Введение к работе
Актуальность темы. Современный этап развития алгоритмов обработки сигналов характеризуется постоянным возрастанием роли цифровой техники. Основное преимущество цифровой обработки сигналов (ЦОС), по сравнимо с аналоговой, обусловлено возможностью достижения близких к потенциально возможным качественных характеристик радиотехнических систем (РТС) и устройств.
Значительный вклад в разработку теории и алгоритмов ЦОС внесли отечественные и зарубежные учёные Котельников В.А., ТДыпкин Я.З., Вейцель В.А., Гольденберг Л.М., Ланнэ А.А., Прохоров Ю.Н., Брюханов Ю.А., Голд Б., Раби-нер Л., Оппенгейм А.В., Каппелини В., Марпл-мл. С.Л., Уидроу Б., Коуэн К.Ф.Н., Грант П.М. и др.
В настоящее время для систем ЦОС характерны постоянное возрастание объёма обрабатываемой информации, повышение требований к качеству обработки, работа в сложной сигнально-помеховой обстановке.
Для широкого крута РТС разработаны достаточно простые алгоритмы оптимизации параметров устройств ЦОС, позволяющие получить аналитические решешга. При этом болышшство известных алгоритмов оптимизации параметров реализовано на основе критерия мшвшума среднего квадрата ошибки (СКО) или метода наименьших квадратов (МНК). Широкое применение этих алгоритмов определяется простотой и вычислительной эффективностью.
Однако присутствие таких мешающих факторов, как аддитивный шум и импульсная помеха (ИП), несоответствие порядка модели сигнала и синтезиро-ватшого устройства обработки и др. приводит к существенному ухудшению качественных показателей алгоритмов, функіщошірующих на основе критерия минимума СКО. При этом возрастает модуль максимального отклонения (ММО) сигнала ошибки па выходе устройства обработки, замедляется сходимость адаптивных алгоритмов, а в ряде случаев проявляется неустойчивость адаптивных рекурсивных фильтров. Указанное обстоятельство наиболее ярко проявляется в рекуррентных атгоритмах расчёта коэффициентов цифровых фильтров.
Наличие в цифровых системах связи, навигации и оптимального управления устройств с ограниченной апертурой (дискриминаторы, квантователи) требует, чтобы сигнал ошибки находился в пределах линейного участка амплитудной характеристики тракта. При оптимизации параметров указанных устройств ЦОС желательно ограничивать не только дисперсию, но и модуль максимального отклонения сигнала на входе устройства с ограничешюй апертурой. Для сигналов, имеющих кратковременные, резкие возрастания амплитуды, применение критерия минимума СКО приводит к значительному увеличению ММО (дішамігческого диапазона) сигнала ошибки на выходе устройств ЦОС. Это обстоятельство связано со свойствами указашюго критерия, минимизирующего средшою дисперсию ошибки в пределах выбранного блока временных отсчетов. Критерий минимума СКО оказывается нечувствительным к редким выбросам сигнала ошибки, вклад которых в величину средней дисперсии незначителен. Увеличение динамического
диапазона ошибки приводит к существенному снижению эффективности обработки сигналов в таких системах, как системы передачи речевых сигналов (PC), оптимального управлешія и др.
В условиях априорной неопределенности относительно характеристик входных сигналов оптимизация параметров устройств ЦОС осуществляется адаптивными методами. Адаптивная компенсация межсимвольной интерференции, дисперсии групповой задержки каналов передачи, идентификация и обратное адаптивное моделирование неизвестных систем цифровыми фильтрами широко применяются в системах связи и оптимального управления.
Адаптация коэффициентов фильтров в устройствах ЦОС часто осуществляется в соответствии с алгоритмом МШС Основные требования, предъявляемые к адаптивному алгоритму, состоят в получении максимально возможной скорости сходимости и минимальной величины сигнала ошибки при приемлемых вычислительных затратах. Применение алгоритма МНК при изменении параметров входного сигнала и наличии высокого уровня аддитивного шума может приводить к неудовлетворительным характеристикам и даже неустойчивости процесса адаптации.
В системах связи, оптимального управления и ряде других, принципиальным является требование обработки поступающей информации в реальном или близком к реальному масштабе времени. При этом использование в процедурах оптимизации нелинейных алгоритмов и критериев, позволяющих уменьшить ММО (динамический диапазон ошибки) и приводящих к численным методам, невозможно.
Непосредственное применение критерия оптимизации, минимизирующего абсолютное отклонение ошибки, не даёт возможности получить решения в аналитическом виде, приводит к необходимости использования в процедуре синтеза численных методов, не гараширующих сходимости к правильным решениям и требующих зігачительньгх вычислительных затрат.
Устройства ЦОС по виду импульсной характеристики могут быть отнесены к одному из двух классов: фильтры с конечной (КИХ) и бесконечной (БИХ) импульсной характеристикой. Использование того или иного класса цифровых фильтров определяется спецификой поставленной задачи. КИХ-фильтры целесообразно использовать в системах оптимальной фильтрации сигналов из смеси с аддитивным шумом, линейных предсказателях систем передачи речевой информации, системах оптимального управления, адаптивной компенсации межсимвольной интерференции и искажений каналов передачи дискретных сигналов. Преимущества БИХ-фильтров проявляются в устройствах обнаружения и оценки параметров сигналов на фоне коррелированных помех, подавления узкополосных помех, в задачах оценки параметров линейных систем с передаточной характеристикой полюсного типа, компенсации групповой задержки каналов передачи дискретной информации.
Оптимизация параметров фильтров может осуществляться либо по блоку отсчётов входного сигнала, либо адаптивными алгоритмами на основе рекуррентных соотношений. При высоком отношении сигнал - шум применение адаптив-
ных методов позволяет за меньшее время получить более точные оценки параметров. При низком отношении сигнал - шум более высокую точность обеспечивают методы блоковой оценки.
Сообщая вышеизложенное, можно сделать вывод об актуальности разработки алгоритмов оптимизации параметров КИХ- и БИХ-фильтров, эффективных в вычислительном отиошешш, слабо чувствительных к действию мешающих факторов, функционирующих в реальном или близком к реальному масштабе времени и позволяющих влиять на такой важный показатель качества, как ММО ошибки на выходе. Решение перечисленных выше задач возможно на основе алгоритмов оптимальных по комбинированному критерию минимума СКО, позволяющему косвенно влиять на ММО сигнала на выходе устройств ЦОС.
Цель и задачи работы. Основной целью работы является разработка эффективных алгоритмов оптимизации параметров устройств ЦОС, реализованных на основе КИХ- и БИХ-фильтров при блоковой и адаптивной процедурах обработки, обеспечивающих уменьшение ММО ошибки на выходе устройств ЦОС и имеюпщх слабую чувствительность к действию мешающих факторов, в интересах повышения качества функционироваїшя РТС.
Поставленная цель работы включает решение задач:
разработки алгоритмов оптимизации устройств ЦОС и синтеза моделей сигналов с требуемыми спектрально-корреляционными характеристиками, фушашонируюгцих в реальном или близком к реальному масштабе времени и позволяющих эффективно влиять на ММО сигнала ошибки;
разработки рекуррентных алгоритмов расчёта коэффициентов цифровых фильтров, устойчивых к воздействию импульсных помех;
синтеза алгоритмов адаптации коэффициентов цифровых фильтров для задач вдентификации и обратного моделирования линейных систем, обладающих высокой скоростью сходимости и меньшей чувствительностью к действию мешающих факторов по сравнению с известным алгоритмом МНК;
анализа возможностей практической реализации предложенных алгоритмов в кодеках адаптивной дифференциальной импульсно-кодовой модуляции (АДИКМ) и системах неинвазивной диагностики заболеваний голосового тракта.
Научная новизна. В рамках диссертации были получены следующие новые научные результаты.
-
Разработан на основе комбинированного критерия минимума СКО алгоритм оптимизации коэффициентов нерекурсивных фильтров оценивания, позволяющий эффективно влиять на уровень ММО ошибки фильтрации.
-
Получен устойчивый к воздействию импульсных помех рекуррентный ачгоритм расчета коэффициентов модифицировашого фильтра Калмана.
-
Предложен алгоритм оптимизации коэффициентов рекурсшнвых обратных фильтров, уменьшающий ММО ошибки выходного сигнала и обладаю-
щий устойчивостью к несоответствию порядка обратного фильтра и порядка модели входного сигнала.
4. Получены на основе комбинированного критерия минимума СКО ал
горитмы оптимизации фильтров моделирования процессов авторегрессии -
скользящего среднего (АРСС), уменьшающих ММО спектральной плотности мощности (СИМ) модели от контрольной СПМ.
5. Предложены процедуры адаптации коэффициентов цифровых
фильтров прямого и обратного моделирования линейных систем, слабо чувстви
тельные к действию мешающих факторов.
Практическая значимость диссертационной работы Представленные в работе эффективные алгоритмы оптимизации коэффициентов устройств ЦОС могут быть использованы в таких РТС, как системы передачи информации, системы радиолокации, радионавигации, оптимального управления, связи и неинвазивной диагностики. Результаты работы внедрены в разработки НИИ "Рассвет" г. Рязань и ООО "Инженерно-аналитический центр" г. Рязань. Реализация результатов исследований позволила повысить эффективность цифровых устройств обработки сигналов с точки зрения минимизации ММО ошибки и снижения чувствительности параметров РТС к влиянию помех и мешающих факторов.
Основные положения, выносимые на защиту
-
Алгоритм оптимизации коэффициентов нерекурсивных фильтров оцеїшвашія па основе комбшшровашюго критерия минимума СКО, позволяющий эффективно влиять на уровень ММО ошибки фильтрации.
-
Рекуррентный алгоритм расчёта коэффициешов модифицированного фильтра Калмана, повышающий устойчивость фильтра к воздействию импульсных помех.
-
Алгоритм оптимизации коэффициешов рекурсивных обратных фильтров, уменьшающий ММО ошибки выходного сигнала я чувствителыюсть синтезированного фильтра к неточному выбору порядка модели входного сигнала.
-
Алгоритм олтимизации параметрических моделей временных рядов, позволяющий уменьшить ММО и дисперсию отклонения СПМ модели от контрольной.
-
Алгоритмы адаптации козффициеіггов цифровых фильтров па основе комбинированного МНК, обеспечивающие высокую сходимость и меньшую чувствителыюсть к действию мешающих факторов.
Методы проведения исследований. В работе использовались методы статистической радиотехники, математической статистики, матричного исчисления, которые сочетались с экспериментальными исследованиями на основе имитационного моделирования.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических семинарах и конференциях: МНТС "Проблемы передачи и обработки информации в информационно-вычислительных сетях" (Рязань, 1995), Республиканской НТК "Биотехнические,
медицинские и экологические системы и комплексы" (Рязань, 1995), Всероссийской НТК студентов, молодых ученых и специалистов "Биотехнические, медицинские и экологические системы и комплексы" (Рязань, 1996), Всероссийской молодежной НТК "ХХШ Гагаршіские чтения" (Москва, 1997), 1-й Международной конференции "Цифровая обработка сигналов и ее применение" (Москва, 1998), Всероссийской НТК студентов, молодых ученых и специалистов "Новые информационные технологии в радиоэлектронике" (Рязань, 1998), Всероссийской НТК "Актуальные проблемы авиастроения. \ТП Всероссийские Туполевские чтения студентов" (Казань, 1998), Всероссийской НТК студентов, молодых ученых и специалистов "Биотехнические, медицинские и экологические системы и комплексы" (Рязань, 1998), The 1-st International Conference "Digital Signal Processing and its Application" (Moscow, 1998), MHTK "Совремешіьіе научно-технические проблемы гражданской авиации" (Москва, 1999), 4-й Всероссийской НТК студентов, молодых ученых и специалистов "Новые информационные технологии в научных исследовшшях и образовании" (Рязань, 1999), The 2-nd International Conference "Digital Signal Processing and its Application" (Moscow, 1999), 5-й ежегодной MHTK студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика" (Москва, 1999), 2-й Международной конференции "Цифровая обработка сигналов и ее применение" (Москва, 1999), Международной молодежной НТК "XXV Гагаршіские чтеїшя" (Москва, 1999), 1-й Всероссийской НТК "Компьютерные технологии в науке, проектироваїши и производстве" (Нижний Новгороде999), МІГТС "Проблемы передачи и обработки информации в сетях и системах телекоммушшаций" (Рязань, 1999).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 28 работ. Из них 3 статьи в центральной печати, 7 статей в межвузовских сборниках, 17 тезисов докладов на конференциях и 1 отчет по НИР.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы из 134 наименований и 4 приложений. Диссертация содержит 186 стр., в том числе 104 стр. основного текста, 11 таблиц и 62 рисуіпса.
