Введение к работе
Актуальность темы.
Современный этан развития техники связи характеризуется не только постоянным совершенствованием технологий, но и все возрастающим вниманием к вопросам абонентского доступа и обеспечению требований, предъявляемых к создаваемым специализированным комплексам связи. Возникающие при этом задачи приводят к необходимости исследования и разработки новых способов и алгоритмов обработки сигналов, к числу которых можно отнести и алгоритмы формирования и восстановления по дискретным данным гладких сигналов и их медленно изменяющихся характеристик.
Потребность в подобных алгоритмах возникает во всех случаях, когда известно, что наблюдаемые дискретные данные порождаются гладкими процессами или их медленно изменяющимися характеристиками и требуется оценивание не только сигнала, но и его производных. В диепетчер-ско-4'ехнологических системах связи эта потребность возникает из необходимости бесконтактной передачи управляющей информации через ободочку объекта, формирования и восстановления запросно-отпетных сигналов и сегментации речевых сигналов в целях обеспечения устойчивости громкоговорящей связи (ГГС), а также из необходимости интерполяции речевого сигнала на интервалах, отвечающих потерянным в сети пакетам данных.
Отдельные вопросы формирования и восстановления, возникающие, в частности, при построении адаптивных систем сбора и передачи аналоговой информации, рассматриваются в работах М.А. Ананяна, А.И. Дядю-нова. Ю.А. Онищенко и А.И. Сенина, О.Н. Новоселова и А.Ф. Фомина. До конца не решенная проблема анализа речевых сигналов во временной области обсуждается в работах Л.Р. Рабинера и Р.В. Шафера. Олнако, как это следует из анализа соответствующей литературы, вопросы формирования и восстановления гладких сигналов до конца еще далеко не исследованы.
Подобные задачи возникают и в других областях. Это задачи отслеживания траекторий движущихся объектов, контурного анализа и диагностики механизмов и машин.
Таким образом, можно выделить целый крут прикладных задач, при решении которых могут использоваться алгоритмы гладкого формирования и восстановления сш налов и их медленно изменяющихся характеристик. При этом наблюдаемые дискретные сигналы характеризуются во многих случаях отсутствием достоверней информации о статистических характеристиках помех и искажений.
В этих условиях представляется естественным положить в основу исследуемых и разрабатываемых алгоритмов методы локальной аппроксимаций и оптимизации «при почти произвольных помехах», обобщенные в
плане гладкого сопряжения отдельных локальных решений и в этой части практически не исследованные. Основополагающими в области локальной аппроксимации, оптимизации и восстановления являются работы В.Я. Катковника, Е.З. Демиденко и Г.И. Василенко: В.Н. Трояна и Ю.М. Соколова; О.Н. Граничина и Б.Т. Поляка; Т.А. Брубейкера, Ф.Н. Корнетта, Ч.Л. Помернаки; А.А. КрасовскогО, Z. Bubnicki. Д. Гропа, П. Эйкхоффа. ЯЗ. Цыпкина, а в области анализа временных рядов работы Т. Андерсона, Дж. Бокса, Г. Дженкинса.
Объект исследования - дискретные сигналы в диспетчереко-гехнологических системах связи.
Предмет исследования алгоритмы обработки дискретных сигналов методами обобщенной локальной аппроксимации.
Цель диссертационной работы - исследование и разработка алгоритмов формирования и восстановления по дискретным данным гладких сигналов и их медленно изменяющихся характеристик, способствующих повышению эффективности и качества функционирования диспетчерско-технологических систем связи-
Дня достижения сформулированной цели поставлены и методами обобщенной локальной аппроксимации решены следующие задачи.
1. Разработаны алгоритмы формирования и восстановления сигналов
по точным или предписанным дискретным данным (алгоритмы интерпо
ляционных восстанавливающих фильтров).
Получены алгоритмы восстановления медленно изменяющихся гладких сигналов и их характеристик по данным с ошибками, основанные на процедуре минимизации функции потерь с ограничениями типа равенства (алгоритмы интерполяционных сглаживающих фильтров).
Определены алгоритмы идентификации нестационарных систем и моделей типа авторегрессии - скользящего среднего, в том числе модели речевого сигнала, представленной уравнением цифрового резонатора с переменными параметрами.
Обоснована возможность увеличения достоверности бесконтактной передачи управляющей информации через оболочку объекта, увеличения скорости передачи запросно-ответных сигналов, повышения эффективности подавления акустической обратной связи и обеспечения интерполяции речевого сигнала при потере пакетов данных.
Методы исследования базируются на теории интерполяции и оптимизации с ограничениями, на методах множителей Лагранжа и идентификации систем, на аппарате статистического анализа временных рядов и теории матриц, на теории непрерывных и дискретных систем и методах анализа их чувствительности.
Научная новизна работы заключается в следующих результатах.
Разработаны алгоритмы формирования и восстановления сигналов по точным или предписанным данным, которые, в отличие от классических алгоритмов аппроксимации, обеспечивают необходимую гладкость восстановления в целом, а также допускают реализацию фильтров в классе многоканальных импульсных систем.
Получены алгоритмы восстановления по данным с ошибками измерения, основанные на процедуре минимизации функции потерь с ограничениями типа равенства, которые, в отличие от классических алгоритмов локальной аппроксимации, позволяют обеспечить необходимую гладкость восстановления в целом.
Созданы и исследованы алгоритмы идентификации нестационарных систем, обеспечивающие реализацию модели речевого сигнала в форме цифрового резонатора с переменными параметрами.
Практическая значимость заключается в том, что применение разработанных алгоритмов позволило повысить эффективность и качество функционирования лиспегчерско-технологических систем связи:
исключило ошибки при бесконтактной передаче управляющей информации через оболочку объекта;
обеспечило повышение в два раза скорости и дальности передачи запросио-ответных сигналов:
повысило на 50 процентов быстродействие устройства подавления акустической обратной связи;
увеличило точность интерполяции речевого сигнала при потере пакетов данных.
Полученные результаты нашли применение:
в устройствах диспетчерско-технологической связи, разработанных ОАО «Муромский радиозавод» в рамках ОКР: «Разработка комплекта приборов ПС для интегрированных мостиковых систем» («ПУ-М»), «Разработка комплекса цифровой оперативно-командной связи» («Ива-ЦС») и «Разработка компонентов комплекса внутри корабельной связи»;
в изделиях, разработанных ОАО НИИ «Звухотехника» в рамках ПИОКР: «Верба», «Чертков», «Чертков-9». «БРЕСТ-Н», «Брусчатник» и других;
в учебном процессе МИ ВлГУ на этапах курсового и дипломного проектирования.
На ШЦИту выносятся следующие положения.
1. Алгоритмы формирования и восстановления гладких сигналов по точным или предписанным данным, обобщающие классические методы аппроксимации посредством обеспечения соответствующих условий сопряжения отдельных локальных решений. Алгоритмы, структура и свойства интерполяционных восстанавливающих фильтров по системам степенных функций и функций Лагерра.
Алгоритмы восстановления по данным с ошибками, обобщающие классические методы локальной аппроксимации посредством использования процедуры минимизации функции потерь с ограничениями типа равенства. Алгоритмы и структура интерполяционных сглаживающих фильтров по произвольной системе линейно независимых функций.
Алгоритмы идентификации нестационарной модели авторегрессии - скользящего среднего и результаты их применения к интерполяции речи на интерватах, отвечающих потерянным в сети пакетам данных.
Достоверность и обоснованность разработанных алгоритмов подтверждается результатами их моделирования и практической реализации в устройствах диспетчерско-технологических систем связи.
Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы докладывались на научно-технических конференциях и сессиях:
«1-ой Международной Конференции «Цифровая обработка сигналов И ее применения», г. Москва. 1998;
«3-й Международной конференции «Цифровая обработка сигналов и ее применение», г. Москва. 2000;
«I.VIII научной сессии, посвященной дню радио», г. Москва, 2003;
«VI международной научно-технической конференции «Перспективные технологии в средствах передачи информации ПТСПИ'2005», г. Владимир, 2005;
«Второй Всероссийской научно-технической конференции-семинара «Сверхширокополоспые сигналы в радиолокации, связи и акустике», г. Муром, 2006.
Публикации по работе.
По материалам диссертации опубликовано 20 работ, из них 8 - в рецензируемых журналах, включенных в Перечень ВАК. получено 2 патента и 1 авторское свидетельство на изобрсіснис.
Объем н структура работы.
Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения и библиографического списка использованной литературы, содержащего 155 наименований, на 171 страницах машинописного текста и приложения, включая 52 рисунка и 4 таблицы.
