Введение к работе
Лклщальность темы. Большинство современных систем радиолокации и связи функционируют в сложной сигнально-помеховой обстановке, характеризующейся комплексным воздействием помех различного происхождения. К таким помехам относятся флуктуационный и импульсный шумы, квазидетерминированные помехи, представляющие собой мешающие сигналы от сторонних радиотехнических систем, узкополосные, межсимвольные и межканальные помехи и т.д.
Сложность- учета всех факторов, влияющих на распределения и параметры аддитивных помех, а также неконтролируемые искажения полезного сигнала в канале передачи(мультипликативные помехи) обуславливают существенную априорную неопределенность сигнально-помеховой обстановки параметрического и непараметрического типов.
Под непараметрической априорной неопределенностью понимается неопределенность формы распределения наблюдаемых данных, под параметрической - неопределенность параметров этого распределения, в данной работе параметра масштаба, параметров сдвига, обусловленного действием квазидетерминированной помехи, и параметров сигнала, искаженного мультипликативной помехой. .
Многие известные алгоритмы обнаружения и различения сигналов получены в предположении одного вида априорной неопределенности - параметрической или непараметрической. Анализ таких алгоритмов показывает недостаточную устойчивость их показателей качества, когда априорная неопределенность обусловлена неизвестностью как формы распределения помех, так и параметров сигналов и помех, т.е. является неопределенностью смешанного типа.
Основная причина неустойчивости робастных алгоритмов, учитывающих только непараметрическую априорную неопределенность, состоит в том, что неконтролируемые изменения параметров помех выводят распределение наблюдаемых данных из того класса распределений, на который рассчитывался робастный алгоритм при его синтезе. Для устранения этого недостатка необходимо синтезировать робастные алгоритмы на основе расширенного класса распределений, учитывающего не только неопределенность формы распределения, но и неопределенность его параметров.
Кроме того, известные робастные алгоритмы обеспечивают ро-бастность не на всем, а только на ограниченном множестве значений отношения сигнал-шум. Причина этого в том, что дисперсия
' - 2 -
асимптотических распределений решающих статистик алгоритмов за
висит от формы распределения шума. Эта же причина является ос
новным препятствием к применению робастных алгоритмов в перспек
тивных системах связи, разработка которых ориентирована, как
правило, на использование мягкого декодирования. Для устранения
данного недостатка решающие статистики, в частности, широко
распространенные М-статистики, применяемые в существующих ро
бастных алгоритмах, должны быть заменены статистиками, асимпто
тическая дисперсия которых не зависит от формы распределения шу
ма. -
Для задач приема и обработки сигналов с вынесением мягких решений, например, в системах связи с мягким декодированием, использование М-статистики недопустимо вследствие потери оптимальности формирования мягких решений при изменении дисперсии распределения решающей статистики. Кроме того, применение М-статистики не выгодно с точки зрения технической реализации.
Таким образом, для систем локации и связи актуальной является проблема разработки и исследования алгоритмов обработки нового поколения, обеспечивающих при априорной неопределенности смешанного типа гарантированные показатели качества при любом отношении сигнал-шум и незначительно уступающие по этим показателем алгоритмам, оптимальным в условиях полной априорной определенности распределения помех. С точки' зрения практического применения данные алгоритмы должны допускать техническую реализуемость средствами современной элементной базы.
Цели и задачи работы. Целью работы является синтез и анализ робастных алгоритмов обработки сигналов для. широкополосных систем локации и связи, характеризующихся наличием параметрической и непараметрической априорной неопределенности сигнально-помехо-вой обстановки, обеспечивающих в данных условиях гарантированные показатели качества при любом отношении сигнал-шум.
Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи: ..
-
Выбор модели неопределенности плотности распределения вероятности (ПРВ) аддитивных помех, охватывающей априорную неопреде-, ленность смешанного типа и базирующейся на принятых в теории ро-бастности непараметрических моделях неопределенности формы ПРВ.
-
Поиск для выбранной модели неопределенности такой структуры решающей статистики, которая в системах обнаружения обеспечивает
- З -юбастность при любом отношении сигнал-шум и пригодна для пост-юения робастных демодуляторов с мягкими решениями для систем ;вязи с мягким декодированием.
3.Разработка для систем локации робастных алгоритмов обнаружения и различения сигналов при непосредственной и квадратурной обработке наблюдаемых данных на основе выбранной модели неопределенности и найденной структуры решающей статистики.
4.Разработка на той же основе робастных алгоритмов демодуляции : мягкими решениями, обеспечивающих в условиях априорной неопределенности смешанного типа минимальное гарантированное значение зероятн'ости ошибочного декодирования.
-
Разработка эффективного метода подавления присущих многим шрокополосным системам связи межсимвольных (МСШ и узкополосных томех (УП) и синтез на его основе робастного алгоритма демодуляции с мягкими решениями и с режекцией этих помех.
-
Вычисление показателей качества ( вероятности ложной тревоги, пропуска сигнала и ошибочного декодирования ) разработанных эобастных алгоритмов в условиях комплексного воздействия аддитивного . шума, узкополосных и межсимвольных помех с неопределенен параметрами. Сравнение по этим показателям разработанных алгоритмов с потенциально оптимальными алгоритмами - оптимальными в условиях полной априорной определенности сигналов и помех. Зля оптимального алгоритма такие условия называются далее номинальными. Исследование алгоритмов демодуляции с мягкими решениями совместно с алгоритмом мягкого декодирования Витерби.
, Методы исследования. Разработка алгоритмов выполнялась на зснове: 1) асимптотического подхода к статистическому синтезу элгоритмов при негауссовском шуме с аппроксимацией распределения наблюдаемых данных в Ц-норме; 2) минимаксного критерия робаст-ности алгоритмов; 3) принципа инвариантности; 4) методов теории совместного обнаружения и оценивания сигналов; 5) методов теории вероятности и математической статистики;
Анализ алгоритмов осуществлялся с помофв пакета Mathcad и статистического имитационного моделирования алгоритмов и сиг-чально-помеховой обстановки на ЭВМ.
Научная новизна основных результатов работы заключается; - в синтезе алгоритмов на базе обобщенной q- точечной модели, учитывающей априорную неопределенность смешанного типа и охватывающей практически любую ПРВ с конечной информацией Фишера о
_ 4 -сдвиге;
в применении новой структуры асимптотически робастных инвариантных (АРИ) алгоритмов обнаружения и различения сигналов на основе нормированной решающей статистики корреляционного типа, обеспечивающей равномерную минимаксность алгоритма на всем множестве значений отношения энергетического параметра сигнала к параметру масштаба шума;
в синтезе АРИ-алгоритма обработки, инвариантного к статистической зависимости квадратурных составляющих шума в совпадающие моменты времени;
в синтезе АРИ-алгоритма демодуляции с мягкими решениями для систем связи с помехоустойчивым кодированием и алгоритмом мягкого декодирования Витерби, который в отличие от известного может применяться в условиях неопределенности формы плотности распределения и параметра масштаба шума и обеспечивает в этих условиях оптимальность вынесения мягких решений;
-в синтезе АРИ-алгоритмов со структурной режекцией УП и МСП.
В соответствии с полученными результатами на защиту выносятся следующие положения:
-
Представление априорной неопределённости помех обобщенной q-точечной моделью с неизвестными параметрами масштаба и обобщенного сдвига, отражающего действие квазидетерминированных помех.
-
АРИ-алгоритмы обнаружения и различения- широкополосных сигналов при комплексном воздействии аддитивных флуктуационных, квазидетерминированных помех и мультипликативных помех.
-
АРИ-алгоритмы демодуляции с мягкими решениями при комплексном воздействии аддитивных помех.
-
Результаты исследования помехоустойчивости и сравнительного анализа алгоритмов различных типов по характеристикам вероятности ложной тревоги, пропуска сигнала и вероятности ошибочного декодирования в условиях априорной неопределенности смешанного типа.
Практическая ценность диссертационной работы заключается в получении робастных . инвариантных алгоритмов обработки новой структуры корреляционного типа со специальной нормировкой решающей статистики, обеспечивающей робастные свойства при любых значениях отношения сигнал-шум. Благодаря независимости дисперсии предельного распределения от ПРВ шума данная статистика пригодна
- 5 -для построения демодуляторов в системах связи с мягким декодированием.
Внедрение алгоритмов, использующих данную решающую статистику, в системах широкополосной связи и локации со сложными сигналами позволит существенно повысить помехоустойчивость и информационную надежность действующих и разрабатываемых систем при незначительном усложнении схем обработки по сравнению с существующими алгоритмами.
Результаты анализа полезны для исследования алгоритмов нового поколения, учитывающих комплексный характер воздействия помех и высокий уровень их априорной неопределенности.
Теоретические и практические результаты диссертационной работы могут найти применение при создании новых систем связи и локации со сложными сигналами и широкополосной связи с помехоустойчивым кодированием, а также в качестве основы при разработке адаптивных робастных алгоритмов, практически не отличающихся по эффективности от оптимальных алгоритмов в номинальных условиях.
Внедрение результатов работы. Основные результаты работы получены в ходе выполнения госбюджетных НИР "Разработка и систематизация методов синтеза устойчивых алгоритмов обнаружения и различения сигналов в условиях априорной неопределенности сиг-нально-помеховой обстановки" , выполняемой по программе "Фундаментальные исследования в технических университетах", по теме "Разработка и анализ робастных алгоритмов автоматизированной обработки сигналов в сложной помеховой обстановке.", по гранту в области связи 1996 г. "Разработка и исследование инвариантных асимптотически робастных алгоритмов демодуляции с мягкими решениями". Полученные в диссертации результаты нашли применение в учебном процессе в СПб ГЭТУ.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на 48,49, 50,51-ой НТК Спб НТОРЭС, посвященной "ДНИ РАДИО" (С.-Петербург 1993,94.95,96). НТК МТУСИ. посвященной 100-летию РАДИО"(Москва 1995). НТК ГЭТУ 1993-96г.
Публикации . По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ , из них 2 статьи, й тезисов докладов на конференциях. 2 статьи приняты к публикации журналом РАН "Радиотехника и Электроника".
Стрцюпцра и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 48 наимено-
- Є -
ваний. Основная часть работы изложена на 140 страницах машинописного текста, работа содержит 33 рисунка.