מימון מסננים IIR

מסננים אינסופיים (IIR) הם שיעור של מסננים דיגיטליים המוגדרים על ידי המבנה הרציני שלהם.בניגוד לפילטרים של Finite Impulse Response (FIR) המסננים רק על דגימות קלט קודמות, מסננים IIR מזינים בחזרה חלק מהתתתתמיעה לתוך הקלט.לאה משוב זה הופך אותם יעילים מאוד: הם יכולים להשיג להקות מעבר חדות ועצימה גבוהה עם פחות משוואות קוגניות מאשר הבדלי טבע מתואם זההההההההההההההההההההההההההההה היא משוואות מתמטית:

(ב) .

[n] ו[n] הם רצף הקלט והפלט, bFLT:0icioFLT:1 הם התקני מזון קדימה, ו-Aph:2iFLT 3: 3 הם משככי משוב.

פולנים ו- Zeros

הפונקציה העברת מסנן IIR ב- z-domain היא פונקציה רציונלית:

(ב) 1

השורשים של הפולינומיאל המבודד הם אפסים, ואת השורשים של הפולנומטור פולינומיאל הם הקוטבים.עמדות של הקטבים ב- z-plane קובעות את יציבות הפילטר ותגובה תדירות.עבור מסנן הסיבתי, כל הקטבים חייבים לשכב בתוך מעגל היחידה עבור המסנן להיות יציב.

אחריות ותגובה שלב

מסנני IIR רגישים יותר לאי יציבות מאשר מסננים FIR. אפילו סגסוגת קטנה יכול להעביר הקוטב מחוץ למעגל היחידה, מה שגורם לסנן לבודד או להפרדה. בעיבוד אותות לווייני, שבו אמינות אינה ניתנת להשגה, שולי יציבות חייבים להיחשב בזהירות במהלך תכנון.שלבי שלב הם עוד דאגה: אני מסננים בדרך כלל לא מציגים שלב לא ליניארי, אשר יכול להיות נסבל עבור תוכניות מסוימות, עם זאת, עם לוויינים.

המונחים: Satellite Antenna Signal Processing

אפשרויות ל-Bandwidth Constraints

קישורי תקשורת לווייניים פועלים על פני להקות תדר נפרדות המיועדות על ידי תקנות בינלאומיות (למשל, C-band, קו-band, Ka-band) אנטנות של אנטנה כולל מסננים שצריכים לבודד את הערוץ הרצוי תוך דיכוי התערבות של ערוץ צמוד (ACI) ורעש מחוץ לפס.IIR נבחרים לעתים קרובות על מנת לספק להקות מעבר צרות מאוד עם סדר נמוך, אשר מקטין את העומס חישובי ב-AM) אמיתי חייב להימנע מעיוותים כמו מדרגה 64.

שלב קווירסיטי וקבוצתיות

בעוד מסננים IIR אינם חד-phase ליניארית, העיכוב קבוצתי מעבר לפס המעבר חייב להיות ממזער כדי למנוע התערבות בין-סימבול (ISI) במושגים לוויין, עיכובים בקבוצות לעתים קרובות מתקפלים עם מסננים IIR כדי לזרז את התגובה העיכוב.העיצוב חייב לאזן את חדות התגובה המאמפורה עם העיכוב המקובל.

משאבים ומציאות-Time Constraints

תחנות קרקע לוויין ומעבדים על הסיפון מחוסנים על ידי כוח, חום ומהירות השעון.IIR מסננים, עם המבנה הפיגור שלהם, דורשים פחות תפוקה (MAC) פעולות לדגימה בהשוואה לפילטרים FIR של סלקטינות שווה.לדוגמה, סדר שישי IIR עשוי להחליף מסנן FIR 128-ap, באופן דרסטי את הנטל חישובי, אך הפחתת הדיוקן של הזמני יכול לעתים קרובות להפחית את התקני הנקה (PT) של המשתנים של המשתנים של המשתנים של המשתנים (כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, המשתנים של חלבון קל יותר) של אבטחה של אבטחה של חלבון שישי-Squareative Data-Squarence) יכול להחליף מסנן קל יותר) יכול להחליף מסנן של אבטחה של 16 קדמיון IIR) יכול להחליף מסנן של אבטחה קל יותר מנקה (Squarepertapapapapapapating 16-FIR) יכול להחליף מסנן של אבטחה של אבטחה של אבטחה של אבטחה נמוכה יותר) יכול להחליף מסנן של אבטחה (S) יכול להחליף מסנן של אבטחה).

השפעות קוונטיות ו- Coefficient

כאשר מסננים IIR מיושמים בקידוד קבוע על FPGAs או DSPs, את ה- coefficients חייב להיות מוגדר למספר סופי של ביטים.ההה קוונטית משנה את מיקומים ויכולה לדרג ביצועים או אפילו לגרום לאי יציבות.מדפי יעילות זהירות והשימוש בנקודת צף כפולה בסימולציה הם חיוניים.

שיטות עיצוב עבור IIR פילטרים

עקבו אחרי TERRworths

מסנני Butterworth מאופיין על ידי פס שטוח מקסימלי - שום קרוע DC ו monotonic roll-off לעבר ה- stopband.הם מתאימים היטב ליישומים שבהם שימור אות בפס הוא קריטי, כגון מסננים בשלב לפני הטרנספורמציה הנמוכה של מגבר (LNA) במקלטים.

סוג I וטיפוס II

מסנני צ'בישב מציעים גליל תלול מאשר Butterworth על ידי מתן אפשרות לקרוע בפס המעבר (Type I) או את ה-Type II (Type II) סוג I Chebyshev מסננים יש שווה בפס המעבר ותחנת עצירה מונוטונית; סוג II (inverse Chebyshev) יש פס עוברטוני ושוויון בעצימה לעצור, לעתים קרובות יכול להיות מסוגל לעבור את הפילטר השני.

אליפותטי (Cauer) filters

מסננים אלפטיים מספקים את להקת המעבר האגרסיבית ביותר עבור הזמנה נתונה על ידי מתן ripple ב- Passband ו-stopband.הם אידיאליים עבור יישומים שבהם נדרשת בחירה מקסימלית, כגון הפרדת ערוצי לוויין מעוקלים הדוקים.ה-off המסחרי הוא תגובה שלב לא ליניארית יותר ורגישות גדולה יותר לקידוד קוגניפיטיזציה.

Bessel Filters

מסנני Bessel נועדו לשמר את הצורה של גל הקלט על ידי מתן עיכוב קבוצתי קבוע מעבר פס. תקשורת לווייני, הם משמשים מומיר אנלוגי-לדיגיטלי (ADC) נגד שלבים או עיבוד בסיס שבו שלב ליניארי הוא חיוני.עם זאת, התגובה הגודל של מסננים Bessel מתגלגלת לאט יותר מאשר Butterworth או Chebyev, כך שהם פחות נפוצים ביישומים שלב ליניאריים.

Analog Prototype ו-B ליניארית Transform

הגישה הקלאסית לתכנון סינון דיגיטלי IIR מתחילה עם אבטיפוס אנלוגי (butterworth, Chebyshev וכו ') וממפות אותו לתחומים דיגיטליים באמצעות שינוי לינארי: The bi ליניארית טרנספל:2 משמר יציבות ומפות את כל כוכבי הלכת אל ה-Z-plane ללא כל אמצעי מדידה.

Least-Squares ו- Optimization- Based design

עבור יישומים לווייניים עם גודל מותאם אישית או מגבלות שלב, עיצוב IIR מבוסס אופטימיזציה משמש לעתים קרובות.טכניקות כגון שיטת Steiglitz-McBride או צמצום מודל (למשל, הילוך מאוזן) יכול לייצר פילטרים כי קרוב תגובה תדר שרירותי עם סדר מינימלי. אלגוריתמים גנטי וירידה ⁇ כבר הוחלו גם אופטימיזציה של פלטפורמות חומרה ספציפיות, צמצום הרגישות לשיטות קוונטיות יותר.

יישום במערכות לווין

DSP לעומת FPGA יישום

תחנות קרקע לוויין מודרניות בדרך כלל להשתמש FPGAs לעיבוד אותות דיגיטליים במהירות גבוהה, בעוד מעבדי לוח לעתים קרובות להסתמך על DSPs רדיפת קרינה. IIR מסננים מיושמות על FPGAs תועלת מ פרוסות DSP ייעודיות המבצעים פעולות מרובות-מצטברות בשיעורי שעונים גבוהים.הטבע recursive מגביל צינורות צינורות, אבל טכניקות כגון מבט ראש או עיבוד מקבילים יכול לשפר באמצעות DSP יכול להתאים יותר.

מבנה מקביל ומבנה מקבילים

כדי לשפר את היציבות המספרית ולהקטין את הרגישות הקוונטית, מסננים IIR מיישמים בדרך כלל כקסגת של סעיפים מסדר שני (SOS) ולא בלוק הזמנה אחת גבוה.כל SOS מתאים זוג של קטבים מורכבים ועלולים להיות זוג של אפסים.הסדר וזוג של קטעים ניתן לייעל כדי למזער את הרווח של רעש ולמנוע את זרימת יתר, שבו מבנים משניים יכולים להיות מסודרים פחות, אבל מקבילים להפחתה של מקבילה.

נקודת זמן קבועה לעומת Floating-Point

מעבדים בעלי ערך חלל משתמשים לעתים קרובות בקידוד קבוע כדי לחסוך כוח ואזור. קו יעיל קוונטיזציה בנקודת זמן קבועה יכול לגרום לתגובה בפועל של המסנן כדי להידרדר באופן משמעותי מהמטרה העיצובית. מהנדסים חייבים לדמות את המסנן בפורמט היעד קבוע כדי לאמת יציבות וביצועים. השימוש בלוגיקה עגולה וסתירה הוא חיוני לטפל בזרימה גבוהה.

פילטרים IIR TERS עבור Interference Cancel

בקישורים לווין, מסננים אדפטיים משמשים כדי לבטל את ההתערבות של משדרים אחרים או להשוות עיוותי ערוץ. בעוד מסננים FIR מתאימים (למשל NLMS) נפוצים יותר בשל ניתוח פשוט יותר של יציבות, מסנני IIR מתאימים יכולים להיות יעילים יותר עבור תגובות אימפולס ארוכות. Algorims כמו recurivesive לפחות ריבועים (RLS) ו-Fretation-Fed-Fed-Fed-F כבר מותאמים לתהליכים כגון ניטור , אך ורקמותרפיסטציה, הם תנאי מעקב.

דוגמאות מעשיות ו- Performance Analysis

המונחים: Butterworth Low-Pass for L-Band

שקול מקלט לוויין הפועל ב-L-band (1-2 GHz) הדורש מסנן נמוך-פס כדי לדחות רעש מחוץ לפס מבלוק נמוך (LNB) מפילטר Butterworth עם חיתוך של 1.7 GHz יכול להיות מתוכנן באמצעות שינוי דו-צדדי.

מסנן פס של להקה נדרש לבחור את טווח התדר של לוויין Ka-band (למשל, 20.2-21.2 GHz GHz) מסנן צ'בישאר סוג II עם 0.5 dB מפסיק rip מספק גלגל תלול כדי לדחות את להקות הלוויין הסמוכים.העיצוב משתמש שינוי פס קבוצתי מטיפוס נמוך.

ביצועים Metrics

יעילות מסנן IIR במקלט לווייני נמדדת על ידי יחס אות-ל-אין (SNR) שיפור, גודל וקטור שגיאות (EVM) השפלה, ו latency. מסנן IIR מתוכנן היטב יכול לשפר את SNR על ידי 10-15 dB ללא השפעה משמעותית על EVM. Latency הוא בדרך כלל כמה עשרות מחזורי שעון, מקובל עבור רוב הקול והשירותים.

השוואה עם FIR Filters

מסננים FIR הם לעתים קרובות מועדפים בתקשורת לווינית כאשר נדרש שלב ליניארי, כגון מודמים QAM מסדר גבוה, הם יציבים מטבעם, ניתן ליישם ביעילות באמצעות מבנים פוליפאזה. עם זאת, העלות החישובית של מסנן FIR עם סלקטיביות שווה לפילטר IIR יכול להיות 5 עד 20 פעמים גבוה יותר.

מגמות מתפתחות בעיצוב מסנן עבור יישומי חלל

Machine Learning for Coefficient Optimization

מחקרים אחרונים הגישו תמיכה ורשתות עצביות לחיפוש אחר אפקטיביות IIR, העומדת במפרט מורכב עם סדר מינימלי.שיטות אלה יכולות לשקול לא-אידיות כגון אפקטים קוונטיים ורעש ספציפי חומרה.בעוד שהם עדיין ניסיוניים, הם מבטיחים לתכנון מסננים חזקים לייצור וריאציות בתשלומים לווייניים.

פילטרים ל- Software-Defined Radios

רדיוים מוגדרים תוכנה (SDRs) משמשים יותר ויותר בתחנות קרקע לווייניות לגמישות שלהם.IIR מסנן coefficients ניתן לעדכן בזמן אמת כדי להתאים את סביבת ההתערבות. Reconfigurable מסננים המבוססים על מבנים עוקפים או SOS מסורקים המאפשרים מעבר מהיר בין תוכניות ערוץ שונות מבלי לנסח מחדש את כל FPGA bitstream.

מסקנה

מסננים IIR נשארים מרכיב חיוני בשרשרת עיבוד אותות אנטנות לווינית, המציע איזון של יעילות חישובית וסלקטיביות תדירות שקשה להתאים ל- FIR חלופות. עיצוב מוצלח דורש תשומת לב זהירה ליציבות, לכמת ותגובה שלב, כמו גם הבנה מעמיקה של הסביבה המבצעית. על ידי בחירת שיטת העיצוב המתאימה - Butterworth, Chebyshev, elliptic, או אופטימיזציה המבוססת על ידי מתכנתים חזקים כגון פילטרים מתקדמים של תוכניות, כגון SOSs, יכולות להמשיך לפתח מערכות תכנות מתקדמות יותר.

מקור:0 (ב) 1

  • (FLT:0) ,Understanding IIR מסננים מסננים 1FLT - Analog מכשירים טכניים מאמר על IIR מסנן בסיסי.
  • (ב) ,0) ,IIR Filter DesignemueFLT:1 - תיעוד של MathWorks עבור עיצוב באמצעות שינוי דו-לינארי.
  • (FLT:0) ניתוח יכולת של מסננים IIR בנקודת קבוע נקודה אריתמטימפוס 1LT - IEEE נייר על אפקטים קוונטיים ב-DSP לוויין.
  • (FLT:0) ,Implementation of IIR Filters on TMS320C6x DSPIRFLT:1 - שטר של מוצרי טקסס.