Быков В. В. Цифровое моделирование в статистической радиотехнике

в. в. ыков Цифровое моделирование в статистической радиотехнике ИЗДАТЕЛЬСТВО ДОСОВЕТСКОЕ РАДИОь МОСКВА — И73 Уэ2К 510.5:б21.372.061.001.57. Бы нов В. В. Цифровое моделирование а статистической радиотехнике. Иэд-во «Советское радио», 1971, 32В стр т. 9500 зиз., ц. 1 р. 01 к. В кпигс излагаются методы математического моделирова-': ния на универсальных электрокаых пэфровых вычислительных маши-;;,', нах процессов, протекающих в радиосистемах.

Приводятся зко~юмич..;":,—; ные алгоритмы для цифрового моделирования радиосигналов, ра-:.:. диопомех, широкого класса случайных процессов и процессов пргм,, образования сигналов и вомех при прохождении их через ливейкыи':,' и нелинейные системы Рассматриваются примеры применении циф- ',, рового моделирования для решения задач статистической радио'- ': техники. 'Книга предиззиачевз для спеииалистов, запимающехся вопросами примекеяия кифровой электронно-вычислительной техники прм . всследовапиях в области статистической радвотехнкки, радиолока-',:: пии, радиофизики, теории автоматического регулирования и в ври"'' гих отраслях науки и техники. Книга может быль полезна аспиран-;: там и студеитам старших курсов вузов. б табл., 53 рис., библ.

11! иазз. 3-4-1 70-70 Предисловие При решении многих конкретных задач в различных отраслях науки и техники часто встречаются случаи, когда апалнтпчсскос решение задачи ввиду значительных математических трудностей практически невозможно, а проведение экспериментальных исследований н натурных испытаний требует весьма больших затрат времени и средств или же исключено по другим причинам. Одной из эффективных мер по преодолению этих трудностей является применение в исследованиях современных быстродействующих электронных цифровых вычислительных машин (ЦВМ) для моделирования изучаемых явлений.

Моделирование на 1(ВМ, или цифровое моделирование, — это разновидность математического моделирования. Оно обладает рядом известных преимуществ перед другими методами исследований (универсальность, гибкость, экономичность) и позволяет в значительной мере разрешить одну из основных проблем современной науки — проблему сложности. Известно усвоенное примспспис ЦВМ для моделирования производственных:процессов [9], для исследования процессов переноса частиц в ядерной физике [10], при исследованиях объектов управления и автоматизации [19, 33], для расчета режимов энергосистем [33], для моделирования сетей связи [96], для создания мультипликационных фильмов [107] и в ряде других областей.

В данной монографии излагаются методы моделирования на универсальных ЦВМ процессов, протекающих в радиосистемах, применительно к решению задач в области статистической радиотехники, радиолокации, радиофизики, автоматики и др. Радиотехнические процессы обладают рядом специфических свойств, главными из которых являются их статистическая природа и весьма высокая скорость протекания (электромагнитные колебания радиодивпазона волн). Из первого свойства вытекает необходимость прн а разработке цнфроаых моделей удечять значительное внимание нахождению алгоритмов для Формирования на ПВМ широких классов случайных процессов, составляющих основу математических ечоделей радиосигналов. радиопомех н различного рода Флюктуаций в радиотехнике. Второе нз этих свойгтв приводит к тому.

что воспроизведение процессов функционирования радиосистем даже на наиболее быстродейгтвующнх ПВМ часто требчет больших вычислительных затрат и возникают задачи отыскания макси.пальца экономичных плгоригмоп, моделируюших радиосигналы, радиопомехи и процессы преобразования их радиосистемами различных типов: Изложение методов решения этих двух главных задач и является основзюй целью книги. Некоторые частные вопросы циФрового моделирования процессов в радиосистемах изложены в работах отечественных и зарубежных авторов 110, 49, 54, %. 77, 109 и др.1. Однако в целом литератз ры на этч темч очень мало н многие нз указанных вопросов освещены в ней недостаточно. Не нашли должного отражеяия в литературе вопросы: Формирования па ПВМ радиосигналов и радиопомех; моделирования слччайных процессов, в частности ненормальных и нестационаоных глччайных ппоцеггов: моделирования па ПВМ процеггов преобразования сигналов и помех при прохождении их через линейныг и нелннсйпыс динамичегкие системы.

например через избирательньп высокочастотные линейные системы и черсз нелинейные радиочстройства; погрешности дискретизации и выбора шага дискретизации;,практкческой проверки на ПВМ предлагаемых моделирующих алгоритмов, н ряд дрчгнх. Учитывая, что интерес к методам моделирования пропегсов в радиосигтемах возрастает по мере внедрения электронной вычислительтюй техники в практику научных исследований, в данной работе сделана попытка чстраннть указанный выше пробел.

В книге поставлены следчюшие основные задачи. 1. Изложить принципы цифрового моделирования радиосигналов и радиопомех. 2. Указать экономичные способы цифрового моделирования типовых слччайных процессов, имеющих широкое распространение в задачах гтатигтической радиотехники, радиолокации. радиофизики, теории автоматического регулирования и других отраслях науки и техники, 4, 3. Указать эффективные методы цифрового моделирования процессов преобразования сигналоя и помех линейными и нслииейнымн системами. Весь этот материал составляет содержание первой, пторой и третьей глав соответственно.

В заключительной четвертой главе приводятся ~примеры применения цифрового модслнровання для решения некоторых задач статистической радяотехиики. В основу книги положсща работы автора, опубликованные в периодической печати в течение последних лет 1!2 †1. Ряд результатов публикуется впервые, в частности способы моделирования ненормальных, нестационарпых н многомерных случайных процессов, моделирование случайных полей, приемы цифрового детектирования, опенка погрешности дискретизации непрерывных процессов н систем и др.

Кроме этого. в книге приведен в обработанном и систематизированном виде ряд известных результатов, относящихся к рассматриваемым здесь вопросам. Настоящая книга является одной из первых попыток изложить методы цифрового моделирования в радиотехнике. Автор пе ставил целью дать исчерпывающее изложение всех затронутых в книге вопросон.

Он с благодарностью примет все замечания и предложения по улучшению книги. Автор выражает глубокую признательность докт. техн. паук В. П. Малайчуку, который привлек внимание автора к рассматриваемым в книге вопросам, рецензентам: чл.-корр. АН СССР Н. П. Бусленко, докт техн. наук Л. С. Гуткину н канд. техн. наук Ю. П. Борисовуза ряд ценных предложений и замечаний.

Л. К. Власовой, проделавшей большую работу по реализации задач иа ЦВМ. Введение Задача цифрового моделирования радиосигналов, радиопомех и случайных процессов формулируется как задача нахождения алгоритмов ~по возможности наиболее простых), позволяющих получать на ЦВМ дискретные реализации (выборочные функции) моделируемых процессов. Это самостоятельная и довольно сложная задача синтеза дискретных случайных процессов,имитирующих непрерывные процессы с заданными статистическими характеристиками. Она решается путем отыскания удобных для .реализации на ЦВМ линейных и нелинейных преобразований, с помощью которых можно превратить независимые равномерно или нормально распределенные случайные числа, вырабатываемые датчиком случайных чисел, в случайные последовательности с требуемыми статистическими свойствами.

Задача цифрового моделирования радиосистем формулируется как задача разработки алгоритмов. которые по заданным характеристикам систем, например передаточным функциям и характеристикам нелинейности отдельных звеньев, позволяют точно или с допустимой погрешностью преобразовывать на ЦВМ дискретные реализации входных воздействий в дискретные реализации соответствующих выходных эффектов моделируемых систем.

Эти алгоритмы называются цифровыми моделями систем. Следует пояснить некоторые особенности цифрового моделирования радиосистем и принятого здесь подхода к моделированию. Развитие теории моделирования вообще, а цифрового моделирования в частности, определяется степенью математического описания явлений и процессов, имеющих место в различных отраслях науки н техники.

В отличие от некоторых других областей применения цифрового моделирования, например моделирования производственных процессов или же процессов в биологических системах, где математическое описание явлений часто 6 йредставляет собой весьма сложную задачу, матемйтйческос описание процессов функционирования радиосистем достаточно хорошо развйто. Действительно, основным назначением радиосистем является передача, прием и переработка информации, заключенной в сигналах. С информационной точки зрения радиосистемы можно рассматривать как специализированные вычислительные машины (обычно аналогового типа с весьма высоким быстродействием), точно илп приближенно реализующие заранее предписанные алгоритмы работы (см.

по этому поводу ~2Ц). Входящие в эти аспоритмы операции, такие, как модуляция, фильтрация, усиление, преобразование частоты, детектирование, ограничение, накопление, слежение и т. д., как правило, допускают сравнительно прост)по математическую формулировку. Математическое описание сводится при этом к переводу известной программы работы радиосистемы, сформулированной на обычном радиотехническом языке, на язык математики, на .котором, например, фильтрация есть скользящее интегрирование, накопление — суммирование, амплитудное детектирование — выделение огибающей и т. д. В результате создается математическая модель радиосистемы.