Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России»

3. Анализ банка цифровых фильтров 3.1 Оценка требуемой логической емкости при реализации банка фильтров В ПЛИС SPARTAN-3-200 удалось реализовать максимальное число каналов банка фильтров, равное 128. Данные об использованных ресурсах ПЛИС приведены в табл. 3.1. Попытка реализации в использованной ПЛИС банка фильтров на 256 каналов привела к загрузке ресурсов, показанной в табл. 3.2. Вместить проект в выбранную ПЛИС удалось только исключением операции вычисления мнимой части выходных отсчетов. Табл. 3.1 – Распределение ресурсов ПЛИС для банка фильтров на 128 каналов Логическое использование Занятых Доступных Занятость Общее количество регистров: 1,932 3,840 50% Количество регистров, использованных в качестве flip flop регистров: 1,927     Количество регистров, использованных в качестве защёлок: 5     Количество регистров для 4 входных LUT-блоков: 1,686 3,840 43% Логическое распределение:       Количество занятых вентилей: 1,588 1,920 82% Количество вентилей, включающих только связную логику: 1,588 1,588 100% Количество вентилей включающих несвязную логику: 0 1,588 0% Общее количество для 4 входных LUT-блоков: 2,231 3,840 58% Количество блоков, использованных как логические: 1,686     Количество блоков, использованных как трассировочные: 204     Количество блоков, использованных как сдвигающие регистры: 341     Количество граничных блоков ввода-вывода: 31 173 17% Количество блоков памяти ОЗУ: 11 12 91% Количество умножителей 18X18: 8 12 66% Количество блоков глобальной синхронизации: 2 8 25% Табл. 3.2 – Распределение ресурсов ПЛИС для банка фильтров на 256 каналов Логическое использование Занятых Доступных Занятость Общее количество регистров: 2,890 3,840 75% Количество регистров, использованных в качестве flip flop регистров: 2,882 Количество регистров, использованных в качестве защёлок: 8 Количество регистров для 4 входных LUT-блоков: 2,013 3,840 52% Логическое распределение:       Количество занятых вентилей: 1,880 1,920 97% Количество вентилей, включающих только связную логику: 1,880 1,880 100% Количество вентилей включающих несвязную логику: 0 1,880 0% Общее количество для 4 входных LUT-блоков: 3,248 3,840 84% Количество блоков, использованных как логические: 2,013     Количество блоков, использованных как трассировочные: 130     Количество блоков, использованных как сдвигающие регистры: 1,105     Количество граничных блоков ввода-вывода: 31 173 17% Количество блоков памяти ОЗУ: 12 12 100% Количество умножителей 18X18: 8 12 66% Количество блоков глобальной синхронизации: 2 8 25% 3.2 Оценка параметров реализованного банка фильтров 3.2.1 Анализ искажения выходных сигналов во временной области Оценка искажения мгновенных значений сигнала связанная с нелинейностями преобразований, округлением, шумами и эффектом проникновения сигналов соседних каналов может быть произведена по рис. 3.1 и 3.2. В каналах, в которых отсутствует сигнал в полосе пропускания, уровень выходного сигнала по СКО составляет 0.0008, что меньше -60 Дб. В полосе пропускания синусоидальный гармонический сигнал имеет среднее -0.001, а СКО соответствует СКО гармонического сигнала с амплитудой 0.262 с погрешностью менее 1%. Мгновенные значения выходного гармонического сигнала отличаются от тестового сигнала на величины не превышающие 3%. 3.2.2 Анализ времени переходного процесса На рис. 3.3 представлен график переходного процесса, полученный для нулевого канала. По времени группового запаздывания и характеру переходного процесса график в точности соответствует переходному процессу эталонного КИХ-фильтра. Время реакции на скачкообразное изменение частоты гармонического сигнала показывают рис. 3.4 и 3.5. Это время составляет не более 13 отсчетов. 3.2.3 Анализ скорости работы банка фильтров Тестирование скорости работы банка фильтров проводилось при помощи программы, которая осуществляет передачу тестового сигнала в виде массива размером в 320 Мб, что составляет 83886080 комплексных отсчетов. Полученное время приема/передачи составило около 91 сек, что соответствует скорости обработки в 921825 комплексных отсчетов в секунду. 3.2.4 Анализ АЧХ банка фильтров Частотная характеристика первого канала представлена в линейном масштабе на рис. 3.6, а в логарифмическом масштабе - на рис. 3.8, красным цветом наложена эталонная характеристика, синтезированная в Matlab. Как следует из рисунка, в полосе прозрачности эти характеристики практически совпадают, а в полосе подавления проявляются эффекты округления, что видно в увеличенном масштабе на рис. 3.9. На рис. 3.7 в линейном масштабе показано отличие синтезированной ЧХ от реальной (синяя). Это отличие составляет менее 0.1 дБ. Наложение частотных характеристик смежных каналов иллюстрируют рис. 3.10 (линейный масштаб) и 3.11 (логарифмический масштаб). 3.2.5 Динамический диапазон на выходе банка фильтров При подаче на вход гармонического сигнала с максимальной амплитудой 32767 выходная амплитуда составила 8690. Уменьшение динамического диапазона составило 12 дБ, что видно и по графикам частотных характеристик. Рис. 3.1 – Сигнал на выходе банка фильтров при подаче тестового гармонического сигнала с частотой 5 Гц Рис. 3.2 – Сигнал на выходе банка фильтров при подаче тестового сигнала с линейно нарастающей частотой от 0Гц до 0.2Fs (при Fs=1 МГц) Рис. 3.3 – Переходный процесс в нулевом канале банка фильтров. Рис. 3.4 – Сигнал на выходе банка фильтров (каналы 1 -4) при подаче тестового гармонического сигнала скачкообразно изменяющего частоту каждые 2сек с шагом Fs/K начиная с частоты 1 Гц (при Fs = 10000, K=128) Рис. 3.5 – Сигнал на выходе банка фильтров (каналы 5 -8) при подаче тестового гармонического сигнала скачкообразно изменяющего частоту каждые 2сек с шагом Fs/K начиная с частоты 1 Гц (при Fs = 10000, K=128) Рис. 3.6 – Сравнение практически полученной АЧХ первого канала банка фильтров и теоретически рассчитанной АЧХ (с учетом сдвига и масштабирования по оси y) Рис. 3.7 – Сравнение практически полученной АЧХ первого канала банка фильтров и теоретически рассчитанной АЧХ (с учетом сдвига и масштабирования по оси y), увеличенный фрагмент Рис. 3.8 – Сравнение практически полученной АЧХ первого канала банка фильтров и теоретически рассчитанной АЧХ (с учетом сдвига и масштабирования по оси y), полулогарифмический масштаб Рис. 3.9 – Сравнение практически полученной АЧХ первого канала банка фильтров и теоретически рассчитанной АЧХ (с учетом сдвига и масштабирования по оси y), полулогарифмический масштаб, увеличенный фрагмент Рис. 3.10 – АЧХ банка фильтров – 3 соседних канала (1, 2 и 3) Рис. 3.11 –АЧХ банка фильтров в полулогарифмическом масштабе – 3 соседних канала (1, 2 и 3) Рис. 3.12 – Сигнал на выходе банка фильтров (каналы 33-36). Тестовый сигнал – синусоиды с частотами: 25050, 25250, 24750 и 50100 Гц (при Fs= 100 КГц) Рис. 3.13 – Сигнал на выходе банка фильтров (каналы 65 -68). Тестовый сигнал – синусоиды с частотами: 25050, 25250, 24750 и 50100 Гц (при Fs= 100 КГц) Рис. 3.14 – Сигнал на выходе банка фильтров (каналы 33-36). Зашумленный тестовый сигнал – синусоиды с частотами: 25050, 25250, 24750 и 50100 Гц (при Fs= 100 КГц и соотношении сигнал/шум 0.622) Рис. 3.15 – Сигнал на выходе банка фильтров (каналы 65-68). Зашумленный тестовый сигнал – синусоиды с частотами: 25050, 25250, 24750 и 50100 Гц (при Fs= 100 КГц и соотношении сигнал/шум 0.622) Заключение Рассмотрены задачи, связанные с мониторингом широкого частотного диапазона в различных областях науки и техники. Сформулированы основные требования к БЦФ и проблемы при разработке БЦФ в задачах мониторинга широкого частотного диапазона. Исследованы основные свойства структур и характеристик банков цифровых фильтров. Обоснована необходимость совершенствования эффективности БЦФ, создания методики проектирования алгоритмов и устройств БЦФ, ориентированной на синтез с использованием современной элементной базы – ПЛИС, сигнальных процессоров, вычислителей с технологией CUDA. Показано, что основные характеристики БЦФ в значительной мере определяются числом выполняемых арифметических операций. Изменена схема первичной обработки данных в задачах мониторинга ШЧД. Обоснована целесообразность использования банка цифровых фильтров в задачах мониторинга ШЧД, требующих высокой скорости обработки. Выполнено описание и сравнение различных методов построения банка цифровых фильтров: ДПФ с расширенным весовым окном, КЧП, ВПС, декомпозиция на эмпирические моды. Предложены структура и метод реализации неравнополосного БЦФ с возможностью объединения субполос. Показаны пути сокращения аппаратно-программных затрат при разработке и реализации БЦФ. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Концепция развития отрасли «Связь и информатизация» Российской Федерации. / Под ред. Л.Д. Реймана и Л.Е. Варакина – М. МАС, 2001 г. 340 с. 2. Кох Р., Яновский Г.Г. Эволюция и конвергенция в электросвязи. – М: Радио и связь 2001 г. 280 с. 3. Зубарев Ю.Б., Витязев В.В., Дворкович В.П. Цифровая обработка сигналов – информатика реального времени. Цифровая обработка сигналов. №1, 1999 г., с.5-17. 4. Введение в цифровую фильтрацию. / Под ред. Р. Богнера и А. Константинидиса. Мир 1976 г. 216 с. 5. Айфичер Э., Джервис Б. Цифровая обработка сигналов: практический подход, 2-е издание. : Пер. с англ.– М.: Издательский дом «Вильямс», 2004. – 992 с. : ил. 6. Блейхут Р. Быстрые алгоритмы цифровой обработки сигналов: Пер. с англ. – М.: Мир, 1989. – 448 с., ил. 7. Голд Б., Рэйдер Ч. Цифровая обработка сигналов(с приложением работы Д. Кайзера «Цифровые фильтры»): Пер. с англ. / Под ред. А.М. Трахтмана. – М.: Сов. радио, 1973. – 368 с. 8. Лэм Г., Аналоговые и цифровые фильтры: Расчет и реализация, М.: Мир, 1982. 9. Макклелан Дж., Рейдер Ч. Применение теории чисел в цифровой обработке сигналов. – М.: Радио и связь. 1983 г. 264 с. 10. Оппенгейм А.В., Шафер Р.В. Цифровая обработка сигналов: Пер. с англ. / Под ред. С.Я. Шаца. – М.:Связь, 1979. – 416 с., ил. 11. Рабинер Л., Голд Б. Теория и применение цифровой обработки сигналов.- М.: Мир 1978 г. 848 с. 12. Феттвайс А. Волновые цифровые фильтры: Теория и применение. ТИИЭР т.74 №2 февраль 1986 г. С.35-99. 13. Хемминг Р. Цифровые фильтры. – М. Сов. Радио. 1980 г. 14.Ланнэ А.А., Матюшкин Б.Д., Улахович Д.А. Основы цифровой обработки сигналов: Учеб. пособие.–Спб.: ГУТ. 1998. 15. Гольденберг Л.М., Матюшкин Б.Д., Поляк М.Н. Цифровая обработка сигналов: Справочник. – М.: Радио и связь 1985 г. 312 с. 16. Зубарев Ю.Б., Дворкович В.П. Основные проблемы цифровой обработки изображений и использования цифрового телевидения в России // Электросвязь. 1997 г. № 8. C/6-10. 17. Витязев В.В. Цифровая частотная селекция сигналов – М. Радио и связь. 1993 г. 323с. 18. Куприянов М.С., Матюшкин Б.Д. Цифровая обработка сигналов: процессоры, алгоритмы, средства проектирования. СПб: Политехника. 1999 г. 592с. 19. А.И. Солонина, Д.А. Улахович, С.М. Арбузов, Е.Б. Соловьева, И.И. Гук. Основы цифровой обработки сигналов: Курс лекций.– СПб.: БХВ-Петербург, 2003–608 с. 20. Вайдьянатхан П.П. Цифровые фильтры, блоки фильтров и полифазные цепи с многочастотной дискретизацией: Методический обзор – ТИИЭР т.78 №3 1990 г. с.77-120. 21. Vaidyanathan P.P. Efficient and multiplierless design of FIR filters with vary sharp cutoff via maximally flat building blocks. IEEE Trans. vol. CAS-32, №3,March 1985, p.236-244. 22. Saramaki T., Renfors M. «Nth-band filter design» in Proc EUSIPCO’98 (Rhodos, Greece), p. 1943-1948, September 1998. 23. Fliege N. Multirate digital signal processing: multirate systems, filter banks, wavelets. John Wilcey & sons. 1994. 340 p. 24. Vetterli M. A Theory of multirate filter banks. IEEE Trans. vol. ASSP-35№3 p.336-372 March 1987. 25. Ахмед Н., Рао К.Р. Ортогональные преобразования при обработке цифровых сигналов: Пер. с англ/ Под. ред. И.Б. Фоменко.–М.: Связь, 1980.–248 с., ил. 26. ГОСТ 24375-80 Радиосвязь. Термины и определения. 27. Бендат Дж., Пирсол А. Применения корреляционного и спектрального анализа. – М.Мир. 1983 г. 28. Садовский В. Н. Проблемы философского обоснования системных исследований // Системные исследования: Методологические проблемы. — М.: Наука, 1984. 29. Степанов А.В., Матвеев С.А. Методы компьютерной обработки сигналов систем радиосвязи. - М.: Изд-во "СОЛОН-Пресс", 2003. - 208 с. 30.

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»