие чего темп формирования данных, содержащих информацию об исследуемом процессе,, значительно превышает предельно достижимую на современном этапе скорость их обработки.
Все вышесказанное подтверждает актуальность исследования вопросов разработки оптимальных (квазиоптимальных) алгоритмов разрешения-оценивания сигналов, применяемых в каналах связи СПИ, применительно к условиям совместной работы этих сигналов в широкой полосе частот, а также методов повышения эффективности широкополосной цифровой обработки сигналов.
Целью диссертационной работы является: разработка цифровых алгоритмов широкополосного радиомониторинга для систем передачи информации, обеспечивающих высокое качество разрешения-оценивания сигналов в условиях априорной неопределенности.
Для достижения указанной цели в работе решались следующие задачи:
-
Статистический синтез алгоритмов разрешения узкополосных сигналов и оценки их параметров - центральной частоты и ширины спектра -применительно к различным критериям оптимизации в условиях известной и неизвестной интенсивности сигналов и шума.
-
Анализ характеристик качества разрешения, точности получаемых оценок и вычислительной сложности алгоритмов.
-
Исследование особенности дискретизации сигналов и возможностей повышения разрешающей способности по частоте при цифровом широкополосном радиомониторинге.
-
Разработка инженерных рекомендаций по проектированию и оптимизации широкополосных систем радиомониторинга.
Методы исследований. Для решения перечисленных задач были использованы методы математической статистики, теории статистических решений, статистической теории синтеза совместно оптимальных алгоритмов, аппарат теории вероятностей, аналитические и асимптотические
летоды математического анализа. Основные теоретические результаты проверены путем статистического моделирования.
Научпая новизна работы состоит в следующей:
-
Синтезированы оптимальные (квазиоптимальные) алгоритмы раз-эешения-оценивания сигналов применительно к различным критериям штимальности, отличающиеся способом преодоления априорной неопре-іеленности относительно спектральной плотности мощности анализиру-;мых узкополосных сигналов и шума.
-
Исследованы статистические характеристики и оценена вычисли-ельная сложность разработанных алгоритмов разрешения-оценивания игналов.
-
Разработаны квазиправдоподобные оценки спектральной плотности ющности шума, отличающиеся (при незначительных потерях в качестве) аметно меньшей вычислительной сложностью, чем максимально правдо-годобные оценки.
-
Предложен новый способ повышения разрешающей способности по іастоте при широкополосной цифровой обработке сигналов, не снижа-ощий быстродействия и позволяющий одновременно минимизировать іеравномерность по частоте спектральных оценок.
Практическая ценпость работы состоит в следующем:
1. Реализованы практически алгоритмы разрешения-оценивания
узкополосных сигналов со случайными параметрами, наблюдаемых на
фоне шума известной и неизвестной интенсивности.
-
Разработана методика выбора процедуры обработки сигналов в широкополосном канале цифровых систем радиомониторинга, обеспечивающая при заданных требованиях к быстродействию минимально возможную вероятность ошибочного разрешения сигналов и высокую точность щенки их параметров.
-
Получена совокупность расчетных и экспериментальных данных, характеризующих качество разрешения-оценивания сигналов при широкополосном радиомониторннге.
-
Предложен метод фрагментированного накопления отсчетов при широкополосной цифровой обработке сигналов, вариант построения блока дискретизации и квантования и специализированная весовая функция, эбеспечивающие формирование спектральных оценок, обладающих предельно возможной разрешающей способностью (2 бина) при уровне боковых лепестков спектра -88 дБ и неравномерностью по частоте периодограммы спектральной плотности мощности 3 дБ.
Реализация и внедрение результатов исследований.
Результаты работы послужили основой разработки программного обеспечения аппаратуры служебного назначения "Горизонт-10" в в/ч 11135. Теоретические результаты используются в учебном процессе
> . на кафедре радиотехники ВГТУ в курсах дисциплин "Теория вероятч ностей и случайные процессы в радиотехнике" и "Радиотехнические цепи и сигналы".
Основные положения, выносимые на защиту.
-
Квазиправдоподобные оценки спектральной плотности мощности шума в диапазоне частот, содержащем узкополосные сигналы с неизвестными параметрами.
-
Квазиоптимальные алгоритмы разрешения-оценивания узкополосных сигналов, синтезированные применительно к условиям априорной неопределенности о спектральной плотности мощности шума и параметрах разрешь уплх сигналов.
-
Результаты анализа показателей качества разработанных алгоритмов разрешения-оценивания.
-
Методика выбора оптимальной процедуры широкополосного цифрового радиомониторинга.
-
Метод повышения разрешающей способности по частоте при широкополосной цифровой обработке, основанный на фрагментированном накоплении отсчетов, и специализированная весовая функция, позволяющая улучшить качественные характеристики спектральных оценок пс сравнению с классическими весовыми функциями.
-
Программы, реализующие синтезированные алгоритмы разрешения-оценивания сигналов.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Всероссийском совещании-семинаре "Высокие технологии в проектировании технических устройств и автоматизированных систем" (Воронеж, 27-30 сентября 1993 г.); I Всероссийской научно-практической конференции "Перспектива развития радиоприемной, электроакустической, студийной и звукоусилительной техники" (С.-Петербург, 10-11 ноября 1993 г.); Всероссийском совещании-семинаре "Математическое обеспечение высоких технологий в технике, образовании и медицине" (Воронеж, 28 июня-1 июля 1995 г.); совещании-семинаре "Вопросы помехозащищенности средств передачи и приема дискретной и аналоговой информации" (Воронеж, 25 апреля 1995 г.); II Межвузовской научно-технической конференции "Перспективы развития средств и способов РЭБ" (Воронеж, 23 мая 1995 г.), XIII Военной научной конференции (Москва, 24-25 мая 1995 г.); ежегодных научных конференциях профессорско-преподавательского состава ВГТУ.
Публикации. Основные результаты проделанной работы опубликованы в 12 печатных работах: 8 статьях и тезисах 4 докладов.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и включает 239 страниц машинописного
текста, 77 рисунков, 7 таблиц, список литературы из 109 наименований, 1 приложение.
