Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Системы автоматизации посадки самолетов и анализ многочастотных систем радионавигации в зоне посадки 19
1.1 Обзор радионавигационных систем посадки самолетов... 19
1.1.1 Требования авиационной навигации 21
1.1.2 Элементы системы посадки самолета и возможного выполнения 25
1.1.3 Система посадки по приборам 26
1.1.4 Системы посадки микроволнового диапазона 29
1.1.5 Глобальная спутниковая навигационная система (global navigation satellite system gnss) 31
1.1.6. Сравнение систем посадки самолетов 34
1.2 Пространственно и частотно-разнесенная фазовая система слепой посадки самолетов - анализ ограничений 36
1.2.1 Структура построения системы 37
1.2.2 Основные уравнения 38
1.2.3 Анализ ограничений 39
1.3 Обоснование постановки задачи исследований 42
1.3.1 Системы посадки самолета сегодня 42
1.3.2 Методы измерения расстояния с помощью радиосигналов 43
1.3.3 Выбор элементной базы и сигналов 44
1.4 Постановка задачи исследований 45
Глава 2. Анализ и проектирование радионавигационной системы посадки самолета 48
2.1 Анализ радионавигационной системы посадки самолета 49
2.1.1 Анализ геометрии трасс распространения сигналов 49
2.1.2 Анализ навигационных элементов системы 51
2.1.3 Вычисление расстояния 54
2.1.4 Многопутевой эффект и способы его решения 61
2.2 Бортовой цифровой приемник 65
2.2.1 Цифровое преобразование спектра вниз 65
2.2.2 CORDIC алгоритм 72
2.2.3 Бортовой цифровой приемник архитектура и проектирование 76
Выводы... 83
Глава 3. Синтез и анализ бортового цифрового приемника в базисе ГОШС/FPGA 86
3.1. Синтез и анализ схем умножения в базисе ПЛИС 92
3.1.1. Базовые модели умножителей 93
3.1.2. Обзор реализации умножителей на ПЛИС 96
3.1.3. Синтез умножителей в базисе ПЛИС 101
3.1.4. Анализ сложности модели схемы умножения в базисе ПЛИС 105
3.2. Синтез и анализ сложности схем цифровых фильтров в базисе ПЛИС/FPGA 109
3.2.1. Базовая модель 111
3.2.2. Обзор реализации цифровых фильтров на
3.2.3. Синтез цифровых фильтров в базисе ПЛИС 122
3.2.4. Анализ сложности реализации в базисе ПЛИС/FPGA. 123
3.3. Синтез и анализ сложности схемы управляемого синтезатора частоты в базисе ПЛИС/FPGA ..130
3.3.1. Управляемый цифровой синтезатор частоты... 130
3.3.2. Метод экономичной реализации табличной функции синуса.. 132
3.3.3. Симметрия синуса/косинуса 133
3.4.1. Реализация DDFS на ПЛИС 134
3.4. Синтез и анализ сложности реализации каскадного интегрально-комбинированного фильтра в базисе программируемых логических интегральных схем 135
3.4.1. Структурная модель каскадного интегрально-комбинированного фильтра 135
3.4.2. Реализация CIC на ПЛИС .136
3.5. Синтез и анализ сложности реализации CORD1C алгоритма в базисе ПЛИС/FPGA 137
3.5.1 Параллельный циклический CORDIC алгоритм..138
3.5.2 Последовательный циклический CORDIC алгоритм 138
3.5.3. Параллельный ациклический CORDIC алгоритм 139
3.5.4. Реализация CORDIC алгоритма на ПЛИС класса
3.6 Синтез и анализ сложности бортового цифрового приемника в базисе ПЛИС/FPGA 142
3.6.1 Варианты реализации цифрового приемника в базисе ПЛИС/FPGA... 142
3.6.2 Вариант 1: Реализация цифрового приемника на 8 микросхемах типа XC4044XLA 143
3.6.3 Вариант 2: Реализация цифрового приемника на 2-х микросхемах типа XC40250XV 144
Выводы 144
Заключение 145
Список использованных источников 147
Приложения 162
- Элементы системы посадки самолета и возможного выполнения
- Бортовой цифровой приемник архитектура и проектирование
- Синтез и анализ сложности схем цифровых фильтров в базисе ПЛИС/FPGA
- Структурная модель каскадного интегрально-комбинированного фильтра
Введение к работе
Актуальность проблемы. Главнейшей проблемой гражданской авиации, а также одной из важнейших народохозяйственных задач является обеспечение регулярности и высокой интенсивности полетов и посадки летательных аппаратов (ЛА) с заданной безопасностью как на стационарных категорийных аэродромах, так и на временных аэродромах и площадках базирования со сложными георельефом и климатическими условиями.
Особые трудности вызывает решение задач оперативного развертывания и организации посадки в кратчайшие сроки на необорудованных площадках (решения задач МЧС, посадка на льдину, экстренной эвакуации и оказание медицинской помощи и т.п.)
Решение основной задачи посадки самолета -вывода самолета при подходе к аэропорту в заданную точку с необходимой точностью требует применения современных навигационных и посадочных средств, позволяющих определять местонахождение самолета и параметры его движения.
Требования к точности определения местонахождения самолета задает международная организация гражданской авиации -IСАО.
Системы посадки: по приборам (ILS), микроволнового диапазона (MLS(, и глобальная навигационная спутниковая система (GNSS) – в настоящее время это самые популярные системы посадки самолетов.
Современные системы посадки самолета по приборам ILS и MLS стоят 1,5 и 5 млн.долларов, соответственно.
Значительный интерес проявляется к использованию спутников, т.к. они могут обеспечить выполнение многих навигационных функций посадки. Ее стоимость зависит от стоимости наземной части системы, плюс расходы на содержание спутникового созвездия, которое необходимо возобновлять через каждые 5 лет.
Системы ILS и MLS могут быть использованы при оборудовании международных аэропортов, но возможность оборудования такой техникой обычных аэропортов (республиканских, областных) как в России, так и в СНГ, и в случаях спасения, и операций поддержки в отдаленных местах практически исключена из-за дороговизны и сложности их установки и настройки.
Потребность в надежной, точной, гибкой и дешевой системе посадки ЛА на необорудованной площадке остается неудовлетворенной. Необходима система посадки, которая могла бы преодолеть ограничения ранее предложенных систем и удовлетворяла требованиям ICAO.
Одним из направлений решения данной задачи является реализация вычислительных элементов системы посадки ЛА в базисе программируемых логических интегральных схем (ПЛИС), которые позволяют обеспечить высокую точность и скорость обработки радиосигналов.
Несмотря на большое количество публикаций по данному направлению, задачи анализа и синтеза систем посадки ЛА, на основе новой элементной базы, изучена недостаточно. Актуальным является вопрос реализации данных систем в базисе программируемых логических интегральных схем (ПЛИС). Особенно привлекательной, в данной связи, является задача исследования реализации в базисе ПЛИС методов и алгоритмов цифровой фильтрации сигналов, цифровых синтезаторов частоты и анализаторов фаз.
Объект исследования: - вычислительная система посадки ЛА в критических ситуациях.
Предмет исследования: - вопросы разработки бортового комплекса систем посадки ЛА в базисе ПЛИС
Цель работы. Повышение эффективности вычислительной системы посадки ЛА в критических ситуациях путем создания мобильных систем их посадки на основе предлагаемых моделей, методов и алгоритмов, осуществляемых в базисе ПЛИС.
Научная задача работы – разработка моделей, методов алгоритмов и средств построения мобильной вычислительной системы посадки ЛА в базисе ПЛИС.
Решаются следующие подзадачи:
- анализ известных систем автоматизации посадки ЛА;
- анализ ограничений пространственно и частотно-разнесенной фазовой системы слепой посадки ЛА;
- разработка методов определения координат ЛА в условиях необорудованных площадок и их математическое моделирование;
- анализ и решение проблемы неоднозначности определения расстояний по фазам радиосигналов;
- разработка бортового цифрового приемника в базисе ПЛИС/FPGA, включая вопросы синтеза и анализа сложности реализации цифровых фильтров, управляемого синтезатора частоты, каскадного интегрально-комбинированного фильтра и алгоритма вычисления фаз в базисе ПЛИС.
- создание файлов конфигурации базовых узлов бортового цифрового приемника для ПЛИС/FPGA при использовании САПР Xilinx Foundation Series F.3.1.i.
Методы исследований. При проведении исследований для достижения поставленных задач использовались: теория цифровых радиоприемников; методы теории распространения радиоволн; теория цифровых фильтров; методы цифровой обработки сигналов; аппарат линейной алгебры и дискретной математики; методы моделирования и проектирования.
Научная новизна работы заключается в том, что
- на основе сравнительного анализа существующих систем посадки ЛА обоснована актуальность создания наземно-бортового комплекса мобильного и оперативного развертывания посадки;
- разработана математическая модель определения местоположения ЛА относительно взлетно-посадочной полосы (ВПП);
- предложен метод измерения фазы сложных радиосигналов, обеспечивающий высокую точность, и позволяющий решить проблему неоднозначности фазы;
- предложена и разработана структурная модель наземно-бортового комплекса, реализованного на современных ПЛИС;
- получены оценки сложности реализации в базисе ПЛИС/FPGA алгоритмов цифровых фильтров, управляемого синтезатора частоты, каскадного интегрально-комбинированного фильтра и вычисления фаз.
Практическая ценность и внедрение результатов. Ценность работы заключается в том, что показана
- возможность оперативного развертывания на необорудованных посадочных площадках четырех антенн для решения задач МЧС, посадки на льдину, экстренной эвакуации, медицинской помощи и т.п.;
- предложена реализация бортового 8 канального цифрового приемника и задающего генератора-передатчика в базисе ПЛИС/ FPGA;
- разработаны методы и алгоритмы распараллеливания процесса вычислений и потоковой обработки данных в базисе ПЛИС/ FPGA;
- предложенные методы и алгоритмы доведены до инженерных расчетов, созданные файлы конфигураций базовых узлов бортового цифрового приемника позволяют практически реализовать эти узлы по технологии ПЛИС;
- отдельные результаты исследований используются в учебном процессе на кафедрах КИПМЭА и КС КГТУ им. А.Н. Туполева в курсовом и дипломном проектировании.
Достоверность полученных результатов подтверждена корректным использованием методов математического моделирования и экспериментальными исследованиями при использовании программных продуктов MicroWare Office, Maple, Visual System Simulator и САПР Xilinx Foundation Series F.3.1.i..
На защиту выносятся:
-
обоснование необходимости создания мобильной системы оперативного развертывания посадки ЛА;
-
структурная модель разрабатываемой вычислительной системы посадки ЛА;
-
метод определения навигационных координат на основе измерения фазы радиосигналов с устранением ее неоднозначности;
-
оценки эффективности реализации элементов многоканального бортового приемника в базисе ПЛИС/ FPGA;
-
функциональная модель многоканального бортового приемника в базисе ПЛИС/ FPGA.
Апробация работы. Основные положения и результаты докладывались и обсуждались на ежегодных международных Туполевских чтениях (2004-2006гг.); в трудах 1-го Международного форума (6-й Международной конференции) “ Актуальные проблемы современной науки” (Самара, 2005 г.); в материалах региональной научно-методической конференции
“ Профессиональные концепции в структуре модели современного инженера”, Нижнекамский филиал КГТУ. ( Казань 2005 г.); в материалах региональной научно-методической конференции “ Информационная культура в системе подготовки будущего инженера ”, Нижнекамский филиал КГТУ. ( Казань, 2006 г.); на первой научно-технической конференции
“ Зарубежных аспирантов и магистрантов КГТУ им.А.Н.Туполева” ( Казань, 2005 г.); на 4-й ежегодной международной научно-практической конференции “ Инфокоммуникационные технологии республики Татарстан ” ( Казань,
2006 г).
Публикации. Содержание диссертации опубликовано в 13 работах, включая 5 статей, 8 тезисов.
Структура и объём диссертации. Диссертационная работа изложена на 161 страницах машинописного текста, содержит 72 рисунков и 6 таблиц, состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы из 130 наименований и 3 приложений на 20 страницах.
Автор выражает свою благодарность к.т.н. доценту кафедры КИПМЭА Русяеву Н.Н. и к.т.н. доценту кафедры КС Шалагину С.В. Казанского государственного технического университета
им. А.Н. Туполева за помощь в проведении исследований в области навигации ЛА и экспериментальных исследований системы в базисе ПЛИС.
Элементы системы посадки самолета и возможного выполнения
Любая система автоматизации посадки самолета состоит из трех главных элементов: навигация, руководство и управление и каналы связи. Навигационный элемент определяет координаты самолета, позицию относительно взлетно-посадочной полосы аэропорта. Направляющие элементы (guidance) и элементы управления (control) определяют отклонения самолета от пути приземления. Отклонения преобразуют в команды управления. Каналы связи обеспечивают экипаж самолета важной информацией: идентифицирующий, об уровне работы наземного оборудования, о состоянии взлетно-посадочной полосы, о погоде, и т.д. Есть три возможного определения пути приземления [57]. Статические лучи антенны определяют один возможный путь, например, ILS. Динамические лучи антенн и моменты времени (возможны многие пути посадки, например, MLS). Предопределенный путь или (MLS RNAV или GNSS) Отклонение самолета от пути приземления можно измерить: [57]. По оценкам различия глубины модуляции (Difference in Depth of Modulation DDM) Определение времени между измерениями, если максимум напряженности сигнала имеет четкую выраженность. Определение трехмерной позиции, вычисление расстояния до предопределенного пути. Система посадки по приборам (ILS) - точное и надежное средство приведения самолета к взлетно-посадочной полосе в различных погодных условиях. При использовании ILS пилот определяет положение самолета по инструментам. ILS состоит из: курсового радиомаяка, глиссадного радиомаяка и маркерного радиомаяка. Категория I ILS обеспечивает информацию для снижения до высоты принятия решения - не меньше, чем 200 футов (60т). Высота принятия решения (DH) не меньше, чем 100 футов (30т), на радарном высотомере для Категории II. ILS обеспечивает горизонтальное и вертикальное управление, где информация для управления самолетом определяется по линии курса и глиссады [28].
Курсовой радиомаяк системы ILS 1 обеспечивает задание курса посадки. Он установлен на продолжении оси ВПП 2 на расстоянии 450 1200 м от ближнего его торца со стороны, противоположной направлению посадки (рис. 1.5). и зона действия (б) КРМ системы ILS Антенны радиомаяка в горизонтальной плоскости формируют диаграммы направленности 3 в виде двух лепестков. Линия курса посадки - это линия, на которой разность глубин модуляции (РГМ) равна нулю. При отклонении от линии курса РГМ становится отличной от нуля. Ширина курсового сектора 3 (рис. 1.5,6) находится в пределах 4 - 6. Зона действия КРМ в горизонтальной плоскости 4 составляет ± 35, по дальности - 45 км. Глиссадная часть системы ILS Информация о глиссаде посадки задается наземными глиссадными маяками (ГРМ) системы ILS. Глиссадный маяк 2 (рис.1.7,а) устанавливают на расстоянии 120 - 180 м от оси и на 200 + 450 м от торца ВПП 1 в направлении центра полосы со стороны захода на посадку. Антенны ГРМ формируют в вертикальной плоскости диаграмму направленности двух лепестковую. Диаграммы направленности, взаимно складываясь, образуют равносигнальную зону 5. Равносигнальная зона в зависимости от особенностей аэродрома может быть наклонена в пределах от 2 до 5 градусов относительно горизонта. Оптимальный угол равносигнальной зоны глиссады составляет 240 (2,67). РГМ на линии глиссады равна нулю и изменяется при отклонении самолета от равносигнальной зоны вверх или вниз. Маркерный канал системы ILS Маркерный канал контролирует момент пролета самолета маркерных радиомаяков (МРМ) в системе ILS. Эти маяки устанавливаются на определенном расстоянии от начала ВПП на ее оси со стороны захода на посадку (рис.1.7,а), что позволяет определять расстояние до ВПП. MLS - это система посадки самолета, наземная часть которой, состоит из трех компонентов: передатчиков измерения азимута, высоты и расстояния, приемоответчика (transponder). Все три компонента расположены около взлетно-посадочной полосы, как показано в рис. 1.8 [72]. Для управления подходом (approach guidance) используются лучи просмотра (Scanning beams). Станция азимута излучает узкие, очень направленные лучи в форме веера ("to" and "fro", "к" и "назад") по всему объему обслуживания.
Самолетный приемник MLS измеряет разность времени прохода между двумя лучами, чтобы получить заголовок (heading) подхода. Станция высоты работает в той же самой манере, как и станция азимута, кроме веерообразных просмотров (scans) луча вверх и вниз. Информация о расстоянии обеспечена оборудованием, измеряющим расстояние "Distance Measuring Equipment (DME)" [38]. Систему можно разделить на пять функций: азимут подхода, обратный азимут, высота подхода, диапазон и данные коммуникации.
Бортовой цифровой приемник архитектура и проектирование
Предложенный бортовой цифровой приемник предназначен для приема восьмиканального сигнала в диапазоне от 960 МГц до 963.003749941 МГц. В нем использована аналоговая и цифровая обработка сигналов. Результатом обработки являются оценки сдвига фаз несущих сигналов, и затем сдвиги фаз между каждой парой сигналов.
Обзор Архитектуры: На рис.2.14 показана блок-схема предложенного цифрового приемника. Он состоит из следующих частей: Аналоговая входная часть (Analogue front-end) Цифровой гетеродин (Digital Local Oscillator LO) Цифровые смесители Многоскоростные цифровые фильтры (Multi rate digital filters) Алгоритмы сдвига фазы (phase wrapping algorithms)
Аналоговая входная часть содержит усилитель, фильтр с относительно широкой полосой пропускания и аналоговый смеситель. Преобразовать принятый сигнал к промежуточной частоте (IF), более подходящей для цифровой обработки сигнала -это главная функция аналоговой части. Аналоговая часть приемника рассматривается в настоящей работе на функциональном уровне. Она должна принять восемь радиосигналов различных частот в диапазоне от 960 МГц до 963.003749941 МГц, и выдать сигнал промежуточной частоты, занимающий полосу частот от 5 МГц до 8 МГц (точные рабочие частоты перечислены далее). Работа аналоговой части на схемном уровне далее не рассматривается. Сигнал промежуточной частоты преобразуется аналого-цифровым преобразователем (АЦП) в цифровую форму, чтобы обработку всех сигналов проводить в цифровом виде [104]. Частота выборки сигналов в диапазоне от 5 до 8.003749941 МГц, должна быть порядка 24 MSPS, чтобы выполнить критерий Котельникова-Найквиста. На рис.2.15 показан спектр выходного сигнала аналоговой входной части. Этот спектр содержит восемь полученных сигналов на промежуточных частотах. /, =5000000 Hz ./2 Цифровой гетеродин, в терминах выполнения системных функций, это генератор дискретной цифровой синусоиды, которая поступает на вход смесителя, где осуществляется сдвиг спектра сигнала по частоте.
Чтобы сдвинуть сигналы к нулевой частоте (DC 0Hz), DLO должен генерировать частоты равные входным, т.е.; fWi =5000000 Hz Цифровые смесители: Один из важных компонентов цифрового приемника - это смеситель как показано на Рис.2.15 Смеситель состоит из двух умножителей для цифровых сигналов. Математически цифровые смесители умножают входные отсчеты от A/D на цифровые синус и косинус отсчеты DLO, т.е. от местного генератора.
Заметим, что цифровые входные отсчеты от A/D и цифровые косинус и синус отсчеты от местного генератора генерируется на одной и той же скорости, именно, один раз каждый A/D такт. Исходя из скоростей передачи данных на оба ввода смесителей, частот дискретизации A/D равных /, = 24 МГц, умножители тоже работают на той же самой скорости.
Синус и косинус вводы от местного генератора создают I и Q (In-phase and Quadrature) выводы, которые являются важными для того, чтобы держать информацию фаз, содержавшуюся во входном сигнале. В отличие от аналоговых смесителей, цифровые смесители почти идеальны, потому что генерируют только два выхода: сумму и разность частот сигналов. Рис.2.16 показывает произведение смесителя в области частот. На выходе смесителя высокочастотный сигнал fx с входа AID перенесен вниз по частоте к DC.
В бортовом цифровом приемнике необходимо 8 цифровых смесителей, каждый из двух цифровых умножителей, один умножитель для синуса и другой для косинуса.
Синтез и анализ сложности схем цифровых фильтров в базисе ПЛИС/FPGA
В настоящее время методы цифровой обработки сигналов (ЦОС) получили большое распространение. Этому способствуют достижения, связанные с созданием специализированных процессоров, сопроцессоров и алгоритмов высокоскоростной обработки информации. Одним из основных классов алгоритмов, используемых при ЦОС, является цифровая фильтрация [1], [7], [8] и [4]. Устройства, реализующие данные алгоритмы - цифровые фильтры (ЦФ), выполняют различные функции: исключают из сигнала шумы и помехи различного происхождения и создают наилучшие возможности для обнаружения и оценки параметров полезной информации [9]. В качестве перспективной элементной базы для реализации ЦФ являются программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС) [10, 130]. Следует отметить важность таких применений, как отработка прототипов систем при их проектировании, даже если конечная реализация рассчитана на другие средства, а также создание малотиражных изделий быстрым и эффективным способом [29].
Построение устройств на ПЛИС предполагает выполнение предварительной структурной и функциональной проработки проектируемого устройства (проекта), которая включает в качестве важнейшей задачу оценки логических ресурсов ПЛИС, требуемых для его реализации. Подобная задача, в частности, решается в [5, 14], где дана методика её решения и приведены оценки логических ресурсов ПЛИС [10, 130], необходимых для построения некоторого класса специализированных вычислителей. Представляет интерес задача оценки адекватности проектируемых устройств класса ЦФ базису ПЛИС типа FPGA. Оценка адекватности производится путем сопоставления теоретических оценок сложности и оценок реальных затрат логических ресурсов и линий межсоединений (МС) при реализации на ПЛИС для заданных устройств.
В данном разделе решена задача оценки временной и емкостной сложности ЦФ 1-го и 2-го порядков на базе схем умножения (СУ) и сложения различных архитектур в базисе ПЛИС [9] на основе методик, представленных в [14]. Следует отметить, что ЦФ 1-го и 2-го порядков могут быть использованы для реализации ЦФ более высоких порядков, широко используемых при решении задач ЦОС.
Исследованы оценки адекватности данных устройств базису ПЛИС/FPGA в зависимости от типов СУ, используемых при их реализации. Исследована зависимость данных оценок от разрядности двоичных векторов, описывающих обрабатываемый сигнал. Реализация производится на ПЛИС серии ХС4000Е, которая является базовой для ряда серий ПЛИС/ FPGA [10]. В одномерной дискретной системе связь между входным х{пТ) и выходным у(пТ) сигналами задается оператором Ф: у(пТ)= р[х(пТ)]. Математически произвольный цифровой фильтр (ЦФ) описывается линейным разностным уравнением [9,29]. где х(пТ), у{пТ) - отсчеты входного {х(пТ)} и выходного сигналов фильтра; М, N - натуральные числа; at, ht - вещественные или комплексные коэффициенты, не зависящие от и, х(пТ), у(пТ). Если хотя бы один коэффициент at,bt зависит от п , то уравнение (3) описывает фильтр, называемый параметрическим, то есть фильтр с переменными коэффициентами. Из (3) следует, что у(пТ) в момент времени п определяется М значениями входного сигнала - {х(пТ), х[(п-1}Г], ... х[(п-М)Г]}, а также N-1 значениями { у(пТ) , у[(п-\)Г] , ... y[(n-N-\)T] } в прошедшие моменты времени. При N = 0 образуется нерекурсивный цифровой фильтр, характеризующийся тем, что отклик его представляется суммой некоторого числа членов входной последовательности х{пТ). При N 0 образуется рекурсивный цифровой фильтр с откликом, выражаемым суммой, в которой оказываются представленными не только члены входной цифровой последовательности, но предыдущие члены выходной последовательности. Рекурсивные фильтры при определенных условиях могут быть неустойчивыми и значения в выходной последовательности могут неограниченно нарастать. Общей форме разностного уравнения (3) соответствует следующее выражение передаточной функции: Передаточная функция ЦФ при подстановке вместо z стандартной цифровой последовательности экспоненциального колебания вида eJ(oT позволяет определить частотную характеристику ЦФ H(ejwT). Данная характеристика отображает коэффициент линейной цифровой системы для входной цифровой последовательности, отображающей комплексное экспоненциальное колебание Х{пТ) = ем. Существует несколько структурных моделей реализации ЦФ. Структуры, в который коэффициенты точно равны коэффициентам передаточной функции называют прямой формой структуры (direct form structures). Структурная схема ЦФ может быть также спроектирована в 2 этапа. На первом этапе проектируется элементарные ЦФ, и затем, на втором этапе, они связываются в каскад или в параллельную форму, или это может быть комбинация обеих структур.
Структурная модель каскадного интегрально-комбинированного фильтра
Основу структуры CIC фильтра составляют стандартные блоки: интеграторы, дифференциаторы и блок изменения частоты дискретизации. В зависимости от аппаратных возможностей, блок-интегратор может быть осуществлен посредством аккумулятора.
Структурные схемы интегратора и дифференциатора приведена на рис. 3.35 а) и 3.35 б). N каскадный CIC фильтр включает N блоков-интеграторов и N блоков-дифференциаторов. R есть фактор уменьшения размера изображения (decimation factor).
В данной связи, стандартный блок для CIC фильтра (CIC decimator) имеет структурную схему, приведенную на рис. 3.36, передаточная функция которого имеет вид: Схема CIC фильтра, структура которой приведена на рис. 3.36, с одним интегратором, одним дифференциатором, и фактором уменьшения размера изображения (decimation factor) R = 64 реализована в базисе ПЛИС серии ХС4000Е при использовании специализированной САПР. Структурная модель создана на основе набора библиотечных элементов схемотехнического редактора САПР (Schematic Editor), при использовании логических ресурсов микросхемы типа ХС4010Е. Результаты работы представлены как описание соответствующих функциональных моделей в виде протоколов работы САПР. В данных протоколах содержатся следующие сведения: количество КЛБ, ГФ(4) и ГФ(3), задействованных при реализации умножителей в базисе ПЛИС/FPGA, а также время задержки функционирования проектируемого модуля (Ти). Кроме того, приведена информация о количестве задействованных триггеров (flip-flop) и запоминающих устройств (ЗУ), реализованных на базе ГФ(4) [130]. Согласно полученным результатам для реализации схемы CIC фильтр в базисе ПЛИС типа ХС4010Е требуется 29 КЛБ. Схема реализована при использовании 22 ГФ(4) и 54 триггеров, ГФ(3) используется только для передачи сигнала. Время задержки функционирования Td = 11.950 ns, с максимальной частотой 65.147 МГЦ [22]. CORDIC алгоритм цифровой фильтрации разработан Джеком Э. Волдером и примечателен тем, что для его реализации необходимо выполнять только операции сдвига и сложения, что позволяет его достаточно легко реализовать при снижении затрат аппаратных ресурсов. При непосредственной реализации CORDIC алгоритма можно выбрать между различными методологиями проектирования в зависимости от требуемых сложности схем и быстродействия. Основные алгоритмы реализации CORDIC следующие: параллельный циклический CORDIC (Parallel Iterative CORDIC), последовательный циклический CORDIC (Serial Iterative CORDIC), параллельный ациклический CORDIC (Parallel Unrolled CORDIC). Рассмотрим реализацию данных методов в базисе ПЛИС класса FPGA. Структура CORDIC, согласно уравнениям (2.37) и (2.38) (раздел 2.2.2), при непосредственной аппаратной реализации составлена на базе однотипных элементов, структурная схема которого приведена нарис. 3.37. Каждый элемент состоит из комбинации сумматора-вычитателя устройства и регистра сдвига. В начале вычисления исходные величины передаются в регистр через мультиплексор. Информация, занесенная в z-область, определяет способ действия для сумматора-вычитателя. Сигналы из х- и -областей передаются на регистр сдвига. В этом случае сигнал из х-области складывается или вычитаются из исходного сигнала в -области и наоборот. Z-область арифметически комбинирует суммирование/вычитание величины из регистра с величинами, взятыми из памяти по определенному адресу. Данный адрес изменяется соответственно на число повторений. Реализация п циклов производится прежде, чем исходные величины подаются на вход снова. Итоговые значения могут быть снова переданы на вход.
