Файл: История техники связи.pdf

Научная и педагогическая деятельность

В области статистической теории связи, в которой В.И. Тихонов начал работать в конце 40-х гг., он достиг выдающихся научных результатов в ряде важнейших направлений, связанных с разработкой методов статистического анализа и синтеза радиоэлектронных устройств и систем.

Нелинейные преобразования случайных процессов. В начале 50-х гг. В.И. Тихонов привлек внимание к этим проблемам Р.Л. Стратоновича, в те годы студента старших курсов МГУ, посещавшего семинар одного из крупных советских радиофизиков профессора П.И. Кузнецова. П.И. Кузнецовым, Р.Л. Стратоновичем и В.И. Тихоновым совместно были выполнены важные научные исследования [1—4], результаты которых явились значительным вкладом в статистическую радиотехнику. Основы статистической радиотехники были заложены в середине 40-х гг. крупными учеными современности С.О. Райсом (США) и В.И. Бунимовичем (СССР). В основополагающих работах [1—4] были развиты новые методы решения весьма сложных задач — определения характеристик случайных процессов на выходе линейных и нелинейных инерционных устройств при известных характеристиках сигнала и помех, рассматриваемых в каче- стве входного воздействия на заданные системы.

Подобные задачи часто возникают на практике и являются типовыми при анализе помехоустойчивости разного рода устройств в системах связи, радиолокации и радионавигации. В ряде случаев необходимо определить распределение вероятностей случайного процесса, формируемого на выходе исследуемой системы. Это распределение однозначно определяется своими кумулянтами. Методы, разработанные в указанных работах, давали теоретические основы для нахождения кумулянтов процесса, действующего на выходе нелинейной системы, через кумулянты случайного процесса, поступающего на ее вход. Содержащиеся в [1—4] новые идеи в последующие годы явились исходным пунктом для исследований многих других уче- ных и вылились в отдельное научное направление — кумулянтный анализ случайных процессов. В книге профессора А.Н. Малахова «Кумулянтный анализ случайных негауссовых процессов и их преобразований» (Сов. радио. 1978) представлены основные результаты исследований в течение почти 30 лет после публикации основополагающих работ [1—4].

Для развития статистической теории связи большое значение имела работа [1]. Интересно отметить, что эта работа была опубликована в 1953 г., за несколько лет до издания знаменитой книги Н. Винера «Nonlinear problems in random theory» (The Technology Press of MIT and John Wiley&Sons. N.Y. 1958), которая содержала теорию анализа разного рода нелинейных систем на основе их описания рядами Вольтерра. К сожалению, работа [1] в течение ряда лет не привлекала к себе должного внимания ни в нашей стране, ни за рубежом. Исследования различных систем связи с применением рядов Вольтерра стали особенно интенсивными после публикации статьи американских ученых Е. Бедросяна и С.О. Райса (The output properties of Volterra systems (nonlinear systems with memory) driven by harmonic and Gaussian inputs // Proc. IEEE. 1971. ¹ 12), применивших эти ряды к анализу нелинейных искажений, возникающих при прохождении частотно-модулированного сигнала че- рез линейные цепи.

Выбросы случайных процессов. Одна из сложнейших проблем статистической радиотехники — проблема определения статистических характеристик выбросов случайных процессов. Такие характеристики необходимы при анализе работы широко применяемых на практике триггерных устройств, когда воздействующий на них полезный сигнал сопровождается помехами, при определении частот радиосигналов методом сче- та числа нулей и т.д. Эта проблема привлекала к себе пристальное внимание многих выдающихся ученых современности: С.О Райса, В. И. Бунимовича, М.А. Леонтовича, Р.Л. Стратоновича и др. После публикаций результатов их исследований число активно работающих ученых и новых результатов в этой области стало быстро расти.

В научную разработку данного направления В.И. Тихонов также внес весомый вклад. На кафедре в ВВИА Тихонов и его ученики с 1955 г. вели экспериментальные и теоретические исследования по проблеме выбросов случайных процессов — определению характеристик, связанных с пересечениями случайного процесса с заданной кривой на фиксированном интервале времени (среднее число и дисперсия числа пересечений, средние интервалы между пересечениями и др.). Результаты этих исследований изложены во многих статьях В.И. Тихонова. Им изданы две фундаментальные, единственные в мировой технической литературе монографии [5, 6], в которых отражены не только важнейшие результаты, полученные в этой области учеными, принадлежащими к научной школе ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского, но и те, которые были получены в ХХ столетии учеными всего мира.

Статистическая динамика фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). ФАПЧ — устройство, которое широко применяют не только в современных синхронных системах связи, но и во многих других областях техники. К исследованиям в этом направлении В.И. Тихонов приступил в 1959 г. и вел их в течение ряда лет вместе со своими учениками. Ему удалось найти решение уравнения Фоккера—Планка—Колмогорова, определяющего распределение вероятностей разности фаз гармонического колебания, принимаемого совместно с широкополосным гауссовским шумом, и подстраиваемого опорного генератора, являющегося элементом системы ФАПЧ. Были исследованы также задачи, характерные для многих следящих радиотехнических устройств (фазовая и частотная автоподстройка, автодальномер и др.) и связанные со срывом слежения и автозахватом. Эти задачи решались с помощью уравнения Понтрягина, которое определяет статисти- ческие характеристики достижения случайным процессом определенных границ. Выполненные исследования позволили определить такие важные для проектирования следящих устройств, работающих в условиях действия помех, как среднее число перескоков фазы опорного генератора в единицу времени, а также и другие статистические параметры, характеризующие точность слежения, достигаемую в системе ФАПЧ при заданном отношении сигнал/шум. Были исследованы статистические характеристики систем ФАПЧ с разными видами фильтров, установленных в цепи обратной связи.

Работы В.И. Тихонова послужили отправным пунктом для многочисленных последующих научных работ по квазикогерентному приему радиосигналов, которые велись учеными многих стран. Большую роль сыграли результаты этих исследований в разработке следящих демодуляторов частотно-модулированных сигналов с низким порогом, которые широко применялись в 70-х гг. во многих системах спутниковой связи. За цикл работ этого направления профессор В.И. Тихонов совместно с рядом других отечественных ученых в 1986 г. был удостоен Государственной премии.

Синтез оптимальных устройств приема сигналов. Статистическая задача синтеза направлена на получение алгоритма построения устройства обработки принимаемых сигналов, которое наилучшим образом (в смысле выбранного критерия) воспроизводит переданное информационное сообщение.

Проблема синтеза оптимального устройства приема сигналов с разными видами модуляции на фоне помех в теории связи была впервые сформулирована и решена академиком В.А. Котельниковым, который рассматривал ее как задачу оценки параметров сигналов (амплитуды, фазы, частоты и т.п.), не изменяющихся на интервале времени, в течение которого их оценивали. Для случая, когда полезное сообщение является случайным гауссовским процессом, методы синтеза оптимальных устройств приема были разработаны американскими (Ф.В. Леган и Р. Дж. Паркс, Д.К. Йоула и Г. Ван Трис) и отечественными (И.А. Большаков и В.Г. Репин) учеными. Эти методы были применены для решения большого числа практически важных задач.

Âначале 60-х гг. выдающийся советский ученый профессор Р.Л. Стратонович разработал новую марковскую теорию оптимального приема сигналов (называемую также в литературе теорией нелинейной фильтрации). Эта теория применима для задач, в которых принимаемое колебание и фильтруемые сообщения в совокупности представляют собой некоторый марковский процесс, не обязательно являющийся гауссовским. Она охватывает многие практические задачи, ряд которых был рассмотрен самим Р.Л. Стратоновичем и его учениками профессорами И.К. Кульманом и Ю.Г. Сосулиным.

Значительное развитие марковская теория оптимального приема сигналов полу- чила в работах В.И. Тихонова и его учеников. В первых работах по применению марковской теории оптимальной нелинейной фильтрации для синтеза устройств приема сигналов В.И. Тихоновым и Ю.В. Саютиным были рассмотрены многочисленные задачи квазиоптимального приема аналоговых радиосигналов с фазовой, частотной, амплитудной и комбинированными видами модуляции. В.И. Тихоновым были рассмотрены также важные для практики задачи синтеза оптимальных систем разнесенного приема сигналов. Такие системы позволяют значительно повысить помехоустой- чивость приема сигналов в многолучевых каналах связи, в которых бывают замирания сигналов в ветвях разнесения.

Âэтих работах предполагалось, что сообщения являются гауссовскими марковскими процессами невысокого порядка, и подобные задачи могли быть решены и решались другими учеными методами гауссовской теории. Оригинальные исследования оптимального приема сигналов, представляющие значительный практический интерес для цифровых систем связи, были начаты в 1983 г. В.И. Тихоновым совместно с профессором В.Н. Харисовым. В этих исследованиях решалась важная проблема синтеза систем синхронизации. Специфическая особенность систем фазовой и объединенной синхронизации (как систем со счетным числом состояний равновесия) заклю- чается в том, что апостериорная плотность вероятности фильтруемой фазы — многомодальная и к ним непосредственно неприменим стандартный аппарат теории нелинейной фильтрации. С 1983 г. по настоящее время сложной проблеме синтеза систем синхронизации на базе теории нелинейной фильтрации в научной школе ВВИА уделяется большое внимание. Методика синтеза систем синхронизации была развита В.Н. Харисовым. Наиболее важные результаты в области синтеза оптимальных устройств приема сигналов опубликованы в монографиях [7, 8].

На кафедре, возглавляемой профессором В.И. Тихоновым в течение 30 лет, его учениками — известными учеными профессорами В.Н. Харисовым, И.Н. Амиантовым, Ю.Н. Бакаевым, В.А. Смирновым, В.С. Ефименко, А.И. Величкиным, М.С. Ярлыковым, М.А. Мироновым, Ю.В. Саютиным и др. были выполнены многочисленные прикладные исследования. Они основывались на марковской теории нелинейной фильтрации и касались проблем, связанных с авиационной радиосвязью и радионавигацией, с системами связи, в которых используются цифровые (импульсно-кодовая и дельта-модуляции) или аналоговые импульсные (широтно- и фазоимпульсная и др.) виды модуляции. В них изучалось построение объединенных систем связи и навигации, велась разработка интегрированных бортовых радиоэлектронных комплексов. Результаты этих научных исследований отражались в многочисленных книгах, выпущенных многими учеными кафедры.

Прикладные исследования. Профессором В.И. Тихоновым, его сотрудниками и учениками были выполнены важные работы по повышению эффективности отече- ственной глобальной спутниковой радионавигационной системы (ГЛОНАСС), которые обеспечили качественный скачок в точности навигации. Эта система позволила с высокой точностью определять местоположение летательных аппаратов и судов (единицы сантиметров — десятки метров, в зависимости от режима работы), вектор скорости (единицы сантиметров в секунду), обеспечивать высокую точность синхронизации (единицы — десятки наносекунд) и возможность определения ориентации летательного аппарата. Результаты синтеза систем синхронизации также были внедрены в системах радиосвязи и радионавигации, а также в разрабатываемой в настоящее время объединенной системе навигации и обмена данными.

Многие научно-исследовательские работы, выполненные под руководством В.И. Тихонова, были посвящены разработке и внедрению помехоустойчивых и надежно функционирующих совмещенных авиационно-космических систем радиосвязи и радионавигации. На основе исследований ученых кафедры был, в частности, создан типовой комплекс радиосвязи для самолетов, ознаменовавший собой качественно новый этап развития систем авиационной связи.

Педагогическая деятельность. Велика роль В.И. Тихонова в распространении знаний и подготовке специалистов в области статистической радиотехники и теории связи в нашей стране. Он блестящий педагог, лекции которого пользуются огромной популярностью среди преподавателей и слушателей Академии. На основе этих лекций он самостоятельно и вместе с другими учеными кафедры подготовил и издал ряд монографий [7, 8] и учебников [9—14], охватывающих почти весь спектр направлений данной теории. По этим книгам тысячи специалистов получи- ли необходимую теоретическую подготовку для решения сложных практических задач, связанных с созданием эффективных систем связи, работающих в условиях действия помех. Многие из них, освоив по этим книгам статистические методы, сами стали учеными и выполнили собственные исследования, развивающие теорию связи.

В значительной мере на результатах, полученных в научной школе В.И. Тихонова, базировалась впервые введенная в 1958 г. не только в ВВИА, но и в других радиотехнических институтах нашей страны новая учебная дисциплина «Статисти- ческая теория радиотехнических устройств» с соответствующей лабораторной базой.