"Цифровая обработка сигналов" - научно-технический журнал

"Цифровая обработка сигналов" №2-2022 год : рефераты статей

Мингазин А.Т.
Взвешенная чебышевская аппроксимация в синтезе формирующих КИХ-фильтров для систем цифровой связи // Цифровая обработка сигналов. 2022. №2. С. 3-11.

Аннотация:
Рассматривается проблема синтеза пары согласованных формирующих линейно-фазовых КИХ-фильтров для систем цифровой связи. Требуется получить фильтры с заданным ослаблением АЧХ в полосе задерживания и минимальным уровнем межсимвольной интерференции. Метод синтеза на основе взвешенной чебышевской аппроксимации с применением алгоритма Ремеза сравнивается с несколькими альтернативными подходами. На примерах формирующих фильтров, взятых из литературы, показано, что данный метод не всегда приводит к повторению или улучшению известных решений. Однако предлагаемая в статье его модификация, связанная с предъявлением дополнительных требований к переходной полосе фильтров, может способствовать устранению этой трудности. Результатом являются фильтры со значительно улучшенными параметрами. Все это подтверждается кривыми компромисса, коэффициентами и АЧХ фильтров, а также уровнями межсимвольной интерференции.

Ключевые слова:
пара согласованных формирующих линейно-фазовых КИХ-фильтров, взвешенная чебышевская аппроксимация, алгоритм Ремеза, требования к переходной полосе, кривые компромисса, ослабление в полосе задерживания и межсимвольная интерференция.

Об авторах:
Мингазин А.Т., в.н.с., к.т.н., РАДИС Лтд, Москва, Зеленоград, e-mail: alexmin@radis.ru

Джиган В.И.
Упрощенные адаптивные фильтры на базе рекурсивных алгоритмов по критерию наименьших квадратов // Цифровая обработка сигналов. 2022. №2. С. 12-20.

Аннотация:
Рассматриваются два адаптивных фильтра с пониженной вычислительной сложностью. Это каскадный адаптивный фильтр и адаптивный фильтр с диагонализированной корреляционной матрицей входного сигнала. Весовые коэффициенты данных фильтров рассчитываются с помощью рекурсивных алгоритмов по критерию наименьших квадратов (Recursive Least Squares, RLS). Вычислительная сложность, т.е. число арифметических операций, требуемых для выполнения одной итерации, в обоих адаптивных фильтрах меньше по сравнению со стандартной реализацией адаптивного фильтра. Уменьшение сложности достигается только при использовании RLS-алгоритмов с квадратичной вычислительной сложностью. Поэтому градиентные алгоритмы или быстрые RLS-алгоритмы с линейной вычислительной сложностью в работе не рассматриваются. Вычислительная сложность рассмотренных адаптивных фильтров одинаковая, но эффективность разная. Ценой уменьшения вычислительной сложности является некоторое ухудшение характеристик адаптивных фильтров. В статье приводятся характеристики рассмотренных адаптивных фильтров, полученные путем моделирования. Это коэффициент подавления эхо-сигналов и рассогласование. Первая характеристика – это отношение энергии требуемого сигнала к энергии сигнала ошибок адаптивного фильтра, а вторая – эвклидово расстояние между вектором весовых коэффициентов идентифицируемой системы (линейного фильтра) и вектором весовых коэффициентов адаптивного фильтра. Результаты моделирования демонстрируют превосходство адаптивного фильтра с диагонализированной корреляционной матрицей над каскадным адаптивным фильтром в терминах указанных характеристик в установившемся состоянии. Однако данное улучшение достигается за счет некоторого увеличения длительностью переходного процесса. Показано, что при обработке коррелированного сигнала, размерность ненулевых матриц вдоль диагонали полной корреляционной матрицы адаптивного фильтра определяется половиной ширины автокорреляционной функции этого сигнала. Представлены RLS-алгоритмы на основе на леммы об обращении матрицы. Однако полученные результаты и выводы справедливы для любых RLS-алгоритмов с квадратичной вычислительной сложностью, таких как алгоритмы на основе QR-разложения или преобразования Хаусхолдера.

Ключевые слова:
идентификация линейной системы, адаптивные фильтры, каскадный адаптивный фильтр, упрощенный адаптивный фильтр, рекурсивный метод наименьших квадратов, RLS-алгоритм, лемма об обращении матрицы, корреляционная матрица, диагонализация матрицы.

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

Кузьмин Е.В.
Нейтрализация интенсивной гармонической помехи за счёт спектрально-весового оценивания её параметров // Цифровая обработка сигналов. 2022. №2. С. 21-28.

Аннотация:
Аналитическим путём получены необходимые вспомогательные выражения для процедуры спектрально-весового оценивания параметров гармонического сигнала по отсчётам комплексного спектра его временной реализации, «взвешенной» с использованием кубической вариации весовой функции Хеннинга. Выполнено и проверено эвристическое обобщение выражений процедуры спектрально-весового оценивания для ближайших целочисленных случаев вариаций степени этой весовой функции. Проведено сравнение точности оценивания параметров сигнала и продемонстрирована эффективность полученных решений. На основе спектрально-весового оценивания реализован компенсационный алгоритм нейтрализации гармонической помехи и проведено его сравнение с частотным режектором на основе прямого и обратного дискретного преобразования Фурье.

Ключевые слова:
спектрально-весовое оценивание, обработка сигналов, гармоническая помеха, дискретное преобразование Фурье.

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

Грунин А.П., Сай С.В.
Оценка рабочих зон импульсно-фазовых радионавигационных систем при совместном использовании сигналов от двух цепей // Цифровая обработка сигналов. 2022. №2. С. 29-33.

Аннотация:
Рассмотрен алгоритм итеративного поиска позиции приемника, основанный на использовании разностей времен прихода радиоимпульсов от всех радионавигационных станций, работающих в точке приема. Произведено сравнение погрешности определения местоположения предложенного алгоритма с существующим гиперболическим методом в 8178 точках Азиатско-Тихоокеанского региона. Полученные данные позволили смоделировать и оценить рабочие зоны двух, совместно использующихся цепочек импульснофазовых радионавигационных систем по обоим алгоритмам. Показано, что использование метода итеративного поиска позиции значительно расширяет рабочую область цепочек при их совместном использовании. Также в большинстве областей погрешность определения местоположения значительно меньше, чем в гиперболическом методе. Введен способ количественной оценки эффективности применения метода итеративного поиска позиции по сравнению с гиперболическим методом. Моделирование рабочей зоны нескольких цепочек позволяет повысить эффективность определения мест развертывания и форматов работы новых систем.

Ключевые слова:
навигация, позиционирование, погрешность, координаты, рабочие области, итерационный алгоритм, минимизация.

Об авторах:
Грунин А.П., ведущий инженер, Дальневосточный филиал Всероссийского научно-исследовательского института физико-технических и радиотехнических измерений, e-mail: grunin@dfvniiftri.ru

Сай С.В., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой вычислительной техники Тихоокеанского Государственного университета, e-mail: sai1111@rambler.ru

Маслаков М.Л.
Построение функции плотности вероятности огибающей модулированных сигналов в условиях замираний // Цифровая обработка сигналов. 2022. №2. С.34-38.

Аннотация:
Рассматривается задача статистического анализа модулированных сигналов. Целью работы является построение плотности распределения вероятностей коэффициентов комплексной огибающей сигналов, принятых из каналов с замираниями. Для построения плотности применяется метод Парзена. Показаны результаты численного моделирования.

Ключевые слова:
плотность распределения вероятностей, комплексная огибающая, замирания, квадратурная амплитудная модуляция, фазовая манипуляция, дисперсия шума.

Об авторах:
Маслаков М.Л., к.т.н., доцент, Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения, e-mail: maslakovml@gmail.com

Мариам Мохаммад Хасан, Рязанцев Л. Б.
Классификация воздушных целей на основе системы со случайной скачкообразной структурой с использованием информации от нейросетевых классификаторов // Цифровая обработка сигналов. 2022. №2. С. 39-45.

Аннотация:
Статья посвящена исследованию вопросов классификации малоразмерных воздушных целей по их траекторным признакам и радиолокационным портретам, полученным методом инверсного синтезирования апертуры. Рассматривается подход, основанный на комплексировании информации байесовского и нейросетевого классификаторов. Комплексирование предложено осуществлять с использованием положений теории систем со случайной скачкообразной структурой. Представлены результаты моделирования, включающие оценку вероятностных и временных характеристик предложенного классификатора.

Ключевые слова:
классификация воздушных целей, инверсное синтезирование, система со случайной скачкообразной структурой, нейросетевой классификатор.

Об авторах:
Мариам Мохаммад Хасан, адъюнкт Военного учебно-научного центра Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия им. профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (г. Воронеж), e-mail: mohammad-mariam@mail.ru

Рязанцев Л. Б., д.т.н., доцент, доцент Военного учебно-научного центра Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия им. профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (г. Воронеж), e-mail: kernel386@mail.ru

Зиатдинов С.И.
Синтез действительных дискретных полосовых и режекторных фильтров методом билинейного z – преобразования // Цифровая обработка сигналов. 2022. №2. С. 46-50.

Аннотация:
Рассмотрен вопрос построения действительных дискретных полосовых и режекторных фильтров на основе заданных непрерывных фильтров-аналогов нижних и верхних частот с использованием билинейного z-преобразования. Целью работы является создание методики синтеза действительных перестраиваемых полосовых и режекторных фильтров с неизменными формой и шириной амплитудно-частотных характеристик независимо от частоты настройки фильтров.

Приведены выражения для частотных передаточных функций синтезированных действительных дискретных полосовых и режекторных фильтров. Произведен расчет их амплитудно-частотных характеристик. Показано, что форма и ширина амплитудночастотных характеристик синтезированных фильтров остается постоянной при изменении частоты настройки фильтров.

Разработанная методика синтеза перестраиваемых дискретных полосовых и режекторных фильтров с постоянными формой и шириной амплитудно-частотной характеристики будет весьма полезна при построении адаптивных систем и устройств обработки сигналов, таких как системы обнаружения и фильтрации сигналов с неизвестной частотой, доплеровских измерителей скорости в условиях меняющейся частоты Доплера, систем селекции движущихся целей при наличии отражений от земной поверхности и перемещающихся гидрометеоров.

Ключевые слова:
дискретные фильтры, частотные характеристики, z-преобразование, весовые коэффициенты.

Об авторах:
Зиатдинов С.И., д.т.н., профессор кафедры информационно-сетевых технологий Санкт-Петербургского государственного университета аэрокосмического приборостроения, e-mail: ziat.53@mail.ru

Попов Д.И.
Адаптация систем квазиоптимальной обработки сигналов на фоне пассивных помех // Цифровая обработка сигналов. 2022. №2. С. 51-55.

Аннотация:
Рассмотрены системы квазиоптимальной обработки, осуществляющие когерентное накопление остатков режектирования. Показано, что системы такого типа вытекают из процедуры статистического синтеза, приводящего в общем случае к матричной обработке и последующему когерентному накоплению. При марковских аппроксимациях помехи адаптивный матричный фильтр преобразуется в векторный адаптивный режекторный фильтр (РФ), приводя к традиционной квазиоптимальной структуре «режекторный фильтр – когерентный накопитель». На основе введенного критерия решена задача двухэтапной оптимизации. На первом этапе определяется оптимальный вектор РФ, на втором этапе – многоканального фильтра (МФ) когерентного накопления. Приведены результаты оптимизации в зависимости от корреляционных свойств помехи и проведено сравнение с эффективностью оптимальной обработки. Получены зависимости оптимального порядка РФ от величины динамического диапазона помехи по отношению к уровню собственного шума, имеющие прямо пропорциональный характер. Установлены условия, при которых достигается близкая к потенциальной эффективность системой фиксированной структуры, схема которой приводится. Рассмотрены условия применения систем перестраиваемой структуры, при которых приблизиться к потенциальной эффективности при изменении параметров помехи в сравнительно широком диапазоне возможно только при оптимизации порядка РФ путем соответствующей перестройки структуры. Предложен метод выбора порядков РФ и МФ, основанный на связи оптимального порядка РФ с величиной приращения коэффициента прохождения помехи на выходе РФ при изменении его порядка. В результате анализа зависимостей приращений коэффициента прохождения установлено условие выбора оптимального порядка РФ. Приведена структурная схема системы адаптивной обработки перестраиваемой структуры.

Ключевые слова:
адаптация, квазиоптимальная обработка, когерентный накопитель, оптимизация, пассивная помеха, перестройка структуры, режекторный фильтр, сигнал.

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

Рыболовлев А.А.
Цифровое кодирование широкополосного речевого сигнала в задаче телефонии // Цифровая обработка сигналов. 2022. №2. С. 56-64.

Аннотация:
Представлен адаптивный многоскоростной кодек широкополосного речевого сигнала (AMR-WB), использованный Сектором стандартизации Международного Союза электросвязи для кодирования широкополосного речевого сигнала со средней скоростью около 16 кбит/с (Рекомендация G.722.2). AMR-WB кодирует речь в диапазоне частот от 50 Гц до 7 кГц и обеспечивает высокое качество и натуральность речевого сигнала. Кодек функционирует на нескольких скоростях кодирования от 6,6 кбит/с до 23,85 кбит/с. Скорость кодирования может быть изменена на любом кадре длительностью 20 мс. Статья детализирует алгоритмическое описание AMR-WB.

Ключевые слова:
речевой сигнал, кодирование речи, кодовая книга, коэффициенты линейного предсказания.

Об авторах:
Рыболовлев А.А., к.т.н., Академия Федеральной службы охраны Российской Федерации г. Орёл, e-mail: rybolovlev@rambler.ru

Бартенев В.Г., Бауточко А.В.
Модельно-ориентированное проектирование адаптивного коррелятора // Цифровая обработка сигналов. 2022. №2. С. 65-69.

Аннотация:
Рассмотрен способ разработки программируемого устройства, основанный на модельно-ориентированном проектировании. Приведен пример использования данного способа при разработке как классического коррелятора с перемножением сигналов, накоплением и фиксированным порогом, так и для адаптивного коррелятора, на который недавно был выдан патент и который обеспечивает постоянный уровень ложных тревог. Впервые получены аналитические выражения для расчета вероятности ложной тревоги для малых выборок наблюдения. Эти аналитические расчеты с их верификацией моделированием выполнены в MATLAB, что является надежной основой для проверки работоспособности нового адаптивного программируемого корреляционного устройства.

Ключевые слова:
адаптивный коррелятор, проектирование модельно-ориентированное, перемножение сигналов, вероятность ложной тревоги.

Об авторах:
Бартенев В.Г., профессор, д.т.н., МИРЭА – Российский технологический университет, e-mail: syntaltechno@mail.ru

Бауточко А.В., аспирант в/ч 15644

Овинников А.А., Лихобабин Е.А., Харин А.В., Исаев М.О.
Анализ свойств проверочных матриц LDPC кодов, предназначенных для спутниковой и космической связи // Цифровая обработка сигналов. 2022. №2. С. 70-76.

Аннотация:
Проводится анализ кодов с малой плотностью проверок (МПП) на чётность из наиболее распространённых в настоящее время стандартов спутниковой и космической связи. Рассматриваются подходы для оперативной оценки энергетического выигрыша от кодирования (ЭВК) в области быстрого изменения вероятности ошибки от отношения сигнал-шум, а также в зоне насыщения ошибки декодирования. Приводится сопоставление имитационного моделирования в канале связи для МПП-кодов, взятых из различных стандартов, с двумя методами статической физики с целью сравнения относительных ЭВК и делаются выводы о целесообразности применения подобного рода качественных оценок. В области насыщения вероятности ошибки декодирования предлагается ввести косвенный критерий оценки наличия замедления спада частоты появления ошибок, основанный на свойства циклов разной длины в графах Таннера. Приводится сопоставление между минимальными метриками связанности результатами имитационного моделирования для ряда высокоскоростных МПП-кодов, R > 0,5. Ключевым результатом работы является большой набор экспериментальных данных, которые были получены на основе специализированного программного обеспечения, разработанного, в том числе, авторами публикации. В дальнейшем планируется продолжить исследование в этом направлении, чтобы установить более чёткие закономерности, связывающие свойства кодов, с результатами получаемыми в ходе имитационного моделирования.

Ключевые слова:
помехоустойчивое кодирование, итеративное декодирование, низкоплотностные коды, граф Таннера, обхват графа, связанность циклов графа, энергетический выигрыш от кодирования (ЭВК).

Об авторах:
Овинников А.А., доцент кафедры телекоммуникаций и основ радиотехники Рязанского государственного радиотехнического университета, e-mail: ovinnikov.a.a@tor.rsreu.ru

Лихобабин Е.А., доцент кафедры телекоммуникаций и основ радиотехники Рязанского государственного радиотехнического университета, e-mail: lihobabin.e.a@tor.rsreu.ru

Харин А.В., н.с. кафедры телекоммуникаций и основ радиотехники Рязанского государственного радиотехнического университета, e-mail: kharin.a.v@tor.rsreu.ru

Исаев М.О., м.н.с. кафедры телекоммуникаций и основ радиотехники Рязанского государственного радиотехнического университета, e-mail: isaev.m.o@tor.rsreu.ru