"Цифровая обработка сигналов" - научно-технический журнал

"Цифровая обработка сигналов" №4-2023 год : рефераты статей

Пономарева Н.В., Пономарева О.В.
Теория, методы и алгоритмы определения огибающих дискретных финитных действительных сигналов на основе параметрических преобразований Фурьеов. 2023. №4. С. 3-12.

Аннотация:
На фоне постоянного роста требований к эффективности и результативности применения систем цифровой обработки сигналов, расширения сфер их приложений, наблюдается и постоянное усложнение проблем и проблематики, решаемых современными системами цифровой обработки сигналов. Это приводит к необходимости развития теории, совершенствования методов и алгоритмов цифровой обработки дискретных финитных сигналов, в том числе на основе дискретных преобразований Фурье и дискретного преобразования Гильберта. Дискретное преобразование Фурье (ДПФ), благодаря своим аналитическим и статистическим свойствам, существованию алгоритмов быстрого преобразования Фурье занимает важнейшее место в цифровой Фурье-обработке финитных действительных сигналов. Однако, ДПФ наряду с достоинствами обладает и принципиальными недостатками, которые проявляются во временной и в частотной областях в виде ряда негативных эффектов: эффектов наложения aliasing effect), частокола (picket fence effect), утечки (leakage effect) и гребешковый эффект (scalloping effect). Для борьбы с указанными недостатками ДПФ в работе рассмотрены основы теории цифровой обработки сигналов в параметрических базисах Фурье. Параметрическое дискретное преобразование Фурье является обобщением классического дискретного преобразования Фурье и равно ему при нулевом значении параметра. Введение параметра в ДПФ-П позволяет «управлять» аналитическими свойствами унитарного преобразования. В работе рассмотрено два вида описания дискретных финитных действительных (ДФД) сигналов: в виде суммы дискретных гармонических компонент и в виде, использующем мгновенные параметры ДФД сигнала: мгновенную амплитуду, мгновенную фазу и огибающую. Эти два вида описания ДФД сигналов широко применяется в системах цифровой обработки, поскольку позволяют представлять и выявлять информацию о свойствах и состояниях исследуемых объектов, явлений и процессов. Дискретное преобразование Гильберта играет важную роль при втором виде описания ДФД сигналов, объясняется тем, что это единственный линейный оператор, позволяющий однозначно, при выполнении вполне понятных требований, определять мгновенные параметры ДФД сигнала. В работе проведено исследование свойств дискретного преобразования Гильберта ДФД сигналов, рассмотрены различные виды огибающих ДФД сигналов, разработаны и исследованы методы и алгоритмы определения огибающих на базе параметрических преобразований Фурье. Для подтверждения полученных теоретических результатов проведено соответствующее математическое моделирование.

Ключевые слова:
дискретное преобразование Гильберта, дискретное преобразование Фурье, параметрическое дискретное преобразование Фурье, огибающая сигнала, мгновенная частота сигнала, мгновенная фаза сигнала.

Об авторах:
Пономарева Н.В., к.т.н., доцент Севастопольского государственного университета, e-mail: yolkanv@gmail.com

Пономарева О.В., д.т.н., профессор Ижевского государственного технического университета им. М.Т. Калашникова, e-mail: ponva@mail.ru

Джиган В.И.
Оценка качества адаптивной фильтрации в задаче идентификации линейных объектов // Цифровая обработка сигналов. 2023. №4. С. 13-17.

Аннотация:
Идентификация линейных объектов является классической задачей адаптивной обработки сигналов. Она широко используется при идентификации электрических и акустических импульсных откликов в компенсаторах эхосигналов, устройствах активного шумоподавления и в ряде других устройств. На примере идентификации линейного импульсного отклика в работе показано, что в этой задаче такие показатели качества адаптивного фильтра как рассогласование (эвклидово расстояние между идентифицируемым импульсным откликом и импульсным откликом адаптивного фильтра) и коэффициент ослабления эхосигнала являются обратными по отношению к друг-другу величинами при выражении их в линейном масштабе или противоположными по знаку величинами в логарифмическом масштабе. Истинность этого результата также доказана математически в случае использования сигнала с некоррелированными отсчетами в качестве обучающего (входного для идентифицируемого объекта и адаптивного фильтра) при решении задачи идентификации. Это позволяет оценивать качество идентификации лишь по рассогласованию, для оценки которого достаточно проводить всего лишь один эксперимент, что, в свою очередь позволяет, не проводить статистического моделирования, требующего большого числа экспериментов, для непосредственной оценки коэффициента ослабления эхосигнала. Кроме того доказано, что, располагая значениями ожидаемых импульсных откликов, полученных путем предварительного исследования идентифицируемых объектов, можно, не проводя моделирования, оценивать достижимые значения рассогласования и коэффициента ослабления эхосигнала при заданном числе весовых коэффициентов адаптивного фильтра, или же оценивать это число, при котором обеспечиваются требуемые значения рассогласования и коэффициента ослабления эхосигнала.

Ключевые слова:
идентификация линейной системы, адаптивный фильтр, импульсный отклик, рассогласование, коэффициент ослабления эхо-сигнала.

Об авторах:
Джиган В.И., д.т.н., гл. науч. сотр., Институт проблем проектирования в микроэлектронике Российской академии наук, г. Москва, e-mal: djigan@ippm.ru

Джиган В.И.
Цилиндрические адаптивные антенные решетки // Цифровая обработка сигналов. 2023. №4. С. 18-25.

Аннотация:
Рассматривается адаптивная антенная решетка, в которой для поддержания требуемого уровня основного лепестка диаграммы направленности (луча) используется линейное ограничение при вычислении весовых коэффициентов с помощью рекурсивного алгоритма по критерию наименьших квадратов. Антенная решетка имеет цилиндрическую форму, что позволяет ей осуществлять широкоугольное сканирование в двух плоскостях. Показано, что в такой решетке вектор фазирования, используемый при задании линейных ограничений, должен учитывать значения диаграммы направленности каждой из ее антенн в направлении на источник информационного сигнала. Это связано с тем, что на практике антенны не бывают всенаправленными и ориентированы в разных фиксированных направлениях в соответствии с их размещением на поверхности решетки. Приводятся процедуры линейноограниченных алгоритмов вычисления весовых коэффициентов однолучевой и многолучевой адаптивной антенной решетки. Из-за направленности антенн и их разнонаправленной ориентации эффективное число антенн (каналов или весовых коэффициентов), определяющих предельно-допустимое число помех, которые может подавлять цилиндрическая адаптивная антенная решетка, существенно меньше полного числа ее антенн. По этой же причине в установившемся состоянии среднеквадратичное отклонение выходного сигнала решётки от ее требуемого сигнала лишь незначительно меньше, чем величина обратная к отношению сигнал-шум в каналах решётки, если эффективное число ее антенн достаточно для подавления помех. Если же эффективное число антенн недостаточное, то среднеквадратичное отклонение становится существенно большим указанной величины. Данные результаты подтверждены моделированием различных сценариев подавления помех с помощью цилиндрической адаптивной антенной решетки. Эти результаты следует учитывать при проектировании адаптивных антенных решеток сложной формы, в которых антенны располагаются не на плоской поверхности.

Ключевые слова:
цилиндрическая антенная решетка, адаптивная антенная решетка, рекурсивный алгоритм по критерию наименьших квадратов, линейные ограничения, диаграмма направленности.

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

Попов Д.И.
Анализ одноканальных систем обработки многочастотных сигналов // Цифровая обработка сигналов. 2023. №4. С. 26-31.

Аннотация:
Проведен анализ характеристик обнаружения и точности измерения радиальной скорости цели одноканальных систем обработки многочастотных сигналов для различных характеров межпериодной обработки (оптимальной или квазиоптимальной) в частотных каналах. Использование метода собственных значений матриц привело к преобразованию характеристической функции выходной (решающей) статистики к удобному для интегрирования виду и получению расчетных выражений для вероятностей ложной тревоги и правильного обнаружения, с помощью которых определяются искомые характеристики обнаружения. Проведен сравнительный анализ характеристик обнаружения одноканальных систем обработки многочастотных сигналов на фоне белого шума при различном характере межпериодной обработки (когерентной или некогерентной) в частотных каналах и анализ точности измерения радиальной скорости цели в зависимости от параметров многочастотного сигнала. Анализ эффективности обнаружения-измерения многочастотных сигналов показывает, что предложенные системы обработки на основе объединения результатов одноканального когерентного накопления произведений комплексно-сопряженных отсчетов в каждом частотном канале позволяют при оптимальном числе каналов получить энергетические выигрыши по сравнению с одночастотными системами и многочастотными системами на основе некогерентного накопления, а также повысить точность однозначного измерения радиальной скорости цели. Установлены, в частности, выигрыши в пороговом отношении сигнал/шум системы обнаружения многочастотного сигнала, инвариантной в каждом частотном канале к доплеровским сдвигам фаз, по сравнению с многоканальной по доплеровской частоте системой.

Ключевые слова:
алгоритм обнаружения, анализ, доплеровская фаза, многочастотный сигнал, радиальная скорость цели, характеристика обнаружения, точность измерения.

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

Перепелкин Д.А., Нгуен В.Т.
Интеллектуальная многопутевая маршрутизация в программно-конфигурируемых сетях на основе модели поведения роя светлячков // Цифровая обработка сигналов. 2023. №4. С. 32-40.

Аннотация:
Программно-конфигурируемые сети (ПКС) – это новый архитектурный подход, отделяющий управление сетью от низкоуровневых функций передачи данных. Данный подход позволяет сделать управление сетью полностью программируемым, а прикладные приложения и сетевые службы абстрагировать от инфраструктуры сети. ПКС имеют ряд преимуществ по сравнению с традиционными сетями: гибко управляемы, динамичны, адаптивны, позволяют эффективно использовать физическое оборудование. Концепция многопутевой маршрутизации в ПКС позволяет уменьшить перегрузку в сети за счет перераспределения сетевого трафика и обеспечить заданный уровень качества сервиса. Цель работы – разработка научного подхода интеллектуальной многопутевой маршрутизации в ПКС на основе модели поведения роя светлячков. В статье проведено исследование и анализ модели и алгоритма роя светлячков для решения задачи многопутевой маршрутизации в ПКС. Разработана визуальная программная система SDNLoadBalancer и спроектирована экспериментальная топология ПКС, позволяющая детально исследовать процессы многопутевой маршрутизации в ПКС на основе предложенного подхода. В работе выполнено сравнение предложенного подхода с результатами работы классического генетического алгоритма и алгоритма искусственной пчелиной колонии. Результаты экспериментальных исследований показали эффективность применения модели и алгоритма роя светлячков при решении задачи многопутевой маршрутизации в ПКС, позволили получить близкие к оптимальным результаты, а также уменьшить джиттер задержки передачи в сети.

Ключевые слова:
программно-конфигурируемые сети, SDNLoadBalancer, интеллектуальная маршрутизация, многопутевая маршрутизация, роевой интеллект, алгоритм светлячков, рой светлячков.

Об авторах:
Перепелкин Д.А., д.т.н., доцент, декан факультета вычислительной техники Рязанского государственного радиотехнического университета им. В.Ф. Уткина, e-mail: perepelkin.d.a@rsreu.ru

Нгуен В.Т., аспирант Рязанского государственного радиотехнического университета им. В.Ф. Уткина, e-mail: nguyenvantinrsreu@gmail.com

Паршин А.Ю., Нгуен В.Х.
Разработка модели и классификация MIMO каналов связи в трехмерной системе координат // Цифровая обработка сигналов. 2023. №4. С. 41-46.

Аннотация:
Посвящена разработке и классификации трехмерных моделей MIMO каналов связи. Основой для классификации являются сценарии расположения рассеивателей по стандарту COST 259. При моделировании предполагается распределение рассеивателей по сфероиду или эллипсоиду в зависимости от рассматриваемого сценария. Положения рассеивателей задаются угловыми направлениями по углу места и азимуту, а также расстоянием, которое проходит сигнал при распространении между антенными элементами передающего и приемного устройств с учетом отражения от рассеивателей. Проводится исследование параметров канала связи при распределении рассеивателей по угловой координате по равномерному или гауссовскогому закону. Проведен расчет корреляционной матрицы канальных коэффициентов. Получены зависимости величины дисперсии канального коэффициента от положения рассеивателей при различных сценариях и типах распределения рассеивателей. Показано соответствие теоретического расчета и моделирования.

Ключевые слова:
геометрическая модель распространения сигналов, плотность вероятности углов прихода сигналов, система связи MIMO, распределение рассеивателей, трехмерная модель.

Об авторах:
Паршин А.Ю., к.т.н., доцент, доцент кафедры РТУ Рязанского государственного радиотехнического университета им. В.Ф. Уткина, e-mail: parshin.a.y@rsreu.ru

Нгуен В.Х., аспирант Рязанского государственного радиотехнического университета им. В.Ф. Уткина, e-mail: khanhkhanhkpr@gmail.com

Сычев А.С.
Исследование соответствия интегрально-мультипликативного показателя качества цифровых изображений экспертным оценкам качества и информативности цифровых изображений // Цифровая обработка сигналов. 2023. №4. С. 47-52.

Аннотация:
Статья рассматривает интегрально-мультипликативный показатель качества и информативности цифровых изображений, разработанный с целью обеспечения монотонно возрастающей зависимости формируемых оценок качества с увеличением субъективной оценки качества оператором либо экспертом. Корреляция значений показателя с экспертными оценками качества подтверждена численным значением коэффициента ранговой корреляции Спирмена, равным 0,26, что в 2,17 раза больше аналогичного показателя, рассчитанного для известного безэталонного интегрального показателя качества. Показаны перспективы использования автоматической безэталонной оценки качества изображений в системах улучшенного видения.

Ключевые слова:
цифровая обработка изображений, качество изображений, экспертные оценки, коэффициент ранговой корреляции Спирмена, мультиспектральные системы технического зрения, системы улучшенного видения, улучшение изображений.

Об авторах:
Сычев А.С., ассистент кафедры РТС Рязанского государственного радиотехнического университета им. В.Ф. Уткина, e-mail: sichev.a.s@rsreu.ru

Андреев А.Г., Сенченко А.А.
КИХ-фильтр с дробной задержкой на основе оконных функций // Цифровая обработка сигналов. 2023. №4. С. 53-57.

Аннотация:
Для создания моделей обработки сигнала в антенных решетках необходимо иметь возможность задерживать сигнал на произвольную величину, в том числе не кратную периоду дискретизации сигнала. Данная задача может быть решена с помощью КИХ фильтров с дробной задержкой. В статье приведен способ синтеза КИХ фильтров с дробной задержкой на основе оконных функций. Разработана модель для оценки величины ошибки ЧХ синтезированных фильтров с целью их сравнения. Показано, что с применением оконных функций могут быть получены результаты, близкие к оптимальным.

Ключевые слова:
КИХ-фильтр с дробной задержкой, оптимальные коэффициенты, весовые функции, окно Кайзера, окно Дольф-Чебышева, окно Гаусса, окно Ханна, антенные решетки, моделирование сигнала, задержка сигнала.

Об авторах:
Андреев А.Г., к.т.н., доцент кафедры радиоэлектронных систем ИИФиРЭ ФГАОУ ВО «Сибирский федеральный университет», e-mail: aandreyev@sfu-kras.ru

Сенченко А.А., старший преподаватель каф. Радиотехники ИИФиРЭ ФГАОУ ВО «Сибирский федеральный университет», e-mail: asenchenko@sfu-kras.ru

Кузьмин Е.В.
Влияние многотональной помехи на поиск псевдослучайного сигнала и повышение эффективности режекции за счёт взвешивания современными модификациями функций Дольфа-Чебышева // Цифровая обработка сигналов. 2023. №4. С. 58-61.

Аннотация:
Исследовано влияние многотональной помехи (МП) на вероятность правильного выполнения поиска фазоманипулированного псевдослучайного сигнала (ФМ-ПСС). Рассмотрены детерминированные и хаотические сценарии частотной локализации МП, а также различный состав МП. Оценено снижение возможностей Фурье-процедуры поиска ФМ-ПСС при варьировании мощностью МП, увеличении количества её помеховых компонентов от 2 до 25 и изменении спектральной «протяжённости» присутствия компонентов. Статистическим моделированием получены семейства вероятностных зависимостей, характеризующих эффективность поиска ФМ-ПСС в условиях наблюдения на фоне МП при отсутствии и наличии мер режекции. Даны количественные оценки и показано существенное повышение эффективности совокупной обработки ФМ-ПСС на основе Фурьепроцедуры поиска с предварительной режекцией, использующей взвешивание реализаций смеси сигнала и помехи современными модификациями функций Дольфа-Чебышева.

Ключевые слова:
многотональная помеха, псевдослучайный сигнал, режекция помехи, вероятность правильного поиска сигнала, весовая функция, Фурье-процедура.

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

Сюзев В.В., Сотников А.А., Баранова С.Н.
Имитационное моделирование обучающего набора изображений нейросетевого гидролокатора // Цифровая обработка сигналов. 2023. №4. С. 62-67.

Аннотация:
Нейросетевые технологии активно применяется в задачах, где математическое и алгоритмическое обеспечения решения являются трудно формализуемыми. Разработанный авторами метод позволяет сэкономить вычислительные ресурсы при имитации обучающих данных нейросети гидролокатора, одновременно обеспечив моделирование гидроакустических сцен для различных параметров при использовании представления в двоично взвешенном виде. Адекватность полученных данных обеспечивается за счет использования в качестве эталонных данных спектрограммы гидроакустических сигналов, полученных ранее в результате натурных или вычислительных экспериментов.

Ключевые слова:
имитационное моделирование, нейронные сети, спектрограмма, битовая плоскость, бинарное представление.

Об авторах:
Сюзев В.В., д.т.н., профессор, профессор каф. ИУ6 МГТУ им. Баумана

Сотников А.А., к.т.н., доцент каф. ИУ6 МГТУ им. Баумана, e-mail: sotnikov@bmstu.ru

Баранова С.Н., асс. каф. РГРТУ, e-mail: baranova.sv.n@gmail.com

Ашряпов М.И.
Вероятностная оценка распознавания радиолокационных сигналов, регистрируемых при наблюдении движений человека // Цифровая обработка сигналов. 2023. №4. С. 68-72.

Аннотация:
Представлена методика распознавания радиолокационных сигналов, регистрируемых при наблюдении движений человека с помощью импульсного радара малой мощности излучения. Описан макет радиолокационного датчика и принципы формирования комплексных отсчетов принимаемых сигналов. Целью работы является разработка алгоритмов обработки радиолокационных сигналов и формирования признаков, позволяющих проводить распознавание различных жестов кисти руки человека. В основе вычисления признаков сигнала лежит вычисление коэффициента корреляции при масштабировании эталонной функции по длительности. Приведены экспериментальные результаты оценки эффективности алгоритма в виде вероятностей правильного распознавания различных жестов.

Ключевые слова:
радиолокационный датчик, биорадиолокация, распознавание радиолокационных сигналов, корреляционная обработка, масштабируемый эталон сигнала.

Об авторах:
Ашряпов М.И., инженер, НПЦ РИМ, МАИ «Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)», e-mail: 3754248124@mail.ru

Гладких А.А., Овинников А.А., Пчелин Н.А., Брынза А.А.
Перестановочное декодирование с системой адаптированных альтернативных решений // Цифровая обработка сигналов. 2023. №4. С. 73-78.

Аннотация:
Целесообразность применения на практике метода перестановочного декодирования (ПД) представлена в ряде работ, где в процедуре поиска эквивалентных кодов (ЭК) предлагается уникальная возможность замены матричных вычислений различных перестановок символов, принятых кодовых векторов, списком готовых решений, вычисленных априори и зафиксированных в когнитивных картах декодера. Возникает задача организации рационального поиска требуемых данных в системе списков когнитивных карт декодера. В работе описываются новые свойства перестановок нумераторов символов кодовых комбинаций двоичных кодов, которые могут представлять интерес для специалистов, работающих в области абстрактной алгебры и комбинаторики. Уточняются понятия сборной орбиты (СО) перестановок и вводится термин локальной орбиты (ЛО) перестановок. Показано что, объединение этих свойств с особенностями построения двоичных групповых кодов позволяет организовать более совершенные алгоритмы их обработки в системе ПД за счет введения в когнитивную карту декодера списка альтернативных решений. Целью работы является разработка и обсуждение общих принципов составления когнитивных карт блоковых избыточных кодов различных длин.

Ключевые слова:
перестановочное декодирование, производительные перестановки, непроизводительные перестановки, образующие комбинации орбит, сборная орбита перестановок, локальная орбита перестановок, интервальная оценка нумераторов, когнитивная карта декодера.

Об авторах:
Гладких А.А., д.т.н. профессор, профессор кафедры Радиотехника, телекоммуникации и защита информации Ульяновского государственного технического университета, e-mail: a_gladkikh@mail.ru

Овинников А.А., к.т.н., доцент кафедры Телекоммуникаций и основ радиотехники Рязанского государственно радиотехнического университета, e-mail: ovinnikov.a.a@tor.rsreu.ru

Пчелин Н.А., к.т.н. главный конструктор Федерального научно-производственного центра акционерного общества «Научно-производственное объединение «Марс», г. Ульяновск, e-mail: pna3@yandex.ru

Брынза А.А., аспирант Ульяновского государственного технического университета, e-mail: abrynza73@gmail.com

Витязев В.В., Волченков В.А., Овинников А.А., Лихобабин Е.А.
Введение в проектирование и анализ цифровых фильтров в среде Simintech // Цифровая обработка сигналов. 2023. №4. С. 79-84.

Аннотация:
Приводится описание приложения для проектирования и анализа цифровых фильтров, разработанного для среды моделирования SimInTech. Рассматриваются принципы разработки цифровых фильтров в приложении. Описываются возможности предлагаемого продукта.

Ключевые слова:
цифровая обработка сигналов, цифровая фильтрация, цифровые фильтры, КИХ-фильтры, БИХ-фильтры, SimInTech.

Об авторах:
Витязев В.В., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой телекоммуникаций и основ радиотехники ФГБОУ ВО «Рязанский государственный радиотехнический университет им. В.Ф. Уткина», e-mail: vityazev.v.v@rsreu.ru

Волченков В.А., к.т.н., доцент кафедры телекоммуникаций и основ радиотехники ФГБОУ ВО «Рязанский государственный радиотехнический университет им. В.Ф. Уткина», e-mail: volchenkov.v.a@tor.rsreu.ru

Овинников А.А., к.т.н., доцент кафедры телекоммуникаций и основ радиотехники ФГБОУ ВО «Рязанский государственный радиотехнический университет им. В.Ф. Уткина», e-mail: ovinnikov.a.a@tor.rsreu.ru

Лихобабин Е.А., к.т.н., ведущий разработчик ООО «Лаборатория Сфера»,e-mail: info@labsphera.ru