Введение

В информационных системах различного назначения полезные сигналы поступают всегда на фоне помех различного происхождения. Под помехой будем понимать 1 любое воздействие на полезный сигнал, затрудняющее его прием и регистрацию. Для уверенного обнаружения полезных сигналов и измерения тех или иных их параметров необходимо обеспечить достаточное превышение энергии сигнала над энергией помех. Но при современном состоянии схемотехники информационных систем резервы повышения энергии полезного сигнала практически исчерпаны. Кроме того, некоторые помехи, например, реверберационная, растут одновременно с увеличением сигнала.

Поэтому наиболее верный путь развития информационных систем заключается в оптимизации режимов обработки принимаемого сигнала с целью максимального увеличения отношения сигнал / помеха. Это может быть достигнуто прежде всего использованием фильтров с оптимальными частотными и импульсными характеристиками. Поскольку все чаще задача обнаружения полезного сигнала возлагается на автоматические устройства, очень важной оказывается также разработка оптимальных алгоритмов обнаружения и обнаружителей, реализующих эти алгоритмы. Это обосновывает необходимость изучения студентами направления «Приборостроение» вопросов обработки сигналов с учетом специфики использования соответствующих приборов и систем.

1. Помехи при обработке сигналов

1.1. Виды помех. Шумовая помеха

В состав ряда автоматизированных информационных систем входят устройства, предназначенные для преобразования электрических сигналов от входных детекторов в динамические или статические изображения исследуемых излучений и полей. При этом существенное влияние на решение о наличии или отсутствии полезного сигнала оказывают различного рода помехи (шумы).

По виду воздействия на полезный сигнал s(t), основные модели которого рассмотрены в [2], помеха может быть аддитивной или мультипликативной. Помеха n(t) называется аддитивной, если действия информационного сигнала и помехи на устройства обработки независимы. В результате суммарный сигнал в тракте обработки записывается в виде

x(t) = s(t) + n(t).

Если помеха m(t) модулирует полезный сигнал, она называется мультипликативной, и общий сигнал

x(t) = am(t)s(t).

В случае, когда имеются и аддитивная, и мультипликативная помехи, суммарный сигнал может быть представлен в виде

x(t) = am(t)s(t) + n(t) .

Мультипликативная помеха появляется тогда, когда какой-то случайный процесс вызывает изменение коэффициента передачи сигнала. Примером мультипликативной помехи является превращение детерминированного зондирующего сигнала s(t) в случайный сигнал m(t)s(t) при распространении звука в воздушной среде с флуктуирующей скоростью и затуханием звука. Аналогичное явление происходит при сканировании поликристаллического изделия ультразвуковым преобразователем и в других подобных случаях.

Мультипликативную помеху с помощью искусственного преобразования можно свести к аддитивной, но нестационарной помехе n_(t):

,

где - среднее значение мультипликативной помехи.

Типичным примером аддитивной помехи является шумовая помеха. Одним из источников шумовой помехи являются собственные шумы приемного тракта. Сюда относятся, во-первых, тепловые шумы элементов электронного тракта, имеющие равномерную спектральную плотность в достаточно широкой полосе частот. Во-вторых, в ряде элементов имеются избыточные шумы, спектральная плотность которых убывает с частотой по закону 1/f. Такие шумы свойственны транзисторам, особенно полевым, сегнетоэлектрическим конденсаторам и пьезокерамическим приемным электромеханическим (электроакустическим) преобразователям и в меньшей степени другим элементам. Вклад этих шумов может оказаться превалирующим на низких звуковых и инфразвуковых частотах.

Кроме этих внутренних шумов приемного тракта приемный преобразователь принимает и шумовую помеху из окружающей среды, некогерентную с полезным сигналом. Сюда относятся, например, индустриальные и природные шумы внешних по отношению к объекту источников. Существенное значение имеют электрические помехи, вызываемые близко расположенными радио- и телевизионными передатчиками, процессами искрения в контактных устройствах и неисправных электрических сетях, газосветными установками, электронными медицинскими приборами и другими причинами. Как правило, все эти внешние шумы являются “окрашенными”, так как их спектральная плотность есть функция частоты. Однако для узкополосных систем обработки сигналов, т. е. при f/f₀<<1, где f₀ – центральная частота полосы f , в первом приближении можно считать шум в полосе f “квазибелым”.

Отметим, что для стационарных белого и квазибелого шумов плотность распределения мгновенных значений сигнала, как правило, хорошо аппроксимируется гауссовским законом, а огибающая шумового сигнала (шум на выходе детектора) – законом Рэлея.