Перспективные задачи в области проектирования ЦФ частотной селекции
Не существует пока и практической альтернативы: фильтр с конечной импульсной характеристикой (КИХ-фильтр) или фильтр с бесконечной импульсной характеристикой (БИХ-фильтр), поскольку современная схемотехника представляет собой царство КИХ-фильтров, как более “понятных” интуитивно и не создающих дополнительных проблем, связанных с устойчивостью. Однако реализация БИХ-фильтров в виде мегафункций для САПР ПЛИС остается одной из основных задач, поскольку в ряде приложений (цифровая фильтрация Колмогорова-Винера, оптимальное управление и др.) требуются именно БИХ, а не КИХ-фильтры.
В литературе достаточно подробно описан алгоритм проектирования ЦФ частотной селекции, предназначенного для выделения (подавления) одной априорно заданной полосы частот [3,6,7] (для ЦФ типа “преселектор - селектор” процедура проектирования дополняется оптимизацией числа ступеней и коэффициентов прореживания на отдельных ступенях, для ЦФ с поиском информативных спектральных составляющих - построением устройства, определяющего информативные поддиапазоны). Этапы проектирования, альтернативы на каждом этапе, последовательность действий при оптимизации, - известны; напрашивается формализация всей процедуры проектирования в виде пакета прикладных программ или САПР. Такие попытки предпринимались неоднократно, однако до сих пор на рынке программных продуктов не появились образцы, которые заинтересовали бы разработчиков с коммерческой точки зрения.
разделение по отдельным частотным каналам спектральных составляющих сигнала, чей спектр состоит из субполос различной ширины, неравномерно распределенных в пределах рабочего диапазона фильтра; на практике указанную задачу сводят к предыдущей, разбивая рабочий диапазон на большое число узких поддиапазонов при помощи ЦФ типа "преселектор - селектор", затем подключается специальное устройство, которое определяет “информативные” поддиапазоны (т. е. поддиапазоны, содержащие полезную мощность) и, наконец, каскад завершается синтезатором, который вновь собирает воедино каналы, соответствующие той или иной субполосе спектра входного сигнала; в зависимости от того, где анализируются поддиапазоны на предмет информативности, различают ЦФ с поиском в частотной и во временной области; общее название ЦФ данного класса - “ЦФ с поиском информативных спектральных составляющих”.
разделение по отдельным частотным каналам равноценных и равномерно распределенных по всему частотному диапазону спектральных компонент сигнала с линейчатым спектром; в зависимости от того, какой метод используется для уменьшении аппаратурных затрат на реализацию набора однотипных ПФ, которые могли бы быть применены для решения данной задачи, различают ЦФ с прореживанием по времени и с прореживанием по частоте; а поскольку основным методом уменьшения аппаратурных затрат является каскадирование более низкоизбирательных, чем исходный, наборов ПФ, то многоступенчатая пирамидальная структура, получаемая в результате, была названа ЦФ типа "преселектор - селектор";
выделение (подавление) одной априорно заданной полосы частот; в зависимости от того, какие частоты подавляются, а какие - нет, различают фильтр нижних частот (ФНЧ), фильтр верхних частот (ФВЧ), полосовой фильтр (ПФ) и режекторный фильтр (РФ);
Это наиболее известный, хорошо изученный и апробированный на практике тип ЦФ. С алгоритмической точки зрения ЦФ частотной селекции могут рассматриваться как результат перехода на новую элементную базу традиционных аналоговых фильтров частотной селекции, предназначенных для решения следующих задач:
ЦФ частотной селекции.
На рис. 1 приведена классификация цифровых фильтров (ЦФ), составленная на основе публикаций [1 - 8] за последние 10 лет. В основу классификации положен функциональный принцип, т.е. ЦФ подразделяются исходя из реализуемых ими алгоритмов, а не с учетом каких-либо схемотехнических особенностей. Авторы хотели бы сразу же оговориться, что в дальнейшем изложении не отражены вопросы, связанные с применением в ЦОС различных ортогональных преобразований, в частности, быстрого преобразования Фурье (БПФ). Этому аспекту ЦОС авторы планируют посвятить отдельную статью.
1. Обзор алгоритмов цифровой фильтрации.
Вышеприведенные факты свидетельствуют о том, что необходимо определенное переосмысление всей идеологии проектирования средств ЦОС (и в особенности ЦФ) на современном этапе, а также о том, что существует потребность в активизации деятельности структур, профессионально занимающихся реализацией алгоритмов ЦОС на современной элементной базе.
Таким образом, налицо определенные противоречия, во-первых, между развитием прикладной науки, предлагающей совершенно новые алгоритмы цифровой обработки сигналов (ЦОС), и консерватизмом разработчиков, предпочитающих традиционные подходы; во-вторых, между тенденцией к расширению сферы применения оптимальных и адаптивных ЦФ (в то время как сфера применения ЦФ частотной селекции расширяется чисто экстенсивно) и отсутствием формализации относительно новых и сложных принципов ЦОС в виде т.н. мегафункций, реализованных на том или ином языке описания аппаратуры (AHDL,VHDL и т.п.).
С проектированием цифровых фильтров (ЦФ) так или иначе приходилось сталкиваться большинству разработчиков современных систем связи и управления. Тем не менее общепринятый взгляд на эту область схемотехники является настолько же односторонним и упрощенным, насколько и распространенным. Так, проектирование ЦФ в представлении большинства разработчиков прочно ассоциируется с процедурой синтеза структуры ЦФ частотной селекции, причем наиболее простой его разновидности, предназначенной для выделения (подавления) одной априорно заданной полосы частот. Все остальные разновидности ЦФ - многокаскадные структуры с прореживанием по времени и по частоте, фильтры Винера и Калмана, робастные и адаптивные - считаются своего рода экзотикой, предметом исследований узких специалистов. Но соответствуют ли подобные взгляды современному уровню развития радиотехники и мехатроники? В обзорной работе 1990 года [1] по управлению подвижными объектами читаем: “Сейчас различают классическую и современную теории оптимального управления. Первая из них включает методы проектирования систем управления, опирающиеся на аппарат передаточных функций, а вторая, на основе которой и построена данная книга, описывает системы посредством пространства состояний и использует результаты теорий оптимальной фильтрации и идентификации” (т.е. предметом изучения являются оптимальные и адаптивные ЦФ ). В известном справочнике М. И. Жодзишского по цифровым радиоприемным системам [2] тем устройствам, которые построены на основе “традиционных” ЦФ, уделено 10 страниц из 208 (!). Даже в специализированной работе [3] “Цифровая частотная селекция сигналов” основной акцент сделан на способах реализации сложных многокаскадных ЦФ, применяемых в спектроанализаторах и в приемниках панорамного обзора, а описание ЦФ, предназначенных для выделения (подавления) одной априорно заданной полосы частот занимает не более 1/10 общего объема.
Губанов Д.А., Стешенко В.Б. (МГТУ им. Н.Э.Баумана), Храпов В.Ю., Шипулин С.Н. (Центр “Логические системы”)
Перспективы реализации алгоритмов цифровой фильтрации на основе ПЛИС фирмы “Altera”
Перспективы реализации алгоритмов цифровой фильтрации на основе ПЛИС фирмы Altera
"Цифровые решения"
Научно-производственное предприятие
Дизайн-центр по проектированию СБИС и радиоэлектронной аппаратуры
Перспективы реализации алгоритмов цифровой фильтрации на основе ПЛИС фирмы Altera
Комментариев нет:
Отправить комментарий