Введение к работе
Актуальность темы. Одной из важных задач, возникающих при проектировании радиотехнических систем (РТС) различного назначения, является синтез реализуемых сигналов и устройств обработки, удовлетворяющих заданным показателям качества. Это вызвано тем, что основные технико-экономические показатели радиолокационных (РЛС), радионавигационных и связных систем (СС) в значительной степени определяются качественными характеристиками используемых сигналов и устройств их обработки. Существенной проблемой в этом случае является обоснование отдельных показателей качества, связанных с общими критериями оптимального функционирования РТС, а также синтез наилучших по этим показателям качества сигналов и устройств обработки. Значительный вклад в эту область внесли работы, выполненные отечественными и зарубежными учеными -В.А. Котельниковым, А.А. Харкевичем, Я.Д. Ширманом, Ф.М. Вуд-вордом, К. Шенноном и др. Несмотря на множество работ по синтезу сигналов и устройств обработки, существует ряд нерешенных проблем, которые сдерживают возможности получения потенциальных показателей качества РТС.
Обычно синтез сигналов и устройств обработки осуществляется по одному, реже по двум основным показателям качества, наиболее важным для РТС. Такой подход не гарантирует обеспечение других требуемых характеристик и часто приводит к нереализуемым с точки зрения заданных параметров сигналам и устройствам обработки. В первую очередь это вызвано специфическими особенностями синтеза сигналов и устройств обработки, связанными с высокой чувствительностью получаемых решений к неточному заданию исходных данных.
Другая проблема обусловлена отклонением реальных характеристик сигналов и устройств обработки от номинальных значений. В результате наблюдается значительное ухудшение показателей качества РТС, вызванное искажениями и погрешностями, неизбежно возникающими в трактах формирования, распространения и обработки сигналов. Успешное решение этих проблем требует разработки методов синтеза, учитывающих влияние различных мешающих факторов при проектировании реализуемых сигналов и устройств обработки по многим показателям качества.
В связи с этим актуальной является задача многокритериального (МК) синтеза реализуемых сигналов и устройств обработки, обладающих требуемыми свойствами с учеюм мешающих факторов в
РТС Во?можнгкггь петения этой запачи основывается на использ< вании методов МК оптимизации, развитых в работах Л.С. Гуткин; Р. Штоера, А.Г. Зюко, И.Ф. Шахнова, Ф.Ф. Юрлова и др., а так» метода регуляризации А.Н.Тихонова, позволяющего получать у тойчивые к неточному заданию исходных данных результаты синте: с минимальным ухудшением других характеристик. Высокая эффо тивность этого метода бьша впервые продемонстрирована при решо нии задач синтеза антенн по заданной диаграмме направленности работах В.И. Поповкина, Л.Д. Бахраха. Эти исследования показал] что метод регуляризации А.Н. Тихонова обеспечивает непрерывну зависимость решения от исходных данных и, следовательно, позв< ляет получить реализуемые решения.
Для современных РТС характерны широкое использоваш дискретных сигналов и реализация устройств обработки в цифрово виде. Основополагающие результаты в этом направлении были п< лучены Д.Е. Вакманом, Л.Е. Варакиным, В.В. Пестряковы! Н.Т. Петровичем, Г.И. Тузовым, В.И. Винокуровым, В.Е. Гантмах ром, Л.М. Гольденбергом, М.И. Жодзижским, В.П. Ипатовьи Е.С. Побережским, А.Б. Голдом, Л. Рабинером, А.В. Оппенгеймо! Р.В. Шафером и др. При наличии ряда преимуществ от применеш дискретных сигналов и цифровых устройств обработки но сравн нию с аналоговыми все же не удается достичь потенциальных хара: терйстик РТС по совокупности показателей качества. Не реша< данной проблемы и использование показателя качесп "эффективность-затраты", рекомендованного в ряде работ. Действі телыго, к РТС, в которых используются дискретные сигналы кро» требований эффективного использования полосы частот и энер сигнала, предъявляются требования по устранению мешающего деі ствия взаимных, структурных и узкополосных помех, а с точки зр ния уменьшения потерь при обработке - требования к форме спе тральной плотности мощности (СПМ). Для цифровых устройств о работки сигналов основными показателями качества являются о ношение сигнал-шум квантования, вычислительные затраты и обы требуемой памяти, проведение обработки в реальном масштабе вр мени и другие. Если обработке подвергаются речевые сигналы, то этим показателям добавляется субъективное качество речи. Прив денные примеры показывают актуальность использования методі МК синтеза реализуемых сигналов и устройств обработки, позв ляющих повысить качество функционирования и помехоустойч вость РТС различного назначения.
Цель и задачи работы. Основной целью работы является разр
"\гл.фчґі по поітАПА їжттт-їгтжтчьтьчатіт^игьггх ГТГМТТГҐЧТТС» VTPTYMTrvn *-ИТТТ»*1Я ГЇ^Я-
низуемых сигналов и устройств обработки с учетом различных мешающих факторов, в интересах повышения качества функционирования и помехоустойчивости РТС.
Поставленная цель включает решение следующих задач: -разработка методов МК синтеза сигналов при заданных устройствах обработки;
'' - разработка методики МК синтеза сигналов и устройств обработки в условиях априорной неопределенности относительно искажений сигнала и вида СПМ помех;
регуляризации решений задач МК синтеза сигналов, устойчивых к неточному заданию исходных данных;
разработка методов МК синтеза фазоманипулированных сигналов и устройств их обработки;
разработка методики вычисления коэффициентов цифровых фильтров и повышения эффективности цифровых устройств обработки сигналов по нескольким показателям качества.
Весь этот комплекс актуальных задач характеризуется как теоретическое обобщение и решение крупной научно-технической проблемы, направленной на повышение качества функционирования и помехоустойчивости РТС.
Методы исследований. В работе использовались методы статистической радиотехники и математической статистики, вариационного исчисления, решения некорректно поставленных задач и вычис-ггателыгой математики. Теоретические исследования на основе теории обобщенного спектрального анализа сигналов, ортогональных, разложений и методов цифровой обработки сигналов сочетались с экспериментальными исследованиями на основе имитационного моделирования.
Научная новизна. Наиболее существенные новые научные результаты, полученные в диссертации, заключаются в следующем:
1. Разработан метод МК синтеза СПМ сигналов с максимальной избирательностью на выходе согласованного фильтра (СФ) с учетом использования таких показателей качества, как
уровень боковых лепестков отклика согласованного фильтра;
коэффициент подавления узкополосных помех;
длительность отклика на выходе согласованного фильтра;
коэффициент частотно-временной связи;
скорость изменения боковых лепестков автокорреляционной функции сигнала;
удельная и дифференциальная энтропия;
- максимум отношения сигнал-шум+помеха.
-
Определены оптимальные стратегии РТС и постановлщка помех в условиях конфликтного взаимодействия, обеспечивающие минимальное изменение цены игры при МК синтезе сигналов и систем оптимальной линейной фильтрации.
-
Осуществлен МК синтез робастного к искажениям сигнала оптимального по критерию максимума отношения сигнал-шум или минимума среднего квадрата ошибки (СКО) линейного фильтра.
-
Решена задача совместного синтеза сигнала и фильтра по критериям максимума отношения сигнал-шум+помеха и минимума эффективной ширины спектра, а также показано, что полученные в этом случае фильтры являются робастными к искажениям сигнала.
-
Предложен комбинированный критерий оптимальности базисных функций обобщенных рядов Фурье, обеспечивающий уменьшение динамического диапазона и снижение чувствительности к искажениям базисных функций ошибки аппроксимации при конечномерном представлении сигнала.
-
Произведен МК синтез оптимальной весовой функции, позволяющей при спектрально-корреляционном анализе получить минимальную среднеквадратическую ошибку оцепки СПМ сигнала, показана связь параметров этой функции с априорно известными характеристиками сигнала.
-
Разработана методика регуляризации решений задач МК синтеза реализуемого сигнала, обоснован исходя из наличия нескольких показателей качества вид стабилизирующего функционала и получены устойчивые к неточному заданию исходных данных решения.
-
Предложены комбинированные критерии приближения и разработан метод синтеза фазоманипулированных сигналов по многим показателям качества, в том числе с учетом требования подавления узкополосных и структурных помех.
-
Решена.задача МК синтеза модулирующей функции-фазоманипулированных сигналов, минимизирующей требуемую полосу частот и энергетические потери при обработке, а также осуществлена регуляризация решений данной задачи, что обеспечивает получение сигналов, имеющих максимальную скорость спада внеполосных излучений; доказана лизкая чувствительность; ширины спектра: сигналов к искажениям полученной модулирующей функции.
10. Разработан эффективный с точки зрения времени синтеза
минимума уровня боковых выбросов и потерь на обработку мето;:
определения коэффициентов весовых фильтров сжатия фазоманипу
лированных сигналов, а также осуществлена регуляризация полученных решений с целью обеспечения характеристик реализуемого фильтра, устойчивых к неточному заданию исходных данных.
-
Осуществлен МК синтез оптимальной весовой функции, используемой при расчете коэффициентов нерекурсивных фильтров методом "окна", и показана высокая эффективность этой функции по сравнению с известными ранее.
-
Разработан па основе МК подхода модифицированный метод "окна", обеспечивающий перераспределение уровня пульсаций в полосе пропускания и задерживания, а также изменение ширины переходной полосы нерекурсивного фильтра.
-
Обоснован вид комбинированного критерия оптимальности коэффициентов нерекурсивных и рекурсивных фильтров, а также показана его эффективность по снижению динамического диапазона сигнала ошибки на выходе фильтров по сравнению с критерием наименьших квадратов.
-
Решена на основе МК подхода задача восстановления речевых сигналов на выходе ортогональных кодеков при минимальной априорной информации относительного структуры входного сигнала.
-
Получены при комбинированном критерии оптимальности базисные функции, обеспечивающие низкую чувствительность к вариабельности речи алгоритмов распознавания фонем на основе ортогональных представлений сигнала.
Практическая значимость и внедрение результатов работы. Представленные в работе методы и алгоритмы МК синтеза реализуемых сигналов-и-устройств обработки с, учетом мешающих факторов в РТС могут быть использованы при-разработке помехоустойчивых, адаптивных систем радиолокации, радионавигации и широкополосной связи. Реализация результатов исследований позволит снизить требования, предъявляемые к параметрам устройств формирования и обработки сигналов, и обеспечит высокое приближение характеристик РТС к заданным.
Применение МК подхода при проектировании цифровых устройств обработки сигналов и, в частности, цифровых фильтров улучшит качественные характеристики кодеков и систем интерак і йеной связи, слабо чувствительных к вариабельности речи.
Представленные в диссертации исследования тесно связаны с рядом хоздоговорных и госбюджетных научно-исследовательских работ, выполненных в Рязанской государственной радиотехнической академии под руководством соискателя, в частности:
с 1987 г. по 1991 г. на основании решения ВПК от 5.10.85 № 328 проводилась НИР "Шашки-РВО";
с 1991 г. по 1993 г. НИР "Увеличение пропускной способности комплекса оборудования системы радиотелефонной связи "Лес-С";
с 1992 г. по 1993 г. НИР "Система предупреждения столкновений воздушных судов в условиях помех" в рамках программы "Конверсия научно-технического потенциала вузов";
с 1994 г. по 1996 г. НИР "Система предупреждения столкновений воздушных судов на базе многофункциональной метеоиавига-ционной РЛС" в рамках программы "Конверсия и высокие технологии";
-с 1994г. по 1995г. НИР "Многокритериальная оптимизация сигналов в радиотехнических системах";
-с 1996г. по 1997г. НИР "Многокритериальный синтез систем сложных сигналов";
-с 1997г. по 1998г. НИР "Естественно-языковый интерфейс системы информационного транспортного средства".
Результаты диссертационной работы нашли применение в разработках научно-исследовательского института радиостроения, г.Москва, НИИ "Рассвет", АООТ "Рязанский радиозавод", АО "Электросвязь", АООТ "Рязаньтрубопроводстрой", а также внедрены в учебный процесс РГРТА, что подтверждено соответствующими актами. Материалы диссертации использованы в 2-х курсах лекций, ряде лабораторных работ и 3-х учебных пособиях. Под руководством соискателя выполнены и защищены две кандидатские диссертации.
Основные положения, выносимые на защиту.
-
Метод МК синтеза СИМ сигналов с максимальной избирательностью на выходе согласованного фильтра с обоснованием показателей качества исходя из задач, решаемых РТС.
-
Методика МК синтеза сигналов и устройств обработки в условиях априорной неопределенности относительно искажений сигнала и вида СПМ наиболее мешающей помехи.
-
Комбинированный критерий оптимальности базисных функций обобщенных рядов Фурье, а также коэффициентов нерекурсивных и рекурсивных фильтров, обеспечивающий уменьшение динамического диапазона сигнала ошибки и снижение чувствительности полученных решений к мешающим факторам.
-
Методика регуляризации решений задач МК синтеза реализуемых сигналов с обоснованием вида стабилизирующего функционала.
-
Метод синтеза и комбинированные критерии приближения свойств фазоманипулированных сигналов к заданным по многим показателям качества.
-
Оптимальная весовая функция и модифицированный метод ''окна", обеспечивающий перераспределение уровня пульсаций в полосе пропускания и задерживания, а также изменение ширины переходной полосы нерекурсивного фильтра.
-
Результаты исследований кодеков и систем распознавания, использующих цифровые устройства обработки речевых сигналов, синтезированные по многим показателям качества.
Вклад автора в разработку проблемы. Все основные научные положения, выводы и рекомендации предложены соискателем. Кроме того, соискателем сформулированы основные идеи защищаемых методов, методик и критериев. Программные средства для анализа полученных результатов разработаны под руководством и при непосредственном участии соискателя.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на Всесоюзной конференции по распространению радиоволн (Казань, 1975 г.); 4-м всесоюзном симпозиуме "Нано и пикоее-кунднаи импульсная техника и ее применение в радиоизмерёниях" (Горький, 1979 г.); Всероссийской научно-технической конференции "Развитие и совершенствование устройств синхронизации в системах связи" (Москва, 1988 г.); Всесоюзной научно-технической конференции "Проектирование, испытания и эксплуатация систем вторичной радиолокации управления воздушным движением" (Новгород, 1989 г.); Всесоюзной научно-технической конференции "Теория и техника пространственно-временной обработки сигналов11 (Свердловск, 1989 г.); Всесоюзной научно-технической конференции "Развитие и внедрение новой техники радиоприемных устройств и обработки сигналов" (Москва, 1989 г.); международной научно-технической конференции "Научно-технический прогресс и эксплуатация воздушного транспорта" (Москва, 1990 г.); Всесоюзной научно-технической конференции "Цифровая обработка сигналов в системах связи и управления" (Ростов Великий, 1990 г.); Всесоюзной научно-технической конференции "Методы представления и обработки случайных сигналов и полей" (Харьков, 1991 г.); Всесоюзной научно-технической конференции "Цифровая обработка сигналов в системах связи и управления" (Ростов Великий, 1991 г.); Всероссийской научно-технической конференции "Применения сверхширокополосных сигналов в радиоэлектронике и геофизике" (Красноярск, 1991 г.); межреспубликанской конференции "Сигнал-92", "Анализ сигналов и
их спектров в радиоизмерениях" (Нижний Новгород, 1992 г.); Всероссийской научно-технической конференции "Радиоприем и обработка сигналов" (Нижний Новгород, 1993 г.); международной конференции "Технологии и системы сбора, обработки и представления информации" (Рязань, 1993 г.); Всероссийской научно-практической конференции "Высшая школа России и конверсия" (Москва, 1993 г.); Всероссийской научно-технической конференции "Приборы и приборные системы" (Тула, 1994 г.); Международной научно-технической конференции "Наука и техника гражданской авиации на современном этапе" (Москва, 1994 г.); 13-ом научно-техническом семинаре РНТО РЭС им. А.С. Попова "Статистический синтез и анализ информационных систем" (Рязань, 1994 г.); 49-й, 50-й, 51-й, 52-й научных сессиях РНТО РЭС им. А.С.Попова (Москва, 1994-1997 г.г.); международной конференции "Восток-Запад" "Взаимодействие человека с компьютером" (Москва, 1995-1996 г. г.); международной конференции "Технологии и системы сбора, обработки и представления информации" (Рязань, 1995 г.); международном научно-техническом семинаре "Проблемы передачи и обработки информации в информационно-вычислительных сетях" (Рязань, 1995 г.); международной научно-технической конференции "Современные научно-технические проблемы гражданской авиации" (Москва, 1996 г.); международной конференции "Дистанционное образование в России" (Москва, 1996 г.); Всероссийской научно-технической конференции "Повышение эффективности методов и средств обработки информации" (Тамбов, 1997 г.); Всероссийской научно-технической конференции "Новые информационные технологии в научных исследованиях радиоэлектроники" (Рязань, 1997 г.); международной конференции "К.Э.Циолковский - 140 лет со дня рождения. Космонавтика. Радиоэлектроника. Геоинформатика" (Рязань, 1997 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 119 работ, в том числе 3 учебных пособия, 19 статей в центральных, 3 - в международных и 45 - в региональных изданиях, 1 статья депонирована, 47 тезисов докладов на всесоюзных, всероссийских и международных конференциях, одно авторское свидетельство на изобретение. Материалы исследований, связанных с диссертацией, представлены более чем в 50 отчетах по НИР.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы из 281 наименования и 9 приложений. Общий объем работы 460 с, из них 299 с. основного текста, 4 таблицы и 101 рисунок.
