"Цифровая обработка сигналов" - научно-технический журнал

"Цифровая обработка сигналов" №2-2025 год : рефераты статей

Якимов В.Н.
Коррелограммная оценка спектральной плотности мощности на основе имитации бинарно-знакового аналого-стохастического квантования при обработке последовательности отсчетов равномерно дискретизированного сигнала // Цифровая обработка сигналов. 2025. №2. С. 3-8.

Аннотация:
Рассмотрена проблема повышения оперативности цифрового спектрального анализа равномерно дискретизированного сигнала коррелограммным методом. Основу решения данной проблемы составила предварительная обработка равномерной последовательности отсчетов сигнала, имитирующая процедуру первичного бинарнознакового аналого-стохастического квантования. В результате осуществлен переход от обработки многоразрядных отсчетов сигнала к обработке последовательностей отсчетов, имеющих значения равные только плюс или минус единица. Такой подход позволил разработать математическое обеспечение вычисления коррелограммной оценки спектральной плотности мощности (СПМ), практическая реализация которого приводит к выполнению рекуррентных вычислительных процедур. При этом основными операциями этих вычислений являются операции суммирования и вычитания. Это снижает мультипликативную сложность вычисления коррелограммных оценок СПМ. На основе математического обеспечения разработано алгоритмическое обеспечение для коррелограммной оценки СПМ. Оно реализовано в виде метрологически значимого программного модуля. Тестовые испытания данного модуля подтвердили, что предложенный подход к вычислению коррелограммной оценки СПМ позволяет проводить спектральный анализ с высоким разрешением на фоне аддитивного шума и без смещения гармонических составляющих по частоте. Использование данного модуля не требует непосредственного выполнения бинарно-знакового аналого-стохастического квантования анализируемого сигнала. Поэтому он может использоваться в составе метрологически значимого программного обеспечения систем, ориентированных на комплексную обработку равномерно дискретизированных сигналов.

Ключевые слова:
спектральная плотность мощности, коррелограмма, бинарное стохастическое квантование, быстрые алгоритмы.

Об авторах:
Якимов В.Н., д.т.н., профессор Самарского государственного технического университета, e-mail: yvnr@hotmail.com

Белокуров В.А., Нгуен Ч.К.
Адаптивный алгоритм стабилизации уровня ложной тревоги на основе проверки стационарности шума в пределах «скользящего» окна // Цифровая обработка сигналов. 2025. №2. С. 9-14.

Аннотация:
Предложен адаптивный алгоритм стабилизации уровня ложной тревоги на основе проверки стационарности шума в пределах «скользящего» окна. Цель работы заключается в синтезе и анализе эффективности предлагаемого алгоритма по сравнению с алгоритмом УС-СУЛТ на фоне стационарного и нестационарного шума. В основе алгоритма лежит тестирование отсчётов шума «скользящего» окна на стационарность среднего значения. Для этого используется алгоритм Манна-Уитни. После этого отсчёты поступают в один из каналов, соответствующих выбранной модели: а) шум стационарный; б) шум нестационарный, среднее значение может быть аппроксимировано линейной зависимостью; в) шум нестационарный, среднее значение может быть аппроксимировано квадратичной зависимостью.

Результаты анализа показывают, что предлагаемый алгоритм обеспечивает выигрыш в пороговом отношении сигнал-шум до 7,8 дБ по сравнению с алгоритмом УС-СУЛТ на фоне нестационарного шума.

Ключевые слова:
стабилизация уровня ложных тревог, критерий проверки стационарности шума, оценка тренда.

Об авторах:
Белокуров В.А., д.т.н., профессор кафедры РТС РГРТУ, e-mail: belokurov.v.a@rsreu.ru

Нгуен Ч. К., аспирант кафедры РТС РГРТУ, e-mail: trongquang3883686@gmail.com

Петров С.А., Глухов А.Ю., Стародубов Д.А.
Сложно-функциональный блок для вычисления матрицы корреляции в частотной области // Цифровая обработка сигналов. 2025. №2. С. 15-20.

Аннотация:
Матрица корреляции (МК) используется во многих современных методах цифровой обработки сигналов (ЦОС) в многоканальных системах на базе антенных решеток (АР). Во многих приложениях требуется анализ спектральных составляющих, по которым вычисляется МК. Подобные методы лежат в основе высокоэффективных систем беспроводной связи, обнаружения и классификации сигналов, пеленгования и шумопеленгования. В литературе, в основном, представлены результаты исследований в области теоретических основ, проведения численного моделирования, исследование устойчивости и оптимальности методов на основе МК. В то же время, ввиду широкого распространения автономных малогабаритных мобильных систем, задача исследования аппаратной реализации методов, в том числе их оптимизации по минимуму вычислительных затрат и обеспечения энергоэффективности является весьма актуальной. В современных условиях, наиболее перспективным является применение в качестве основных вычислителей СБИС с параллельной (матричной) архитектурой типа ПЛИС или специальных полузаказных или заказных СБИС (ASIC). В работе рассматривается разработка архитектуры и результаты исследований СФ-блока для вычисления МК для применения в системах реального времени на базе ПЛИС или ASIC.

Ключевые слова:
многоканальная система, антенная решетка, пространственно-частотный анализ, матрица корреляции, БПФ, фиксированная точка, сложно-функциональный блок, ПЛИС, ASIC.

Об авторах:
Петров С.А., к.т.н., начальник НИО, ФГУП «ВНИИА», e-mail: plc_life@mail.ru

Глухов А.Ю., к.т.н., начальник группы, ФГУП «ВНИИА», e-mail: AGlukhov@live.ru

Стародубов Д.А., инженер-программист, ФГУП «ВНИИА», e-mail: Starodubov.dan@yandex.ru

Егоров В.В., Маслаков М.Л.
Алгоритм вероятностно-оптимального сложения некогерентных сигналов в условиях замираний // Цифровая обработка сигналов. 2025. №2. С. 21-26.

Аннотация:
Предложен быстрый алгоритм сложения некогерентных сигналов. Рассмотрены способы реализации предложенного алгоритма при сложении двух и четырех сигналов. Представлены результаты имитационного моделирования систем разнесенного приема в канале с аддитивным белым шумом и канале с замираниями. Показано, что в результате сложения энергетический выигрыш носит вероятностный характер.

Ключевые слова:
отношение сигнал/шум, алгоритмы пространственного разнесения замирания.

Об авторах:
Егоров В.В., д.т.н., с.н.с., главный научный сотрудник, АО «Российский институт мощного радиостроения»; заведующий кафедрой «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения»

Маслаков М.Л., к.т.н., старший научный сотрудник, ООО «Специальный Технологический Центр»; доцент, «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения», e-mail: maslakovml@gmail.com

Джиган В.И.
Выбор адаптивного алгоритма для цифровой антенной решетки наземной аппаратуры систем глобальной спутниковой навигации // Цифровая обработка сигналов. 2025. №2. С. 27-35.

Аннотация:
Рассмотрена методика оценки возможности приема сигналов глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС) при использовании адаптивных антенных решеток (ААР) в качестве антенн наземной аппаратуры. Данная методика базируется на оценке отношения сигнал/шум (ОСШ) на выходе ААР в её установившемся состоянии. ОСШ оценивается с равномерным дискретным шагом на всем множестве углов возможного положения источника информационного сигнала (спутника) вокруг ААР. По этим оценкам формируется карта, обозначающая области, в направлениях которых прием спутниковых сигналов возможен или невозможен. Этот прием возможен в направлениях, где согласно международным стандартам, на выходе используемой антенны или ААР, т.е. входе радиоприемника, обеспечивается значение ОСШ не хуже –20 дБ. Методика демонстрируется на примерах моделирования двух ААР, широко используемых в наземном оборудовании современных ГНСС: компенсатора боковых лепестков и ААР с линейным ограничением диаграммы направленности. Моделирование показало, что при использовании прямоугольной эквидистантой ААР с восьмью антеннами с широкими диаграммами направленности после подавления сигналов 7 источников помех, спутниковые сигналы могут быть приняты примерно с 30 % направлений окружающего пространства (в окрестности зенита). Это значение примерно на 10 % больше, чем у ААР до адаптации. Если такие оценки проводить только для верхней полусферы пространства, то данные значения удваиваются. В эксперименте обе AAР демонстрируют примерно одинаковую эффективность с точки зрения подавления помех и приема информационных сигналов, хотя их диаграммы направленности в установившемся состоянии несколько различаются. Для ААР других конфигураций и при работе в других помеховых обстановках полученные оценки могут различаться и быть другими по численным значениям. Используя предложенную методику, эти оценки легко получить для интересуемых условий функционирования приемной ААР. В работе также представлены структуры ААР и процедуры вычисления весовых коэффициентов и выходного сигнала этих АAР. Эти процедуры базируются на использовании рекурсивного алгоритма адаптивной фильтрации сигналов по критерию наименьших квадратов.

Ключевые слова:
адаптивная антенная решетка, глобальные навигационные спутниковые системы, компенсатор боковых лепестков, линейное ограничение, отношение сигнал/шум, рекурсивный алгоритм по критерию наименьших квадратов.

Об авторах:
Джиган В.И., д.т.н., главный научный сотрудник отдела проблем проектирования в микроэлектронике Национального исследовательского центра «Курчатовский институт» и профессор Института микроприборов и систем управления Национального исследовательского университета «Московский институт электронной техники», г. Москва, e-mail: dzhigan_vi@nrcki.ru

Безумнов Д.Н., Чиров Д.С.
Метод распознавания объектов на основе комплексной обработки данных системы технического зрения наземного беспилотного транспортного средства // Цифровая обработка сигналов. 2025. №2. С. 36-39.

Аннотация:
В статье представлены результаты исследования по повышению эффективности систем технического зрения (СТЗ) наземных беспилотных транспортных средств (БТС). Для повышения вероятности правильной классификации (распознавания) объектов в поле зрения системы технического зрения предлагается использовать комплексирование информации от оптического и радиолокационного канала на уровне решений. Распознавание объектов производится в каждом из каналов независимо, с использованием сверточной нейронной сети. Получение комплексной оценки классификации объекта производится по схеме Шортлиффа. Результаты моделирования показали, что предложенный алгоритм позволяет повысить эффективность СТЗ наземного БТС по сравнению с системами, использующими только оптический или только радиолокационный канал.

Ключевые слова:
беспилотное транспортное средство, робототехнический комплекс, система технического зрения, классификация объектов, сверточная нейронная сеть, оптические и радиолокационные изображения.

Об авторах:
Безумнов Д.Н., Московский технический университет связи и информатики (МТУСИ), старший преподаватель; e-mail: d.n.bezumnov@mtuci.ru

Чиров Д.С., МТУСИ, заведующий кафедрой, профессор, д.т.н.; e-mail: d.s.chirov@mtuci.ru

Егоров В.В., Клионский Д.М.
Декомпозиция на эмпирические моды: тематический обзор (часть 2) // Цифровая обработка сигналов. 2025. №2. С. 40-49.

Аннотация:
В первой части тематического обзора, посвященного методу декомпозиции на эмпирические моды (ДЭМ), рассмотрены основные известные модификации ДЭМ, их преимущества и особенности применения. В данном тематическом обзоре представлены преимущества адаптивной обработки нестационарных сигналов с использованием наиболее известного классического метода ДЭМ, а также схема применения технологии ДЭМ на различных этапах. Описаны актуальные задачи предварительной обработки сигналов на основе ДЭМ, включая очистку сигналов от шума и оценивание степени хаотичности сигналов. Приведена интерпретация ДЭМ как диадического (двоичного) банка фильтров. Рассматривается применение преобразования Гильберта-Хуанга и использование эмпирических мод (ЭМ) в виде монокомпонентных функций для исследования сигналов в частотно-временной области.

Ключевые слова:
декомпозиция на эмпирические моды, адаптивная обработка сигналов, диадический банк фильтров, предварительная обработка сигналов, очистка от шума, степень хаотичности сигналов, преобразование Гильберта-Хуанга.

Об авторах:
Егоров В.В., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой радиостроения и средств связи Санкт-Петербургского государственного университета аэрокосмического приборостроения, e-mail: egorovrimr@mail.ru

Клионский Д.М., к.т.н., доцент, доцент кафедры «Информационные системы» Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ», e-mail: klio2003@list.ru

Соломкин А.А., Шатилов С.В., Ляшев В.А.
Метод двумерного дифференциально-ортогонального поиска в задаче оценки MIMO канала // Цифровая обработка сигналов. 2025. №2. С. 50-56.

Аннотация:
Сегодня активные антенные решетки находят все большее применение в задачах беспроводной связи. Системы связи становятся высокоизбирательными по пространству, что делает их чувствительными к ошибкам в оценках канала. В работе рассматриваются основные проблемы MIMO систем, в которых нет возможности оценить канал прямыми методами по пилотным сигналам. Неявные методы оценки требуют сжатого представления канальной информации, что накладывает ограничения на их точность. Предлагается метод двумерного итеративного восстановления канальной информации из сжатого представления, который обладает повышенной точностью восполнения канальной информации и эффектом сглаживания возможных ошибок в поступившей информации. Отличительной частью метода является взаимный учет дифференциальной разницы в области антенн и области частот.

Ключевые слова:
MIMO-OFDM, векторное квантование, оценка канала, пространственное мультиплексирование, сжатые измерения, дифференциальный метод.

Об авторах:
Соломкин А.А., студент кафедры мультимедийных технологий и телекоммуникаций, Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), e-mail: solomkin.aa@phystech.edu

Шатилов С.В., к.т.н., научный сотрудник лаборатории инфокоммуникационных технологий, Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), e-mail: shatilov.sv@ict-lab.ru

Ляшев В.А,. к.т.н., доцент кафедры мультимедийных технологий и телекоммуникаций, Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет) e-mail: lyashev.va@mipt.ru

Хоанг Ван Туан, Дворкович А.В.
Итеративный метод уменьшения ПИК-фактора OFDM-сигнала на основе обработки шума клиппирования // Цифровая обработка сигналов. 2025. №2. С. 57-62.

Аннотация:
Рассматривается проблема уменьшения пик-фактора (peak-to-average power ratio, PAPR) в OFDM-системах, которая является одной из основных задач при передаче широкополосных сигналов. Для решения данной проблемы в работе предложен итеративный метод уменьшения пик-фактора OFDM-сигнала на основе обработки шума клиппирования, сочетающий преимущества методов ограничения амплитуды и активного расширения созвездия. Особенностью предлагаемого подхода является использование шума клиппирования для формирования сигнала коррекции пиков, который обрабатывается по двум направлениям – ограничением спектральной амплитуды и контролируемым расширением точек созвездия. Проведённый анализ и моделирование показали, что предлагаемый метод позволяет эффективно снижать величину пик-фактора. В сравнении с традиционными методами ограничения и фильтрации (clipping and filtering, CAF) и активного расширения созвездия (active constellation enhancement, ACE) предложенный метод обеспечивает наибольший выигрыш по снижению PAPR – до 6,44 дБ после трёх итераций. Полученные результаты подтверждают высокую эффективность и практическую значимость предлагаемого метода для современных OFDM-систем.

Ключевые слова:
OFDM, PAPR, пик-фактор, CAF, ограничение и фильтрация, ACE, активное расширение созвездия.

Об авторах:
Хоанг Ван Туан, аспирант кафедры мультимедийных технологий и телекоммуникаций МФТИ, e-mail: khoang.vt@phystech.edu

Дворкович А.В., д.т.н., чл.-корр. РАН, зав. кафедрой мультимедийных технологий и телекоммуникаций МФТИ, e-mail: dvork.alex@gmail.com

Валуйский Д.В.
Обнаружение дефектов вращающегося вала с использованием бесконтактного датчика и применением алгоритма классификации на основе линейного дискриминантного анализа // Цифровая обработка сигналов. 2025. №2. С. 63-68.

Аннотация:
Статья посвящена исследованию проблем контроля качества вращения валов промышленных машин с применением радиолокационных средств мониторинга. Радиолокационные сигналы отражаются от вращающегося промышленного вала, обрабатываются и затем анализируются с помощью кратковременного преобразования Фурье. Классификация сигналов по степени равномерности вращения вала осуществляется с помощью метода линейного дискриминантного анализа. В рамках проведенного исследования реализован экспериментальный стенд, записан и проанализирован набор сигналов. По итогам экспериментов показано, что точность предлагаемого подхода к оценке качества вращения вала составляет более 98 %.

Ключевые слова:
промышленный вал, вибрации, линейный дискриминантный анализ, цифровая обработка сигналов, классификация, оценка качества вращения.

Об авторах:
Валуйский Д.В., аспирант Рязанского государственного радиотехнического университета им. В.Ф. Уткина, e-mail: valuyskiy.d.v@mail.ru

Топников А.И., Смирнова Т.А.
Дообучение кодировщика нейронной сети whisper с помощью промт-векторов и блоков адаптации для задачи обнаружения шумов сердца // Цифровая обработка сигналов. 2025. №2. С. 69-74.

Аннотация:
Рассматривается задача обнаружения шумов сердца на фонокардиограммах с использованием нейронных сетей. Для решения задачи применяется нейронная сеть WhisPAr, основанная на кодировщике сети Whisper и использующая для его дообучения на небольшом объеме данных промт-векторы и блоки адаптации. Для обучения и тестирования используется общедоступная часть размеченной базы фонокардиограмм CirCor DigiScope. Применение указанных методов дообучения позволяет повысить взвешенную точность классификации по сравнению с базовым вариантом алгоритма на основе кодировщика сети Whisper с обучаемым слоем классификации на выходе. Полученные результаты могут использоваться для дальнейшего совершенствованию подходов к выявлению патологий сердца на основе анализа фонокардиограмм.

Ключевые слова:
фонокардиограмма, шумы сердца, нейронная сеть, глубокое обучение, трансферное обучение, классификация звуковых сигналов.

Об авторах:
Топников А.И., к.т.н., доцент кафедры цифровых технологий и машинного обучения Ярославского государственного университета им. П.Г. Демидова, e-mail: a.topnikov@uniyar.ac.ru

Смирнова Т.А., студент 4 курса Ярославского государственного университета им. П.Г. Демидова, e-mail: t.smirnova9@stud.uniyar.ac.ru

Демушкина К.М., Кузьмин А.В.
Модифицированный алгоритм Пана-Томпкинса с адаптивным определением границ QRS-комплекса // Цифровая обработка сигналов. 2025. №2. С. 75-80.

Аннотация:
Рассматриваются разработка и исследование модифицированного алгоритма Пана-Томпкинса для определения R-пиков в сигналах ЭКГ. В основе предложенного алгоритма лежит адаптивное определение границ QRS-комплекса и поиск максимальной точки в пределах этого временного диапазона. Алгоритм позволяет устранить характерный временной сдвиг при обнаружении точек, соответствующих R-пикам, обусловленный применением цифровых фильтров. В рамках экспериментального исследования разработанный модифицированный алгоритм с адаптивным определением границ сравнивался с классическим алгоритмом Пана-Томпкинса, а также с алгоритмом Neurokit, реализованным в одноименной библиотеке на языке Python. В качестве исходных данных использовались сигналы ЭКГ из открытой базы данных PhysioNet. Результаты сравнения показали, что предложенная модификация значительно точнее классической версии алгоритма и на 5 % точнее алгоритма Neurokit.

Ключевые слова:
ЭКГ, R-пик, алгоритм Пана-Томпкинса, библиотека Neurokit, база данных PhysioNet.

Об авторах:
Демушкина К.М., аспирант кафедры информационно-вычислительных систем Пензенского государственного университета, e-mail: riabova.ksenija@yandex.ru

Кузьмин А.В., д.т.н., заведующий кафедрой информационно-вычислительных систем Пензенского государственного университета, e-mail: a.v.kuzmin@pnzgu.ru