А.Д. Винокуров1, Н.А. Куприянов2, В.В. Макаренков3, Г.Н. Ульянов4, А.А. Шаталов5, В.А. Шаталова6

1, 4, 5 Михайловская военная артиллерийская академия (Санкт-Петербург, Россия)
2 Краснодарское высшее военное авиационное училище летчиков
 им. Героя Советского Союза А.К. Серова (г. Краснодар, Россия)
3 Военно-космическая академия им А.Ф. Можайского (Санкт-Петербург, Россия)
6 Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций
 им. профессора М.А. Бонч-Бруевича (Санкт-Петербург, Россия)
1 gonta-gv@yandex.ru, 3 makar8722@mail.ru

Постановка проблемы. В современной литературе, посвященной цифровой обработке сигналов (ЦОС), подробно обсуждаются основы построения линейных нерекурсивных (трансверсальных с конечной импульсной характеристикой (КИХ)) и рекурсивных (с бесконечной ИХ (БИХ)) фильтров. Большое внимание уделяется синтезу и анализу их характеристик, а также вопросам сходимости и помехоустойчивости. Однако по сравнительному анализу характеристик и сложности реализации многочисленных разновидностей этих устройств публикаций мало. Также недостаточно и работ, посвященных реализации адаптивных фильтров, результатов их моделирования и практического применения. Надо отметить, что адаптивные БИХ-фильтры имеют ряд преимуществ перед адаптивными КИХ-фильтрами, одним из которых является значительно более быстрая сходимость, но при этом они обладают повышенной вычислительной сложностью и устойчивостью. Не уделяется достаточно внимания связанным с их функционированием вопросам адаптации, увеличения пропускной способности, быстродействию, точности и массогабаритным характеристикам создаваемых на их основе систем. Имеющиеся наработки по вопросам построения нелинейных адаптивных КИХ- и БИХ-фильтров либо не гарантируют нахождение глобального оптимума, либо требуют проведение предварительных исследований по определению соответствующих критериев адекватности полученных решений. В то же время, для решения спектра актуальных задач радиолокации, радионавигации, телевидения и связи в условиях помехового воздействия ввиду большого количества вычислений на различных этапах оптимальным представляется использование именно адаптивных КИХ- и БИХ-фильтров.

Цель. Рассмотреть и провести сравнительный анализ особенностей создания и применения алгоритмов работы ряда многомерных линейных адаптивных КИХ- и БИХ-фильтров, осуществляющих операции фильтрации, сглаживания и экстраполяции, во многом определяющих характеристики разрабатываемых систем, а также качество функционирования и особенности их применения. Основное внимание уделить алгоритмам адаптивной фильтрации, реализуемым во временной и частотной области.

Результаты. При исследовании возможностей создания адаптивных алгоритмов оптимальной обработки сигналов на фоне помех и шумов на основе адаптивных КИХ- и БИХ-фильтров показано, что для достижения максимальной пропускной способности создаваемых систем обработки информации необходимо создавать адаптивные алгоритмы, обеспечивающие максимально возможное быстродействие, точность и надежность аппаратуры, а также минимальные массогабаритные характеристики и энергопотребление вычислительных систем ЦОС. Установлено, что целесообразно применять перспективные методы и системы вычислений, устраняющие влияние эффекта конечной разрядности чисел на точность вычислений, обеспечивающие высокое быстродействие за счет достижения максимально возможного параллелизма вычислений для достижения конечного результата ЦОС.

Практическая значимость. Результаты исследования возможностей применения алгоритмов работы многомерной адаптивной фильтрации для исследования случайных процессов показали, что в основу создаваемых алгоритмов должны быть положены методы разработки КИХ- и БИХ-фильтров, выполненные в соответствии с одной из шести возможных форм их реализации.

Винокуров А.Д., Куприянов Н.А., Макаренков В.В., Ульянов Г.Н., Шаталов А.А., Шаталова В.А. Особенности создания и применения алгоритмов многомерной адаптивной фильтрации во временной и частотной областях. Часть 1. Фильтрация // Наукоемкие технологии. 2024. Т. 25. № 3. С. 5−19. DOI: https://doi.org/10.18127/ j19998465-202403-01

1. Лайонс Р. Цифровая обработка сигналов: Пер с англ. Изд. 2-е. М.: ООО «Бином пресс». 2006. 656 с.
2. Оппенгейм А., Шафер Р. Цифровая обработка сигналов. М.: Техносфера. 2006. 856 с.
3. Сверхбольшие интегральные схемы и современная обработка сигналов: Пер с англ. / Под ред. С. Гуна, Х. Уайтхауса, Т. Кайлата. М.: Радио и связь. 1989. 472 с.
4. Антонью А. Цифровые фильтры. Анализ и проектирование: Пер. с англ. под ред. С.М. Понырко. М.: Радио и связь. 1983. 320 с.
5. Лукошкин А.П., Каринский С.С., Шаталов А.А. и др. Обработка сигналов в многоканальных РЛС / Под ред. А.П. Лукошкина. М.: Радио и связь. 1983. 328 с.
6. Ван Трис Г. Теория обнаружения, оценок и модуляции. Т.1. Теория обнаружения, оценок и линейной модуляции: Пер. c англ. / Под ред. В.И. Тихонова. М.: Сов. радио. 1972. 744 с.
7. Монзинго Р.А., Миллер Т.У. Адаптивные антенные решетки: Пер. c англ. М.: Радио и связь. 1986. 448 с.
8. Адаптивные фильтры: Пер. с англ. / Под ред. К.Ф.Н. Коуэна и П.М. Гранта. М.: Мир. 1988. 392 с.
9. Уидроу Б. и др. Адаптивные компенсаторы помех. Принципы построения и применения // ТИИЭР. 1975. Т. 1975. № 12. С. 69–98.
10. Brennan L.E., Reed I.S. Theory of Adaptive Radar. IEEE Trans. Aerosp. Electron. Syst. March 1973. V. AES-9. № 2. Р. 237–252.
11. Davis R.C., Brennan L.E., Reed I.S. Angle Estimation with Adaptive Arrays in External Noise Fields. IEEE Trans. 1976. V. AES-12. № 2. P.179–186.
12. Мингазин А. Синтез КИХ-фильтров с произвольной АЧХ при ограниченной длине слова коэффициентов // Компоненты и технологии. 2014. № 2(151). С. 98–100.
13. Батищев В.И., Волков И.И., Золин А.Г. Синтез нелинейных адаптивных КИХ-фильтров для решения обратных задач восстановления сигналов // Вестник Самарского государственного технического университета. Сер.: Технические науки. 2014. № 3(43). С. 17–22.
14. Жуков А.О., Куприянов Н.А., Макаренков В.В., Степенко А.С. Методика оценивания помехоустойчивости широкополосных сигналов в условиях воздействия активных шумовых помех // Вопросы радиоэлектроники. Сер.: Техника телевидения. 2023. № 2. С. 82–89.
15. Макаренков В.В., Куприянов Н.А., Лиференко В.Д., Луцько И.С., Васильев С.В. Адаптивный алгоритм формирования диаграммы направленности фазированной антенной решетки с использованием дискретного разложения Карунена–Лоэва // Электромагнитные волны и электронные системы. 2023. Т. 28. № 4. С. 48–56. DOI 10.18127/j5604128-202304-05.
16. Пугачев В.С. Теория случайных функций и ее применение к задачам автоматического управления. М.: Государственное издательство физико-математической литературы. 1960. 883 с.
17. Горочный В.В. Реализация симметричного разделенного КИХ-фильтра на ПЛИС // Инженерный вестник Дона. 2022. № 1(85). С. 97–106.
18. Алешин Д.В., Кожевников А.М. Сравнение результатов автоматизированного синтеза цифровых КИХ-фильтров // Новые информационные технологии в автоматизированных системах. 2010. № 13. С. 273–276.
19. Ширман Я.Д., Манжос В.Н. Теория и техника обработки радиолокационной информации на фоне помех. М.: Радио и связь. 1981. 416 с.
20. А.с. № 1134003 (СССР) Устройство подавления помех / А.И. Павлов, А.А. Шаталов, А.Б. Ястребков. 1984.
21. Акушский И.Я., Юдицкий Д.И. Машинная арифметика в остаточных классах. М.: Сов. радио. 1968. 386 с.
22. Шаталов А.А. Быстрые алгоритмы многомерной адаптивной выбеливающей фильтрации с использованием ТЧП // Радиотехника и электроника. 1992. Т. 37. № 8. С. 1456–1461.