РЕАЛИЗАЦИЯ СОГЛАСОВАННОГО ФИЛЬТРА В ЧАСТОТНОЙ ОБЛАСТИ НА ПЛИС
Аннотация
Применение фильтров, согласованных с радиосигналами, достаточно распространено
в радиолокации, что способствует улучшению разрешающей способности по дальности, а
также в системах связи и многих других радиотехнических системах, позволяя увеличить
выходного отношение сигнал-шум (ОСШ) по сравнению с входным. Проектирование цифро-
вых устройств на программируемых логических интегральных схемах (ПЛИС) типа FPGA
(Field Programmable Gate Array) позволяет достаточно гибко их конфигурировать и созда-
вать прототипы радиотехнических систем для дальнейшей реализации алгоритмов ЦОС на
интегральных схемах специального назначения (Application-Specific Integrated Circuit, ASIC),
GPU, CPU и т.д. Цифровые устройства на ПЛИС находят широкое применение в мобильных
системах низкой мощности, в то время как ASIC показывают наибольшую производитель-
ность, имея недостаток в виде высокой стоимости разработки. В работе особое внимание
уделено проектированию и реализации фильтра, согласованного с комплексным ЛЧМ-
сигналом, в частотной области на ПЛИС с помощью библиотеки для Matlab / Simulink XilinxSystem Generator for DSP. В статье приведены результаты работы программно-аппаратной
модели как для одиночного точечного объекта, так и для трех точечных объектов с разными
задержками. Показана зависимость выходного ОСШ от входного для линейного и квадра-
тичного детектора огибающей, являющегося оконечным блоком согласованного фильтра.
Проведено сравнение аналитической кривой ОСШВЫХ(ОСШВХ) с кривой, полученной с помо-
щью разработанной программно-аппаратной модели, реализуемой на ПЛИС. В работе пока-
заны преимущества применения Xilinx System Generator для быстрого прототипирования
ЦОС на ПЛИС, также приведен анализ используемых ресурсов ПЛИС для разработанного
согласованного фильтра и его составляющих.
Литература
Press Inc., 2012, 568 p.
2. Volodin I.N. Patent № 2685972 RF. MPK H03M 1/00. № 2017142004. Sposob i ustroystvo
fil'tratsii chastotno-modulirovannykh signalov [Patent No. 2685972 of the Russian Federation.
IPC H03M 1/00. No. 2017142004. Method and device for filtering frequency-modulated signals].
Joint-Stock Company "All-Russian Scientific Research Institute of Radio Engineering".
Declared on 01.12.2017; Published on 23.04.2019.
3. Alland S. et al. Interference in automotive radar systems: Characteristics, mitigation techniques,
and current and future research, IEEE Signal Processing Magazine, 2019, Vol. 36,
No. 5, pp. 45-59.
4. Harris F.J. Multirate signal processing for communication systems. 2nd ed. Alsbjergvej
(Denmark): CRC Press, 2022, 557 p.
5. Wang H. et al. Adaptive channel-matched detection for C-band 64-Gbit/s optical OOK system
over 100-km dispersion-uncompensated link, Journal of Lightwave Technology, 2020, Vol. 38,
No. 18, pp. 5048-5055.
6. Xin W. et al. Several Implementation Methods of Signal Processing Algorithm Based on
FPGA, IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. IOP Publishing, 2019,
Vol. 565, No. 1, pp. 012010.
7. Xu Y., Shuang K. Implementation of high order matched filter on a FPGA chip, 2011 4th International
Congress on Image and Signal Processing. IEEE, 2011, Vol. 5, pp. 2526-2530.
8. Bakhchevnikov V.V., Derkachev V.A., Bakumenko A.N. Sposob ispol'zovaniya sredstv bystrogo
prototipirovaniya dlya realizatsii svertochnoy neyronnoy seti na PLIS [A method of using rapid
prototyping tools to implement a convolutional neural network on FPGA], Izvestiya
Yuzhnogo federal'nogo universiteta. Tekhnicheskie nauki [Izvestiya Yuzhnogo federalnogo
universiteta. Technical sciences], 2020, No. 3 (213), pp. 146-156.
9. Bakhchevnikov V.V., Derkachev V.A., Bakumenko A.N. Metod razrabotki iskusstvennykh
neyronnykh setey dlya prototipirovaniya na PLIS s pomoshch'yu sredstv Xilinx System Generator
i Matlab [A method for developing artificial neural networks for prototyping on FPGAs
using Xilinx System Generator and Matlab ], Komp'yuternye i informatsionnye tekhnologii v
nauke, inzhenerii i upravlenii" KomTekh-2020" [Computer and information technologies in
science, engineering and management"Komtech-2020"], 2020, pp. 462-468.
10. Mittal S., Gupta S., Dasgupta S. System generator: The state-of-art FPGA design tool for dsp
applications, Third International Innovative Conference On Embedded Systems, Mobile Communication
And Computing (ICEMC2 2008), 2008, pp. 187-190.
11. Diouri O. et al. Comparison study of hardware architectures performance between FPGA and
DSP processors for implementing digital signal processing algorithms: Application of FIR digital
filter, Results in Engineering, 2022, Vol. 16, pp. 100639.
12. Baker Z.K., Gokhale M.B., Tripp J.L. Matched filter computation on FPGA, Cell and GPU,
15th Annual IEEE Symposium on Field-Programmable Custom Computing Machines (FCCM
2007). IEEE, 2007, pp. 207-218.
13. Chanda V.B., Chakravarti M., Roy K. Range mapping of moving target by implementing
matched filter in FPGA, 2011 Annual IEEE India Conference. IEEE, 2011, pp. 1-4.
14. Chang A. et al. Design and analysis of single-bit ternary matched filter, Wireless Personal
Communications, 2019, Vol. 106, pp. 1915-1929.
15. Sack M., Ito M.R., Cumming I.G. Application of efficient linear FM matched filtering algorithms
to synthetic aperture radar processing, IEE Proceedings F (Communications, Radar and
Signal Processing). IET Digital Library, 1985, Vol. 132, No. 1, pp. 45-57.
16. Wu L. et al. ISAR imaging of targets with complex motion based on discrete chirp Fourier
transform for cubic chirps, IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2012, Vol.
50, No. 10, pp. 4201-4212.
17. Othman M.A.B., Belz J., Farhang-Boroujeny B. Performance analysis of matched filter bank
for detection of linear frequency modulated chirp signals, IEEE Transactions on Aerospace
and Electronic Systems, 2017, Vol. 53, No. 1, pp. 41-54.
18. Artem'ev V.V., Kruglov A.V., Sorokin I.A. Optimizatsiya struktury soglasovannogo tsifrovogo
fil'tra s izmenyaemymi koeffitsientami pri realizatsii na programmiruemykh logicheskikh
integral'nykh skhemakh [Optimization of the structure of a matched digital filter with variable
coefficients when implemented on programmable logic integrated circuits], Vysokie
tekhnologii atomnoy otrasli. Molodezh' v innovatsionnom protsesse [High technologies of the
nuclear industry. Youth in the innovation process], 2021, pp. 120-123.
19. Kozlov S.V., Kyong L.V. Algoritmy dlitel'nogo kogerentnogo nakopleniya otrazhennogo signala pri
nenulevykh vysshikh proizvodnykh dal'nosti do radiolokatsionnoy tseli v spektral'noy oblasti [Algorithms
for long-term coherent accumulation of the reflected signal with non-zero higher derivatives
of the range to the radar target in the spectral region], Doklady Belorusskogo gosudarstvennogo
universiteta informatiki i radioelektroniki [Reports of the Belarusian State University of Informatics
and Radioelectronics], 2021, Vol. 19, No. 5, pp. 35-44.
20. Pollakowski M., Ermert H. Chirp signal matching and signal power optimization in pulse-echo
mode ultrasonic nondestructive testing, IEEE transactions on ultrasonics, ferroelectrics, and
frequency control, 1994, Vol. 41, No. 5, pp. 655-659.
