Устройства группового приема частотно-модулированных сигналов с непрерывной фазой при поэлементном принятии решений тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.05, кандидат технических наук Аль-Аззех Джамиль Самих Джамиль

• Аль-Аззех Джамиль Самих Джамиль
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Аль-Аззех Джамиль Самих Джамиль

Содержание.

Перечень сокращений.

Введение.

1. Анализ существующих алгоритмов и методики проектирования устройств обработки сигналов в условиях межсимвольной интерференции.

1.1. Передача информации по каналам связи с ограниченной полосой пропускания

1.2. Описание сигналов МНФ и их классификация.

1.3. Алгоритмы приема спектрально-эффективных сигналов.

1.3.1. Прием сигналов без МСИ в АГБШ.

1.3.2. Прием сигналов с контролируемой МСИ.

1.3.3. Оптимальный приёмник для сигналов МНФ.

1.4. Алгоритмы компенсации искажений сигналов.

1.5. Цифровые устройства обработки сигналов на базе СБИС программируемой логики

1.5.1. Элементная база.

1.5.2. Традиционная методика проектирования.

1.6. Инструментальные средства проектирования цифровых устройств.

1.6.1. Пакеты The Math Works MATLAB/Simulink.

1.6.2. Пакет Mentor Graphics ModelSim.

1.6.3. Пакет Mentor Graphics Precision RTL Synthesis.

1.6.4. Средства размещения и разводки.

1.6.5. Пакет Xilinx 1SE.

1.6.6. Пакет Altera Quartus II.

1.7. Выводы.

2. Алгоритмы группового приема сигналов с поэлементным принятием решений.

2.1.1 Некогерентное детектирование сигналов ЧМНФ.

2.1.2. Модифицированный алгоритм группового приема сигналов при поэлементном принятии решений.

2.2. Алгоритм группового приема при поэлементном принятии решений и обратной связью.

2.3. Помехоустойчивость группового приема при поэлементном принятии решений.65 Выводы.

3. Алгоритмы компенсации изменения индекса модуляции и смещения несущей частоты частотно-модулированных сигналов.

3.1. Оценка индекса модуляции по информационной последовательности.

3.2 Предлагаемый алгоритм оценки индекса модуляции.

3.3. Алгоритм оценки смещения несущей частоты частотно — модулированных сигналов

Выводы.

4 . Разработка методологии проектирования устройств цифровой обработки сигналов.

4.1. Обобщение результатов анализа методик.

4.2. Рекомендательная часть методики.

4.3. Методическая часть.

4.4. Выводы.:.

5. Реализация устройства группового приема на СБИС ПЛ.

5.1. Модели устройств на блоках Xilinx.

5.1.1. МНФ демодулятор.

5.1.2. Блок оценки компенсации индекса модуляция.

5.1.2. Блок частотной автоподстройки.

5.2. Оценка помехоустойчивости приема.

5.3 Расчет аппаратных затрат.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Устройства группового приема частотно-модулированных сигналов с непрерывной фазой при поэлементном принятии решений»

В настоящее время резко возрастает объём передаваемой информации и повышаются требования к качеству передачи сообщений. В теории оптимального приема сигналов, в теории помехоустойчивого кодирования [6,7,8,11,34,43,49] имеются предлагаемые математиками весьма сложные алгоритмы и методы, позволяющие достигать значений, близких к предельно возможным характеристикам приема, таким как верность и скорость. Существует, однако, два момента, препятствующие аппаратному или программному внедрению этих методов. Во-вторых, математическая сложность часто не позволяет инженерам-проектировщикам досконально понять сущность алгоритма или метод его реализации, математики не всегда понимают проблемы, связанные со сложностью реализации. Элементная база развивается стремительно, и то, что вчера было не реализуемо, сегодня возможно.

Развитие современной техники связи предъявляет весьма жесткие требования к радиосистемам, осуществляющим передачу дискретных сообщений. Высокая плотность заполнения диапазона частот радио эфира заставляют при разработке систем передачи информации уделять особое внимание узкополосности и энергетической эффективности. Весьма перспективным в этом плане являются модулированные сигналы с непрерывной фазой (МНФ). Эффективность таких сигналов существенным образом зависит от выбранного метода приема. К настоящему времени опубликован ряд работ, посвященных сигналам МНФ [4,6,10,44], в которых нашли решение многие вопросы, связанные с исследованием свойств сигналов МНФ и методов их приема. Однако, известные оптимальные когерентные и некогерентные способы приема МНФ сигналов [11,46,47] весьма сложны, поэтому необходим поиск модифицированных более простых в реализации на современной цифровой элементной базе алгоритмов приема сигналов с МНФ для различных каналов связи.

Наиболее перспективной платформой для созданная аппаратных средств является СБИС ПЛ. Они имеют гибкую архитектуру и позволяют выполнять быстрое прототипирование проектов, но для решения таких сложных задач, как цифровая обработка сигналов беспроводной связи, которая занимает все большую часть рынка коммуникаций, необходима еще и эффективная методика проектирования.

Существующие методики разработки аппаратных средств не могут удовлетворить современным требованиям к эффективности процесса разработки в силу высокой сложности и вычислительной емкости современных алгоритмов. Успех компании разработчика во многом определяется временем выхода продукта на рынок, поэтому совершенствование методик проектирования и верификации является очевидным.

Актуальность диссертационной работы определяется тем, что она направлена на решение проблемы повышения помехоустойчивости при ограниченной технической сложности реализации, как существующих устройство сбора телеметрической информации, так и вновь разрабатываемых устройств цифровой обработки сигналов. Учитывая, что количество используемых систем передачи дискретной информации и масштабы их применения неуклонно возрастают, улучшение их характеристик, и методология разработки от проектов до синтезированного устройства имеет существенное значение.

Цель и задачи исследования. Целью диссертации является разработка и исследование эффективности алгоритмов цифровой обработки сигналов при поэлементном принятии решений и создание на этой основе цифровых устройств обработки, обеспечивающих повышение достоверности приема информации в условиях межсимвольной интерференции и наличии дестабилизирующих факторов в тракте передачи и методология их проектирования.

Поставленная цель достигается решением следующих основных задач

• Разработка модифицированных оптимальных и подоптимальных алгоритмов группового приема сигналов при поэлементном принятии решений, обеспечивающих сокращение аппаратных затрат в приемнике.

• Разработка аппаратно-программных средств для исследования помехоустойчивости и оптимизации характеристик предлагаемых алгоритмов и реализующих их устройств.

• Разработка алгоритмов компенсации искажений сигналов, вызванных дестабилизирующими факторами (несоответствие индексов модуляции, смещение частоты) при обработке частотно-модулированных сигналов.

• Разработка методологии проектирования цифровых устройств обработки сигналов на базе СБИС программируемой логики.

• Создание конкретных устройств обработки сигналов при поэлементном принятии решений на современной элементной базе, включая СБИС и цифровые сигнальные процессоры.

При решении поставленных задач использовались методы теории информации, теории оптимального приема сигналов, теории вероятностей и математической статистики, теории цифровой и дискретно-аналоговой обработки. В качестве метода исследования применялось статистическое моделирование.

На защиту выносится теоретическое и экспериментальное обоснование использования модифицированного алгоритма цифровой обработки сигналов с ЧМНФ с поэлементным принятием решений и обратной связью и методология проектирования подобных устройств на современной цифровой элементной базе. На защиту выносятся следующие положения:

• Алгоритмы приема ЧМ сигналов с непрерывной фазой, отличающиеся от известных более быстрым способом вычисления отношения правдоподобия, что позволяет либо повысить помехоустойчивость, либо снизить аппаратные и вычислительные затраты. При глубине анализа 7 бит алгоритм с обратной связью позволяет сократить количество операций сложения в 30 раз и сократить количество операций умножения в 22 раза. Проведенный анализ сложности реализации устройств с поэлементным принятием решений и обратной связью показал, что максимальный выигрыш достигается в наиболее трудных для реализации случаях при больших уровнях межсимвольной интерференции и длительности интервала анализа.

На основе статистического моделирования Mallab\SimuIink проведено исследование помехоустойчивости предложенных алгоритмов обработки сигналов в условиях межеимвольной интерференции, вызванной ограничением спектра сигналов формирующим предмодуляционным фильтром. Исследованы методом моделирования потери помехоустойчивости из-за дестабилизирующих факторов, таких как несоответствие индексов модуляции передатчиков и приемников и смещение несущей частоты.

Предложны способы оценки несоответствия индексов модуляция передатчиков и приемников и смещения частоты, использующие корреляционные свойства сигналов представляющих собой серии из нулей или единиц, что позволяет более оперативно, чем для известных способов компенсировать расхождение, и повышает помехоустойчивость приема.

Разработана программно-аппаратная модель как инструмент для исследования характеристик устройств приема данных заданного класса с возможностью включения аппаратных средств в процедуры моделирования.

• Разработана методология проектирования устройств группового приема, включающая реализацию алгоритмов группового приема с обратной связью, компенсацию изменения индекса модуляции и смещения частоты и синтезировано цифровое устройство обработки сигналов на СБИС ПЛ.

Практическая ценность работы заключается в том, что по разработанной методике с меньшими проектными затратами достигается аппаратно или программно реализуемое на базе СБИС ПЛ технические устройства с гарантией, предъявленных к ним требований. Предложенные алгоритмы и методика используется в опытно- конструкторских проектах на предприятии Сидока, имеется акт внедрения.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Международной научно-технической конференции в СПбГПУ (Санкт-Петербург, июнь 2007г.), на 3-ей Всероссийской конференции по проектированию научных и инженерных приложений в среде Matlab (Санкт-Петербург, октябрь 2007г.), на XXXIV Неделе науки СПбГПУ в 2005 г. (Санкт-Петербург, ноябрь-декабрь 2005г.).

Основное содержание диссертации опубликовано в 7-ми печатных работах, в том числе статья в журнале из списка ВАК - «Научно-технические ведомости СПбГПУ».

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, библиографического списка литературы, включающего 59 наименований, и двух приложений.

Заключение диссертации по теме «Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления», Аль-Аззех Джамиль Самих Джамиль

ВЫВОДЫ

• Рассмотрены реализации на библиотеке Xilinx System Generator трех блоков: мультисимвольного МНФ-демодулятора, блока оценки индекса модуляция и блока автоматического управления частотой. Для каждого из блоков последовательно проведены этапы создания синтезируемой модели на блоках из библиотеки Xilinx System Generator, оценка реализации по методике HIL, отчет об аппаратных затратах для заданного целевого кристалла - Virtex-4 sx35 фирмы Xilinx.

• Для снижения аппаратной затрат предложены мультиплексирование во времени и совместное выполнение вычислений для двух спаренных фильтров, для блока Mult[1.8] - мультиплексирование во времени, использование блоков DSP48 и реализация комплексного умножения.

• Для оценки помехоустойчивости предлагается методика программно-аппаратного моделирования HIL. При её использования нет необходимости знать язык описания аппаратуры, обладать глубокими знаниями платы и целевого кристалла, создавать отдельную тестовую модель.

• Разработана программно-аппаратная модель как инструмент для исследования характеристик устройств приема данных заданного класса.

• Проведенное экспериментальное исследование помехоустойчивости устройства цифровой обработки в зависимости от наличия (отсутствия) смещение частоты или несоответствие индексов модуляции и ряда значений отношения сигнал шума показало, что потери, связанные с переходом от математической модели к аппаратной реализации, пренебрежимо малы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе получены следующие основные результаты:

1. Разработан модифицированный алгоритм цифровой обработки ЧМНФ сигналов в условиях межсимвольной интерференции при поэлементном принятии решений с обратной связью, и соответствующие структура устройств дискретной обработки на согласованных фильтрах, которые позволяют значительно уменьшить количество арифметической операций и элементов памяти, требуемых для реализации алгоритма.

2. Показано, что помехоустойчивость устройства обработки, реализующего предложенный алгоритм при поэлементным принятием решений, в условиях межсимвольной интерференции, вызванных ограничением спектра в предмодуляционном фильтре, близка к предельно достижимой при интервале анализа, равного семи битному интервалу. Энергетические потери при этом составляют не более 0,5дБ, выигрыш по сравнению с одно битным интервалом анализа равным 3,5дБ.

3. Выявлено, что значительная часть выигрыша по помехоустойчивости предлагаемого алгоритма обработки сигналов МНФ без компенсации дестабилизирующих факторов, таких как несоответствие индексов модуляции передатчиков и приемников, смещение несущий частоты будет потеряна. Потери тем больше, чем больше интервал анализа. Так при отклонении индекса модуляции приемника от индексов модуляции передатчика равного 0,7 на 17% и семи битном интервале анализа деградация помехоустойчивости составляет ЗдБ.

4. Предложен новой алгоритм оценки несоответствия индексов модуляции передатчиков и приемников, отличающийся от известных тем, что используется обратная связь по решениям и корреляционные свойства сигналов в виде серий из нулей и единиц. Этот алгоритм проще по технической реализации, а потери в помехоустойчивости малы, составляют порядка 0,1 дБ.

5. Предложен алгоритм оценки смещения несущий частоты, использующий корреляционный прием серий из сигналов нулей и единиц с набором оптимальных индексов модуляции с последующей компенсацией смещения в замкнутом конторе автоподстройки. Показано, что время переходного процесса подстройки составляет 5000 битовых интервалов, частотное расхождение эквивалентное ±1 %BR достигается через 10000 интервалов, при этом потери помехоустойчивости будет не более 0,1 дБ.

6. Как инструмент для исследования разработан аппаратно программный комплекс моделирования алгоритмов обработки сигналов с адаптацией к изменяющимся параметрам процесса передачи на базе пакета Matlab\ Simulink, разработана методика моделирования с включением реальных устройств цифровой обработки сигналов в тракт моделирования.

7. Разработана методология проектирования цифровых устройств, покрывающая полный маршрут проектирования, основанная на описании цифрового устройства в виде модели и отличающаяся возможностью моделирования работы устройства в представлении с фиксированной запятой с применением доверительного интервала, который позволяет значительно сократить время моделирования. Даны рекомендации, позволяющие повысить качество синтезируемого описания и тем самым обеспечить лучшие результаты синтеза и наиболее точные оценки площади и длительности выполнения преобразования.

8. Эффективность как модифицированных алгоритмов так и методологии проектированная цифровых устройства обработки сигналов проиллюстрирована синтезом цифрового устройства приема ЧМНФ сигналов на базе СБИС ПЛ, включающая реализацию алгоритмов группового приема с обратной связью, компенсацию индексов модуляции и смещение частоты. Предложенные алгоритмы и методология проектирования используется в опытно конструкторских проектах на предприятии Сидока, что подтверждается актом внедренная.

В диссертации рассмотрен достаточно широкий круг вопросов, связанных с исследованием алгоритмов обработки ЧМНФ сигналов, однако, остается ряд перспективных направлений для дальнейших исследований. К их числу, в частности, относится решение задачи тактовой синхронизации.

137

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Аль-Аззех Джамиль Самих Джамиль, 2008 год

1. Nyquist Н. Certain topics in telegraph transmission theory /Н. Nyquist // A1.E trans. - 2003. - Vol 47. - p. 637-644.

2. Емельянов П.Б. Дискретные сигналы с непрерывной фазой / П.Б Емельянов, А.А. Парамонов // Зарубежная радиоэлектроника. -1990,- № 12.

3. Гоноровский И.С, Радиотехнические цепи и сигналы: Учебник для вузов. М.: Радио и связь, 1986.

4. De Buda R. Coherent Demodulation of Frequency-Shift Keying With Low Deviation Ratio / R. De Buda // IEEE Trans. 1972. - Vol. 20. - № 6.

5. Константинов П. Л. Оптимальный прием детерминированных синапов с минимальной частотной манипуляци. / П.Л. Константинов, А.Л. Парамонов, Д.И. Яманов // Известия ВУЗоз СССР. Радиоэлектроника. Том XXVI. -№11. — Киев, 1983.

6. Прокис Д. Цифровая связь. Пер. с англ. / Д. Прокис, под ред. Л Д. Кловского М.: Радно и связь 2000. - 800 е.: ил.

7. Скляр, Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение / Б. Скляр. Изд. 2-е, испр. - Пер. с англ. -М. : Издательский дом "Вильяме", 2003. -1104 с. : ил. - Парал. тит. англ.

8. Финк Л.М. Теория передачи дискретных сообщений / Л.М. Финк. -М.: Сов. радио, 1970.

9. Нудельман П.Я. Полиномные синтезаторы частотных и временных характеристик / П.Я Нудельман. М.: радио и связь. 1990. - 135 с.

10. Fokke Н. Modulation-index estimation in combined CPM/OFDM receiver / H. Fokke, Sh. Roel., S. Kess. IEEE, Benelux signal processing symposium. - 2004.- p. 171-174.

11. Макаров С.Б. Передача дискретных сообщений по радио каналам с ограниченной полосой пропускания / С.Б. Макаров, И.А. Цикин. -М.: Радио и связь, 1988. 304 с.

12. Витерби А.Д. Принципы цифровой связи и кодирования / А.Д. Витерби, Дж. К. Омура М.: Радио и связь, 1982. - 536 с.

13. Top-Down DSP Design Flow to Silicon Implementation / AccelChip, Inc. 2005. - 9 p., ill.

14. Karnofsky, K. Simulink Brings Model-Based Design to Embedded Signal Processing / K. Karnofsky. Xcell Journal. - Winter 2004. - 4 p., ill.

15. Processors for Software-Defined Radio // Choices and Trade-offs. Berkeley Design Technology, Inc. January 2005. - 10 p., ill.

16. Майская В. Программируемые логические микросхемы. / В. Майская // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2004. -№4.- С. 10-19, ил.

17. Rosario A.d. Altera's Stratix-II Expands FPGA Market. Press Release / A. d. Rosario // Altera, Inc. 2004. - February 2.

18. Snowden, T. Xilinx Virtex-4 FPGAs win "Product of the Year" Award from Electronic Products Magazine / T. Snowden // Xilinx Press Release # 050; Xilinx, Inc. 2005. - January 11.

19. XtremeDSP Design Considerations User Guide // Xilinx Corporation. 2005.-vl.2.- 114 p., ill.

20. Virtex-4 Family Overview DS112// Xilinx Corporation. 2004. - vl .2. -Юр, ill.

21. Virtex-4 User Guide // Xilinx Corp. 2005. - vl.3. - 383 p., ill.

22. Douglas L. P. VHDL: Programming by Example / L. P Douglas. -Fourth Edition. McGraw-Hill, 2002. - 497 p., ill.

23. Поляков, А. К. Языки VHDL и Verilog в проектировании цифровой аппаратуры / А. К. Поляков. Солон-Пресс, 2003, - 320 стр.

24. Catapult С Synthesis-based Design Flow: Speeding Implementation and Increasing Flexibility // Mentor Graphics Corporation. 2004. - 11 p., ill.

25. Niraj Shah. MATLAB: The New Frontier for EDA Tools / Niraj Shah. Catalytic, Inc. January 3. - 2005.

26. Voorburg, F. С Source Code Validation using Matlab/Simulink. Application Note AN1003 / F. Voorburg. Feaser // LLC. July 1. -2005. - 17 p., ill.

27. Лохов, А. Средства проектирования FPGA компании Mentor Graphics / А. Лохов, А. Рабоволюк // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2004. №4. - С. 60-63, ил.

28. Amy Malagamba. Assemble All Ye IP. Using Simulink for DSP Design / Amy Malagamba // FPGA and Structured ASIC Journal 2005. -November 15. - - 5 p.

29. ISE Quick Start Tutorial // Xilinx Corporation. 2005. - 42 p., ill.

30. Xilinx ISE 6 Software Manuals. Development System Reference Guide // Xilinx Corporation. 2005. - 476 p., ill.

31. Quartus II Version 5.0 Handbook // Altera Corporation. 2005. - 1430 p., ill.

32. Xilinx System Generator v7.1 User Guide (html version) // Xilinx, Inc. -2005.

33. ГОСТ 11.010-81. Прикладная статистика: правила определения оценка распределения. М.: Изд-во стандартов, 1980.

34. Крамер, Г. Математические методы статистики / Г. Крамер, пер. с англ. Ю.В. Прохорова. М.: Наука, 1979. - 408с.

35. Возенкрафт, Дж. Теоретические основы техника связь / Дж. Возенкрафт, И. Джекобе. М.; Мир, 1969.36. www.mathworks.com37. wwvv.nova-eng.com

36. Tibenderana, Ch. A low-complexity high-performance bluetooth receiver / Ch. Tibenderana, S. Weiss.// IEE DSP Enabled Radio Colloquium. 2003. - September .- Livingston.

37. Telemetry Group Range Commanders Council IRIG Standard 10699,1999 / Group Range Commanders Council. Appendix C.

38. Информационные технологии и радиотехнических системах- / В.А Васин др.; под ред. И.Б. Федорова М.: МГТУ им Н.Е Баумана , 2003.

39. Котоусов, А.С. Теоретические основы радиосистем / А.С. Котоусов.- М.: Радо и связь, 2002.

40. Куприянов, М.С. Цифровая обработка, сигналов: процессоры, алгоритмы, средства проектирования / М.С. Куприянов, К.Д. Матюшкин. СПб.: Политехника, 1998.

41. Левин, Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники / Б.Р. Левин. М.: Радио и связь, 1989.

42. Баланов, М.Ю. Повышение помехоустойчивости передачи сигналов МНФ при исключении нежелательных фазовых траекторий / М.Ю. Баланов, А.А. Парамонов// Наукоемкие технологии. 2005. - Т.6. -№10.

43. Мартиросов, В.В. Оптимальные алгоритмы приема дискретных сигналов / В.В. Мартиросов // Радиотехника и электроника. 1985. -Т.ЗО.-№5.

44. William, P.O. Coherent and noncoherent detection of CPFSK / P.O. William, B. L. Michael // IEEE Transaction on communications. 1974.- Vol. 22. August №.8. - P.1023-1036.

45. Anderson, J.B. Digital phase modulation / J.B. Anderson, T.Aulin, C.-E. Sundberg // Plenum press. N.Y.,1992.

46. Радиотехнические системы передачи информации / В.Л. Борисов, и др.; под ред. Калмыкова В.В. М.: Радио и связь, 1990.

47. Питерсон, У. Коды, исправляющие ошибки / У. Питерсон; пер. с англ. ; под. Ред. Р.Л. Добрышина и С. И. Самойленко . М.: Мир, 1976.-576с.

48. Янке, Е. Специальные функции формулы, графики таблицы / Е Янке, Ф. Эмде; пер. с нем.; под. ред. JI.H. Седова. М.: Наука, 1968.-344.C

49. Hamblen, J.O. Rapid Prototyping of digital systems / J.O. Hamblen, T.S. Hall, M.D. Furman //Springer. 2005. - 371p.

50. Zwolinski, M. Digital system design with VHDL / M. Zwolinski // Prentice hall. 2004. - 368p.

51. Fokke, II. Modulation-index estimation in a combined CPM/OFDM receiver / I-I. Fokke, S. Roel // IEEE Benelux Signal Processing Symposium. 2004. - P. 171-174.

52. Papoulis A. Probability random variables and stochastic processes / A. Papoulis // McGraw-Hill Book Company. 1981.

53. Аль-Аззех, Д. С. Системы на кристалле: общее представление и тенденции развития / Д. С. Аль-Аззех, А. П. Антонов // XXXIV Неделя науки СПбГПУ. 4.VI, 28 ноября 3 декабря 2005 г. : материалы межвуз. науч. конф. - СПб. : Изд-во СПбГПУ, 2005. - С. 30-31.

54. Аль-Аззех, Д. С. Модифицированные алгоритмы приема частотно-манипулированного сигнала с непрерывной фазой / Д. С. Аль-Аззех, А. П. Антонов // Науч.-техн. вед. СПбГПУ. 2007. - №4, т.2. -С. 148-153.