Уидроу, Стирнз - Адаптивная обработка сигналов, страница 3

Такие же определения в некоторой степени подходят и для «искусственных», или созданных человеком, адаптивных систем, которые в основном рассматриваются в этой книге. Адаптивньш 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 (АРУ), применяемая а 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, об- 12 ласти 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 свойствамн: 1, Они могут адаптироваться (самооптимизироваться) при изменении (нестациопарном) 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 «самоорганизуюшимися». 4. Оии 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, б. 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 пе известны или изменяются во времени Области применения Достигнутый за последнее время прогресс в разработке и производстве микросхем привел к созданию очень компактных, экономичных н 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, сенсмология, проектирование механических систем, навигация и биомедицинская электроника. Некоторым прикладным задачам посвягцена ч. 1У книги, названия глав которон отражают общую картину областей применения адаптивных систем.

В гл. й оосуждаются 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 структу- 13 ру этой идентифицируемой системы, Адаптивяое 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, электрокарлиография, 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. Общие свойства Основным свойством адаптивной системы является изменяющееся во времени функционирование с саморегулированием. Необхолимость такого функционирования очевидна из следующих рассуждений. Если разработчик проектирует «неизменяемую» систему, которую ои считает оптимальной, то это означает, что разработчик предвилит все возможные условия на ее входе, по меньшей мере в статистическом смысле, и рассчитывает, что система будет работать при каждом из этих условий.

Далее разработчик выбирает критерий, по которому должно оцениваться функционирование, например среднее число ошибок между выходным сигналом реальной системы и выходным сигналом некоторой выбранной модели или «идеальной» системы. Наконец, разработчик выбирает систему, которая оказывается лучшей в соответствии с установленным критерием функционирования, обычно из некоторого априорно ограниченного класса )например, из класса линейных систем). Однако во многих случаях весь диапазон входных условий может быть не известен точно даже в статистическом смысле или условия могут время от времени изменяться. Тогда адаптивная система, которая, используя регулярный процесс поиска, постоянно ищет оптимум в пределах допустимого класса возможностей, имеет преимущества по сравнению с неизменяемой системой, !4 Адаптивные системы по х, своей природе должны быть изменяющимися во времени и нелинейными.

Их свойства зависят, помимо всего прочего, от входных сигналов. Если на вход подается сигнал хо то адаптивная система настроится на него и сформирует вых н т~ ходной сигнал — назовем его уь Если на вход подается другой сигнал хь то система наст- ряс. 1.1. Если Н вЂ” линейная система, роится на этот второй сигнал и то выходной сигнал у,=у,+у,. Если снова сформирует выходной Н вЂ” адаптяяяая система, то уз в обсигнал — назовем его у .

В об- шеи слУчае отличса от У,+Ус щем случае структура и процессы коррекции адаптивной системы .будут различными для двух различных входных сигналов Если на вход адаптивной системы подается сумма двух сигналов, то она настраивается на этот новый входной сигнал, в общем случае не равный сумме выходных сигналов у1-ьум которые соответствовали бы входным сигналам хь хь В этом случае, как показано на рис. 1.1, не выполняется принцип суперпозиции, имеющий место в линейных системах Если сигнал полается на вход адаптивной системы лля определения свойств по ее отклику, то система адаптируется к этому определенному входному сигналу и тем самым изменяет собственную структуру. Таким ооразом, адаптивные системы по существу трудно описать в обычных представлениях. Нельзя сказать, что адаптивные системы принадлежат к абсолютно четкому подмножеству нелинепных систем. Однако присущие им две особенности в общем случае отличают их от других видов нелинейных систем Во-первых, адаптивные системы являются регулируемыми, н процессы их регулирования зависят от усредненных в ограниченном интервале времени характеристик сигнала, а не от мгновенного значения сигналов или мгновенных значений внутренних состояний системы.