автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.17, диссертация на тему:Многокритериальный синтез реализуемых сигналов и устройств обработки с учетом мешающих факторов в радиотехнических системах

РГ 5 ОД На правах рукописи

' 2 тъ

КИРИЛЛОВ СЕРГЕЙ НИКОЛАЕВИЧ

МНОГОКРИТЕРИАЛЬНЫЙ СИНТЕЗ РЕАЛИЗУЕМЫХ СИГНАЛОВ И УСТРОЙСТВ ОБРАБОТКИ С УЧЕТОМ МЕШАЮЩИХ ФАКТОРОВ В РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ

Специальность: 05. 12.17 -"Радиотехнические и телевизионные системы и устройства"

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Рязань -1997

Работа выполнена в Рязанской государственной радиотехнической

академии

Научный консультант

Официальные оппоненты

-лауреат Государственной премии СССР, доктор технических наук, профессор По-повкин В. И.

- доктор технических наук, профессор Губонин Н. С.

- доктор технических паук, профессор Переверткин С. М.

- доктор технических наук, профессор Суслонов С. Ф.

Ведущая организация - Научно-исследовательский

институт радиостроения, г. Москва

Защита состоится 199? г. в часов на за-

седании диссертационного совета Д 063.92.01 по присуждению ученой степени доктора технических наук в Рязанской государственной радиотехнической академии по адресу 391000, Рязань, ГСП, ул. Гагарина, 59/1

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке РГРТА

Автореферат разослан " " Н0л5>^><% 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук ^¿/ь >---- В. И, Жулев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 (PJIC), 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, A.A. 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 учетом мешающих факторов в

РТС Во?можнгкггь решения этой дагтачи основывается на использ< вании методов МК оптимизации, развитых в работах JI.C. Гуткин Р. Штосра, А.Г. Зюко, И.Ф. Шахнова, Ф.Ф. Юрлова и др., а такя метода регуляризации А.Н.Тихонова, позволяющего получать у тойчивые к неточному заданию исходных данных результаты синте: с минимальным ухудшением других характеристик. Высокая эффа тивность этого метода была 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 непрерывку 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, JI.E. Варакиным, В.В. Пестряковьп Н.Т. Петровичем, Г.И. Тузовым, В.И. Винокуровым, В.Е. Гантмах ром, JI.M. Гольденбергом, М.И. Жодзижским, В.П. Ипатовьп Е.С. Побережским, А.Б. Голдом, JI. Рабинером, A.B. Оппенгеймо! Р.В. Шафером и др. При наличии ряда преимуществ от применен! дискретных сигналов и цифровых устройств обработки но сравн нию с аналоговыми все же не удается достичь потенциальных хара: теристик РТС по совокупности показателей качества. Не реша< данной проблемы и использование показателя качесп "эффективность-затраты", рекомендованного в ряде работ. Действ) телыю, к РТС, в которых используются дискретные сигналы кроа требований эффективного использования полосы частот и энергт сигнала, предъявляются требования по устранению мешающего да ствия взаимных, структурных и узкополосных помех, а с точки зр ния уменьшения потерь при обработке - гребования 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 метод« 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

20ттс2 сс"0па »*т1Агл1спмтрт>паттиилт гтлггтлтта **ртлттлп гшттр7я лря-

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 филыров 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-гштельной 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 частотпо-временной связи;

- скорость изменения боковых лепестков автокорреляционной функции сигнала;

- удельная и дифференциальная энтропия;

- максимум отношения сигнал-шум+помеха.

2. Определены оптимальные стратегии РТС и постановщика помех в условиях конфликтного взаимодействия, обеспечивающие минимальное изменение цены игры при МК синтезе сигналов и систем оптимальной линейной фильтрации.

3. Осуществлен МК синтез робастного к искажениям сигнала оптимального по критерию максимума отношения сигнал-шум или минимума среднего квадрата ошибки (СКО) линейного фильтра.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. Решена на основе МК подхода задача восстановления речевых сигналов на выходе ортогональных кодеков при минимальной априорной информации относительного структуры входного сигнала.

15. Получены при комбинированном критерии оптимальности базисные функции, обеспечивающие низкую чувствительность к вариабельности речи алгоритмов распознавания фонем на основе ортогональных представлений сигнала.

Практичесгсая значимость и внедрение результатов работы. Представленные в работе методы и алгоритмы МК синтеза реализуемых сигналов и устройств обработай а 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 интерактивной 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 метеонавигационной 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 1997 г. по 1998г. НИР "Естественно-языковый интерфейс системы информационного транспортного средства".

Результаты диссертационной работы нашли применение в разработках казино-исследовательского института радиостроения, г. Москва, НИИ "Рассвет", АООТ "Рязанский радиозавод", АО "Электросвязь", АООТ "Рязаньтрубопроводетрой", а также внедрены в учебный процесс РГРТА, что подтверждено соответствующими актами. Материалы диссертации использованы в 2-х курсах лекций, раде лабораторных работ и 3-х учебных пособиях. Под руководством соискателя выполнены и защищены две кандидатские диссертации.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Метод МК синтеза СИМ сигналов с максимальной избирательностью на выходе согласованного фильтра с обоснованием показателей качества исходя из задач, решаемых РТС.

2. Методика МК синтеза сигналов и устройств обработки в условиях априорной неопределенности относительно искажений сигнала и вида СПМ наиболее мешающей помехи.

3. 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.

4. Методика регуляризации решений задач МК синтеза реализуемых сигналов с обоснованием вида стабилизирующего функционала.

5. Метод синтеза и комбинированные критерии приближения свойств фазоманипулированных сигналов к заданным по многим показателям качества.

6. Оптимальная весовая функция и модифицированный метод ''окна", обеспечивающий перераспределение уровня пульсаций в полосе пропускания и задерживания, а также изменение ширины переходной полосы нерекурсивного фильтра.

7. 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 па Всесоюзной конференции по распространению радиоволн (Казань, 1975 г.); 4-м всесоюзном симпозиуме "Нано и пикосе-куиднаи 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 сигналов1' (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 свсрхширокополосных сигналов в радиоэлектронике и геофизике" (Красноярск, 1991 г.); межреспубликанской конференции "Ситал-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. A.C. 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 е., из них 299 с. основного текста, 4 таблицы и 101 рисунок.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы, дан обзор состояния вопроса, сформулированы цель и задачи исследований, показана научная новизна и практическая значимость работы, представлены основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена обоснованию целесообразности и анализу методов, которые могут быть применены при МК синтезе сигналов и устройств обработки. На основе проведенного обзора литературы было показано, что использование при синтезе сигналов только одного показателя качества часто приводит к значительному ухудшению других свойств или вообще к нереализуемым сигналам. Рассмотрены возможности использования при синтезе сигналов и устройств обработки различных показателей качества, связанных с характеристиками РТС. К числу таких показателей относятся: вероятность правильного обнаружения объектов, отношение сигнал-шум+помеха, постоянные разрешения но времени (ПРВ) Вудворда и Уэстерфильда, эффективная длительность сигнала на входе и выходе СФ, эффективная ширина спектра, уровень боковых лепестков (УЕЛ) отклика СФ и др. Показано, что предс тавление показателей качества в виде интегральных функционалов 1(5, Ь) позволит решить задачи МК синтеза сигнала « и устройства обработки Ь в аналитическом виде. Для этих случаев, кроме особо оговоренных, рассмотрена задача МК синтеза сигналов и устройств обработки как задача минимизации векторного показателя качества

1(8,Ь)={ 1,(8^), 12(^Ь> ... 1П(8,Ь)> (1)

при 8е80^{У5,О5}, ЬеН0з{Уь,О,.}; У, О - условия работы и ограничения, накладываемые на класс сигналов и устройств обработки. Установлено, что для нахождения множества нехудших сигналов и устройств обработки может применяться метод рабочих характеристик Л.С. Гуткина. В рамках этого метода, всё показатели качества 1;(§,Ь), кроме одного, переводятся в разряд ограничений типа равенств и определяется минимум данного показателя. Результатом решения такой задачи является некоторая функция которая называется рабочей поверхностью. Далее аналогично находятся рабочие поверхности при всех других показателях качества. Для решения подобных задач может быть использован аппарат изопсриметрических задач вариационного исчисления. В силу принципа взаимности изопериметриче-

ских задач рабочие поверхности Х „ I = 1, п, совпадают, что позволяет лицу, принимающему решение, выбрать требуемый вариант решения задачи векторной оптимизации. Сравнение характеристик, полученных при МК синтезе сигналов в'ОО, с ранее известными 8"(0 необходимо производить по безусловному критерию предпочтения (БКП)

1(8',Ь)<1(8",Ь). (2)

К числу других методов, применение которых целесообразно при МК синтезе сигналов и устройств обработки, относятся: метод сведения векторного показателя качества к скалярному и метод оптимизации по последовательно применяемым критериям.

Отмечено, что каждая задача МК синтеза сигналов и устройств обработки должна рассматриваться индивидуально с точки зрения постановки, рационального выбора числа и вида показателей качества, а также ограничивающих условий.

Во второй главе на основе метода рабочих характеристик Л.С. Гугкина и аппарата изопериметрических задач вариационного исчисления разработан метод МК синтеза СПМ сигналов при заданных устройствах обработки в виде согласованного или оптимального фильтра, с обоснованием показателей качества исходя из задач, решаемых РТС.

Так решена задача МК синтеза СПМ 0,(х) сигналов с максимальной избирательностью на выходе СФ с полосой ЛГ

ад= ¿Спх2п,|Х|<05 , (3)

п=0

где х = (Г - Г0)/ДГ , Г0 - несущая частота. При решении этой задачи в качестве критериев, характеризующих разрешающую способность, точность и неоднозначность оценки дальности, применялись: ПРВ Уэстерфидьда Тк(С1н), описывающая степень концентрации энергии сигнала по времени на выходе СФ при наличии доялеровского сдвига частоты а также потери на весовую обработку и мощность пассивных помех на выходе СФ; эффективная ширина спектра сигнала, определяющая величину минимальной дисперсии оценки времени запаздывания и УБЛ. Дополнительным условием, используемым во всех задачах, являлось ограничение энергии сигнала Е. Сигналы с

СПМ G,(x) обеспечивают УБЛ до -49 дБ при ПРВ Tp(0)Af = 1.53 и относительную дисперсию оценок времени запаздывания crj/aJ0 =2.6, где о^о - дисперсия оценки времени запаздывания

сигналов с СПМ вида rect(x), I х| < 0.5. Производилось сравнение по БКП характеристик синтезированных сигналов и часто используемых в РЛС сигналов с СПМ вида

G0(x) = [к + (1-к) со$'Ъх)], I х I < 0.5, (4)

где т=1,4, к=0...1, дающей при т=2, к=0.08 (функция Хэмминга) хорошее приближение к дольф-чебышевским сигналам. При одинаковых значениях ПРВ TR(0) синтезированные сигналы обеспечивали по сравнению с сигналами, имеющими СПМ G0(x), m=2, выигрыш в величине УБЛ до -4 дБ и относительной дисперсии оценки дальности до 20 % при меньшей чувствительности полученных характеристик к изменениям параметров сигнала.

Осуществлен МК синтез СПМ сигналов с максимальной избирательностью на выходе СФ при заданном коэффициенте подавления узкополосных помех (УП). Использование таких сигналов в РЛС обеспечивает подавление УП на выходе СФ без уменьшения отношения сигнал-шум при минимальном ухудшении характеристик сигнала. Если СПМ помехи описывается гауссовской функцией с центральной частотой fa=f0 и полосой Afn=0.12Af, то подавление УП на -60 дБ при использовании синтезированных сигналов сопровождается возрастанием УБЛ на 15 дБ, а ПРВ TR(0)Af - на 0.4.

Решены следующие задачи МК синтеза СПМ сигналов с максимальной избирательностью: при минимизации длительности отклика СФ, коэффициента частотно-временной связи и скорости изменения боковых лепестков сигнала на выходе СФ. Решение первой задачи приводит к сигналам с УБЛ до -40 дБ и минимальной неравномерностью СПМ, что имеет существенное значение при практической реализации сигналов. Решения второй задачи при УБЛ отклика СФ до -56 дБ обеспечивают минимальную дисперсию совместных оценок дальности и скорости объектов в импульсно-доплеровских РЛС. Решения третьей задачи позволяют получить сигналы с УБЛ автокорреляционной функции (АКФ) до -37 дБ и минимальной неравномерностью боковых лепестков. Показано, что формы СПМ сигналов, полученные в этом случае, совпадают с решениями задачи МК синтеза сигналов с максимально неопределенной СПМ и мини-

мальной эффективной шириной спектра. Такие сигналы по сравнению с ранее известными обладают максимальной структурной скрытностью.

Осуществлен МК синтез СПМ сигналов с УБЛ до -43 дБ, обеспечивающих максимальное отношение сигнал-шум+помеха при минимальной эффективной ширине спектра. Синтезирована форма СПМ сигналов, позволяющая получить потенциальную точность оценки времени запаздывания при наличии пассивных помех.

Приведены функции групповой задержки сигналов с нелинейной частотной модуляцией (НЧМ), имеющих формы СПМ, синтезированные в этой главе по многим показателям качества.

Показаны преимущества использования по БКП синтезированных сигналов по сравнению с сигналами, у которых СПМ имеет ви/1 (4).

В третьей главе разработана методика МК синтеза сигналов и устройств обработки в условиях априорной неопределенности относительно вида СПМ наиболее мешающей помехи и искажений сигнала. Получены решения парной игры с нулевой суммой при использовании в качестве платежной функции отношения сигнал-помеха на выходе приемного фильтра, согласованного только с сигналом. На основе теоретико-игрового метода МК синтеза СПМ сигналов е случае неизвестного спектра помех определены оптимальные стратегии РТС и постановщика помех. Показано, что в этом случае полученная при заданных показателях качества форма СПМ сигнала совпадает с формой СПМ (3) сигнала с максимальной избирательностью на выходе СФ и приводит к минимально возможным уменьшениям цены игры. Так, для сигналов с СПМ (4) при т=4 уменьшение цены шры составляет -2.5 дБ, а для синтезированных СПМ -1 дБ.

Решена задача МК синтеза систем оптимальной линейной фильтрации в условиях конфликтного взаимодействия с постановщиком помех при ограничении средних мощностей и эффективны? полос сигнала и помех. Определена форма СПМ сигнала, минимизирующая СКО на выходе фильтра и обеспечивающая максимальный выигрыш в цене игры при отличии форм СПМ сигнала и помехи не входе фильтра. Получена форма СПМ помехи, максимизирующа» СКО на выходе фильтра при ограниченной априорной информации о параметрах СПМ сигналов.

Произведен МК синтез робастного к искажениям сигнала оптимальною по критерию максимум отношения сигнал-шум линейного фильтра. Показано, что при спектре полезного сигнала 50(ш) у СПМ помехи Жго) оптимальная передаточная функция (ПФ) фильт-

ра, робастного к искажениям сигнала, имеет вид

Нсш(о>) = [(Ь0ю2 -Ъ^-ь .¡Ь2ш]ехр[- ^о>10]80(-а})/ N(<0), (5)

где Ь0, Ь1( Ь2 - постоянные коэффициенты, значения которых определяются требованиями к потерям в отношении сигнал-шум и искажениям сигнала. Доказаны преимущества использования фильтра с ПФ (5) по сравнению с СФ при изменении более чем на 1 % эффективной полосы частот сигнала от номинальной и потерях в отношении сигнал-шум менее 0.8 дБ. Определены в случае использования фильтра с ПФ (5) формы СПМ наиболее опасной помехи и наиболее помехоустойчивого сигнала.

Осуществлен МК синтез робастного к искажениям сигнала и оптимального по критерию минимума СКО линейного фильтра. При предположении, что полезный сигнал с СПМ Оп(ы) и помеха с СПМ Щю) некоррелированы, получено выражение д ля ПФ фильтра, робастного к искажениям сигнала:

Нско(ш) = Оп(ю)/[Ж(о) + Оп(ш)(1 + .\рсо2)], (6)

где Хр - коэффициент, учитывающий требования к искажениям сигнала. Доказана более низкая чувствительность отклика фильтра с ПФ (6) к изменениям центральной частоты сигнала и эффективной ширины спектра по сравнению с винеровским фильтром. Определена форма СПМ наиболее опасной помехи при обработке сигнала в фильтре с ПФ (6).

Решена задача совместного синтеза сигнала и фильтра по критериям максимума отношения сигнал-шум+номеха и минимума эффективной ширины спектра сигнала. Получены выражения для оптимальной ПФ фильтра и формы СПМ сигнала, а также установлено, что в этом случае отклик синтезированного фильтра является ро-бастным к искажениям полезного сигнала.

Предложен комбинированный критерий оптимальности базисных функций обобщенных рядов Фурье

1к(ш) = Е{к0|ет|2 + (1-к0)!|ё|2), . (7)

где Е{...} - операция усреднения по ансамблю реализаций, к0=0...1,

¡¡в|2, |в|2 - кпядпаты нормы ошибки и производной ошибки конечномерной аппроксимации. Отмечено, что критерий (7) является формой сведения векторного показателя качества к скалярному. Показано, что использование критерия (7) позволяет уменьшить динамический диапазон и снизить чувствительность к искажениям базисных функций ошибки аппроксимации при конечномерном представлении сигнала.

Синтезирована оптимальная весовая функция, позволяющая при спектрально-корреляционном анализе получить минимальные значения ошибки смещения и дисперсии оценки СПМ сигнала. По сравнению с типовыми сглаживающими окнами Бартлета, Хеннинга, Хэмминга, Римана, Бомона, Кайзера-Бесселя, Коши, Гаусса оптимальная весовая функция при одинаковых значениях эквивалентной шумовой полосы обеспечивает меньший УБЛ на 5... 15 дБ. Показана связь параметров оптимальной весовой функции с априорно известными характеристиками исследуемого сигаала.

В четвертой главе на основе метода регуляризации А.Н. Тихонова разработана методика решения задач МК синтеза реализуемых сигналов. Отмечена некорректность задачи определения формы СПМ сигнала по заданному виду АКФ с точки зрения существования, единственности, а также устойчивости полученных решений к малым изменениям исходных данных. Задача МК синтеза форм СПМ сигнала в этом случае формулируется как задача минимизации функционала вида

' Ма[О)К5] = л(0!|АО-К6||^+аа[О], (В)

где а - параметр регуляризации, - функция оптимизации, А -прямой оператор задачи, 116 - априорно задаваемая АКФ, - стабилизирующий функционал, обеспечивающий функцию ограничения пространства решений. Обоснован исходя из задач МК синтеза СПМ сигналов, решенных во второй главе, вид стабилизирующего функционала

1/2 „

1 1^(а,х)с1х, (9)

-1/2 1=0

где п - число показателей качества; х) определяется видом со-

ответствующих интегральных функционалов, описывающих заданные свойства сигнала; - множители Лагранжа. Показано, как с помощью множителей Лагранжа в функционале (9), рассчитанных при решении задач МК синтеза СПМ во второй главе, учитывается вес отдельных показателей качества. Дополнительные требования практического характера к форме АКФ и, в частности, к УБЛ задавались с помощью функции 11(1) в функционале (8). Минимизация методом сопряженных градиентов функционала (8) при определении параметра регуляризации из уравнения обобщенной невязки позволила получить формы СПМ сигналов, превосходящие по своим свойствам СПМ Хэмминга. Произведена оценка чувствительности полученных решений к некоторой ошибке относительно оптимального значения эффективной ширины спектра сигнала. Показано, что при относительной ошибке эффективной ширины спектра сигнала, равной 1 %, УБЛ нерегуляризованного решения возрастает в среднем на 6.5 дБ, а регуляризованного - на 1.5 дБ.

Рассмотрена задача МК синтеза по заданной функции неопределенности (ФН) Я(т, (£>я) малобазовых НЧМ сигналов, широко используемых в гидролокации и акустике. Отмечена высокая чувствительность характеристик этих сигналов к доплеровскому смещению частоты и нелинейным искажениям фазовой функции (ФФ) ©(0. Показано, что данная задача не является корректно поставленной, так как ФФ 0(1), соответствующей заданной ФН Щт, а>г), может не существовать или быть практически нереализуемой. Для решения этой задачи предложено использовать метод регуляризации А.Н.Тихонова. Определен исходя из представления ФН в облаете сильной корреляции рядом Тейлора с наиболее существенными, членами

вид стабилизирующего функционала. Показана более низкая чувствительность синтезированных НЧМ сигналов с коэффициентами сжатия В=10,15 и 25 к нелинейным фазовым возмущениям квадра-тического, кубического и гармонического вида, возникающим в устройствах обработки, а также доплеровскому смещению частоты по сравнению с сигналами, синтезированными но уточненному методу стационарной фазы.

(Ю)

Обоснована возможность распространения методики МК синтеза малобазовых Н4М сигналов к синтезу сверхширокополосных сигналов. Использование этих сигналов, имеющих ширину спектра, соизмеримую со средней частотой, является единственно возможным в системах подводной радиосвязи и подповерхностного зондирования. Показана более низкая чувствительность полученных регуляри-зованных решений к наиболее характерным для сверхширокополосных сигналов фазовым искажениям по сравнению с нерегуляризо-вакными.

Доказана высокая чувствительность характеристик обнаружения пространственно распределенных объектов (ПРО) к изменению формы СПМ зондирующих сигналов. Рассмотрена задача МК синтеза СПМ сигналов, обеспечивающих максимальную вероятность правильного обнаружения ПРО при минимальной чувствительности последней к таким мешающим факторам, как временные флуктуации центров отражения и искажения сигнала в трактах формирования, распространения и обработай. Предполагалось, что ПРО состоит из N независимых эффективных центров отражения, фазы отраженных от этих центров сигналов случайны и распределены равномерно от О до 2п, а эффективные поверхности рассеяния распределены по закону гамма-распределения. Предложено использовать в качестве основного критерия синтеза функционал вида

М ||ц(О,Ч)-О0(Ч^е (11)

где ц(О^), О0(ч) - получаемая и заданная характеристики обнаружения, Осуществлена регуляризация решений задачи синтеза СПМ зондирующего сигнала, обеспечивающая низкую чувствительность характеристик обнаружения ПРО к действию перечисленных выше мешающих факторов. В случае регуляризованных решений потери в отношении сигнал-шум q, вызванные влиянием мешающих факторов, составляли 2...4 дБ, а в случае нерегуляризованных - 10...14 дБ.

В пятой главе предложены комбинированные критерии приближения и разработан метод синтеза фазоманипулированных (ФМн) сигналов по многим показателям качества, в том числе с учетом возможности подавления узкополосных и структурных помех. Ошечено, что синтез систем ФМн сигналов по одному показателю качества не гарантирует обеспечения других требуемых свойств. Обоснован вид критериев приближения свойств ФМн сигналов к требуемым:

Р1(Я, Л0)= тах^ВД- + (1 - Н0а)|), (12)

N0

Р2(О,О0)=£{а2|О(Гк)-О0(Гк)| +

к = 1

+ (1 - а2 >ДО(Гк ) - АО0 (Гк )|}, (13)

где 110), С(Гк) - отсчеты АКФ и СПМ синтезированной последовательности; Ио0), О0(4) - отсчеты АКФ и СПМ оптимальных сигналов, синтезированных во второй главе по совокупности показателей качества; Н(0=К(1) - Ы(ъ1); АС(Гк) = 0({"к)~ в^); а„ а^-Д.

Вторые слагаемые в критериях (12), (13) обеспечивают более гладкий характер форм АКФ и СПМ, что является важным требованием при практической реализации ФМн сигналов. Разработаны алгоритмы синтеза ФМн сигналов, реализующие критерии (12) и (13), па основе итерационных процедур, в которых на каждом шаге осуществляется коррекция, а не полный пересчет АКФ и СПМ сигналов. Критерий (12) позволяет формировать последовательности с хорошими свойствами АКФ, а критерий (13) - с заданной формой СПМ. В частности, сформированы последовательности, обеспечивающие подавление сосредоточенных по спектру - узкополосных помех на выходе СФ более чем на 14...16 дБ. Предложен обобщенный критерий приближения

М[Ы,ОДи] =а4[«зР1(КД0)+(1-аз)р2(О,С0)] +

+ (1-а4)р3(Кк1,К0к)) , (14)

позволяющий формировать последовательности с заданными свойствами АКФ, СПМ и взаимокорреляционной функции (ВКФ); здесь а3, а4-0...1; 11и, Яоу - отсчеты синтезированной и желаемой АКФ к-то и 1-го сигналов. Анализ синтезированных по критерию (14) последовательностей с числом элементов N=31...255 показал высокую эффективность предложенного метода формирования ФМн сигналов по многим показателям качества.

Осуществлен МК синтез последовательностей быстрого поиска, используемых в системах с периодической синхронизацией. Обоснованы критерии синтеза и получены последовательности, обеспечивающие минимальную вероятность ошибочного определения фазы

синхросигнала при наличии искаженных символов на интервале анализа.

Решена задача МК синтеза модулирующей функции ФМн сигналов, позволяющей максимально сократить требуемую полосу частот при минимальных потерях на обработку. Получена форма модулирующей функции вида

s0(r)^4ch(rVin-42 г2 Л1-^' М-0-5' 05)

х ' ¿л,у ■ aj

где r=t/t0, т0 - длительность отдельного символа, позволяющая при скорости убывания внеполосных излучений 1/Аю обеспечить лучшие характеристики по сравнению с широко используемыми функциями cos(r) и cos2(r). Осуществлена регуляризация решений задачи МК синтеза модулирующей функции, обеспечивающей при минимальных энергетических потерях на обработку и полосе частот системы наибольшую скорость спада внеполосных излучений ФМн сигналов. Получена в численном виде форма модулирующей функции, которая при скорости убывания внеполосных излучений более чем 1/Аю6 имеет полосу частот Äf99%T = 2.2 и энергетические потери 2.9 дБ. Показана более низкая чувствительность ширины спектра ФМн сигналов к искажениям формы синтезированной модулирующей функции по сравнению с функцией cos2(r).

Разработан эффективный с точки зрения времени синтеза, минимума уровня боковых выбросов (УБВ) и потерь на обработку метод определения коэффициентов весовых фильтров (ВФ) сжатия ФМн сигналов. Предложен комбинированный критерий оптимальности коэффициентов ВФ

ag = min|k1ETE + (l-k1)5ET8E|, (16)

где Е= {е(п)}Т- матрица-столбец с элементами e(n) = R(n) - R(n-l),

8Е = {бе(п)]Т- матрица-столбец с элементами oe(n) = е(п)-е(п-1); к,=0...1; позволяющий получить УБВ сигналов на выходе ВФ сжатия -(35...40) дБ. Показана целесообразность предварительного синтеза ФМн сигналов по критерию (13) для получения наиболее низких значений УБВ и потерь на весовую обработку. Осуществлена регуляри-

зация полученных решений с целью обеспечения устойчивых к неточному заданию исходных данных характеристик фильтра.

В шестой главе рассмотрены различные методы вычисления коэффициентов цифровых фильтров по нескольким показателям качества. Осуществлен МК синтез оптимальной весовой функции

3* _ , ,

™0(о=1с2па/р)2п, |1|==о,р/2, / ; . :,.(17)

' : ' п=0

где С; - постоянные коэффициенты, Р - порядок фильтра; используемой при расчете коэффициентов нерекурсивных фильтров (НФ) методом "окна". Показано, что в диапазоне пульсаций амплитудно-частотной характеристики -(21...60) дБ предпочтительнее использовать "окно" \У00), чем типовые весовые функции. Так "окно" \у0(1) по сравнению с "окном" Хэмминга при уровне пульсации 6=-54 дБ и одинаковой переходной полосе обеспечивает на, 8 % меньший, порядок НФ или при одинаковом порядке фильтра - на 10 % меньшую переходную полосу Мф. . г

-Предложено для уменьшения эффекта Гиббса аппроксимировать переходную полосу частотной характеристики НФ синтезированной во второй главе функцией (3). Определены оптимальные с точки зрения минимальных значений соотношения неопределенности Еф = (Р - 1)ЛГф и уровня пульсации 5 параметры функции (3). Установлено, что при уровне пульсации -(20...30) дБ аппроксимация переходной полосы функцией (3) дает лучшие результаты, чем метод взвешивания с помощью "окна" \у0(1).

Разработан на основе МК подхода модифицированный метод "окна", обеспечивающий перераспределение уровня пульсации в полосе пропускания и задерживания, а также изменение шйрйны переходной полосы НФ. Дня этой цели предложено рассчитывать коэффициенты импульсной характеристики НФ " в виде а(1) = а<.(1)\у(1), < Р/2, где коэффициенты ас(1) равны:

. ,.'•"> к2а0(0+ (1 - к2)АаО); ^ <Р/ 2, • (18)

Аа(1) = ао0) - а00 + 1), к2 = 0...1; ао0) - коэффициенты ряда Фурье требуемой частотной характеристики НФ. Доказано, что в этом случае изменение коэффициента к2 позволяет при практически постоян-

ном уровне пульсаций в полосе задерживания и допустимом увеличении уровня пульсаций в полосе пропускания уменьшать величину переходной полосы более чем на 30 %.

Обоснован вид комбинированного критерия оптимальности коэффициентов адаптивных НФ в форме (16) при представлении ошибки оценивания сигнала на выходе НФ как e(n) = s(n)- s(n), где s(n), s(n) - отсчеты входного и выходного сигналов фильтра, s(n)=0 при п < 0, и > N. Доказана возможность использования рекурсивного алгоритма Левинсона-Дарбина для вычисления коэффициентов НФ по комбинированному критерию (16). В результате экспериментальных исследований установлено, что применение критерия (16) приводит к снижению на 10... 15 % динамического диапазона ошибки е(п) и увеличению на 2...5 % СКО на выходе фильтра. При одинаковом динамическом диапазоне ошибки е(п) вычисление коэффициентов НФ по критерию (16) позволяет на 30...40 % уменьшить порядок фильтра по сравнению с критерием минимума СКО (kj=l). Проанализирована возможность использования комбинированного критерия (16) для вычисления коэффициентов НФ оценивания сигналов на фоне аддитивного белого шума. Получено выражение для оптимальных коэффициентов НФ оценивания и показана возможность дополнительного подавления шума в этом случае по сравнению с критерием минимума СКО.

Проанализированы различные варианты использования комбинированного критерия (16) для расчета коэффициентов рекурсивных фильтров. При представлении исходного процесса s(n) в виде модели авторегрессии скользящего среднего (АРСС) производилось раздельное оценивание по критерию (16) параметров АР и СС составляющих. Показана более высокая эффективность уменьшения динамического диапазона ошибки при применении критерия (16) к расчету AP-параметров, чем СС-параметров. С учетом этого обстоятельства, а также вследствие значительных вычислительных затрат при расчете СС-параметров рекомендовано использование критерия (16) только при оценке AP-параметров. Проведены исследования влияния критерия (16) на число обусловленности матриц, используемых при расчете коэффициентов РФ. Установлено, что использование критерия (16) по сравнению с критерием минимума СКО уменьшает динамический диапазон собственных чисел и, следовательно, улучшает обусловленность этих матриц.

Седьмая глава посвящена вопросам повышения эффективности цифровых устройств обработки речевых сигналов (PC) на основе мс-

тодов МК оптимизации. Показано широкое использование цифровых устройств обработки РС в кодеках речи, построенных на принципах дельта-модуляции, адаптивной дифференциальной ИКМ (АДИКМ), блочного кодирования с ортогональным преобразованием и некоторых других, а также в вокодерных и интерактивных системах. Рассмотрены особенности построения кодеков АДИКМ, рекомендованных МККТТ (Рек. в 721,722) к использованию в цифровых сетах с интеграцией служб. Отмечено, что повышение эффективности кодеков АДИКМ, связанное с уменьшением скорости передачи при том же качестве речи на выходе приемной части системы, в основном определяется характеристиками предсказателя, входящего в состав кодека. Предложено для улучшения характеристик предсказателя использовать вместо "окна" Хэмминга при весовой,обработке АКФ сигнала оптимальную весовую функцию \\г0(О (17). Экспериментальные исследования, проведенные на реализациях РС 8 мужчин и 2 женщин, показали, что оптимальное "окно" \\'0(1) обеспечивает на 4 % меньшее значение СКО предсказания сигнала в среднем по сравнению с "окном" Хэмминга.

Проанализированы особенности использования комбинированного критерия (16) для расчета коэффициентов предсказатели кодека АДИКМ. В этом случае наблюдалось, уменьшение на 15% динамического диапазона и на 20...50 % эксцесса закона распределения погрешности предсказания, что увеличивало отношение сигнал-итум квантования не менее чем па 3.5-6 дБ по сравнению с кодеками, в которых для расчета коэффициентов предсказания использовался критерий минимума СКО. Оценка субъективного качества речи по ГОСТ 16600-72 при применении критерия (16) показала возможность снижения разрядности кодового слова до 3 при' частоте дискретизации Г=8кГц, т.е. уменьшения скорости передачи РС в кодеках АДИКМ с 32 до 24 кбит/с. • . ■!

Предложено для снижения вычислительных затрат в кодеках АДИКМ, связанных с расчетом элементов корреляционных матриц, использовать при оценке коэффициентов предсказателя отсчеты клиппированпого РС. Это дало возможность заменить наиболее трудоемкие операции умножения операциями сложения по модулю 2, а целочисленное задание элементов автокорреляционной матрицы позволило увеличить скорость вычислений. Доказано, что предварительная фильтрация РС перед клиппированием увеличивает словесную разборчивость речи в кодеках АДИКМ. Определены порядок и коэффициенты адаптивного НФ на входе устройства клиппирования РС. Дополнительное использование комбинированного критерия

(16) для расчета коэффициентов предсказателя позволило уменьшить скорость передачи РС до 18 кбит/с при 2-м классе словесной разборчивости речи кодеков АДИКМ.

Рассмотрена задача восстановления РС на выходе ортогональных кодеков в базисе функций Уолша. Отмечено, что в ортогональных кодеках при нарушении условия полноты системы базисных функций невозможно однозначно восстановить сигнал. В этом случае нарушается условие устойчивости полученных решений по А.Н. Тихонову, так как небольшие дополнительные погрешности в определении спектральных отсчетов могут приводить к значительным ошибкам в восстановленном сигнале, вызывая его неустойчивость в метрике пространства С. Предложено в этом случае для восстановления РС использовать метод регуляризации А.Н.Тихонова со стабилизирующим функционалом 1-го порядка и определением параметра регуляризации исходя из субъективного качества восстановленной речи. Показано, что применение базисных функций Уолша в сочетании с методом регуляризации обеспечивает в ортогональных кодеках высокое качество и разборчивость восстановленной речи на скоростях передачи 8-16 кбит/с.

Исследована чувствительность к вариабельности речи алгоритмов распознавания фонем на основе ортогональных разложений. Предложено для уменьшения чувствительности алгоритмов распознавания к вариабельности речи различных дикторов использовать базисы, синтезированные по критерию (7), и производить отбор базисных векторов исходя из вероятности ошибочного распознавания фонем. Экспериментальные исследования процедуры распознавания 24 основных фонем русской речи 20 дикторов показали низкую чувствительность алгоритма к индивидуальным особенностям дикторов и разрядности представления базисных векторов при вероятности правильного распознавания порядка 0.96.

В заключении приведены основные научные и практические результаты работы:

1. На основе анализа решений ряда задач разработан метод МК синтеза СПМ сигналов с максимальной избирательностью на выходе СФ и ОФ при использовании показателей качества, связанных с характеристиками основных режимов работы РТС. Полученные результаты показывают преимущества векторной оптимизации перед скалярной и позволяют разработчикам РТС обосновано подойти к выбору характеристик сигнала.

2. Определены при МК синтезе сигналов и линейных фильтров оптимальные стратегии РТС и постановщика помех в условиях кон-

фликтного взаимодействия. Получены выражения для СПМ сигнала, обеспечивающего при наиболее мешающей помехе минимальное изменение цены игры, вызванное наличием нескольких показателей качества.

3. Обоснована методика выбора показателей качества и осуществлен МК синтез робастного к искажениям сигнала и оптимального по критерию максимума отношения сигнал-шум или минимума СКО линейного фильтра. Доказано, что использование при весовой обработке сигналов формы СПМ (3), синтезированной при МК подходе, приводит к робастным к искажениям сигнала оптимальным линейным фильтрам.

4. Показано, что фильтры, полученные при решении совместного МК синтеза сигнала и фильтра по критериям максимума отношения сигнал-шум+помеха и минимума эффективной ширины спектра, являются робастными к искажениям сигнала.

5. Предложен и обоснован комбинированный критерий оптимальности, позволяющий снизить чувствительность к искажениям базисных функций обобщенных рядов Фурье и уменьшить динамический диапазон ошибки аппроксимации при конечномерном представлении сигнала.

6. Обоснован выбор показателей качества и произведен МК синтез оптимальной весовой функции, позволяющей при спектрально-корреляционном анализе получить минимальную СКО оценки СПМ. Установлена связь параметров этой функции с априорно известными характеристиками исследуемого сигнала и показаны преимущества по сравнению с весовыми функциями, известными ранее.

7. Установлена целесообразность использования метода регуляризации А.Н. Тихонова для получения решений задач МК синтеза реализуемых сигналов, устойчивых к неточному заданий)' исходных данных. Показана низкая чувствительность полученных решений к действию различных возмущающих факторов. Обоснованы исходя из наличия нескольких показателей качества вид стабилизирующего функционала, а также форма весовых функций, позволяющих учесть при МК синтезе сигналов ряд требований практического характера.

8. Разработан метод синтеза ФМн сигналов по многим критериям приближения и показателям качества, включающим требования к форме СПМ, величине подавления узкополосных и структурных помех. Показано, что синтезированные на основе этого метода ФМн сигналы превосходят по своим свойствам ранее известные. Полученные алгоритмы МК синтеза ФМн сигналов могут быть применены при разработке адаптивных к сложной помеховой обстановке

РЛС.

9. Показано, что регуляризация по А.Н. Тихонову синтезированной на основе МК подхода модулирующей функции ФМн сигналов обеспечивает при минимальной полосе частот и потерях на обработку низкую чувствительность к искажениям, а также наибольшую скорость спада внеполосных излучений сигналов по сравнению с ранее известными.

10. Доказана высокая эффективность с точки зрения времени синтеза минимума уровня боковых выбросов, потерь на обработку и низкой чувствительности к искажениям метода определения коэффициентов весовых фильтров сжатия ФМн сигналов. Показано, что для получения УБВ ВКФ порядка -40 дБ целесообразно осуществлять предварительный МК синтез ФМн сигналов, обладающих высокой равномерностью СПМ.

11. Обосновано использование синтезированной по нескольким показателям качества оптимальной весовой функции при расчете коэффициентов НФ методом "окна" и показаны преимущества от использования этой функции по сравнению с ранее известными.

12. Показана возможность перераспределения уровня пульсаций в полосе пропускания и задерживания, а также изменения ширины переходной полосы НФ при использовании модифицированного метода "окна".

13. Предложен и обоснован комбинированный критерий оптимальности при вычислении коэффициентов НФ и РФ, а также показано, что использование этого критерия для расчета коэффициентов фильтра-предсказателя кодека АДИКМ позволит снизить скорость передачи на 8 кбит/с при том же качестве речи.

14. Доказана высокая эффективность применения метода регуляризации А.Н. Тихонова для восстановления речевых сигналов на выходе ортогональных кодеков, использующих преобразование Уолгаа. Обоснован выбор вида стабилизирующего функционала исходя из требования получения высокого качества речи на выходе кодека.

15. Показано, что использование полученных при комбинированном критерии оптимальности базисных функций в алгоритмах распознавания фонем па основе ортогональных разложений сигнала снижает чувствительность последних к вариабельности речи отдельных дикторов.

Анализ приведенных выше результатов позволяет сделать вывод о теоретическом обобщении и решении в рамках работы крупной научно-технической проблемы, состоящей в разработке методов МК

синтеза реализуемых сигналов и устройств обработки с учетом влияния мешающих факторов, в интересах повышения качества функционирования и помехоустойчивости РТС.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Кириллов С.Н., Стукалов Д.Н. Цифровые системы обработки речевых сигналов: Учеб. пособие. Рязань: РГРТА, 1995.80 с.

2. Кириллов С.Н., Бакке A.B. Оптимизация сигналов в радиотехнических системах: Учеб. пособие. Рязань: РГРТА, 1997. 100 с.

3. Кириллов С.Н., Шелудяков A.C. Методы спектральной обработки речевых сигналов: Учеб. пособие. Рязань: РГРТА, 1997. 80 с.

4. Кириллов С.Н. Об относительной эффективности нелинейных ранговых обнаружителей //Радиоэлектронные устройства. Вып.43: Сб. научн. тр./ Рязань: РРТИ, 1973. С.46-53.

5. Кириллов С.Н. Квазиоптимальный приемник обнаружения групповой цели // Радиоэлектронные устройства. Вып.61: Сб. науч. тр. /Рязань: РРТИ, 1974. С.21-27.

6. Кириллов С.Н. Оптимальное обнаружение флюктуирующего сигнала // Радиоэлектронные устройства. Вып,1: Межвуз. сб. науч. тр. /Рязань: РРТИ, 1976. С.20-25.

7. Кириллов С.Н. О применении критерия согласия Смирнова //Радиотехнические и электронные устройства: Межвуз. сб. науч.тр. /Воронеж: Ворон.политехи.инеч. Воронеж, 1977. С.81-83.

8. Кириллов С.Н. Приемник обнаружения группового сигнала //Радиоэлектронные устройства. Вып.2: Межвуз. сб. науч. тр. / Рязань: РРТИ, 1977. С.7-9.

9. Кириллов С.Н., Атаянц Э.К. Эффективность обнаружения флюктуирующей по положению цели //Повышение эффективности и надежности радиоэлектронных систем. Вып.7: Межвуз. сб. науч. тр. / Л.: ЛЭТИ, 1977. С.73-78.

10. Кириллов С.Н. К вопросу формирования математической модели ЭПР тел сложной формы// Радиоэлектронные устройства. Вып. 3: Межвуз. сб. науч. тр./ Рязань: РРТИ, 1979. С.69-72.

11. А.с.873149(СССР), МКИ G01 R25/00. Устройство измерения амплитудно-фазовых характеристик когерентных периодических сигналов / Атаянц Б.А., Атаянц Э.К., Кириллов С.Н., Захарченко В.Д., Корнеев В.А. 0публ.15.10.81, Бюл. № 38.

12. Кириллов С.Н. Увеличение разрешающей способности по времени сигналов с ограниченной полосой частот // Изв. вузов Радиоэлектроника. 1983. №4. С. 100-102.

13. Кириллов С.Н., Атаянц Э.К. Оптимальные и квазиоптимальные алгоритмы обнаружения и распознавания протяженных объектов // Проблемы радиолокации протяженных объектов: Межвуз. сб. науч. тр. /Свердловск: УПИ, 1983. С.48-52.

14. Кириллов С.Н. Потенциальная точность оценки времени задержки сигнала при наличии пассивных помех //Изв.вузов. Радиоэлектроника. 1988. Т.31. № 5. С,95-96.

15. Кириллов С.Н., Тузков A.B. Эффективность оценки сигналов при действии пассивных помех //Деп. в ВИНИТИ 09.08. 88, № 6388-В88.7 с.

16. Кириллов С.Н., Тузков A.B. Эффективность сигналов при действии пассивных помех //Изв. вузов. Радиоэлектроника. 1989. Т.32. №7.С.96-97.

17. Кириллов С.Н., Тузков A.B. Оптимизация сигналов при действии пассивных помех. // Изв. вузов. Радиоэлектроника, 1989, т.32, №11. С.58-60.

18. Кириллов С.Н., Тузков A.B. Синтез цифровых сигналов с ограниченной полосой частот и высокой разрешающей способностью // Обработка сложных сигналов с применением цифровых устройств и функциональной электроники: Межвуз. сб. науч. тр./ Рязань: РРТИ, 1989. С,70-73.

19. Кириллов С.Н., Алисов И.И., Тузков A.B. Исследование цифровой следящей системы сопровождения по дальности сигналов от пространственно распределенных объектов / ВНТК "Теория и техника пространственно временной обработки сигналов": Тез. докл. Свердловск:1989. С.88.

20. Кириллов С.Н., Тузков A.B., Алисов И.И. Исследование сложных помехоустойчивых сигналов при пассивных помехах / ВНТК "Развитие и внедрение новой техники радиоприемных устройств и обработки сигналов": Тез. докл. М.: 1989. С.13.

21. Кириллов С.Н., Тузков A.B. Синтез спектральной плотности мощности сигнала с ограниченной полосой частот. //Изв. вузов. Радиоэлектроника. 1990. Т.ЗЗ. № 12. С.62-64.

22. Кириллов С.Н., Тузков A.B., Алисов И.И., Давлицаров Д.Д. Исследование цифровой следящей системы сопровождения летательных аппаратов при наличии помех // Проблемы технической эксплуатации и совершенствования радиоэлектронного оборудования: Межвуз. сб. науч. тр. / М.: МИИГА, 1990. С.75-79.

23. Кириллов С.Н., Кремнев В.И., Поспелов В.А. Цифровая система слежения за задержкой сложного дискретного сигнала при дей-

ствии комплекса помех / ВНТК "Цифровая обработка в системах связи и управления": Тез. докл. Ростов Великий, 1990. С.14.

24. Кириллов С.Н., Тузков A.B. Многокритериальная оптимизация помехозащшценных радиолокационных измерителей /ВНТК "Методы представления и обработки случайных сигналов и полей": Тез. докл. Харьков, 1991. С.121.

25. Кириллов С.Н., Кремнев В.И., Алисов И.И., Тузков A.B. Помехозащищенность высокоточной цифровой следящей системы / ВНТК "Цифровая обработка сигналов в системах связи и управления": Тез. докл. Ростов Великий, 1991. С. 17.

26. Кириллов С.Н., Тузков A.B. Синтез сигналов при действии узконолосных помех //Изв. вузов. Радиоэлектроника. 1993. Т.36. № 1. С.74-77.

27. Кириллов С.Н., Тузков A.B. Методы синтеза сложных дискретных сигналов с заданными свойствами // Обработка сложных сигналов с применением цифровых устройств и функциональной электроники: Межвуз. сб. Рязань: РРТЙ, 1993. С.13-17.

28. Кириллов С.Н. Многокритериальная оптимизация сигналов в системах радиолокации и связи / ВНТК "Радиоприем и обработка сигналов": Тез. докл. Нижний Новгород, 1993. С.6.

29. Поиовкин В.Й., Кириллов С.Н., Паршин Ю.Н., Езерский В.В. и др. Система предупреждения столкновений воздушных судов на базе метеонавигационной PJ1C / ВНПК "Высшая школа России и конверсия": Тез. докл. М., 1993. С.216-217.

30. Кириллов С.Н., Бобылев C.B. Технико-экономические аспекты создания цифровой сети Рязанского региона / МНТК "Технологии и системы сбора, обработки и представления информации": Тез. докл. Рязань, 1993. С.10-11.

31. Кириллов С.Н., Старовойтов Е.К., Лоренц В.М. Система передачи информации на базе средств радиотелефонной связи "Лес-17 МНТК "Технологии и системы сбора, обработки и представления информации": Тез. докл. Рязань, 1993. С.89-90.

32. Кириллов С.Н., Стукалов Д.Н. Анализ речевых сигналов на основе акустической модели// Изв. РАН. Техническая кибернетика. 1994. №2. С.147-153.

33. Кириллов С.Н., Стукалов Д.Н. Исследование цифровых методов передачи речи при воздействии акустических помех// Наука и техника гражданской авиации на современном этапе: Межвуз. сб. науч. тр./ М.: МГТУ ГА, 1994. С.106-111.

34. Кириллов С.Н., Стукалов Д.Н., Бакке A.B. Многокритериальный синтез сигналов в информационных системах /ВНТК, 13-й

НТС РНТО РЭС им-А.С. Попова "Статистический синтез и анализ информационных систем": Тез. докл. Рязань: РГРТА, 1994. С.20-21.

35. Кириллов С.Н., Стукалов Д.Н. Акустический процессор для первичного распознавания фонетического состава речи// ВНТК "49-я научная сессия, посвященная дню радио": Тез. докл. М.: РНТО РЭС им. А. С. Попова, 1994. Ч. 2 С.60-61.

36. Кириллов С.Н., Корнеев В.А., Кагаленко Б.В. СВЧ комплекс для медико-биологических исследований// ВНТК "Приборы и приборные системы": Тез. докл. Тула, 1994, С.71-72.

37. Кириллов С.Н., Стукалов Д.Н. Высококачественные кодеки с расширенной полосой речевого сигналаИ Электросвязь. 1995. №9. С.12-14.

38. Кириллов С.Н., Стукалов Д.Н. Помехоустойчивость кодеков зашумленных речевых сигналов// Электросвязь. 1995. № 12 С. 12-13.

39. Kirfflov S.N., Stukalov D.N., Sheludjakov A.S. Formalisation of primary speech signal description ia computer natural language interfaces// Proceedings of the Fifth East-West International Conference on Human-Computer Interaction-EWH- СГ95. V. 2. Moscow, ICSTI. 1995.

D 177 T7Q x . i f /-к/,

40. Поповкин В.И., Кириллов C.H. Регуляризация решений задач многокритериального синтеза антенн и сигналов// 100 лет радио: Сб. науч. тр./ Рязань: РГРТА, 1995. С.24-27.

41. Кириллов С.Н., Бакке А.В., Соколов М.Ю. Оптимальная весовая обработка речевых сигналов /МНТК, 100-летие начала использования электромагнитных волн для передачи сообщений и зароледе-ния радиотехники: Тез. докл. .4.11. М., 1995. С.196.

42. Кириллов С.Н., Соколов М.Ю., Стукалов Д.Н. Оптимальная весовая обработка , при спектральном, анализе. сигналов. //Радиотехника. 1996. № 6. С.36-38.

43. Поповкин В.И., Кириллов С.Н., Бакке А.В. Регуляризация решений задачи многокритериального синтеза спектральной плотности мощности сигнала//Радиотехника и электроника. 1996. Т.41.№ 6. С.666-669.

44. Поповкин В.И., Кириллов С.Н., Бакке А.В., Макаров Д.А. Регуляризация решений задачи синтеза спектральной плотности мощности сигналов при обнаружении пространственно распределенных объектов // Вестник РГРТА. Вып.1 / Рязань: РГРТА, 1996. С. 15-20.

45. Кириллов С.Н., Бакке А.В., Бодров О.А. Синтез и обработка фазоманипулированных сигналов в многофункциональных метеонавигационных РЛС//Конверсия. 1996. №10. С.71-73.

46. Kirillov S.N., Korneev V.A., Korychko V.P., Shibanov A.P. Expansion of the telecommunications network in education on the basis of association of networks RUNnet and SBOR-R// Proceedings of the second Internationale Conference on distans education in Russia. Vol. 1. Moscow, 1996. P. 204-206.

47. Кириллов C.H., Корячко В.П., Шибанов А.П., Чернышев C.B., Корнеев В.А. Развитие новых информационных технологий в образовании на основе расширения сети RUNNET// Вестник РГРТА. 1996. Вып. 1. С.10-15.

48. Кириллов С.Н., Шелудяхов A.C., Стукалов Д.Н. Анализ алгоритма оценок параметров авторегрессионной модели клишированного речевого сигнала// Электросвязь. 1996. № 12. С.14-16.

49. Kirillov S.N., Sheludjakov A.S., Stukalov D.N., Haljapin R.V. The Representation Formalization of the Speech Signal in Interests of the Human-Computer Interaction// Proceedings 6th East-West International Conference on Human aspects of business computing-E\VKCr96, Moscow, ICSTI. 1996. P. 157-158.

50. Кириллов C.H. Робастный к искажениям сигнала оптимальный линейный фильтр //Обработка сложных сигналов с применением цифровых устройств и функциональной электроники: Межвуз. сб. науч. ip. /Рязань: РГРТА., 1996. C.48-5Î.

51. Кириллов С.Н., Бакке A.B. Регуляризация решений задачи синтеза малобазовых 4M сигналов// Проблемы математического моделирования и обработки информации в задачах управления: Межвуз. сб. науч. тр./ Рязань: РГРТА, 1996. С.36-39.

52. Кириллов С.Н., Бакке A.B., Бодров O.A. Проблемы использования сигналов с расширенным спектром в беспроводных вычислительных сетях //Проблемы автоматизированного проектирования :Межвуз.сб.науч.тр. Рязань: РГРТА, 1996. С.67-71.

53. Кириллов С.Н., Бакке A.B., Бодров O.A. Синтез модулирующей функции фазоманипулированных сигналов с ограниченной полосой частот // Обработка сложных сигналов с применением цифровых устройств и функциональной электроники: Межвуз. сб. науч. тр. /Рязань: РГРТА, 1996. С.52-56.

54. Кириллов С.Н., Бодров O.A., Степанов М.В. Косвенный критерий оптимизации коэффициентов цифровых фильтров // Математические методы в научных исследованиях: Межвуз. сб. науч. тр. /Рязань: РГРТА, 1996. С. 17-21.

55. Кириллов С.Н., Степанов М.В. Регулируемые цифровые фильтры с конечной импульсной характеристикой // Автоматизация

тшпытоинм w гли/апАПИМ' Mmirav* C.f\ НЯ V4T ТП /Р$ГЯЯНК* РГРТЛ 1996

* ** ».w..,^, ------------------V "JT ■ • -----------

C.74-76.

56. Кириллов C.H., Степанов M.B. Комбинированный критерш оптимальности нерекурсивных фильтров оценивания // Проблемь математического моделирования и обработки информации в задача: автоматического управления: Межвуз. сб. науч. тр. /Рязань: РГРТА 1996. С.40-43.

57. Кириллов С.Н., Шелудяков A.C., Халяпин Р.В. Эффективное представление речевой информации в системах мультимедиа// Информационные технологии. Системы обработки и передачи информации: Межвуз. сб. науч. тр./Рязань: РГРТА, 1996 С.64-67.

58. Кириллов С.Н., Шелудяков A.C. Фонетический анализ речевых сигналов в естественно-языковых интерфейсах// Информационные технологии. Системы обработки и передачи информации: Межвуз. сб. науч. тр./Рязань; РГРТА, 1996. С.60-64.

59. Кириллов С.Н., Шелудяков A.C., Шустиков O.E., Куприянов Г.Ю. Комбинированный критерий выбора базиса ортогональных разложений речевых сигналов// Автоматизация испытаний и измерений: Межвуз. сб. науч. тр./Рязань: РГРТА, 1996. С.70-73.

60. Кириллов С.Н., Бакке A.B., Бодров O.A., Макаров Д.А. Синтез зондирующих сигналов для метеонавигационных РЛС. /МНТК "Современные научно-технические проблемы в гражданской авиации": Тез.докл. М.: МГТУГА, 1996. С.142.

61. Кириллов С.Н., Шелудяков A.C., Васильев A.B. Обобщенные ортогональные представления речевых сигналов / МНТК, 51-я научная сессия РНТО РЭС им. A.C. Попова: Тез. докл. 4.1. М.: РНТО РЭС, 1996. С.36.

62. Кириллов С.Н., Стукалов Д.Н., Шелудяков A.C., Василь ев A.B. Естественно-языковый интерфейс системы информационной: обеспечения пилота // МНТК "Современные научно-техническш проблемы гражданской авиации" : Тез.докл. М.: МГТУГА, 1996 С.29.

63. Кириллов С.Н., Бакке A.B., Бодров O.A. Синтез фазоманипу-лированных сигналов по заданным показателям качества // 51-я научная сессия РНТО РЭС. посвященная Дню радио : Тез. докл. 4.2 М.: РНТО РЭС, 1996. С.32.

64. Кириллов С.Н., Кропотов A.B., Макаров Д.А. Многокритериальный синтез частотно-модулированных сигналов //Изв. вузов. Радиоэлектроника. 1997. Т.40. № 3. С.13-17.

65. Кмпялло5 С Н., Ктл°потпв А.Б. ^^орстико-игровой метод многокритериального синтеза сигналов при неизвестном спектре помех // Изв. вузов. Радиоэлектроника. 1997. Т.40. № 5. С.49-52.

66. Кириллов С.Н., Бакке A.B. Многокритериальная оптимизация при теоретико-игровом методе синтеза сигналов //Изв. вузов. Электроника. 1997. Вып.1, 2. С.139-143.

67. Кириллов С.Н. Синтез устойчивых к искажениям оптимальных линейных фильтров //Вестник РГРТА, 1997. Вып.2. С.123-127.

68. Кириллов С.Н., Лавров A.M., Шелудяков A.C. Комбинированные критерии выбора оптимального базиса обобщенных рядов Фурье//Вестник РГРТА, 1997. Вып.2. С.19-23,

69. Кириллов С.Н., Бакке A.B. Многокритериальный синтез фа-зоманипулированных сигналов // Радиотехника. 1997. № 2. С.21-24.

70. Кириллов С.Н., Бакке A.B., Бодров O.A. Численный алгоритм оптимизации системы фазоманипулированных сигналов // Радиотехника. 1997. № 10. С.43-46.

71. Кириллов С.Н., Степанов М.В., Стукалов Д.Н, Модифицированный критерий оценки параметров линейного предсказателя речевых сигналов//Электросвязь. 1997. № 6. С.27-28.

72. Кириллов С.Н., Орешков В.И., Макаров Д.А. СВЧ радиотермография биологических объектов методом одночастотного мультипозиционного сканирования// Физика полупроводников и микроэлектроника: Межвуз. сб. науч. тр./Рязаиь: РГРТА, 1997. С. 6272.

73. Кириллов С.Н., Шелудяков A.C., Халяпин Р.В. Особенности кодирования речевых сигналов в системах компьютерной телефонии// В НТК "52-я научная сессия, посвященная Дню радио": Тез. докл. М.: РНТО РЭС им. А. С. Попова, 1997. Ч. 1. С. 83.

74. Кириллов С.Н., Шелудяков A.C., Шустиков O.E., Нечушкин И.А. Спектральные методы обработки речевых сигналов// ВНТК "Повышение эффективности методов и средств обработки информации": Тез. докл. Тамбов: ТВВАИУ, 1997. С. 8-9.

75. Кириллов С.Н., Шелудяков A.C. Восстановление речевых сигналов на выходе ортогональных кодеков космических линий связи// МНТК "К.Э. Циолковский - 140 лет со дня рождения. Космонавтика. Радиоэлектроника. Геоинформатика": Тез. докл. Рязань: РГРТА, 1997. С.98.

76. Кириллов С.Н., Бакке A.B., Стукалов Д.Н. Использование цифровых микропроцессоров обработки сигналов в радиотехнических задачах// ВНТК "52-я научная сессия, посвященная Дню радио": Тез. докл. М.: РНТО РЭС им. А. С. Попова, 1997. Ч. 1. C.S4-85.

77. Киритптп С.Н. Макаров Д А.. Орепткпв В.И. Решение о( ратной задачи измерения глубинного профиля температуры биолс гических сред методом одночастотной СВЧ термографии// ВНТ] "52-я научная сессия, посвященная Дню радио": Тез. докл. М.: РНТ< РЭС им. А. С. Попова, 1997. Ч. 2. С.34.

78. Кириллов С.Н., Бакке A.B., Бодров O.A. Исследование крит рия синтеза и алгоритма оптимизации коэффициентов bccoboi фильтра сжатия ФМн сигналов // Современные научно-техническ! проблемы гражданской авиации: Межвуэ. сб. науч. тр. /М МГТУ ГА, 1997.4.2. С.54-58.

79. Кириллов С.Н., Стукалов Д.Н., Шедудяков A.C. Речевой ин терфейс системы информационного обеспечения пилота// Современ ные научно-технические проблемы гражданской авиации: Межву; сб. научн. тр./ М.: МГТУ ГА, 1997.4.1. С.112-115.

Соискатель

Кириллов Сергей Николаевич

Многокритериальный синтез реализуемых сигналов и устройств обработки с учетом мешающих факторов в радиотехнических системах

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Подписано в печать ЮОщ Формат бумаги 60x84 1/16. Усл. печ. л. 2,0. Уч. - изд. л. 2,0. Тираж 100 экз.

Рязанская государственная радиотехническая академия. 391000, Рязань, ГСП, ул. Гагарина, 59/1.

Научно-производственный центр "Информационные технологии" 390035, Рязань, ул. Гоголя, 24, к.34.