Введение к работе
Актуальность проблемы.
С развитием цифровых систем передачи информации (СПИ) всё возрастающее значение приобретает проблема повышения их помехоустойчивости. Решение этой проблемы часто достигается повышением статистической избыточности сигналов: увеличением числа выборок на интервале корреляции непрерывного сообщения или введением искусственной избыточности путем кодирования передаваемой информации псевдослучайными последовательностями (ПСП). Реализация на приемной стороне статистической избыточности сигналов с целью повышения достоверности передачи информации, искаженной помехами, является актуальной проблемой, решение которой приводит к необходимости совершенствования известных и разработки новых методов выделения (фильтрации) сигналов из шумов. Применение простых и эффективных алгоритмов, реализующих статистическую избыточность сигналов, позволит снизить требования к преобразованию непрерывной информации в цифровую на передающей стороне и минимизировать затраты на реализацию устройств обработки информации на приемной стороне.
Учитывая нелинейный характер преобразования непрерывных сигналов в цифровые решение задачи фильтрации подобных процессов целесообразно искать с позиции теории нелинейной фильтрации. При этом, для сокращения количества вычислений важно получить рекуррентные алгоритмы статистической обработки сигналов.
Теория оптимальных методов статистической обработки информации в нелинейных задачах разработана достаточно хорошо, однако практическое применение результатов этой теории сопряжено со значительными вычислительными трудностями. Большой вклад в теорию нелинейной фильтрации внес Р.Л.Стратонович. В начале 60-х годов им были заложены основы теории нелинейной фильтрации условных марковских случайных процессов. В дальнейшем теория нелинейной фильтрации процессов Маркова получила развитие в работах И.Н.Амиантова, В.И.Тихонова, М.С.Ярлыкова, М.А.Миронова, Н.К.Кульмана, А.Н.Ширяева, Б.И.Шахтарина, Ю.Г.Сосулина и др. Теория условных марковских процессов явилась мощным инструментом, позволившим успешно решать нелинейные задачи в радиолокации, радионавигации, связи и других областях обработки информации.
Разработка алгоритмов и структур приемных устройств (ПУ), реализующих информационную избыточность коррелированных последовательностей импульсных сигналов с произвольной функцией корреляции, в силу нелинейности решаемой задачи, вызывает определенные трудности математического и практического характера. В тех случаях, когда последовательность значений дискретного параметра 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 ПУ.
В основу работы принят метод последовательного усложнения решаемых задач. Синтезируемые алгоритмы фильтрации и структуры ПУ последовательно-
стей импульсных сигналов усложняются по мере уменьшения априорных знаний о фильтруемых процессах и увеличения сложности описания их статистических характеристик. В основу работы принят метод последовательного усложнения решаемых задач. Синтезируемые алгоритмы фильтрации и структуры ПУ последовательностей импульсных сигналов усложняются по мере уменьшения априорных знаний о фильтруемых процессах и увеличения сложности описания их статистических характеристик.
Целью работы является решение научно-технической проблемы реализации статистической избыточности случайных и детерминированных последовательностей многозначных импульсных сигналов для повышения помехоустойчивости и конфиденциальности в цифровых системах передачи информации. Решение проблемы заключается в аппроксимации параметров коррелированных импульсных последовательностей марковскими процессами с дискретным и непрерывным пространством значений и использовании теории нелинейной фильтрации условных марковских процессов для синтеза алгоритмов и структур устройств оптимальной и адаптивной нелинейной фильтрации последовательностей импульсных сигналов на фоне белого гауссовского шума или структурных помех.
Для достижения цели решены следующие задачи:
-
Разработка и совершенствование методов синтеза алгоритмов нелинейной фильтрации дискретного и непрерывных параметров коррелированных последовательностей многозначных импульсных сигналов на основе представления параметров сигнала дискретнозначным марковским процессом (цепью Маркова) с конечным числом значений, либо комбинацией дискретнозначного и непрерывных марковских процессов, имеющих статистические характеристики различной сложности.
-
Синтез структур ПУ коррелированных последовательностей импульсных многозначных сигналов на основе полученных алгоритмов.
-
Разработка оптимальных, квазиоптимальных и адаптивных алгоритмов фильтрации дискретного параметра шумоподобных сигналов (ШПС), построенных на линейных рекуррентных последовательностях максимального периода (МЛРП) с произвольным основанием, представляющих собой сложные цепи Маркова с произвольным числом значений, и синтез на основе разработанных алгоритмов и структур ПУ для быстрой кодовой синхронизации многозначных ШПС.
-
Синтез структур ПУ для одновременного поиска нескольких ШПС, построенных на МЛРП с произвольным основанием.
-
Разработка методов защиты устройств быстрого поиска ШПС от структурных помех.
-
Качественный и количественный анализ помехоустойчивости синтезированных оптимальных, квазиоптимальных и адаптивных устройств быстрого поиска ШПС в условиях действия структурных помех и белого гауссовского шума.
-
Разработка принципов практической реализации синтезированных оптимальных, квазиоптимальных и адаптивных устройств нелинейной фильтрации случайных и детерминированных последовательностей многозначных импульсных сигналов.
Методы исследования. Для решения поставленных в работе задач исполь-
зуются методы статистической теории связи, теории оптимальной нелинейной фильтрации, теории условных марковских процессов, статистической теории выбора и принятия решений, рядов, интегрального счисления. Научная новизна.
-
Теория условных марковских процессов распространена на синтез алгоритмов нелинейной фильтрации случайных коррелированных и детерминированных последовательностей многозначных импульсных сигналов, представляющих собой простые и сложные цепи Маркова с произвольным числом дискретных значений.
-
Разработаны оптимальные и адаптивные алгоритмы нелинейной фильтрации и структуры устройств быстрого поиска многозначных ШПС, обеспечивающих быструю кодовую синхронизацию и высокую скрытность, на фоне белого гауссовского шума. Синтез основан на представлении дискретного параметра ШПС сложной детерминированной цепью Маркова.
-
Разработаны рекуррентные алгоритмы фильтрации и структуры устройств для одновременного приема «в целом» нескольких многозначных ШПС на фоне белого гауссовского шума. Синтез основан на представлении последовательности значений дискретного параметра ШПС сложной детерминированной цепью Маркова с большим числом значений.
-
Разработаны алгоритмы и структуры ПУ последовательностей импульсных сигналов на фоне белого гауссовского шума при медленных гауссовских и релеевских флуктуациях непрерывных параметров сигнала (амплитуды, задержки импульсов и т.д.). Синтез основан представлении дискретного параметра сигнала однородной цепью Маркова с двумя равновероятными значениями, а непрерывных параметров сигнала - гауссовскими и релеевскими марковскими случайными процессам.
-
Предложен метод подавления структурных помех (СП) в системах связи с ШПС, использующий структуры синтезированных устройств быстрого поиска ШПС для измерения параметров СП. Эффективное подавление СП достигается методом последовательной компенсации наиболее мощных СП в устройстве поиска ШПС.
Практическая значимость диссертационной работы заключается в повышении помехоустойчивости цифровых систем передачи информации за счет использования статистической избыточности, содержащейся в случайных и детерминированных последовательностях многозначных импульсных сигналов, при воздействии белого гауссовского шума или смеси белого гауссовского шума и структурных помех.
1. Разработанные алгоритмы и структуры устройств оптимальной, квази
оптимальной и адаптивной нелинейной фильтрации коррелированных после
довательностей многозначных импульсных сигналов позволяют эффективно реа
лизовать статистическую избыточность сигналов для повышения помехоустойчи
вости цифровых СПИ с импульсной модуляцией непрерывных сообщений (речи,
телеметрии и т.п.).
2. Разработанные оптимальные, квазиоптимальные и адаптивные алгоритмы и
структуры ПУ для быстрого поиска (кодовой синхронизации) ШПС, формируемых
на МЛРП с произвольным основанием, позволяют сократить время кодовой син-
хронизации ШПС в СПИ с псевдослучайным кодированием сигналов (системы связи стандарта CDMA, радиомодемы, системы радиолокации и радионавигации) по сравнению с методом посимвольной оценки Уорда, и ориентированы на реализацию минимальными техническими и временными ресурсами.
-
Разработанные алгоритмы и структуры ПУ с рекуррентным согласованным фильтром позволяют снизить время одновременного поиска нескольких ШПС, формируемых на МЛРП с произвольным основанием или комбинированных псевдослучайных последовательностях, и существенно уменьшить потребности в ресурсах при их реализации по сравнению с известными корреляционными ПУ в адресных системах связи с многостанционным доступом.
-
Разработанные алгоритмы и структуры ПУ совместной нелинейной фильтрации дискретного и непрерывных (амплитуды, задержки и т.п.) параметров последовательностей импульсных сигналов позволяют за счет весовой обработки фильтруемых параметров повысить помехоустойчивость цифровых СПИ с импульсной модуляцией в условиях гауссовских или релеевских флуктуации непрерывных параметров импульсных сигналов.
5. Разработанные алгоритмы и структуры ПУ совместной нелинейной
фильтрации параметров ШПС позволяют повысить помехоустойчивость цифро
вых СПИ с псевдослучайным кодированием сигналов в условиях гауссовских или
релеевских флуктуации непрерывных параметров импульсных сигналов.
-
Разработанные алгоритмы и структуры устройств поиска ШПС с защитой от структурных помех позволяют обнаружить, распознать и измерить параметры мощных СП и обеспечить подавление помех в устройстве поиска ШПС без значительного усложнения структуры приемного устройства.
-
Разработанные варианты цифровой реализации компонент синтезированных структур ПУ предусматривают использование передовых методов проектирования аппаратуры и современной элементной базы (сигнальных процессоров Texas Instruments и Analog Devices).
Положения, выносимые на защиту.
-
Оптимальные, квазиоптимальные и адаптивные алгоритмы и структуры устройств нелинейной фильтрации случайных многозначных последовательностей импульсных коррелированных сигналов на фоне белого гауссовского шума (глава 1).
-
Оптимальные, квазиоптимальные и адаптивные алгоритмы и структуры устройств быстрого поиска шумоподобных сигналов, сформированных на рекуррентных последовательностях максимального периода, обеспечивающие быструю кодовую синхронизацию искомого ШПС (глава 2).
-
Оптимальные алгоритмы и структуры приемных устройств для одновременного обнаружения и распознавания нескольких многозначных шумоподобных сигналов на фоне белого гауссовского шума (глава 3).
-
Алгоритмы и структуры устройств совместной нелинейной фильтрации дискретного и непрерывных параметров коррелированных последовательностей импульсных сигналов на фоне белого гауссовского шума при наличии гауссовских или релеевских флуктуации непрерывных параметров импульсных сигналов (глава 4).
-
Алгоритмы и структуры устройств быстрого поиска шумоподобных сиг-
налов при гауссовских флуктуациях амплитуды и задержки радиоимпульсов сигнала (глава 5).
-
Структуры приемных устройств шумоподобных сигналов с защитой от структурных помех (глава 6).
-
Принципы аппаратно-программной реализации синтезированных устройств на современной цифровой элементной базе (глава 7).
Достоверность материалов диссертационной работы подтверждается использованием апробированного математического аппарата условных марковских процессов; совпадением теоретических результатов с практическими, полученными статистическим моделированием синтезированных алгоритмов приема коррелированных последовательностей импульсных многозначных сигналов и оценкой работы аппаратно-программных реализаций синтезированных алгоритмов на сигнальных процессорах TMS320C6713, TMS320C6711.
Личный вклад автора.
Выносимые на защиту положения предложены автором в ходе выполнения инициативных НИР на кафедре радиоэлектронных средств Вятского государственного университета в период с 1997 по 2007 г. В научных работах лично автором синтезированы основные алгоритмы нелинейной фильтрации и структуры ПУ последовательностей многозначных импульсных сигналов, проведен их теоретический анализ и исследование методами статистического моделирования. Аппаратно-программная реализация алгоритмов проводилась коллективом исследователей при личном участии автора.
Внедрение результатов работы.
Ряд задач диссертации решен в ходе выполнения гранта Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых № МК-894.2008.9 «Разработка алгоритмов и устройств быстрой кодовой синхронизации в системах связи с кодовым разделением каналов».
Результаты диссертационной работы внедрены:
при разработке экспериментальных образцов программно-аппаратных цифровых комплексов приема ШПС в «ФГУП НИИ Средств вычислительной техники», г.Киров;
в комплекте специального программно-математического обеспечения RestSig06vl для цифровой обработки сигналов и изображений, разработанного в рамках выполнения совместной НИР с «ФГУП НИИ прикладных проблем» (г. Санкт-Петербург);
в процессе выполнения НИР по разработке макетных образцов георадара и доплеровского радара в рамках сотрудничества с Корейским политехническим университетом (г.Сеул);
в учебном процессе и методическом обеспечении лекционных и практических занятий спецкурсов «Теория оптимального приема сигналов» и «Проектирование цифровых систем» для студентов спец. 210303 «Бытовая радиоэлектронная аппаратура», 210403 «Защищенные системы связи» и 210406 «Системы связи и коммутации», а также выполнении курсового и дипломного проектирования.
Программно-аппаратная реализация цифровой части разработанных приемных устройств выполнена с использованием сигнальных процессоров серий TMS320C6713, TMS320C6711, ADSP-2189M. Спроектирована универсальная
плата цифровой обработки сигналов на основе высокопроизводительного процессора TMS320C6713.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных НТК: «2004 International Technical Conference on Circuits/Systems, Computers and Communications "ITC-CSCC"» - Япония, «2004 Autumn Conference of Korea Navigation Institute» -респ. Корея, «International symposium on Advancement of Aerospace Education and Collaborative Research in the 21st Century» - респ. Корея, 2004 г., «Радиолокация, навигация, связь» - Воронеж, 2000-2006 г., «Цифровая обработка сигналов и ее применение» - Москва, 2002-2006 г.; «Обработка сигналов в системах телефонной связи и вещания» - Н.Новгород, 2006 г.; всероссийских НТК: «Современные проблемы создания и эксплуатации радиотехнических систем» - Ульяновск, 1999 г., «Наука-производство-технология-экология» - Киров, 1998 - 2008 г.
Публикации. Результаты диссертационной работы изложены в 80 публикациях, из них - 1 монография, 3 учебных пособия и 29 статей, в том числе 11 - в центральной печати: журналы «Радиотехника и электроника», «Труды учебных заведений связи», «Вестник ИжГТУ», «Интеллектуальные системы в производстве», «Вестник МЭИ», «Известия высших учебных заведений. Радиофизика», «Инфокоммуникационные технологии», «Системы управления и информационные технологии», «Вестник МГТУ им.Н.Э.Баумана».
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 7 глав, заключения и списка литературы и изложена на 293 страницах машинописного текста.
