И.Е. Тарасов1

1 Российский технологический университет МИРЭА (Москва, Россия)

1 ilya_e_tarasov_i@mail.ru

Постановка проблемы. Исследование способов обработки периодических сигналов с целью определения их фазы и частоты представляется перспективным направлением, способным дать в результате набор методических подходов и технических решений, открывающих возможности создания нового поколения измерительной аппаратуры на основе специализированной электронной компонентной базы. При определении параметров периодических сигналов методом построения их векторной диаграммы повышение точности измерений может быть достигнуто за счет увеличения порядка ядра свертки. Это приводит к увеличению количества операций, которые требуется выполнить в устройстве цифровой обработки сигналов.

Цель. Рассмотреть архитектуру и реализацию специализированной вычислительной системы для цифровой обработки периодических радиосигналов для определения параметров их частоты и фазы на базе вейвлет-анализа, проводимого в режиме реального времени.

Результаты. Рассмотрена конвейерная архитектура вычислительного устройства с коммутируемыми операциями на стадиях конвейера, что дает возможность выполнять не только пошаговые вычисления типа «умножение с накоплением», но и шаг алгоритма определения гармонических и гиперболических функций, на основе которых становится возможной генерация отсчетов вейвлет-функции Морле в режиме реального времени. Показано, что подход позволяет использовать вейвлет-функции высоких порядков, а конвейерная архитектура формирователя отсчетов обеспечивает достижение тактовых частот 300–400 МГц при использовании элементной базы программируемых логических интегральных схем.

Практическая значимость. Представленный подход, расширяющий функциональные возможности конвейерного вычислителя, позволяет выполнять с помощью предложенного устройства ряд операций цифровой обработки сигналов как свертку входных последовательностей цифровых отсчетов с ядром, так и формирование отсчетов ядра функции с использованием тригонометрических и гиперболических функций.

Тарасов И.Е. Специализированная вычислительная система для определения параметров периодических радиосигналов на основе вейвлет-анализа // Электромагнитные волны и электронные системы. 2025. Т. 30. № 1. С. 46−54. DOI: https://doi.org/ 10.18127/j15604128-202501-05

1. Wyglinski A.M., Nekovee M., Hou Y.T. Cognitive Radio Communications and Networks. Academic Press. 2010. 714 p.
2. Ермаков С.А., Евсеев М.А. Аппаратная платформа для создания средств радиосвязи нового поколения // Радиотехника. 2022. Т. 86. № 1. С. 73−80. DOI 10.18127/j00338486-202201-12.
3. Lime Microsystems. LimeSDR. [Электронной ресурс] – Режим доступа: https://limemicro.com/products/boards/limesdr/, дата обращения 15.08.2024.
4. Kwon Y., Park M., Paek J. A Measurement Study of Adalm-PLUTO Software Defined Radio with IEEE 802.15.4 // 13th International Conference on Information and Communication Technology Convergence. 2022. P. 865–867. DOI 10.1109/ICTC55196. 2022.9952931.
5. Javaid A., Ahmed T., Ali S. Performance Evaluation of Xilinx Zynq UltraScale+ RFSoC Device for Low Latency Applications // 19th International Bhurban Conference on Applied Sciences and Technology. 2022. P. 1041–1046. DOI 10.1109/IBCAST54850. 2022.9990470.
6. ГЭТ 1-2022. Государственный первичный эталон единиц времени, частоты и национальной шкалы времени. [Электронной ресурс] – Режим доступа: https://www.vniiftri.ru/standards/izmereniya-vremeni-i-chastoty/get-1-2022-gosudarstvennyy-pervichnyy-etalon-edinits-vremeni-chastoty-i-natsionalnoy-shkaly-vremeni/, дата обращения 15.08.2024.
7. Шиганов А.А. Современные стандарты частоты // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2010. № S3. С. 28–31.
8. Khrenov M., Potekhin S., Potekhin D., Tarasov I. A Multi-Frequency Yangent Delta Meter for Monitoring High-Voltage Power Equipment // 2nd International Conference on Control Systems, Mathematical Modeling, Automation and Energy Efficiency. 2020. P. 476–478. DOI 10.1109/SUMMA50634.2020.9280779.
9. Тарасов И.Е., Потехин Д.С. Синтез сверточных функций в реальном времени в системах программно-зависимого радио и фазо-частотных измерительных устройствах // Российский технологический журнал. 2018. Т. 6. № 6(26). С. 41–54. DOI 10.32362/2500-316X-2018-6-6-41-54.
10. Morlet J., Arens G., Fourgeau E., Giard D. Wave propagation and sampling theory – Part I: Complex signal and scattering in multilayered media // Geophysics. 1982. V. 47. № 2. P. 203–221. DOI 10.1190/1.1441328
11. Дворкович В.П., Дворкович А.В. Оконные функции для гармонического анализа сигналов. Изд. 2-е. М.: Техносфера. 2016. 208 с.
12. Cohen M.X. A better way to define and describe Morlet wavelets for time-frequency analysis // Neuroimage. 2019. V. 199. P. 81–86. DOI 10.1016/j.neuroimage.2019.05.048.
13. Li Sh., Ma Sh., Wang Sh. Optimal Complex Morlet Wavelet Parameters for Quantitative Time-Frequency Analysis of Molecular Vibration // Applied Sciences (Switzerland). 2023. V. 13. № 4. P. 2734. DOI 10.3390/app13042734.
14. Потехин Д.С., Тарасов И.Е., Тетерин Е.П. Влияние коэффициентов и пределов интегрирования вейвлет-функции Морле на точность результатов анализа гармонических сигналов с нестационарными параметрами // Научное приборостроение. 2002. Т. 12. № 1. С. 90–95.
15. Рабинер Л.Р., Гоулд В. Теория и применение цифровой обработки сигналов. М.: Мир. 1978. 848 с.
16. FIR compiler. [Электронной ресурс] – Режим доступа: https://www.xilinx.com/products/intellectual-property/fir_compiler.html, дата обращения 15.08.2024.
17. Умняшкин С.В. Основы теории цифровой обработки сигналов. Изд.7-е. М.: ТЕХНОСФЕРА. 2024. 552 c.
18. Roy S., Chandra A. A Survey of FIR Filter Design Techniques: Low-complexity, Narrow Transition-band and Variable Bandwidth // Integration. 2021. V. 77. P. 193–204. DOI 10.1016/j.vlsi.2020.12.001.
19. Volder J.E. The CORDIC computing technique // Association for Computing Machinery. 1959. P. 257–261. DOI 10.1145/1457838. 1457886.
20. AMD Zynq™ UltraScale+™ RFSoCs The Industry’s Only Single-Chip Adaptable Radio Platform. [Электронной ресурс] – Режим доступа: https://www.amd.com/en/products/adaptive-socs-and-fpgas/soc/zynq-ultrascale-plus-rfsoc.html, дата обращения 15.08.2024.