Методика проектирования и реализации на ПЛИС энергоэффективных устройств обработки сигналов в системах радиоконтроля тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.04, кандидат наук Спажакин, Михаил Игоревич

• Спажакин, Михаил Игоревич
• кандидат наук
• 2018

Оглавление диссертации кандидат наук Спажакин, Михаил Игоревич

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1 ПОИСК АКТУАЛЬНЫХ НАПРАВЛЕНИЙ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ, ПРИМЕНЯЕМЫХ ПРИ ПОСТРОЕНИИ АППАРАТУРЫ РАДИОКОНТРОЛЯ

1.1 Назначение комплексов радиоконтроля и основные требования к ним

1.2 Сигналы современных стандартов беспроводной связи

1.3 Способы изменения частоты дискретизации сигнала в цифровом радиоприемном устройстве

1.3.1 Фильтровой метод изменения частоты дискретизации

1.3.2 Произвольное изменение частоты дискретизации с использованием полиномиального представления сигналов

1.4 Цифровые фильтры в задачах РК и требования к ним

1.4.1 Основные характеристики цифровых фильтров

1.4.2 Синтез коэффициентов КИХ фильтра

1.5 Заключение к главе 1

2 МЕТОДИКА РАСЧЕТА КОЭФФИЦИЕНТОВ ШИРОКОПОЛОСНЫХ РЕСЕМПЛЕРОВ

2.1 Требования, предъявляемые к ресемплерам задачами РК

2.2 Возникновение искажений при изменении частоты дискретизации с использованием полиноминальных ресемплеров

2.3 Структура Фарроу

2.5 Требования к разрабатываемой методике синтеза коэффициентов широкополосного ресемплера

2.6 Синтез коэффициентов широкополосных ресемплеров с использованием МНК

2.6.1 Математическая формализация базисных функций ресемплера

2.6.2 Постановка задачи синтеза коэффициентов ресемплера в частотной области

2.6.3 Расчет коэффициентов ресемплера с использованием МНК

2.6.4 Последовательность действий в методике синтеза коэффициентов широкополосного ресемплера

2.6.5 Пример синтеза коэффициентов ресемплера по предложенной методике

2.7 Заключение к главе 2

3 МЕТОДИКА ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОЙ РЕАЛИЗАЦИИ ШИРОКОПОЛОСНЫХ КИХ ФИЛЬТРОВ НА ПЛИС

3.1 Методы снижения аппаратных ресурсов ПЛИС при реализации КИХ фильтров

3.2 Анализ подходов, применяющихся при разработке КИХ фильтров на ПЛИС без использования умножителей

3.3 Оптимизация структуры фильтра для минимизации потребляемой мощности

3.4 Особенности предлагаемой методики разработки широкополосных фильтров со смешанной структурой

3.4.1 Использование алгоритма ACO

3.4.2 Примеры использования алгоритма ACO для оптимизации коэффициентов КИХ фильтров

3.4.3 Формализация правила аппаратной реализации операций умножения на коэффициенты фильтра

3.4.4 Методика энергоэффективной реализации КИХ фильтров на ПЛИС

3.4.5 Сравнительная оценка полученных результатов

3.5 Заключение к главе 3

4 МЕТОДИКА ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОЙ РЕАЛИЗАЦИИ НА ПЛИС АЛГОРИТМА ПРОИЗВОЛЬНОГО ИЗМЕНЕНИЯ ЧАСТОТЫ ДИСКРЕТИЗАЦИИ

4.1 Анализ предложенных подходов реализации на ПЛИС ресемплеров

4.2 Недостатки известных подходов реализации широкополосных ресемплеров на ПЛИС

4.3 Методика построения энергоэффективных ресемплеров на ПЛИС

4.3.1 Использование умножителей при реализации широкополосных ресемплеров на ПЛИС

4.3.2 Последовательность действий, составляющих методику энергоэффективной реализации ресемплеров на ПЛИС

4.4 Заключение к главе 4

5 ПРИМЕНЕНИЕ МНОГОКАНАЛЬНЫХ АЛГОРИТМОВ ФИЛЬТРАЦИИ В

РЕШЕНИИ ЗАДАЧ РАДИКОНТРОЛЯ

5.1 Классическая структура банка цифровых фильтров

5.2 Ограничения, накладываемые на классическую структуру банка фильтров

5.3 Требования, предъявляемые задачами РК к системе многоканальной фильтрации

5.4 Технологический прием энергоэффективной реализации на ПЛИС многоканальных алгоритмов фильтрации

5.4.1 Модификация структурной схемы обработчика

5.4.2 Расчет коэффициентов фильтра-прототипа

5.4.3 Показатели качества, контролируемые в рамках задачи многоканальной фильтрации

5.4.4 Технологический прием энергоэффективной реализации на ПЛИС многоканального двухэтапного алгоритма обработки ограниченного набора частотных каналов

5.5 Заключение к главе 5

6 ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ, НАПРАВЛЕННАЯ НА ВЫДЕЛЕНИЕ ИДЕНТИФИКАЦИОННЫХ ПРИЗНАКОВ РЭС

6.1 Задачи, возникающие при выделении идентификационных признаков сигналов

6.2 Примеры обработки сигналов цифровой связи и широкополосной передачи данных, направленной на определение идентификационных признаков

6.2.1 Обработка сигналов стандартов узкополосной цифровой беспроводной связи

6.2.2 Обработка сигналов широкополосной передачи цифровых данных

6.3 Заключение к главе 6

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Приложение А. Обзор существующих средств РК - использование анализаторов

спектра и сигналов

Приложение Б. Варианты построения аналогового тракта цифровых

радиоприемных устройств КРК

Приложение В. Патент на изобретение

Приложение Г. Акты внедрения результатов диссертационной работы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методика проектирования и реализации на ПЛИС энергоэффективных устройств обработки сигналов в системах радиоконтроля»

ВВЕДЕНИЕ

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 [1]. Применительно к современным 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 [2]. 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 их автономной работы;

• 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. По аналогии с документом [3] под термином «энергоэффективность» в настоящей работе понимается минимизация энергопотребления реализо-

ванного 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; AnritsuMS2712E, 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. Более подробная информация об особенностях КРК представлена в Приложении А.

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.

Диссертация выполнена в рамках одного из основных научных направлений ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет» «Перспективные радиоэлектронные и лазерные устройства, системы передачи, приёма, обработки и защиты информации» и ГБ НИР 2016.49 «Совершенствование радиотехнических средств приема и передачи 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.

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 многозадачную 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 ПЛИС 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 двухэтап-ного 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, Сотвх-оптимизации [4], метод моделирования и оценки мощности XPower [2]. Сравнение энергетического потребления классических и 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 Соигех-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 сравне-

нию 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 дополнительно 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 цифровых радиоприемных устройств (ЦРПУ) производства НПК АО «ИРКОС» (г. Москва). В частности, ЦРПУ «АРГАМАК-М» обеспечивает возможность аппаратного обнаружения и идентификации сигналов цифровой связи и широкополосной передачи данных, таких как IEEE 802.11, GSM, DECT, TETRA.

Апробация работы

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на XVIII Всероссийской научно-технической 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 и научно-методических семинарах кафедры радиотехники и кафедры конструирования и производства радиоаппаратуры ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет» (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, получен 1 патент РФ на изобретение.

Личный вклад автора состоит в исследовании эффективности применения широкополосных ресемплеров, построенных на основе структуры Фарроу, при решении задачи произвольного изменения частоты дискретизации в аппаратуре РК; в разработке методики энергоэффективной реализации на ПЛИС широкополосных КИХ фильтров и ресемплеров, предназначенных для работы в аппаратуре РК; в разработке методики синтеза коэффициентов широкополосных ресемплеров с использованием МНК и Convex-оптимизации, обеспечивающей заданный уровень вносимых искажений без предварительного повышения частоты дискретизации; в разработке технологического приема энергоэффективной реализации на ПЛИС многоканальных алгоритмов фильтрации с расширенным динамическим диапазоном. Автором предложены структурные схемы многозадачных параллельных широкополосных цифровых обработчиков сигналов цифровой связи, предназначенных для выделения идентификационных признаков ИРИ в режиме реального времени, а также частные технические решения, применяемые при обработке сигналов цифровой связи.

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.

1 ПОИСК АКТУАЛЬНЫХ НАПРАВЛЕНИЙ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ

ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ, ПРИМЕНЯЕМЫХ ПРИ ПОСТРОЕНИИ АППАРАТУРЫ РАДИОКОНТРОЛЯ

В настоящей главе представлена информация о назначении КРК и сформулированы предъявляемые к ним требования. Производительность алгоритмов, применяемых при решении задач РК, должна быть высокой. На практике возникает задача повышения энергетической эффективности аппаратной реализации алгоритмов. В текущей главе рассматриваются подходы, применяемые при разработке и энергоэффективной реализации на ПЛИС основных алгоритмов, покрывающих потребности РК.

1.1 Назначение комплексов радиоконтроля и основные требования к ним

В соответствии с регламентом радиосвязи к главным задачам служб РК относятся [5]:

• «контроль излучений на предмет соблюдения положений, касающихся частотного присвоения;

• наблюдение за полосами частот и измерения занятости каналов;

• расследование случаев помех;

• выявление и устранение источников незаконных излучений». Инструментом решения перечисленных задач служат КРК, обеспечивающие мониторинг радиочастотного спектра, определение видов модуляции радиоизлучений и стандартов, которым подчиняются регистрируемые радиосигналы, измерение и инструментальное оценивание параметров излучений радиоэлектронных средств и (или) высокочастотных устройств [1].

КРК должны

• в режиме реального времени (или близком к нему) осуществлять классификацию (идентификацию) наблюдаемых сигналов и измерение определяемой нормативными документами совокупности параметров сигналов, необходимой для управления использованием радиочастотного спектра;

• быть, насколько это возможно, портативными, энергоэффективными и обеспечивать достаточное время автономной работы (в особенности для мобильного и носимого вариантов исполнения);

• обеспечивать возможность многоканальной записи сигналов;

• обеспечивать возможность демодуляции и декодирования сигналов цифровых стандартов беспроводной связи, в том числе сигналов с пакетной структурой и псевдослучайной перестройкой рабочей частоты.

1.2 Сигналы современных стандартов беспроводной связи

Особенную сложность в процедуру проведения РК вносит тот факт, что совокупность применяемых на практике классов сигналов и стандартов радиосвязи ежегодно расширяется [1].

На технологию обработки сигналов в цифровых обработчиках КРК оказывает существенное влияние ширина спектра принимаемых радиоизлучений.

Среди используемых в настоящее время узкополосных стандартов связи следует, в первую очередь, выделить такие как DMR, TETRA, APCO-P25, GSM, DECT.

Стандарт беспроводной связи DMR [6] имеет ширину канала связи 12,5 кГц, диапазон занимаемых частот от 136 до 174 МГц, от 403 до 470 МГц, от 450 до 527 МГц. В стандарте предусмотрено частотное (FDMA) и временное разделение каналов (TDMA). Символьная скорость стандарта составляет 4,8*10 символов/с. В стандарте применяется четырехпозиционная частотная манипуляция (FSK-4). Длительность одного кадра составляет 60 мс, длительность одного пакета в кадре 30 мс (в стандартном режиме) и 10 мс в режиме обратного канала. Для снижения чувствительности канала связи к помехам применяется помехоустойчивое коди-

рование, используются коды Хэмминга и Рида-Соломона, вычисляется контрольная сумма и производится перемежение.

Стандарт цифровой связи Tetra [6] имеет ширину канала 25 кГц. Для обеспечения множественного доступа используется частотное (FDMA) и временное мультиплексирование (TDMA). Длительность одного временного кадра составляет 56,7 мс, а длительность одного пакета в кадре 14,2 мс. Применяется несмещенная дифференциальная фазовая квадратурная манипуляция (п/4-DQPSK). Символьная скорость равна 18*10 символов/с. Для повышения помехоустойчивости применяется сверточное кодирование, перемежение и скремблирование.

Стандарт APCO-P25 обладает сходными параметрами радио-интерфейса.

Стандарт GSM [7] обладает шириной канала 200 кГц. В основе стандарта лежит частотное (FDMA) и временное разделение каналов (TDMA). Символьная

3 3

скорость имеет несколько значений - 270,833*10 символов/с и 325*10 символов/с. Длительность пакета составляет 576,9 мкс, а длительность временного кадра - 4,8 мс. Данные передаются с использованием Гауссовской манипуляция с минимальным частотным сдвигом (GMSK) или восьмипозиционной фазовой манипуляции (PSK-8). С целью повышения помехоустойчивости канала связи применяется сверточое и блоковое кодирование, перемежение.

Стандарт DECT [8] имеет ширину канала 1,728 МГЦ, занимает диапазон частот 1880-1900 МГц. Стандартом предусмотрено 10 частотных каналов, кроме того присутствует временное разделение каналов (TDMA). Символьная скорость стандарта равна 1,152*106 символов/с. Минимальная длительность пакета составляет 96 мкс. Поддерживается набор различных типов модуляции, среди которых Гауссовская манипуляция с минимальным частотным сдвигом (GMSK), 4-, 16- и 64-позиционная квадратурная манипуляция (QPSK, QAM-16, QAM-64).

Наряду с узкополосными сигналами цифровой связи важными объектами РК оказываются сигналы широкополосной беспроводной передачи данных, занимающие полосы частот шириной несколько десятков мегагерц.

20 МГц, в перспективе планируется переход к полосе 160 МГц [15]. В их основе лежат технологии расширения спектра, такие как прямое расширение спектра (direct sequence spread spectrum DSSS), CCK, OFDM; более сложные (по сравнению с узкополосными стандартами связи) виды модуляции QAM-64,-256, перемежение, помехоустойчивое кодирование, технология MIMO [16]; динамический режим переключения типа модуляции при передаче данных. Длительность пакетов может составлять от нескольких десятков микросекунд до десятков миллисекунд. Например, символьная скорость в стандарте IEEE 802.11 может составлять от 11*106 символов/с до 160*106 символов/с.

Согласно рекомендации МСЭ [17] и работе [18] для эффективного приема и определения идентификационных признаков сигналов при их обработке целесообразно производить демодуляцию и декодирование с использованием частоты дискретизации, пропорциональной символьной скорости соответствующего стандарта цифровой связи. Различие в символьных скоростях для перечисленных стандартов связи указывает на необходимость использования в аппаратуре РК обширной совокупности частот дискретизации, представленной в таблице 1.1.

Таблица 1.1 - Список стандартов связи со значением частот дискретизации

Наименование стандарта цифровой связи или передачи данных Значение частоты дискретизации, МГц

DECT 1,152

IEEE 802.11 11, 20, 40, 80, 160

LTE 1,92, 3,84, 7,68, 15,36, 23,04, 30,72

UMTS 3,84

1.3 Способы изменения частоты дискретизации сигнала в цифровом радиоприемном устройстве

Изменение частоты дискретизации сигналов можно обеспечить за счет вариации тактовой частоты аналого-цифрового преобразователя (АЦП); структурная схема подобного цифрового радиоприемного устройства (ЦРПУ) представлена на рисунке 1.1. Аналоговый тракт такого устройства должен содержать набор фильтров, которые ограничивают полосу сигнала. Необходимость использования большого набора аналоговых фильтров является существенным недостатком подобного технического решения [18]. Кроме того, единственная частота дискретизации предполагает, что на каждом конкретном интервале времени КРК будет способен осуществлять обработку сигналов лишь в соответствии с одним, возможно несоответствующим фактическому сигналу стандартом связи.

Рисунок 1.1 - Структурная схема ЦРПУ с изменяемой тактовой частотой АЦП

Альтернативный подход предполагает использование фиксированной тактовой частоты АЦП и изменение частоты дискретизации сигнала цифровыми методами в ПЛИС (рисунок 1.2). При таком подходе аналоговый тракт, подробное описание особенностей которого представлено в Приложении Б, содержит один фильтр промежуточной частоты (ПЧ) с определенной заранее полосой пропускания

и центральной частотой (на рисунке 1.2 аналоговая часть тракта обработки не показана для упрощения рисунка), что обеспечивает высокую избирательность приемника по побочным каналам приема и стабильность его характеристик [18]. Использование набора ресемплеров, позволяет осуществлять параллельную обработку потока данных для нескольких стандартов связи с различными частотами дискретизации - поддержка многозадачности. При обнаружении одним из обработчиков сигналов соответствующего стандарта связи производится декодирование идентификационных признаков.

Рисунок 1.2 -Структурная схема ЦРПУ с параллельным набором ресемплеров

и цифровых многозадачных обработчиков

Модификация структурной схемы многоканального обработчика для обработки узкополосных сигналов цифровой связи представлена на рисунке 1.3. Основное ее отличие от схемы на рисунке 1.2 заключается в наличии дополнительного многоканального фильтра, реализованного с использованием полифазного быстрого преобразования Фурье (БПФ) [20]. Такая модификация алгоритма многозадачной обработки позволяет существенно расширить сферу применения мно-

гоканальных фильтров при обработке узкополосных сигналов беспроводной цифровой связи.

Рисунок 1.3. - Структурная схема параллельной многозадачной обработки узкополосных сигналов цифровой связи

Следует выделить несколько целеполагающих направлений, в рамках которых ведется разработка высокопроизводительных обработчиков, представленных на рисунках 1.2 и 1.3:

1) поддержка параллельной многозадачной обработки в режиме реального времени;

2) поддержка различных стандартов связи одним аппаратно-программным КРК в режиме параллельной обработки;

3) обеспечение энергоэффективности реализации обработчика на ПЛИС, применяющегося при решении задач поиска сигналов и оценки их параметров;

4) минимизация требований к ресурсам ПЛИС и обеспечение возможности реализации цифровых обработчиков на ПЛИС с невысокими вычислительными возможностями.

1.3.1 Фильтровой метод изменения частоты дискретизации

В ходе процесса изменения частоты дискретизации по значениям отсчетов на исходной частоте дискретизации происходит расчет значений сигнала на новой частоте дискретизации ¥82. Отношение Я=¥82/¥81 принято называть множителем конверсии.

В ситуациях, когда множитель конверсии может быть представлен в виде Я=Ь/М, где Ь и М- целые числа, значения которых не превышают 10, как правило, используют фильтровой способ изменения частоты дискретизации, предполагающий переход с одной частоты дискретизации на другую посредством применения операций децимации и интерполяции (т.е. снижения и повышения частоты дискретизации в целое число раз). Достоинства данного подхода заключаются в следующем:

• наличие эффективных схем реализации фильтров на ПЛИС в смысле использования доступных ресурсов, сниженного энергопотребления, а также быстродействия (формальное повышение частоты дискретизации не означает реального повышения тактовой частоты обработки сигналов в ПЛИС, а требует лишь выбора определенным образом нужных отсчетов [20]);

• возможность упрощенной оценки уровня вносимых искажений, которая определяется амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) КИХ фильтра в рамках классической теории цифровой обработки сигналов.

Однако у такого метода изменения частоты дискретизации цифрового сигнала существует и ряд недостатков:

• использование многокаскадных преобразований, сопровождающееся ростом порядка фильтров при высокой степени некратности соотношения частот (к

п 125 5 5 5 -

примеру, множитель конверсии к= — ------требует трехкаскадной реализации, а

128 4 4 8

75 5

— ^^ -15 предполагает значительную кратность интерполяции и децимации, что весьма непросто реализовать с помощью набора аппаратных модулей ПЛИС);

• сложность осуществления точной тактовой синхронизации для повышения чувствительности приемника;

• сложность осуществления обработки большого числа стандартов с набором различных частот дискретизации одновременно в одном устройстве.

1.3.2 Произвольное изменение частоты дискретизации с использованием полиномиального представления сигналов

Для изменения частоты дискретизации с произвольным множителем конверсии используют принципиально иной подход, основанный на полиномиальном представлении исходного цифрового сигнала в непрерывном виде [18]. Полиноминальный подход к ресемплингу обладает рядом достоинств:

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Спажакин, Михаил Игоревич, 2018 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Концепция развития системы контроля за излучениями радиоэлектронных средств и (или) высокочастотных устройств гражданского назначения в Российской Федерации на период до 2025 года [Электронный ресурс]: утверждена решением ГКРЧ от 4 июля 2017 № 17-42-06. - Режим доступа: https://minsvyaz.ru/ru/documents/5659/ (3.10.2018).

2. Anderson, J. H. Power estimation techniques for FPGAs / J.H. Anderson, F.N. Najm // IEEE Transactions on Very Large Scale Integration (VLSI) Systems. - 2004. - Vol. 12. № 10. - P. 1015 - 1027.

3. Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской федерации [Электронный ресурс]: федер. закон от 23.11.2009 №261-Ф3. - Режим доступа: http://www.consultant.ru/document/cons doc LAW 93978/ (3.10.2018).

4. Boyd, S. Convex Optimization / S. Boyd, L. Vandenberghe. - Cambridge, UK: Cambridge University Press, 2004. - 730 p.

5. Необходимые требования к системе контроля за использованием спектра в развивающихся странах [Электронный ресурс]: рекомендация МСЭ-R SM.1392-2, Женева, 2011 г. - Режим доступа: https://www.itu.int/dms pubrec/itu-r/rec/sm/R-REC-SM.1392-2-201102-I!!PDF-R.pdf (3.10.2018).

https://www.etsi.org/deliver/etsi t; 236101v020201p.pdf (3.10.2018).

7. Terrestrial Trunked Radio (TETRA); VoiceplusData(V+D); Part 2: Air Interface (AI) [Электронный ресурс]: ETSI EN 300 392-2 V2.3.2 (2001-03). - Режим доступа: https://www.etsi.org/deliver/etsi en/300300 300399/30039202/02.03.02 60/en 3 0039202v020302p.pdf (3.10.2018).

8. GSM/EDGE Physical layer on the radio path; General description [Электронный ресурс]: 3GPP TS 45.001 (2016-08). - Режим доступа: https://portal.3gpp.org/desktopmodules/Specifications/SpecificationDetails.aspx?s pecificationId=2705 (3.10.2018)

9. Digital Enhanced Cordless Telecommunications (DECT); Common Interface (CI); Part 2: Physical Layer (PHL) [Электронный ресурс]: ETSI EN 300 175-2 V.2.4.0 (2011-12). - Режим доступа:

https://www.etsi.org/deliver/etsi en/300100 300199/30017502/02.04.00 40/en 3 0017502v020400o.pdf (3.10.2018).

10. 802.11ac-2013 - Local and metropolitan area networks - Specific requirements - Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications - Amendment 4: Enhancements for Very High Throughput for Operation in Bands below 6 GHz [Электронный ресурс]: IEEE Standard for Information technology - Telecommunications and information exchange between systems. - Режим доступа: https://ieeexplore.ieee.org/document/7797535 (3.10.2018).

11. IEEE P802.11ax™/DL4, Part 11: "Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications, Amendment 6: Enhancements for High Efficiency WLAN", August 2017.

12. IEEE P802.11ah™/D10.0, Part 11: "Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications, Amendment 2: Sub 1 GHz License Exempt Operation", September 2016.

13. LTE; Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Physical channels and modulation (3GPP TS 36.211 version 14.2.0 Release 14) [Электронный ресурс]: ETSI TS 136 211 V14.2.0 (2017-04). - Режим доступа: https://www.etsi.org/deliver/etsi ts/136200 136299/136211/14.02.00 60/ts 1362 11v140200p.pdf (3.10.2018).

14. Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Physical channels and modulation [Электронный ресурс]: 3GPP TS 36.211 (2018-09). - Режим доступа: https://portal.3gpp.org/desktopmodules/Specifications/SpecificationDetails.aspx7s pecificationId=2425 (3.10.2018).

15. Frequency Sharing for Radio Local Area Networks in the 6 GHz Band January 2018 Version 3

16. Стандарты радиоинтерфейса для систем широкополосного беспроводного доступа подвижной службы, включая мобильные и кочевые применения, действующих на частотах ниже 6 ГГц [Электронный ресурс]: Рекомендация МСЭ-RSM. 1801-2, Женева, 2014. - Режим доступа: https://www.itu.int/dms pubrec/itu-r/rec/m/R-REC-M.1801-2-201302-I! !PDF-R.pdf (3.10.2018).

17. Техническая идентификация цифровых сигналов [Электронный ресурс]: Рекомендация МСЭ-^М.1600-1, Женева, 2013. - Режим доступа: https://www.itu.int/dms pubrec/itu-r/rec/sm/R-REC-SM.1600-1-201209-S!!PDF-R.pdf (3.10.2018).

18. Hentschel, T. Sample Rate Conversion for Software Configurable Radio / T. Hentschel. - Norwood, USA: Artech House, 2002. - 284 p.

19. Tsui, J. B. Digital techniques for wideband receivers / J. B. Tsui. - Edison, USA: SciTech Publishing, 2004. - 608 p.

20. Harris, F. J. Multirate Signal Processing for Communication Systems / F. J. Harris. - NJ, USA: Prentice Hall PTR, 2004. - 496 p.

21. Определения системы радиосвязи с программируемыми параметрами (SDR) и системы когнитивного радио (CRS) [Электронный ресурс]: Рекомендация МСЭ-R SM.2152, Женева, 2010. - Режим доступа: https://www.itu.int/dms pub/itu-r/opb/rep/R-REP-SM.2152-2009-PDF-R.pdf (3.10.2018).

22. Franck, A. Arbitrary sample rate conversion with resampling filters optimized for combination with oversampling/ F. Franck // Workshop on Applications of Signal Processing to Audio and Acoustics (WASPAA). - 2011. Pp. - 149-152.

23. Vesma, J. A frequency-domain approach to polynomial-based interpolation and the Farrow structure/ J. A. Vesma // IEEE Transactions on Circuits and Systems II: Analog and Digital Signal Processing. - 2000. - №3. - Pp. 206-209.

24. Evangelista, G. Impulse response approximation for arbitrary sampling rate con-version/ G. Evangelista // 10th European Signal Processing Conference (EUSIP-CO). - 2000. - Pp. 1-4.

25. Lehtinen, V. Analysis of rational sample rate conversion using image response combining/ V. Lehtinen, M. Renfors // Proceedings of the 2003 International Symposium on Circuits and Systems ISCAS. - 2003. - Vol. 4. - Pp. - 325-328.

26. Oppenheim, A. V. Discrete-Time Signal Processing/ A. V. Oppenheim, R. W. Schafer. - NJ, USA: Prentice Hall PTR, 2009. - 1120 p.

27. Tarczynrsky, A. WLS design of variable frequency response FIR filters/ A. Tar-czynrsky, G. D. Cain, E. Hermanowicz, M. Rojewski // Proceedings of the 1997 IEEE International Symposium on Circuits and Systems. - 1997. - Pp. 22242247.

28. Parks, T. A program for the design of linear phase finite impulse response digital filters/ T. Parks, J. McClellan // Audio and Electroacoustics, IEEE Transactions. -1972. - № 3 - Pp. 195-199.

29. Спажакин, М.И. Двухэтапная обработка сигналов узкополосных цифровых стандартов связи на основе банка цифровых фильтров/ М.И. Спажакин, С.А. Слинчук, А.Б. Токарев, П.П. Чураков // Радиотехника. 2017. - №6. - С. 160-165.

30. Deng, T. B. Discretization-free design of variable fractional-delay FIR digital filters/ T. B. Deng // IEEE Transactions on Circuits and Systems II: Analog and Digital Signal Processing. - 2001. - №6. - Pp. 637-644.

31. Crochiere, R. E. Multirate Digital Signal Processing/ R. E. Crochiere, L. R. Rabiner. - NJ, USA: Prentice-Hall, 1983. - 411 p.

32. Franck, A. A closed-form description for the continuous frequency response of Lagrange interpolators/ A. Franck and K. Brandenburg // IEEE Signal Processing Letters. - 2009. - №,7. - Pp. 612-615.

33. Franck, A. An overall optimization method for arbitrary sample rate converters based on integer rate SRC and Lagrange interpolation/ A. Franck and K. Brandenburg // IEEE Workshop on Applications of Signal Processing to Audio and Acoustics (WASPAA). - 2009.

34. Franck, A. A parallel linear-complexity implementation structure for Lagrange interpolation/ A. Franck // International Conference on Green Circuits and Systems ICGCS, - 2010. - Pp. 158-163.

35. Agarwal, A. Lagrange's polynomial based farrow filter implementation for SDR/ A. Agarwal, L. Boppana, R. Kishore Kodali // 2014 IEEE REGION 10 SYMPOSIUM. - 2014. - Pp. 269 - 274.

36. Gardner, F.M. Interpolation in digital modems - Part I: Fundamentals/ F. M. Gardner // IEEE Transactions on Communications. - 1993. - №23. - Pp. 501-507.

37. Vesma, J. Polynomial-based interpolation filters - Part I: Filter synthesis/ J. Vesma T. Saramaki // Circuits Systems Signal Processing. - 2007. №2. - Pp. 115-146.

38. Franck, A. Efficient Algorithms for Arbitrary Sample Rate Conversion with Application to Wave Field Synthesis: PhD Dissertation/ Franck Andreas. - Technical University Ilmenau, Germany, 2012. - 269 p.

39. Shannon, C. E. Communication in the presence of noise/ C.E. Shannon // Proceedings of the IRE. - 1949 №1. - Pp. 10-21. Reprinted in: Proceedings of the IEEE,86(2) Pp. 447-457.

40. Jerri, A. J. The Shannon sampling theorem - its various extensions and applications: a tutorial review/ A. J. Jerri // Proceedings of the IEEE. - 1977. - № 11. -Pp. 1565-1596.

41. Meijering, E. A chronology of interpolation: From ancient astronomy to modern signal and image processing/ E. Meijering // Proceedings of the IEEE. - 2002. -№3. - Pp. 319-342.

42. Unser, M. Sampling - 50 years after Shannon/ M. Unser // Proceedings of the IEEE. - 2000. - №4. Pp. 569-587.

43. Котельников, В. А. О пропускной способности эфира и проволоки в электросвязи/ В. А. Котельников // Всесоюзный энергетический комитет материалы к I Всесоюзному съезду по вопросам технической реконструкции дела связи и развития слаботочной промышленности. - 1933. Репринт статьи в журнале УФН. №7. - 2006. С. 762-770.

44. Ghadam, A. S. H. Implementation of Farrow structure based interpolators with subfilters of odd length/ A. S. H. Ghadam, D. Babic, V. Lehtinen, M. Renfors // Proceedings of the 2004 International Symposium on Circuits and Systems, IS-CAS '04. - 2004. - vol. 3. - Pp. 581-584.

45. Vesma, J. Optimization and Applications of Polynomial-Based Interpolation Filters: PhD Dissertation/ Vesma Jussi. Tampere University of Technology, Department of Information Techhnology, Tampere, Finland. - 1999. - 151 p.

46. Agarwal, A. A fractional sample rate conversion filter for a software radio receiver on FPGA/ A. Agarwal, L. Boppana, R. Kishore Kodali // TENCON 2014 -2014 IEEE Region 10 Conference. - 2014. - Pp. 1 - 6.

47. Siddiqi, M.A. FPGA-based Implementation of Efficient Sample Rate Conversion for Software Defined Radios/ M. A. Siddiqi, N. Samad, S. Masud, F. Sheikh // 2010 10th IEEE International Conference on Computer and Information Technology. - 2010. - Pp. 2387 - 2390.

48. Liu, X. Design and FPGA Implementation of a Reconfigurable 1024-Channel Channelization Architecture for SDR Application/ X. Liu, Z. Wang, Q. Deng // IEEE Transactions on Very Large Scale Integration (VLSI) Systems. - 2016. -Vol. 24, №7. - Pp. 2449 - 2461.

49. Farrow, C. A continuously variable delay element/ C. Farrow // 1988 IEEE International Symposium on Circuits and Systems. - 1988. - №2.3. - Pp. 2641-2645.

50. Vesma, J. Interpolation filters with arbitrary frequency response for all-digital receivers/ J. Vesma // 1996 IEEE International Symposium on Circuits and Systems ISCAS '96. - 1996. - №2. - Pp. 568-571.

51. Vesma, J. Design and properties of polynomial-based fractional delay filters/ J. Vesma and T. Saramaki // Proceedings of the 2000 IEEE International Symposium on Circuits and Systems. - 2000. - №1. - Pp. 104-107.

52. Schafer, R.W. A digital signal processing approach to interpolation/ R. W. Schafer and L. R. Rabiner // Proceedings of the IEEE. - 1973. №6. - Pp. 692-702.

53. Tarczynski, A. Sample rate conversion using fractional-sample delay/ A. Tarczyn-ski, W. Kozinski, G. Cain // Proceedings of the 1994 International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing ICASSP-94. - 1994. - №3. Pp. 285-288.

54. Цифровая передискретизация сигналов на основе полиномиальной интерполяции. Фильтр Фарроу [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://ru.dsplib.org/content/resampling lagrange/resampling lagrange.html (3.10.2018).

55. Niemitalo, O. Polynomial Interpolators for High-Quality Resampling of Oversampled Audio [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://yehar.com/blog/wp-content/uploads/2009/08/deip.pdf (3.10.2018)

56. 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.

57. Спажакин, М.И. Применение ресемлера 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.

58. Berrut, J. P. Barycentric Lagrange interpolation/ J.P. Berrut, L. N. Trefethen // SIAM Review. - 2004. - №3. - Pp. 501-517.

59. Davidson, T. Linear matrix inequality formulation of spectral mask constraints with applications to FIR filter design/ T. Davidson, Z.-Q. Luo, J. Sturm // IEEE Transactions on Signal Processing. - 2002. - №11. Pp. - 2702-2715.

60. Davidson, T. Enriching the art of FIR filter design via convex optimization/ T. Davidson // IEEE Signal Processing Magazine. - 2010. - №3. - Pp. 89-101.

61. Rabiner, L. R. Linear program design of finite impulse response (FIR) digital filters/ L. R. Rabiner // IEEE Transactions on Audio and Electroacoustics. - 1972.

- №4. - Pp. 280-288.

62. Saramaki, T. Finite impulse response filter design: handbook for Digital Signal Processing / T. Saramaki in S. K. Mitra and J. F. Kaiser editors - JohnWiley & Sons, 1993. - 278 p.

63. Спажакин, М.И. Применение многоканальных ресемлеров Фарроу в задачах радиомониторинга / М.И. Спажакин // Радиотехника. - 2018. - №7. - С. 29-34.

64. Grant, M. Disciplined Convex Programming: PhD Dissertation/ Michael Grant. Stanford University, CA, USA. - 2004. - 155 p.

65. CVX: Matlab Software for Disciplined Convex Programming [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://cvxr.com/cvx/ (3.10.2018)

66. Streamlining Digital Signal Processing: A Tricks of the Trade Guidebook / Edited by Richard G. Lyons. John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey. - 2007.

- 496 p.

67. Coleman, J. O. Integer-coefficient FIR filter sharpening for equiripple stopbands and maximally flat passbands/ J. O. Coleman // 2014 IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS). - 2014. - Pp. 1604 - 1607.

68. Ascari, L. Low Power Implementation of a Sigma Delta Decimation Filter for Cardiac Applications/ L. Ascari // IEEE Instrumentation and Measurement Technology Conference. - 2001. - Pp.750 - 755.

69. Lyons, R. Interpolated Narrowband Lowpass FIR Filters/ R. Lyons // IEEE Signal Processing Magazine: DSP Tips and Tricks Column. - 2003. - vol. 20, №1. Pp. 50 - 57.

70. Joseph, P. L. A paradigm of distributed arithmetic (DA) approaches for digital FIR filter/ P. L. Joseph, T. Vigneswaran // 2016 International Conference on Electrical, Electronics, and Optimization Techniques (ICEEOT). - 2016.

71. Khan, S. Low power FIR filter implementation on FPGA using parallel Distributed Arithmetic/ S. Khan, Z. A. Jaffery // 2015 Annual IEEE India Conference (INDICON)/ - 2015. Pp. 1-5.

72. Samueli, H. An Improved Search Algorithm for the Design of Multiplierless FIR Filters with Powers-of-Two Coefficients/ H. Samueli // IEEE Trans. Circuits and Systems. - 1989. - Vol.36, №.7. Pp. 1044-1047.

73. Takahashi, N. Design of CSD coefficient FIR filters based on branch and bound method/ N. Takahashi and K. Suyama // Proc. of ISCIT2010. - 2010. - Pp.575-578.

74. Спажакин, М.И. Энергоэффективная реализация высокоскоростных КИХ фильтров на ПЛИС // Цифровая обработка сигналов. - 2018. - №2. - С. 69-74.

75. Sasahara, T. Verification of search process in CSD coefficient FIR filter design/ T. Sasahara, K. Suyama // 2016 International Symposium on Intelligent Signal Processing and Communication Systems (ISPACS). - 2016.

76. Kodek, D. Design of optimal finite wordlength FIR digital filters using integer programming techniques/ D. Kodek // Acoustics, Speech and Signal Processing, IEEE Transaction. - 1980. - Vol. 28, №. 3, Pp. 304-308.

77. Lim, Y. FIR filter design over a discrete powers-of-two coefficient space/ Y. Lim, S. Parker // Acoustics, Speech and Signal Processing, IEEE Transactions. - 1983. - Vol. 31, №3. - Pp. 583-591.

78. Lim, Y. Design of discrete-coefficient-value linear phase FIR filters with optimum normalized peak ripple magnitude/ Y. Lim // Circuits and Systems, IEEE Transactions. - 1990. - Vol. 37, №12. - Pp. 1480-1486.

79. Khoo K.-Y. A programmable FIR digital filter using CSD coefficients/ K.-Y. Khoo, A. Kwentus, A.N. Willson // IEEE Journal of Solid-State Circuits. - 1996. Pp. 869 - 874.

80. Suzuki K. A design of FIR filter using CSD with minimum number of registers/ K. Suzuki, H. Ochi, S. Kinjo // Proceedings of APCCAS'96 Asia Pacific Conference on Circuits and Systems - 1996. Pp. 227 - 230.

81. Bull D. Primitive operator digital filters/ D. Bull, D. Horrocks // Circuits, Devices and Systems, IEE Proceedings. - 1991. - Vol. 138, №3. - Pp. 401-412.

82. Potkonjak M. Multiple constant multiplications: efficient and versatile framework and algorithms for exploring common subexpression elimination/ M. Potkonjak, M. Srivastava, and A. Chandrakasan // Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems, IEEE Transactions. - 1996. - Vol. 15, №2 - Pp. 151-165.

83. Dempster A. Use of minimum-adder multiplier blocks in FIR digital filters/ A. Dempster, M. Macleod // Circuits and Systems II: Analog and Digital Signal Processing, IEEE Transactions. - 1995. - Vol. 42, №9. - Pp. 569-577.

84. Yu Y. Optimization of Linear Phase FIR Filters in Dynamically Expanding Subexpression Space/ Y. Yu, Y. Lim // Circuits, Systems and Signal Processing. -2010. - Vol. 29, №.1. - Pp. 65-80.

85. Yao C.-Y. Designing Hardware-Efficient Fixed-Point FIR Filters in an Expanding Subexpression Space/ C.-Y. Yao, W.-C. Hsia, Y.-H. Ho // Circuits and Systems I: Regular Papers, IEEE Transactions. - 2014. - Vol. 61, №. 1 - Pp. 202-212.

86. Ye W. B. Two-Step Optimization Approach for the Design of Multiplierless Linear-Phase FIR Filters/ W. B. Ye, Y. J. Yu // Circuits and Systems I: Regular Papers, IEEE Transactions. - 2015. - Vol. 62, №5 - Pp. 1279-1287.

87. Arie Y. Evolutionary stagnation avoidance for design of CSD coefficient FIR filters using GA/ Y. Arie, K. Suyama // Proc. of ITC-CSCC 2016. - 2016.

88. Baudin R. Design of FIR Filters with Sum of Power-of-Two Representation Using Simulated Annealing/ R. Baudin, G. Lesthievent // 2014 7th Advanced Satellite Multimedia Systems Conference and the 13th Signal Processing for Space Communications Workshop (ASMS/SPSC). - 2014.

89. Sasahara, T. An ACO approach for design of CSD coefficient FIR filters/ T. Sasahara, K. Suyama // Proc. of APSIPA ASC 2015. - 2015. - Pp. 463-468.

90. Imaizumi, T. An effective allocation of non-zero digits for CSD coefficientFIR filters using 0-1 PSO/T. Imaizumi, K. Suyama // 2013 Asia-Pacific Signal and Information Processing Association Annual Summit and Conference. - 2013.

91. Sasahara, T. Search process in metaheuristics for CSD coefficient FIR filter design/ T. Sasahara, K. Suyama // 2016 Asia-Pacific Signal and Information Processing Association Annual Summit and Conference (APSIPA). - 2016.

92. Dorigo, M. Ant colony optimization: a new meta-heuristic/ M. Dorigo, G. D. Caro // Proc. of Congress on Evolutionary Computation 99. - 1999. - .№2. - Pp. 1470-1477.

93. Imaizumi, T. An effective reduction of subproblems in design of CSD coefficient FIR filters/ T. Imaizumi, K. Suyama // Signal and Information Processing Association Annual Summit and Conference (APSIPA), 2014 Asia-Pacific. -2014.

94. Mittal, A. Comparative study of 16-order FIR filter design using different multiplication techniques/ A. Mittal, A. Nandi, D. Yadav // IET Circuits, Devices & Systems. - 2017. - Vol.11, №3.

95. Parvin, K.N. Multiplication techniques for an efficient FIR filter design for hearing aid applications/ K. N. Parvin, Md. Z. Hussain // 2018 2nd International Conference on Inventive Systems and Control (ICISC). - 2018.

96. Rui, G. A novel fast canonical-signed-digit conversion technique for multiplication/ G. Rui, L. S. DeBrunner // Proc. Of IEEE Conference Acoustics, Speech and Signal Processing, ICASSSP. - 2011. - Pp. 1637-1640.

97. 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.

98. Jevtic, R. Power Estimation of Embedded Multiplier Blocks in FPGAs/ R. Jev-tic, C. Carreras // Very Large Scale Integration (VLSI) Systems IEEE Transactions. - 2010. - Vol. 18, №5. - Pp. 835-839.

99. Reimer, A. A methodology for scaling power dissipation values between different FPGAs/ A. Reimer, W. Nebel // Power and Timing Modeling Optimization and Simulation (PATMOS) 2014 24th International Workshop. - 2014. - Pp. 1-8.

100. Jovanovic, B. Binary Division Power Models for High-Level Power Estimation of FPGA-Based DSP Circuits/ B. Jovanovic, R. Jevtic, C. Carreras // Industrial Informatics IEEE Transactions. - 2014. - Vol. 10, №1. - Pp. 393-398.

101. Jevtic, R. Power Measurement Methodology for FPGA Devices/ R. Jevtic, C. Carreras // Instrumentation and Measurement IEEE Transactions. - 2011. - Vol. 60, №1. - Pp. 237-247.

102. Lorandel, J. Fast Power and Performance Evaluation of FPGA-Based Wireless Communication Systems/ J. Lorandel, J.-C. Prévotet, M. Hélard // Access IEEE. -2016. - Vol. 4. - Pp. 2005-2018.

103. Crochiere, R. E. Interpolation and decimation of digital signals - A tutorial review/ R. E. Crochiere, L. R. Rabiner // Proceedings of the IEEE. - 1981. - №3. - Pp. 300-331.

104. Hunter, M. T. A novel Farrow Structure with reduced complexity/ M. T. Hunter, M. B. Wasfy // 2009 52nd IEEE International Midwest Symposium on Circuits and Systems. - 2009. - Pp. 581-585.

105. Long, J. P. High throughput Farrow re-samplers utilizing reduced complexity FIR filters/ J. P. Long, J. A. Torres // MILCOM 2012 - 2012 IEEE Military Communications Conference. - 2012. - Pp. 1-6.

106. Lamb, D. Efficient filtering structure for spline interpolation and decimation/ D. Lamb, L.F.O. Chamon, V.H. Nascimento // Electronics Letters. - 2016. - Vol. 52, №1. - Pp. 39-41.

107. Li, H. An efficient parallel resampling structure based on iterated short convolution algorithm/ H. Li, J. Guo, Z. Wang, H. Wang // 2017 IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS). - 2017. - Pp. 1-4.

108. Alonso, A. Parallel implementation of a sample rate conversion and pulse-shaping filter for high speed backhauling networks/ A. Alonso, J. F. Sevillano, I. Vélez // Design of Circuits and Integrated Systems. - 2014. - Pp. 1-6.

109. Schmidt, C. A. Efficient Estimation and Correction of Mismatch Errors in Time-Interleaved ADCs/ C. A. Schmidt, J. E. Cousseau, J. L. Figueroa, B. T. Reyes, M. R. Hueda // IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. -2016. - Vol. 65, №2. - Pp. 243 - 254.

110. Mathur, N. High throughput arbitrary sample rate converter for software radios/ N. Mathur, B. Lakshmi // Control Instrumentation Communication and Computational Technologies (ICCICCT) 2014 International Conference. - 2014. - Pp. 1121-1123.

111. Dam, H. H. Design of Allpass Variable Fractional Delay Filter with Powers-of-Two Coefficients/ H. H. Dam // Signal Processing Letters IEEE. - 2015. -Vol. 22, №10. - Pp. 1643-1646.

112. Liu, X. FPGA implementation of a reconfigurable channelization for simultaneous multichannel DRM30/FM receiver/ X. Liu, Z. Wang, Q. Deng // Consumer Electronics IEEE Transactions. - 2017. - Vol. 63, №1. - Pp. 1-9.

113. Li, H. Maximally Flat and Least-Square Co-Design of Variable Fractional Delay Filters for Wideband Software-Defined Radio/ H. Li, J. V. Kerrebrouck, J. Bauwelinck, P. Demeester, G. Torfs // Journal of Circuits, Systems and Computers. - 2018. - Pp. 195-206.

114. Kumar, M. Design of a Variable Fractional Delay Filter Using Comprehensive Least Square Method Encompassing All Delay Values/ M. Kumar, T. K. Rawat // Journal of Circuits, Systems and Computers (JCSC). - 2015. - №8. - Pp.155-166.

115. Kumar, M. Fractional order digital differentiator design based on power function and least squares/ M. Kumar, T. K. Rawat // International Journal of Electronics. - 2016. - №10. - Pp. 1639-1653.

116. Huang, X. Closed-form design of variable fractional delay FIR filters with low or middle cutoff frequencies/ X. Huang, B. Zhang, H. Qin, W. An // IEEE Trans. Circuits Syst. - 2018. - Pp. 628-637.

117. Guo, M. The FPGA implementation and verification of variable fractional delay broadband beamforming/ M. Guo, X. Ma, S. Zhang, W. Sheng // 2016 IEEE International Workshop on Electromagnetics: Applications and Student Innovation Competition (iWEM). - 2016. - Pp. 1-3.

118. Fu, W. Radar wideband digital beamforming based on time delay and phase compensation/ W. Fu, D. Jiang // International Journal of Electronics. - 2018. -Pp. 1-7.

119. Bindima, T. A novel design and implementation technique for low complexity variable digital filters using multi-objective artificial bee colony optimization and a minimal spanning tree approach/ T. Bindima, E. Elias // Engineering Applications of Artificial Intelligence. - 2017. - Vol. 59. - Pp. 133-157.

120. Dwivedi, A. K. Low power FIR filter design using modified multi-objective artificial bee colony algorithm/ A. K. Dwivedi, S. Ghosh, Eng. Londhe // Appl. Artif. Intell. - 2016. - Pp. 58-69.

121. 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

122. Navarro A. P. Efficient Channelization for PMR+4G and GSM Re-Farming Base Stations/ A. P. Navarro, R. Villing, R. Farrell // IET Irish Signals and Systems Conference (ISSC 2012). - 2012. - Pp. 1-6.

123. Navarro, A. P. Non-uniform channelization methods for next generation SDR PMR base stations/ A. P. Navarro, T. Keenan, R. Villing, R. Farrell // 2011 IEEE Symposium on Computers and Communications (ISCC). - 2011. - Pp. 620 - 625.

124. Wu, F. FPGA based FRM GDFT filterbanks/ F. Wu; R. Villing // 27th Irish Signals and Systems Conference (ISSC). - 2016. - Pp. 1 - 6.

125. Abu-Al-Saud, W. A. Efficient wideband channelizer for software radio systems using modulated PR filterbanks/ W. A. Abu-Al-Saud, G. L. Stuber // IEEE Transactions on Signal Processing. - 2004. - Vol. 52, №10. - Pp. 2807-2820.

126. Li, B. A high-resolution wideband digital channelizer for software radio systems using high-order perfect reconstruction filterbanks/ B. Li, J. Yan, X. Chen, S.

Mei // 2013 IEEE Wireless Communications and Networking Conference (WCNC). - 2013. - Pp. 2908 - 2913.

127. Carrara, W.G. Spotlight Synthetic Aperature Radar: Signal Processing Algorithms/ W. G. Carrara, R.M. Majewski, R.S. Goodman. - Norwood, USA: Artech House, 1995. - 554 p.

128. ГОСТ Р 53529-2009. Транкинговые радиостанции и ретрансляторы стандарта TETRA. Основные параметры. Технические требования [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://docs.cntd.ru/document/gost-r-53529-2009 (3.10.2018).

129. 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: сб. трудов XXIII Международной НТК. Воронеж: ВГУ. - 2017. - С. 926 - 933.

130. 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.

131. Развитие методов контроля за использованием спектра [Электронный ресурс]: Рекомендация МСЭ-R SM.2039. Женева, 2014г. - Режим доступа: https://www.itu.int/dms pubrec/itu-r/rec/sm/R-REC-SM.2039-0-201308-I!!PDF-R.pdf (3.10.2018).

132. Никитин, Е.А. Технологии контроля сетей стандартов Wi-Fi, 3G, WiMAX с использованием прибора Rad- 001/ Е. А. Никитин, Е.А. Сытник, В.А. Попов, В.А. Уфаев // Семинар БРЭ МСЭ Радиомониторинг и повышение эффективности использования спектра. - 2010. С. 1-2.

133. Geiger, D. J. High Resolution Time Difference of Arrival Using Timestamps for Localization in 802.11b/g Wireless Networks/ D. J. Geiger // 2010 IEEE Wireless Communication and Networking Conference. - 2010. - Pp. - 1-9.

134. Kalis, A. Direction finding in IEEE802.11 wireless networks/ A. Kalis, T. An-tonakopoulos // IEEE Trans. Instrum. Meas. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. - 2002. - №5. Pp. 940-948.

135. Rembovsky, A. Radio monitoring: Problems, methods, and equipment/ A. Rembovsky. - Dordrecht: Springer-Verlag, 2009. - 508 p.

136. Spazhakin, M. I. Digital receiver for addressed direction finding of modern communication standards/ M.I. Spazhakin, A.B. Tokarev // 2015 International Siberian conference on control and communications, SIBCON 2015. - 2015. - Pp. 1-4.

137. 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. -2017. - С. 734-740.

138. 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.

139. Cho, Y.S. MIMO-OFDM Wireless Communications with MATLAB/ Y.S. Cho, J. Kim, W.Y. Yang, Ch. G. Kang. - U.K.: John Wiley & Sons, 2010. - 544 p.

140. Peng, L. Implementation of CCK based on DSP for a WLAN transceiver/ L. Peng, W. Jun, L. Wei // 2008 6th IEEE International Conference on Industrial Informatics. - 2008. - Pp. 1-6.

141. Andren, C. CCK modulation delivers 11Mbps for High Rate IEEE 802.11 extension/ C. Andren, M. Webster // 1999 WIRELESS SYMPOSIUM/PORTABLE BY DESIGN CONFERENCE. - 1999. - Pp. 1-7.

142. Al-Banna, A. 11 Mbps CCK - Modulated 802.11b Wi-Fi: Spectral Signature and Interference/ A. Al-Banna, T. Lee, J. Locicero, D. Ucci // 2006 IEEE International Conference on Electro/Information Technology. - 2006. - Pp. 1-6.

143. Chunjiang, T. The design of 802.11b WLAN baseband processor/ T. Chun-jiang, Z. Xin, L. Bo-An, C. Hongyi // 2003 5th International Conference on ASIC Proceedings (IEEE Cat No 03TH8690) ICASIC-03. - 2003. - Pp. 1-5.

144. Kok, A. Y. Systolic Array-Based Pipelining Design of CCK Demodulators/ A. Y. Kok, K.L. Law // 2007 Canadian Conference on Electrical and Computer Engineering. - 2007. - Pp. 1-6.

145. Batabyal, S. A computationally efficient algorithm for code decision, in CCK based high data rate wireless communications/ S. Batabyal, S. Sarmah // 2002 IEEE International Conference on Personal Wireless Communications. - 2002. - Pp. 1-4.

146. HFA3860B Datasheet pdf - nullDirect Sequence Spread Spectrum Baseband Processor - Intersil. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.datasheetcatalog. com/datasheets pdf/H/F/A/3/HFA3 860B. shtml (3.10.2018).

147. Huang, S. A novel pipelined CCK decoder for IEEE 802.11b system/ S. Huang, S. Chen // 2008 9th International Conference on Solid-State and Integrated-Circuit Technology. - 2008. - Pp. 1-5.

148. Hu, Y. H. CORDIC based VLSI architecture for digital signal processing/ Y. H. Hu // IEEE signal processing Magazine. - 1992. - Vol. 9, №3. - Pp. 16-35.

149. Razavi, B. Design considiratuion for direct-conversion receivers/ B. Razavi // IEEE Transactions on circuits and systems-II: analog and digital signal processing. - 1997. - Vol.44, №6, - Pp. 428 - 435.

150. Nezami, M.K. RF Architectures and Digital Signal Processing Aspects of Digital Wireless Transceivers/ M. K. Nezami, 2003. - 513 p.

151. Портативный анализатор спектра Spectrum Master MS2712E [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https: //www.anritsu.com/ru-RU/test-measurement/products/ms2712e (3.10.2018)

152. R&S®FSH3 Spectrum Analyzer [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.rohde-schwarz.com/ru/product/fsh3-6- 18-productstartpage 63493-358532.html (3.10.2018)

153. Анализатор спектра и сигналов R&S®FSW [Электронныйресурс]. - Режим доступа: https: //www. rohde-schwarz.com/ru/product/fsw-productstartpage 63493-11793.html (3.10.2018)

154. RSA306B USB Spectrum Analyzer [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.tek.com/spectrum-analyzer/rsa306 (3.10.2018)

155. Рембовский, А.М. Радиомониторинг: задачи, методы, средства / А.М. Рембовский, А.В. Ашихмин, В.А. Козьмин; под ред. А.М. Рембовского. - 3-е изд., перераб. и доп. - М: Горячая линия-Телеком, 2012. - 640 с.

156. ГОСТ Р 53373-2009 Оборудование станций радиоконтроля приемное автоматизированное. Технические требования и методы испытаний [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://internet-law.ru/gosts/gost/48507/ (3.10.2018).

157. АРГАМАК-МН приемник панорамный измерительный [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.ircos.ru/ru/rsv argamak-m.html (3.10.2018)

158. 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. 8891.

159. Спажакин, М.И. Разработка энергоэффективных ресэмплеров на ПЛИС / М.И. Спажакин // Радиолокация, навигация, связь: Сборник трудов XXIV Международной научно-технической конференции. - 2018. - Т.1. - С. 284290.

160. 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» - 2015. - С.253-254.

161. 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. - 2015. - C. 107-109.

162. Спажакин, М.И. Применение ресэмплера Фарроу в цифровых мониторинговых приемниках // М.И. Спажакин // Вестник Военно-Воздушной Академии. - 2014. - №2. - С.297-300.

163. 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. - С. 262-265.

Приложение А. Обзор существующих средств РК - использование анализаторов

спектра и сигналов

Ведущие производители оборудования для РК и анализа спектра, такие как ANRITSU, ROHDE & SCHWARZ, Tektronix предлагают готовые решения в виде носимых и портативных комплексов (например, Anritsu MS2712E [151], MS2713E; Rohde & Schwarz FSH3..18 [152], FSW [153], Tektronix RSA306B [154].

Представленные комплексы РКимеют полосу одновременного анализа 20-40 МГц, что позволяет им декодировать сигналы большинства стандартов цифровой связи и передачи данных с целью извлечения идентификационной информации.

В развитии систем РК в последнее время наблюдается тенденция объединения анализаторов спектра и систем идентификации РЭС [1]. Такие системы РК имеют объединенное название - анализаторы спектра и сигналов. Пример такой системы РК - Rohde & Schwarz FSW [153]. Такие системы обладают крайне широкой полосой одновременного анализа и демодуляции - более 160 МГц, имеют широкие возможности в области спектрального анализа, а также имеют аппаратные обнаружители и демодуляторы современных стандартов связи и передачи цифровых данных, имеют возможность пеленговать источники радиоизлучения. Данное направление является весьма актуальным. Однако, стоимость таких систем высока, поэтому становится актуальной задача разработки отечественных комплексов РК, имеющих сопоставимые характеристики и функциональные возможности в сравнении с мировыми производителями оборудования для РК.

Приложение Б. Варианты построения аналогового тракта цифровых радиоприемных устройств КРК

В современной профессиональной аппаратуре приема и обработки сигналов используются приемники гетеродинного типа двух видов: супергетеродинные приемники, работающие с переносом принимаемого сигнала на отличающуюся от нуля промежуточную частоту (ПЧ), и приемники прямого преобразования частоты, переносящие принимаемый сигнал на "нулевую" частоту. Преобразованные в аналоговой части тракта сигналы поступают на высокоскоростные аналого-цифровые преобразователи (АЦП) и обрабатываются далее цифровыми обработчиками сигналов, базирующихся на ПЛИС или программируемом процессоре [17]. Структурные схемы подобных приемников представлены на рисунках П1.1 и П1.2 соответственно.

Рисунок П2.1 - Структурная схема ЦРПУ с супергетеродинным вариантом исполнения аналогового тракта

Рисунок П2.2

- Структурная схема ЦРПУ прямого преобразования частоты

Приемники супергетеродинного типа имеют более сложную структуру аналоговой части (до АЦП). Их обязательными составными частями являются блок предварительной селекции (преселектор), обеспечивающий избирательность по прямому и зеркальному каналам приема, блоки переноса на промежуточную частоту, включающие в себя фильтр промежуточной частоты, обеспечивающий селекцию по соседним каналам приема (как правило, приемники супергетеродинного типа имеют 2 или 3 ступени переноса). К преимуществам схемы супергетеродинного типа можно отнести:

• высокую линейность тракта;

• большой динамический диапазон, свободный от паразитных спектральных компонентов;

• хорошую устойчивость к внеполосным помехам за счет высокой прямо-угольности фильтров ПЧ;

• отсутствие смещения постоянной составляющей и квадратурных искажений, т.к. используется один АЦП, а преобразование действительного сигнала в комплексный вид производится в ПЛИС с помощью цифрового преобразования частоты, реализованного с использованием синтезатора частоты и фильтров.

Из недостатков приемников, построенных по супергетеродинной схеме, можно отметить следующие:

• значительное энергопотребление и значительное количество каналов побочного приема, ввиду многократного преобразования частоты, что предъявляет значительные требования к системе предварительной фильтрации;

• повышенный (в случае многократного переноса) уровень фазового шума;

• АЦП ЦРПУ, аналоговый тракт которого построен по супергетеродинной схеме, имеет высокую стоимость, т.к. работает на высокой тактовой частоте;

• модуль цифровой обработки сигнала должен иметь высокую производительность.

Несмотря на сложность архитектуры приемников супергетеродинного типа, при использовании данной схемы возможно построение ЦРПУ высокого класса.

Так, панорамный измеритель напряженности поля АРГРАМАК-ИС [155], построенный на базе модулей семейства АРГАМАК+, обеспечивает ослабление приема по побочным каналам приема на зеркальных и промежуточных частотах не менее 80 дБ, а уровень фазового шума не превышает значения минус 100 дБн/Гц (при отстройке от центральной частоты 10 кГц) [155].

Приемники прямого преобразования имеют упрощенную структуру аналоговой части. В общем случае она может включать в себя лишь блок переноса частоты с гетеродином (рис. П1.2), имеющим квадратурные выходы. Такая структура позволяет получить меньший уровень потребления мощности, возможность достижения более низких массогабаритных характеристик, сравнительно низкий уровень шума и интермодуляционных компонентов. Для улучшения характеристик по интермодуляционным искажениям второго и третьего порядков, а также чувствительности, в структуру приемников прямого преобразования, как правило, включают блок предварительной селекции с диапазонными или перестраиваемыми фильтрами и малошумящими усилителями [149]. Приемники прямого преобразования получили широкое распространение в устройствах беспроводной связи и передачи данных. Недостатки схемы с преобразованием "нулевой" частоты определяются в основном аналоговой схемой квадратурного преобразования [18]. Вследствие нестабильности амплитудных и фазовых соотношений в двух каналах, на входах АЦП имеется дисбаланс, приводящий к появлению паразитных компонентов в спектре сигнала. Для компенсации дисбаланса необходимо производить коррекцию синфазных и квадратурных каналов приема.

На рисунке П1.3 представлены зависимости уровня подавления квадратурных компонентов от разности амплитуд в синфазном и квадратурном каналах для различных значений ошибки сдвига фазы между каналами [150]. Например, кривая на рисунке П1.3, построена для ошибки сдвига фазы 10 градусов (сдвиг фазы между каналами составляет не 90 градусов, а 80 или 100 градусов). При такой ошибке сдвига фазы подавление квадратурных компонентов будет составлять не более 22 дБ. Для достижения приемлемого для практических целей уровня подавления квадратурных компонентов (не менее 40 дБ) фазовое рассогласование кана-

лов не должно превышать 1 градуса, а амплитудное рассогласование каналов - 0,1 дБ. Метод прямого преобразования частоты позволяет технологически реализовать всю схему на одном кристалле (RFIC). В данный момент подобные семейства интегральных микросхем выпускается рядом производителей, например, AnalogDevices. Калибровка на производстве обеспечивает отношение сигнал/помеха около 40 дБ, что достаточно для приема сигналов большинства систем цифровой связи.

На современном этапе развития средств РК приемники супергетеродинного типа получили наибольшее распространение в решении задач, связанных с измерениями параметров сигналов. Среди подобных устройств мировых производителей можно выделить такие как: ESMD фирмы Rohde&Schwarz, ComCat Tuner фирмы Medav, серия M93XX фирмы Agilent, серия PXIe-56XX фирмы Nation-allnstruments, АРГАМАК-ИС и АРГАМАК-МН компании АО «ИРКОС» [157]. Вместе с тем, в задачах РК, не требующих точного измерения параметров сигнала (радиоконтроль, местоопределение источников помех), допустимо применять схемы с прямым преобразованием частоты, что позволяет существенно снизить стоимость ЦРПУ.

Рисунок П2.3 - Зависимость уровня подавления квадратурных компонентов от амплитудно-фазовых соотношений в каналах приемника

Приложение В. Патент на изобретение

РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ

<191

RU

о»

2 649 799<l3) С2

(511 МПК

H04L 7Л)2 (2006.01)

G06F17/00 (2006.01 )

ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ

СМ

и

а> О)

о>

со

см

1121 ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

(52)СПК

H04I. 7/02 (2006.0/G06F ¡7/00)2006.0!)

(2IK22I Закон» 2015110325, 23 03 2015

(24) Дата начала отсчета срока дейс ibhh патента: 2303 2015

Дата peí истрицин 04 04 2018

Прноригет(ы):

(22) Дата полами ыявки: 23 03 2015

(43)Дата публикации звавки-10 10.2016 Ьюл, № 28

(45) Опубликовано: 04 04 2018 Бк»л. Н- 10

Адрес для переписки:

394026. г Воронеж. Московский просп . 14. ГОУВПО "ВГГУ". патентный отдел

|72) Автор(Ы1

Сиажакин Михаил Игоревич (RU)

(73) Патснтообладатель(и):

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образованна Воронежский государственный технический университет' (RU)

Об) Список документов.ци'ироианпмч » о1чею

0 поиске А Ю АБРАМЕНКО. УСТРОЙСТВО ФОРМИРОВАНИЯ УЗКОПОЛОСНЫХ РАДИОСИГНАЛОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АЛГОРИТМА ОПТИМАЛЬНОЙ ИНТЕРПОЛЯЦИИ ТОМСК. 2014 НАЙДЕНО В ИНТЕРНЕТ 08.11 2017: httpj'.'uld luiur ru/exporl/sites.1

го injur DewiTuAcienee/educalion/d»s/2014/45

1 pdf А Б CF.PniF.HKO, ЦИФРОВАЯ ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ СПб.: ПИТЕР 2002, 608 с НАЙДЕНО В ИНТЕРНЕТ (см. про д.)

1.541 Устройство для ишснення частоты дискретизации в многоканальных цифровых приемниках

(57) Формула изобретений Устройство для изменения частоты дискретизации в многоканальных цифровых приемниках, содержащее блок вычисления коэффициентов полинома (БВКП); линию задержки; блок формирования временных отсчетов (БФВО); блок вычисления интерполирующего полинома (ЬВИМ). отличающееся тем. что блок вычисления коэффициентов полинома (БВКП) содержит вычислители, каждый вычислитель содержи I константный умножитель, устройства сдвига, входы которых объединены между собой, а выходы через регистры подключены на входы двух параллельных сумматоров, выходом каждого константного умножителя является выходной сумматор, входы которого соединены через регистры с выходами двух параллельных сумматоров, каждый вычислитель своими входами подключен к соответствующему отводу линии задержки, а выходом к соответствующему входу БВИП.

Л С

w СП -Еь to

-J

CD <О

О

NJ

i Vii i продолжение i.

08 11 2017: http//www rphf »pbstu m/dsp/lib/Scrgijcnko_2003 451 408 С2, 20 05.2012. WO 2004/0754Э2 AI. 0209 2004

CM

О ст>

CT) I4-CT> "t CO CM

D CT

C» I

Приложение Г. Акты внедрения результатов диссертационной работы

о внедрении результатов диссертации Спажакина Михаила Игоревича

«Методика проектирования и реализации на ПЛИС энергоэффективных устройств обработки сигналов в системах радиоконтроля» в учебный процесс Воронежского государственного технического университета

Результаты диссертационной работы Спажакина Михаила Игоревича, представленной на соискание ученой степени кандидата технических наук, выполненной в Воронежском государственном техническом университете в рамках научного направления «Перспективные радиоэлектронные и лазерные устройства и системы передачи, приёма и обработки информации» и I Б НИР 2016.49 «Совершенствование радиотехнических средств приема и передачи сигналов», внедрены в учебный процесс ВГТУ на основании решения кафедры радиотехники от 28 августа 2018 г., протокол № 1.

1. Вид результатов, внедренных в учебный процесс:

- математическая модель разработанного многозадачного паратлельного алгоритма обработки сигналов цифровой связи;

- методика синтеза широкополосных ресемплеров, применяющихся при решении задач радиоконтроля;

- методика энергоэффективной реализации на ПЛИС широкополосных ресемплеров и фильтров с конечной импульсной характеристикой.

2. Область применения:

- выполнение выпускной квалификационной работы по направлению 11.03.01 «Радиотехника»;

- лекционный курс и лабораторный практикум по дисциплинам «Современные системы проектирования РЭС» и «Основы автоматизированного проектирования» основной образовательной программы подготовки бакалавров по направлению 11.03.01 «Радиотехника».

«УТВЕРЖДАЮ»

АКТ

3. Форма внедрения:

- курс лекций;

- лабораторный практикум.

4. Перечень использованных материалов:

- статьи, опубликованные в журналах, рекомендованных ВАК РФ к публикации результатов кандидатских диссертаций: Радиотехника, 2017 (№6), 2018 (№7); Цифровая обработка сигналов, 2017 (№4), 2018 (№2); Вестник ВГТУ, 2013 (№6-3), 2014 (№1, №6), 2015 (№6);

- доклады на международных научно-технических конференциях (Международные НТК «Радиолокация, навигация, связь» 2017, 2018 г., Воронеж; Всероссийская НТК с международным участием «Современные проблемы радиоэлектроники» 2015 г., Красноярск; International Siberian conference on control and communications SIBCON 2015, OMSK) и конференциях профессорско-преподавательского состава ВГТУ.

- патент на изобретение «Устройство изменения частоты дискретизации в многоканальных цифровых приемниках» RU2649799 от 04.04.2018 г.

5. Эффект от внедрения:

Повышение качества образования, заключающееся в новых знаниях, умениях и навыках, приобретаемых студентами, развитие их компетенций в области методов и алгоритмов обработки сигналов узкополосных и широкополосных систем радиосвязи, методов математического моделирования и статистической обработки результатов, методов эффективной реализации на ПЛИС алгоритмов цифровой обработки сигналов.

А.И. Колосов 2018 г.

Декан факультетяу(адиотехники и электроники

________¿^rfflf/____ В.А. Небольсин

«¿>3»___¿03._ 2018 г.

Заведующийкафедрой радиотехники

__Б в Матвеев

«¿8» 0$ _ 2018 г.

АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО ПРКОС

Почта: Россия, 129626, Москва, а/я 30 Телефоны: [phone], 615-0838 (тел/факс) Офис: Россия, 129085, Москва, E-mail: [e-mail] Звездный б-р, д. 21 Интернет:_www.ircos.ru

«УТВЕРЖДАЮ»

Директор ОСП -авный инженер АО «ИРКОС», д.т.н., профессор

( ..¿^Г" A.B. Ашихмин

О*' 2018 г.

АКТ О ВНЕДРЕНИИ РЕЗУЛЬТАТОВ

диссертации Спажакина Михаила Игоревича «Методика проектирования и реализации на ПЛИС энергоэффективных устройств обработки сигналов в системах радиоконтроля», представленной на соискание ученой степени кандидата технических наук

Комиссия в составе:

председателя - директора по науке АО «ИРКОС» к.т.н., доцента В.А. Козьмина членов - начальника отдела разработки информационных систем, к.т.н. C.B. Корочина и старшего инженера-программиста научно-исследовательского сектора, к.т.н. В.А. Сладких

составила настоящий акт о внедрении результатов диссертационной работы Спажакина Михаила Игоревича в аппаратно-программное обеспечение комплексов радиоконтроля, выпускаемых АО «ИРКОС».

ПЕРЕЧЕНЬ ВНЕДРЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ

№ Наименование внедренных результатов Итоговая эффективность внедренных результатов

1 Многозадачные алгоритмы обработки сигналов В комплексе радиоконтроля «Аргамак-М» обеспечили возможность аппаратного выделения идентификационных признаков ИРИ и увеличение температурной стабильности работы устройства

2 Реализация на ПЛИС декодера сигналов ССК (complementary code keying) В комплексе радиоконтроля «Аргамак-М» обеспечила выделение идентификационных признаков сигналов ИРИ сети IEEE 802.11, снижение энергопотребления и улучшение температурной стабильности работы устройства

WIPKOC