Исследование и оптимизация алгоритмов и устройств уровневой обработки сигналов в системах радионаблюдения

На правах рукописи Бондарь Павел Александрович ИССЛЕДОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ АЛГОРИТМОВ И УСТРОЙСТВ УРОВНЕВОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ В СИСТЕМАХ РАДИОНАБЛЮДЕНИЯ Специальность 05.12.04 «Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения» АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Таганрог – 2009 Работа выполнена в Технологическом институте Южного федерального университета в г. Таганроге на кафедре Радиоприемных устройств и телевидения НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ: доктор технических наук, профессор, Плаксиенко Владимир Сергеевич (Технологический институт ЮФУ в г. Таганроге) ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ: доктор технических наук, профессор, Федосов Валентин Петрович (Технологический институт ЮФУ в г. Таганроге) кандидат технических наук, доцент, Сучков Петр Валентинович (ЮРГУЭС, г. Шахты Ростовской области) ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ: Федеральное Государственное Унитарное Предприятие «ВНИИ «ГРАДИЕНТ» (г. Ростов-на-Дону) Защита диссертации состоится « 31 » августа 2009 г. в 1020 на заседании диссертационного совета Д212.208.20 при Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Южный федеральный университет» в Технологическом институте ЮФУ по адресу: 347928, г. Таганрог, Ростовской области, пер. Некрасовский, 44, ауд. Д-406. С диссертацией можно ознакомиться в зональной научной библиотеке Южного федерального университета по адресу: г. Ростов-на-Дону, ул. Пушкинская, 148. Отзыв на автореферат, заверенный гербовой печатью организации, просим направлять по адресу: 347928, Ростовская область, г. Таганрог, ГСП-17А, пер. Некрасовский, 44, ученому секретарю диссертационного совета Д212.208.20 Автореферат разослан « » июля 2009 г. Ученый секретарь диссертационного совета, к.т.н., доцент Савельев В.В. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. Одной из важнейших задач для теории и практики обработки сигналов является задача обеспечения высокой помехоустойчивости. Основные принципы теории потенциальной помехоустойчивости были сформулированы в 1946 г. академиком В.А. Котельниковым. Теория помехоустойчивости Котельникова предполагает знание всех параметров принимаемых сигналов. К. Шенноном была предложена системная оптимизация по виду кодирования. В случае отсутствия априорных сведений о параметрах принимаемых сигналов, невозможно построить устройства, оптимальные по Котельникову и Шеннону. Подобная ситуация возникает при приеме и обработке сигналов устройствами радионаблюдения. В такой обстановке может быть реализован только широкополосный неоптимальный некогерентный прием. При некогерентном неоптимальном широкополосном приеме возможна оптимизация по огибающей сигнала, но при требовании сохранения формы сигнала подобная оптимизация сложно реализуема. Линейный приемник устройства радионаблюдения состоит из набора фильтров, амплитудных детекторов (АД) и схемы принятия решений (СПР). Задачей СПР является принятие решения о том, в каком из каналов присутствует сигнал. В случае неполной априорной информации о частотах сигналов, моментах начала и окончания элементов сигнала, длительности элементов сигнала повышение эффективности линейных алгоритмов приема сигналов представляет сложную задачу. Сравнение эффективности методов приема в описанных выше условиях производится по оценке помехоустойчивости. При этом основные усилия по ее повышению направлены на разработку систем первичной обработки сигналов, повышающих соотношение «сигнал/шум» на входах СПР. Исследование статистических закономерностей превышений случайных процессов, протекающих в каналах устройств радионаблюдения, позволяет установить пути оптимизации алгоритма обработки сигналов. С учетом особенностей работы устройств радионаблюдения в диссертации развит модифицированный метод комбинированного сложения, реализующий уровневую обработку и позволяющий повысить соотношение «сигнал/шум» на входах СПР при изменении длительности элементарного символа сигнала в широких пределах. Следовательно, проблема повышения помехоустойчивости и оптимизация устройств уровневой обработки при широкополосном неоптимальном некогерентном приеме, в случае изменения длительности элемента сигнала в значительных пределах (до 103 раз), является актуальной научной задачей. Объектом исследования являются методы и устройства обработки сигналов в системах радионаблюдения. Предметом исследования являются закономерности в распределениях взаимных превышений процессов в каналах устройства обработки сигналов, алгоритмы и устройства комбинирования процессов в системах радионаблюдения. Целью диссертационной работы является: Повышение помехоустойчивости систем радионаблюдения в условиях априорной неопределенности о длительности принимаемых сигналов. Основные задачи диссертации: 1. Создание алгоритмов формирования однопараметрических и двухпараметрических распределений взаимных превышений случайных процессов, поступающих на входы СПР. 2. Анализ детальных характеристик взаимных превышений случайных процессов с целью выявления информативных признаков, учет которых позволяет повысить помехоустойчивость системы в целом. 3. Оптимизация устройств, реализующих модифицированный метод комбинированного сложения, моделирование их статических и статистических характеристик. Изучение влияния переходных процессов на работу устройств и проверка их устойчивости. 4. Расчет и анализ потенциальной помехоустойчивости оптимизированного алгоритма с помощью моделирования на ЭВМ и лабораторных испытаний. 5. Исследование и оптимизация систем фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), построенных с применением алгоритма уровневой обработки. Решение поставленных задач 1. Разработаны способы получения и алгоритмы формирования однопараметрических и двухпараметрических распределений взаимных превышений процессов при линейной и нелинейной обработке для независимых и зависимых процессов. Установлены информативные признаки превышений случайных процессов, учет которых позволяет повысить помехоустойчивость систем радионаблюдения. 2. Развит модифицированный метод комбинированного сложения для обработки сигналов в устройствах радионаблюдения. 3. Выполнено моделирование устройств, учитывающих детальные характеристики превышений процессов в каналах устройств при обработке сигналов. 4. Исследованы статические и статистические характеристики устройств уровневой обработки путем схемотехнического моделирования на ЭВМ и экспериментальных исследований. 5. Рассчитана потенциальная помехоустойчивость оптимизированного алгоритма в условиях некогерентного широкополосного приема. 6. Проведен анализ устойчивости и исследованы переходные процессы дискриминаторов с взаимными обратными связями (ДВОС), реализующих оптимизированный алгоритм. 7. Исследовано новое устройство ФАПЧ с фазовым ДВОС (ФДВОС). На основе метода нелинейного преобразования рассчитаны основные характеристики системы ФАПЧ с ФДВОС. Научная новизна работы. Основные научные результаты, полученные в диссертационной работе, состоят в следующем: 1. Предложена методика исследования детальных характеристик взаимных превышений процессов, позволяющая оптимизировать обработку дискретных сигналов в устройствах радионаблюдения. 2. Впервые исследованы детальные характеристики превышений случайных процессов при обработке по модифицированному методу комбинированного сложения для зависимых процессов. 3. Развит модифицированный метод комбинированного сложения для обработки дискретных сигналов, позволяющий повысить соотношение «сигнал/шум» на входе схемы СПР. 4. Впервые выполнено моделирование устройств, реализующих модифицированный метод комбинированного сложения при обработке АМ, ЧМ и ФМ-сигналов и показана эффективность таких устройств по сравнению с существующими устройствами, реализующими методы линейной обработки сигналов. 5. Исследована потенциальная помехоустойчивость и получены инженерные соотношения для расчета помехоустойчивости устройств, реализующих метод нелинейной обработки. 6. Рассчитаны основные характеристики системы ФАПЧ с ФДВОС и предложен новый, оптимизированный алгоритм его работы. 7. Выполнено моделирование и исследование оптимизированного устройства ФАПЧ с ФДВОС, реализующего уровневую обработку по модифицированному методу комбинированного сложения. Практическая ценность проведенного исследования заключается в следующем: Методика и результаты исследования статических и статистических дискриминационных характеристик позволяют выполнить сравнительную оценку помехоустойчивости различных алгоритмических и схемотехнических решений. Использование ДВОС приводит к увеличению соотношения Рс/Рш на входе СПР в 3 раза, где Pc – мощность сигнала, Pш – мощность шума. Потенциальная помехоустойчивость модифицированного алгоритма повышается в 10 раз при ΔfT=5 и Рс/Рш=6 (где Δf – полоса приема, Т – длительность элементарного сигнала). Формулы, полученные при расчете полосы захвата системы ФАПЧ с разными формами характеристик ФДВОС, могут использоваться для инженерных расчетов. Новое оптимизированное устройство, реализующее модифицированный алгоритм комбинированного сложения, позволяет улучшить характеристики системы ФАПЧ: полоса удержания расширяется в 1,5 раза по сравнению с системой ФАПЧ и фазовым детектором с нерегулируемой характеристикой. Реализация и внедрение результатов работы. Изложенные в диссертационной работе результаты исследований использованы в: 1) разработках Федерального государственного унитарного предприятия Таганрогский НИИ связи; 2) учебном процессе ТТИ ЮФУ при проведении лабораторных работ и курсовом проектировании; 3) учебном процессе ЮРГУЭС при проведении лабораторных работ и курсовом проектировании. Внедрение результатов работы подтверждено соответствующими актами. Методы исследования основаны на использовании теории цепей и сигналов, методов обработки дискретных сигналов, математического моделирования, теории вероятности и статистической радиотехники, математических методов анализа с применением основ дифференциального и интегрального исчисления, схемотехнического моделирования на ЭВМ, методов экспериментальных исследований. Обоснованность и достоверность результатов обусловлена использованием при исследованиях математических моделей, корректным использованием математического аппарата и логической обоснованностью выводов, а также результатами моделирования и экспериментальных исследований. Получено совпадение с известными результатами исследований, опубликованными в фундаментальной и периодической печати. Основные положения, выносимые на защиту, следующие: 1. Результаты исследования однопараметрических и двухпараметрических законов распределения превышений и обоснование выбора информативных детальных характеристик превышений случайных процессов. 2. Алгоритм работы и структура оптимизированных устройств, реализующих модифицированный метод комбинированного сложения для обработки АМ-, ЧМ- и ФМ-сигналов. 3. Результаты моделирования и экспериментальных исследований устройств технической реализации модифицированного метода комбинированного сложения. 4. Результаты расчетов параметров системы ФАПЧ с ФДВОС. 5. Результаты моделирования системы ФАПЧ с ФДВОС, построенной с применением уровневой обработки. 6. Новое устройство ФАПЧ, свободное от возможности возникновения предельного цикла первого рода. Апробация диссертационной работы. Основные положения диссертационной работы и ее отдельные результаты докладывались и обсуждались на Международных и Всероссийских конференциях, а также на научно-практических конференциях ТРТУ и ЮФУ, в том числе: 1) на VIII Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления» (г. Таганрог, ТРТУ, 2006 г.). 2) на LII научно-технической конференции (г. Таганрог, ТРТУ, 2006 г.). 3) на 6-й Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Молодежь XXI века – будущее Российской науки» (г. Ростов-на-Дону, ЮФУ, 15 мая 2008 г). 4) на 2-ой Всероссийской конференции ученых, молодых специалистов и студентов «Информационные технологии в авиационной и космической технике-2009» (г. Москва, МАИ, 20-23 апреля 2009 г). 5) на 20-й и 22-й Международных научных конференциях «Математические методы в технике и технологиях» (ММТТ) в 2007 г. (г. Ярославль) и 2009 г. (г. Псков) соответственно. Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 12 работ, в том числе 4 статьи, из них 2 ([7], [8]) в рецензируемых журналах из списка ВАК, 8 тезисов докладов. Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа написана на русском языке и состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений, включающих 5 наименований. Общий объем диссертационной работы составляет 219 с. Основной текст диссертационной работы содержит 114 машинописных страниц, включает 149 рисунков по тексту, 2 таблицы, список литературы из 108 наименований на 10 с., и 5 приложений на 23 с. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ ПО ГЛАВАМ Во введении обоснована актуальность поставленной проблемы, сформулированы цели и основные задачи диссертационной работы. Приведено краткое содержание диссертации по главам, сформулированы основные задачи работы, обоснованы пути их решения, определены выносимые на защиту основные положения работы, показаны научная новизна и практическая значимость работы. В первой главе проведен анализ известных способов приема и обработки дискретных сигналов в устройствах радионаблюдения. В условиях значительной априорной неопределенности и при наличии достаточного времени для оценки параметров сигналов оптимизация систем радионаблюдения возможна на основе принципов адаптивного приема. Теоретическая и практическая радиотехника содержит достаточное количество способов синтеза оптимальных адаптивных алгоритмов при обработке в условиях априорной неопределенности. Однако в ряде практически важных случаев время наблюдения и принятия решения ограничено и техническая реализация методов адаптивного приема становится сложной. Поэтому рассматриваемая в диссертационной работе задача работы устройств радионаблюдения сводится к решению задачи повышения помехоустойчивости широкополосного неоптимального некогерентного приема. Эффективным методом борьбы с замираниями и одним из способов повышения помехоустойчивости при широкополосном некогерентном приеме являются процедуры, близкие к процедуре разнесенного приема. Такие процедуры позволяют снизить глубину и длительность замираний путем комбинирования сигналов. Процедура комбинирования сочетает операции переключения и сложения и имеет существенные недостатки: паразитную АМ и коммутационные помехи. В работе исследован модифицированный метод комбинированного сложения, свободный от указанных недостатков. Процедуры комбинирования при разнесенном приеме и обработки при решении задачи различения сигналов – аналогичны. Функциональная схема технической реализации устройства комбинирования для случая обработки бинарных сигналов представлена на рис. 1, где ВУ1-ВУ3 – вычитающие устройства; Огр1-Огр2 – ограничители по минимуму; УУ1-УУ2 – управляемые усилители; Uупр – управляющее напряжение; Ф1-Ф4 – фильтры нижних частот. Блоки ВУ1, ВУ2, Огр1, Огр2, Ф1, Ф2 образуют ячейку ДВОС. Алгоритм обработки основан на использовании статистических закономерностей во взаимных превышениях огибающих процессов в каналах устройства приема сигналов. Работа устройства, реализующего модифицированный метод комбинированного сложения с применением уровневой обработки, описывается уравнениями: Рис. 1 (1) где K – коэффициент усиления УУ1-УУ2, K1=K2=K и 0≤K<1; x1,2(t) – огибающие процессов на входах ДВОС; x1,2пф(t) – процессы на выходах Ф1-Ф2; x1,2п(t) – процессы на выходах ДВОС; 1[z(t)] – единичная ступенчатая функция Хэвисайда. Результатом обработки, в соответствии с (1), является умножение процессов на весовые коэффициенты в каналах, величины которых пропорциональны уровням процессов, т.е. больший весовой коэффициент вводится в канал с большим уровнем, меньший весовой коэффициент – в канал с меньшим уровнем. После умножения и фильтрации следует операция вычитания процессов. Также в первой главе сформулированы цели и задачи диссертационной работы.

Похожие:

	Исследование методов обработки электроэнцефалографических сигналов... Работа выполнена в таганрогском технологическом институте Южного федерального университетана на кафедре Радиоприёмных устройств и...		Разработка и исследование параллельных схем цифровой обработки сигналов... Цифровой обработки сигналов на основе минимизации временной сложности вычисления функций
	Декомпозиция сигналов на основе вейвлетов Гаусса и Морле (dwsignal) Программа предназначена для декомпозиции сигналов и может применяться в научных исследованиях и при обучении студентов специализирующихся...		Станкевич Евгений Витальевич, Парамонов Илья Вячеславович Программа предназначена для проведения разработки алгоритмов обработки экг сигналов, а также тестирования их работы на мобильных...
	Рабочая программа дисциплины «Алгоритмы и процессоры цифровой обработки сигналов» ...		Методы повышения точности навигационных определений с использованием... ...
	Московский энергетический институт (технический университет) институт... Целью дисциплины является изучение основных составляющих аппаратуры потребителей систем спутниковой навигации, изучение ключевых...		Урок по информатике по теме «Методика обучения сортировке одномерного массива» Образовательная: формирование у учащихся навыков составления алгоритмов сортировки массива методом прямого выбора и методом пузырька;...
	Радиофизический факультет Целью изучения дисциплины является ознакомление с видами и моделями информационных сигналов, с основными методами аналоговой и цифровой...		Минобрнауки росии Статистическая теория радиотехнических систем, обнаружение и различение сигналов, разрешение сигналов, восстановление сигналов
	Социально-экономические и технические системы: исследование, проектирование,... Социально-экономические и технические системы: исследование, проектирование, оптимизация, №1 (64), 2015 – 18 статей		Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Тема: Понятие алгоритмов, свойства алгоритма. Исполнители алгоритмов, система команд исполнителя. Способы записей алгоритмов. Формальное...
	Программа дисциплины “Датчики и устройства связи с объектом в технических... Задачи изучения дисциплины: овладение принципами построения датчиков и устройств связи с объектами управления в технических системах,...		Примерная программа наименование дисциплины Структуры и алгоритмы... Курс предназначен для овладения компьютерными методами обработки информации путем развития профессиональных навыков разработки, выбора...
	Конспект урока на тему "Алгоритм. Свойства алгоритмов. Виды алгоритмов... ...		Реферат: Шайдуров А. Г. Исследование и разработка некоторых графических... Шайдуров А. Г. Исследование и разработка некоторых графических алгоритмов. Квалификационная работа на степень магистра наук по направлению...