"Цифровая обработка сигналов" - научно-технический журнал

"Цифровая обработка сигналов" №1-2023 год : рефераты статей

Джиган В.И.
Эффективность компенсации сигналов акустического эха с помощью адаптивного фильтра на основе многоканального быстрого алгоритма аффинных проекций // Цифровая обработка сигналов. 2023. №1. С. 3-11.

Аннотация:
Рассматривается задача идентификации многоканальной линейной системы с длинными импульсными откликами её каналов. Примером такой задачи является многоканальное подавления сигналов акустического эха в закрытых помещениях. В зависимости от размеров помещения, его отделки, наполнения и частоты дискретизации, длительность акустических импульсных откликов может составлять несколько тысяч периодов частоты дискретизации. В этом случае для решения задачи идентификации требуется использовать многоканальный адаптивный фильтр с большим числом весовых коэффициентов. Реализация таких фильтров является непростой задачей, так как вычислительная сложность адаптивных фильтров зависит от числа их весовых коэффициентов. По этой причине в акустических эхо-компенсаторах редко используются эффективные адаптивные фильтры на основе рекурсивного алгоритма по критерию наименьших квадратов (Recursive Least Squares, RLS) даже в его быстрых (вычислительно эффективных) формах. Поэтому на практике в акустических эхо-компенсаторах обычно используются простые с вычислительной точки зрения адаптивные фильтры на основе алгоритма по критерию наименьшего среднего квадрата (Least Mean Square, LMS) или на основе нормализованного LMS-алгоритма (Normalized LMS, NLMS). Однако простые адаптивные фильтры имеют ряд известных недостатков. Одним из таких недостатков является медленная сходимость при обработке коррелированных или нестационарных сигналов, например, сигналов речи. Адаптивные фильтры на основе LMS/NLMS-алгоритмов в частотной области позволяют декоррелировать обрабатываемые сигналы. Такие фильтры имеют меньшую вычислительную сложность по сравнению с их прототипами во временной области. Однако, поскольку сигналы в этих фильтрах обрабатываются на блоках отсчетов, то адаптивные фильтры в частотной области вносят задержку выходного сигнала и демонстрируют медленную сходимость, поскольку их весовые коэффициенты обновляются только один раз за каждый блок. Это снижает следящие свойства таких адаптивных фильтров. Следящее свойство является важным для адаптивных фильтров в задаче подавления акустического эха, поскольку акустическая среда, как правило, не стационарная. Использование адаптивных фильтров на основе быстрого алгоритма аффинных проекций (Fast Affine Projection, FAP) является компромиссом между эффективностью акустического эхо-компенсатора и его вычислительной сложностью. Такие адаптивные фильтры сегодня широко используется в одноканальных акустических эхо-компенсаторах. В данной статье рассматривается применение адаптивных фильтров на основе FAP-алгоритма в многоканальных эхо-компенсаторах. В статье представлена вычислительная процедура расчета весовых коэффициентов многоканального адаптивного фильтра на основе FAP-алгоритма, а в качестве примера приведены результаты моделирования двухканального эхо-компенсатора на основе этого фильтра. Моделирование показывает, что характеристики такого адаптивного фильтра в установившемся состоянии близки к характеристикам адаптивного фильтра на основе RLS-алгоритма или адаптивного фильтра на основе NLMS- алгоритма во временной или частотной области. В то же время, сходимость адаптивного фильтра на основе FAP-алгоритма в несколько раз выше по сравнению с адаптивным фильтром на основе NLMS-алгоритма. Благодаря этой особенности, адаптивный фильтр на основе FAP-алгоритма может быть использован в многоканальных адаптивных эхо-компенсаторах, обеспечивая сравнительно низкие требуемые ресурсы на его реализацию и позволяя отслеживать изменения в статистике обрабатываемых сигналов и/или изменения в акустической среде.

Ключевые слова:
подавление сигналов акустического эха, акустический импульсный отклик, алгоритм аффинных проекций (Affine Projection, AP), быстрый алгоритм аффинных проекций (Fast Affine Projection, FAP), рекурсивный алгоритм по критерию наименьших квадратов (Recursive Least Squares, RLS), алгоритм по критерию наименьшего квадрата (Least Mean Square, LMS), нормализованный LMS алгоритм (Normalized LMS, NLMS).

Об авторах:
Джиган В.И., д.т.н., главный научный сотрудник Института проблем проектирования в микроэлектронике Российской академии наук, г. Москва, Россия, e-mail: djigan@ippm.ru

Быховский М.А.
Методы модуляции и демодуляции сигналов многомерных ансамблей // Цифровая обработка сигналов. 2023. №1. С. 12-21.

Аннотация:
Представлен алгоритм преобразования номера передаваемого сообщения в индексы модуляции, необходимые для формирования сигналов, принадлежащих к поверхностно-сферическим ансамблям сигналов (ПСАС). Описаны функциональные схемы модуляторов и оптимальных демодуляторов ПСАС. Отмечается, что процедура формирования ПСАС подобна процедуре формирования сверточного кода, а процедура демодуляции подобна процедуре последовательного декодированию сверточного кода с помощью алгоритма Витерби. Показано, что количество операций, необходимых для формирования сигналов ПСАС в модуляторах, и операций обработки этих сигналов в демодуляторах, растет линейно с увеличением длительности сигналов в ПСАС. Поэтому сложность технической реализации систем связи с ПСАС оказывается сопоставимой со сложностью реализации систем связи, в которых для повышения надежности приема сообщений применяются двумерные ансамбли сигналов, такие как QAM и APSK. Отмечается, что применение ПСАС позволяет создавать системы связи с высокой энергетической и спектральной эффективностью.

Ключевые слова:
Формирования оптимальных многомерных сигналов, демодуляция оптимальных многомерных сигналов, энергетическая эффективность, спектральная эффективность, помехоустойчивость приема сигналов.

Об авторах:
Быховский М.А., доктор технических наук, профессор, e-mail: bykhmark@gmail.com

Андреев В.Г., Чан В.А.
Параметрический спектральный анализ кусочно-стационарных радиотехнических сигналов с учетом воздействия шума на корреляционные свойства // Цифровая обработка сигналов. 2023. №1. С. 22-26.

Аннотация:
Предложен и исследован модифицированный метод спектрального анализа кусочно-стационарных процессов с коррекцией оценок корреляционных матриц для учёта влияния изменяющейся мощности аддитивного шума. Целью работы является повышение вычислительной эффективности алгоритмов анализа и точности спектрального оценивания радиотехнических сигналов на фоне кусочно-стационарных помех. На основе оценки оптимального значения корректирующей величины, основанной на оценке мощности шума P_n,предлагаемый метод даёт возможность уменьшить влияние нестационарных помех и повысить точность спектральных оценок путём коррекции коэффициентов автокорреляции кусочно-стационарных случайных процессов. Сравниваются качественные показатели предлагаемого модифицированного метода спектрального анализа с обычным параметрическим методом авторегрессии. Экспериментальные исследования показали, что при использовании предложенного подхода для спектрального оценивания при сопоставлении с известными авторегрессионными методами можно уменьшить в 7,4…9 раз невязку между контрольным и оцениваемым спектрами. При проведении сравнительного анализа с обычной авторегрессионной моделью снижение порядка p может достигать 2,5...3 раз при сохранении той же точности спектрального оценивания. Подтверждено, что для анализа спектра исследуемых узкополосных радиотехнических сигналов относительные отклонения ΔF оценки доминантной частоты существенно (до 6 раз) уменьшаются путём использования предлагаемого модифицированного метода по сравнению с методом авторегрессии. Выигрыши достигаются путём использования априорной информации о меняющейся во времени мощности аддитивного мешающего процесса.

Ключевые слова:
кусочно-стационарные помехи, нестационарные шумы, весовой вектор, адаптивный алгоритм, авторегрессионная модель, разладка, спектральное оценивание, спектральная плотность мощности.

Об авторах:
Андреев В.Г., д.т.н., доцент, профессор кафедры РТС РГРТУ, e-mail: andrejev.v.g@rsreu.ru

Чан В.А., аспирант кафедры РТС РГРТУ, e-mail: mrtran1910@gmail.com

Сенкевич Ю.И., Мищенко М.А., Солодчук А.А., Луковенкова О.О., Гапеев М.И.
Стохастическое моделирование сигнала геоакустической эмиссии // Цифровая обработка сигналов. 2023. №1. С. 27-34.

Аннотация:
Настоящая работа проводится в рамках исследования акустической эмиссии пород на разных стадиях сейсмотектонического процесса в Камчатском регионе. Одним из индикаторов сейсмической активности является изменение характеристик геоакустической эмиссии, генерируемой приповерхностными осадочными породами. Авторами предложена стохастическая модель сигнала геоакустической эмиссии, регистрируемого точечным приемником в условиях однородной и изотропной среды. Параметрами модели являются три случайные величины – амплитуда импульсов, межимпульсный интервал, длительность импульса. Для анализа предложенной модели разработана методика построения трехмерных графиков распределений каждого из параметров, позволяющая выделять особенности их поведения во времени. Апробация методики проведена на искусственном сигнале с различными законами распределения параметров. Применяя разработанную методику к реальным данным, авторы выявили аномалии в распределении параметров потока геоакустических импульсов, которые позволили получить новые знания о влиянии сейсмических процессов на акустическое поле в приповерхностных осадочных породах.

Ключевые слова:
сейсмическая активность, геоакустическая эмиссия, стохастическая модель импульсного сигнала, аномалии распределения параметров, структурно-лингвистический анализ.

Об авторах:
Сенкевич Ю.И., Институт космофизических исследований и распространения радиоволн, ведущий научный сотрудник, д.т.н, e-mail: senkevich@ikir.ru

Мищенко М.А., Институт космофизических исследований и распространения радиоволн, старший научный сотрудник, к.ф.-м.н., e-mail: micle@ikir.ru

Солодчук А.А., Институт космофизических исследований и распространения радиоволн, старший научный сотрудник, к.ф.-м.н., e-mail: aleksandra@ikir.ru

Луковенкова О.О., Институт космофизических исследований и распространения радиоволн, старший научный сотрудник, к.т.н., e-mail: o.o.lukovenkova@yandex.ru

Гапеев М.И., Институт космофизических исследований и распространения радиоволн, младший научный сотрудник, e-mail: gapeev@ikir.ru

Хрящев В.В., Завьялов Д.В., Андержанова А.С.
Классификация эндоскопических изображений устья червеобразного отростка на основе методов глубокого машинного обучения // Цифровая обработка сигналов. 2023. №1. С.35-38.

Аннотация:
Представлены результаты тестирования алгоритма машинного обучения для распознавания устья червеобразного отростка на эндоскопических изображениях слизистой толстой кишки. База изображений сформирована из результатов колоноскопических исследований совместно с сотрудниками отделения эндоскопии ГБУЗ «Ярославская областная клиническая онкологическая больница». В качестве сверточной нейронной сети выбрана модификация архитектуры ResNet50, предварительно обученная на стандартной базе изображений ImageNet. В результате применения алгоритма классификации к тестовому набору эндоскопических изображений значения метрик составили AUC = 0,90, F-мера = 0,886. Полученные результаты могут использоваться при разработке системы контроля качества проведения колоноскопических исследований в реальной медицинской практике.

Ключевые слова:
классификация эндоскопических изображений, колоноскопия, скрининг колоректального рака, сверточная нейронная сеть.

Об авторах:
Хрящев В.В., к.т.н., доцент, руководитель центра искусственного интеллекта и цифровой экономики Ярославского государственного университета им. П.Г. Демидова, e-mail: v.khryashchev@uniyar.ac.ru

Завьялов Д.В., д.м.н., доцент, профессор кафедры онкологии с гематологией, Ярославский государственный медицинский университет, e-mail: zavialoff@mail.ru

Андержанова А.С., магистрант кафедры цифровых технологий и машинного обучения Ярославского государственного университета им. П.Г. Демидова, e-mail: ande.nova@yandex.ru

Гладышев А.И., Телегин А.М., Щелоков Е.А.
Математическая модель оптической системы для измерения параметров высокоскоростных микрочастиц // Цифровая обработка сигналов. 2023. №1. С. 39-42.

Аннотация:
Рассматривается задача построения математической модели оптической системы для регистрации параметров высокоскоростных микрочастиц (микрометероидов и частиц космического мусора). Для нахождения распределения световых потоков, вызванных рассеянием лазерного излучения на микрочастицах используется теория Ми. Целью работы является разработки рекомендаций для построения оптической системы для регистрации параметров микрочастиц.

Ключевые слова:
микрочастицы, теория Ми, лазерный луч, рассеяние.

Об авторах:
Гладышев А.И., д.т.н., профессор Российского нового университета (РосНОУ), e-mail: tolyagladyshev@yandex.ru

Телегин А.М., к.ф.-м.н., доцент кафедры КТЭСиУ Самарского университета, e-mail: talex85@mail.ru

Щелоков Е.А., аспирант Самарского университета, e-mail: riddick41666@mail.ru

Попов Д.И.
Оптимизация режекторных фильтров при вобуляции периода повторения // Цифровая обработка сигналов. 2023. №1. С. 43-47.

Аннотация:
Рассмотрены нерекурсивные режекторные фильтры с весовыми коэффициентами, оптимизированными для случая обработки вобулированной последовательности в диапазоне возможного изменения ширины спектра помехи. Приведен критерий оптимизации вектора весовых коэффициентов режекторного фильтра, обеспечивающий максимум коэффициента улучшения отношения сигнал/помеха в каждом периоде вобулированной последовательности. Применение минимаксного принципа к величине относительных потерь в предельной эффективности приводит к определению в каждом периоде повторения весового вектора, при котором во всем диапазоне оптимизации обеспечиваются минимальные потери по сравнению с оптимальной обработкой. Приведены числовые результаты оптимизации, из которых следует, что вектор весовых коэффициентов в каждом периоде является несимметричным и изменяется от периода к периоду. Для различных значений отношения шум/помеха определены выигрыши в предельной эффективности, обеспечиваемые фильтром с оптимизированными весовыми коэффициентами по сравнению с известными неоптимизированными коэффициентами. Рассмотрены принципы реализации оптимизированного фильтра на основе системной функции в виде каскадного включения звеньев 1-го и 2-го порядков, обладающих переменными во времени весовыми коэффициентами, и представлена структурная схема фильтра с частичной адаптацией к доплеровской фазе пассивной помехи и коммутацией от периода к периоду весовых коэффициентов. По критерию, определяющего эффективность подавления помехи, проведен сравнительный анализ эффективности оптимизированных фильтров и оценен объем обучающей выборки в случае их адаптации к доплеровской фазе помехи.

Ключевые слова:
адаптация, весовой вектор, вобуляция периода повторения, минимаксный критерий, оптимизация, пассивная помеха, режекторный фильтр.

Об авторах:
Попов Д.И., д.т.н., профессор кафедры радиотехнических систем Рязанского государственного радиотехнического университета, e-mail: adop@mail.ru

Кузьмин Е.В.
Показатели качества алгоритма ДПФ-режекции узкополосной помехи при различных функциях предварительного взвешивания // Цифровая обработка сигналов. 2023. №1. С. 48-53.

Аннотация:
Исследована эффективность алгоритма частотной режекции узкополосной помехи на основе прямого и обратного дискретного преобразования Фурье взвешенной реализации. Изучено возможное поведение показателей качества режекции помехи при различном количестве удаляемых частотных выборок и при взвешивании реализации различными весовыми функциями: прямоугольной, синус-окном, Ханна, Блэкмана, Парзена, а также кубической вариацией весовой функции Хеннинга. Дана цветовая графическая визуализация прироста подавления помехи при контролируемом поэлементном удалении частотных выборок и продемонстрирована возникающая при этом деформация полезного выходного эффекта квадратурной корреляционной обработки. Получены коэффициенты подавления помехи и прохождения сигнала, а также коэффициент подпомеховой видимости, для которого продемонстрирована зависимость от частного положения помехи. Представлены семейства статистических зависимостей совокупной обработки, включающей рассматриваемую ДПФ-режекцию помехи и последующий поиск сложного сигнала на основе квадратурной корреляционной обработки «очищенной» от помехи реализации.

Ключевые слова:
узкополосная помеха, рережекция помехи, весовая функция, дискретное преобразование Фурье, шумоподобный сигнал, поиск сигнала, коэффициент подавления помехи, коэффициент прохождения сигнала.

Об авторах:
Кузьмин Е.В., к.т.н., доц., доцент кафедры радиотехники ФГАОУ ВО «Сибирский федеральный университет», e-mail: ekuzmin@sfu-kras.ru, kuzminev@mail.ru

Васильев О.В., Зябкин С.А., Никоненко А.В., Чиров Д.С.
Функционально-ориентированная модель формирования метеорологического продукта в Х-диапазоне от гидрометеоров переохлажденной жидкости при полном поляризационном приеме // Цифровая обработка сигналов. 2023. №1. С. 54-61.

Аннотация:
Описан алгоритм имитационного моделирования поляриметрических продуктов метеорологического радиолокационного комплекса Х-диапазона в условиях, соответствующих явлению обледенения воздушных судов. В качестве гидрометеоров было рассмотрены классы мороси, дождя, сухого и мокрого снега и ориентированных кристаллов льда. Гидрометеоры проставляются сфероидами с размерами, формой, ориентацией и диэлектрическим составом, зависящим от класса. В качестве метода расчета отражений единичной частицы был использован прямой расчет методом Т-матриц. Имитационное моделирование поляриметрических продуктов от ансамбля гидрометеоров основано на методах Монте-Карло. Адекватность имитационной модели была оценена при помощи сравнения полученных гистограмм с функциями принадлежностями, полученными на основе экспериментальных данных в S-диапазоне.

Ключевые слова:
Метеорологический радиолокационный комплекс, ближняя аэродромная зона, классификация гидрометеоров, обледенение воздушных судов, имитационное моделирование, поляриметрия, радиолокационная метеорология.

Об авторах:
Васильев О.В., доктор технических наук, профессор кафедры Технической эксплуатации радиоэлектронного оборудования воздушного транспорта МГТУ ГА, e-mail: vas_ov@mail.ru

Зябкин С.А., ведущий инженер-программист АО «Концерн «Международные аэронавигационные системы», e-mail: sergezyab@gmail.com

Никоненко А.В., старший преподаватель МГТУ ГА, e-mail: Nikon-74@mail.ru

Чиров Д.С., доктор технических наук, доцент, заведующий кафедрой «Радиотехнические системы», МТУСИ, e-mail: d.s.chirov@mtuci.ru

Стефаниди А.Ф., Приоров А.Л., Топников А.И., Хрящев В.В.
Комбинированный детектор голосовой активности // Цифровая обработка сигналов. 2023. №1. С. 62-67.

Аннотация:
Рассматривается задача анализа речевых сигналов. Данный тип сигналов состоит из речи, внешних шумов, шумов записывающего устройства и пауз. Наличие пауз, шумов и помех с точки зрения систем голосовой биометрии является негативным фактором, влияющим на точность распознавания личности. Целью работы является разработка детектора голосовой активности для повышения точности выделения речевых фрагментов.

Подготовлен оригинальный набор данных VADSpeakersDB, содержащий 138 000 фрагментов русскоязычной речи, шумов и пауз. Разработан и протестирован комбинированный детектор голосовой активности (КДГА). Решение имеет высокую точность детектирования речевых фрагментов – выше 90 %. Точность определения фрагментов голосовой активности при использовании КДГА повышается на 2-3 % в сравнении с рассмотренными в работе аналогами. Детектор может применяться для обработки речевых сигналов в задаче биометрической идентификации. Набор данных VADSpeakersDB может быть использован для разработки и тестирования решений в области обработки речевых сигналов, имеющих практический интерес для отечественного рынка.

Ключевые слова:
цифровая обработка речевых сигналов, детектирование голосовой активности, стекинг алгоритмов, машинное обучение, ансамбль решающих деревьев.

Об авторах:
Стефаниди А.Ф., аспирант Ярославского государственного университета им. П.Г. Демидова, е-mail: antonstefanidi@mail.ru

Приоров А.Л., д.т.н., профессор Ярославского государственного университета им. П.Г. Демидова, е-mail: andcat@yandex.ru

Топников А.И., к.т.н., Ярославский государственный университет им. П.Г. Демидова, е-mail: topartgroup@gmail.com

Хрящев В.В., к.т.н., доцент Ярославского государственного университета им. П.Г. Демидова, е-mail: vhr@yandex.ru

Колесса Е.А.
Определение низких орбит по измерениям нескольких телескопов // Цифровая обработка сигналов. 2023. №1. С. 68-72.

Аннотация:
Анализируются возможности радикального повышения точности определения параметров орбит в первом сеансе наблюдения за низкоорбитальными космическими объектами при отсутствии априорных данных с помощью использования двух телескопов с малой триангуляционной базой и соответствующих алгоритмов обработки данных.

Ключевые слова:
наблюдение космических объектов несколькими телескопами, триангуляционная база, алгоритмы оценивания параметров орбиты.

Об авторах:
Колесса Е.А., аспирант Московского физико-технического института (национального исследовательского университета), инженер ПАО «МАК «Вымпел», e-mail: kolessa.ea@phystech.edu

Бутко А.В.
Точностная модель определения элементов внешнего ориентирования космических снимков для поддержки принятия решения при создании космических аппаратов оптико-электронного наблюдения // Цифровая обработка сигналов. 2023. №1. С. 73-79.

Аннотация:
Для повышения точности геодезической привязки снимков земной поверхности необходимо на этапе разработки автоматических космических аппаратов оптико-электронного наблюдения проводить оценку и анализ погрешности комплексной обработки измерительной информации в обеспечение создания высокоточной модели геодезической привязки снимков. Геодезическая привязка осуществляется с помощью моделей оптико-электронной съёмки по бортовой измерительной информации и формулярным данным на космический аппарат. Отсюда формулируются две задачи повышения точности геодезической привязки: повышение точности измерительной информации и повышение точности формулярных данных. Для повышения точности бортовой измерительной информации могут быть использованы опорные данные (опорные точки, цифровые карты, цифровые модели рельефа, архивные обработанные изображения и т.д.). В отсутствие опорных данных точность можно повысить за счёт комплексной обработки бортовой измерительной информации. Это обеспечивается накоплением измерений на длительном временном интервале и их обработка методами статистики и оптимизации. Мешающим фактором являются эволюции космического аппарата. Для повышения точности геодезической привязки негативное влияние эволюций необходимо учитывать на этапе разработки космического аппарата при размещении измерительных приборов и выборе режима измерений. В результате была разработана точностная модель определения элементов внешнего ориентирования космических снимков для поддержки принятия решения при создании космических аппаратов оптико-электронного наблюдения с целью повышения точности координатной привязки снимков без использования опорной информации. В модели учитываются эволюции космического аппарата и комплексная обработка бортовой измерительной информации. Модель позволяет оценить проектные параметры размещения приборов и режима измерений для обеспечения создания высокоточной модели геодезической привязки снимков.

Ключевые слова:
точность, погрешность, проектные параметры, измерительная информация, геодезическая привязка, космические снимки, фотограмметрическая обработка, опорная информация, статистика, оптимизация, высокоточная модель геодезической привязки.

Об авторах:
Бутко А.В., начальник сектора АО «Ракетно-космический центр «Прогресс», г. Самара, e-mail: sandrbut@yandex.ru

Мацак И.С., Капранов В.В., Воропаев Р.А.
Практика использования динамических библиотек АЦП L-card E-502 для автоматизации экспериментов в среде Matlab // Цифровая обработка сигналов. 2023. №1. С. 80-83.

Аннотация:
Представлено решение задачи по интеграции АЦП L-card E-502 в среду MATLAB с помощью подключения динамических библиотек. Приведены скрипт Matlab, осуществляющий циклический сбор данных с аналоговых каналов АЦП, и исходные коды подфункций, используемых в скрипте.

Ключевые слова:
Автоматизированное тестирование, АЦП E-502, динамические библиотеки, MATLAB, метод LoadLibrary.

Об авторах:
Мацак И.С., к.т.н., в.н.с. ПАО «Ракетно-космическая корпорация «Энергия» им. С.П. Королёва», e-mail: ismatsak@mail.ru

Капранов В.В., инженер ПАО «Ракетно-космическая корпорация «Энергия» им. С.П. Королёва»

Воропаев Р.А., инженер ПАО «Ракетно-космическая корпорация «Энергия» им. С.П. Королёва»