Е. Применения цифровых фильтров.

Цифровые фильтры, при работе которых используется БПФ, выполняют ряд функций управления и ряд функций, имеющих большое значение для усовершенствования систем связи. Цифровые фильтры отличаются от аналоговых фильтров тем, что позволяют реализовать практически любые алгоритмы обработки информации, обеспечивают точное выполнение операций, имеют стабильные характеристики, позволяют одновременно и независимо производить обработку нескольких сигналов, являются гибкими в том смысле, что позволяют быстро перестраивать алгоритмы работы, структуру фильтра, его характеристики.

При использовании цифровых фильтров в электросвязи и радиотехнике решается ряд специальных вопросов [138]. Одним из важных применений является увеличение частоты дискретизации сигнала (по-другому — интерполяция) необходимое в тех случаях, когда частота дискретизации выходного сигнала оказывается большей, чем частота дискретизации входного сигнала. Это имеет место при преобразовании сигналов с импульсно-кодовой модуляцией в сигналы с дельта-модуляцией (см. [122, 152]), при создании трансмультиплексоров — устройств сопряжения систем связи с временным и частотным разделением каналов, при создании систем узкополосной дискретной фильтрации (узкополосным называют сигнал, все спектральные составляющие которого группируются в относительно узкой по сравнению с некоторой центральной частотой полосе [36]); узкополосный сигнал характерен и тем, что функции, отображающие законы амплитудной и фазовой его модуляции, медленно изменяются по сравнению с колебаниями несущей частоты [123]. Методами цифровой фильтрации решается также задача уменьшения частоты дискретизации (по-другому — задача прореживания или децимации). Необходимость ее решения возникает в связи с тем, что в некоторых из используемых в системах связи устройствах цифровой обработки сигналов частота выходного сигнала оказывается меньшей, чем частота дискретизации входного сигнала. К таким устройствам относятся преобразователи сигналов с дельта-модуляцией в сигналы с импульсно-кодовой модуляцией, а также устройства сопряжения систем связи с частотным и временным разделением каналов, некоторые узкополосные цифровые фильтры.

Вопросы цифровой фильтрации чаще всего связаны с вопросами обработки случайных последовательностей, рассматриваемыми далее в § 8.

Большое внимание уделяется сейчас проблеме выделения сигнала на фоне шумов с помощью согласованных линейных фильтров [33, 102]. Эти вопросы рассматриваются при создании систем связи и управления. В книге [33] указано на то, что линейная фильтрация смеси сигнала и помехи является одной из основных операций, выполняемых в любом радиоприемном устройстве, и отмечено существенное повышение эффективности фильтрации, когда временные и частотные характеристики соответствующего линейного фильтра предварительно согласовываются с параметрами ожидаемого сигнала и помехи. В качестве примера

рассматривается случай, когда помехой является некоррелированный гауссов шум с равномерной спектральной интенсивностью.

Используются различные подходы к осуществлению согласованной фильтрации сигналов на фоне помех в зависимости от того, какая решается задача [36]. Для систем автоматического управления и связи актуальны задача воспроизведения исходной формы сигнала, искаженного действием шумов, и задача предсказания (экстраполяции) вероятных последующих значений сигнала по известным предшествующим его значениям. Для систем связи актуальна также постановка следующих задач: обнаружение принятия полезного сигнала или лишь шума; оценка таких параметров принятого полезного сигнала, как, например, его амплитуда и частота; различение присутствия какого-либо из нескольких сигналов, о которых имеется предварительная информация.

Впервые появилась реальная возможность создания эффективно действующих адаптивных цифровых фильтров. Авторы книги [78] предлагают понимать под термином адаптивный цифровой фильтр "такую систему передачи и обработки информации (программу, ЦВМ, конструктивный блок и т.п.), которая самоприспосабливается к изменяющимся входным воздействиям с целью оптимального выделения полезного сигнала при выбранном критерии качества фильтрации-; при этом оговаривается, что входными параметрами такой системы являются реализация случайного процесса на входе фильтра и заданное значение функционала качества фильтрации. В связи с упоминанием здесь об адаптивных цифровых фильтрах уточним определение термина "адаптивное управление", которое было дано нами в гл. Согласно сказанному в книге [134] "адаптацией называют процесс изменения параметров и структуры системы, а возможно, и управляющих" воздействий на основе текущей информации с целью достижения определенного, обычно оптимального, состояния системы при начальной неопределенности и изменяющихся условиях работы". Адаптивные системы управления и связи являются системами принципиально нового типа.

БПФ-процессоры и цифровые фильтры применяются в специализированных системах связи. К числу их относятся системы радиолокации. В книге [88] указано на необходимость использования высокоскоростных БПФ-процессоров в радиолокации при обработке данных в реальном масштабе времени с частотой свыше В радиолокационных системах используются цифровые согласованные фильтры. Сигнал на выходе такого фильтра является функцией взаимной корреляции первичного сигнала и импульсной характеристики согласованного фильтра [101]. В радиолокационных системах выполняется БПФ для обнаружения и грубой оценки дальности цели, находящейся на очень больших расстояниях, а после обнаружения цели осуществляется сопровождение ее по мере приближения. Радиолокаторы широко используются в военной технике. Радиолокационные устройства имеют большое значение и для гражданских применений [52]. Можно указать на радиолокаторы для управления воздушным движением, гидролокационные системы для навигации и обеспечения безопасности судов. В системах радиолокации на основе использования скользящего и скачущего БПФ выполняются различные функции: согласованная фильтрация сигналов произвольного вида, обработка пачек

импульсов [101]. Радиолокационные системы становятся сейчас сложными цифровыми адаптивными системами.

В ряде случаев цифровые фильтры используются для переработки информации, которая первично является непрерывной, причем непрерывными должны быть и формируемые выходные сигналы. Для перехода от аналоговых к цифровым сигналам и для обратного преобразования сигналов используются соответственно аналого цифровые и цифроаналоговые преобразователи сигналов. Характерны следующие примеры такого применения цифровых фильтров, выполняющих функции анализаторов спектра [138]. Одним из них является определение частотных характеристик аналоговой линии связи в условиях, когда под влиянием различных факторов эти характеристики с течением времени претерпевают изменения. Для контроля в линию подается испытательный сигнал. Вторым примером является применение цифрового анализатора спектра при обработке непрерывных речевых сигналов. Этот вопрос будет рассмотрен особо в гл. V.