авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |

Синтез алгоритмов и устройств нелинейной фильтрации последовательностей многозначных импульсных сигналов

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

ПРОЗОРОВ ДМИТРИЙ ЕВГЕНЬЕВИЧ

СИНТЕЗ АЛГОРИТМОВ И УСТРОЙСТВ
НЕЛИНЕЙНОЙ ФИЛЬТРАЦИИ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЕЙ МНОГОЗНАЧНЫХ ИМПУЛЬСНЫХ СИГНАЛОВ

Специальность 05.12.04

Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Киров – 2008

Работа выполнена на кафедре радиоэлектронных средств
Вятского государственного университета

Научный консультант: доктор технических наук, профессор

ПЕТРОВ Евгений Петрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Саватеев Юрий Иванович

доктор технических наук, профессор

Баскаков Александр Ильич

доктор технических наук

Джиган Виктор Иванович

Ведущая организация: ГОУ ВПО «Рязанский государственный радиотехнический университет»

Защита состоится 28 ноября 2008 года в 15 часов на заседании диссертационного совета Д212.131.01 в Московском государственном институте радиотехники, электроники и автоматики (техническом университете) по адресу: 119454, г. Москва, просп. Вернадского, д. 78.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИРЭА.

Автореферат разослан «___»______________2008 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

Д212.131.01, д.т.н., профессор Куликов Г.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы.

С развитием цифровых систем передачи информации (СПИ) всё возрастающее значение приобретает проблема повышения их помехоустойчивости. Решение этой проблемы часто достигается повышением статистической избыточности сигналов: увеличением числа выборок на интервале корреляции непрерывного сообщения или введением искусственной избыточности путем кодирования передаваемой информации псевдослучайными последовательностями (ПСП). Реализация на приемной стороне статистической избыточности сигналов с целью повышения достоверности передачи информации, искаженной помехами, является актуальной проблемой, решение которой приводит к необходимости совершенствования известных и разработки новых методов выделения (фильтрации) сигналов из шумов. Применение простых и эффективных алгоритмов, реализующих статистическую избыточность сигналов, позволит снизить требования к преобразованию непрерывной информации в цифровую на передающей стороне и минимизировать затраты на реализацию устройств обработки информации на приемной стороне.

Учитывая нелинейный характер преобразования непрерывных сигналов в цифровые решение задачи фильтрации подобных процессов целесообразно искать с позиции теории нелинейной фильтрации. При этом, для сокращения количества вычислений важно получить рекуррентные алгоритмы статистической обработки сигналов.

Теория оптимальных методов статистической обработки информации в нелинейных задачах разработана достаточно хорошо, однако практическое применение результатов этой теории сопряжено со значительными вычислительными трудностями. Большой вклад в теорию нелинейной фильтрации внес Р.Л.Стратонович. В начале 60-х годов им были заложены основы теории нелинейной фильтрации условных марковских случайных процессов. В дальнейшем теория нелинейной фильтрации процессов Маркова получила развитие в работах И.Н.Амиантова, В.И.Тихонова, М.С.Ярлыкова, М.А.Миронова, Н.К.Кульмана, А.Н.Ширяева, Б.И.Шахтарина, Ю.Г.Сосулина и др. Теория условных марковских процессов явилась мощным инструментом, позволившим успешно решать нелинейные задачи в радиолокации, радионавигации, связи и других областях обработки информации.



Разработка алгоритмов и структур приемных устройств (ПУ), реализующих информационную избыточность коррелированных последовательностей импульсных сигналов с произвольной функцией корреляции, в силу нелинейности решаемой задачи, вызывает определенные трудности математического и практического характера. В тех случаях, когда последовательность значений дискретного параметра импульсных сигналов может быть аппроксимирована простой или сложной цепью Маркова с конечным числом значений, удается, пользуясь математическим аппаратом условных марковских процессов, найти эффективные и приемлемые для реализации алгоритмы и структуры ПУ.

В основу работы принят метод последовательного усложнения решаемых задач. Синтезируемые алгоритмы фильтрации и структуры ПУ последовательностей импульсных сигналов усложняются по мере уменьшения априорных знаний о фильтруемых процессах и увеличения сложности описания их статистических характеристик. В основу работы принят метод последовательного усложнения решаемых задач. Синтезируемые алгоритмы фильтрации и структуры ПУ последовательностей импульсных сигналов усложняются по мере уменьшения априорных знаний о фильтруемых процессах и увеличения сложности описания их статистических характеристик.

Целью работы является решение научно-технической проблемы реализации статистической избыточности случайных и детерминированных последовательностей многозначных импульсных сигналов для повышения помехоустойчивости и конфиденциальности в цифровых системах передачи информации. Решение проблемы заключается в аппроксимации параметров коррелированных импульсных последовательностей марковскими процессами с дискретным и непрерывным пространством значений и использовании теории нелинейной фильтрации условных марковских процессов для синтеза алгоритмов и структур устройств оптимальной и адаптивной нелинейной фильтрации последовательностей импульсных сигналов на фоне белого гауссовского шума или структурных помех.

Для достижения цели решены следующие задачи:

1. Разработка и совершенствование методов синтеза алгоритмов нелинейной фильтрации дискретного и непрерывных параметров коррелированных последовательностей многозначных импульсных сигналов на основе представления параметров сигнала дискретнозначным марковским процессом (цепью Маркова) с конечным числом значений, либо комбинацией дискретнозначного и непрерывных марковских процессов, имеющих статистические характеристики различной сложности.

2. Синтез структур ПУ коррелированных последовательностей импульсных многозначных сигналов на основе полученных алгоритмов.

3. Разработка оптимальных, квазиоптимальных и адаптивных алгоритмов фильтрации дискретного параметра шумоподобных сигналов (ШПС), построенных на линейных рекуррентных последовательностях максимального периода (МЛРП) с произвольным основанием, представляющих собой сложные цепи Маркова с произвольным числом значений, и синтез на основе разработанных алгоритмов и структур ПУ для быстрой кодовой синхронизации многозначных ШПС.

4. Синтез структур ПУ для одновременного поиска нескольких ШПС, построенных на МЛРП с произвольным основанием.

5. Разработка методов защиты устройств быстрого поиска ШПС от структурных помех.

6. Качественный и количественный анализ помехоустойчивости синтезированных оптимальных, квазиоптимальных и адаптивных устройств быстрого поиска ШПС в условиях действия структурных помех и белого гауссовского шума.

7. Разработка принципов практической реализации синтезированных оптимальных, квазиоптимальных и адаптивных устройств нелинейной фильтрации случайных и детерминированных последовательностей многозначных импульсных сигналов.

Методы исследования. Для решения поставленных в работе задач используются методы статистической теории связи, теории оптимальной нелинейной фильтрации, теории условных марковских процессов, статистической теории выбора и принятия решений, рядов, интегрального счисления.

Научная новизна.

1. Теория условных марковских процессов распространена на синтез алгоритмов нелинейной фильтрации случайных коррелированных и детерминированных последовательностей многозначных импульсных сигналов, представляющих собой простые и сложные цепи Маркова с произвольным числом дискретных значений.

2. Разработаны оптимальные и адаптивные алгоритмы нелинейной фильтрации и структуры устройств быстрого поиска многозначных ШПС, обеспечивающих быструю кодовую синхронизацию и высокую скрытность, на фоне белого гауссовского шума. Синтез основан на представлении дискретного параметра ШПС сложной детерминированной цепью Маркова.

3. Разработаны рекуррентные алгоритмы фильтрации и структуры устройств для одновременного приема «в целом» нескольких многозначных ШПС на фоне белого гауссовского шума. Синтез основан на представлении последовательности значений дискретного параметра ШПС сложной детерминированной цепью Маркова с большим числом значений.

4. Разработаны алгоритмы и структуры ПУ последовательностей импульсных сигналов на фоне белого гауссовского шума при медленных гауссовских и релеевских флуктуациях непрерывных параметров сигнала (амплитуды, задержки импульсов и т.д.). Синтез основан представлении дискретного параметра сигнала однородной цепью Маркова с двумя равновероятными значениями, а непрерывных параметров сигнала – гауссовскими и релеевскими марковскими случайными процессам.

5. Предложен метод подавления структурных помех (СП) в системах связи с ШПС, использующий структуры синтезированных устройств быстрого поиска ШПС для измерения параметров СП. Эффективное подавление СП достигается методом последовательной компенсации наиболее мощных СП в устройстве поиска ШПС.

Практическая значимость диссертационной работы заключается в повышении помехоустойчивости цифровых систем передачи информации за счет использования статистической избыточности, содержащейся в случайных и детерминированных последовательностях многозначных импульсных сигналов, при воздействии белого гауссовского шума или смеси белого гауссовского шума и структурных помех.

1. Разработанные алгоритмы и структуры устройств оптимальной, квази-оптимальной и адаптивной нелинейной фильтрации коррелированных после-довательностей многозначных импульсных сигналов позволяют эффективно реализовать статистическую избыточность сигналов для повышения помехоустойчивости цифровых СПИ с импульсной модуляцией непрерывных сообщений (речи, телеметрии и т.п.).

2. Разработанные оптимальные, квазиоптимальные и адаптивные алгоритмы и структуры ПУ для быстрого поиска (кодовой синхронизации) ШПС, формируемых на МЛРП с произвольным основанием, позволяют сократить время кодовой синхронизации ШПС в СПИ с псевдослучайным кодированием сигналов (системы связи стандарта CDMA, радиомодемы, системы радиолокации и радионавигации) по сравнению с методом посимвольной оценки Уорда, и ориентированы на реализацию минимальными техническими и временными ресурсами.

3. Разработанные алгоритмы и структуры ПУ с рекуррентным согласованным фильтром позволяют снизить время одновременного поиска нескольких ШПС, формируемых на МЛРП с произвольным основанием или комбинированных псевдослучайных последовательностях, и существенно уменьшить потребности в ресурсах при их реализации по сравнению с известными корреляционными ПУ в адресных системах связи с многостанционным доступом.

4. Разработанные алгоритмы и структуры ПУ совместной нелинейной фильтрации дискретного и непрерывных (амплитуды, задержки и т.п.) параметров последовательностей импульсных сигналов позволяют за счет весовой обработки фильтруемых параметров повысить помехоустойчивость цифровых СПИ с импульсной модуляцией в условиях гауссовских или релеевских флуктуаций не-прерывных параметров импульсных сигналов.

5. Разработанные алгоритмы и структуры ПУ совместной нелинейной фильтрации параметров ШПС позволяют повысить помехоустойчивость цифровых СПИ с псевдослучайным кодированием сигналов в условиях гауссовских или релеевских флуктуаций непрерывных параметров импульсных сигналов.

6. Разработанные алгоритмы и структуры устройств поиска ШПС с защитой от структурных помех позволяют обнаружить, распознать и измерить параметры мощных СП и обеспечить подавление помех в устройстве поиска ШПС без значительного усложнения структуры приемного устройства.





7. Разработанные варианты цифровой реализации компонент синтезированных структур ПУ предусматривают использование передовых методов проектирования аппаратуры и современной элементной базы (сигнальных процессоров Texas Instruments и Analog Devices).

Положения, выносимые на защиту.

  1. Оптимальные, квазиоптимальные и адаптивные алгоритмы и структуры устройств нелинейной фильтрации случайных многозначных последовательностей импульсных коррелированных сигналов на фоне белого гауссовского шума (глава 1).
  2. Оптимальные, квазиоптимальные и адаптивные алгоритмы и структуры устройств быстрого поиска шумоподобных сигналов, сформированных на рекуррентных последовательностях максимального периода, обеспечивающие быструю кодовую синхронизацию искомого ШПС (глава 2).
  3. Оптимальные алгоритмы и структуры приемных устройств для одновременного обнаружения и распознавания нескольких многозначных шумоподобных сигналов на фоне белого гауссовского шума (глава 3).
  4. Алгоритмы и структуры устройств совместной нелинейной фильтрации дискретного и непрерывных параметров коррелированных последовательностей импульсных сигналов на фоне белого гауссовского шума при наличии гауссовских или релеевских флуктуаций непрерывных параметров импульсных сигналов (глава 4).
  5. Алгоритмы и структуры устройств быстрого поиска шумоподобных сигналов при гауссовских флуктуациях амплитуды и задержки радиоимпульсов сигнала (глава 5).
  6. Структуры приемных устройств шумоподобных сигналов с защитой от структурных помех (глава 6).
  7. Принципы аппаратно-программной реализации синтезированных устройств на современной цифровой элементной базе (глава 7).

Достоверность материалов диссертационной работы подтверждается использованием апробированного математического аппарата условных марковских процессов; совпадением теоретических результатов с практическими, полученными статистическим моделированием синтезированных алгоритмов приема коррелированных последовательностей импульсных многозначных сигналов и оценкой работы аппаратно-программных реализаций синтезированных алгоритмов на сигнальных процессорах TMS320C6713, TMS320C6711.

Личный вклад автора.

Выносимые на защиту положения предложены автором в ходе выполнения инициативных НИР на кафедре радиоэлектронных средств Вятского государственного университета в период с 1997 по 2007 г. В научных работах лично автором синтезированы основные алгоритмы нелинейной фильтрации и структуры ПУ последовательностей многозначных импульсных сигналов, проведен их теоретический анализ и исследование методами статистического моделирования. Аппаратно-программная реализация алгоритмов проводилась коллективом исследователей при личном участии автора.

Внедрение результатов работы.

Ряд задач диссертации решен в ходе выполнения гранта Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых  № МК-894.2008.9 «Разработка алгоритмов и устройств быстрой кодовой синхронизации в системах связи с кодовым разделением каналов».

Результаты диссертационной работы внедрены:

– при разработке экспериментальных образцов программно-аппаратных цифровых комплексов приема ШПС в «ФГУП НИИ Средств вычислительной техники», г.Киров;

– в комплекте специального программно-математического обеспечения RestSig06v1 для цифровой обработки сигналов и изображений, разработанного в рамках выполнения совместной НИР с «ФГУП НИИ прикладных проблем» (г.Санкт-Петербург);

– в процессе выполнения НИР по разработке макетных образцов георадара и доплеровского радара в рамках сотрудничества с Корейским политехническим университетом (г.Сеул);

– в учебном процессе и методическом обеспечении лекционных и практических занятий спецкурсов «Теория оптимального приема сигналов» и «Проектирование цифровых систем» для студентов спец. 210303 «Бытовая радиоэлектронная аппаратура», 210403 «Защищенные системы связи» и 210406 «Системы связи и коммутации», а также выполнении курсового и дипломного проектирования.

Программно-аппаратная реализация цифровой части разработанных приемных устройств выполнена с использованием сигнальных процессоров серий TMS320C6713, TMS320C6711, ADSP2189M. Спроектирована универсальная плата цифровой обработки сигналов на основе высокопроизводительного процессора TMS320C6713.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных НТК: «2004 International Technical Conference on Circuits/Systems, Computers and Communications "ITC-CSCC"» – Япония, «2004 Autumn Conference of Korea Navigation Institute» – респ. Корея, «International symposium on Advancement of Aerospace Education and Collaborative Research in the 21st Century» – респ. Корея, 2004 г., «Радиолокация, навигация, связь» - Воронеж, 2000-2006 г., «Цифровая обработка сигналов и ее применение» - Москва, 2002-2006 г.; «Обработка сигналов в системах телефонной связи и вещания» - Н.Новгород, 2006 г.; всероссийских НТК: «Современные проблемы создания и эксплуатации радиотехнических систем» - Ульяновск, 1999 г., «Наука-производство-технология-экология» - Киров, 1998 – 2008 г.

Публикации. Результаты диссертационной работы изложены в 80 публикациях, из них – 1 монография, 3 учебных пособия и 29 статей, в том числе 11 – в центральной печати: журналы «Радиотехника и электроника», «Труды учебных заведений связи», «Вестник ИжГТУ», «Интеллектуальные системы в производстве», «Вестник МЭИ», «Известия высших учебных заведений. Радиофизика», «Инфокоммуникационные технологии», «Системы управления и информационные технологии», «Вестник МГТУ им.Н.Э.Баумана».

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 7 глав, заключения и списка литературы и изложена на 293 страницах машинописного текста.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении дается обоснование актуальности и практической значимости рассматриваемых задач – разработки методов нелинейной фильтрации случайных и детерминированных последовательностей многозначных импульсных сигналов при априорно неизвестных статистических характеристиках дискретного параметра сигнала или комбинации дискретного и непрерывных параметров, и синтеза алгоритмов и устройств оптимальной, квазиоптимальной и адаптивной фильтрации последовательностей импульсных сигналов на фоне белого гауссовского шума, а также в присутствии структурных помех. Формулируется цель и основные задачи диссертационной работы. Показана практическая значимость полученных результатов.

Решаемые в главах 1–6 задачи последовательно усложняются как с уменьшением априорных знаний о фильтруемых процессах, так и со сложностью описания их статистических характеристик.



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.