автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.02, диссертация на тему:Разработка цифровых алгоритмов широкополосного радиомониторинга для систем передачи информации

, - г> т

о

, . , На правах рукописи

Токарев Антон Борисович

Разработка цифровых алгоритмов широкополосного радиомониторинга для систем передачи информации

05.12.02 - Системы и устройства передачи информации по каналам связи

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Воронеж - 1995

Работа выполнена в Воронежском государственном техническое университете.

Научный руководитель: кандидат технических наук,

профессор Макаров Г. В.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Быков В. В. кандидат технических наук, доцент Костров Н. А.

Ведуща'я организация: Воронежский научно-исследовательский

Защита диссертации состоится 22 декабря 1995 г. в 13 чабОЕ на заседании диссертационного совета К063.81.05 Воронежского государственного технического университета по адресу: 394026, г. Воронеж-26, Московский проспект, 14.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежского государственного технического университета.

институт связи.

Автореферат разослан

ноября 1995 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Козьмин В. А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Наблюдаемое в последние годы активное развитие сотовых систем связи, пейджерных систем, других радиосредств передачи информации влечет за собой постоянное и существенное усложнение радиообстановки в КВ- и УКВ-диапазонах. Увеличение плотности загрузки указанных радиодиапазонов приводит при разработке современных систем передачи информации (СПИ) к необходимости принятия специальных мер для борьбы с непреднамеренными помехами (внеполосными и паразитными излучениями), а также помехами от незарегистрированных, нарушающих установленное распределение частот источников радиоизлучений (ИРИ), совместное действие которых может существенно ухудшать качество передачи информации в СПИ. Одним из возможных способов повышения эффективности работы СПИ является выполнение глобального и оперативного (текущего) радиомониторинга.

Особое значение в последнее время приобретает разработка средств радиомониторинга на основе цифровой обработки сигналов. Это объясняется тем, что современные сигнальные процессоры и персональные ЭВМ, с одной стороны, обладают высоким быстродействием, которое позволяет решать многие задачи РМ (прежде всего относящиеся к узкополосной обработке) в режиме реального времени, с другой - предоставляют широкие возможности для накопления, хранения, передачи, обработки и отображения результатов анализа. Кроме того, цифровая обработка сигналов нередко позволяет существенно повысить качество работы системы и расширить ее функциональные возможности путем совершенствования программного обеспечения без существенных доработок аппаратуры.

Осложняет разработку цифровых систем радиомониторинга тот факт, что наиболее важные задачи РМ относятся к области широкополосной обработки. Именно, при исследовании радиообстановки в широком диапазоне частот появляется возможность одновременно оценивать количество и параметры всех присутствующих в данный момент сигналов, исследовать корреляцию между моментами их появления в эфире и прекращения работы, контролировать на этой основе происхождение и принадлежность радиопомех и выявлять взаимодействующие ИРИ.

Несмотря на наличие' ряда работ, посвященных статистической теории разрешения, многие проблемы практической разработки алгоритмов и аппаратуры цифрового широкополосного радиомониторинга (ЦШРМ) остаются открытыми. В частности, из-за высокой насыщенности КВ- и УКВ-диапазонов ИРИ различного назначения, разнообразия используемых видов и параметров модуляции разрешение-оценивание сигналов при ЦШРМ приходится выполнять в условиях существенной априорной ^определенности.

Вычислительная сложность алгоритмов ЦШРМ, получаемых на осно-5е классической статистической теории разрешения, существенно зависит

от априорных данных о разрешаемых сигналах, а также используемых ] критериев оптимизации и оказывается обычно значительной. Вместе с тем динамично изменяющаяся радиообстановка требует обеспечения при ЦШРМ достаточно высокого быстродействия. В связи с этим возникают проблемы выбора критериев оптимизации процедур обработки, поиска методов уменьшения вычислительной сложности алгоритмов разрешения-оценивания. В некоторых случаях для повышения быстродействия процедур радиомони >:.инга приходится жертвовать качеством формируемых оценок и перехо ;г1ть к использованию квазиоптимальных алгоритмов.

Специфическая особенность ЦШРМ связана также с применением высокой частоты дискретизации, необходимой для неискаженного представления в цифровой форме анализируемых сигналов, вследствие чего темп формирования данных, содержащих информацию об исследуемом процессе,, значительно превышает предельно достижимую на современном этапе скорость их обработки.

Все вышесказанное подтверждает актуальность исследования вопросов разработки оптимальных (квазиоптимальных) алгоритмов разрешения-оценивания сигналов, применяемых в каналах связи СПИ, применительно к условиям совместной работы этих сигналов в широкой полосе частот, а также методов повышения эффективности широкополосной цифровой обработки сигналов.

Целью диссертационной работы является: разработка цифровых алгоритмов широкополосного радиомониторинга для систем передачи информации, обеспечивающих высокое качество разрешения-оценивания сигналов в условиях априорной неопределенности.

Для достижения указанной цели в работе решались следующие задачи:

1. Статистический синтез алгоритмов разрешения узкополосных сигналов и оценки их параметров - центральной частоты и ширины спектра -применительно к различным критериям оптимизации в условиях известной и неизвестной интенсивности сигналов и шума.

2. Анализ характеристик качества разрешения, точности получаемых оценок и вычислительной сложности алгоритмов.

3. Исследование особенности дискретизации сигналов и возможностей повышения разрешающей способности по частоте при цифровом широкополосном радиомониторинге.

4. Разработка инженерных рекомендаций по проектированию и оптимизации широкополосных систем радиомониторинга.

Методы исследований. Для решения перечисленных задач были использованы методы математической статистики, теории статистических решений, статистической теории синтеза совместно оптимальных алгоритмов, аппарат теории вероятностей, аналитические и асимптотические

летоды математического анализа. Основные теоретические результаты троверены путем статистического моделирования.

Научная новизна работы состоит в следующей:

1. Синтезированы оптимальные (квазиоптимальные) алгоритмы раз-эешения-оценивания сигналов применительно к различным критериям >птималыюсти, отличающиеся способом преодоления априорной неопре-(еленности относительно спектральной плотности мощности анализиру-;мых узкополосных сигналов и шума.

2. Исследованы статистические характеристики и оценена вычисли-■ельная сложность разработанных алгоритмов разрешения-оценивания ■игналов.

3. Разработаны квазиправдоподобные оценки спектральной плотности ющности шума, отличающиеся (при незначительных потерях в качестве) аметно меньшей вычислительной сложностью, чем максимально правдо-годобные оценки.

4. Предложен новый способ повышения разрешающей способности по гастоте при широкополосной цифровой обработке сигналов, не снижа-ощий быстродействия и позволяющий одновременно минимизировать ^равномерность по частоте спектральных оценок.

Практическая ценпость работы состоит в следующем:

1. Реализованы практически алгоритмы разрешения-оценивания узкополосных сигналов со случайными параметрами, наблюдаемых на фоне шума известной и неизвестной интенсивности.

2. Разработана методика выбора процедуры обработки сигналов в широкополосном канале цифровых систем радиомониторинга, обеспечивающая при заданных требованиях к быстродействию минимально возможную вероятность ошибочного разрешения сигналов и высокую точность оценки их параметров.

3. Получена совокупность расчетных и экспериментальных данных, характеризующих качество разрешения-оценивания сигналов при широкополосном радиомониторпнге.

4. Предложен метод фрагментированного накопления отсчетов при широкополосной цифровой обработке сигналов, вариант построения блока дискретизации и квантования и специализированная весовая функция, эбеспечивающие формирование спектральных оценок, обладающих предельно возможной разрешающей способностью (2 бина) при уровне боковых лепестков спектра -88 дБ и неравномерностью по частоте периодограммы спектральной плотности мощности 3 дБ.

Реализация и внедрение результатов исследований.

Результаты работы послужили основой разработки программного обеспечения аппаратуры служебного назначения "Горизонт-10" в р/ч 11135. Теоретические результаты используются в учебном процессе

на кафедре радиотехники ВГТУ в курсах дисциплин "Теория вероятностей и случайные процессы в радиотехнике" и "Радиотехнические цепи и сигналы".

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Квазиправдоподобные оценки спектральной плотности мощности шума в диапазоне частот, содержащем узкополосные сигналы с неизвестными параметрами.

2. Квазиоптимальные алгоритмы разрешения-оценивания узкополосных сигналов, синтезированные применительно к условиям априорной неопределенности о спектральной плотности мощности шума и параметрах разрешь уплх сигналов.

3. Результаты анализа показателей качества разработанных алгоритмов разрешения-оценивания.

4. Методика выбора оптимальной процедуры широкополосного цифрового радиомониторинга.

5. Метод повышения разрешающей способности по частоте при широкополосной цифровой обработке, основанный на фрагментированном накоплении отсчетов, и специализированная весовая функция, позволяющая улучшить качественные характеристики спектральных оценок пс сравнению с классическими весовыми функциями.

6. Программы, реализующие синтезированные алгоритмы разрешения-оценивания сигналов.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Всероссийском совещании-семинаре "Высокие технологии в проектировании технических устройств и автоматизированных систем" (Воронеж, 27-30 сентября 1993 г.); I Всероссийской научно-практической конференции "Перспектива развития радиоприемной, электроакустической, студийной и звукоусилительной техники" (С.-Петербург, 10-11 ноября 1993 г.); Всероссийском совещании-семинаре "Математическое обеспечение высоких технологий в технике, образовании и медицине" (Воронеж, 28 июня-1 июля 1995 г.); совещании-семинаре "Вопросы помехозащищенности средств передачи и приема дискретной и аналоговой информации" (Воронеж, 25 апреля 1995 г.); II Межвузовской научно-технической конференции "Перспективы развития средств и способов РЭБ" (Воронеж, 23 мая 1995 г.), XIII Военной научной конференции (Москва, 24-25 мая 1995 г.); ежегодных научных конференциях профессорско-преподавательского состава ВГТУ.

Публикации. Основные результаты проделанной работы опубликованы в 12 печатных работах: 8 статьях и тезисах 4 докладов.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и включает 239 страниц машинописного

текста, 77 рисунков, 7 таблиц, список литературы из 109 наименований, 1 приложение.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введяпии обоснована актуальность работы, сформулированы цели и задачи исследования, изложена научная новизна и практическая ценность работы, перечислены основные положения и результаты, выносимые на защиту.

В первой глапс проанализированы особенности выполнения ЦШРМ 1рименительно к СПИ в КВ- и УКВ-диапазонах. Показано, что с позиций ггатистической радиотехники основную задачу ЦШРМ можно классифи-щровать как задачу разрешения и оценки параметров сигналов, действу-ощих совместно в широкой полосе частот на фоне шума неизвестной штенсивности. При этом предполагается, что максимально возможное [исло сигналов М, наблюдаемых одновременно, ограничено (М < МО); шлезные сигналы являются узкополосными гауссовскими процессами, а ix спектры, не перекрываясь и не превышая по величине ширины радио-санала Дрк, располагаются равновероятно в любой части диапазона Лд. Точное же число сигналов, их центральные частоты и ширина спектра «известны и должны быть определены. При этом в отношении величин спектральной плотности мощности сигналов и шума неизвестно ни их абсолютное значение, ни закон распределения.

Показано, что в указанных условиях оптимальную процедуру разрешения-оценивания следует искать в классе одношаговых адаптивных параметрических алгоритмов, основанных на спектральном описании анализируемых процессов. Разработана вероятностная модель, в которой в-сачестве совокупности наблюдаемых координат выступают отсчеты периодограммы спектральной плотности мощности (СПМ) анализируемого троцесса.

Выбраны показатели качества алгоритмов разрешения-оценивания.

Во второй главе решается задача разрешения-оценивания сигналов, габлюдаемых на фоне [пума известной интенсивности. Показано, что мчислительная сложность и качественные характеристики получаемых троцедур существенно зависят от используемых критериев оптимизации шгоритмов. Предложены три процедуры, основанные на критерии максимальной апостериорной вероятности (MAB), критерии Неймана-Пирсона и (мпирическом пороговом правиле разрешения-оценивания.

Показано, что в случае априорной неопределенности относительно штенсивности разрешаемых сигналов использование классического адаптивного подхода, основанного на использовании максимально правдоподоб-[ых оценок, приводит к алгоритмам, обладающим неудовлетворительными :ачественными характеристиками. В частности, при разрешении М0 = 12

сигналов неизвестной интенсивности с неизвестными центральными час-,' тотами при ширине радиоканала (в бинах) Прк = 8 и объеме используемой периодограммы СПМ N = 1024 приведенная вероятность ошибочного разрешения Рош1 превышает 20 %.

Предложено для снятия априорной неопределенности относительно интенсивности разрешаемых сигналов использовать модифицированный подход, отличающийся от известного введением нижней границы ЬПцП минимально допустимых значений максимально правдоподобных оценок отношения Ьщ СПМ сигнала Бщ (ш = 1, М) к СПМ шума Бц. Путем статистического моделирования показано, что выбор значения 11т;п существенно влияет на у фактеристики получаемых алгоритмов разрешения-оценивания. Имен >, при уменьшении величины Ьт;п повышается вероятность обнаружения слабых сигналов, однако одновременно растет вероятность ложного обнаружения. С учетом того, что для качественной передачи информации необходимо обеспечивать превышение СПМ сигнала над СПМ шума не менее чем на 10 дБ, показано, что значение порога Ь^д следует выбирать в пределах Ь1Г11п = 4...8.

На основе предложенного модифицированного адаптивного методг синтезированы МАВ-алгоритмы разрешения сигналов и оценки их параметров в условиях известного расположения разрешаемых сигналов нг оси частот и при отсутствии указанной информации, для случаев известной и неизвестной интенсивности сигналов. Во всех случаях МАВ-алгоритмы гарантируют малую вероятность ошибочного разрешения и высокую точность оценок центральной частоты и ширины спектра сигналов.

Недостатком МАВ-алгоритмов является высокая вычислительна^ сложность, обусловленная необходимостью для каждой из проверяемы: гипотез Нм о числе присутствующих в диапазоне частот полезны;

сигналов определять условный оптимальный вектор ¡м оценок индексо. центральных частот сигналов. Для повышения быстродействия МАВ-алго ритмов разработан метод целенаправленного перебора, позволяющи] минимизировать подлежащую анализу при проверке гипотезы Иод сово купность векторов ¡.эд и сократить (иногда на несколько порядков) врем; анализа. Предложена практическая реализация указанного метода н: основе рекурсивной процедуры, однако показано, что даже при использо вании предложенного метода МАВ-алгоритмы уступают приведенныг ниже процедурам обработки по вычислительной сложности.

В качестве второго критерия оптимизации алгоритмов разрешения оценивания предлагается использовать критерий Неймана-Пирсона. Пока зано, что соответствующие указанному критерию процедуры почти не уступают по качественным характеристикам МАВ-алгоритмам, однак

обладают значительно меньшей вычислительной сложностью, поскольку при определении оптимальных оценок ¡т индексов (в бинах) центральных частот сигналов оказывается возможным заменить многошаговую рекурсивную процедуру поиска условных оптимальных векторов ¡м, используемую в МАВ-алгоритмах, однопроходной линейной процедурой, в результате которой одновременно формируется решение о числе М сигналов, наблюдаемых в диапазоне, и определяется оптимальная оценка ¡ад их центральных частот. Вычислительная сложность алгоритмов, соответствующих критерию Неймана-Пирсона, практически не меняется с увеличением максимально возможного числа М0 сигналов, поэтому при большом числе разрешаемых сигналов эти алгоритмы обеспечивают, по-существу, однозначное преимущество над МАВ-алгоритмами.

Третьим вариантом решения задачи разрешения сигналов и оценки их параметров является использование эмпирической пороговой процедуры, основанной на разделении отсчетов периодограммы на шумовые и сигнальные. Показано, что указанная процедура отличается заметно большим быстродействием, чем оба рассмотренных выше оптимальных алгоритма, однако платой за это является заметное увеличение приведенной вероятности ошибочного разрешения и снижение точности оценки параметров сигналов. Так, для обеспечения сходного качества разрешения сигналов, характеризуемых отношением сигнал/шум Ьщ - 10 дБ, при использовании пороговой процедуры необходимо увеличить превышение СПМ сигнала над СПМ шума не менее чем на 3 дБ, а для достижения той же точности оценки центральной частоты и ширины спектра - не менее чем на 8 дБ. Однако, если при ЦШРМ одновременно с разрешением-оцениванием выполняются другие технические задачи, например, накопление и отображение результатов анализа, то с учетом высокого быстродействия рассматриваемая процедура нередко оказывается предпочтительнее, чем оптимальные алгоритмы, основанные на критериях Неймана-Пирсона и максимальной апостериорной вероятности.

Третья глава посвящена проблеме преодоления априорной неопределенности СПМ шума. Показано, что оптимальная максимально правдоподобная оценка СПМ шума может быть рассчитана лишь при наличии полной информации о количестве, интенсивности и расположении на оси частот разрешаемых узкополосных сигналов, а отсутствие указанной информации приводит к необходимости максимизации весьма сложной функции правдоподобия как по оцениваемой величине СПМ шума Эо, так и по всем неизвестным параметрам полезных сигналов. Указанный подход характеризуется неприемлемо высокой вычислительной сложностью, поэтому при разрешении сигналов на фоне шума неизвестной интенсивности

для определения его СПМ предложено использовать квазиправдоподобные; оценки.

Разработаны и исследованы три принципиально отличающихся метода расчета квазиправдоподобных оценок интенсивности шума. Показано, что в сложной радиообстановке, характеризуемой большим числом узкополосных сигналов, для оценки СПМ шума следует использовать алгоритмы, основанные на методе режекции максимальных спектральных составляющих. Согласно этому методу в обрабатываемой периодограмме СПМ выделяемая по специальному правилу часть наибольших отсчетов помечается как неиспользуемая, прочие спектральные составляющие усредняются, и результат усреднения используется в качестве оценки СПМ шума. Предложены и обоснованы два правила выбора оптимального объейа (продолжительности) режекции, основанные на минимизации 2

статистики Пирсона X и методе моментов. Недостатком описанного метода оценки СПМ шума является его высокая вычислительная сложность, и, при типовой радиообстановке, характеризуемой небольшим числом разрешаемых сигналов, оказывается разумнее использовать алгоритмы, основанные на методе сглаживания периодограммы СПМ и комбинированном методе.

Первый из указанных методов основан на использовании в качестве оценки СПМ шума минимального отсчета сглаженной периодограммы. Предложено правило выбора оптимального окна сглаживания, основанное на найденном в работе законе распределения максимального по частоте промежутка между спектрами радиосигналов. Указанный способ выбора ширины окна сглаживания минимизирует среднеквадратическое отклонение (СКО) оценки СПМ шума и при этом гарантирует пренебрежимо малую вероятность аномальных ошибок.

Показано, что оценка, получаемая в соответствии с описанным методом, обладает малой дисперсией, однако отличается заметным смещение« вниз. Существенным достоинством алгоритма оценки СПМ шума пс сглаженной периодограмме является высокое быстродействие.

Комбинированный метод оценки СПМ шума представляет собой двухэтапную процедуру, при которой на первом этапе в соответствии с описанным выше методом сглаживания периодограммы формируется предварительная оценка СПМ шума, а на втором - согласно разработанной в главе 2 эмпирической пороговой процедуре осуществляется разделение отсчетов на сигнальные и шумовые и по совокупности шумовых составляющих рассчитывается уточненная оценка СПМ шума. Комбинированный метод почти вдвое уступает по быстродействию методу сглаживания периодограммы СПМ, однако при типовой радиообстановке он обладает наилучшими качественными характеристиками: СКО формируемых им оценок составляет (при объеме периодограммы N = 1024 отсчетов]

.035...0.055 • Бц и незначительно превышает относительное СКО макси-[ально правдоподобной оценки, равное 0.03125 • Эд.

В четвертой главе рассматриваются вопросы практической разра-отки алгоритмов разрешения-оценивания сигналов на фоне шума неиз-естной интенсивности, выбора оптимальной процедуры обработки сиг-алов; приводятся результаты применения синтезированных алгоритмов в истеме радиомониторинга.

Показано, что в целях обеспечения приемлемой на практике ычислительной сложности процедур обработки следует для разрешения-ценивания использовать двухэтапные квазиоптимальные процедуры, в оторых на первом этапе по одному из предложенных в главе 3 алго-итмов рассчитывается квазиправдоподобная оценка СПМ шума, а на тором определяется число сигналов, присутствующих в анализируемой олосе частот, и оцениваются их параметры в соответствии с каким-либо з разработанных в главе 2 алгоритмов разрешения-оценивания, причем место неизвестной СПМ шума используется рассчитанная на первом тапе ее максимально правдоподобная оценка.

Показано, что при типовой радиообстаноЕКе разделение полного диа-азона частот Дд на два и более поддиапазона с целью их последова-ельного анализа приводит к ухудшению показателей качества, а потому |ри возможности аппаратной реализации дискретизации процесса с час-отой, соответствующей всему диапазону частот Ац, следует выполнять >азрешение сигналов во всей полосе частот одновременно, повторяя, при еобходимости, процедуру разрешения-оценивания многократно.

Показано, что, хотя квазиоптимальный алгоритм разрешения сигна-[ов на фоне шума неизвестной интенсивности может быть получен путем бъединения любого алгоритма квазиправдоподобной оценки СПМ шума с 'юбым алгоритмом разрешения-оценивания, качественные показатели :олучаемых процедур могут существенно отличаться. В частности, роцедуры, использующие для оценки СПМ шума режекцию макси-гальных спектральных составляющих, необходимо использовать лишь в лучае сложной радиообстаповки, а в условиях типовой радиообстановки азумно применять процедуры, использующие для оценки СПМ шума омбинированный метод или метод сглаживания периодограммы СПМ. [ри этом надо учитывать, что наилучшее качество разрешения-оцени-ания обеспечивают квазиоптимальные алгоритмы, основанные на крите-ии максимальной апостериорной вероятности, незначительно им уступа-)т алгоритмы, оптимизированные по критерию Неймана-Пирсона, эмпи-ические же пороговые процедуры существенно проигрывают предыду-;им как по вероятности ошибочного разрешения, так и (в особенности) по очности оценки параметров сигналов. Однако в отношении быстро-ействия ситуация оказывается диаметрально противоположной, поэтому

при выборе оптимальной процедуры ЦШРМ следует рассмотреть поочередно МАВ-алгоритмы, алгоритмы, основанные на критерии Неймана-! Пирсона и эмпирические процедуры и использовать ту из перечисленных процедур, которая удовлетворяет требованиям по максимально допустимой продолжительности обработки.

Методом статистического моделирования исследованы качественные: характеристики предложенных алгоритмов. Кривые вероятности ошибки разрешения сигналов с неизвестными центральными частотами и шириной спектра П (в .бинах), наблюдаемых на фоне шума неизвестной интенсивности, представлены на рис. 1. Показано также, что ухудшение качества разрешения-оценивания сигналов, вызываемое отсутствием информации о величине СПМ шума, оказывается незначительным и эквивалентно уменьшению на 0,6...1,2 дБ интенсивности разрешаемых, сигналов при известной СПМ шума.

Все предложенные алгоритмы реализованы программно и прошли апробацию в аппаратуре. Их использование позволило обеспечить скорость анализа диапазона частот до 10 МГц / с.

3 6 9 12 15 И, дБ

Рис. 1. Приведенная вероятность ошибки разрешения сигналов, при использовании квазиоптимальных алгоритмов, в которых СПМ шума оценивается комбинированным методом, а разрешение^ оценивание выполняется в соответствии с МАВ-алгоритмом (сплошные линии), алгоритмом, оптимизированным по критерию Неймана-Пирсона (штриховые линии), эмпирической пороговой процедурой (штрих-пунктир)

Практическое применение двух из предложенных алгоритмов разре-.шния-оценивания проиллюстрировано на рис. 2. В нижней части рисунка оказана периодограмма СПМ, рассчитанная 14.06.95 в 20:30:42 при нализе диапазона частот 170...172 МГц, приведены результаты ее обра-отки, полученные с помощью двухэтапного квазиоптимального алгоритма, ключающего алгоритм квазиправдоподобной оценки СПМ шума по сгла-сенной периодограмме и эмпирическую пороговую процедуру разреше-ия-оценивания сигналов. Указанный алгоритм отличается наивысшей коростью обработки. В верхней половине рисунка представлено распре-еление по частоте так называемых сигнальных статистик Ч'т, расчет оторых выполнен с использованием квазиправдоподобной оценки СПМ гума, определенной комбинированным методом. Сравнение статистик Ч'т

порогом х1,т;п, показанным на рисунке меткой "4", лежит в основе лгоритма разрешения-оценивания, оптимизированного по критерию Геймана-Пирсона. Указанный алгоритм можно рекомендовать к использо-анию при высоких требованиях к качеству разрешения-оценивания.

Пятая глава посвящена оптимизации процедуры оценивания пектра при ЦШРМ. Отмечено, что при классическом спектральном оценивании невозможно обеспечить высокий динамический диапазон |бработки без ухудшения разрешающей способности по частоте (РСЧ). Тредлагается, однако, учесть тот факт, что вследствие использования при ДПРМ высокой частоты дискретизации и невозможности реализовать (ифровую широкополосную обработку в режиме реального времени при-1еняется обьшно квазинепрерывный режим, при котором широкополос-/ый блок дискретизации и квантования (ШПБДК), формирующий отсчеты |ходного случайного процесса, значительное вре<мя простаивает, а значит, то возможности недоиспользуются. С учетом этого предлагается форми-ювать выборку отсчетов случайного процесса путем И-кратного увели-[ения времени непрерывной работы ШПБДК, 11-кратного растяжения [спользуемой весовой функции во времени, последующего деления свешенной выборки длиной II • N4 отсчетов (N11 - объем выборки при шассическом оценивании спектра) на II фрагментов, задерживаемых в ППБДК на разное время, и завершающего их суммирования. Указанный гетод формирования отсчетов назван методом фрагментированного накоп-1ения (ФН). Показано, что при оценивании спектра на равномерной декретной сетке частот фрагментированное накопление не только не [скажает спектр, но позволяет обеспечить предельно возможную РСЧ 2 бина), обеспечивая выигрыш по сравнению с классическими периодо-раммными оценками в 1,5...2,5 раза; получено правило выбора оптималь-1ых коэффициентов фрагментации И. Предложена структурная схема >лока дискретизации и квантования, реализующего ФН.

(14706795

Рис. 2. Практическое применение алгоритмов ЦШРМ

Обозначения: 1 - квазиправдоподобная оценка СПМ шума; 2 - порог разделения спектральных

составляющих на шумовые и сигнальные; 3, 5 - выделенные в результате обработки узкополосные сигналы; *

4 - порог выделения сигналов на основе сигнальных статистик _______ _

Показано, что за счет отказа от классических весовых функций и синтеза специализированных, непосредственно предназначенных для использования в режиме ФН, можно помимо повышения РСЧ уменьшить неравномерность по частоте формируемой периодограммы СПМ. Предложена весовая функция, позволяющая при уровне боковых лепестков спектра Б = -88 дБ обеспечить предельно возможную РСЧ и, вместе с тем, неравномерность по частоте формируемой периодограммы СПМ - 3 дБ, в то время как для классических функций Кайзера-Бесселя и Блекмана-Херриса, используемых в режиме ФН, указанная величина составляет более 10 дБ.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Основные научно-технические результаты работы состоят в следующем:

1. Проанализирована возможность разработки оптимальных алгоритмов разрешения и оцепгп неизвестных (случайных) параметров узкополосных сигналов, наблюд:---«ых одновременно в широкой полосе частот в смеси с шумом известной г:.-;генсивности. Показано, что для упрощения задачи статистического синтез • целесообразно использовать спектральное описание анализируемого широкополосного процесса, а именно, периодограмму спектральной плотности мощности (СПМ).

Показано, что в случае априорной неопределенности относительно энергетических характеристик разрешаемых сигналов классические адаптивные алгоритмы, основанные на использовании максимально правдоподобных оценок неизвестных параметров, не обеспечивают качественное разрешение сигналов. Для преодоления априорной неопределенности предложено использовать модифицированный адаптивный метод, отличающийся ограничением минимально допустимых значений оценок отношения СПМ сигнала и шума Ь^ . Показано, что при цифровом широкополосном радиомониторинге применительно к системам передачи информации указанную величину следует выбирать в пределах Ь1п1п= 4...8.

2. Применительно к различным критериям оптимизации разработаны три процедуры разрешения-оценивания сигналов на фоне шума известной интенсивности. В частности, синтезированы оптимальные по критерию максимальной апостериорной вероятности алгоритмы оценки числа и параметров действующих в данный момент сигналов в условиях известного их расположения на оси частот и при отсутствии указанной информации, для случаев известной и неизвестной СПМ разрешаемых сигналов. Предложена методика и синтезирован оптимальный алгоритм разрешения-оценивания сигналов на основе критерия Неймана-Пирсона. Разработана эмпирическая пороговая процедура, позволяющая за счет

частичного ухудшения качества разрешения достичь заметно большего! быстродействия, чем то, которое обеспечивают оптимальные алгоритмы. |

3. Выполнен анализ вычислительной сложности предложенных алгоритмов, методом статистического моделирования исследованы их качественные характеристики. Показано, что наилучшее качество разрешения-оценивания сигналов обеспечивает алгоритм, основанный на крите-. рии максимальной апостериорной вероятности, однако он характеризуется низким быстродействием, к тому же при его использовании продолжительность обработки.разных периодограмм, полученных в одних и тех же условиях, может существенно изменяться. Алгоритм, оптимизированный по критерию Неймана-Пирсона, незначительно проигрывает алгоритму максимальной апостериорной вероятности по качеству разрешения-оценивания, однако обеспечивает значительный выигрыш по скорости обработки. Еще более высоким быстродействием обладает предлагаемая; эмпирическая процедура оценки числа и параметров сигналов, однако для! обеспечения при ее использовании такого же качества обработки, которое гарантируют оптимальные алгоритмы, интенсивность разрешаемых сигна-, лов должна быть больше, по крайней мере, на 8 дБ.

4. Исследована возможность построения оптимальных алгоритмов разрешения-оценивания сигналов в случае априорной неопределенности а величине СИМ шума. Показано, что использование вместо неизвестной интенсивности шума ее максимально правдоподобной оценки приводит к неприемлемым по вычислительной сложности процедурам. Предложено использовать двухэтапные квазиоптимальные алгоритмы, в которых на первом этапе рассчитывается квазиправдоподобная оценка СПМ шума, а на втором определяется число сигналов, присутствующих в анализируемой полосе частот, и оцениваются их параметры в соответствии с какой-! либо из перечисленных в п. 2 процедур, причем вместо неизвестной СПМ шума используется рассчитанная на первом этапе ее квазиправдот подобная оценка. :

5. Предложены и исследованы три различных метода формирования квазиправдоподобных оценок СПМ шума. Показано, что минимальной вычислительной сложностью обладает алгоритм, использующий в качестве оценки интенсивности шума минимальное значение сглаженной периодограммы СПМ; наилучшие же показатели качества при типовой радиообстановке, характеризуемой относительно небольшим числом сигналов с достаточно широким спектром, обеспечивает комбинированный алгоритм. В условиях сложной радиообстановки, отличающейся большие числом сигналов с очень узким спектром, может оказаться предпочти-] тельным алгоритм, основанный на режекции максимальных спектральные составляющих, который при указанной обстановке обеспечивает более высокую точность оценки СПМ шума, чем приведенные ранее процедуры При типовой радиообстановке качество оценки СПМ шума для всех алго-

ритмов отличается незначительно и указанный алгоритм проигрывает перечисленным выше из-за существенно более высокой вычислительной сложности.

6. Исследованы квазиоптимальные алгоритмы разрешения-оценивания па фоне шума неизвестной интенсивности, основанные на объединении предложенных ранее оптимальных процедур разрешения сигналов на фоне шума известной интенсивности и алгоритмов квазиправдоподобной оценки СПМ шума. Показано, что при типовой радиообстановке ухудшение качества разрешения-оценивания вследствие отсутствия информации о величине СПМ шума незначительно и соответствует приближенно уменьшению интенсивности разрешаемых сигналов на 0,6...1,2 дБ при известной СПМ шума.

7. Проведен сравнительный анализ разработанных алгоритмов и предложена методика выбора оптимальной процедуры обработки сигналов применительно к системам передачи информации в условиях типовой радиообстановки. В частности, показано, что при высоких требованиях к качеству разрешения-ош нтвания цифровой широкополосный радиомониторинг следует выполнят!. . .ж помощи двухэтапной процедуры, в которой определение СПМ шума выполняется комбинированным методом, а для разрешения-оценивания сигна. 1'>в используется алгоритм, оптимальный по критерию Неймана-Пирсона. Если же наивысший приоритет принадлежит скорости обработки, то целесообразно использовать эмпирическую пороговую процедуру определения числа и параметров сигналов, а необходимую для расчета порйга оценку СПМ шума определять по минимальному отсчету сглаженной периодограммы СПМ.

8. Проанализированы особенности формирования выборки отсчетов анализируемого случайного процесса при цифровом -широкополосном радиомониторинге. Показано, что дискретизацию сигналов приходится выполнять в квазинепрерывном режиме, при котором возможности блока дискретизации и квантования, входящего в широкополосный канал обработки, недоиспользуются, что выражается в значительном времени его простоя. Предложен новый метод формирования отсчетов входного процесса, названный методом фрагментированного иакоплеиия. Показано, что фрагментированное накопление позволяет обеспечить предельно возможную (при равномерной дискретной сетке частот) разрешающую способность по частоте в 2 бина, обеспечивая по этому показателю выигрыш по сравнению с классическими методами спектрального оценивания в 1,5...2,5 раза. Предложена структурная схема блока дискретизации и квантования, реализующего фрагментированное накопление отсчетов.

9. Исследована целесообразность использования классических весовых функций в режиме фрагментированного накопления. Показано, что применение.' специализированных (неклассических) весовых функций позволяет при сохранении динамического диапазона обработки обеспечить

уменьшение неравномерности формируемых периодограмм СПМ по! частоте. В качестве примера предложена весовая функция, позволяющая | обеспечить в режиме фрагментированного накопления уровень боковых: лепестков спектра -88 дБ при неравномерности периодограммы 3 дБ и гарантирующая предельно возможную разрешающую способность по чистоте в 2 бина.

10. Все предложенные алгоритмы цифрового широкополосного радиомониторинга реализованы программно. Проведена практическая апроба-1'/1я "■тих алгоритмов и метода фрагментированного накопления в специализированной аппаратуре. Их использование в указанной аппаратуре позволило обеспечить скорость анализа диапазона частот до 10 МГц/с; вероятность ошибки при разрешении сигналов с неизвестными центральными частотами и шириной спектра, наблюдаемых на фоне шума неизвестной интенсивности, при отношении сигнал/шум (в полосе сигнала) Ь > 10 дБ не более Рош1 - 0.02; разрешающую способность по частоте не хуже 3 кГц.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ

1. Макаров Г. В., Токарев А. Б. Применение программы БА?.!) для моделирования радиообстановки и статистического анализа характеристик адаптивных алгоритмов обнаружения радиостанций // Высокие технологии в проектировании технических устройств и автоматизированных систем: Тез. докл. Всерос. совещания-семинара 27 - 30 сентября 1993 г. -1 Воронеж, 1993. - С. 7.

2. Токарев А. В., Кондращенко В. Н. Особенности применения теоремы Винера-Хинчина к комплексным случайным и неслучайным процессам // Методы и устройства обработки сигналов: Межвуз. сб. науч. тр. - Воронеж, 1993. - С. 21-25.

3. Токарев А. Б. Использование пакета РгемэеУакде для расчета опта-! мальной ширины окна сглаживания при определении уровня шума й радиодиапазоне, содержащем узкополоспые радиостанции // Оптимиза-, ция и моделирование в автоматизированных системах: Межвуз. сб. науч] тр. - Воронеж, 1993. - С. 30-34.

4. Токарев А. Б. Использование адаптивных алгоритмов обнаружения радиостанций при разработке системы анализа радиообстановки для многоканального цифрового приемника // Перспектива развития радиопри< емной, электроакустической, студийной и звукоусилительной техники. Тез. докл. I Всерос. научно-практ. конф. 11-13 ноября 1993 г. - СПб., 1995| - С. 43-44. ;

5. Токарев А. Б. Статистические характеристики периодограммы случайного процесса при режекции псевдостанционных составляющих /,

Методы и устройства обработки сигналов: Межвуз. сб. науч. тр. - Воро-кж, 1993. - С. 36-43.

6. Карпитский Ю. Е., Токарев, А. Б. Оценка спектральной плотности нощности шума // Синтез, передача и прием сигналов управления и :вязи: Межвуз. сб. науч. тр. - Воронеж, 1994. - С. 139-147.

7. Токарев А. Б. Дискретное преобразование Фурье с неравномерным ю частоте набором спектральных составляющих // Синтез, передача и 1рием сигналов управления и связи: Межвуз. сб. науч. тр. - Воронеж, .994. - С. 130-138.

8. Токарев А. Б. Методы повышения быстродействия алгоритмов раз->ешения сигналов в системах радиомониторинга / / Математическое )беспечение высоких технологий в технике, образовании и медицине: Тез. ;окл. Всерос. совещания-семинара 28 июня - 1 июля 1995 г. - Воронеж, .995. - С. 149-150.

9. Токарев А. Б. Разрешение узкополосных сигналов на фоне шума !звестной интенсивности. - М., 1995. - 24 с. - Деп. в ВИНИТИ, 17.07.95, V» 2179-В95.

10. Токарев А. Б. Алго; ::тмы цифровой обработки сигналов в систе-лах радиомониторинга // ч докл. XIII Воен. науч. конф. 24-25 мая 1УЙ5 г. - М., 1995 г. - С. 44-45.

11. Макаров Г. В., Токарев А Б. Определение закона распределения максимального промежутка между спектрам!! узкополосных радиосигналов // Теория и техника радиосвязи, - Воронеж, 1995. - Вып. 1. -

28-34. .

12. Токарев А. Б. Оценка вычислительной сложности алгоритмов разрешения радиосигналов // Синтез, передача и прием сигналов управления и связи: Межвуз. сб. науч. тр. - Воронеж, 1995. - С. 52-70.

ЛР № 020419 от 12.02-92. Подписано в печать/У"//. 95 Формат 60x84/16. Зумага для множительных аппаратов. Объем 1,0 усл. п. л.; 1,0 уч.-изд. л. Тираж 100 экз. Зак. № 323.

Воронежский государственный технический университет

394026, Воронеж, Московский проспект, 14 Участок оперативной полиграфии Воронежского государственного технического университета