Глава 12. АДАПТИВНОЕ ПОДАВЛЕНИЕ ПОМЕХ

Обычный способ оценки сигнала, искаженного аддитивной помехойсостоит в том, чтобы пропустить смесь сигнала и помехи через фильтр, который стремится подавить помеху, оставляя относительно неизменным сигнал. Синтез таких фильтров составляет область оптимальной фильтрации, первые работы по которой принадлежат Винеру, а также Калману, Бьюси и другим авторам [1-5].

Фильтры, используемые для решения этих задач, могут иметь постоянные параметры или быть адаптивными. Синтез фильтров с постоянными параметрами обязательно основан на априорных сведениях о сигнале и помехе, а адаптивные фильтры обладают свойством автоматически перестраивать свои параметры, и при их синтезе почти не требуется априорных сведений о свойствах сигнала и помехи.

Подавление помех является разновидностью оптимальной фильтрации, которая имеет значительные преимущества во многих приложениях. При этом используется вспомогательный или эталонный входной сигнал, получаемый от одного или нескольких датчиков, располагаемых в тех точках поля помех, где сигнал является слабым или не обнаруживается. Этот входной сигнал помехи фильтруется и выделяется из смеси сигнала и помехи. В результате исходная помеха подавляется или ослабляется.

На первый взгляд выделение помехи из принятого сигнала имеет свои отрицательные стороны. При неправильной фильтрации может возрасти мощность помехи на выходе системы. Однако во многих случаях при управлении фильтрацией и выделении помехи с помощью соответствующего адаптивного процесса подавление помехи почти не приводит к искажению сигнала и росту уровня помехи на выходе.

В условиях, когда возможно применение адаптивного подавления помех, часто можно достичь такого подавления, которого трудно или невозможно добиться прямыми методами фильтрации.

В данной главе рассматриваются основы адаптивного подавления помех, приводятся теоретические результаты, отражающие достоинства и ограничения адаптивного подавления и некоторые примеры его наиболее эффективного приложения. Материалы данной главы основаны на публикациях специального выпуска журнала Proceedings of the IEEE «Адаптивное подавление помех. Основы и применение» (декабрь, 1975 г.).

Обзор работ по адаптивному подавлению помех

В период с 1957 по 1960 г. Хауэллз, Аппельбаум и их коллеги из фирмы General Electric провели первые работы по адаптивному подавлению помех. Ими была синтезирована и построена система подавления боковых лепестков излучения антенны, в которой использовались эталонный входной сигнал, получаемый от вспомогательной антенны, и простой адаптивный фильтр с двумя весовыми коэффициентами [6].

В этот период лишь немногие интересовались адаптивными системами, а разработка адаптивных фильтров с многими весовыми коэффициентами только начиналась. В 1959 г. Уидроу и Хофф из Станфордского университета разработали адаптивный алгоритм наименьших квадратов и систему распознавания образов, которая называлась Adaline (сокращение от «адаптивный линейный пороговый логический элемент») [7, 8]. Совсем недавно Розенблат [9-11] построил в Лаборатории по аэронавтике Корнелла систему Персептрон. В СССР в Московском институте автоматики и телемеханики Айзерман и его коллеги создавали в это время автоматическое устройство градиентного поиска, а в Великобритании Д. Габор и его помощники разрабатывали адаптивные фильтры [12]. Все эти работы проводились независимо друг от друга.

В начале и середине 60-х годов работы по адаптивным системам стали проводиться более интенсивно. Появились сотни статей по адаптации, адаптивному управлению, адаптивной фильтрации и адаптивной обработке сигналов. В результате работы, которую проводил в этот период Лаки из фирмы Bell Telephone Laboratories [13, 14], появились важные приложения адаптивной фильтрации в коммерческой цифровой связи (см. рис. 10.13).

В 1965 г. в Станфордском университете была создана система адаптивного подавления, предназначенная для подавления помехи с частотой 60 Гц, возникавшей на выходе усилителя и регистрирующего устройства электрокардиографа.

Ниже приведено описание этой системы, в которой использовался аналоговый адаптивный фильтр с двумя весовыми коэффициентами, а также полученные недавно теоретические результаты и результаты моделирования на ЭВМ.

С 1965 г. адаптивное подавление помех успешно применяется при решении ряда других задач, включая другие аспекты электрокардиографии, режекцию в целом периодических помех [15], исключение эффекта эхо в телефонных каналах большой протяженности [16, 17]. Статья по адаптивным антеннам [18] обобщает результаты, первоначально полученные Хауэллзом и Аппельбаумом. Более подробно эта тема освещена в гл. 13.