Нелинейная обработка сигналов в каналах связи с негауссовскими помехами с применением преселектирующих ортогональных преобразований

Актуальность темы

Одна из основных задач техники связиобеспечение высокого качества передачи сообщений в условиях действия помех — становится особенно актуальной на современном этапе развития общества, когда происходит бурный рост как стационарных, так и подвижных средств связи, действующих в сложной помеховой обстановке и при жестких требованиях к их электромагнитной совместимости. В большинстве современных систем связи прием сигналов приходится осуществлять в условиях действия помех всех видов — флуктуационных, сосредоточенных и импульсных. Первые результаты в области теории потенциальной помехоустойчивости и оптимальных методов приема дискретных и непрерывных сообщений в работах В. А. Котельникова, К. Хелстрома, Д. Миддлтона, А. Н. Колмогорова, Н. Винера, Р. Калмана, Р. Бьюси, ставшие ныне уже классическими, получены в основном для гаус-совских моделей сигналов и помех. Однако, из перечисленных трех видов помех лишь первые, обусловленные внутренними тепловыми шумами элементов аппаратуры, можно с достаточным основанием описывать гауссовскими моделями. Все остальные виды помех, как правило, имеют негауссовскую статистику. Кроме того, некоторые реальные помехи вообще не могут быть отнесены строго к одному из перечисленных видов, а занимают промежуточное положение между ними.

Поэтому большое внимание в последние десятилетия уделяется вопросам разработки методов приема сигналов и реализующих их приемных устройств для каналов со сложными негауссовскими помехами. В принципе решение этих задач возможно за счет использования наиболее общих моделей сигналов и помех, позволяющих охватить самый широкий их класс, включая негауссовские, нестационарные и импульсные случайные процессы и поля. К ним относятся, в первую очередь, марковские модели в форме стохастических дифференциальных уравнений (СДУ) и их обобщения. Этот аппарат позволил получить фундаментальные теоретические результаты в области нелинейной фильтрации, оценивания параметров, оценочно-корреляционных и компенсационных методов обнаружения и различения флуктуирующих сигналов на фоне негауссовс-ких помех. Впервые опубликованные в работах Р. Л. Стратоновича и Т. Кайлата, они нашли дальнейшее развитие в трудах Ю.Г.Сосули-на, В. И. Тихонова, М. С. Ярлыкова, Д. Д. Кловского, В. А. Казакова и многих других авторов. Из зарубежных публикаций в этой области широко известны работы А. Балакришнана, Г. Кушнера, Г. Ван Триса, Э. Сейджа и Дж. Мелса, С. Цафестаса и др.

Аппарат теории диффузионных марковских процессов и СДУ, безусловно, является мощным инструментом решения широкого круга задач оптимальной обработки сигналов не только в связи, но и во многих других областях — в технике локации, навигации, управления, измерений. Однако в задачах техники связи прямое использование таких общих моделей, как правило, ведет к получению сложных алгоритмов обработки, реализация которых сопряжена с многочисленными приближениями, при которых неизбежны существенные потери в показателях качества приема.

Поэтому широкое практическое применение получили такие методы обработки сигналов, в основе которых лежат те или иные модификации указанных общих методов с учетом специфики разных видов помех и принципы адаптации алгоритмов приема к реальным изменениям параметров канала и помеховой обстановки. Важные результаты в этом направлении получены в работах Р. Л. Стратоновича, Л. М. Финка, Б. Р. Левина, В. В. Шахгильдяна, Д. Д. Кловского, Ю. С. Шинакова, А. П. Трифонова, С. Е. Фальковича, В. Г. Репина,.

Г. П.Тартаковского, В. И. Коржика, В. А. Сойфера, И. А. Цикина,.

A.И.Фалько, Б. И. Николаева, В. Г. Карташевского, С. М. Широкова и многих других. Разработанные в них методы приема обеспечивают достаточно эффективную защиту от сосредоточенных помех, в том числе негауссовских, на основе адаптивной режекции, компенсации и т. п. принципов. Значительно сложнее решаются задачи борьбы с импульсными помехами, особенно в условиях одновременного действия помех других видов. На практике для их подавления в основном используется ограничение, бланкирование и т. п. безынерционные, нелинейные преобразования смеси сигнала и помех. Эти методы, впервые теоретически обоснованные А. Н. Щукиным в 1946 г. в дальнейшем были развиты в трудах Д. В. Агеева, Л. М. Финка, О. Е. Антонова, В. Д. Рубцова, А. Ф. Фомина, В. Г. Валеева,.

B.Б.Гонопольского, за рубежом — в работах Р. Цимера, Р. Флухеля, П. Белло, Р. Эспозито и др. и получили всестороннее теоретическое обоснование в цикле работ Б. Р. Левина и его сотрудников по асимптотически оптимальным методам приема слабых сигналов на фоне помех. Близки к ним и широко применяемые на практике, особенно при цифровой обработке сигналов и изображений, методы подавления импульсных помех с применением медианной фильтрации и интерполяции.

Общим недостатком перечисленных методов является их сравнительная низкая эффективность в условиях действия импульсных помех, соизмеримых по длительности и амплитуде с сигналом, в особенности при наличии помех других видов. Борьба с такими сложными видами помех встречает наибольшие трудности. Задача разработки более эффективных методов защиты от этих видов негауссовских помех является ныне весьма актуальной, а коренные изменения последних лет в области элементной базы и техники обработки сигналов создают необходимые предпосылки для ее практического решения. Решение поставленной задачи составляет основное содержание данной работы, которая лежит в русле многолетних исследований в области разработки адаптивных систем передачи сообщений по каналам с временным рассеянием, замираниями и сложной помеховой обстановкой, выполняемых в ПГАТИ под руководством Д. Д. Кловского, и непосредственно опирается на теоретические результаты С. М. Широкова, касающиеся использования нелинейных волновых процессов и связанных с ними методов нелинейной фазовой фильтрации сигналов для повышения эффективности систем передачи информации по каналам связи с рассеянием и сложными видами помех.

Цель работы — разработка и исследование новых, более эффективных методов нелинейной обработки сигналов в каналах связи со сложными видами негауссовских помех, обеспечивающих повышение помехоустойчивости систем передачи дискретных и непрерывных сообщений.

Основные задачи исследования включали в себя.

— анализ моделей и характеристик негауссовских помех в реальных каналах связи;

— сравнительный анализ средств борьбы с негауссовскими помехами в современных системах связи и выявление наиболее перспективных путей повышения их эффективности;

— разработку теоретических основ нового метода подавления негауссовских импульсных помех в каналах связи с применением ортогональных преселектирующих преобразований;

— теоретическое обоснование применения нелинейных фазовых фильтров (НФФ) в качестве ортогональных преселектирующих преобразований, включая анализ соответствующих преобразований характеристик случайных сигналов и помех;

— разработку методов оптимизации устройств подавления не-гауссовских помех на основе НФФ;

— анализ помехоустойчивости алгоритмов приема дискретных и непрерывных сообщений с применением НФФ;

— разработку алгоритмов цифровой обработки сигналов, реализующих предложенные новые методы подавления негауссовских помех;

— экспериментальное исследование и моделирование разработанных алгоритмов приема дискретных и непрерывных сообщений.

Методы исследования. Основу работы составляют методы статистической теории связи, теории вероятностей и математической статистики. Использованы также некоторые положения и методы функционального анализа, теории нелинейных эволюционных уравнений и теории оптимизации стохастических систем. Значительная часть результатов работы получена с широким использованием численных методов, реализованных на компьютере в среде Mathcad и компьютерного моделирования на языке С++ для IBM PC.

Научная новизна работы заключается в том, что в ней впервые.

— систематически исследован новый метод подавления негауссовских помех, в том числе занимающих промежуточное положение между импульсными и сосредоточенными, с применением пресе-лектирующих преобразований и доказана его эффективность;

— исследованы свойства нового типа преселектирующих преобразований — нелинейных ортогональных преобразований, предложена их реализация с применением НФФ, обоснованы преимущества при решении задач селекции сигналов и импульсных помех;

— установлены закономерности преобразований негауссовских помех, описываемых общими моделями в форме последовательности.

— 10 радиоимпульсов со случайными параметрами (амплитудой, длительностью, фазой и моментом появления), имеющими негауссовские распределения вероятностей, в нелинейных блоках преселекции (НФФ) и блоках селекции на основе пороговой обработки;

— разработаны методы оптимизации алгоритмов обработки сигналов для подавления негауссовских помех с применением НФФ;

— проведен сравнительный анализ помехоустойчивости известных и предложенных в работе методов подавления негауссовских помех, при котором использованы аналитические оценки, компьютерное статистическое моделирование и эксперименты.

Практическая ценность и реализация результатов работы. В результате проведенного исследования разработаны новые методы нелинейной обработки сигналов, позволяющие существенно повысить помехоустойчивость приема дискретных и непрерывных сообщений по основным, используемым ныне показателям качествасредней вероятности ошибки, среднему квадрату ошибки, разборчивости речи и т. п.

Разработанные методы реализованы в форме алгоритмов цифровой обработки сигналов и их практические преимущества доказаны успешными экспериментами.

Основная часть практических результатов получена в процессе выполнении НИР «Новые методы подавления импульсных помех в каналах связи» (по которой диссертант являлся ответственным исполнителем) в рамках программы фундаментальных и прикладных исследованиях вузов связи РФ «Исследование новых информационных и ресурсосберегающих технологий» в 1996;1997г.г. Результаты работы переданы в НТУ ОТ Госкомсвязи РФ для практического использования. Разработанное устройство для подавления ИП защищено патентом на изобретение.

— 11.

Разработанные в диссертации алгоритмическое и программное обеспечения, предназначенные для цифровой обработки сигналов звукового диапазона с помощью мультимедиа-компьютера с целью повышения разборчивости речевых сигналов, переданных по каналам связи со сложной помеховой обстановкой, приняты для практического использования в Центре правительственной связи в Самарской области.

Результаты работы нашли также применение в учебном процессе на кафедре теоретических основ радиотехники и связи Поволжской государственной академии телекоммуникаций и информатики, в частности, использованы с 1997 г. в курсе лекций по теории электрической связи, в лабораторном практикуме по этому курсу, а также при дипломном проектировании.

Практическое использование результатов работы подтверждено соответствующими актами, помещенными в приложении к диссертации .

Апробация работы. Основное содержание работы докладывалось и обсуждалось на.

— Международной конференции и научной сессии РНТО РЭС им. А. С. Попова, посвященной 100-летию изобретения радио (Москва, 1995 г.);

— 51-ой научной сессии РНТО РЭС им. А. С. Попова (Москва, 1996 г.);

— научно-технических конференциях ПГАТИ (Самара, 1989;1998 гг.);

— научных семинарах секции теории информации Самарского Областного Правления РНТО РЭС им. А. С. Попова.

Публикации. Основное содержание работы отражено в 16 печатных работах, включая 4 статьи в научных изданиях, 9 тезисов докладов, получены 2 авторских свидетельства и 1 патент на изобретение. Все работы опубликованы не позднее нескольких месяцев до дня защиты.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и приложений. Основная часть работы содержит 205 страниц текста, включая 55 рисунков и 3 таблицы, список литературы — 104 наименования. Общий объем с приложениями составляет 223 страницы.

Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем.

1. В результате анализа характеристик различных видов не-гауссовских помех в каналах связи и их влияния на прием сообщений установлено, что в современных системах связи наибольшие трудности вызывает подавление совместно действующих импульсных (ИП) и сосредоточенных помех (СП), причем с увеличением скоростей передачи все большее влияние на нее оказывают помехи промежуточных видов. Показано, что наиболее удобными для идентификации по измерениям в реальных каналах и использования при решении задач синтеза приемных устройств являются квазидетер-минированные модели помех феноменологического типа. Из различных подходов к решению задачи приема сообщений в каналах с указанными видами негауссовских помех требованиям простоты практической реализации в наибольшей степени удовлетворяют методы, основанные на принципе раздельного подавления различных видов таких помех с учетом их специфики.

2. Установлено, что одним из перспективных путей повышения эффективности пороговых методов селекции сигналов и импульсных помех, как в случае присутствия сосредоточенных помех, так и без них, а также негауссовских помех промежуточных видов является использование специальных преселектирующих нелинейных преобразований смеси сигнала и помех, удовлетворяющих ряду требований: условиям обратимости, наибольшей эффективности селекции помех и простоты реализации.

3. Показано, что поставленным требованиям к селектирующему преобразованию в наибольшей степени удовлетворяют нелинейные отображения, соответствующие фильтрам с распределенными параметрами, звенья которых имеют фазовые характеристики, зависящие от мгновенной мощности суммы сигнала с совокупной помехой, т. е. представляют собой нелинейные фазовые фильтры (НФФ).

4. Для разработанных НФФ получены математические модели в форме нелинейных дифференциальных уравнений параболического типа и в форме дискретных отображений в частотной и временной областях.

5. Разработаны методы теоретического анализа систем подавления негауссовских помех с применением НФФ, обеспечивающие расчет преобразований в них распределений вероятностей, корреляционных и спектральных характеристик смеси сигнала с помехами и дающие необходимую основу для последующих оценок их помехоустойчивости и эффективности при приеме дискретных и непрерывных сообщений.

6. Разработан метод оптимизации алгоритмов селекции сигналов и импульсных помех детерминированной формы, появляющихся в случайные моменты времени, с применением преселектирующих НФФ. Результат оптимизации можно трактовать как условие согласования фильтра с ИП по фазе. Показано, что наиболее эффективное сжатие достигается для импульсов колокольной формы в НФФ с логарифмической нелинейностью, а НФФ с квадратической нелинейностью наименее критичен к форме ИП.

7. Разработан параметрический метод статистической оптимизации НФФ для селекции сигналов и случайных ИП, описываемых квазидетерминированными моделями. В линейном приближении получены алгебраические уравнения для определения оптимальных параметров НФФ и разработан градиентный алгоритм их уточнения.

8. Сформулированы рекомендации по оптимальному выбору вида и параметров пороговой обработки при подавлении ИП. Показано, что в большинстве реальных каналов наилучшим из них является алгоритм линейной интерполяции.

9. Получены теоретические оценки вероятностей ошибок при приеме дискретных сообщений с использованием известных и предложенных в диссертации алгоритмов обработки сигналов в каналах с негауссовскими помехами и выполнено статистическое моделирование указанных алгоритмов. Результаты обоих методов исследования близки и показывают, что применение преселектирующих преобразований в виде НФФ заметно повышает эффективность пороговых алгоритмов подавления ИП и, в особенности, помех промежуточных видов при приеме как дискретных, так и непрерывных сообщений.

10. Разработаны и алгоритмы структурные схемы устройств приема дискретных так и непрерывных сообщений, реализующих разработанные методы селективного подавления негауссовских помех.

11. Составлены программы цифровой нелинейной фильтрации звуковых сигналов, представленных файлами данных формата W/1V, на фоне негауссовских помех, реализующие разработанные алгоритмы на базе мультимедиа-компьютера.

12. Проведен ряд лабораторных экспериментов по измерению разборчивости речи при исследовании сравнительной эффективности подавления негауссовских помех с помощью различных алгоритмов методом артикуляции. Результаты проведенных экспериментов показывают, что как по звуковой, так и по слоговой разборчивости разработанный метод подавления ИП с применением преселектирующих НФФ обеспечивает более высокое качество приема по сравнению с методом линейной интерполяции, частными и менее эффективными вариантами которого являются известные методы амплитудного ограничения и бланкирования.

— 193 -ЗАКЛЮЧЕНИЕ.