close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Методика проектирования и реализации на ПЛИС энергоэффективных устройств обработки сигналов в системах радиоконтроля

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
СПАЖАКИН Михаил Игоревич
Методика проектирования и реализации на ПЛИС
энергоэффективных устройств обработки сигналов
в системах радиоконтроля
Специальность 05.12.04 – Радиотехника, в том числе системы
и устройства телевидения
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Воронеж – 2018
Работа выполнена в ФГБОУ ВО «Воронежский государственный
технический университет»
Научный руководитель:
Токарев Антон Борисович,
доктор технических наук, доцент
Официальные оппоненты:
Хохлов Николай Степанович,
доктор технических наук, профессор,
ФГКОУ ВО «Воронежский институт
МВД Российской Федерации»,
профессор кафедры
инфокоммуникационных систем и
технологий;
Афанасьев Олег Владимирович,
кандидат технических наук,
АО «Концерн «Созвездие»,
заместитель начальника научнотехнического управления
Ведущая организация:
ФГБОУ ВО «Рязанский
государственный радиотехнический
университет»
Защита состоится «21» декабря 2018 г. в 1400 часов на заседании
диссертационного совета Д 212.037.12, созданного на базе ФГБОУ ВО
«Воронежский государственный технический университет», по адресу:
394026, г. Воронеж, Московский просп., 14, конференц-зал.
С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической
библиотеке и на официальном сайте ФГБОУ ВО «Воронежский
государственный технический университет» http://cchgeu.ru/.
Автореферат разослан «29» октября 2018 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
канд. техн. наук
Федоров Сергей Михайлович
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы исследования. Согласно рекомендациям международного союза электросвязи (МСЭ) современные комплексы радиоконтроля
(КРК) должны быть способны не только эффективно обнаруживать сигналы,
но и классифицировать наблюдаемые радиоизлучения и оценивать их
параметры в многозадачном режиме реального времени. Применительно к
сигналам современных системам цифровой связи это означает необходимость
декодирования набора идентификационных признаков, характеризующих
источники радиоизлучения (ИРИ), в параллельном режиме. Сигналы
большого числа стандартов цифровой связи отличаются друг от друга
шириной спектра, символьной скоростью, а значит и оговоренной
конкретным стандартом связи частотой дискретизации цифрового сигнала.
Эффективным инструментом обработки сигналов в режиме реального
времени являются программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС).
Тактовые частоты обработки современных широкополосных сигналов на ПЛИС,
как правило, весьма велики и составляют сотни мегагерц. Энергопотребление
ПЛИС растет прямо пропорционально тактовой частоте. В результате, мощность, потребляемая при работе современными КРК, в среднем на 50 – 70%,
определяется энергопотреблением их цифровых обработчиков сигналов.
Расширение подлежащей обработке совокупности сигналов и полосы
обрабатываемых частот, неизбежно сопровождается:
 ростом энергопотребления КРК;
 уменьшением продолжительности автономной работы КРК;
 обострением проблем с отводом тепла, особенно при необходимости минимизировать массогабаритные показатели изделий.
Таким образом, совершенствование современных КРК неразрывно
связано с необходимостью повышения энергоэффективности реализации на
ПЛИС обработчиков сигналов. Под термином «энергоэффективность» в
настоящей
работе
понимается
минимизация
энергопотребления
реализованного на ПЛИС цифрового обработчика сигналов при сохранении
его требуемых рабочих параметров и набора функциональных характеристик.
Ведущие производители оборудования для радиоконтроля (РК) и анализа спектра, такие как ROHDE & SCHWARZ, ANRITSU, Tektronix предлагают
готовые решения в виде носимых и портативных комплексов (например,
Rohde & Schwarz FSH3..18, FSW; Anritsu MS2712E, MS2713E;
Tektronix RSA306B), которые обеспечивают быстрый цифровой спектральный
анализ и определение параметров радиосигналов различных стандартов (таких
как IEEE 802.11, LTE, W-CDMA, GSM, DVB-T, APCO, TETRA, DECT), но эти
комплексы не покрывают потребности служб РК. Они реализуют лишь
универсальные функциональные возможности (анализ беспроводных сетей и
пеленгация является в них, как правило, опциональной и весьма
дорогостоящей возможностью) и не обеспечивают оценивания ряда
параметров, существенных для служб РК. Как правило, они имеют высокую
стоимость, а приобретение некоторых образцов невозможно без лицензии.
Производство многофункциональных, высокопроизводительных
отечественных КРК требует разработки и практического внедрения
методик энергоэффективной реализации на ПЛИС совокупности
алгоритмов цифровой обработки сигналов – широкополосной цифровой
фильтрации,
произвольного
изменения
частоты
дискретизации
широкополосного сигнала (ресемплинг), многоканальной обработки и
фильтрации сигналов. Под термином широкополосный сигнал в настоящей
работе понимается комплексный сигнал, энергетическая полоса которого
составляет 70..90% от частоты дискретизации.
Степень разработанности темы исследования. Задаче повышения
эффективности алгоритмов обработки широкополосных сигналов
посвящено большое количество работ, в первую очередь таких зарубежных
авторов как F. J. Harris, A. Franck, J. A.Vesma, T. Saramaki, C. Farrow, S. Boyd,
K. Suyama, A. Navarro. В то же время динамичное развитие систем
беспроводной цифровой связи и передачи данных сегодня ставит перед
разработчиками КРК новые задачи и выдвигает новые требования,
связанные с расширением полосы частот, ростом спектральной
эффективности сигналов, увеличением числа стандартов связи, требующих
поддержки в аппаратуре РК, что требует совершенствования методики
энергоэффективной реализации на ПЛИС алгоритмов цифровой обработки
сигналов.
Целью диссертационной работы является совершенствование
методики разработки и энергоэффективной реализации на ПЛИС цифровых
обработчиков сигналов, применяемых при решении задач РК.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1) Разработка рекомендаций для энергоэффективной реализации на
ПЛИС многозадачных параллельных обработчиков широкополосных и
узкополосных сигналов.
2) Разработка методики энергоэффективной реализации на ПЛИС
широкополосных фильтров с конечной импульсной характеристикой
(КИХ).
3) Разработка методики энергоэффективной реализации на ПЛИС
широкополосных алгоритмов изменения частоты дискретизации с
произвольным множителем конверсии.
4) Разработка технологического приема энергоэффективной реализации
на ПЛИС алгоритмов многоканальной обработки узкополосных сигналов
беспроводной цифровой связи.
Научная новизна. В диссертации получены следующие основные
результаты, характеризующиеся научной новизной.
2
1) Параллельный многозадачный алгоритм цифровой обработки
узкополосных сигналов, отличающийся по структуре применением
каскадного соединения широкополосного ресемплера и многоканального
фильтра на основе взвешенного перекрывающегося сложения, что позволяет
формировать набор требуемых частот дискретизации с заданным уровнем
искажений и производить гибкую многоканальную обработку сигналов
цифровой связи.
2) Методика синтеза коэффициентов широкополосных ресемплеров,
базирующаяся на использовании метода наименьших квадратов (МНК) и
Convex-оптимизации и отличающаяся отсутствием предварительного
повышения входной частоты дискретизации, что при несущественном
увеличении объема потребляемых ресурсов позволяет производить
обработку на сниженной тактовой частоте.
3) Методика реализации на ПЛИС широкополосных фильтров с
конечной импульсной характеристикой и ресемплеров, отличающаяся
энергетически сбалансированным совместным использованием аппаратных
умножителей и логических элементов, позволяющая снизить потребляемую
мощность, а также оптимизировать распределение ресурсов ПЛИС между
аппаратными умножителями и логическими элементами.
4) Рекомендации по увеличению чувствительности и динамического
диапазона цифрового приемника КРК при многоканальной обработке
узкополосных сигналов беспроводной связи за счет применения банка
цифровых фильтров с оптимизированной по МНК импульсной
характеристикой.
5) Технологический прием реализации на ПЛИС многоканального
двухэтапного алгоритма узкополосной фильтрации, отличающегося
применением дополнительной низкочастотной фильтрации, что позволяет
снизить требования к избирательности предварительного многоканального
фильтра и, как следствие, потребляемую мощность и объем потребляемых
ресурсов ПЛИС.
Теоретическая и практическая значимость работы
Предложенная в работе методика позволяет повысить энергетическую
эффективность реализации на ПЛИС алгоритмов цифровой обработки
широкополосных сигналов, увеличивая продолжительность автономной
работы КРК и облегчая проблему теплоотвода и как следствие расширяя
диапазон рабочих температур. Представленные технические решения
применимы для всех типов аппаратуры РК – для носимых, мобильных и
стационарных изделий.
Методы исследования. При выполнении работы использовался
математический аппарат теории вероятностей, математической статистики,
дискретной математики, Convex-оптимизации, метод моделирования и оценки
мощности XPower. Сравнение энергетического потребления классических и
3
предлагаемых реализаций на ПЛИС алгоритмов цифровой обработки
широкополосных
сигналов
проводилось
с
применением
специализированных программных средств разработки, а также с
использованием макетирования.
Основные положения, выносимые на защиту
1) Энергоэффективная реализация на ПЛИС цифровых обработчиков
КРК базируется на совместном использовании параллельных многозадачных
алгоритмов
произвольного
изменения
частоты
дискретизации
и
многоканальной обработки и фильтрации широкополосных сигналов.
2) Методика синтеза коэффициентов широкополосного ресемплера,
базирующаяся на МНК и Convex-оптимизации, обеспечивает возможность
произвольного изменения частоты дискретизации широкополосного сигнала
без ее предварительного повышения.
3) Реализация на ПЛИС широкополосных КИХ фильтров,
базирующаяся на применении метаэвристического алгоритма оптимизации
структуры и разработанного правила совместного использования
аппаратных умножителей и логических элементов, обеспечивает снижение
энергопотребления на 4-15% по сравнению с канонической реализацией
CSD (Canonic Signed Digilat) на логических элементах и на 50% по
сравнению с реализацией на аппаратных умножителях.
4) Методика реализации на ПЛИС широкополосных ресемплеров,
основанная на совместном использовании аппаратных умножителей и
логических элементов, позволяет снизить потребляемую мощность на
15-20% по сравнению с реализацией CSD и на 25-35% по сравнению с
реализацией только на аппаратных умножителях.
5) Реализация на ПЛИС декодера сигналов CCK (complementary code
keying) с разработанной последовательно-параллельной структурой с
дополнительным прореживанием по времени обеспечивает снижение
затрачиваемых аппаратных ресурсов на 30% и потребляемой мощности в два
раза по сравнению с известными реализациями.
6) Использование разработанных рекомендаций для
синтеза
импульсной характеристики многоканальных фильтров на основе МНК
позволяет повысить чувствительность цифрового приемника КРК на 1-2 дБ,
а также повысить устойчивость к помехам в соседних каналах на 3-6 дБ.
7) Технологический прием реализации на ПЛИС двухэтапного
алгоритма многоканальной фильтрации позволяет снизить потребляемую
мощность на 12%, а также повысить устойчивость к помехам в соседних
каналах на 10 дБ по сравнению с ранее предложенными рекомендациями.
Реализация и внедрение результатов работы. Основные теоретические и практические результаты работы использованы при разработке
ЦРПУ производства НПК АО «ИРКОС» (г. Москва). В частности, ЦРПУ
«АРГАМАК-М» обеспечивает возможность аппаратного обнаружения и
4
идентификации сигналов цифровой связи и широкополосной передачи
данных, таких как IEEE 802.11, GSM, DECT, TETRA.
Достоверность и обоснованность основных положений и выводов,
содержащихся в диссертационной работе, базируется на использовании апробированных принципов оптимизации широкополосных алгоритмов, оценки
мощности, а также подтверждается результатами макетирования и
практической проверки разработанных КРК.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на XVIII Всероссийской научнотехнической конференции с международным участием «Современные
проблемы радиоэлектроники» (Красноярск, 2015); 2015 International Siberian
conference on control and communications SIBCON (Omsk, 2015); XXIII и XXIV
Международных научно-технических конференциях «Радиолокация,
навигация и связь» (Воронеж, 2017, 2018); ежегодных научно-технических
конференциях ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический
университет» и научно-методических семинарах кафедры радиотехники и
кафедры конструирования и производства радиоаппаратуры (2015-2018).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 научных работ,
включая 8 статей в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, и 5 докладов на
научно-технических конференциях и семинарах, 1 патент РФ на изобретение.
Личный вклад автора состоит в исследовании эффективности
применения широкополосных ресемплеров, построенных на основе
структуры Фарроу, при решении задач изменения частоты дискретизации в
аппаратуре РК [1,6,8,9,13,17]; в разработке методики энергоэффективной
реализации на ПЛИС широкополосных КИХ фильтров и ресемплеров,
предназначенных для работы в аппаратуре РК [2,7,10,14,18]; в разработке
методики синтеза коэффициентов широкополосных ресемплеров с
использованием МНК и Convex-оптимизации, обеспечивающей заданный
уровень вносимых искажений без предварительного повышения частоты
дискретизации
[1,10];
в
разработке
технологического
приема
энергоэффективной реализации на ПЛИС многоканальных алгоритмов
фильтрации с расширенным динамическим диапазоном [4,11]. Автором
предложены
структурные
схемы
многозадачных
параллельных
широкополосных цифровых обработчиков сигналов цифровой связи,
предназначенных для выделения идентификационных признаков ИРИ в
режиме реального времени [1,12,15], а также частные технические решения,
применяемые при обработке сигналов цифровой связи [3,5,6,15,16].
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из
введения, шести глав, заключения, списка литературы, включающего 163
наименования, и 4 приложения. Основная часть работы изложена на
147 страницах, содержит 41 рисунок и 13 таблиц.
5
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы
цель и задачи исследования, определены научная новизна и практическая
ценность работы, приведены сведения об апробации основных положений
диссертации, ее структуре и внедрении результатов, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе представлена информация о назначении КРК и
сформулированы предъявляемые к ним требования, приведены сведения из
стандартов беспроводной цифровой связи и беспроводной широкополосной
передачи данных, проанализированы требования, предъявляемые к аппаратуре
РК, и особенности алгоритмов цифровой обработки сигналов, применяемых
при решении задач РК.
На рисунках 1 и 2 представлены структурные схемы многозадачных
параллельных алгоритмов, разработанных в рамках настоящей работы для
обработки
и
выделения
идентификационных
признаков
из
широкополосных сигналов цифровой передачи данных и цифровой
узкополосной связи соответственно. Каждый из K представленных на схеме
широкополосных ресемплеров получает на вход одно и то же дискретное во
времени комплексное колебание x[n] и формирует на своем выходе поток
отсчетов с новой частотой дискретизации, соответствующей обслуживаемому
текущим каналом стандарту, отсчеты сигналов поступают на цифровые
обработчики (1..K) различных стандартов связи и на выходе каждого
обработчика производится попытка поиска идентификационных сигналов
Rk[j], указывающих на соответствие принятого сигнала тестируемому
стандарту; в случае соответствия на выход цифрового обработчика
выдается принятый сигнал с комплектом его идентификационных
признаков.
Структурная схема параллельного многозадачного алгоритма
обработки узкополосных сигналов беспроводной цифровой связи
отличается от предыдущей дополнительной многоканальной узкополосной
фильтрацией. Ресемплер в таком алгоритме необходим для обеспечения
корректной частоты дискретизации многоканальной обработки, что
позволяет повысить ее вычислительную эффективность, сохраняя
необходимый шаг между частотными каналами. Широкополосный
ресемплер представлен блоком предварительной фильтрации с
использованием КИХ фильтра, а также алгоритмом произвольного
изменения частоты дискретизации. Обработчик каждого канала производит
декодирование сигнала определенного стандарта цифровой связи.
6
Рисунок1 – Структурная схема
многозадачного параллельного
алгоритма обработки
широкополосных сигналов
передачи данных (K параллельных
обработчиков)
Рисунок 2 – Структурная схема
многозадачного параллельного алгоритма
обработки узкополосных сигналов
стандартов связи (K параллельных
обработчиков, каждый обработчик является
многоканальным)
В настоящей работе показана эффективность использования цифровых
реализаций ресемплеров на ПЛИС, основанных на полиноминальной структуре, при решении задач РК.
Вторая глава посвящена разработке методики расчета коэффициентов широкополосного ресемплера, базирующейся на использовании МНК и
Convex-оптимизации.
При решении задач широкополосного РК использование интерполяционных функций на основе готовых аналитических соотношений, например,
интерполяции Лагранжа, сопряжено с рядом трудностей:
 возникает необходимость предварительного повышения частоты
дискретизации сигнала в 4..8 раз с целью повышения уровня подавления
дискретных копий сигнала (более 75 дБ) на частотах, кратных частоте
дискретизации;
 отсутствует возможность гибкого распределения ресурсов при
реализации на ПЛИС.
Более эффективным путем расчета коэффициентов ресемплера оказывается непосредственная оптимизация АЧХ с применением метода наименьших квадратов (МНК) и поиском оптимального набора коэффициентов с
помощью Convex-оптимизации. Основой расчета служит представление
частотной характеристики ресемплера (с учетом симметрии его коэффициентов) в виде

′
() = ∑ ∑  (, , )
,
(1)
=0 =0
где bmn – вектор коэффициентов ресемплера, M – порядок интерполяции, N
−1
– длина фильтров ресемплера,  ′ = ⌊ ⌋ – длина фильтра с учетом его
2
симметрии, G – весовая матрица, которая задается стандартным образом.
Математически процедура поиска оптимального набора коэффициентов с использованием МНК-метода (L2 – норма), может быть задана
согласно выражению
7
̂ ()|‖
min‖()|() − 

2
,
(2)
где W(ω) – весовая частотная функция, позволяющая задать требования по
магнитуде в области полос пропускания и подавления, сформировать
переходную зону, а также сформировать зоны частичного подавления на
частотах, кратных частоте дискретизации, H(ω) – частотная характеристика
̂ () – частотная характеристика прототипа. При этом
ресемплера, 
применение оптимизации по МНК (L2 – норма) обеспечивает хорошую
обусловленность задачи Convex-оптимизации.
Рекомендуемая методика расчета коэффициентов широкополосного
ресемплера, работающего без предварительного повышения частоты дискретизации, включает:
̂ (), равной
1) формирование частотной характеристики прототипа 
1,0 в области полосы пропускания на частотах от 0 до , где  –
коэффициент близкий к 0,5, например 0,4..0,45 (см. область П1 на рисунке
3) и нулю при значении нормированной частоты, превышающем 1- ;
2) выбор весовой функции W(ω), с помощью которой задается ширина
переходной полосы П2 (см. рисунок 3) и областей, в которых уровень
подавления неважен, П4. В этих областях весовая функция не задается; в
области подавления П3 задается весовой коэффициент, характеризующий
уровень подавления; в задачах широкополосного РК переходная полоса
может принимать значения (0,2..0,1);
3) решение оптимизационной задачи поиска вектора коэффициентов
ресемплера bmn на основе механизма Convex-оптимизации для заданных
значений M и  ′ .
Рисунок 3 – Типовая АЧХ ресэмплера
(П1 – полоса пропускания, П2 – область наложения, П3 – область
подавления, П4 – локальные максимумы на частотах, кратных частоте
дискретизации)
8
Для проверки предлагаемой методики были рассчитаны АЧХ
ресемплеров с полосами пропускания П1=0,8, 0,9, 0,95 (см. рисунок 4),
близкими к пределу Котельникова.
Расчет коэффициентов ресемплера по предлагаемой методике по
сравнению с использованием готовых интерполяционных функций:
1) позволяет осуществлять произвольное изменение частоты дискретизации без предварительного повышения исходной частоты дискретизации и
без существенного, нецелесообразного увеличения аппаратных затрат;
2) обеспечивает выгодное соотношение порядка интерполяции, длины
импульсной характеристики ресемплера и уровня подавлений дискретных
копий сигнала, уровня пульсаций в полосе пропускания и крутизны
наклона характеристики в переходной зоне, что обеспечивает эффективное
использование ресурсов ПЛИС при реализации.
Рисунок 4 – АЧХ ресемплеров в области наложения
(1 – Π1=0,8, 2 – Π1=0,9, 3 – Π1=0,95)
В третьей главе представлена методика энергоэффективной
реализации на ПЛИС широкополосных цифровых фильтров.
Классическая методика реализации КИХ фильтров основана на
использовании только умножителей или только логических элементов. Это
приводит с одной стороны к нерациональным тратам ресурсов ПЛИС, с
другой стороны к повышенному энергопотреблению.
Предлагаемая
методика,
которая
предполагает
совместное
использование логических элементов и аппаратных умножителей ПЛИС,
позволяет снизить энергопотребление КИХ фильтров и перераспределить
потребляемые ресурсы. Она включает следующие этапы:
1) расчет коэффициентов КИХ фильтра с использованием алгоритма
Паркса-Макклеллана с плавающей точкой;
2) представление коэффициентов фильтра в формате CSD (Canonical
signed digital) с использованием специализированного алгоритма; для
9
снижения ресурсоемкости реализации фильтра на ПЛИС используется
известный метаэвристический алгоритм ACO (Ant Colony Optimization);
3) энергоэффективная реализация на ПЛИС фильтра, базирующаяся на
сбалансированном использовании как логических элементов, так и
аппаратных умножителей (рисунок 5).
Рисунок 5 – Совместное использование аппаратных умножителей и
логических элементов при реализации КИХ фильтра на ПЛИС
Для синтезированных фильтров с различным числом отводов (24, 68
и 128) проводился анализ энергоэффективности реализации на ПЛИС. На
основе расчета ненулевых значащих разрядов в каждом коэффициенте,
были построены соответствующие гистограммы и проведен расчет
потребляемой мощности при реализации на ПЛИС – таблица 1 (Mult –
стандартная реализация на аппаратных умножителях, CSD – стандартная
реализация на логических элементах, CSDopt – известная реализация на
логических элементах с применением метаэвристического алгоритма,
CSDmult – предлагаемая реализация). В таблице потребляемая мощность
нормируется относительно значения мощности, потребляемой рекомендуемой
реализацией CSDmult. Сопоставление значений потребляемой мощности
показывает:
1) во всех случаях предлагаемая реализация фильтров оказывается
наиболее энергоэффективной;
2) по отношению к фильтрам, реализуемым на умножителях, рекомендуемая методика проектирования высокоскоростных цифровых фильтров
наиболее эффективна для многоотводных фильтров (с длиной импульсной
характеристики более 100 отсчетов) и несколько менее эффективна для
фильтров с короткой импульсной характеристикой;
10
3) по сравнению с оптимизированным вариантом реализации с использованием CSD предлагаемая методика даёт наибольший выигрыш по
потребляемой мощности для фильтров малого порядка и менее эффективна
для фильтров большой длины.
Таблица 1 – Энергоёмкость протестированных технических решений
Мощность, потребляемая на обработку сигналов,
нормированная по отношению к минимальному значению, %
Способ реализации
Длина фильтра
CSD
CSDopt
CSDmult
Mult
24
119
115
100
150
68
123
110
100
166
128
119
104
100
189
В четвертой главе представлена методика энергоэффективной
реализации на ПЛИС ресемплеров. Эта методика аналогична представленной в
предыдущем пункте методике для реализации фильтров, однако, отличается
методом расчета коэффициентов, который описан во второй главе работы, а
также в ней не используется алгоритм ACO для упрощения структуры
ресемплера. На заключительной стадии методики применяется правило,
регламентирующее использование аппаратных умножителей или построение
умножителя на логических элементах. Основой разработки правила
послужил сравнительный анализ потребляемой мощности для целого набора
вариантов выбора порогового числа ненулевых разрядов (три, четыре, пять)
оптимизированного коэффициента ресемплера, при превышении которого
рекомендуется реализация этого коэффициента на основе аппаратного
умножителя. В таблице 2 представлены результаты сравнительного анализа
различных вариантов реализации реесплера на ПЛИС (Mult – только
умножители, CSD – только логические элементы, Comb3 –структура с
совместным использованием логических элементов и аппаратных
умножителей, порог перехода к которым равен трем ненулевых разрядам,
Comb4 – порог равен четырем ненулевым разрядам, Comb5 – порог равен
пяти). В таблице значения нормируются относительно реализации Comb4.
Методика
энергоэффективной
реализации
широкополосного
ресемплера включает в себя следующие стадии:
1) синтез коэффициентов широкополосного ресемплера на
основании предлагаемой в главе 2 методики;
2) представление коэффициентов ресемплера в формате CSD;
3) энергоэффективная реализация на ПЛИС широкополосного
ресемплера на основании предлагаемого правила совместного
11
использования аппаратных и умножителей, построенных на логических
элементах.
Как следует из полученных результатов, при реализации ресемплера:
1) комбинированная структура при использовании трех и четырех
ненулевых разрядов в качестве критерия перехода от CSD-реализации к
реализации на аппаратных умножителях позволяет добиться значительного
снижения потребляемой ПЛИС мощности как для случая с жесткими
требованиями к АЧХ ресемплера, так и для более мягкого случая Π1=0,8;
2) предпочтительнее использовать порог, равный
четырем
ненулевым значащим разрядам, однако в ряде случаев, когда есть явный
недостаток логических элементов, допустимо использование структуры с
тремя ненулевыми разрядами (при этом, однако, ожидается повышенный на
40…70% расход числа умножителей по сравнению с реализацией для
четырех ненулевых разрядов);
Таблица 2 – Оценка потребляемой мощности для ресемплеров
Порядок
полинома
5
5
7
Нормированное значение потребляемой мощности %
Длина ИХ
ПоРеализация
фильтра
лоса
Mult
CSD
Comb3 Comb4
ресемплера
17
0,8
128
120
101
100
33
0,9
134
118
102
100
49
0,95
126
115
104
100
Comb5
107
109
108
В пятой главе предложен технологический прием, увеличивающий
устойчивость ЦРПУ КРК к помехам в соседних каналах за счет применения
двухэтапного алгоритма многоканальной фильтрации.
Общепринятым решением является классический многоканальный
алгоритм фильтрации, в основе которого лежит БПФ, и блочная обработка с
размером окна (длина импульсной характеристики узкополосного фильтра),
кратным длине БПФ. Основной недостаток классического подхода
заключается в том, что для обеспечения высокой избирательности по
соседнему каналу при широкой полосе анализа и общем числе каналов
более 512 необходимо разрабатывать фильтры с длиной импульсной
характеристики более 8000 отсчетов. Реализация на ПЛИС фильтров с
большим числом отводов обладает высоким энергопотреблением.
Для повышения энергоэффективности реализации на ПЛИС
алгоритма многоканальной фильтрации предлагается двухэтапная
обработка широкополосного колебания. Такая обработка предполагает:
1) на
этапе
предварительной
фильтрации
использование
многоканального фильтра с длиной импульсной характеристики,
уменьшенной приблизительно до
12
≈
−2010(√) − 13
14.6/2( − )
,
(3)
необходимый порядок фильтра зависит от условий проектирования и накладывания зон Найквиста;
2) включение в схему блока канальной фильтрации на
рассчитываемое число каналов с параметрами, удовлетворяющими
неравенству
2 ∙ К
(4)
≥1 ,
( + 1) ∙  ∙ ДК
где N – порядок дополнительного фильтра, L – число каналов, fK – тактовая
частота, на которой работает канальный фильтр, fДК – итоговая частота
дискретизации сигналов в узкополосном канале.
Структурная схема представленного алгоритма фильтрации показана
на рисунке 6.
Рисунок 6 – Структура двухэтапного многоканального фильтра
Для количественной оценки повышения устойчивости к помехам из
соседних каналов на примере обработки сигналов стандарта TETRA
методом математического моделирования были получены представленные
на рисунке 7 графические зависимости коэффициента битовых ошибок
(BER). Зависимости построены для случая точной настройки и частотного
рассогласования в 0.5 и 1 кГц. Частотное рассогласование с таким
значением возникает из-за нестабильности гетеродинов источника и
приёмника сигналов. В условиях сильного частотного рассогласования
применение двухэтапного алгоритма фильтрации позволяет расширить
динамический диапазон по сравнению с классическими решениями более
чем на 10 дБ.
Сравнительный анализ одноэтапной и двухэтапной обработки показывает:
1) реализация на ПЛИС двухэтапного алгоритма снижает затраты
умножителей на 30% и блоков памяти на 40%, и, как следствие, общей
потребляемой блоком фильтрации мощности примерно на 12.5 %;
2) в случае значительного частотного рассогласования двухэтапный
алгоритм обеспечивает расширение динамического диапазона без снижения
коэффициента битовых ошибок более чем на 10 дБ.
13
Рисунок 7 – Динамический диапазон, обеспечиваемый стандартным
фильтром (Ф8192) и решением с дополнительной фильтрацией (Ф3584+К)
В шестой главе представлены рекомендации по разработке
многозадачных
параллельных
алгоритмов
обработки
сигналов,
направленных на выделение идентификационных признаков РЭС.
Энергоэффективная реализация на ПЛИС предлагаемых алгоритмов решает
две основные задачи, возникающие при РК сигналов цифровой связи и
передачи данных – обнаружение и разделение сигналов на основе
классификации параметров. В рамках обработки широкополосных сигналов
предложен алгоритм и энергоэффективная реализация на ПЛИС декодера CCK
(complementary code keying)-сигналов со сниженной в два раза потребляемой
мощностью. Снижение потребляемой мощности удается достигнуть за счет
применения
разработанной
последовательно-параллельной
структуры
декодера с прореживанием по времени.
В заключении приведены основные результаты работы.
14
Основные результаты работы
1) Предложен параллельный многозадачный алгоритм обработки
сигналов, отличающийся по структуре каскадным соединением
широкополосного ресемлера и многоканального фильтра на основе
взвешенного перекрывающегося сложения. Энергоэффективная реализация
на ПЛИС предлагаемого алгоритма предназначена для решения задач РК
путем многозадачной обработки сигналов широкой совокупности
стандартов цифровой связи.
2) Разработана методика синтеза широкополосных ресемлеров,
базирующаяся на использовании МНК и Convex-оптимизации и
отличающаяся от классических отсутствием предварительного повышения
входной частоты дискретизации, что при несущественном увеличении объема
потребляемых ресурсов ПЛИС позволяет обрабатывать широкополосные
сигналы при меньшей тактовой частоте.
3) Разработана методика энергоэффективной реализации на ПЛИС
широкополосных фильтров с конечной импульсной характеристикой и
ресемлеров. Отличие предлагаемой методики от известных заключается в
совместном энергетически сбалансированном использовании аппаратных
умножителей и логических элементов ПЛИС, что позволяет снижать
потребляемую мощность и оптимизировать расход ресурсов ПЛИС.
Предлагаемая методика энергоэффективной реализации КИХ фильтров на
ПЛИС снижает потребляемую мощность на 4-15% по сравнению с
известными решениями, при реализации широкополосных ресемплеров
ожидаемое снижение потребляемой мощности оставляет 15-20%.
4) Предложены рекомендации по увеличению чувствительности и
ширины динамического диапазона ЦРПУ КРК при многоканальной
обработке сигналов за счет применения банка цифровых фильтров с
оптимизированной
импульсной
характеристикой
–
повышение
чувствительности составило 2 дБ, повышение устойчивости к помехам в
соседних каналах – 3-6 дБ.
5) Предложен технологический прием энергоэффективной реализации
на ПЛИС двухэтапного алгоритма многоканальной фильтрации. Двухэтапный
алгоритм повышает устойчивость ЦРПУ КРК к помехам в соседних каналах на
10 дБ по сравнению с ранее предложенными рекомендациями, а
энергетическая эффективность реализации на ПЛИС повышается на 12%.
6) Разработан последовательно-параллельный алгоритм декодирования
сигналов CCK с прореживанием по времени. Энергоэффективность реализации
на ПЛИС алгоритма повышается в два раза по сравнению с известными
реализациями.
15
Основные результаты диссертации опубликованы в следующих
работах
Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ
1.
Спажакин М.И. Применение многоканальных ресэмплеров Фарроу
в задачах радиомониторинга / М.И. Спажакин // Радиотехника. – 2018. –
№7. – С. 29-34.
2.
Спажакин М.И. Энергоэффективная реализация высокоскоростных
КИХ фильтров на ПЛИС / М.И. Спажакин // Цифровая обработка сигналов.
– 2018. – №2. С. 69-74.
3.
Спажакин М.И. Адресный декодер для пеленгования беспроводных
устройств стандарта IEEE802.11b / М.И. Спажакин, А.Б. Токарев //
Цифровая обработка сигналов. – 2017. – №4. С. 51-56.
4.
Спажакин М.И. Двухэтапная обработка сигналов узкополосных
цифровых стандартов связи на основе банка цифровых фильтров / М.И.
Спажакин, С.А. Слинчук, А.Б. Токарев А.Б., П.П. Чураков // Радиотехника.
– 2017. – № 6. – С. 160-165.
5.
Спажакин М.И. Применение алгоритма Герцеля при пеленговании
пакетных сигналов / М.И. Спажакин, А.Б. Токарев // Вестник Воронежского
государственного технического университета. – 2015. – Т.11. № 6. – С. 70-73.
6.
Спажакин М.И. Применение ресэмплера Фарроу в цифровом приемнике пеленгатора мобильных станций GSM // М.И. Спажакин, А.Б. Токарев,
П.П. Чураков // Вестник Воронежского государственного технического
университета. – 2014. – Т. 10. № 6. – С. 64-66.
7.
Спажакин М.И. Синтез нерекурсивных цифровых фильтров без
умножителей / А.В. Муратов, М.И, Спажакин, А.Б. Токарев // Вестник
Воронежского государственного технического университета. – 2014. – Т.
10. № 1. – С. 88-91.
8.
Спажакин М.И. Оценка искажений при передискретизации
цифрового сигнала с использованием фильтра Фарроу / М.И. Спажакин,
В.Д. Репников, А.Б. Токарев // Вестник Воронежского государственного
технического университета. – 2013. – Т. 9. № 6-3. – С. 26-29.
Патенты:
9.
Пат. 2649799 Российская федерация, МПК 51, СПК H04L 7/02
(2006.01); G06F 17/00 (2006.01). Устройство для изменения частоты
дискретизации в многоканальных цифровых мониторинговых приемниках /
М.И. Спажакин, заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Воронежский Государственный Технический Университет». №2015110325 23.03.15;
заявл. 10.10.2016, опубл. 04.04.2018 Бюл. №10
Статьи и материалы конференций:
10.
Спажакин М.И. Разработка энергоэффективных ресэмплеров на
ПЛИС / М.И. Спажакин // Радиолокация, навигация, связь: Сборник трудов
16
XXIV Международной научно-технической конференции. – Воронеж, 2018.
– Т.1. – С. 284-290.
11.
Спажакин М.И. Сравнительный анализ оконных функций, используемых для разработки банков цифровых фильтров многоканальных систем
радиомониторинга / М.И. Спажакин, А.Б. Токарев // Радиолокация, навигация,
связь: Сборник трудов XXIII Международной научно-технической конференции. – Воронеж, 2017. – С. 926-933.
12.
Спажакин М.И. Использование ручных пеленгаторов для решения
задачи адресного пеленгования источников/В.А Козьмин, С.М. Королев,
А.И. Литвинов, Д.С. Радченко, М.И. Спажакин // Радиолокация, навигация,
связь: Сборник трудов XXIII Международной научно-технической
конференции – Воронеж, 2017. – С. 734-740.
13.
Спажакин М.И. Цифровые радиоприемные устройства технических
средств радиомониторинга / А.В. Ашихмин, А.И. Литвинов, П.В. Першин,
А.В. Поляков, А.Р. Сергиенко, М.И. Спажакин, А.Б. Токарев // Спецтехника
и связь. – 2016. – №4. – С.90-97.
14.
Спажакин М.И. Разработка программного продукта для синтеза
быстродействующих структур цифровых фильтров / Спажакин М.И. //
Региональная научная конференция студентов, аспирантов, молодых
ученых «Инновационные технологии на базе фундаментальных научных
разработок – прорыв в будущее» – Воронеж, 2015. – С.253-254.
15.
Spazhakin M.I. Digital receiver for addressed direction finding of
modern communication standards / M.I. Spazhakin, A.B. Tokarev // Control and
Communications (SIBCON), 2015 International Siberian Conference. – OMSK,
2015. – P. 1 – 4.
16.
Спажакин М.И. Реализация ФАПЧ для Wi-Fi 802.11B на ПЛИС /
М.И. Спажакин, А.Б. Токарев, П.П. Чураков // Современные проблемы радиоэлектроники: сб. науч. тр. Всерос. науч.-техн конф. – Красноярск, 2015. –
C. 107–109.
17.
Спажакин М.И. Применение ресэмплера Фарроу в цифровых
мониторинговых приемниках // М.И. Спажакин // Вестник ВоенноВоздушной Академии. – 2014. – Выпуск 2(21). – С.297-300.
18.
Спажакин М.И. Программное обеспечение для оптимизации
цифровых фильтров при их реализации на ПЛИС / М.И. Спажакин //
Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и
практика. – 2014. – Т. 2. № 4-3 (9-3). – С. 262-265.
17
Подписано в печать 19.10.2018 г.
Формат 60  84/16. Бумага для множительных аппаратов.
Усл. печ. л. 1,0. Тираж 80 экз. Заказ № 162.
ФГБОУ ВО “Воронежский государственный технический университет”
394026 Воронеж, Московский просп., 14
18
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа