Введение к работе
Актуальность работы. Цифровая обработка сигналов (ЦОС) интенсивно развивается уже свыше 25 лет и получила применение в различных областях науки и техники. Новые технологии на базе СБИС позволили создать недорогое оборудование, использующее сложные алгоритмы. Одним из инструментов ЦОС являются цифровые фильтры (ЦФ). Наибольший интерес представляет решение таких задач в реальном масштабе времени, что предъявляет высокие требования к скорости обработки данных. Удовлетворение предъявляемых требований возможно лишь при наличии огромных вычислительных ресурсов. Решение задач в реальном масштабе времени, развитие систем параллельной и конвейерной обработки данных привели к необходимости разработки новых структур ЦФ.
Дешевые и быстродействующие СБИС с высокой плотностью компоновки элементов позволили создать оборудование, практическое применение которого оказалось реальным благодаря его низкой стоимости и высокой производительности. Современные технологии производства СБИС определили ряд требований к проектируемым ЦФ на их основе. Во-первых, снижение стоимости разработки требует создания устройств, состоящих из идентичных модулей. Во-вторых, ограниченные размеры кристалла предполагают наличие связей только между соседними модулями. В-третьих, повышение порядка цифровой цепи не должно уменьшать ее пропускной способности. Таким образом, в основу проектирования ЦФ с использованием СБИС технологии входят принципы модульности, локальности и сокращения связей, распараллеливания обработки данных. Наилучшим образом в технологические особенности СБИС вписываются решетчатые цифровые фильтры (РЦФ).
Следует отметить, что с решетчатыми структурами тесно связаны многие алгоритмы ЦОС. Решетчатый КИХ фильтр является структурной интерпретацией алгоритмов цифрового спектрального оценивания, линейною предсказания и параметрического моделирования. Решетчатые
БИХ фильтры являются интерпретацией критериев устойчивости линейны) систем. Таким образом, РЦФ являются эффективным средством цифрової обработки сигналов, удовлетворяющим требованиям современно! технологии СБИС. В настоящее время известно несколько классов РЦФ различающихся по сложности, чувствительности, уровню шумої квантования и другим параметрам. Для расчета таких фильтров предложень различные методики. Однако обобщенная процедура реализацш решетчатых фильтров, позволяющая с единых позиций рассматривав различные структуры, в настоящее время отсутствует.
Для обоснования выбора ЦФ того или иного вида необходиг сравнительный анализ характеристик. Несложно получить аналитически выражения для расчета характеристик цифровых фильтров имеющи простую, например, каноническую структуру. Анализ более сложны цифровых фильтров, таких как решетчатые или волновые цифровы фильтры, требует развитого программного обеспечения.
Адаптивные фильтры широко используются в цифровом спектральної оценивании для моделирования спектральной плотности мощности (СПМ сложных сигналов. Можно показать, что задача определения СП1\ эквивалентна реализации ЦФ, имеющего заданный квадрат модул передаточной функции. Целесообразно разработать методику реализаци ЦФ с нетиповыми частотными характеристиками на основе методо адаптации решетчатой структуры.
Из вышеизложенного следует, что разработка методов исследования синтеза цифровых фильтров является актуальной научной задачей представляющей практический и теоретический интерес.
Целью настоящей работы является решение комплекса задач, связанных проектированием РЦФ. Среди них целесообразно выделить следующие: разработка общей процедуры проектирования цифровых фильтро регулярной решетчатой структуры, позволяющей синтезировать ка известные, так и новые структуры цифровых фильтров;
разработка процедуры расчета решетчатых цифровых фильтров на основе адаптивного моделирования;
создание программного обеспечения с реализацией предложенных алгоритмов.
Основные задачи исследования. Для достижения поставленных целей были решены следующие задачи:
-
разработана общая процедура реализации полюсно-нулевых РЦФ на основе факторизации матрицы цепных параметров;
-
разработаны методы и алгоритмы моделирования характеристик ЦФ высокого порядка;
-
исследованы характеристики основных структур ЦФ такие, как чувствительность, уровень шумов квантования в системах с плавающей и фиксированной запятой;
-
разработана процедура расчета цифровых фильтров и корректоров на основе градиентных алгоритмов адаптации решетчатой структуры;
-
разработано программное обеспечение, позволяющее автоматизировать
основные этапы проектирования цифровых фильтров. Методы исследования базируются на использовании современных методов синтеза и анализа цифровых цепей, представления описания цифрового фильтра в полном координатном базисе сигналов узлов и ветвей, на использовании свойств и градиентных алгоритмов адаптации решетчатых структур цифровых фильтров, а также методах линейного преобразования и математическом аппарате теории функции комплексного переменного.
Научная новизна работы заключается в следующем:
разработана регулярная процедура синтеза БИХ фильтров на основе каскадного соединения сигнальных шестиполюсников решетчатой структуры;
предложено описание ЦФ в смешанном координатном базисе сигналов узлов и ветвей, оптимальное для анализа в частотной и временной области:
предложен метод синтеза цифровых БИХ фильтров, основанный и
градиентных алгоритмах адаптации решетчатой структуры.
Практическая ценность работы состоит в
разработке регулярной процедуры синтеза БИХ фильтров на осної каскадного соединения сигнальных шестиполюсников решетчато структуры, позволяющей получить множество структур РЦФ с простейших канонических форм до низкочувствительных ортогональнь структур;
разработке программного обеспечения для расчета РЦФ на осної адаптивного моделирования, что позволяет синтезировать ЦФ произвольной частотной характеристикой;
разработке алгоритма и программы анализа основных характеристик Цсі дающей возможность исследования частотных и временнь характеристик, чувствительности, спектральной плотности мощност шумов квантования в системах с фиксированной и плавающей запятой.
Внедрение результатов. Результаты работы и разработанные методики программное обеспечение нашли практическое применение в учебнь программах Московского энергетического института и Московскої государственного института стали и сплавов, в разработках Томскої политехнического университета и Уфимского приборостроительного завод в исследованиях сердечной деятельности спортсменов-борцов под нагрузке на базе ШВСМ им. Д.Г.Миндиашвили и работах НПО «Прикладне механики» им. академика М.Ф.Решетнева. Внедрение результате подтверждено соответствующими документами.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работ докладывались на научно-технической конференции с международны участием «Проблемы техники и технологий XXI века» (Красноярск, Росси 1994г.), на 8-ом Международном симпозиуме по теорстическс электротехнике (Салоники, Греция, 1995г.), на 1-ой международной научн технической конференции «Математичне моделювання в електротехніці
електроенергетиці» (Львов, Украина, 1995), на научной конференции «Север-96» (Норильск, 1996), на научно-методических семинарах кафедрыТОЭКГТУ. Публикации. По материалам диссертации опубликованы шесть печатных работ.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и списка литературы. Общий объем работы составляет 128 страниц машинописного текста, 57 рисунков. Список литературы включает 91 наименование.
