автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.17, диссертация на тему:Синтез робастных к мешающим факторам сигналов и устройств обработки по заданным показателям качества в радиотехнических системах

РЯЗАНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ РАДИОТЕХНИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ

На правах рукописи

Дмитрий Александрович Макаров

СИНТЕЗ РОБАСТНЫХ К МЕШАЮЩИМ ФАКТОРАМ СИГНАЛОВ И УСТРОЙСТВ ОБРАБОТКИ ПО ЗАДАННЫМ ПОКАЗАТЕЛЯМ" КАЧЕСТВА В РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.12.17

Научные руководители: - Заслуженный деятель науки и техники РФ,

д.т.н., профессор Лоповкин Василий Иванович - д.т.н., профессор Кириллов Сергей Николаевич

Рязань - 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...............................................................................................................4

1. СИНТЕЗ РОБАСТНЫХ К МЕШАЮЩИМ ФАКТОРАМ СИГНАЛОВ И

УСТРОЙСТВ ОБРАБОТКИ...............................................................................11

1.1. Вводные замечания......................................................................................11

1.2. Синтез устройств обработки, робастных к искажению формы передаточной функции канала связи..........................................................13

1.3. Многокритериальный синтез сигналов, робастных к искажениям спектра.........................................................................................................27

1.4. Многокритериальный синтез сигналов для радиоканалов с амплитудными замираниями......................................................................35

1.4.1. Анализ влияния модуляционных искажений на неоднозначность оценки времени запаздывания..............................................................35

'Л*

1.4.2. Многокритериальный синтез сиШШ-Ш ■ ¿дтрЯ:-. минимизации коэффициента частотно-временной связи............................................39

1.5. Выводы.........................................................................................................47

2. РЕГУЛЯРИЗАЦИЯ РЕШЕНИЙ ЗАДАЧ СИНТЕЗА СИГНАЛОВ И

УСТРОЙСТВ ОБРАБОТКИ, РОБАСТНЫХ К ДЕЙСТВИЮ

МЕШАЮЩИХ ФАКТОРОВ.............................................................................49

2.1. Вводные замечания......................................................................................49

2.2. Регуляризация решений задачи синтеза передаточной функции фильтра, максимизирующего отношение сигнал-шум при заданной форме отклика.............................................................................................53

2.3. Регуляризация решений задачи синтеза сигналов, обеспечивающих устойчивые характеристики обнаружения пространственно распределенных объектов...........................................................................58

2.4. Регуляризация решений задачи восстановления глубинного распределения температуры биологических объектов методом одночастотного мультиппозиционного сканирования..............................69

2.5. Выводы.........................................................................................................79

3. ФОРМИРОВАНИЕ И ОБРАБОТКА ДИСКРЕТНЫХ СИГНАЛОВ, РОБАСТНЫХ К ДЕЙСТВИЮ МЕШАЮЩИХ ФАКТОРОВ.........................80

3.1 Вводные замечания.......................................................................................80

3.2 Синтез фазоманипулированных сигналов но критерию максимума

удельной энтропии......................................................................................83

3.3 Синтез фазоманипулированных сигналов на основе составных

последовательностей...................................................................................86

3.4 Синтез весового фильтра сжатия фазоманипулированных сигналов,

робастного к неточному заданию коэффициентов фильтра.....................95

3.5 Многокритериальный синтез огибающей символов

фазоманипулированных сигналов............................................................101

3.6 Вопросы программно-аппаратной реализации устройства

формирования и обработки фазоманипулированных сиг налов..............109

3.6.1. Выбор элементной базы для программно-аппаратной реализации устройства формирования и обработки фазоманипулированных сигналов...............................................................................................109

3.6.2. Разработка программного обеспечения устройства формирования и обработки фазоманипулированных сигналов........113

3.7 Выводы........................................................................................................124

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.....................................................................................................126

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ....................................................................................129

ПРИЛОЖЕНИЕ I

Список условных обозначений, аббревиатур и сокращений..............................140

ПРИЛОЖЕНИЕ II

Программное обеспечение устройства формирования и обработки

фазоманипулированных сигналов....................................................................146

ПРИЛОЖЕНИЕ III

Акты о внедрении результатов диссертационной работы..................................166

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Работа современных радиотехнических систем (РТС) происходит в условиях действия различного рода мешающих факторов, связанных с искажениями сигналов в устройствах формирования и трактах передачи, а также с отличием характеристик устройств обработки от номинальных значений. При этом параметры РТС зависят от используемых сигналов и устройств обработки, а также определяются конкретными условиями функционирования и возможностями данной системы. Основополагающие работы в области синтеза сигналов и устройств обработки, используемых в РТС, сделаны как отечественными учеными - В.А. Котельниковым, И.С. Гоноровским, Я.Д. Ширманом, Д.Е, Вакманом, Л.Е. Варакиным и др. [1,..., 6 и др.], так и зарубежными - Ф.М. Вудвордом, Ч. Куком, Г. Ван Трисом, К. Шенноном и др. [7,..., 10 и др.].

Однако в реальных условиях полное априорное описание условий функционирования РТС невозможно. Обычно отсутствует информация о видах и характеристиках искажений сигналов и ошибок в устройствах обработки.

В наиболее сложных условиях работают системы, в которых структура и параметры сигнала принципиально неизвестны [11]. Это, например, РТС, предназначенные для приема излучения биологических объектов [12] и сигналов внеземных цивилизаций [13]. В схожих условиях работают системы, сигналы которых известны, но подвергаются сильным искажениям. Это, например, гидроакустические системы [14], системы дальней космической связи [15, 16] и системы подповерхностного зондирования [17]. Одними из характерных являются модуляционные искажения амплитуды сигнала, возникающие из-за ошибок в устройстве формирования [8], при распространении сигнала в многолучевом канале связи [18] и при приеме сигнала, отраженного от пространственно распределенного объекта [19].

В настоящее время для преодоления априорной неопределенности используются методы адаптации, теории игр, непараметрической статистики и робаст-ные алгоритмы [20].

Как показано в [21], одними из самых универсальных и эффективных являются робастные, т.е. слабочувствительные к малым отклонениям от модели, алгоритмы. Такие алгоритмы по своим качественным показателям приближаются к адаптивным, а по диапазону возможных изменений характеристик сигналов и помех - к алгоритмам непараметрической статистики.

Для синтеза робастных устройств обработки в настоящее время применяют два метода, разработанные Хыобером и Цьпжиным [21, 22]. Необходимо отметить, что эти методы традиционно применяются только для синтеза устройств обработки при заданной статистической модели сигнала и не учитывают другие качественные характеристики РТС.

Это обстоятельство обуславливает необходимость применения при синтезе робастных сигналов и устройств обработки методов многокритериальной оптимизации, разработанных в работах Л.С. Гуткина, А.Г. Зюко, В.К. Маригодова и др. [23,..., 27].

Многокритериальный подход позволяет уменьшить чувствительность синтезированных сигналов и устройств обработки к воздействию мешающих факторов. Полученные в этом случае решения являются потенциально возможными, однако при их практической реализации, как правило, не удается полностью реализовать все заложенные в них свойства [8]. Кроме того, качественные показатели полученных решений начинают сильно зависеть от точности задания исходных данных, причем при заданной точности возможно существование нескольких решений с различными свойствами.

К таким задачам относится: задача синтеза фильтра но заданной форме отклика [28], задача восстановления изображений по радоновским образам [29], задача синтеза спектральной плотности мощности (СИМ) сигналов для обнаружения пространственно распределенных объектов [30].

Оптимальные решения этих задач возможны при использовании метода регуляризации А.Н. Тихонова [28], позволяющего получать устойчивые к неточному заданию исходных данных результаты синтеза с минимальным ухудшением других характеристик. Высокая эффективность этого метода впервые была продемонстрирована при решении задач синтеза антенн в работах В.И. Поповкина и Л.Д. Бахраха [31, 32 и др.]. Дальнейшее развитие теории многокритериального синтеза на основе метода регуляризации сигналов и устройств обработки осуществлено в [33 ].

В связи с широким использованием дискретных сигналов в современных РТС актуальной становится задача синтеза робастных к искажениям дискретных сигналов и устройств их обработки. Данная задача включает в себя как синтез сигналов [5, 34, 35], робастных к искажениям отдельных символов, так и повышение эффективности использования существующих РТС с дискретными сигналами. Последнее возможно за счет использования эффективных устройств обработки [36], робастных к действию мешающих факторов, и более эффективного использования частотного ресурса [37], что также повышает помехоустойчивость РТС. Кроме того, развитие современной элементной базы, особенно сигнальных микропроцессоров и однокристальных ЭВМ, позволяет строить эффективные устройства формирования и обработки дискретных сигналов. Однако, как показано в [38, 39], выбор соответствующих микропроцессоров и ЭВМ представляет собой отдельную многокритериальную задачу.

Все вышесказанное показывает актуальность разработки методов и алгоритмов многокритериального синтеза сигналов и устройств обработки, обеспечивающих робаетные качественные показатели РТС, что позволит повысить качество функционирования и помехоустойчивость РТС различного назначения.

Цель работы. Основной целью работы является разработка методов многокритериального синтеза сигналов и устройств обработки, обеспечивающих робаетные качественные показатели системы, в интересах повышения качества функционирования и помехоустойчивости РТС.

Поставленная цель работы включает решение задач:

- синтеза устройств обработки, робастных к искажению формы передаточной функции канала связи;

- синтеза сигналов, робастных к искажению спектра;

- синтеза сигналов для радиоканалов с амплитудными замираниями:

- регуляризации решений задач синтеза сигналов и устройств обработки, робастных к действию мешающих факторов;

- разработки алгоритма восстановления внутреннего температурного распределения биологических объектов одночастотным мультипозици-онным сканированием;

- разработки методов синтеза фазоманипулироваиных (ФМн) сигналов и устройств их обработки, робастных к действию мешающих факторов.

Методы исследования. В работе использовались методы статистической радиотехники и математической статистики, вариационного и матричного исчисления, решения некорректно поставленных задач и вычислительной математики. Данные теоретические методы сочетались с экспериментальными исследованиями на основе имитационного моделирования.

Научная новизна. В рамках данной работы были получены следующие новые научные результаты:

1. Предложены на основе критерия максимума удельной энтропии процедуры синтеза устройств обработки, робастных к искажению передаточной функции канала связи и сигналов, робастных к искажению спектра.

2. Синтезированы сигналы для радиоканалов с мультипликативными искажениями амплитуды.

3. Осуществлена регуляризация решений задач синтеза сигналов и устройств обработки, робастных к влиянию различного рода искажений.

4. Предложен алгоритм восстановления внутреннего температурного распределения биологического объекта на основе одночастотного мулы и-позиционного сканирования измеряемой области.

5. Предложен алгоритм синтеза ФМн сигналов и устройств их обработки, робастных к действию различных мешающих факторов.

Практическая ценность.

Представленные в работе алгоритмы многокритериального синтеза сигналов и устройств их обработки, робастных к действию мешающих факторов, могут быть использованы в таких РТС, как системы передачи информации, радиолокационные системы, медицинские системы диагностики и т.д. Реализация результатов работы позволит снизить чувствительность параметров РТС к влиянию помех и искажений.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Алгоритмы многокритериального синтеза на основе критерия максимума удельной энтропии робастных сигналов и устройств обработки.

2. Процедура синтеза сигналов для радиоканалов с амплитудными замираниями.

3. Алгоритмы регуляризации решений задач синтеза сигналов и устройств обработки, робастных к действию мешающих факторов.

4. Алгоритм восстановления глубинного распределения температуры биологических объектов при одночастотном мультипозиционном сканировании.

5. Процедура многокритериального синтеза модулирующей функции символов ФМн сигналов.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на следующих конференциях:

1. Международная научно-техническая конференция "Современные научно-технические проблемы гражданской авиации". 1996, г. Москва.

2. III Всероссийская научная конференция студентов и аспирантов "Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления", 1996, г. Таганрог.

3. Всероссийская научно-техническая конференция "Биотехнические, медицинские и экологические системы и комплексы", 1996, г. Рязань.

4. 7-й Международный научно-технический семинар "Проблемы передачи и обработки информации в информационно-вычислительных сетях". 1997, г. Рязань.

5. Всероссийская научно-техническая конференция "52-я научная сессия, посвященная дню радио". 1997, г. Москва.

6. Всероссийская молодежная научно-техническая конференция "XXIII Гагаринские чтения". 1997, г. Москва.

7. Всероссийская научно-техническая конференция "Новые информационные технологии в научных исследованиях радиоэлектроники". 1997, г. Рязань.

8. Всероссийская научно-техническая конференция "Биотехнические, медицинские и экологические системы и комплексы". 1997, г. Рязань.

9. The 1st International Conference "Digital Signal Processing and its Application" (1-я Международная конференция "Цифровая обработка сигналов и ее применение"). 1998, г. Москва.

10. Научно-техническая конференция студентов и аспирантов вузов России "Радиоэлектроника и электротехника в народном хозяйстве". 1998, г. Москва.

11. Всероссийская молодежная научно-техническая конференция "XXIV Гагаринские чтения". 1998, г. Москва.

12. Всероссийская научно-техническая конференция студентов, молодых ученых и специалистов "Новые информационные технологии в радиоэлектронике". 1998, г. Рязань.

13. Всероссийская научно-техническая конференция "Микроэлектроника и информатика - 98". 1998, г. Москва.

14. Международная научная конференция "Современные научно-технические проблемы гражданской авиации". 1999, г. Москва.

15. Международная молодежная научная конференция "XXV Гагаринские чтения". 1999, г. Москва.

16. Пятая ежегодная международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика". 1999, г. Москва.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 28 работ. Из них 4 статьи в центральной печати, 1 учебное пособие, 4 статьи в межвузовских сборниках, 16 тезисов докладов на конференциях и 3 отчета по НИР.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы из 121 наименования и 3 приложений. Диссертация содержит 168 стр., в том числе 103 стр. основного текста, 2 таблицы и 34 рисунка.

Благодарности. Автор выражает искреннюю признательность своим научным руководителям: д.т.н., проф. Попов кину В. И. и д.т.н., проф. Кириллову С.Н. за неоценимую помощь и моральную поддержку, оказанную в процессе работы над диссертацией. Автор также благодарит преподавателей и сотрудников РГРТА, принимавшим участие в обсуждении данной работы и оказавшим помощь при ее оформлении.

1. СИНТЕЗ РОБАСТНЫХ К МЕШАЮЩИМ ФАКТОРАМ СИГНАЛОВ И УСТРОЙСТВ ОБРАБОТКИ

1.1. Вводные замечания

Обычно [20,..., 22] под робастными устройствами понимаются устройства, слабочувствительные к изменению функции плотности вероятности (ФПВ) исходных моделей. Требование робасгности устройств к изменению ФПВ сигналов и помех является наиболее важным [21] при проектировании различных РТС. В настоящее время для построения робастных параметрических устройств применяют две модели - по Хыоберу [21] и по Цыпкину [22].

В первом случае известное распределение входных воздействий "засоряется" с некоторой вероятностью другим известным распределением. Затем выбирается наименее благоприятное распределение и именно под него синтезируется устройство обработки. Данная модель называется "моделью засорений" Хьюбера [21]. В результате устройство обработки, рассчитанное на наихудшую помеху, при воздействии других помех может только улучшать свои характеристики.

Модель Цыпкина накладывает ограничения на меру различия неизвестного распределения входных воздействий и �