Ruchoma średnia filtr odcięta częstotliwość

Naukowiec i inżynier Przewodnik po cyfrowym przetwarzaniu sygnału Autor: Steven W. Smith, Ph. D. Tabela 3-2 podsumowuje właściwości tych trzech filtrów, pokazując, w jaki sposób każdy optymalizuje dany parametr kosztem wszystkiego innego. Chebyshev optymalizuje roll-off. Butterworth optymalizuje płaskość pasma przenoszenia. a Bessel optymalizuje odpowiedź skokową. Wybór filtra antyalergicznego zależy niemal wyłącznie od jednego problemu: w jaki sposób informacja jest reprezentowana w sygnałach, które zamierzasz przetwarzać. Chociaż istnieje wiele sposobów kodowania informacji w analogowym kształcie fali, tylko dwie metody są powszechne, kodowanie w dziedzinie czasu. i kodowanie w domenie częstotliwości. Różnica między tymi dwoma elementami jest krytyczna w DSP i będzie powtarzającym się motywem w tej książce. W kodowaniu w domenie częstotliwości. informacja zawarta jest w falach sinusoidalnych, które łączą się, tworząc sygnał. Sygnały audio są tego doskonałym przykładem. Kiedy osoba słyszy mowę lub muzykę, postrzegany dźwięk zależy od obecnych częstotliwości, a nie od konkretnego kształtu fali. Można to wykazać, przekazując sygnał audio przez obwód, który zmienia fazę różnych sinusoid, ale zachowuje ich częstotliwość i amplitudę. Wynikowy sygnał wygląda zupełnie inaczej na oscyloskopie, ale brzmi identycznie. Istotne informacje pozostały nietknięte, mimo że kształt fali został znacznie zmieniony. Ponieważ aliasing błędnych miejsc i nakłada się na komponenty częstotliwościowe, bezpośrednio niszczy informacje zakodowane w dziedzinie częstotliwości. W konsekwencji, cyfryzacja tych sygnałów zwykle obejmuje filtr antyalergiczny o ostrym odcięciu, taki jak Chebyshev, Ellipis lub Butterworth. A co z nieprzyjemną reakcją krokową tych filtrów Nie ma znaczenia, że ​​zakodowane informacje nie mają wpływu na ten typ zniekształceń. Natomiast kodowanie w dziedzinie czasu wykorzystuje kształt przebiegu do przechowywania informacji. Na przykład lekarze mogą monitorować aktywność elektryczną serca osoby, mocując elektrody do klatki piersiowej i ramion (elektrokardiogram lub EKG). Kształt przebiegu EKG dostarcza poszukiwanych informacji, na przykład gdy poszczególne komory ulegają skurczowi podczas bicia serca. Obrazy są kolejnym przykładem tego rodzaju sygnału. Zamiast przebiegu, który zmienia się w czasie. obrazy kodują informacje w kształcie fali zmieniającej się w zależności od odległości. Obrazy są tworzone z obszarów jasności i koloru oraz z tego, jak odnoszą się do innych obszarów jasności i koloru. Nie patrzysz na Mona Lisę i nie mówisz: "Co za interesująca kolekcja sinusoid". Oto problem: Twierdzenie o próbkowaniu to analiza tego, co dzieje się w dziedzinie częstotliwości podczas digitalizacji. To sprawia, że ​​idealnie nadaje się do zrozumienia konwersji analogowo-cyfrowej sygnałów mających informacje zakodowane w dziedzinie częstotliwości. Jednak twierdzenie o próbkowaniu ma niewielką pomoc w zrozumieniu, w jaki sposób należy kodować sygnały kodowane w domenie czasu. Przyjrzyjmy się bliżej. Rysunek 3-15 ilustruje wybory do digitalizacji sygnału zakodowanego w domenie czasu. Rysunek (a) jest przykładowym sygnałem analogowym do digitalizacji. W tym przypadku informacja, którą chcemy uchwycić, jest kształtem prostokątnych impulsów. Krótki sygnał sinusoidalny o wysokiej częstotliwości jest również zawarty w tym przykładowym sygnale. Reprezentuje zakłócenia szerokopasmowe, zakłócenia i podobne śmieci, które zawsze pojawiają się na sygnałach analogowych. Pozostałe cyfry pokazują, jak wyglądałby cyfrowy sygnał z różnymi opcjami filtra antialias: filtr Czebyszewa, filtr Bessela i filtr bez filtra. Ważne jest, aby zrozumieć, że żadna z tych opcji nie pozwoli na odtworzenie oryginalnego sygnału z próbkowanych danych. Wynika to z faktu, że pierwotny sygnał z natury zawiera składniki częstotliwości większe niż połowa częstotliwości próbkowania. Ponieważ częstotliwości te nie mogą istnieć w cyfrowym sygnale, zrekonstruowany sygnał również ich nie zawiera. Te wysokie częstotliwości pochodzą z dwóch źródeł: (1) szum i zakłócenia, które chcesz wyeliminować, oraz (2) ostre krawędzie w kształcie fali, które prawdopodobnie zawierają informacje, które chcesz zachować. Filtr Czebyszewa, pokazany w (b), atakuje problem przez agresywne usuwanie wszystkich komponentów o wysokiej częstotliwości. Powoduje to przefiltrowany sygnał analogowy, który można próbkować, a następnie idealnie zrekonstruować. Jednak zrekonstruowany sygnał analogowy jest identyczny z przefiltrowanym sygnałem. nie oryginalny sygnał. Chociaż nic nie jest tracone podczas próbkowania, kształt fali został poważnie zniekształcony przez filtr antyaliasowy. Jak pokazano w (b), lekarstwo jest gorsze niż choroba. Nie rób tego. Filtr Bessela, (c), jest przeznaczony tylko dla tego problemu. Jego wyjście bardzo przypomina pierwotny kształt fali, z delikatnym zaokrągleniem krawędzi. Dostosowując częstotliwość odcięcia filtrów, można sprzedać gładkość krawędzi w celu wyeliminowania w sygnale składników o wysokiej częstotliwości. Korzystanie z większej liczby biegunów w filtrze pozwala na lepszą kompromis między tymi dwoma parametrami. Wspólną wytyczną jest ustawienie częstotliwości odcięcia na około jedną czwartą częstotliwości próbkowania. Daje to około dwóch próbek wzdłuż rosnącej części każdej krawędzi. Zauważ, że zarówno filtr Bessela, jak i Czebyszewa usunęły dźwięk wysokiej częstotliwości występujący w oryginalnym sygnale. Ostatnim wyjściem jest, aby w ogóle nie używać filtra antyalergicznego, jak pokazano w (d). Ma to tę zaletę, że wartość każdej próbki jest identyczna z wartością oryginalnego sygnału analogowego. Innymi słowy, ma doskonałą ostrość krawędzi, a zmiana oryginalnego sygnału jest natychmiastowo odzwierciedlana w danych cyfrowych. Wadą jest to, że aliasing może zniekształcać sygnał. Ma to dwie różne formy. Po pierwsze, zakłócenia i szum wysokiej częstotliwości, takie jak przykładowy sinusoidalny impuls, zamieniją się w pozbawione znaczenia próbki, jak pokazano w (d). Oznacza to, że każdy szum wysokiej częstotliwości obecny w sygnale analogowym pojawi się jako szum aliasu w sygnale cyfrowym. W sensie bardziej ogólnym nie jest to problem pobierania próbek, ale problem elektroniki analogowej. Nie celem ADC jest redukcja szumów i zakłóceń, za co odpowiada elektronika analogowa przed rozpoczęciem cyfryzacji. Może się okazać, że filtr Bessela powinien zostać umieszczony przed digitizerem, aby kontrolować ten problem. Oznacza to jednak, że filtr powinien być postrzegany jako część przetwarzania analogowego, a nie coś, co jest robione ze względu na digitizer. Druga manifestacja aliasingu jest subtelniejsza. Kiedy zdarzenie wystąpi w sygnale analogowym (takim jak zbocze), sygnał cyfrowy w (d) wykrywa zmianę następnej próbki. W danych cyfrowych nie ma informacji wskazujących, co dzieje się między próbkami. Teraz porównaj używając bez filtra z użyciem filtra Bessela dla tego problemu. Na przykład wyobraź sobie rysowanie linii prostych między próbkami w punkcie (c). Czas, w którym ta skonstruowana linia przekracza połowę amplitudy kroku, zapewnia oszacowanie podproporcji, kiedy krawędź wystąpiła w sygnale analogowym. Gdy nie jest używany żaden filtr, informacje dotyczące tej podpróbki są całkowicie tracone. Nie potrzebujesz fantazyjnego twierdzenia, aby ocenić, w jaki sposób wpłynie to na twoją konkretną sytuację, po prostu dobre zrozumienie tego, co planujesz zrobić z danymi, gdy zostanie ono uzyskane. Wysoka definicja, niskie opóźnienie, transmisja wideo na bazie SDR w aplikacjach UAV Zintegrowane RF Zwrotne nadajniki-odbiorniki są nie tylko szeroko stosowane w architekturach radiowych zdefiniowanych przez oprogramowanie (SDR) 1 w telefonicznych stacjach bazowych, takich jak wielousługowy system rozproszonego dostępu (MDAS) i małe komórki, ale także w bezprzewodowej transmisji wideo HD dla zastosowań przemysłowych, komercyjnych i wojskowych. aplikacje, takie jak bezzałogowe statki powietrzne (UAV). W tym artykule przeanalizujemy szerokopasmową bezprzewodową implementację łańcucha sygnałów wideo przy użyciu AD9361 AD9364 2,3 zintegrowanych układów IC nadajnika-odbiornika, ilości przesłanych danych, odpowiadającej szerokości pasma sygnału RF, odległości transmisji i mocy nadajników. Będzie również opisywać implementację warstwy PHY OFDM i obecne wyniki testu czasu przeskoku, aby uniknąć interferencji RF. Na koniec omówimy zalety i wady między Wi-Fi a bezprzewodowym przekaźnikiem RF w szerokopasmowych aplikacjach bezprzewodowych. Łańcuch sygnałów Rysunek 1 ilustruje uproszczony schemat bezprzewodowej transmisji obrazu z wykorzystaniem AD9361AD9364 i BBIC. Aparat przechwytuje obraz i przesyła dane wideo do procesora pasma podstawowego za pośrednictwem Ethernetu, reg. HDMI. USB lub inny interfejs. Kodowanie obrazu może być obsługiwane za pomocą sprzętu lub FPGA. Front RF zawiera przełącznik, LNA i PA do programowalnego zintegrowanego transceivera. Ile danych trzeba przesłać Tabela 1 pokazuje znaczną różnicę wielkości między nieskompresowanymi i skompresowanymi szybkościami transmisji danych. Dzięki zastosowaniu wysokowydajnego kodowania wideo (HEVC), znanego również jako H.265 i MPEG-H Part 2, możemy zmniejszyć szybkość transmisji danych i zaoszczędzić przepustowość. H.264 jest obecnie jednym z najczęściej używanych formatów nagrywania, kompresji i dystrybucji treści wideo. Stanowi ogromny krok naprzód w technologii kompresji wideo i jest jednym z kilku potencjalnych następców popularnego AVC (H.264 lub MPEG-4 Part 10). Tabela 1 podsumowuje nieskompresowane i skompresowane szybkości transmisji danych w różnych formatach wideo. Założenia obejmują głębokość bitów wideo 24 bitów i szybkość klatek 60 fps. W przykładzie 1080p szybkość transmisji danych wynosi 14,93 Mb / s po kompresji, którą następnie można łatwo obsłużyć przez procesor pasma podstawowego i warstwę bezprzewodowej warstwy PHY. Tabela 1. Szerokość pasma sygnału skompresowanej transmisji danych AD9361AD9364 obsługuje szerokość pasma kanału od lt200 kHz do 56 MHz, zmieniając częstotliwość próbkowania, filtry cyfrowe i dziesiętne. AD9361AD9364 to transceivery o zerowym IF z kanałami I i Q do przesyłania złożonych danych. Złożone dane obejmują części rzeczywiste i urojone, odpowiednio odpowiadające I i Q, które lokalizują przy tej samej szerokości pasma częstotliwości, aby podwoić efektywność widma w porównaniu do pojedynczej części. Skompresowane dane wideo można odwzorować na kanały I i Q w celu utworzenia punktów konstelacji, które są znane jako symbole. Figura 2 pokazuje przykład 16 QAM, gdzie każdy symbol reprezentuje cztery bity. W przypadku systemu z pojedynczą nośną, cyfrowe kształty cyfrowe I i Q muszą przejść przez filtr kształtujący impuls przed przetwornikiem cyfrowo-analogowym, aby kształtować przesyłany sygnał w ograniczonej szerokości pasma. Filtr FIR może być stosowany do kształtowania impulsów, a odpowiedź filtra jest przedstawiona na fig. 4. W celu utrzymania wierności informacji, istnieje minimalna szerokość pasma sygnału odpowiadająca szybkości symbolu. Szybkość symbolu jest proporcjonalna do skompresowanej szybkości przesyłania danych wideo, jak pokazano w poniższym równaniu. Dla systemu OFDM, złożone dane powinny być modulowane do podnośnych za pomocą MFT, który również transmituje sygnał w ograniczonej szerokości pasma. Liczba bitów przesyłanych z każdym symbolem zależy od kolejności modulacji. W którym alfa jest parametrem pasma filtru. Z poprzednich wzorów możemy wywnioskować to równanie, więc możemy obliczyć szerokość pasma sygnału RF, jak podsumowano w Tabeli 2. Tabela 2. Zajętość pasma sygnału RF z rodzajami porządku modulacji (alfa 0,25) AD9361AD9364, z sygnałem do 56 MHz przepustowość, obsługuje wszystkie transmisje formatu wideo w tabeli 2, a nawet większą liczbę klatek na sekundę. Modulacja wyższego rzędu zajmuje mniejszą szerokość pasma, a symbol reprezentuje więcej bitów informacyjnych, ale do demodulacji wymagany jest wyższy SNR. Odległość transmisji i moc nadajnika W zastosowaniach takich jak UAV, maksymalna odległość transmisji jest parametrem krytycznym. Równie ważne jest jednak, aby komunikacja nie była odcięta nawet w ograniczonej odległości. Tlen, woda i inne przeszkody (z wyjątkiem tłumienia wolnych przestrzeni) mogą tłumić sygnał. Rysunek 6 pokazuje model utraty kanału komunikacji bezprzewodowej. Czułość odbiornika przyjmuje się zwykle jako minimalny sygnał wejściowy (Smin) wymagany do demodulacji lub odzyskania informacji z nadajnika. Po uzyskaniu czułości odbiornika, maksymalna odległość transmisji może być obliczona przy pewnych założeniach, jak pokazano poniżej: (SN) min jest minimalnym współczynnikiem sygnału do szumu potrzebnym do przetworzenia sygnału NF jest cyfrą szumową odbiornika k jest Boltzmannrsquos stała 1.38 razy 10 ndash23 joulek T 0 to temperatura bezwzględna wejścia odbiornika (kelwin) 290 kB to szerokość pasma odbiornika (Hz) Parametr (SN) min zależy od kolejności modulacjidemodulacji. Przy tym samym SNR, modulacja niższego rzędu dostaje niższy błąd symbolu, a przy tym samym błędzie symbolu, modulacja wyższego rzędu wymaga wyższego SNR do demodulacji. Kiedy więc nadajnik znajduje się daleko od odbiornika, sygnał jest słabszy, a SNR nie jest w stanie obsłużyć demodulacji wysokiego rzędu. W celu utrzymania nadajnika w trybie online i utrzymania formatu wideo z tą samą szybkością transmisji danych, pasmo podstawowe powinno wykorzystywać modulację niższego rzędu kosztem rosnącej szerokości pasma. Pomaga to zagwarantować, że odbierane obrazy nie będą rozmyte. Na szczęście radio programowane z cyfrową modulacją i demodulacją oferuje możliwość zmiany modulacji. Poprzednia analiza opiera się na założeniu, że moc nadajnika RF jest stała. Podczas gdy większa moc nadawania RF z takim samym zyskiem anteny osiągnie bardziej oddalony odbiornik z taką samą czułością odbiornika, maksymalna moc nadawania powinna być zgodna ze standardami promieniowania FCCCE. Ponadto częstotliwość nośna będzie miała wpływ na odległość transmisji. Gdy fala rozprzestrzenia się w przestrzeni, następuje utrata w wyniku rozproszenia. Stratę wolnej przestrzeni określa się w którym R jest odległością, lambda jest długością fali, f jest częstotliwością, a C jest prędkością światła. Dlatego większa częstotliwość będzie miała więcej strat na tej samej odległości wolnego miejsca. Na przykład częstotliwość nośna 5,8 GHz zostanie osłabiona o ponad 7,66 dB w porównaniu do 2,4 GHz w tej samej odległości transmisji. Częstotliwość i przełączanie RF AD9361AD9364 ma programowalny zakres częstotliwości od 70 MHz do 6 GHz. Spełni to większość aplikacji częstotliwościowych NLOS, w tym różne typy licencjonowanych i nielicencjonowanych częstotliwości, takich jak 1,4 GHz, 2,4 GHz i 5,8 GHz. Częstotliwość 2,4 GHz jest szeroko stosowana w przypadku Wi-Fi, reg. Bluetooth. i IoT krótką komunikację, co czyni ją coraz bardziej zatłoczoną. Używanie go do transmisji bezprzewodowej i sygnałów sterujących wideo zwiększa szanse na zakłócenia sygnału i niestabilność. Tworzy to niepożądane i często niebezpieczne sytuacje dla UAV. Korzystanie z przełączania częstotliwości w celu utrzymania czystej częstotliwości zapewni bardziej niezawodne połączenie danych i sterowania. Kiedy nadajnik wyczuje zatłoczoną częstotliwość, automatycznie przełącza się na inne pasmo. Na przykład dwa UAV wykorzystujące częstotliwość i działające w bliskim sąsiedztwie będą zakłócać komunikację z każdym innym urządzeniem. Automatyczne przełączanie częstotliwości LO i ponowne wybieranie pasma pomoże utrzymać stabilne łącze bezprzewodowe. Adaptacyjny wybór częstotliwości nośnej lub kanału w okresie włączenia zasilania jest jedną z doskonałych funkcji w wysokiej klasy UAV. Przeskok częstotliwości Szybki przeskok częstotliwości, który jest szeroko stosowany w elektronicznych środkach zaradczych (ECM), pomaga również uniknąć zakłóceń. Zwykle, jeśli chcemy przeskoczyć częstotliwość, PLL musi się ponownie zamknąć po procedurze. Obejmuje to zapisywanie rejestrów częstotliwości i przechodzenie przez czas kalibracji VCO i czas blokady PLL tak, aby przedział częstotliwości przeskoku był w przybliżeniu setek mikrosekund. Rysunek 7 pokazuje przykład częstotliwości LO nadajnika przeskakującego z 816,69 MHz do 802,03 MHz. AD9361 jest używany w normalnym trybie zmiany częstotliwości, a częstotliwość wyjściowa nadajnika RF przeskakuje z 814,69 MHz do 800,03 MHz z częstotliwością odniesienia 10 MHz. Czas częstotliwości przeskoku jest testowany za pomocą E5052B, jak pokazano na rysunku 7. Kalibracja VCO i czas blokady PLL wynoszą około 500 mikrosekund zgodnie z rysunkiem 7b. Analizator źródła sygnału E5052B może być wykorzystany do przechwytywania przejściowej odpowiedzi PLL. Figura 7a przedstawia szerokopasmowy tryb pomiaru przejściowego, podczas gdy fig. 7b i 7d zapewniają znacznie dokładną rozdzielczość w pomiarze częstotliwości i przesunięcia fazowego z przeskokiem częstotliwości. 6 Rysunek 7c pokazuje moc wyjściową. 500 mikrosekund to bardzo długi odstęp dla aplikacji przeskokowej. Jednak AD9361AD9364 zawiera tryb szybkiego blokowania, który umożliwia osiągnięcie szybszych niż normalne zmian częstotliwości poprzez przechowywanie zestawów informacji programowania syntezatora (zwanych profilami) w rejestrach devicersquos lub w procesorach pasma podstawowego w przestrzeni pamięci. Rysunek 8 pokazuje wynik testu za pomocą trybu szybkiego blokowania w celu zaimplementowania częstotliwości przeskoku od 882 MHz do 802 MHz. Czas jest mniejszy niż 20 mikrosekund, zgodnie z odpowiedzią fazy 8d. Krzywa fazowa jest narysowana poprzez odniesienie do fazy 802 MHz. Czas zapisu SPI i czas kalibracji VCO są eliminowane w tym trybie z powodu informacji o częstotliwości i wyników kalibracji zapisywanych w profilach. Jak widać, na rysunku 8b pokazano funkcję szybkiego przeskoku częstotliwości urządzenia AD9361AD9364. Implementacja PHY LayermdashOFDM Ortogonalne zwielokrotnianie z podziałem częstotliwościowym (OFDM) jest formą modulacji sygnału, która dzieli strumień modulacji o dużej szybkości transmisji danych na wiele wolno modulowanych wąskopasmowych podległych z niewielką odległością podnośnych. Dzięki temu jest mniej wrażliwy na wyblakłe zaniki częstotliwości. Wadami są wysoki szczyt do średniego współczynnika mocy i wrażliwość na przesunięcie nośne i dryft. OFDM jest szeroko stosowany w warstwie PHY bezprzewodowej komunikacji szerokopasmowej. Krytyczna technologia OFDM obejmuje IFFTFFT, synchronizację częstotliwości, synchronizację czasu próbkowania i synchronizację ramek symboli. IFFTFFT powinien zostać wdrożony za pomocą FPGA w najszybszy możliwy sposób. Bardzo ważne jest również wybranie interwału podnośnych. Odstęp powinien być wystarczająco duży, aby wytrzymać komunikację mobilności z przesunięciem częstotliwości Dopplera i wystarczająco mały, aby przenosić więcej symboli w ramach pasma o ograniczonej częstotliwości w celu zwiększenia wydajności widma. COFDM odnosi się do kombinacji technologii kodowania i modulacji OFDM. COFDM z wysoką odpornością na tłumienie sygnału i przewagę korekcji błędów (FEC) może przesyłać sygnały wideo z dowolnego poruszającego się obiektu. Kodowanie zwiększy przepustowość sygnału, ale zazwyczaj jest warte kompromisu. Łącząc oparty na modelu projekt i automatyczne narzędzia do generowania kodu z MathWorks z zaawansowanymi transceiverami radiowymi Xilinx reg Zynq SoCs i Analog Devices, projektowanie, weryfikacja, testowanie i wdrażanie systemu SDR może być bardziej efektywne niż kiedykolwiek, prowadząc do wyższej wydajności systemy i skrócenie czasu wprowadzania na rynek. 7 Jakie są zalety w porównaniu z Wi-Fi Drony wyposażone w Wi-Fi są bardzo łatwe w połączeniu z telefonem komórkowym, laptopem i innymi urządzeniami mobilnymi, dzięki czemu są bardzo wygodne w użyciu. Ale w przypadku bezprzewodowej transmisji obrazu w aplikacjach UAV, FPGA plus AD9361 oferuje wiele zalet w porównaniu z Wi-Fi. Po pierwsze, w warstwie PHY, agresywne przełączanie częstotliwości i szybkie przeskakiwanie AD9361AD9364 pomaga uniknąć zakłóceń. Większość zintegrowanych chipów Wi-Fi działa również na spiętrzonym paśmie częstotliwości 2,4 GHz bez mechanizmu zmiany pasma częstotliwości, aby zapewnić bardziej stabilne połączenie bezprzewodowe. Po drugie, dzięki FPGA i rozwiązaniu AD9361, protokół transmisji może być zdefiniowany i opracowany elastycznie przez projektantów. Protokół Wi-Fi jest standardem i opiera się na dwukierunkowym uzgadnianiu z każdym pakietem danych. Dzięki Wi-Fi każdy pakiet danych musi potwierdzić, że pakiet został odebrany, a wszystkie 512 bajtów w pakiecie zostały odebrane w stanie nienaruszonym. Jeśli jeden bajt zostanie utracony, cały 512-bajtowy pakiet musi zostać przesłany ponownie. 8 Podczas gdy ten protokół zapewnia niezawodność danych, ponowne ustanowienie bezprzewodowego połączenia danych jest skomplikowane i czasochłonne. Protokół TCPIP spowoduje duże opóźnienie, które powoduje nierealne wideo i kontrolę, co może doprowadzić do awarii UAV. Rozwiązanie SDR (FPGA plus AD9361) wykorzystuje jednokierunkowy strumień danych, co oznacza, że ​​dron na niebie transmituje sygnał wideo w postaci transmisji telewizyjnej. Nie ma czasu na ponowne wysyłanie pakietów, gdy celem jest wyświetlanie wideo w czasie rzeczywistym. Ponadto Wi-Fi nie zapewnia odpowiedniego poziomu bezpieczeństwa dla wielu aplikacji. Wykorzystując algorytm szyfrowania i zdefiniowany przez użytkownika protokół, FPGA i AD9361AD9364 są znacznie mniej podatne na zagrożenia bezpieczeństwa. Co więcej, jednokierunkowy transmisyjny strumień danych zapewnia możliwości transmisji dwa do trzech razy większe niż w przypadku rozwiązań Wi-Fi. 8 Elastyczność dzięki funkcji radiowej definiowanej programowo umożliwia cyfrową modulacjędemodulacji, która spełnia wymagania dotyczące odległości lub dostosowuje się do zmieniającej się wartości współczynnika SNR w złożonych środowiskach promieniowania radiowego. Wnioski W tym artykule przedstawiono najważniejsze parametry korzystania z rozwiązania FPGA i AD9361AD9364 do bezprzewodowej transmisji wideo o wysokiej rozdzielczości. Przy zwinnym przełączaniu pasm częstotliwości i przeskakiwaniu z szybką częstotliwością możliwe jest ustanowienie bardziej stabilnego i niezawodnego łącza bezprzewodowego, aby stawić czoła coraz bardziej złożonemu promieniowaniu w przestrzeni i zmniejszyć prawdopodobieństwo awarii. W warstwie protokołu rozwiązanie jest bardziej elastyczne, wykorzystując transmisję jednokierunkową w celu skrócenia czasu ustanowienia połączenia bezprzewodowego i utworzenia połączenia o niższym opóźnieniu. W zastosowaniach przemysłowych i komercyjnych, takich jak rolnictwo, inspekcja linii energetycznych i nadzór, stabilne, bezpieczne i niezawodne transmisje mają kluczowe znaczenie dla sukcesu. Odniesienia 2 Arkusz danych AD9361. Analog Devices, Inc. 3 AD9364 arkusz danych. Analog Devices, Inc. 4 Ken Gentile. Nota aplikacyjna AN-922, Podstawy filtrowania cyfrowego kształtu pulsu. Analog Devices, Inc. 5 Scott R. Bullock. Transceiver i projektowanie systemu dla komunikacji cyfrowej. 4 edycja. SciTech Publishing, Edison, NJ, 2017. Wei Zhou jest inżynierem aplikacji dla Analog Devices, Inc., wspierającym projektowanie i rozwój produktów i aplikacji nadawczo-odbiorczych RF, szczególnie w dziedzinie bezprzewodowej transmisji wideo i komunikacji bezprzewodowej. Pracował w Centrum Aplikacji ADI w Pekinie, w Chinach, przez pięć lat wspierał różne produkty, w tym DDS, PLL, szybki DACADC i zegary. Przed dołączeniem do ADI otrzymał tytuł B. S. dyplom z Wuhan University, Wuhan, Chiny, w 2006 r. i jego M. S. dyplom z Instytutu Elektroniki, Chińska Akademia Nauk (CAS), Pekin, Chiny, w 2009 roku. Pracował jako obwody RF i mikrofalowe oraz inżynier projektowania systemów dla firmy z branży technologii lotniczej od 2009 do 2017. Pokrewne artykuły Powiązane produkty RF Agile TransceiverThe Naukowiec i inżynier Przewodnik po cyfrowym przetwarzaniu sygnału Autor: Steven W. Smith, Ph. D. Filtry analogowe do konwersji danych Rysunek 3-7 pokazuje schemat blokowy systemu DSP, zgodnie z twierdzeniem o próbkowaniu. Przed napotkaniem konwertera analogowo-cyfrowego sygnał wejściowy jest przetwarzany za pomocą elektronicznego filtra dolnoprzepustowego w celu usunięcia wszystkich częstotliwości powyżej częstotliwości Nyquista (połowa prędkości próbkowania). Ma to na celu zapobieganie aliasingowi podczas próbkowania i jest odpowiednio nazywane filtrem antyaliasowym. Z drugiej strony sygnał cyfrowy przechodzi przez konwerter cyfrowo-analogowy, a drugi filtr dolnoprzepustowy jest ustawiony na częstotliwość Nyquista. Ten filtr wyjściowy nazywany jest filtrem rekonstrukcji. i może obejmować poprzednio opisane zwiększenie częstotliwości. Niestety, ten prosty model ma poważny problem: ograniczenia filtrów elektronicznych mogą być tak samo złe, jak problemy, którym próbują zapobiec. Jeśli twoim głównym zainteresowaniem jest oprogramowanie, prawdopodobnie myślisz, że nie musisz czytać tej sekcji. Źle . Nawet jeśli obiecałeś, że nigdy nie dotkniesz oscyloskopu, zrozumienie właściwości filtrów analogowych jest ważne dla udanego procesu DSP. Po pierwsze, charakterystyka każdego zdigitalizowanego sygnału zależy od tego, jakiego typu filtr przeciwkróchowy był używany podczas jego pozyskiwania. Jeśli nie rozumiesz natury filtra antyalergicznego, nie możesz zrozumieć natury sygnału cyfrowego. Po drugie, przyszłością DSP jest wymiana sprzętu na oprogramowanie. Na przykład techniki wielordzeniowe przedstawione w dalszej części tego rozdziału redukują potrzebę filtrów antyalergicznych i rekonstrukcyjnych dzięki fantazyjnemu oprogramowaniu. Jeśli nie rozumiesz sprzętu, nie możesz zaprojektować oprogramowania, które go zastąpi. Po trzecie, znaczna część DSP jest związana z projektowaniem filtra cyfrowego. Wspólną strategią jest rozpoczęcie od równoważnego filtru analogowego. i przekształcić go w oprogramowanie. Późniejsze rozdziały zakładają, że masz podstawową wiedzę na temat technik filtrów analogowych. Stosowane są trzy rodzaje filtrów analogowych: Czebyszewa. Butterworth. i Bessela (zwany także filtrem Thompsona). Każda z nich została zaprojektowana w celu optymalizacji innego parametru wydajności. Złożoność każdego filtra można regulować, wybierając liczbę biegunów. matematyczny termin, który zostanie omówiony w dalszych rozdziałach. Im więcej masztów w filtrze, tym więcej elektroniki potrzebuje i tym lepiej. Każda z tych nazw opisuje, co robi filtr. nie jest szczególnym układem rezystorów i kondensatorów. Na przykład sześciopolowy filtr Bessela może zostać zaimplementowany przez wiele różnych typów obwodów, z których wszystkie mają taką samą ogólną charakterystykę. Dla celów DSP charakterystyka tych filtrów jest ważniejsza niż sposób ich skonstruowania. Niemniej jednak zaczniemy od krótkiego segmentu elektronicznego projektowania tych filtrów, aby zapewnić ogólne ramy. Rysunek 3-8 pokazuje wspólny blok konstrukcyjny dla konstrukcji filtra analogowego, zmodyfikowany obwód Sallen-Key. Nazwa pochodzi od autora artykułu z lat 50. opisującego tę technikę. Przedstawiony obwód jest dwubiegunowym filtrem dolnoprzepustowym, który można skonfigurować jako dowolny z trzech podstawowych typów. Tabela 3-1 zawiera informacje niezbędne do wyboru odpowiednich rezystorów i kondensatorów. Na przykład, aby zaprojektować jednobiegunowy, dwubiegunowy filtr Butterwortha, w tabeli 3-1 podano parametry: k 1 0,1592 i k 2 0,586. Arbitrycznie wybierając R 1 10K i C 0,01 uF (wspólne wartości dla obwodów wzmacniacza operacyjnego), R i R f można obliczyć odpowiednio jako 15,95K i 5,86K. Zaokrąglenie tych dwóch ostatnich wartości do najbliższych 1 standardowych rezystorów daje wyniki R 15,8K i R f 5.90K Wszystkie komponenty powinny mieć 1 precyzję lub więcej. Konkretne zastosowanie wzmacniacza operacyjnego nie jest krytyczne, o ile częstotliwość wzmocnienia jedności jest ponad 30 do 100 razy większa niż częstotliwość odcięcia filtra. Jest to łatwe wymaganie, o ile częstotliwość odcięcia filtra jest mniejsza niż około 100 kHz. Filtry cztero-, sześcio - i ośmiopasmowe są tworzone przez kaskadowanie odpowiednio 2,3 i 4 tych obwodów. Na przykład, rys. 3-9 pokazuje schemat sześciopasmowego filtra Bessela utworzonego przez kaskadowanie trzech etapów. Każdy etap ma różne wartości dla k 1 i k 2, jak podano w tabeli 3-1, co powoduje użycie różnych rezystorów i kondensatorów. Potrzebujesz filtra górnoprzepustowego Wystarczy zamienić komponenty R i C w obwodach (pozostawiając tylko R f i R1). Ten typ obwodu jest bardzo powszechny w przypadku produkcji małej ilości i aplikacji RampD, jednak poważna produkcja wymaga, aby filtr był wykonany jako układ scalony. Problem polega na tym, że trudno jest wykonać rezystory bezpośrednio w krzemie. Odpowiedzią jest włączony filtr kondensatora. Rysunek 3-10 ilustruje jego działanie poprzez porównanie go z prostą siecią RC. Jeśli funkcja stopniowa zostanie doprowadzona do filtra dolnoprzepustowego RC, sygnał wyjściowy wzrasta wykładniczo, aż dopasuje sygnał wejściowy. Napięcie na kondensatorze nie zmienia się natychmiast, ponieważ rezystor ogranicza przepływ ładunku elektrycznego. Przełączany filtr kondensatora działa poprzez zastąpienie podstawowej sieci rezystor-kondensator dwoma kondensatorami i przełącznikiem elektronicznym. Nowo dodany kondensator ma znacznie mniejszą wartość niż istniejący kondensator, powiedzmy 1 jego wartości. Przełącznik na przemian łączy mały kondensator między wejściem a wyjściem z bardzo wysoką częstotliwością, zwykle 100 razy szybciej niż częstotliwość odcięcia filtra. Kiedy przełącznik jest podłączony do wejścia, mały kondensator szybko ładuje się do dowolnego napięcia na wejściu. Kiedy przełącznik jest podłączony do wyjścia, ładunek na małym kondensatorze jest przesyłany do dużego kondensatora. W rezystorze szybkość transferu ładunku zależy od jego rezystancji. W przełączanym obwodzie kondensatora szybkość transferu ładunku jest określona przez wartość małego kondensatora i częstotliwość przełączania. Dzięki temu uzyskuje się bardzo przydatną funkcję przełączanych filtrów kondensatorów: częstotliwość odcięcia filtra jest wprost proporcjonalna do częstotliwości zegara wykorzystywanej do sterowania przełącznikami. To sprawia, że ​​włączony filtr kondensatorów jest idealny dla systemów gromadzenia danych, które działają z więcej niż jedną częstotliwością próbkowania. Są to łatwe w użyciu urządzenia, które płacą dziesięć dolarów i mają wydajność ośmio-biegunowego filtra w jednym 8-pinowym układzie scalonym. Teraz ważna część: właściwości trzech klasycznych typów filtrów. Pierwszym parametrem wydajności, który chcemy zbadać, jest granica częstotliwości odcięcia. Filtr dolnoprzepustowy jest przeznaczony do blokowania wszystkich częstotliwości powyżej częstotliwości odcięcia (pasma zatrzymania), jednocześnie przechodząc wszystkie częstotliwości poniżej (pasmo przenoszenia). Rysunek 3-11 pokazuje odpowiedź częstotliwościową tych trzech filtrów w skali logarytmicznej (dB). Wykresy te są wyświetlane dla filtrów o częstotliwości odcięcia jednego herca, ale mogą być bezpośrednio skalowane do dowolnej częstotliwości odcięcia, której potrzebujesz. Jak te filtry oceniają Chebyshev jest zdecydowanie najlepszy, Butterworth jest gorszy, a Bessel jest absolutnie upiorny Jak pewnie się domyślacie, to jest to, do czego Chebyshev został stworzony, roll-off (spadek amplitudy) tak szybko jak to możliwe . Niestety, nawet 8-biegunowy Chebyshev nie jest tak dobry, jak byś chciał filtr antyseria. Na przykład wyobraź sobie 12-bitowe próbkowanie systemu przy 10 000 próbek na sekundę. Twierdzenie o próbkowaniu mówi, że każda częstotliwość powyżej 5 kHz będzie aliasingowana, coś, czego chcesz uniknąć. Przy odrobinie zgadywania, zdecydujesz, że wszystkie częstotliwości powyżej 5 kHz muszą być zmniejszone w amplitudzie o współczynnik 100, zapewniając, że każda częstotliwość aliasu będzie miała amplitudę mniejszą niż jeden procent. Patrząc na rys. 3-11c, można stwierdzić, że 8-biegunowy filtr Czebyszewa o częstotliwości odcięcia 1 herców nie osiąga tłumienia (redukcji sygnału) o wartości 100 aż do około 1,35 Hz. Skalując to do przykładu, częstotliwość odcięcia filtra musi być ustawiona na 3,7 kHz, aby wszystko powyżej 5 kHz miało wymagane tłumienie. Powoduje to marnowanie pasma częstotliwości między 3,7 kHz a 5 kHz w przypadku niewystarczającego wycofania filtra analogowego. Subtelny punkt: współczynnik tłumienia równy 100 w tym przykładzie jest prawdopodobnie wystarczający, nawet jeśli jest 4096 kroków w 12 bitach. Z fig. 3-4 5100 herców będzie oznaczało 4900 herców, 6000 herców będzie oznaczało 4000 herców itd. Nie obchodzi cię, jakie są amplitudy sygnałów od 5000 do 6300 herców, ponieważ są one aliasami do bezużytecznego regionu pomiędzy 3700 herc i 5000 herców. Aby częstotliwość była aliasowa do pasma filtrów (od 0 do 3,7 kHz), musi być większa niż 6300 Hz, lub 1,7 razy częstotliwość odcięcia filtra wynosi 3700 Hz. Jak pokazano na ryc. 3-11c, tłumienie zapewnione przez 8-biegunowy filtr Czebyszewa przy 1,7-krotnej częstotliwości odcięcia wynosi około 1300, znacznie bardziej adekwatne niż 100, od których rozpoczęliśmy analizę. Morał tej historii: W większości systemów pasmo częstotliwości pomiędzy około 0,4 a 0,5 częstotliwości próbkowania jest bezużytecznym nieużytkiem dryftu filtra i aliasingu sygnałów. Jest to bezpośredni skutek ograniczeń filtrów analogowych. Odpowiedź częstotliwościowa idealnego filtra dolnoprzepustowego jest płaska w całym zakresie pasma przenoszenia. Wszystkie filtry wyglądają świetnie pod tym względem na Rys. 3-11, ale tylko dlatego, że oś pionowa jest wyświetlana w skali logarytmicznej. Inna historia jest opowiadana, gdy wykresy są przekształcane na liniową skalę pionową, jak pokazano na rys. 3-12. Szum pasma można teraz zobaczyć w filtrze Czebyszewa (faliste wariacje w amplitudzie przekazywanych częstotliwości). W rzeczywistości filtr Czebyszewa uzyskuje doskonałe znoszenie, pozwalając na tę falę pasma przenoszenia. Gdy więcej filtru pasmowego jest dozwolone w filtrze, można uzyskać szybsze zwijanie. Wszystkie filtry Czebyszewa zaprojektowane przy użyciu Tabeli 3-1 mają falę pasma o wartości około 6 (0,5 dB), dobry kompromis i powszechny wybór. Podobny projekt, filtr eliptyczny. pozwala na marszczenie zarówno w pasmie przepuszczania, jak i stopband. Chociaż filtry trudniejsze do zaprojektowania, filtry eliptyczne mogą osiągnąć jeszcze lepszy zwrot pomiędzy marszczyć i falistością pasma. Dla porównania, filtr Butterwortha jest zoptymalizowany, aby zapewnić najostrzejsze staczanie się, bez możliwości marszczenia w pasmie przepustowym. Powszechnie nazywa się to maksymalnie płaskim filtrem. i jest tożsama z Czebyszewem zaprojektowanym do marszowania pasma zerowego. Filtr Bessela nie ma zmarszczek w pasie, ale przewrót jest dużo gorszy od Butterwortha. Ostatnim parametrem do oceny jest odpowiedź skokowa. jak filtr reaguje, gdy dane wejściowe szybko zmieniają się z jednej wartości na drugą. Rysunek 3-13 pokazuje odpowiedź skokową każdego z trzech filtrów. Oś pozioma jest pokazana dla filtrów o częstotliwości 1 herców, ale może być skalowana (odwrotnie) dla wyższych częstotliwości odcięcia. Na przykład częstotliwość odcięcia wynosząca 1000 herców wskaże odpowiedź skokową w milisekundach. zamiast sekund. Filtry Butterwortha i Czebyszewa przeregulują i pokazują dzwonienie (oscylacje, które powoli zmniejszają się w amplitudzie). Dla porównania, filtr Bessela nie ma tych nieprzyjemnych problemów. Rysunek 3-14 dodatkowo ilustruje tę bardzo korzystną cechę filtra Bessela. Rysunek (a) pokazuje kształt fali tętna, który można postrzegać jako krok narastający, po którym następuje spadek. Rysunki (b) i (c) pokazują, w jaki sposób przebieg ten będzie wyglądał odpowiednio po filtrach Bessela i Czebyszewa. Gdyby na przykład był to sygnał wideo, zniekształcenie wprowadzone przez filtr Czebyszewa byłoby katastrofalne. Przerost powodowałby zmianę jasności krawędzi obiektów w porównaniu do ich centrów. Co gorsza, lewa strona przedmiotów będzie wyglądać jasno, podczas gdy prawa strona przedmiotów będzie ciemna. Wiele aplikacji nie może tolerować słabej wydajności w odpowiedzi skokowej. W tym miejscu filtr Bessela nie prześciga ani symetrycznych krawędzi.