Часть I. ОБЩЕЕ ВВЕДЕНИЕ

Первые две главы книги посвящены трем основным вопросам:

1. Введению основного понятия «адаптации» применительно к технике и определению места адаптивной обработки сигналов в общей задаче обработки сигналов.

2. Описанию адаптивного линейного сумматора, который является простейшим и наиболее широко применяемым адаптивным устройством обработки, подробно рассматриваемым в гл. 6, а также в последующих главах.

3. Геометрической итерпретации процесса адаптации в целом. Можно представить адаптацию в виде движения, как правило вниз, в (L+1)-мерном пространстве по L-мерной поверхности, образуемой графиком рабочей функции (например, изображенной на рис. 1.1), при отображении зависимости среднеквадратической ошибки (СКО) от адаптивных параметров. Геометрическая интерпретация изложена в гл. 2.

Глава 1. АДАПТИВНЫЕ СИСТЕМЫ

Определения и свойства

«Адаптироваться значит: 1) приводить в соответствие с требованиями или условиями приспосабливать или видоизменять надлежащим образом; ... 2) приспосабливаться к различным условиям, к окружающей среде и т. д.» (Random House Dictionary, 1971).

За последние годы в результате исследований по «адаптивным системам» появились различные адаптивные автоматы, свойства которых в некотором смысле напоминают определенные свойства живых систем и биологических адаптивных процессов. Ниже приводятся некоторые значения слова «адаптация», взятые из толкового словаря Random House Dictionary:

1. Действие, процесс приспособления. 2. Состояние приспосабливаемого; приспособление. 3. Биологическое: а) любое изменение в структуре или функции организма или любой из его частей в результате естественного отбора, с помощью которого организм становится более приспособленным для выживания и размножения в окружающей его среде; б) видоизменение формы или структуры в соответствии с изменением окружающей среды. 5. Физиологическое. Ослабление отклика органов сенсорных рецепторов, таких, как: зрение, осязание, температура, обоняние, слух и боль — на изменяющиеся, постоянно воздействующие условия окружающей среды. 6. Офтальмологическое. Регулирование зрачком количества света, поступающего в глаз. 7. Социальное. Медленное, обычно неосознанное изменение индивидуальной и социальной деятельностей в процессе приспособления к культурной среде.

Можно заметить, что приведенные определения даны главным образом в терминах биологической адаптации к окружающей среде. Такие же определения в некоторой степени подходят и для «искусственных», или созданных человеком, адаптивных систем, которые в основном рассматриваются в этой книге.

Адаптивный автомат представляет собой систему, структура которой изменяется или приспосабливается таким образом, чтобы его поведение или функционирование улучшалось (в соответствии с некоторым подходящим критерием) в результате взаимодействия с окружающей его средой. Простым примером автомата для автоматической адаптивной системы является автоматическая регулировка усиления (ЛРУ), применяемая в радио- и телевизионных приемниках. Функция этой системы — уменьшение чувствительности приемника при увеличении среднего уровня входного сигнала. Таким образом, приемник может адаптироваться к широкому диапазону уровней входных сигналов и формировать значительно более узкий диапазон уровней выходных сигналов.

Цель книги — описать некоторые основные принципы адаптации; изложить методы разработки, функциональные свойства, области применения адаптивных систем простейших видов и способы их физической реализации.

Рассматриваемые системы включают в себя системы, созданные прежде всего для адаптивного управления и адаптивной обработки сигналов. Как правило, такие системы обладают некоторыми или всеми перечисленными ниже свойствами:

1. Они могут адаптироваться (самооптимизироваться) при изменении (нестационарном) условий окружающей среды и требований к системе.

2. Они могут обучаться для осуществления заданного вида фильтрации и выполнения задачи принятия решения. Системы с такими свойствами можно автоматически синтезировать через обучение. Адаптивные системы можно в некотором смысле «запрограммировать» процессом обучения.

3. Они не требуют тщательно разработанных методов синтеза, обычно необходимых для неадаптивных систем. Наоборот, их можно считать «самоорганизующимися».

4. Они могут экстраполировать модель поведения для функционирования в новых условиях после обучения на конечном и часто небольшом числе обучающих сигналов или ситуаций.

5. Они могут в некоторой степени восстанавливаться, т. е. адаптироваться к определяемым внутренним дефектам.

6. Их можно рассматривать как нелинейные системы с изменяющимися во времени параметрами.

7. Их сложнее анализировать, чем неадаптивные системы, но они позволяют значительно увеличить область функционирования системы, когда параметры входного сигнала не известны или изменяются во времени.

Области применения

Достигнутый за последнее время прогресс в разработке и производстве микросхем привел к созданию очень компактных, экономичных и надежных устройств обработки сигналов, конкурирующих с биологическими нейронными системами по размерам и, очевидно, превосходящих биологические системы по быстродействию. В результате этого значительно расширилась область их применения во всех видах цифровой обработки сигналов, в том числе адаптивной обработки. В настоящее время адаптивные системы применяются в таких областях, как связь, радиолокация, гидролокация, сейсмология, проектирование механических систем, навигация и биомедицинская электроника.

Некоторым прикладным задачам посвящена ч. IV книги, названия глав которой отражают общую картину областей применения адаптивных систем. В гл. 9 обсуждаются адаптивное моделирование и идентификация систем, когда адаптивная система моделирует неизвестную или идентифицируемую систему, параметры которой могут меняться во времени. При заданном входном сигнале адаптивная система стремится «подстроиться» под структуру этой идентифицируемой системы.

Адаптивное моделирование используется при проектировании и диагностике электронных и механических систем.

Различные вопросы адаптивной компенсации, выравнивания передаточных характеристик рассматриваются в гл. 10. Все эти термины используются для описания процесса исключения влияния некоторого устройства или среды на сигнал. Например, может потребоваться, чтобы звуковая система реагировала с одинаковым коэффициентом передачи на все звуковые частоты или чтобы было исключено влияние всего тракта передачи на импульс радиолокатора.

Системам адаптивного управления, т. е. системам управления, свойства которых изменяются во времени и адаптируются к окружающей среде, посвящена гл. 11. Примером является система управления полетом, коэффициент передачи и время отклика которой зависят от плотности воздуха. Адаптивное подавление шума, обсуждаемое в гл. 12, используется в таких областях, как передача речи, электрокардиография, а также при обработке сейсмических сигналов. В действительности адаптивное подавление шума может найти применение для решения широкого круга задач выделения сигнала, поскольку зачастую свойства шума в реальных практических случаях не являются стационарными. Антенным решеткам — области, в которой методы адаптивной обработки сигналов оказались особенно полезными, посвящены гл. 13, 14.