Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России»
Скачать 1.16 Mb.
|
| Министерство образования и науки Российской Федерации САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «ЛЭТИ» ИМ. В.И. УЛЬЯНОВА (ЛЕНИНА) УДК 378.14 № госрегистрации 01201273909 Инв.№ УТВЕРЖДАЮ Проректор по научной работе _________ М.Ю.Шестопалов «___»_________ ______ г. ОТЧЕТ О НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЕ В рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы Шифр заявки «2012-1.5-12-000-2010-5546» Соглашение на предоставление гранта от 17.09.2012 г. № 14.В37.21.1240 по теме: Мониторинг широкого частотного диапазона с использованием банков цифровых фильтров на высокопроизводительной аппаратно-программной базе (промежуточный, этап № 1) Наименование этапа: «Исследование свойств алгоритмов построения и структур банков цифровых фильтров (БЦФ) для обработки информации в целях задач мониторинга широкого частотного диапазона (ШЧД), разработка методов и алгоритмов построения и реализации БЦФ для анализа ШЧД»
Санкт-Петербург 2012 СПИСОК ИСПОЛНИТЕЛЕЙ
Реферат Отчет 137 с., 3 ч., 68 рис., 3 табл., 61 источник. БАНК ЦИФРОВЫХ ФИЛЬТРОВ, ШИРОКИЙ ЧАСТОТНЫЙ ДИАПАЗОН, МОНИТОРИНГ, ДПФ С РАСШИРЕННЫМ ВЕСОВЫМ ОКНОМ, КОНВЕЙЕРНОЕ ЧАСТОТНОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ, ВЗВЕШЕННОЕ ПЕРЕКРЫВАЮЩЕЕСЯ СЛОЖЕНИЕ, ДЕКОМПОЗИЦИЯ НА ЭМПИРИЧЕСКИЕ МОДЫ, ДПФ_МОДУЛИРОВАННЫЙ БАНК ФИЛЬТРОВ, ОБЪЕДИНЕНИЕ СУБПОЛОС, НЕРАВНОПОЛОСНЫЙ БАНК ФИЛЬТРОВ, ПРОГРАММИРУЕМЫЕ ЛОГИЧЕСКИЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СХЕМЫ, CUDA Цель работы — повышение производительности, эффективности аппаратно-программных комплексов мониторинга широкого частотного диапазона. Под эффективностью в данном случае понимается уменьшение времени анализа, минимизация вычислительных и аппаратно-программных затрат. Работа была посвящена разработке и исследованию банков цифровых фильтров для решения задач мониторинга широкого частотного диапазона. Рассматриваются различные алгоритмы построения банков цифровых фильтров и способы их программно-аппаратной реализации, учитывающие особенности работы в широком частотном диапазоне, предлагаются способы уменьшения программно-аппаратных затрат при разработке и реализации банков цифровых фильтров, производится анализ систем и областей возможного применения полученных результатов. Результаты проекта предназначены для широкого использования в качестве справочного и практического материала при создании отечественных АПК мониторинга ШЧД. Выработанные критерии для численных методов и подходов к аппаратной реализации могут служить в качестве определяющих при выборе методики проектирования аппаратного обеспечения для критических отраслей науки и техники. Содержание ОПРЕДЕЛЕНИЯ, ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ АПК – аппаратно-програмный комплекс АЦП – аналого-цифровой преобразователь АЧХ – амплитудно-частотная характеристика БПФ – быстрое преобразование Фурье БЦФ – банк цифровых фильтров ВПС – взвешенное перекрывающееся сложение ДПФ – дискретное преобразование Фурье ДЭМ – декомпозиция на эмпирические моды КИХ – конечная импульсная характеристика КЧП – конвейерное-частотное преобразование ОДПФ – обратное дискретное преобразование Фурье ПЗУ – постоянное запоминающее устройство ПЛИС – программируемая логическая интегральная схема ФНЧ – фильтр нижних частот ФЧХ – фазо-частотная характеристика ЦОС – цифровая обработка сигналов ЦПОС – цифровой процессор обработки сигналов ЦФ – цифровой фильтр ШЧД – широкий частотный диапазон ЭМ – эмпирическая мода ВВЕДЕНИЕ В последние годы перед различными военными ведомствами и гражданскими службами все острее встает проблема реализации систем мониторинга широкого частотного диапазона. Многими государственными и коммерческими организациями разных стран был разработан целый ряд аппаратно-программных комплексов (АПК) для решения задач мониторинга широкого частотного диапазона, нашедших применение в системах радиосвязи, технике и промышленности, при исследовании геофизических полей земли и океана. Тем не менее, в отдельных областях эта проблема полностью не решена. До недавнего времени развивались в основном ведомственные системы, основанные на использовании специализированных управляющих процессорных блоков и медленных, по сегодняшним меркам, устройств и алгоритмов цифровой обработки сигналов (ЦОС). Обширное использование АПК широкого частотного диапазона, в их современном виде, началось с появлением и развитием микропроцессорной техники. Сегодняшний день предъявляет новые повышенные требования к функциональности существующих систем, их постоянной модернизации. В связи с постоянно повышающимися требованиями по качеству функционирования, стремительно растёт и сложность различных систем мониторинга широкого частотного диапазона. Это приводит к необходимости полной автоматизации таких систем, внедрения новых средств и методов, позволяющих уменьшить время реакции, аппаратные затраты, повысить скорость, надёжность и стабильность обработки данных. Особенно остро проблемы мониторинга широкого частотного диапазона встают в военной сфере, где одной из самых приоритетных национальных задач является жёсткий контроль радиоэфира, от качества осуществления которого напрямую зависит национальная безопасность. Большинство современных вооружений, так или иначе, используют при своём функционировании радиосигналы различной частоты и длительности, что даёт возможность осуществлять боевые действия бесконтактно, с минимальными потерями. Таким образом, для эффективного ведения боевых действий необходимо обеспечить возможно более полный контроль над радиоэфиром. Это подтверждается и тем фактом, что в последнее время перед началом всех крупных военных операций в зонах будущих боевых действий, по статистике, резко возрастал радиообмен, а все «антитеррористические операции» стран НАТО начинались с обнаружения и полного подавления РЛС противника, после которого активное сопротивление было бессмысленно. Как показывает опыт этих военных конфликтов, установление контроля над радиоэфиром давало одной из противоборствующих сторон подавляющее преимущество. Помимо всего, в военной сфере накладывается ряд дополнительных, довольно жёстких, ограничений на массогабаритные, качественные и надежностные параметры систем мониторинга широкого частотного диапазона, а также на возможность их применения в тех или иных условиях. Так, например, в отдельных случаях запрещено активное сканирование пространства, но при этом все равно необходимо в пассивном режиме оперативно получать информацию об окружающих радиообъектах. Одним из самых главных требований к функционированию комплексов мониторинга широкого частотного диапазона в военной сфере является обеспечение работы таких комплексов в реальном масштабе времени, что приводит к необходимости совершенствования алгоритмов цифровой обработки сигналов, и в первую очередь цифровой фильтрации, в направлении уменьшения времени обработки, минимизации вычислительных и аппаратных затрат. Наблюдающееся в настоящее время бурное развитие телекоммуникационного сектора экономики, наряду с другими тенденциями, характеризуется быстро расширяющимся применением цифровых технологий в действующих и перспективных системах связи, радиовещания, телевидения и т.д. Это связано, прежде всего, с известными преимуществами применения цифровых сигналов: высокой потенциальной помехоустойчивостью, возможностями оптимизации использования частотного спектра, перспективами применения в различных телекоммуникационных и информационных системах универсальных аппаратных и программных решений. Одним из ключевых факторов развития в этом направлении выступает технологический прогресс. Наиболее общую форму оценки прогресса в области микроэлектроники дает «закон Мура» [1, 2]: производительность интегральных схем, измеряемая операциями/сек, и объем памяти в единице площади удваиваются каждые 18 месяцев, а стоимость микросхем при этом уменьшается на 50 %. Современные технологии в микросхемотехнике, в частности, нанотехнологии, стали возможны благодаря развитию средств мониторинга, которое всё время шло в направлении увеличения частотного диапазона и улучшения частотного разрешения. Наноразмеры потребовали разработки новых методов контроля и измерений. Электромагнитные волны уже не отвечали всем требованиям, пришлось перейти на частоты светового диапазона, в результате чего стали активно развиваться методы интерферометрии. Но и этот диапазон частот к настоящему времени пройден. Сейчас нанотехнологичные отрасли науки и промышленности используют такие методы мониторинга, как ядерный магнитный резонанс, электронный парамагнитный резонанс, лазерное сканирование, которые основаны на физических эффектах, использующих свойства частотной избирательности материи. Успехи последних десятилетий в медицине следует отнести, прежде всего, к новым методам диагностики – УЗИ, радиоволновое сканирование, томография, тепловизор. Все это – наблюдение реакции организма на облучение в различных частотных диапазонах. Лучше говорить даже не о диапазонах, а о нескольких частотах, выбранных далеко не всегда из соображений наибольшей контрастности реакций организма, а часто из технических возможностей аппаратуры, поэтому дальнейшее совершенствование такой аппаратуры позволит вывести диагностику болезней на совершенно иной уровень. Соответственно, главное направление совершенствования медицинской аппаратуры мониторинга лежит в области улучшения частотного разрешения и расширения диапазона частот приборов. Всё это стало доступным благодаря достижениям ЦОС, призванной решать задачи приема, формирования, обработки и передачи информации в реальном масштабе времени [3]. Осуществление сложных алгоритмов ЦОС требует, соответственно, применения эффективных базовых алгоритмов ЦОС, в первую очередь, цифровой фильтрации, на которую зачастую расходуется половина имеющихся аппаратных средств. Основная научная проблематика в области цифровой фильтрации заключена в разработке путей преодоления ограничений обусловленных имеющимися ресурсами: возможностями элементной базы, допустимой величиной программно-аппаратных затрат. Методы проектирования цифровых фильтров, объединяющие синтез в спектральной области по заданным величинам рабочих параметров с приемами, учитывающими эти ограничения, позволяют получить решения, близкие к оптимальным в смысле минимизации результирующих затрат и времени анализа. Задача создания эффективных методов цифровой фильтрации в системах мониторинга широкого частотного диапазона, базирующаяся на последних достижениях теории цифровой обработки сигналов, является весьма актуальной, тем более что накопленный опыт разработки и использования процессоров цифровой обработки сигналов (ЦПОС), программируемых логических интегральных схем (ПЛИС), стимулируют создание новых более совершенных и производительных типов этих микросхем, в архитектуре которых должны быть заложены возможности воплощения эффективных алгоритмов ЦОС и, в частности, цифровой фильтрации [4]. Таким образом, в настоящее время существует актуальная научно-техническая проблема разработки методов цифровой фильтрации для задач мониторинга широкого частотного диапазона (ШЧД), обеспечивающих необходимое качество и эффективность обработки. Под эффективностью в данном случае понимается уменьшение времени анализа, минимизация вычислительных и аппаратно-программных затрат. Состояние вопроса в рассматриваемой области характеризуется следующими основными достижениями. Вопросы передачи и обработки дискретных сигналов, включая построение эффективных алгоритмов цифровой фильтрации, рассматривались в работах Э. Айфичера, Р. Блейхута, Б. Голда, Б. Джервиса, А. Константинидеса, Г. Лэма, Дж. Макклелана, А. Оппенгейма, Т. Паркса, Л. Рабинера, Р. Хемминга [4-13]. Заметный вклад в развитие цифровой фильтрации внесли отечественные ученые В.В. Витязев, Л.М. Гольденберг, В.П. Дворкович, А.А. Ланнэ, Б.Д. Матюшкин, А.Б. Сергиенко, А.И. Солонина [14-19]. Публикация работ, посвященных глубокому исследованию отдельных способов увеличения скорости обработки, сокращения сложности алгоритмов цифровой фильтрации [9, 11], свидетельствует о насущной необходимости обобщающего подхода в этом направлении. Обзор результатов новых исследований в данной области показывает, что они могут быть сгруппированы по следующим основным направлениям: – исследование и синтез новых структурных схем цифровых фильтров (ЦФ), обеспечивающих низкую чувствительность характеристик к изменениям коэффициентов ЦФ или полную замену коэффициентов эквивалентными преобразованиями; – разработка новых типов ЦФ, обеспечивающих существенное сокращение времени фильтрации, для реализации которых требуется выполнение уменьшенного объема арифметических операций; – развитие новых методов аппроксимации, постановка и решение новых аппроксимационных задач. Работы первого направления восходят к 1971 году, когда А. Феттвейс опубликовал первую работу, излагающую концепцию волновых фильтров [12]. Важность этого направления обуславливается тем, что структуры с низкой чувствительностью требуют всего нескольких бит в кодовом слове коэффициента и, следовательно, они обеспечивают возможность эффективной реализации ЦФ. Кроме того, в рамках этого подхода был предложен метод синтеза рекурсивных ЦФ в виде параллельного соединения всепропускающих цепей, который оказался очень продуктивным при решении задачи конверсии частоты дискретизации [20]. Обобщающие результаты по синтезу низкочувствительных ЦФ содержатся в работах П. Вадьянатхана [20], в которых волновые, лестничные и ортогональные ЦФ получаются как частные случаи общего подхода. Эффективная реализация ЦФ, требующая уменьшенной величины объема выполняемых арифметических операций, возможна не только за счет уменьшения чувствительности. После появления в 1983 году работы Дж. Макклелана и Ч. Рейдера [9], а в 1985 Р. Блейхута [6] внимание было привлечено к применению для целей уменьшения числа арифметических операций в фильтре специальной организации массивов данных в виде конечных алгебраических структур (групп, колец, полей), что создаёт предпосылки для применения структурных теорем алгебры и теории чисел. Это позволяло строить практически приемлемые алгоритмы, обеспечивающие работу в реальном масштабе времени. Развитие методов аппроксимации связано, прежде всего, с постановкой и необходимостью решения новых задач: – расчетом фильтров с максимально-прямоугольной амплитудно-частотной характеристикой в полосе пропускания и равнопульсирующей в полосе задерживания [21]; – расчетом фильтров при учете одновременных требований как к амплитудно-частотной, так и к фазочастотной характеристикам [22]. Вопросы многоканальной цифровой фильтрации с изменением частоты дискретизации тесно примыкают к задаче собственно конверсии частоты дискретизации. Их сходство и различие неоднократно рассматривались многими авторами, начиная с 1974 года. Наиболее полно рассмотрены два типа структур: многоступенчатая и полифазная. Для них решены апроксимационные задачи с разными типами фильтров, включая нерекурсивные ЦФ с комплексными коэффициентами [17, 23, 24]. Значительно меньше исследованы задачи многоканальной фильтрации без преобразования частоты дискретизации. Работ по многополосной фильтрации с сохранением относительной ширины полосы к настоящему времени практически не представлено, за исключением алгоритма m-октавной фильтрации BIFORE [25]. Следует отметить, что это направление представляется очень перспективным, в силу использования октавной фильтрации в алгоритмах вейвлет-анализа. |
Добавить документ в свой блог или на сайт
Похожие:
 | Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... В рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы | | Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... В рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы |
| Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... В рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы | | Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... В рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы |
| Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... В рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы |  | Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... В рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы |
| Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... В рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы | | Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... В рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы |
| Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... В рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы | | Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... В рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы |
| Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... В рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы | | Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования |
| Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования | | Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования |
| Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования | | Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... «Разработка новых методов индивидуальной коррекции сводно-радикального статуса при бактериальных инфекциях» |
