автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.14, диссертация на тему:Исследование алгоритмов рекурсивных фильтров с конечными импульсными характеристиками для весовой обработки сигналов

ВВЕДЕНИЕ.

1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ПОСТРОЕНИЯ БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИХ ЦИФРОВЫХ ФИЛЬТРОВ ДЛЯ ВЕСОВОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ.

1.1. Основные понятия и определения.

1.2. Проблемы построения фильтров для весовой обработки пространственно-временных сигналов.

1.3. Выводы и цели дальнейших исследований.

2. ИССЛЕДОВАНИЕ КАСКАДНО-ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ РЕАЛИЗАЦИИ РЕКУРСИВНЫХ КИХ-ФИЛЬТРОВ ДЛЯ ВЕСОВОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ.

2.1. Постановка задачи исследования.

2.2. Анализ и синтез рекурсивных КИХ-фильтров для весовой обработки сигналов.

2.2.1. Анализ свойств и особенностей реализации базового звена с прямоугольной КИХ.^.

2.2.2. Использование каскадных комбинаций базовых звеньев.

2.2.3. Использование параллельных комбинаций базовых звеньев.

2.2.4. Области применения базовых звеньев с прореженной прямоугольной КИХ.

2.2.5. Исследование горизонтальной параллельной ступенчатой аппроксимации КИХ.

2.2.6. Методы подавления выбросов АЧХ окна при ступенчатой аппроксимации.

2.2.7. Исследование вертикальной параллельной ступенчатой аппроксимации КИХ.

2.2.8. Применение кусочно-линейной аппроксимации КИХ.

2.2.9. Использование ступенчатой и кусочно-линейной аппроксимации КИХ на основе прореживания.

2.2.10 Методы каскадно-параллельной реализации фильтров.

2.3. Определение типа входных сигналов, для которых наиболее целесообразно применение быстрых окон.

2.4. Анализ погрешностей, возникающих при использовании быстрых окон.

2.5. Особенности реализации быстрых окон.

2.6. Оценка разрядности процессора.

2.7. Сравнительный анализ вычислительных затрат быстрых окон и других алгоритмов цифровой фильтрации.

2.8. Выводы и цели дальнейших исследований.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА БЫСТРЫХ ОКОН ДЛЯ

БОРТОВЫХ РЛС С СИНТЕЗИРОВАНИЕМ АПЕРТУРЫ.

3.1. Определение круга задач, решаемых с помощью быстрых окон в РЛС с синтезированием апертуры.

3.2. Оптимизация структуры РЛС с синтезированием апертуры.

3.3. Анализ и синтез рекурсивных КИХ-фильтров с КИХ в виде некоторых известных окон и их аппроксимаций для нефокусированных РЛС с синтезированием апертуры.

3.3.1. Использование прямоугольных окон.

3.3.2. Особенности синтеза и характеристики окон Бартлетта и Валле-Пуссена.

3.3.3. Метод синтеза окон Дольфа - Чебышева.

3.3.4. Исследование и реализация окна Гаусса.

3.3.5. Особенности синтеза окон Кайзера - Бесселя.

3.3.6. Метод разработки фильтров с КИХ в виде окна Барсилона - Темеша.

3.3.7. Методы разработки фильтров с КИХ в виде окна Хэмминга.

3.3.8. Оценка зависимостей параметров некоторых быстрых окон от максимального уровня боковых лепестков.

3.4. Анализ аппаратурных и вычислительных затрат.

3.5. Выводы.

4. РАЗРАБОТКА МНОГОМЕРНЫХ БЫСТРЫХ ОКОН.

4.1. Особенности построения многомерных цифровых фильтров.

4.2. Синтез быстрых окон для обработки изображений.

4.3. Выводы.

В настоящее время в различных областях науки и техники широко применяется цифровая обработка сигналов (ЦОС). Однако, несмотря на постоянный рост производительности устройств и систем ЦОС, актуальна задача повышения быстродействия алгоритмов ЦОС. Это обусловлено, с одной стороны, стремлением удешевить изделия путем упрощения алгоритмов и, как следствие, применения менее дорогих процессоров и систем. С другой стороны, совершенствование алгоритмов ЦОС дает выигрыш в объеме обрабатываемой информации и/или в сервисных функциях систем, что позволяет, используя существующие процессоры, решать новые, более сложные задачи. Примером такой задачи может являться обработка радиолокационных сигналов в бортовых радиолокационных станциях с синтезированной апертурой (РЛС с СА) [1, 4] в реальном масштабе времени. РЛС с СА применяются в основном для решения задач картографирования местности, навигации летательных аппаратов и воздушной разведки. Создаваемые ранее системы с аналоговой обработкой информации были трудно реализуемы вследствие громоздкости, сложности регулировки и влияния множества различных нестабильностей [5, 6]. ЦОС в РЛС с С А в какой-то мере позволила решить перечисленные проблемы, однако информация, получаемая с помощью таких систем, или не обрабатывается в реальном масштабе времени (т.е. производится запись, обработка осуществляется на земле), или используются специализированные вычислительные системы. Эти системы даже с учетом последних достижений микроэлектроники имеют высокие стоимостные и массогабаритные характеристики, поэтому используются в основном в авиации специального назначения. Но если снизить стоимость и массогабаритные характеристики, такие системы можно использовать в гражданской авиации, например для посадки самолетов в условиях плохой видимости.

Интерес представляет обработка сигналов в РЛС с СА в реальном масштабе времени. Обычно обработка радиолокационного сигнала с использованием всех принятых значений в реальном масштабе времени осуществляется лишь в случае узкой полосы картографирования вследствие большого числа цифровых сигналов и большого объема вычислений. При широкой полосе картографирования используется прореживание (децимация) полученного сигнала [7]. Идея такой обработки основана на том факте, что от одного элемента разрешения по азимуту с определенной дальности РЛС с СА принимает несколько (от единиц до десятков) реализаций отраженных сигналов. Поэтому для синтезирования апертуры использовались единицы полученных реализаций. Децимация позволила картографировать широкие полосы земной поверхности в реальном масштабе времени с ухудшением качества радиолокационной картины местности вследствие потери информации, а иногда и вследствие нарушения условия однозначного определения координат объектов.

Поэтому представляет интерес применение быстрых алгоритмов, позволяющих при широкой полосе картографирования обрабатывать всю получаемую информацию.

Другим примером возможного применения быстрых алгоритмов может служить обработка изображений в тех случаях, когда размеры импульсной характеристики двумерного фильтра, а значит и вычислительные затраты (ВЗ) достаточно велики [8 -10].

Таким образом, существует проблема повышения быстродействия алгоритмов ЦОС, в частности, весовой обработки сигналов, в связи с чем тема диссертационной работы является актуальной.

Целью диссертационной работы является исследование и разработка быстродействующих алгоритмов ЦОС для весовой обработки сигналов рекурсивными фильтрами с конечной импульсной характеристикой (РКИХФ).

Для достижения цели в настоящей работе решаются следующие задачи:

1. Анализируются существующие способы цифровой фильтрации сигналов.

2. Исследуется возможность применения РКИХФ с прямоугольной ИХ в качестве базовых звеньев (БЗ) для построения быстродействующих фильтров с конечной ИХ для весовой обработки сигналов (быстрых окон).

3. Исследуется возможность применения быстрых окон в бортовых РЛС с С А. Определяется круг задач, решаемых с помощью быстрых окон.

4. Разрабатываются новые и аппроксимируются наиболее часто употребляемые весовые функции (окна) для бортовых РЛС с СА.

5. Исследуется возможность применения быстрых окон для обработки изображений.

6. Анализируются ВЗ в системах, построенных на базе быстрых окон, а также погрешности, связанные с применением РКИХФ.

Научная новизна работы заключается в следующем.

1. Доказана возможность реализации быстрых алгоритмов ЦОС на БЗ для весовой обработки сигналов. Оценены погрешности, быстродействие синтезированных фильтров, а также зависимость выигрыша в быстродействии от порядка фильтра.

2. Предложен способ "быстрого" синтезирования апертуры со взвешиванием на основе быстрых окон для нефокусированных РЛС с СА.

3. Разработаны способы аппроксимации наиболее употребительных окон.

4. Разработаны весовые функции (окна) на БЗ для РЛС с СА, которые также могут применяться в других приложениях ЦОС.

5. Показана возможность использования быстрых окон для обработай изображений.

Практическая ценность работы заключается в следующем. Результаты проведенных исследований и разработок позволяют создавать практические варианты быстродействующих КИХ-фильтров для весовой обработки, оценивать их погрешности и быстродействие.

Предложенные весовые функции (окна), а также аппроксимация известных окон, позволяют значительно снизить требуемое число операций в нефокусированной РЛС с СА, что в свою очередь позволяет существенно уменьшить аппаратурные и/или вычислительные затраты, а также обрабатывать сигналы в реальном масштабе времени при широкой полосе картографирования на борту носителя РЛС. Двумерные окна, синтезированные по тем же принципам, могут быть использованы также для обработки полученного радиолокационного изображения местности, а также могут применяться в других приложениях ЦОС.

Результаты диссертационной работы были использованы при выполнении одной хоздоговорной и одной госбюджетной работ, что подтверждено соответствующими актами.

По результатам работы делались доклады на: Всероссийских научных конференциях "Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления", Таганрог, 1994, 1996, 1998; Всероссийской научной конференции "Новые информационные технологии. Информационное, программное и аппаратное обеспечение", Таганрог, 1995; Всероссийской научной конференции "Радиоэлектроника, микроэлектроника, системы связи и управления", Таганрог, 1997; Всероссийской научной конференции "Компьютерные технологии в науке, проектировании и производстве", Н.Новгород, 1999.

Результаты работы также докладывались в течение ряда лет на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ТРТУ.

Основные результаты работы опубликованы в 11 печатных работах.

Основные результаты работы заключаются в следующем.

1. Проведен общий анализ существующих способов цифровой фильтрации сигналов. Доказана возможность реализации или аппроксимации с заданной точностью импульсной характеристики (ИХ) цифрового фильтра структурами на базовых звеньях (БЗ) с прямоугольной ИХ. Рассмотрены различные методы аппроксимации ИХ цифровых фильтров с помощью БЗ. Определены наиболее выгодные методы с точки зрения минимизации вычислительных затрат.

2. Проанализированы погрешности, возникающие в случае применения РКИХФ. Предложен способ борьбы с погрешностями, в общем виде определены необходимые разрядности входящих в структуры сумматоров в зависимости от схемы соединения БЗ.

3. Определен круг задач, решаемых в РЛС с СА быстрыми окнами, предложен графический способ описания процесса синтезирования апертуры, оценены вычислительные и аппаратурные затраты для нефокусированной РЛС с СА с применением быстрых и классических окон.

4. Предложен способ аппроксимации классических окон прореживанием, определены границы применимости данного способа. Разработаны алгоритмы синтеза быстрых окон с малым первым боковым лепестком, характеристики данных окон занесены в таблицы.

5. Показана целесообразность весовой обработки изображений быстрыми окнами при большом размере опорной области апертуры двумерного фильтра.

Основное содержание диссертационной работы содержится в 11 печатных работах [18, 21, 22, 26, 31, 32, 36, 43, 49, 53, 54]. В опубликованных работах лично автором получены следующие результаты. В [22] приводятся результаты синтеза автором быстрых окон Бартлетта, Блэкмана, Ханна, Хэмминга, Натолла на основе БЗ с прямоугольной ИХ, а также оценка их ВЗ. В [18] - исследование возможности применения трехуровневого квантования сигналов в корреляторе знак-значение, оценка ВЗ, обобщение полученных результатов для реализации согласованных фильтров на основе ступенчатой аппроксимации ИХ с помощью БЗ с прямоугольной ИХ. В [31] приводятся результаты проведенного автором моделирования прохождения равномерно распределенного случайного процесса через линейные цифровые пространственно-временные фильтры, а также результаты оценки нормальности распределения процессов на выходе модели. В [26] - анализ возможности применения быстрых окон для обработки изображений; определение границ эффективности применения быстрых окон по сравнению с нерекурсивными КИХ-фильтрами и фильтрацией в частотной области на основе БПФ-подобных алгоритмов,

119 в том числе на основе ТЧП. В [54] - исследование возможности применения быстрых окон в РЛС бокового обзора с С А, оценка ВЗ, их сравнение с традиционными системами. В [32] разработана методика синтеза быстрых окон на основе линейной аппроксимации исходной ИХ, оценены ВЗ. В [21] предложены методы и алгоритмы синтеза конкретных типов быстрых окон (Хэмминга, Гаусса и т.п.); приведены в табличной форме параметры около ста различных окон, полученных автором в результате применения предложенных алгоритмов синтеза, дан их сравнительный анализ, оценены ВЗ. В [43] предложены алгоритмы синтеза конкретных быстрых окон с ИХ, близкой к окну Хэмминга, дан сравнительный анализ окон, в том числе анализ ВЗ. В [49] предложена структурная схема РЛС с СА на быстрых окнах с учетом особенностей окон, разработанных в [21]; предложен способ графического описания процесса синтезирования апертуры.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящей работе рассмотрены вопросы, связанные с

-исследованием и разработкой быстродействующих алгоритмов ЦОС длявесовой обработки сигналов рекурсивными фильтрами с конечной импульсной характеристикой. Основу принятого подхода составляют два момента:

- для расширения области применения разрабатываемых алгоритмов, структуры, функционирующие по этим алгоритмам, должны иметь возможность реализации как программными, так и аппаратными средствами;

- разрабатываемые алгоритмы ЦОС при применении должны обеспечивать выигрыш в объеме обрабатываемой информации и/или в сервисных функциях конструируемых систем.

Таким образом, необходим синтез структур быстродействующих фильтров, а также аппроксимация известных весовых функций (окон).

1. Радиолокационные станции обзора земли / Кондратенков Г.С. и др. -М.: Радио и связь, 1983. -272 с.

2. Реутов А.П. и др. Радиолокационные станции бокового обзора / Под ред. А.П.Реутова. М.:Сов. радио, -1970. -360 с.

3. Кузьмин С.З. Основы проектирования систем цифровой обработки радиолокационной информации. -М.: Радио и связь, 1986. -351 с.

4. Кузьмин С.З. Основы теории цифровой обработки радиолокацинной информации. -М.: Сов. радио, 1974. -432 с.

5. Царьков Н.М. Многоканальные радиолокационные измерители. -М.: Сов. радио, 1980. -190 с.

6. Радиолокационные методы исследования Земли / Под ред. Ю.А.Мельника. -М.: Сов. радио, 1980. -264 с.

7. Радиолокационные станции с цифровым синтезированием апертуры антенны / В.Н.Антипов и др. Под ред. В.Т.Горяинова. -М.: Радио и связь, 1988. -304 с.

8. Прэтт У. Цифровая обработка изображений / Пер. с англ. под ред. Д.С.Лебедева. -М.: Мир, 1982.

9. Яншин В.В. Анализ и обработка изображений: принципы и алгоритмы. -М.: Машиностроение, 1995. -111 с.

10. Антонью А. Цифровые фильтры: анализ и проектирование / Пер. с англ. В.А.Лексаченко. Под ред. С.А.Понырко. -М.: Радио и связь, 1983. -320 с.

11. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы. -М.:Высш. шк., 1983. -535 с.

12. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и игналы.-4-е изд., перераб. и доп. -М.: Радио и связь, 1986. -511 с.

13. Карташев В.Г. Основы теории дискретных сигналов и цифровых фильтров: Учеб. пособие для вузов. -М.: Высш. шк., 1982. -109 с.

14. Хэмминг Р.В. Цифровые фильтры /Пер. с англ. В.И.Ерминенко. Под ред. А.М.Трахтмана. -М.: Сов. радио, 1980. -224 с.

15. Методы синтеза быстрых алгоритмов свертки и спектрального анализа сигналов / В.А.Власенко, Ю.М.Лаппа, Л.П.Ярославский; Отв. ред. Л.П.Ярославский; АН СССР, Ин-т пробл. передачи информ. -М.: Наука, 1990.-179 с.

16. Нуссбаумер Г. Быстрое преобразование Фурье и алгоритмы вычисления сверток / Пер. с англ. под ред В.М.Амербаева, Т.Э.Кренкеля. -М.: Радио и связь, 1985. -248 с.

17. Гинзбург В.М. Формирование и обработка изображений в реальном времени: методы быстрого сканирования. -М.:Радио и связь, 1986. -231 с.

18. Олейникова Т.В., Турулин И.И. Оптимизация коррелятора знак-значение по быстродействию и отношению сигнал-помеха //Тез. докл. всерос. науч. конф. "Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления". -Таганрог, 1996. С. 225.

19. Саврасов Ю.С. Алгоритмы и программы в радиолокации. -М.: Радио и связь, 1985. -216 с.

20. Лэм Г. Аналоговые и цифровые фильтры: расчет и реализация. -М.: Мир, 1982.-592 с.

21. Турулин И.И., Олейникова Т.В. Быстродействующие рекурсивные фильтры с конечной импульсной характеристикой для весовой обработки сигналов / Таганрог, 1998. -26 с. Таганрогский гос. радиотехн. ун-тет. Деп. в ВИНИТИ 30.12.98. № 3975-В98.

22. Олейникова Т.В., Турулин И.И. Реализация быстродействующих цифровых фильтров для весовой обработки сигналов //Тез. докл. всерос. науч. конф. "Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления". -Таганрог, 1996. С. 226.

23. Турулин И.И. Некоторые методы синтеза рекурсивных фильтров с конечной импульсной характеристикой / Таганрог, 1997. -40 с.

24. Таганрогский гос. радиотехн. ун-тет. Деп. в ВИНИТИ 16.09.97. № 2877-В97.

25. Турулин И.И. Основные методы синтеза рекурсивных фильтров с конечной импульсной характеристикой / Таганрог, 1998. -111 с. Таганрогский гос. радиотехн. ун-тет. Деп. в ВИНИТИ 14.09.98. № 2780-В98.

26. Радиолокационные станции воздушной разведки / Под ред. Г.С.Кондратенкова. -М.:Воениздат, 1983. -152 с.

27. Олейникова Т.В. Турулин И.И. Применение рекурсивных фильтров с конечной импульсной характеристикой для обработки изображений //Тез. докл. всерос. науч. конф. "Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления". -Таганрог, 1998. С. 244-245.

28. Гольденберг Л.М., Матюшкин Б.Д., Поляк М.Н. Цифровая обработка сигналов. -М.: Радио и связь, 1990. -256 с.

29. Введение в цифровую фильтрацию /Под ред. Р.Ботнера, А.Константинидиса. -М.: Мир, 1976. -216 с.

30. Ширман Я.Д. Разрешение и сжатие сигналов. -М.: Сов. радио, 1974. -360 с.

31. Рабинер Л., Гоулд Б. Теория и применение цифровой обработки сигналов. -М.: Мир, 1978. -848 с.

32. Олейникова Т.В., Турулин И.И. Увеличение быстродействия гидроакустических имитационных моделей путем аппроксимации случайных процессов //Тез. докл. всерос. науч. конф. "Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления". -Таганрог, 1994.

33. Турулин И.И., Олейникова Т.В. Снижение вычислительных затрат при КИХ-фильтрации сигналов //Тез. докл. 1 всерос. науч. конф. "Компьютерныетехнологии в науке, проектировании и производстве". -Н.Новгород, 1999. Часть 4, с.ЗО.

34. Алутхин В.М., Зараковский Г.М. и др. Инжененрная психология в военном деле. /Под ред Лапова Б.Ф. -М.:Воениздат, 1983. -224 с.

35. Свистов В.М. Радиолокационные сигналы и их обработка. -М.: Сов. радиоГ19777^44^сУ

36. Ширман Я.Д., Манжос В.Н. Теория и техника обработки радиолокационной информации на фоне помех. -М.: Радио и связь, 1981.-416 с.

37. Марков С. Цифровые сигнальные процессоры. Книга 1. -М.: Микроарт, 1996. -144с.

38. Буренин Н.И. Радиолокационные станции с синтезированной антенной. -М.: Сов. радио, 1972. -160 с.

39. Справочник по радиоэлектронным системам. / Под ред. Б.Х.Кривицкого. -М.: Энергия, 1979. -368 с.

40. Ворошилов В.А. Многоканальная радиолокация с временным разделением каналов. -М.: Радио и связь, 1987. -144 с.

41. Обработка сигналов в многоканальных РЛС. /Под ред. А.П.Лукошкина. -М.: Радио и связь, 1983. -328 с.

42. Пространственно-временная обработка сигналов. / Под ред. И.Я.Кремера. -М.: Радио и связь, 1984. -223 с.

43. Турулин И.И., Олейникова Т.В. Весовая обработка сигналов с помощью рекурсивных фильтров с конечной импульсной характеритикой // Известия ТРТУ, 1998. № 3, с. 143 144.

44. Вопросы системного проектирования в радиолокации: Учебное пособие/МВ и ССО РСФСР. ТРТИ. -Таганрог, 1987. -43 с.

45. Леонов А.И., Фомичев К.И. Моноимпульсная радиолокация. -М.: Радио и связь, 1984. -312 с.

46. Справочник по радиолокации, т.2. Радиолокационные антенные устройства / Ред. М.Сколник; под общ. ред. К.Н.Трофимова. -М.: Сов. радио, 1977. -406 с.

47. Соненберг Г.Д. Радиолокационные и навигационные системы / Пер. с англ. -Л.¡Судостроение, 1982. -398 с.

48. Радиотехнические системы / Под ред Ю.М.Казаринова. -М.: Высш. шк., 1990. -495 с.

49. Турулин И.И., Олейникова Т.В. Построение локационных систем бокового обзора реального времени с синтезированной апертурой на быстрых окнах / Таганрог, 1999. 12 с. Таганрогский гос. радиотехн. ун-тег. Деп. в ВИНИТИ 99 № -В99.

50. Давыдов П.С. и др. Авиационная радиолокация: справочник / Давыдов П.С., Сосновский A.A., Хаймович И.А.; Под ред. П.С.Давыдова. -М.: Транспорт, 1984. -223 с.

51. Хэррис Ф.Дж. Использование окон при гармоническом анализе методм дискретного преобразования Фурье //ТИИЭР, т.66, №1, 1978. с. 60-96.

52. Марпл С.Л.-мл. Цифровой спектральный анализ и его приложения /Под ред И.С.Рыжакова. -М.: Мир, 1990. -584 с.

53. Олейникова Т.В. Весовая обработка близкорасположенных сигнала и помехи окнами с характеристиками типа окна Хэммигна //Тез. докл. всерос. науч. конф. "Радиоэлектроника, микроэлектроника, системы связи и управления". -Таганрог, 1997. С. 232-233.

54. Турулин И.И., Олейникова Т.В. Применение быстродействующих алгоритмов весовой обработки в радиолокаторах с синтезированной апертурой / Таганрог, 1998. -7 с. Таганрогский гос. радиотехн. ун-тет. Деп. в ВИНИТИ 20.11.98 №3409-В98.125

55. Ярославский Л.П. Введение в цифовую обработку изображений. -М.: Сов. радио, 1979.-312 с.

56. Обработка изображений и цифровая фильтрация / Под ред. Т.Хуанга;

57. Пер. с англ. -М.: Мир, 1979. -318 с.

58. Даджион Д.Э., Мерсеро P.M. Цифровая обработка многомерных сигналов /Пер. с англ. под ред. Л.П.Ярославского. -М.: Мир, 1988. -486 с.

59. Кравченко В.Ф., Крот А.М Методы и микроэлектронные средства цифровой фильтрации сигналов и изображений на основе теоретико-числовых преобразований //Успехи современной радиоэлектроники, №6, 1997.-c.3-31.

60. Шпихт Г.Ю. Цифровая обработка цветных изображений. Сканирование. Печать. Видео. Мультимедиа под Windows. -М.: ЭКОМ, 1997.-333 с.

61. Бейтс Р., Мак.Доннел М. Восстановление и реконструкция изображений /Пер. с англ. под ред. Л.П.Ярославского, -м.: Мир, 1989. -333 с.