Технические науки/6. Электротехника и радиоэлектроника

К.п.н. Соловьев В.В.

Военная академия РВСН (филиал в г. Серпухове Московской области), Россия

Обоснование выбора типа цифрового фильтра

для применения в перспективных системах радиосвязи

В настоящее время эффективная реализация алгоритмов цифровой обработки сигналов (ЦОС) имеет определяющее значение для многих областей науки и техники. Необходимость выполнения вычислений в реальном масштабе времени предъявляет жесткие требования к качеству обработки данных устройствами ЦОС, которые выражаются в таких показателях, как производительность, точность вычислений, отказоустойчивость [1]. К таким устройствам ЦОС в первую очередь следует отнести устройства обработки сигналов различного типа, спектрального анализа и обработки данных управления. Основное место среди вышеперечисленных устройств занимают классические цифровые фильтры и адаптивные цифровые фильтры. Последние находят широкое применение в устройствах ЦОС, входящих в состав перспективных средств связи.

Приемное устройство должно обнаруживать сигнал на фоне помех и выделять его от нескольких корреспондентов на заданном количестве частот. При этом принимаемые цифровые сигналы обрабатываются в цифровом блоке (ЦБ) приемного устройства [2].

Острой проблемой технической реализации цифрового блока является необходимость оценки соотношения сигнал/помеха одновременно на большом количестве частот в реальном масштабе времени. Например, в существующих средствах адаптивной радиосвязи время анализа соотношения сигнал/шум на 15 частотах составляет 2,8 секунды в полосе 15 кГц. При этом отсутствует корреляция между диапазоном оцениваемых частот и временем его оценки, что приводит к «устареванию» полученных результатов. А это в свою очередь приводит к снижению достоверности и не эффективному ведению радиосвязи. В связи с этим создать цифровой блок с требуемым качеством обработки сигналов не представляется возможным по следующим причинам:

1. Необходимо реализовать цифровой фильтр (ЦФ) с очень узкой полосой пропускания, т.е. с «идеальной» прямоугольной амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ). Такую прямоугольность АЧХ невозможно обеспечить, даже применяя импульсную характеристику ЦФ очень высокого порядка, что в свою очередь значительно затрудняет ее определение.

2. Требуемый объем вычислений в реальном масштабе времени не обеспечивается быстродействием существующих вычислительных устройств. При усложнении вычислительных устройств потребуется значительные временные и аппаратные затраты на синхронизацию, распределение поступающих сигналов от разных корреспондентов и наращивания скорости вычислений.

3. Обеспечивается низкая точность вычислений, что вызвано квантованием обрабатываемых данных и малой разрядностью аналого-цифровых преобразователей сигналов, обладающих высоким быстродействием [3].

4. Набор ЦФ высокого порядка в цифровом блоке не позволяет реализовать цифровой блок в виде установленных существующими стандартами базовых несущих конструкций.

5. Низкая точность вычислений приводит к тому, что невозможно точно выделить сигналы на фоне помех, так как при этом происходит «размывание» составляющих спектра сигнала на их фоне.

В существующих средствах цифровой связи для выделения полезного сигнала применяется гребенка фильтров с полосой пропускания каждого фильтра в ней в пределах 5-20 кГц для выделения сигналов от нескольких корреспондентов. В свою очередь сигналы от одного корреспондента должны быть выделены на нескольких частотах (до 10). Для этого применяется вторая гребенка фильтров еще с более узкими полосами пропускания однако при этом происходит «наложение» полос пропускания фильтров используемых гребенок. Это обусловлено тем, что невозможно реализовать фильтры с высокой прямоугольностью АЧХ. Это определяется их узкой полосой пропускания и накладываемыми ограничениями на конструктивные параметры [2].

Наложение полос пропускания фильтров влечет за собой уменьшение соотношения сигнал/помеха в выделяемом каждым фильтром сигнале. С учетом действия возможных дестабилизирующих факторов, рассогласований в электрических соединениях элементов, старения и износа элементов аппаратуры качество обработки сигналов будет снижаться.

Выбор оптимального алгоритма цифровой фильтрации по быстродействию во многом определяется структурой ЦФ, которая определяет его технико-экономические показатели. Проведем анализ и выбор оптимальной по производительности структуры ЦФ.

Наиболее часто используемыми структурами рекурсивных ЦФ (РЦФ) являются: прямая форма, прямая каноническая форма, каскадная последовательная и параллельная формы [3].

Прямая форма обладает простой структурой и строится непосредственно по разностному уравнению. Однако, как показано в [4], если полюсы ЦФ расположены близко друг от друга или от единичной окружности, то при использовании фильтров данной структуры возникает трудноразрешимая проблема чувствительности характеристик фильтра к погрешностям в определении значений его коэффициентов. Другим существенным недостатком данной формы является наличие дополнительных элементов задержки, что увеличивает аппаратные затраты на реализацию ЦФ. По этим причинам на практике прямую форму РЦФ не применяют.

Прямая каноническая форма, в отличие от прямой, содержит минимальное число элементов задержки и образуется путем представления ее передаточной функции в виде последовательно соединенных фильтров. Эта форма имеет такие же достоинства и недостатки, как и прямая форма [4].

Каскадная последовательная форма наиболее часто применяется в виде последовательного соединения биквадратных блоков. Недостатком этой формы является то, что необходимо определить, какие полосы с какими нулями нужно объединить в пары. Еще более сложной задачей является выбор последовательности, в которой располагаются блоки первого и второго порядка. В [5] подробно описаны способы решения последней задачи, но они являются трудоемкими и требуют значительных временных затрат.

Параллельная форма РЦФ представляет собой параллельное соединение биквадратных блоков первого и второго порядков и имеет недостатки, характерные для каскадной последовательной формы.

Структуры нерекурсивных цифровых фильтров (НЦФ) включают в себя: прямую форму, являющуюся непосредственной реализацией передаточной функции фильтра по разностному уравнению и каскадную последовательную форму. Реализация таких структур НЦФ проста, поэтому они находят более широкое применение на практике.

Каскадная форма НЦФ соответствует представлению передаточной функции ЦФ в виде произведения передаточных функций биквадратных блоков. Преимуществом такой структуры является то, что биквадратный блок – это универсальное звено, пригодное для построения любых ЦФ [4].

Преимущества НЦФ по сравнению с РЦФ ЦФ сводятся к следующему:

1. НЦФ всегда имеют точно линейную фазочастотную характеристику (ФЧХ).

2. НЦФ всегда устойчивы, учитывая линейность их ФЧХ можно проектировать фильтры с произвольной АЧХ [4].

3. Мощность собственных шумов НЦФ гораздо меньше, чем у РЦФ в виду накопления собственных шумов.

4. Для НЦФ при решении апроксимационной задачи значительно проще определение их коэффициентов [4], влияние квантования которых на АЧХ можно более точно оценить, чем у РЦФ.

5. НЦФ менее чувствительны к ошибкам квантования.

Наряду с этим в качестве недостатка НЦФ можно отметить тот факт, что при одинаковых требованиях к АЧХ НФЦ требуют выполнения большего числа арифметических операций, то есть структура НЦФ будет иметь больше звеньев, чем РЦФ. Однако при реализации РЦФ с выравниваем грунтового времени замедления потребуется на 30% умножений больше, чем в НЦФ, отвечающих тем же требованиям к АЧХ [4].

В результате проведенного анализа способов реализации ЦФ, их практического применения в средствах радиосвязи с ЦОС и их структур можно сделать следующие выводы:

1. Наибольшим быстродействием обладают структуры ЦФ с параллельно-конвейерной обработкой информации, к которым следует относить различные формы НЦФ.

2. Наиболее предпочтительной по критерию быстродействия является параллельно-конвейерная структура НЦФ с древовидным сумматором.

3. Использование параллельно-конвейерных структур ЦФ требует решения проблемы согласования скорости вычислений и скорости ввода-вывода данных в ЦФ.

Литература:

1. Помехозащищенные системы радиосвязи с расширением спектра сигналов модуляцией несущей псевдослучайной последовательностью // В.И. Борисов, В.М. Зинчук, А.Е. Лимарев, Н.П. Мухин и др. / Под. ред. В.И. Борисова. – М.: Радио и связь, 2003. – 640 с.

2. Велигоша А.В. Разработка методики организации и функционирования высокоскоростных цифровых фильтров систем связи и управления: Дис. … канд. техн. наук. – Ставрополь, 1997. – 272 с.

3. Гольденберг Л.М., Матюшкин В.Д., Поляк М.Н. Цифровая обработка сигналов. – М.: Радио и связь, 1990. – 256 с.

4. Рабинер Р., Гоулд В. Теория и применение цифровой обработки сигналов: Пер. с англ. / Под ред. Ю.Н. Александрова. – М.: Мир, 1978. – 848 с.

5. Брунченко А.В., Игнатьев А.А. Выбор квантования коэффициентов в цифровых фильтрах // Радиоэлектроника. – 1985. – №8. – С. 92-94.