Повышение помехоустойчивости приемных устройств на основе амплитудно-фазового и амплитудно-частотного преобразования смеси сигнала и шума

• Автор: Ильин, Александр Германович
• Шифр специальности: 05.12.13
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Казань
• Количество страниц: 196 с. : 3 ил.

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы. Степень совершенства телекоммуникационных, радиотехнических, и оптоэлектронных систем в значительной мере определяется чувствительностью и помехоустойчивостью приемных устройств, входящих в состав этих систем. Повышение чувствительности и помехоустойчивости в значительной степени определяют требования по необходимой мощности передающего устройства. Следует отметить, что рост чувствительности современных приемных устройств в значительной степени определяется современной элементной базой, применяемой при их создании. Однако это направление повышения чувствительности и помехоустойчивости практически исчерпало свои возможности и поэтому ожидать значительного улучшения чувствительности приемных устройств в ближайшее время вряд ли возможно.
Второе направление улучшения чувствительности и помехоустойчивости связано с разработкой новых принципов приема сигналов на фоне помех. Основы теории оптимальных методов приема были заложены в фундаментальной работе академика В.А. Котельникова « Теория потенциальной помехоустойчивости приема при флуктуационных помехах». На базе этой работы в дальнейшем сформировалось мощное направление статистических методов приема сигналов на фоне шумов. Значительный вклад в развитие статистических методов приема сигналов внесли как зарубежные (Вудворд Ф.М., Миддлтон Д., Давенпорт В.Б., Слепян Д., Хелстром К.), так и отечественные ученые. Среди отечественных ученых, внесших значительный вклад в развитие теории оптимальных методов приема сигналов на фоне шумов, следует отметить Большакова И.А., Вайнштейна Л.А., Зубакова В.Д., Гуткина Л.С., Левина Б.Р., Лезина Ю.С., Надеева А.Ф., Репина В.Г., Стратоновича Р.Л
Сифорова В.И., Сосулина Ю.Е., Сафиуллина Н.З., Тартаковского Г.П., Тихонова В.И., Фальковича C.E., Харкевича A.A., Чабдарова Ш.М., Ширмана Я.Д. и других. Теория помехоустойчивости в настоящее время разработана достаточно полно. Если первые работы в этой области базировались на методах линейной фильтрации смеси сигнала и шума, то последующее успехи связаны с интенсивным развитием методов нелинейной фильтрации смеси сигнал и шума. Большой интерес к теории нелинейной фильтрации объясняется в первую очередь тем, что эта теория находит свое применение в тех практически важных случаях, когда не требуется предположение о нормальном характере сигнала и шума.
Нелинейные методы обработки при приеме слабых сигналов всегда привлекали внимание большого числа исследователей. Таким образом, теория оптимальной нелинейной фильтрации хорошо разработана в работах P.J1. Стратоновича, В.И. Тихонова, Ю.Е. Сосулина и др. для практически важных случаев. Дальнейшее развитие теории нелинейной фильтрации нашло свое отражение в работах Репина В.Г. и Большакова И.А., Сосулина Ю.Г.
Существует несколько подходов к нелинейной оптимальной фильтрации. Можно заранее ограничится некоторым классом нелинейных преобразований и искать преобразование, наилучшее в этом классе. При этом получается трудно решаемые уравнения и остается неясным, насколько оптимальное преобразование в данном классе близко к преобразованию, которое находится без указанных ограничений. При других подходах не вводится ограничение на класс преобразования, но используются марковские свойства рассматриваемых процессов или условия высокой апостериорной точности, позволяющей применять гауссову аппроксимацию многомерного апостериорного распределения и (на определенном этапе) линейные методы. При этом результирующее оптимальное преобразование оказывается состоящим из последовательности нелинейного и линейного преобразования.
Другие эффективные методы отыскания оптимальных преобразований основаны на применении теории условных марковских процессов, разработанной Р.Л. Стратоновичем для решения задач нелинейной фильтрации

В частности разработанная им теория охватывает тот простой, но практически важный случай, когда принятое колебание в(Ч) является суммой сигнала и белого шума, а сигнал и его параметры представляют собой марковские случайные процессы. Подробный вывод уравнений нелинейной фильтрации применительно к этому случаю приводится и в работе В.И.Тихонова.
Практическая реализация, как указывают многие авторы приведенных работ по нелинейной фильтрации, представляют значительные трудности и поэтому эти методы не нашли широкого применения на практике.
Однако на практике получили распространения ряд удачных, но более простых в реализации устройств, дающие близкие результаты по улучшению помехоустойчивости, вытекающие из теории нелинейной фильтрации. Среди этих устройств в первую очередь следует отметить схему ШОУ (широкая полоса- ограничитель амплитуд - узкополосный фильтр) и схемы с применением подавителя Лэмба. Указанные устройств просты в реализации и весьма эффективны при выделении радиосигналов на фоне импульсных помех.
Существующая теория оптимальных методов приема узкополосных сигналов удовлетворительно работает при больших отношениях сигнала к шуму. Обычно отношение сигнала к шуму, которое необходимо обеспечить на выходе системы, соответствует величине более 10. При этом пороговые значения сигналов определяются относительно уровня собственных шумов приемного устройства. Наличие других видов помех приводит к необходимости увеличения интенсивности сигнала на входе системы за счет увеличения мощности передатчика. Работа в этом режиме характеризуется реальной чувствительностью приемного устройства с учетом уровня помех. Реальная чувствительность ниже пороговой чувствительности приемного устройства, определяемой лишь уровнем его собственных шумов. В настоящее время основным способом повышения пороговой чувствительности является уменьшение собственных шумов системы за счет применения малошумящих активных элементов, малошумящих способов усиления и глубокого охлаждения первых каскадов усиления приемных устройств.

наконец, метод исследования нелинейных систем, основанный на разложение интегралов в степенные и тригонометрические ряды по случайным параметрам [111] (метод Б.Г.Доступова).
При рассмотрении систем применяются критерии минимума среднеквадратичной погрешности, максимума апостериорной вероятности, максимума отношения сигнал/шум и т.д.
В случае одиночных импульсных сигналов, сложенных с белым шумом, оптимальное нелинейное преобразование было найдено при помощи метода обратной вероятности в работе Ф.М.Вудворда-И.Л.Девиса [112].
Нелинейные методы обработки при приеме слабых сигналов всегда привлекали внимание большого числа исследователей. Так нелинейные методы обработки слабых радиосигналов на фоне стационарных негауссовских помех рассмотрены в работах [46, 58]. Анализу нелинейных преобразований сигналов и помех при использовании спектрально- временного метода посвящена работа [83]. Вопросы последетекторного обнаружения слабых сигналов в негауссовских шумах фазовым методом нашли отражения в работе [61]. В работе [48] проведена оценка помехозащищенности главного тракта радиоприемника, основанная на использовании распределения вероятностей уровней одиночных помех. В диссертационной работе В.А.Лоссовского [113] показано, что нелинейная оптимальная фильтрация детерминированных сигналов на фоне белого шума может быть успешно решена более простыми средствами, чем это вытекает из уравнений оптимальной нелинейной фильтрации. В работе [114] эффективность применения нелинейного контура оценивается по его флуктуационной способности. Дальнейшие исследования по данной тематике рассмотрены в работе [115].
В последнее время уделяется большое внимание обнаружению сигналов в условиях помех с пространственной неоднородностью [57] и на фоне атмосферных радиопомех [65, 69], повышению помехоустойчивости
гомодинного приема оптического сигнала в атмосфере [81, 86], приема дискретных сообщений на фоне атмосферных радиопомех [89]. Следует отметить работы [86, 87], посвященные обнаружению сигналов на фоне