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 |

Способы, устройства и алгоритмы сглаживания цифровых сигналов по нескольким критериям в условиях ограниченного объёма априорной информации

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

СЕМЕНИЩЕВ ЕВГЕНИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

СПОСОБЫ, УСТРОЙСТВА И АЛГОРИТМЫ

СГЛАЖИВАНИЯ ЦИФРОВЫХ СИГНАЛОВ ПО НЕСКОЛЬКИМ КРИТЕРИЯМ В УСЛОВИЯХ ОГРАНИЧЕННОГО ОБЪЁМА АПРИОРНОЙ ИНФОРМАЦИИ

Специальность: 05.13.05 – «Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления»

05.12.04 – «Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Таганрог - 2009

Работа выполнена на кафедре «Радиоэлектронные системы»

Южно-Российского государственного университета экономики и сервиса в г. Шахты.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Марчук Владимир Иванович (ЮРГУЭС, г. Шахты)
Научный консультант: кандидат технических наук, доцент Старченко Евгений Иванович (ЮРГУЭС, г. Шахты)
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Крутчинский Сергей Георгиевич (ТТИ ЮФУ, г. Таганрог)
доктор технических наук, доцент Костоглотов Андрей Александрович (Ростовский военный институт ракетных войск, г. Ростов-на-Дону)
Ведущая организация: Федеральное Государственное унитарное предприятие Всероссийский НИИ «Градиент», г. Ростов-на-Дону

Защита состоится __ декабря 2009 г., в 1420, в ауд. Д 406 на заседании диссертационного совета Д 212.208.21 при Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Южный федеральный университет» в ТТИ ЮФУ по адресу: 347928 Ростовская обл., г. Таганрог, ГСП-17А, пер. Некрасовский, 44.

С диссертацией можно ознакомиться в Зональной научной библиотеке Южного федерального университета.

Отзыв на автореферат, заверенный гербовой печатью организации, просим направлять ученому секретарю диссертационного совета Д 212.208.21 по адресу: 347928 Ростовская обл., г. Таганрог, ГСП-17А, пер. Некрасовский, 44.

Автореферат разослан «___» ноября 2009 г.

Ученый секретарь Н.И. Чернов

диссертационного совета Д 212.208.21

кандидат технических наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В современных автоматических системах управления сбора, обработки и передачи данных особую роль занимают интеллектуальные датчики, позволяющие производить постоянный мониторинг и передачу полученной информации на удалённый терминал. Процесс преобразования сигналов связан с воздействием на измеряемый сигнал случайной составляющей, для уменьшения которой обработка производится непосредственно после аналогового интерфейса чувствительного элемента, а передача данных к последующим системам мониторинга осуществляется в цифровом виде. Современные датчиковые системы производят как анлогово–цифровое преобразование получаемых сигналов, так и уменьшение влияния шумовой составляющей. В связи с чем к чувствительному элементу и блоку предварительной обработки предъявляются высокие требования. При производстве измерительного элемента и соответствующих устройств аналогового интерфейса существуют технологические ограничения, вследствие чего, для повышения достоверности, особый интерес представляют алгоритмы первичной обработки цифровых сигналов.





Использование способов цифровой обработки сигналов нашли широкое применение: в системах автоматики и управления, при создании датчиков с возможностью автоматической подстройки и юстировки в случае возможного старение чувствительного элемента или изменений параметров среды; в современных антенных комплексах, при исследовании структур атмо-, гидро- и литосфер, а так же систем обнаружения объектов; при исследовании биомеханических параметров, биометрическими системами сбора данных, находящихся непосредственно на исследуемом объекте; в современных системах автоматической обработки двумерных сигналов, получаемых от светочувствительных матриц цифровых фото- и видеокамер, а также систем машинного зрения, для уменьшения действия шума связанного с работой канала связи видеодатчиков, дефектом сканирующего устройства; в экономике и социологии при исследовании трендов; в информационно-измерительных системах; в вычислительной технике для повышения точности, связанной с возможностью уменьшения помехи вызванной, шумами преобразования сигнала из аналогового в цифровой вид.

В общем случае анализ сигналов затруднен наличием шумов, имеющих случайный характер с априорно неизвестными статистическими характеристиками. Информация о полезной составляющей сигнала так же ограничена. Использование в системах автоматики и управления способов, рассматриваемых в работах ведущих ученых, таких как В.И. Тихонов, А.И. Орлов, Б.Р. Левин, Л. Рабинер, Б. Голд и др., возможно лишь при наличии достаточного объема априорной информации, в противном случае их эффективность существенно снижается.

Как правило, в этих случаях в качестве алгоритмов обработки используются способы, основанные на минимизации критерия среднеквадратического отклонения или максимизации отношения сигнал/шум. Выбор критерия обусловлен количеством априорной информации о решаемой задаче. В условиях ограниченного объёма информации о функции полезного сигнала и статистических характеристиках шума задача резко усложняется. Наличие в полезной составляющей точек разрыва первого рода, предъявляет дополнительные требования к способам обработки.

В этой связи актуальной является задача разработки способов и алгоритмов сглаживания цифровых сигналов измерительных комплексов и систем автоматического управления, а так же устройств обработки одновременно по нескольким критериям в условиях ограниченного объёма априорной информации о функции полезной и шумовой составляющих.

Объектом исследования являются способы, устройства и алгоритмы сглаживания цифровых сигналов.

Предметом исследований является многокритериальные способы сглаживания цифровых сигналов при ограниченном объёме априорной информации.

Целью диссертационной работы является уменьшение погрешности сглаживания сигналов в условиях ограниченного объема априорной информации о полезной и статистических характеристик шумовой составляющих.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:

1. Провести анализ способов уменьшения среднеквадратической погрешности шумовой составляющей при обработке цифровых сигналов в условиях ограниченного объёма априорной информации о функциях полезной и статистических характеристиках аддитивной шумовой составляющих.

2. Разработать и исследовать способы сглаживания сигналов в условиях ограниченного объёма априорной информации на основе целевых функций, объединяющих несколько критериев.

3. Произвести анализ разработанных способов сглаживания на основе аналитического решения многокритериальной целевой функции.

4. Произвести анализ полученных способов и выработать рекомендации к выбору коэффициентов сглаживания, с целью повышения эффективности обработки сигналов поступающих с систем и устройств автоматического управления.

5. Провести сравнительный анализ эффективности многокритериальных способов сглаживания сигналов с известными и часто используемыми способами на практике.

6. Провести исследования эффективности обработки натурных реализаций измерительных комплексов и систем автоматического управления с использованием разработанных способов сглаживания.

7. Разработать структурные схемы устройств реализующих разработанные способы сглаживания, произвести расчёт требуемых вычислительных затрат.

Научная новизна.

В рамках диссертационной работы получены следующие новые научные результаты:

1. Предложен аналитический расчёт получаемых оценок входной реализации способом сглаживания цифровых сигналов на основе целевой функции, минимизирующей одновременно сумму квадратов конечных разностей первого порядка и сумму квадратов разностей отклонения входного сигнала от его оценки.

2. Предложен способ сглаживания цифровых сигналов на основе целевой функции, минимизирующей одновременно сумму квадратов конечных разностей второго порядка и сумму квадратов разностей отклонения входного сигнала от его оценки.



3. Предложен способ сглаживания цифровых сигналов на основе целевой функции, минимизирующей одновременно сумму квадратов конечных разностей первого и второго порядка, а так же сумму квадратов разностей отклонения входного сигнала от его оценки.

4. Разработаны последовательно-параллельное (Пат. РФ. 2321053) и параллельное (Пат. РФ 2362208) устройства обработки сигналов, реализующие предлагаемые многокритериальные способы и дающие возможность повышения скорость обработки, распараллеливания процессов сглаживания, а также обработки цифровых сигналов в области высоких частот.

5. Разработан способ обработки цифровых сигналов по мере их поступления с применением возможности изменения параметров сглаживания.

6. Выработаны рекомендации на основе имитационного моделирования по выбору параметров разработанных способов сглаживания цифровых сигналов.

Практическая значимость.

  1. Использование способов многокритериальной обработки, позволяют получить оценку полезного сигнала на всей выборке, при этом погрешность выделения полезной составляющей в среднем на 30% – 40% ниже по сравнению известными и часто применяемыми на практике способами.
  2. Полученные результаты показывают, что при обработке цифровых сигналов многокритериальными способами значения регулировочных параметров, при которых погрешность оценки полезной составляющей является минимальной, изменяется не более чем на 15%.
  3. Использование разработанных способов показало, что при минимизации одновременно по двум критериям, значения параметров сглаживания цифровых сигналов при обработке полезной составляющей без точек разрыва первого рода изменяются в пределах 1-5%, что позволяет предположить инвариантность параметров сглаживания к шумовой составляющей сигнала.
  4. Предложен алгоритм обработки цифровых сигналов по мере поступления данных в скользящем окне с изменяющимися параметрами сглаживания, позволяющий при наличии точек разрывов первого рода уменьшить погрешность в среднем на 30% по сравнению с результатами, полученными при обработке некаузальными многокритериальными способами.

Методы исследования основываются на использовании методов математической статистики, теории фильтрации, статистической радиотехники и машинного эксперимента на ПЭВМ. Проверка теоретических расчетов и выводов проводилась в пакетах Maple, MathCad, MatLab и с использованием машинного моделирования на наборах тестовых моделей и натурных реализациях результатов измерений.

Достоверность и обоснованность результатов обеспечивается результатами имитационного моделирования на различных наборах тестовых сигналов и реализаций аддитивной шумовой составляющей, а также их теоретическим обоснованием. Новизна технических предложений подтверждается экспертизой технических решений, в виде патентов на предлагаемые устройства обработки и свидетельствами на программное обеспечение алгоритмов, реализующих разработанные способы.

Реализация результатов работы.

Диссертационная работа выполнялась в рамках госбюджетных и научно–исследовательских работ: госбюджетная НИР «Методы первичной обработки результатов измерений и алгоритмы, их реализующие», (ЮРГУЭС, Г-73.1, № ГР 0104.0000.218, Инв. № 007.023.58); в соответствии с заданием Минобрнауки РФ по теме «Идентификация полезной составляющей результатов измерений в условиях априорной непараметрической неопределенности и ограниченном объеме данных» (ЮРГУЭС – 2.06.Ф, № ГР 0120.0603.492, Инв. № 022.007.023.59); госбюджетной НИР «Методы повышения достоверности обработки данных при ограниченном объеме априорной информации» (ЮРГУЭС, Г-73.1, 2007г., Завершена 03.06.2007). госбюджетная НИР «Методы и устройства обработки аудио и видеоинформации в цифровом виде», (ЮРГУЭС Г-8.07.МРТФ, 2007 г. Завершена 31.12.2007); госбюджетная НИР «Методы и устройства обработки аудио и видеоинформации в цифровом виде», (ЮРГУЭС Г-8.07.МРТФ, 2007 г. Завершена 31.12.2007); в рамках ЕЗН федерального агентства по образованию РФ «Разработка методов и программных средств для расчета латентных переменных по экспериментальным выборкам малого объема», (ЮРГУЭС-4.08.Ф, 2008 г., Завершена 31.12.2008); договора на тему «Разработка метода экстраполяции цифровых видеосигналов и его реализации в виде компьютерной программы» между ООО «Видео3» и ГОУ ВПО «ЮРГУЭС», (договор №01/08, от 7 ноября 2008 г.); аналитической ведомственной целевой программы "Развитие научного потенциала высшей школы" «Теория и методы автоматизированной обработки одномерных и двухмерных сигналов в условиях априорной неопределенности», (Действующей с 01.01.2009-31.12.2009.г.г.); аналитической ведомственной целевой программы "Развитие научного потенциала высшей школы" «Теоретические проблемы обеспечения радиационной стойкости аналоговых интегральных микросхем», (Действующей с 01.01.2009-31.12.2009.г.г); НИОКР по программе СТАРТ №6820р/9071 от 10.04.2009 "Разработка и исследование методов восстановления изображений при ограниченном объеме априорной информации и их реализация в виде программного комплекса".

Результаты диссертационной работы внедрены на предприятиях: ООО «Телекоммуникационные системы цифровой обработки сигналов» в виде программного комплекса для обработки сигналов; ООО НПП «ИНТОР» при разработки современных датчиковых комплексов; Учебном процессе ГОУ ВПО «ЮРГУЭС» по дисциплинам: ‹‹Цифровые устройства и микропроцессоры››, ‹‹Статистическая радиотехника››, ‹‹Методы цифровой обработки сигналов››, «Цифровое телевидение».

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы изложены, докладывались и одобрены на 18 научно-технических конференциях: 5 Международной научно-технической конференции «Физика волновых процессов и радиотехнические системы” – Самара; Первой межрегиональной научной конференции «Современные проблемы радиоэлектроники», в 2005 г. – Ростов-на-Дону; Международной научной конференции «Статистические методы в естественных гуманитарных и технических науках», в 2006 г. – Таганрог; Всероссийском конкурсе инновационных проектов аспирантов и студентов по приоритетному направлению развития науки и техники "Информационно-телекоммуникационные системы", в 2006 г. – Пенза; Международной конференции «Информационные технологии в современном мире», в 2007 г. – Таганрог; В IX международной конференции Российского научно-технического общества радиотехники, электроники и связи имени А.С. Попова «Цифровая обработка сигналов и её применение». – Москва; 13 Международной научно-технической конференции: «Радиолокация, навигация, связь» – Воронеж; Международной научно–технической конференции «Компьютерное моделирование 2007» - Санкт Петербург; Всероссийском конкурсе докладов по совместной программе Министерства образования и науки Российской Федерации и Государственного Фонда содействию малых форм предприятий в научно–технической сфере «Студенты, аспиранты и молодые ученые – малому наукоёмкому бизнесу – «Ползуновские гранты»», в 2007 г. – Барнаул; 3-й международной научно практической конференции «Наука и образование без границ» - София, Белград; IV Международной конференции «Методы и средства управления технологическими процессами» – Саранск; В X международной конференции Российского научно-технического общества радиотехники, электроники и связи имени А.С. Попова «Цифровая обработка сигналов и её применение». – Москва; VI всероссийской научно-технической конференции «Современные методы и средства обработки пространственно временных сигналов» – Пенза; Международной научной конференции «Информация, сигналы, системы: вопросы методологии, анализа и синтеза», в 2008 г. – Таганрог; IX Всероссийской научной конференции «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления» – Таганрог; Всероссийском смотре конкурсе нучно–технического конкурса студентов высших учебных заведений «ЭВРИКА-2008» – г. Новочеркасск; Международной научно-практической конференции «Инновации в обществе, технике и культуре», в 2009 г. – Таганрог; Международной конференции «Перспективы развития телекоммуникационных систем и информационные технологии», в 2009 г. – Санкт Петербург.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 29 работ, в том числе 3 статьи в центральных рецензируемых журналах, 17 статей в материалах международных конференций и симпозиумов, главы в двух монографиях, получены 2 патента, 5 свидетельств на программный продукт.

На защиту выносится:

  • Многокритериальные способы сглаживания цифровых сигналов в условиях ограниченного объёма априорной информации о функции полезного сигнала и статистических характеристиках аддитивной шумовой составляющей;
  • Результаты аналитических исследований, устанавливающих связь между значениями входного сигнала и его оценками, а также алгоритм к обработке цифрового сигнала по мере поступления данных;
  • Алгоритмы и устройства, реализующие многокритериальные способы сглаживания;
  • Рекомендации по выбору параметров способов сглаживания цифровых сигналов при обработке реализаций с различными моделями функций полезной и среднеквадратическим отклонением шумовой составляющих;
  • Результаты исследования применения разработанных многокритериальных способов сглаживания к обработке натурных реализаций при реализации микропроцессорных систем измерительных комплексов и устройств автоматического управления в условиях ограниченного объёма априорной информации.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения, списка литературы, включающего 104 наименования и 3 приложений. Основной текст работы изложен на 130 страницах машинописного текста, поясняется 55 рисунками и 8 таблицами.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и основные задачи исследования, определена научная новизна, практическая значимость и основные положения, выносимые на защиту. Приводятся сведения об апробации и внедрении результатов работы.



Pages:   || 2 | 3 |
 

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.