Реферат на тему:


Воспользуйтесь поиском к примеру Реферат        Грубый поиск Точный поиск






Загрузка...
Общая характеристика работы

Одесская национальная академия н связи им. А.С. Попова

Поляков Владимир Петрович

УДК 621.391.22: 621.396.96

СИНТЕЗ УСТРОЙСТВ ПРИЕМА СИГНАЛОВ
ПРИ априорной неопределенности

05.12.13 радиотехнические устройства и средства телекоммуникаций

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Одесса - 2004

Актуальность темы

Работа выполнена в Украинской государственной академии железнодорожного транспорта Министерства транспорта Украины, г.. Харьков.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Кнышев Иван Петрович, Украинская государственная академия железнодорожного транспорта, профессор кафедры транспортного н связи

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Рыжий Евгений Михайлович,

Одесская национальная академия н связи им. А.С. Попова

кандидат технических наук, Сиващенко Сергей Иванович, Харьковский институт военно-воздушных сил

Ведущая организация: Харьковский национальный университет радиоэлектроники
Министерства образования и науки Украины,. Харьков

Защита состоится 12 октября 2004 в 1200 год. на заседании диссертационного совета Д .816.02 в Одесской национальной академии н связи им. А.С. Попова, м. Одеса.

65029, м. Одеса, ул. Кузнечная, 1

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Одесской национальной академии н связи им. & Nbsp; А.С. Попова, м. Одеса.

Отзывы на автореферат просим присылать по адресу:

Украина, 65029, г.. Одесса, ул. Кузнечная, 1

Автореферат разослан "10" сентября 2004

Ученый секретарь

диссертационного совета Д .816.02

д.т.н.., Профессор Плотников В.Н..

Общая характеристика работы

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Из-за увеличения скорости телекоммуникационных систем и требований к точности и помехозащищенности все актуальнее встает проблема "априорной неопределенности". Начиная с середины 60-х годов интенсивно развивается один из актуальных направлений статистической теории: разработка методов преодоления априорной неопределенности с целью получения структур, устойчивых к изменениям вероятных распределений входных воздействий. Значительное влияние на формирование этого нового направления имели работы Б.Р. Левина, А. Зюко, Д.Д. Кловский, В. Репина, Ю.Г. Сосулина, Р.Л. Стратонович, П. Тартаковского, В.И. Тихонова, Я.З. Ципкина, В.В. Шахгильдяна и др. В рамках указанного направления различают два вида статистического синтеза: с параметрической и непараметрической априорной неопределенностью. Достаточно концентрированное изложение сути этих направлений содержится в монографии Б.Р. Левина.

Актуальность проблемы преодоления априорной неопределенности в теоретическом и практическом отношении с течением времени не только не уменьшается, но и неуклонно растет. Это эт связано, прежде всего, с увеличением количества радиосредств, работающих одновременно, а также с повышением требований, предъявляемых к передаче информации. Эффективность работы современных систем н связи, особенно с подвижными объектами, в значительной степени определяется не только замираниями и помехами типа флуктуационного шума, но и взаимными помехами радиосредств, работающих одновременно, априорные распределения которых неизвестны исследователю при решении задач статистического синтеза информационных систем и , кроме того, могут изменяться в процессе функционирования радиосредств.

ЗВ Связь работы с научными программами, планами, темами. Диссертационная работа выполнялась в соответствии с Концепцией развития телекоммуникационных систем на железнодорожном транспорте Украины на период 1998-2008 гг., Программой создания в течение 2002-2006 годов в системе Министерства транспорта Украины Единой транспортной сети н связи. Материалы диссертационной работы используются при разработке Комплексной программы создания и развития Государственной интегрированной информационной системы обеспечения управления подвижными объектами(Н связь, навигация, наблюдение), которая разрабатывается в соответствии с Распоряжением Кабинета Министров Украины от 17.07.2003 г.. №410-р.

Кроме того, результаты диссертационной работы использовались в научно-исследовательских работах кафедры "Транспортный н связь" Украинской государственной академии железнодорожного транспорта, которые выполнялись по госбюджетным (ГДР 21/1-Б, 21/2-Б) и хозрасчетным (ГДР & nbsp ; / 2) планами:

- исследования и разработка принципов построения алгоритмов и технических требований к оборудованию интегральной сети технологического н связи железных дорог Украины. Тема 21/1-Б (N0197U003555);

- разработка и исследование специализированных систем передачи аналоговых и дискретных сигналов в цифровых сетях н связи железнодорожного транспорта. Тема 21/2-Б (№0197U003555);

- разработка, пересмотр и перевод нормативно-технической документации н связи. Тема 21/2 (N0196U001423).

Цель и задачи исследования. Целью исследования является разработка методов и устройств приема сигналов при априорной неопределенности с применением теории условных марковских процессов и негауссивських аппроксимации апостериорной плотности распределения вероятностей (АГРЙ).

Для достижения поставленной цели в рамках диссертационной работы решаются следующие задачи:

1. Исследование применимости теории нелинейной фильтрации марковских процессов для решения задач синтеза систем и устройств приема радиосигналов при априорной неопределенности относительно параметров сигналов и помех при гауссивських аппроксимации АГРЙ.

2. Разработка оптимальных и квазиоптимальных методов и алгоритмов приема радиосигналов в условиях априорной неопределенности относительно параметров сигналов и помех (адаптивных методов и алгоритмов).

3. Синтез адаптивных систем и устройств приема модулированных радиосигналов при наличии априорно неопределенных параметров сигналов и параметров помех.

4. Анализ помехоустойчивости адаптивных алгоритмов, систем и устройств приема радиосыгнала при наличии аддитивных помех.

Об Объектом исследования являются методы, алгоритмы, системы и устройства приема радиосигналов при априорной неопределенности.

Предметом исследования является оптимальные и Квазиоптимальный методы, алгоритмы, системы и устройства приема радиосигналов при априорной неопределенности и негауссивських аппроксимации АГРЙ.

Выполненные в диссертационной работе исследования базируются на математической статистике и теории вероятностей, теории условных марковских процессов, теории функционального анализа, статистической теории н связи.

Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:

1 Исследование возможностей применения теории нелинейной фильтрации марковских процессов для синтеза адаптивных устройств приема и обработки радиосигналов при гауссивських аппроксимации АГРЙ (впервые выполнен синтез устройств и анализ их помехоустойчивости).

2 Впервые разработаны методы и полученные многомерные алгоритмы оптимального приема радиосигналов в условиях априорной неопределенности при негауссивських аппроксимации АГРЙ.

3 На основе разработанных методов и алгоритмов синтезированные адаптивные системы и устройства приема модулированных сигналов при достаточно слабых ограничениях на параметры сигнала и помех (впервые полученные схемы оптимальных адаптивных устройств приема радиосигналов).

4 На основе полученных систем нелинейных дифференциальных уравнений для оценки значений параметров радиосигналов и для кумулянтив проведен расчет помехоустойчивости синтезированных устройств радиоприема при различных видах модуляции. Анализ результатов расчетов позволил сделать вывод об оптимальности синтезированных алгоритмов адаптивного приема. Помехоустойчивость синтезированных устройств адаптивного приема соответствует помехоустойчивости приема при известных параметрах сигналов и помех, то есть оптимальному приему.

Обоснованность и достоверность научных положений подтверждается использованием современного математического аппарата и вбчислювальнои техники, использованием научных положений теории условных марковских процессов, математической статистики и теории вероятностей, теории функционального анализа, удовлетворительной сходимостью результатов математического моделирования с экспериментальными данными.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ состоит в том, что полученные результаты позволяют создавать устройства приема радиосигналов, например, в системах мобильной радиосвязи связи с использованием их потенциальных возможностей в условиях изменения неинформационных параметров радиосигналов и помех. По результатам проведенных исследований предложены оптимальные адаптивные алгоритмы обработки радиосигналов для систем поездной и станционной радиосвязи связи. Результаты работы используются в учебном процессе, а также при разработке нормативно-технической документации.

Апробация. Работа выполнена на кафедре "Транспортный н связь" Украинской государственной академии железнодорожного транспорта. Все научные результаты исследований, вошедших в диссертационной работы, полученные автором лично.

Апробация результатов диссертации. Основные научные положения и результаты, полученные автором в рамках выполнения диссертационной работы, докладывались на международных конференциях и форумах [1, 4, 5, 9-13, 22].

ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации подготовлено 25 работ, в том числе статьи в специализированных изданиях ВАК Украины [2, 3, 6-8, 13, 18, 15, 23, 24] и монография [17] в соавторстве.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы. Общий объем диссертации составляет 169 страниц, 27 рисунков, 22 стр. приложений и 13 стр. списка литературы.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы метод и задачи исследования, приведены 4 пункта научной новизны полученных результатов и другие необходимые подразделения по содержанию работы.

В первой главе диссертационной г.абота исследованы возможности применения теории нелинейной фильтрации марковских процессов для синтеза адаптивных устройств приема и обработки радиосигналов при гауссивських аппроксимации АГРЙ.

Показано, что при большой степени априорной неопределенности увеличение среднеквадратичной ошибки фильтрации сообщений может достигать нескольких десятков децибел. По сути алгоритмы нелинейной фильтрации становятся расходящимися. Такой результат позволил обосновать вывод о необходимости решения задачи оптимального приема радиосигналов в условиях априорной неопределенности (оптимального адаптивного приема), когда нельзя применить гауссивських аппроксимацию АГРЙ информационных и неинформационных параметров.

Разработанные методы и многомерные алгоритмы оптимального приема радиосигналов в условиях априорной неопределенности. При этом, для получения устойчивых и сходящихся алгоритмов оптимального адаптивного приема радиосигналов используется негауссивських аппроксимация АГРЙ.

Задача оптимального приема формулируется следующим образом. На интервале [0, Т] принимается колебания (наблюдается k-мерный случайный процесс)

(1)

или эквивалентный ему случайный марковский процесс

где - известная в общем случае вектор-функция аргументов.

вектор широкополосных шумов наблюдения, считаем здесь белыми гауссивськимы.

Считаем, что статистические характеристики шумов наблюдения известны:

где - симметричная положительно определенная матрица размером (kЧk);

- k-мерный винеров процесс.

Допустим, n-мерный марковский процесс

Здесь t-мерный стандартный винеров процесс с независимыми компонентами, не зависят также и от начальных условий; - матрица размером (nЧ1) - матрица размером (nЧ1) m-мерный вектор постоянных неизвестных параметров, который удовлетворяет уравнению (априорные условия)

Учитывая, что, получим -вимирний марковский процесс, у которого наблюдается компонент, якивходит функция которая зависит также и от (из-за того, что зависит от). Отметим, что хотя мы и используем гауссивських аппроксимацию условной АГРЙ и АГРЙ совместима АГРЙ будет негауссивських, потому что оценки и, а также их дисперсии и есть взаимосвязь связанными.

Алгоритмы (6) и (7) по сути являются точными. Удерживая конечное число слагаемых в (6), (7) можно получить приближенный алгоритм. При достаточно высокой апостериорной точности можно содержать по два слагаемых.

Легко можно увидеть, что полученные в диссертационной работе алгоритмы фильтрации является самыми общими. С ним можно все известные алгоритмы фильтрации как частные случаи при определенных ограничениях. Во-первых, если предположить, что параметры априорно известны, то мы придем к классической теории нелинейной фильтрации. Во-вторых, если предположить, что, где - матрица размером kЧn, полученные здесь уравнения (6), (7) переходят в уравнения линейной адаптивной фильтрации. Обратим внимание на то, что обратного пути не существует, то есть алгоритмы фильтрации, полученные в диссертационной работе, невозможно получить обобщением рассмотренных трех отдельных случаев.

Вторая глава посвящена синтезу алгоритмов и устройств приема частотно-модулированных радиосигналов в условиях априорной неопределенности на основе теории, изложенной в первой главе.

При частотной модуляции наблюдается аддитивное смесь сигнала и шума:

(8)

(9)

где (t) переданное сообщение; V0 0, Мч априори известны постоянные значения; n (t), nИn (t), n - гауссивських белые шумы с характеристиками:

(10)

где - односторонние спектральные плотности; (X) дельта-функция; Мх - математическое ожидание случайной величины х.

Учитывая, что

(11)

конкретизируем уравнение фильтрации (6), (7). В результате для оценочных значений параметров, фильтруются (компонент вектора состояния и оценок вектора неизвестных параметров получим:

(12)

а для кумулянтив (ошибок фильтрации)

(13)

где

где D оператор дифференцирования.

Уравнение (12) и (13) позволяют получить схему адаптивного приемника. Она состоит из двух основных частей (блоков). Первую часть составляют информационный канал и канал фазовой автоподстройки частоты. По структуре эта часть совпадает с Неадаптивные нестационарным вариантом оптимального приемника ЧМ сигналов при априорно известных неинформационных параметрам. Вторую часть составляют каналы формирования оценочных значений. Между каналами существуют перекрестные связи, глубина которых определяется значениями соответствующих кумулянтив

Анализ помехоустойчивости приема ЧМ сигналов показывает, что в установившемся режиме, когда закончился переходный процесс (процесс адаптации), на выходах интеграторов второго блока (каналов формирования оценочных значений) устанавливаются неизменными напряжения, соответствующие измеренным значениям параметров, а значит коэффициенты передачи кругов в информационном канале и канале фазовой автоподстройки частоты устанавливаются постоянными и равными значениям, которые обеспечивают оптимальный прием сигнала.

Помехоустойчивость приема сообщений (t) характеризуется погрешностью фильтрации, то есть значением кумулянта, или в стационарном режиме работы приемного устройства.

Значение кумулянта определяется с разв Обязательства системы уравнений

(14)

Здесь учтено, что в установившемся режиме имеют место приближения (с высокой степенью точности)

С развязку связи системы уравнений (14), получим следующие соотношения для определения погрешностей фильтрации

(15)

где

- отношение сигнал / шум на входе; и характеризует дисперсию случайного набега фазы высокочастотного колебания за время корреляции сообщение - "индекс" частотной модуляции сообщением (t) с дисперсией.

С (14) легко заметить, что погрешности фильтрации адаптивного приемника практически равны соответствующим погрешностям фильтрации неадаптивного приемника при вполне известных априорных данных. Это свидетельствует, во-первых, о оптимальность полученных алгоритмов (12), (13) и, во-вторых, об их сходимость.

ТРЕТИЙ РАЗДЕЛ диссертации посвящен синтеза алгоритмов и устройств приема фазомодульованих радиосигналов в условиях априорной неопределенности на основе теории, изложенной во второй главе.

При фазовой модуляции колебания на входе приемного устройства имеет вид

; (16)

(17)

где априори известны постоянные значения; И гауссивських белые шумы с характеристиками:

(18)

, - односторонние спектральные плотности; - дельта-функция; - математическое ожидание случайной величины.

При развязку язанни задачи учтено, что коэффициенты износа процесса и диффузии процессов и неизвестны. При этом параметры,, от которых зависят коэффициенты износа и диффузии марковских процессов и являются случайными постоянными величинами и подчиняются априорным условиям

(19)

Учитывая (16) (19), конкретизированы уравнения адаптивной фильтрации для блока оценок вектора состояния и для блока оценок вектора неизвестных параметров. В результате получено для блока оценок вектора состояния

(20)

для блока оценок вектора неизвестных параметров:

(21)

где,; ; ; - оператор дифференцирования;

; ; ;

.

Для определения погрешностей адаптивной фильтрации компонент векторов состояния и полученный для погрешностей адаптивной фильтрации компонент вектора:

(22)

где; для погрешностей адаптивной фильтрации компонент вектор

(23)

где; ;

; .

Используя полученный алгоритм, описываемый уравнениями (20) ... (23) синтезированная схема адаптивного приемника ФМ радиосигналов. Такой приемник является оптимальным при воздействии на его входе ФМ радиосигнала (16) с неизвестными постоянными параметрами, которые являются компонентами вектора и описываются дифференциальными уравнениями (19), и флуктуационного гауссовского белого шума с односторонней спектральной плотностью и дельта-функцией корреляции.

Уравнение (20) ... (23) описують функциональную схему адаптивного приемника ФМ радиосигналов. Из рассмотрения этих уравнений можно сделать вывод, что функциональная схема состоит из двух основных частей (блоков) (аналогично схеме приемника ЧМ радиосигналов). Информационный канал и петля фазовой автоподстройки частоты составляет первый блок. Структура этого блока совпадает со схемой приемника при известных параметров, то есть со схемой неадаптивного варианта приемника ФМ радиосигналов. Второй блок составляют каналы формирования оценочных значений компонент вектора. Первый и второй блоки сочетают перекрестные связи, глубина которых определяется значениями соответствующих кумулянтив, и.

Помехоустойчивость адаптивного приема ФМ радиосигналов характеризуется значением кумулянта, которое определяется в результате совместного развязку Обязательства систем уравнений (20) ... (23). В режиме установившегося, то есть

(24)

Здесь, как и во втором разделе, учтено, что в стационарном режиме

Загрузка...

Страницы: 1 2