Введение к работе
Актуальность темы исследования. Традиционно многие задачи, связанные с обработкой сигналов, на основе статистических данных, решаются в предположении существования достаточной информации, как о самих исследуемых процессах, так и о свойствах действующих на них возмущений. Однако, чаще всего приходится иметь дело с процессами, структура которых и характеристики возмущений практически неизвестны. При этом, априорная информация о распределениях помех носит неопределённый характер, вследствие чего, для построения математической модели процесса, нет оснований воспользоваться тем или иным параметрическим свойством распределений. В этих условиях классические методы оптимальной обработки становятся уже неприменимы.
Особенно сложная помеховая обстановка характерна для декамегровой (ЦКМ) радиосвязи, которая в ряде случаев (например, организация связи с подвижными сильно удалёнными объектами) рассматривается как единственное средство доставки сообщений. Однако, ряд особенностей процесса распространения радиоволн (в первую очередь - многолучёвость) не позволяют обеспечить заданные требования к своевременности связи при использовании типовых ресурсов, т.к. не достигается необходимого соотношения сигнал/помеха на входе приёмных устройств для обеспечения требуемой достоверности качества передачи. Поэтому на практике для уменьшения влияния сторонних возмущений на условия передачи сигналов в KB радиосвязи проводят дополнительные организационно - технические мероприятия, что влечёт за собой увеличение энергетических и материальных затрат. Вместе с тем при низкоскоростной передаче, характерной для KB радиосвязи, дискретные сигналы с частотной модуляцией обладают большой информационно - временной избыточностью, использование которой, предположительно, позволит улучшить качественные показатели радиосвязи за счёт разработки новых алгоритмов обработки сигналов.
В последнее время в задачах обнаружения, измерения и различения сигналов всё чаще привлекают внимание непараметрические методы.
Анализ качества известных непараметрических алгоритмов для случая гауссовой помехи показывает, что некоторые из них (например, ранговые) незначительно уступают по эффективности оптимальному правилу. В то же время при изменении вида помехи ранговые алгоритмы оказываются в общем случае более эффективными, чем классические.
В связи с этим объектом исследований являются алгоритмы непараметрических преобразований при измерении и различении частот гармонических колебаний ограниченной длительности на фоне помех в системах KB радиосвязи, а предметом исследований - качество измерения и различения частот гармонических колебаний на ограниченном интервале времени наблюдения при различных алгоритмах обработки сигналов в гауссовых каналах связи с замираниями или нестационарными импульсными помехами.
Цель исследований состоит в обеспечении требуемого качества измерения и различения частот гармонических колеВая|щ<353ЯЮЕШШй дочгельности
в каналах систем KB радиосвязи с флуктуирующими параметрами за счёт разработки новых алгоритмов обработки сигналов.
Научная задача исследований заключается в обосновании и разработке непараметрических алгоритмов обработки сигналов на основе мажоритарных преобразований в выборке небольшого объёма при измерении и различении частот радиосигналов и оценке показателей качества их функционирования.
В интересах решения сформулированной общей научной задачи и достижении поставленной цели представляется необходимым решение четырёх частных задач исследования:
обоснование и разработка моделей процесса обработки сигналов на основе мажоритарных преобразований (выбор медианы) при измерении и различении частот гармонических колебаний ограниченной длительности;
оценка качества измерения частоты радиосигналов по вероятности выхода ошибки измерения Р(Д)=*Р(К, h) за установленные пределы с использованием алгоритмов выборочной медианы и выборочной средней при различньж объёмах выборки К=2к+1;
оценка качества различения частот радиосигналов с использованием алгоритма выборочной медианы по вероятности ошибки P(h) = Ч*(К, Дії) при различньж объёмах выборки и девиации частоты;
оценка надёжности функционирования Рпп = (Р0Ш 5Р0ШД0П) систем радиосвязи с частотной модуляцией при использовании в них алгоритмов обработки сигналов по выборочной медиане.
Для решения поставленных научных задач были использованы методы теории порядковых статистик, статистической теории связи, теории вероятностей и теории надёжности, прикладной теории случайных процессов.
Научная новизна и теоретическая значимость диссертационной работы заключается в следующем:
разработаны алгоритмы непараметрической обработки сигналов на основе мажоритарных преобразований (по медиане) «счёта - нулей» для измерения и различения частот гармонических колебаний на фоне помех, использующие информационно - временную избыточность сигналов на ограниченном временном интервале наблюдения;
впервые проведены теоретические исследования погрешностей измерения частоты гармонического колебания по вероятности вьжода ошибки измерения за установленные пределы (—Д,Д) с использованием алгоритмов выборочной медианы и выборочной средней в измерительных трактах с замираниями и импульсными помехами;
впервые получены аналитические выражения для вероятностей ошибки при поэлементной обработке дискретных сигналов с частотной модуляцией по алгоритму выборочной медианы в каналах связи с замираниями и без них;
обоснована возможность увеличения времени надёжного функционирования на 10+75% низкоскоростных систем связи по радиоканалам с вероятностью ошибки 1x103 при применении в системах KB радиосвязи приёмников реализующих мажоритарный (по медиане) алгоритм обработки сигналов вме-
сто известных классических алгоритмов.
Практическая значимость результатов исследования заключается в том, что разработанные алгоритмы непараметрических преобразований при обработке радиосигналов позволяют обеспечить требуемое качество измерения и различения частот гармонических колебаний со значительно меньшими энергетическими затратами в радиоканалах с быстрыми время - селективными замираниями и нестационарными импульсными помехами.
Достоверность и обоснованность разработанного научно - методического аппарата подтверждается физической аргументированностью и математической корректностью исследуемых вопросов, строгостью принятых допущений и введенных ограничений, использованием апробированного математического аппарата (теории порядковых статистик, статистической теории связи, прикладной теории случайных процессов), сходимостью результатов расчета с результатами моделирования на ЭВМ.
Основные положения, выносимые на защиту:
Процедура непараметрического преобразования, основанная на использовании информационно - временной избыточности сигналов, позволяет повысить точностные и надёжностные свойства алгоритмов обработки сигналов при измерении и различении частот гармонических колебаний ограниченной длительности на фоне помех.
Качество измерения частоты гармонического колебания по вероятности выхода ошибки измерения Р(Д) за установленные пределы (-Д,Д) методом выборочной медианы выборки ограниченного объёма, конкурентно способно с выборочной средней в измерительных трактах с гауссовой помехой, медленными общими замираниями уровня сигнала на интервале наблюдения Тн и предпочтительнее в трактах с быстрыми замираниями и случайными импульсными помехами.
Непараметрический (медианный) алгоритм различения частот гармонических колебаний ограниченной длительности по вероятности ошибки адекватен классическим алгоритмам (когерентному, некогерентному), фильтровому методу различения сигналов в каналах передачи с аддитивной гауссовой помехой, медленными общими и селективными по частоте замираниями и превосходит их в каналах с общими быстрыми замираниями на несколько порядков.
Повышение надёжности функционирования с вероятностью ошибки 1x103 систем передачи дискретных сигналов с частотной модуляцией по радио на 10-75% обеспечивается за счёт реализации в приёмных устройствах алгоритма мажоритарных преобразований (по медиане).
Основные результаты диссертационной работы докладывались на 3 НТК в 2000 - 2004 годах, опубликованы в тезисах 4 докладов, 7 научных статьях.
Реализация результатов диссертационных исследований осуществлена в войсковой части 08310 (г. Москва), а также в учебном процессе Ставропольского ВИС РВ (г. Ставрополь).
Структура и объём диссертации. Работа состоит из введения, четырёх разделов, заключения, пяти приложений и списка использованных источников. Общий объём диссертации 174 страницы.
