WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 10 |
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ РЯЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ РАДИОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ В.В. ВИТЯЗЕВ, А.А. ЗАЙЦЕВ ОСНОВЫ МНОГОСКОРОСТНОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ Учебное пособие Рязань 2006 УДК 621.372.542 Основы многоскоростной обработки сигналов: Учеб. пособие. Ч. 2 / В.В. Витязев, А.А. Зайцев; Рязан. гос. радиотехн. ун-т Рязань, 2006. 104 с.

Рассматриваются методы синтеза цифровых систем анализа-синтеза сигналов на основе многоскоростной обработки с применением эффектов прореживания по времени и по частоте. Приводятся классификация и описание методов синтеза банков цифровых фильтровдемодуляторов и наборов полосовых фильтров. Представлена методика оптимального проектирования цифровых систем частотной селекции сигналов. Формулируется постановка задачи прямого и обратного оптимального проектирования на цифровых сигнальных процессорах заданного семейства. Описание методов синтеза и методики оптимального проектирования сопровождается примерами расчета.

Предназначено для студентов дневного отделения, обучающихся по специальностям: 210402 – «Средства связи с подвижными объектами» и 220201 – «Управление и информатика в технических системах». Может быть полезно студентам и аспирантам всех радиотехнических и телекоммуникационных специальностей.

Табл. 13. Ил. 30. Библиогр.: 22 назв.

Сигнал, фильтрация, децимация, интерполяция, метод, алгоритм, оптимизация, цифровая, многоскоростная, оптимальное проектирование.

Печатается по решению редакционно-издательского совета Рязанского государственного радиотехнического университета.

Рецензент: кафедра телекоммуникаций и основ радиотехники РГРТУ (зам. зав. кафедрой, канд. техн. наук С.Л. Соколов) В и т я з е в Владимир Викторович З а й ц е в Алексей Анатольевич Основы многоскоростной обработки сигналов Редактор М.Е. Цветкова Корректор С.В. Макушина Подписано в печать.Формат бумаги 60 х 84 1/16.

Бумага газетная. Печать трафаретная. Усл. печ. л. 6,5.

Уч.-изд. л. 6,5. Тираж 50 экз. Заказ Рязанский государственный радиотехнический университет.

390005, Рязань, ул. Гагарина, 59/1.

Редакционно-издательский центр РГРТУ.

© Рязанский государственный радиотехнический университет, ОГЛАВЛЕНИЕ Глава 1. Цифровые системы частотной селекции сигналов с про- реживанием по времени и по частоте ……………………………… 1.1. Цифровые системы анализа-синтеза и банки фильтров:

постановка задачи, подходы к решению …………………… 1.2. Методы синтеза структуры банка фильтров- демодуляторов во временной области ……………………… 1.2.1. Прямая параллельная форма …………………….. 1.2.2. Прямая параллельная форма с предварительным преобразованием ………………………………………… 1.2.3. Полифазная форма с применением ДПФ ……….. 1.2.4. Пирамидальная форма ……………………………. 1.3. Методы синтеза структуры банка фильтров демодуля- торов в частотной области ………………………………….. 1.3.1. Прямая параллельная форма на основе двойного БПФ ……………………………………………………….. 1.3.2. Многоступенчатая пирамидальная форма ……..... 1.3.3. Кратковременный анализ Фурье с предваритель- ной фильтрацией …………………………………………. 1.4. Методы синтеза структуры банка полосовых фильтров 1.4.1. Прямая форма с предварительным преобразова- нием ……………………………………………………….. 1.4.2. Многоступенчатая пирамидальная форма ………. 1.4.3. Синтез в классе БИХ-цепей ………………………. Глава 2. Оптимальное проектирование цифровых систем и уст- ройств обработки сигналов ………………………………………… 2.1. Введение в оптимальное проектирование цифровых фильтров частотной селекции ………………………………. 2.1.1. Математическая постановка задачи оптимального проектирования …………………………………………... 2.1.2. Формализация задачи оптимального проектиро- вания ………………………………………………………. 2.2. Оптимальное проектирование многоступенчатых структур ЦФ на процессорах обработки сигналов ………… 2.2.1. Постановка и формализация задачи оптимального проектирования ЦФ ……………………………………… 2.2.2. Оптимальный синтез двухступенчатой структу- ры: полифазная и параллельная формы............................ Библиографический список ………………………………………… Глава 1. Цифровые системы частотной селекции сигналов с прореживанием по времени и по частоте 1.1. Цифровые системы анализа-синтеза и банки фильтров: постановка задачи, подходы к решению Цифровые системы анализа-синтеза сигналов и разделители каналов, как было показано в части 1 настоящего учебного пособия [1], строятся на базе однотипных подсистем — набора цифровых полосовых фильтров с равноразнесенными центральными частотами. Из всего множества возможных реализаций подсистем анализа-синтеза, состоящих из набора полосовых фильтров, выделим одну, в одинаковой степени ориентированную на построение как полосных вокодеров, так и трансмультиплексоров — преобразователей вида уплотнения каналов. Общую структурную схему цифровой подсистемы анализасинтеза, опираясь на введенные ранее понятия и обозначения в [1], представим в виде, показанном на рис. 1.1. Подсистема анализа содержит M цифровых фильтров-демодуляторов (ЦФДМ) и M компрессоров, понижающих частоту дискретизации в раз, а подсистема синтеза — M экспандеров, повышающих частоту дискретизации в раз, M цифровых фильтров-модуляторов (ЦФМ) и смеситель (См), объединяющий выходы отдельных каналов в общий выход подсистемы.

Входной сигнал x(nT1) подсистемы анализа состоит из M равноразнесенных по частоте компонент, каждая из которых выделяется квадратурным однополосным фильтром, настроенным на соответствующую полосу частот, и трансформируется в НЧ область с помощью квадратурного демодулятора. Полученная на выходе i -гo фильтра& демодулятора комплексная огибающая yi (nT1) i -й компоненты, занимающая относительно узкую полосу частот, подвергается процедуре прореживания отсчетов сигнала посредством компрессора частоты дискретизации.



Рис. 1.1. Общая структура подсистемы анализа-синтеза Рис. 1.2. Структурная схема цифрового фильтра-демодулятора с использованием: а — квадратурного однополосного фильтра; б — предварительной трансформации в НЧ область Структура ЦФДМ, построенная на базе квадратурного однополосного фильтра (рис. 1.2, а), является не единственным решением проблемы совмещения операций частотной селекции и демодуляции узкополосного сигнала. В представленном на рис. 1.2, б варианте построения структуры ЦФДМ частотной селекции i -й компоненты предшествует преобразование спектра входного сигнала x(nT1) посредством j0in умножения его текущих отсчетов на комплексную функцию e.

Эта операция трансформирует полосу частот i -й компоненты входного сигнала в НЧ область, а последующий двухканальный НЧ фильтр & (НЧФ) выделяет комплексную огибающую i -й компоненты yi (nT1).

Важным достоинством структуры ЦФДМ с предварительной трансформацией спектра входного сигнала является сведение задачи поло совой фильтрации к задаче НЧ фильтрации: вместо M различных полосовых фильтров в каждом канале используется один и тот же НЧ фильтр. Однако подобный подход не всегда дает положительный эффект. Если полосовые фильтры всех M каналов имеют общий вход и работают с одной и той же последовательностью входных данных x(nT1), а следовательно, могут иметь общую память данных (при синтезе в классе КИХ-цепей – цепей с конечной импульсной характеристикой), то НЧ фильтры работают с различными последовательностями комплексных входных данных и соответственно реализация всей подсистемы анализа потребует 2M -кратного увеличения емкости оперативной памяти данных. С другой стороны, подсистема анализа, построенная на базе квадратурных однополосных фильтров, требует 2M -кратного увеличения емкости памяти коэффициентов, а в отдельных случаях, как следствие, и всей емкости памяти программ. Поэтому выбор схемы построения набора ЦФДМ зависит от условий конкретной технической реализации: в одних случаях более жестким оказывается ограничение на емкость оперативной памяти данных, в других — на емкость памяти программ и коэффициентов.

& Сигнал yi (mT2) на входе i -го канала подсистемы синтеза является по существу прореженной комплексной огибающей i -й частотной компоненты формируемого сигнала x*(nT1). Повышение частоты дис& кретизации комплексной огибающей yi (mT2 ) по каждому i -му каналу выполняется экспандером частоты дискретизации путем простого добавления ( -1) нулей между двумя соседними отсчетами. Далее с помощью цифрового фильтра-модулятоpa ЦФМi, работающего на повышенной в раз частоте дискретизации ( fкв1 =fкв2 ), осуществляется & интерполяция отсчетов комплексной огибающей yi (nT1) каждой i -й компоненты выходного сигнала. Полученные значения комплексной &* огибающей yi (nT1) используются для модулирования «поднесущей» частоты 0i, i = 1, M, и формирования M равноразнесенных по частоте компонент xi (nT1) синтезируемого сигнала x*(nT1).

Заметим, что общая структура подсистемы синтеза является дуальной по отношению к структуре подсистемы анализа: одна подсистема получается из другой путем зеркального отображения и изменения направления движения потоков данных на противоположное. Поэтому при исследовании методов построения подсистем анализа-синтеза достаточно ограничиться только одним типом подсистем. В дальнейшем наше внимание будет сосредоточено на исследовании эффективных способов построения подсистем анализа сигналов по двум основным причинам. Во-первых, подсистемы анализа имеют более широкую область применения (достаточно назвать анализаторы спектра и панорамные приемники) и непосредственно отвечают целям и задачам частотной селекции сигналов. Во-вторых, при описании дуальных систем анализа-синтеза в работах других авторов [2, 3, 4] значительно большее внимание уделялось построению подсистем синтеза сигналов.

Задача построения M -канального частотного селектора сигналов (подсистемы анализа) состоит в разработке эффективной структуры набора из M цифровых фильтров-демодуляторов с равноразнесенными центральными частотами полосы пропускания. Считаются заданными частота дискретизации входного сигнала fкв1 и требования частотной избирательности, которые являются однотипными для всех фильтров и описываются следующей совокупностью параметров: показателем узкополосности ; показателем прямоугольности АЧХ ;

допустимой неравномерностью АЧХ в полосе пропускания 1доп ; допустимым уровнем боковых лепестков в зоне непрозрачности 2доп [1].

Проблема заключается в поиске такой структуры набора фильтровдемодуляторов, которая бы не только обеспечивала воспроизведение с заданной точностью требуемых характеристик по каждому частотному каналу, но и отличалась наилучшими показателями в смысле минимизации общих аппаратных затрат, т.е. решала бы поставленную задачу частотной селекции при наименьшем количестве параллельно работающих процессоров обработки сигналов и наименьшем числе СБИС памяти программ и данных.

Описание и сравнительный анализ различных методов синтеза M канального цифрового частотного селектора сигналов проведем для заданных форм представления спектральной структуры входного сигнала, ориентируясь на четыре конкретных примера (рис. 1.3).





Пример 1. Частота дискретизации входного действительного сигнала fкв1 = 10 кГц. Число каналов M = 16. Каждый фильтрдемодулятор ЦФДМi относительно центральной частоты 0i = i / M - / 2M, i = 1, M, имеет следующие параметры частотной избирательности: показатель прямоугольности АЧХ =0,5; показатель узкополосности = 8M =128; допустимые значения отклонений АЧХ 1доп = 10-2 ; 2доп = 10-3.

Рис. 1.3. Спектральная форма представления M -компонентного входного сигнала: а — действительный сигнал с защитным интервалом между каналами; б — то же, без защитного интервала между каналами;

в — комплексный сигнал с защитным интервалом между каналами;

г — то же, без защитного интервала между каналами Пример 2. Частота дискретизации входного действительного сигнала fкв1 = 10 кГц. Число каналов M = 32. Каждый фильтрдемодулятор ЦФДМi относительно центральной частоты 0i = i / M - / 2M, i = 1, M, имеет следующие параметры частотной избирательности: показатель прямоугольности АЧХ =10; показатель узкополосности = 4(1+1/ 2a)M = 42M = 134,4 ; допустимые значения отклонения АЧХ 1доп = 10-2 ; 2доп = 10-3.

Пример 3. Частота дискретизации входного комплексного сигнала fкв1 = 10 кГц. Число каналов M =32. Каждый фильтр-демодулятор ЦФДМi относительно центральной частоты 0i = i2 / M - / M, i = 1, M, имеет следующие параметры частотной избирательности: показатель прямоугольности АЧХ =0,5; показатель узкополосности = 4M =128; допустимые значения отклонений АЧХ 1доп = 10-2 ;

2доп = 10-3.

Пример 4. Частота дискретизации входного комплексного сигнала fкв1 = 10 кГц. Число каналов M =64. Каждый фильтр-демодулятор ЦФДМi относительно центральной частоты 0i = i2 / M - / M, i = 1, M, имеет следующие параметры частотной избирательности: показатель прямоугольности АЧХ =10; показатель узкополосности = 2(1+1/ 2a)M = 2,1M = 134,4 ; допустимые значения отклонений АЧХ 1доп = 10-2 ; 2доп = 10-3.

В примерах 1 и 2 строится система, работающая с действительным входным сигналом, M выделяемых компонент которого занимают полосу частот 0 ( M составляющих, расположенных в полосе частот < < 2 (рис. 1.3, а, б), являются зеркально-симметричными первой группе составляющих и, как следствие, информативно «избыточными»). Для примеров 1 и 3 предполагается, что между соседними частотными каналами имеется «защитный» интервал, ширина которого равна ширине полосы канала (рис. 1.3, а, в), а для примеров 2 и 4 «защитный» интервал занимает незначительную часть полосы канала, что позволяет вдвое увеличить число каналов в том же диапазоне рабочих частот (рис. 1.3, б, г). В примерах 3 и 4 строится система, работающая с комплексным входным сигналом, M выделяемых компонент которого занимают всю полосу частот 0 2. Это обстоятельство дает возможность увеличить вдвое общее число частотных каналов при прочих равных условиях.

Различные методы построения структуры M -канальной системы частотной селекции сигналов отличаются различной эффективностью с позиции минимизации общих вычислительных и аппаратных затрат с ростом числа каналов M. С целью иллюстрации зависимостей оценок затрат на реализацию системы от числа каналов M каждый из представленных выше примеров будет рассмотрен дополнительно для случая увеличения числа M в 32 раза.

Поскольку решается задача синтеза набора из M однотипных фильтров, естественно предположить, что затраты на реализацию всей системы будут расти с ростом числа каналов M. Вопрос только состоит в том, с каким коэффициентом пропорциональности и в какой зависимости от числа каналов M будут расти эти затраты по отношению к затратам на реализацию одного фильтра. Ответ на этот вопрос дают оценки вычислительных затрат и емкости памяти данных, полученные для различных методов синтеза набора фильтров-демодуляторов в известных работах [2, 5, 6, 7]. В настоящей главе дается обобщение этих работ с позиции общей методики анализа, принятой в [1].

Множество подходов к решению задачи построения системы цифровой частотной селекции сигналов (фактически набора фильтровдемодуляторов в рассматриваемом случае) можно разделить на два класса: методы синтеза во временной области и методы синтеза в частотной области (рис. 1.4). При синтезе во временной области каждый фильтр-демодулятор ЦФДМi, i = 1, M, реализуется по одной из структур, представленных на рис. 1.2, как обычный полосовой или НЧ фильтр с импульсной характеристикой hi (nT1), обеспечивающей воспроизведение заданной функции передачи Hi () (синтез рассматривается только в классе КИХ-цепей). При синтезе в частотной области разделению каналов предшествует операция перехода из временной области в частотную с помощью дискретного преобразования Фурье.

Рис. 1.4. Методы синтеза системы цифровой частотной селекции сигналов Прямая параллельная форма построения системы характеризуется тем, что фильтр-демодулятор каждого i -го канала реализуется независимо от других каналов как отдельный фильтр с заданными свойствами частотной избирательности. Так как предполагается, что на выходе фильтра частота дискретизации понижается в раз, общая структура построения каждого i -гo отдельно взятого канала системы полностью совпадает со структурой построения полосового фильтра-дециматора.

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 10 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.