Киреев Константин Александрович

Разработка и реализация алгоритмов обработки сигналов для устройств передачи данных

по силовой электрической сети

Специальность 05.12.04.

Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва–2007

Работа выполнена на кафедре радиоприемных устройств Московского энергетического института (технического университета).

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

ГРЕБЕНКО Юрий Александрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Куликов Геннадий Валентинович

доктор технических наук, профессор

КАРТАШЕВ Владимир Герасимович

Ведущая организация: ЗАО «Центр специальных разработок МНИИРС»

г. Москва

Защита состоится 22 ноября 2007 г. в 17.00 на заседании диссертационного совета Д 212.157.05 при Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д 17, аудитория А – 402.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 14, Ученый совет МЭИ (ТУ).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского энергетического института (технического университета).

Автореферат разослан «____» октября 2007г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.157.05.

кандидат технических наук, доцент Т.И. КУРОЧКИНА

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Диссертационная работа посвящена разработке и реализации алгоритмов обработки коммуникационного сигнала для устройств передачи данных по силовой электрической сети. Силовая электрическая сеть представляет собой универсальную проводную систему, имеющуюся в каждом служебном и жилом помещении. Именно ее повсеместное распространение делает электрическую сеть привлекательной средой для передачи информации, поскольку не требуется прокладки дополнительных проводных коммуникаций.

Использование электрической сети для передачи управляющей и телеметрической информации имеет длительную историю. Первый патент на использование передачи данных по электрической сети для удаленного контроля потребления электроэнергии предложен еще в 1838 году в Великобритании. В 1905г. первый аналогичный патент зарегистрирован в США, а в 1913 появился первый коммерческий продукт на базе этой технологии. Первый коммерчески успешный проект под названием X-10 появился на рынке в 70-х годах двадцатого столетия.

Свойства электрической сети как коммуникационной среды были хорошо изучены. Например, широко известны труды исследователей Малака и Энгстрома, О’Нила, Винеса, Труссела, Достерта, Циммермана. В них были раскрыты частотные и шумовые свойства электрической сети, и эффекты, затрудняющие передачу коммуникационного сигнала. Известны работы российских ученых, например, А.И. Кочеткова. На основе данных исследований целый ряд крупных компаний-производителей элементной базы, таких как Philips, National Semiconductor, Echelon, Intellon разработали и наладили серийный выпуск электронных компонентов, предназначенных для производства устройств передачи данных по электрической сети. В России такие электронные компоненты выпускаются ОАО «Ангстрем». Технология передачи данных стала массовой, что потребовало разработки и утверждения ряда международных стандартов, установивших основные требования к подобным системам.

Дальнейшее развитие технологии передачи информации по силовой электрической сети идет по пути повышения достоверности передачи информации за счет использования новых способов обработки коммуникационного сигнала и снижения стоимости коммуникационных устройств за счет применения новейшей микроэлектронной базы. В связи с этим, тема диссертационной работы соответствует общему направлению развития технологии передачи данных по электрической сети и является актуальной.

Цель диссертационной работы заключается в разработке и реализации на современной элементной базе алгоритмов обработки сигналов для устройств передачи данных по силовой электрической сети, предназначенных для передачи сравнительно небольших объемов служебной информации, например, для удаленного контроля потребления электроэнергии.

Для реализации указанной цели решаются следующие задачи:

выбор формы коммуникационного сигнала, позволяющего одновременно добиться высоких показателей качества связи и обеспечить низкую стоимость устройства связи по электрической сети;
разработка эффективного алгоритма формирования и обработки коммуникационного сигнала, оптимизированного для реализации в приемопередающем устройстве на базе современных недорогих электронных компонентов;
разработка и опробование методики расчета и реализации пассивных реактивных широкополосных цепей согласования без потерь, пригодных для использования в устройствах приемопередачи данных по электрической сети;
исследование алгоритма получения квадратурных компонент на основе комплексных фильтров и на базе данного исследования предложение структуры эффективного комплексного цифрового фильтра для использования в устройствах приемопередачи данных по электрической сети.

Методы исследования. Для проведения исследований в рамках диссертационной работы использовались методы прикладной теории информации, математической статистики, теории функций комплексного переменного, математического моделирования.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1) предложена структура приемного устройства и цифровой алгоритм обработки многочастотного коммуникационного сигнала, подходящие для реализации на недорогой элементной базе (микроконтроллеры с функциями цифровой обработки сигналов) и с использованием только пассивных компонентов в аналоговой части устройства;

2) предложен алгоритм получения квадратурных компонент вещественного сигнала одновременно с обеспечением избирательности по частоте с использованием комплексных цифровых фильтров;

3) изучен класс комплексных цифровых фильтров без операции умножения, и из этого класса выбран фильтр, подходящий для получения квадратурных компонент и обеспечения частотной избирательности в устройствах приемопередачи данных по электрической сети;

4) предложен новый класс комплексных фильтров-дециматоров без операции умножения, пригодных для использования в приемо-передающих устройствах, применяемых при передаче данных по электросети;

5) разработана программа для моделирования и исследования параметров многоканальных приемных устройств передачи данных по электрической сети, которая использована для исследования устойчивости разработанного устройства к помехам, характерным для электрической сети.

Достоверность результатов работы подтверждается сравнением результатов с теоретическими пределами качества согласования и вероятности ошибки при передаче бита цифровой информации, экспериментальными данными, доступными по публикациям в научной литературе, результатами моделирования на ПЭВМ с использованием реальных шумовых воздействий, результатами экспериментальной проверки алгоритмов в прототипах серийных коммуникационных устройств на различных объектах.

Практическая ценность результатов работы состоит в следующем:

1) решен ряд технических задач, позволивших существенно упростить реализацию устройства передачи данных по электрической сети.

2) применение многочастотного коммуникационного сигнала и эффективного алгоритма обработки с использованием комплексного фильтра без операции умножения позволило существенно снизить стоимость устройства передачи данных по электрической сети за счет использования недорогой элементной базы;

3) комплексные цифровые фильтры, свойства которых исследованы в работе, могут эффективно использоваться и в других направлениях науки и техники;

4) предложенная методика расчета квази-баттервортовских цепей широкополосного согласования без потерь с частотными характеристиками ПФ может эффективно использоваться для проектирования устройств передачи данных по электрической сети и ряда других применений;

5) результаты диссертационной работы использованы при разработке коммуникационного устройства, предназначенного для решения хозяйственных задач контроля потребления энергоресурсов на промышленных и жилых объектах.

Апробация и внедрение результатов работы. Значительная часть результатов работы апробирована в рамках НИОКР «Разработка и изготовление опытных образцов модемов для передачи данных по линиям электропитания (PLC-модемов)», выполнявшейся в ООО «Альтоника» в 2005 году по договору с Правительством Москвы в лице ОАО «МКНТ», о чем свидетельствует акт о внедрении (использовании) результатов диссертационной работы. Результаты работы внедрены в учебный процесс. Основные результаты работы докладывались на IX, X, XII Международной научно-технической конференциях студентов и аспирантов в 2003, 2004 и 2006 г.

Публикации по теме диссертационной работы. По материалам диссертации опубликовано 11 работ, в том числе 3 статьи и 8 тезисов докладов на различных научно-технических конференциях. Одна из статей опубликована в издании, рекомендованном ВАК РФ.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация включает введение, 5 глав, заключение, список использованных источников из 147 наименований, приложение и содержит 174 страницы текста, в том числе 95 рисунков и 7 таблиц.

Научные положения, выносимые на защиту

1) структура приемного устройства и алгоритм цифровой обработки коммуникационного сигнала, подходящие для реализации на одном микроконтроллере;

2) методика расчета цепей согласования для устройств передачи данных по электрической сети;

3) результаты расчета и анализа частотных зависимостей показателей неаналитичности широкого класса комплексных цифровых фильтров, обладающих свойством преобразовывать вещественную последовательность, поступающую на вход фильтра, в комплексную последовательность, близкую по свойствам к аналитической, одновременно с обеспечением избирательности по частоте;

4) методика расчета комплексного фильтра без операции умножения, подходящего для использования в комплексных фильтрах-дециматорах в тракте цифрового приемного устройства.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении определена цель диссертационной работы, показана ее актуальность и практическая значимость; определена новизна и обоснована достоверность полученных результатов, представлены основные положения, выносимые на защиту, кратко изложено содержание диссертации.

В первой главе на основе обзора литературы, технической документации компаний-производителей электронного оборудования и патентного поиска приводится краткий обзор существующих систем передачи информации по электрической сети; описаны основные трудности и проблемы. Сделаны выводы о необходимости продолжения научных исследований и технических разработок в данной сфере, определены наиболее важные направления работы. В результате сформулированы цель диссертации и решаемые в ней задачи.

Во второй главе на основе анализа структурной схемы и шумовой модели системы передачи информации по силовой электрической сети выбран коммуникационный сигнал, наиболее подходящий для использования в системах передачи информации на основе так называемой «технологии узкополосной передачи данных».

Для снижения стоимости приемо-передающего устройства, ориентированного на массовое производство, разумно использовать недорогие современные микроконтроллеры с функциями цифровой обработки сигналов (ЦОС). В число вспомогательных устройств, размещенных в интегральной схеме микроконтроллера, часто входят блоки широтно-импульсной модуляции, которые могут использоваться для генерации коммуникационного сигнала, и модули АЦП, подходящие для его приема. Поэтому все приемо-передающее устройство может быть реализовано на одной интегральной схеме микроконтроллера с функциями ЦОС. Зачастую скромные вычислительные возможности микроконтроллера с функциями ЦОС не позволяют генерировать многочастотный сигнал на основе быстрого преобразования Фурье. Вследствие этого отказ от требования максимально эффективного использования полосы в пользу существенного снижения стоимости коммуникационного устройства часто оказывается приемлемым компромиссом.

Предлагается использовать сигнал с несколькими поднесущими (числом L) с дифференциальной фазовой манипуляцией на каждой из них. Для повышения устойчивости к воздействию помех могут быть отключены те частотные каналы, в которых присутствуют узкополосные помехи. Такой многочастотный сигнал может быть легко сформирован с помощью блока широтно-импульсной модуляции (ШИМ), интегрированного в микросхему микроконтроллера. Для этого выберем частоты поднесущих f₁, f₂, …, f_L кратными частоте следования информационных символов f_S: f₁ = m₁f_S, …, f_L = m_Lf_S (Рис. 1). Микроконтроллер на протяжении длительности информационного символа T_S = 1 / f_s рассчитывает L функций

(Рис. 1), которые суммируются и образуют модулированный сигнал (Рис. 2, а). Цифровой код

, M = 2L, подается в блок ШИМ, где превращается в последовательность прямоугольных импульсов с частотой f_T, скважность которых пропорциональна мгновенному значению сигнала

(Рис. 2, б). Дифференциальная двоичная фазовая манипуляция осуществляется изменением знака функции

во время формирования соответствующего информационного символа.

Можно показать, что коэффициенты разложения напряжения на выходе блока ШИМ в ряд Фурье описываются выражением

где

– период импульсов на выходе блока ШИМ,

– функция Бесселя первого рода. Спектральная плотность напряжения содержит значительное число гармоник на комбинационных частотах (Рис. 3, а). Напряжение с выхода блока ШИМ усиливается по мощности ключевым усилителем, и полезный сигнал выделяется цепью согласования с частотно-избирательными свойствами (Рис. 3, б), расчету которой посвящена четвертая глава. В приемо-передающем устройстве такого класса шаг по частоте между соседними поднесущими сигнала определяется только условиями кратности частоты поднесущей и частоты следования символов, а число поднесущих L – вычислительными возможностями микроконтроллера в режиме приема. Следовательно, реализация алгоритма приема сигнала на микроконтроллере налагает жесткие требования на эффективность цифровых алгоритмов обработки сигнала в приемном устройстве.

	а) б)
Рис. 1. Генерация поднесущих частот для одного информационного символа длительностью T.	Рис. 2. Многочастотный сигнал: а) мгновенное значение, б) последовательность прямоугольных символов на выходе блока ШИМ.

В главе проводится анализ влияния межканальной интерференции на вероятность ошибочного приема информационного символа и на основании данного анализа в главе сделан вывод о том, что использование коммуникационного сигнала предложенного вида является хорошим компромиссом между сложностью реализации коммуникационного устройства и качеством связи, обеспечиваемым устройством. Отказ от использования модуляции с максимально эффективным использованием полосы частот позволяет упростить коммуникационное устройство и сделать его более дешевым при сопоставимой скорости цифрового потока. Для сохранения такой же вероятности ошибочного приема бита, как и в случае с одной несущей частотой, при разумном выборе параметров сигнала требуется увеличить соотношение сигнал-шум не более чем на 1 дБ.

В третьей главе приведены результаты разработки приемных устройств для использования в системах передачи информации по электрической сети. Приемное устройство предназначено для приема многочастотного сигнала. Структурная цифрового приемного устройства схематично изображена на Рис. 4.

Рис. 3. Спектральная плотность напряжения: а) на выходе блока ШИМ и б) на выходе передающего устройства.

Рис. 4. Структурная схема приемного устройства: ЦС- цепь согласования, АЦП – аналого-цифровой преобразователь, КФ – комплексный фильтр, ↓2 – компрессор частоты дискретизации, БД – блок демодуляторов, ГТИ – блок генерации тактовых импульсов.

Цепь согласования (ЦС) устройства приемопередачи данных по электрической сети должна быть линейным четырехполюсником. Такое ограничение является естественным, так как использование активных компонентов, имеющих нелинейность проходной характеристики, приводит к паразитной взаимной модуляции сигнала и помех, многократно превышающих сигнал по амплитуде. Цепь согласования выполняет следующие функции:

подавление высокого сетевого напряжения;
частичная компенсация затухания сигнала, вносимого средой, за счет усиления сигнала по напряжению;
трансформация малого полного сопротивления электросети до значений, более подходящих для генерации и приема коммуникационного сигнала;
формирование частотной избирательности, необходимой для фильтрации внеполосных помех.

Принимаемый сигнал, после прохождения цепи согласования, дискретизируется и переводится в цифровую форму аналого-цифровым преобразователем (АЦП) поскольку при использовании технологии узкополосной передачи данных верхняя граница спектра сигнала обычно не превышает 150 килогерц. Цифровой поток с выхода АЦП содержат информацию обо всех каналах системы с многочастотным сигналом. Частота дискретизации

сигнала выбрана близкой к учетверенной центральной частоте многочастотного сигнала

. Такой подход позволяет применить для первичной цифровой обработки сигнала комплексный фильтр третьего порядка без операции умножения (КФ), обладающий свойством трансформировать вещественную последовательность на входе в две последовательности на выходе, находящиеся в квадратуре. Одновременно обеспечивается частотная избирательность, необходимая для последующей децимации в компрессоре частоты дискретизации. Методика проектирования и расчета комплексных фильтров такого вида подробно рассмотрена пятой главе.

С выхода компрессора частоты дискретизации комплексная последовательность одновременно поступает на вход блока демодуляторов (БД на Рис. 4), в каждом из которых осуществляется перенос спектра сигнала, передаваемого на одной из поднесущих, на нулевую частоту и демодуляция с помощью квадратурной обработки с применением согласованных фильтров (Рис. 5).

Рис. 5. Схема одного канала блока демодуляторов: ГУК – генератор, управляемый кодом, СФ – согласованный фильтр.

Отличительной особенностью предложенной схемы построения приемного устройства является то, что при определенном выборе несущей частоты и частоты следования символов и применении кварцевой стабилизации не требуется использования системы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) для восстановления частоты и фазы несущего колебания, так как паразитный набег фазы за длительность информационного символа не превышает нескольких градусов и практически не повышает вероятность ошибочного приема бита.

Для снижения вычислительных затрат алгоритма цифрового приемника предлагается восстанавливать частоту следования символов, используя в качестве опорной частоту сетевого напряжения 50-60 Гц (блок генерации тактовых импульсов, ГТИ, Рис. 4).

Для проверки предложенной структурной схемы и цифрового алгоритма в главе разработана программа для исследования многоканального приемного устройства в среде Matlab. Данная программа позволяет оценить предполагаемое качество функционирования при воздействии шумов и помех произвольного вида. При разработке и анализе структурной схемы приемного устройства использовались реализации шума и помех, записанные в реальных условиях в двух офисно-производственных зданиях в г. Москве (Рис. 6).

Рис. 6. Спектральная плотность смеси сигнала и шума на входе модели приемного устройства (основная гармоника сетевого напряжения удалена).

Рис. 7. Зависимость вероятности ошибочного приема бита от отношения сигнал/шум для 16-битовой реализации цифрового приемника многочастототного сигнала, использующего дифференциальную двоичную фазовую манипуляцию на каждой из поднесущих (в сравнении с наиболее распространенными видами цифровой модуляции сигнала, белый шум).

Результаты моделирования, приведенные в третьей главе, позволяют заключить, что при использовании белого шума в качестве тестового шумового воздействия для сохранения той же вероятности ошибочного приема бита 10^-4, что и в случае идеального приемного устройства с дифференциальной двоичной манипуляцией, требуется увеличить отношение сигнал/шум не более чем на 1,5 – 2 дБ (Рис. 7). Результаты расчетов подтверждаются измерениями при экспериментах с прототипом серийного устройства в условиях реальной электрической сети. В качестве вывода в третьей главе указано, что предложенные схема и цифровой алгоритм приемного устройства для систем передачи информации по силовой электрической сети позволяют реализовать цифровую часть приемного устройства на одной микросхеме микроконтроллера. Кроме того, для реализации аналоговой части приемного устройства требуются только дешевые пассивные компоненты.

Четвертая глава посвящена расчету широкополосных реактивных цепей согласования без потерь, предназначенных для использования в системах передачи информации по электрической сети. Из литературы известен ряд методик синтеза широкополосных цепей согласования. Однако, эти методы проектирования цепи согласования удобны не во всех ситуациях на практике. Для расчета цепей согласования со специальными свойствами для применения в устройствах передачи данных по электрической сети предлагается инженерная методика на основе квази-баттервортовской аппроксимации передаточной характеристики, известной из литературы.

Квази-баттервортовская аппроксимация основана на билинейном преобразовании частоты вида

,

где

– частота низкочастотного эквивалента, с - масштабирующий коэффициент,

- константа, необходимая для смещения полюсов передаточной функции. В качестве аналога аппроксимации передаточной функции Баттерворта можно записать выражение

,

где К_n – нормирующая константа. Общий вид графика передаточной характеристики, имеющей квази-баттервортовскую аппроксимацию, показан на Рис. 9. Передаточная характеристика отлична от единицы на нулевой частоте, но достигает единичного значения в зоне наилучшего согласования.

Можно показать, что искомая величина коэффициента трансформации полного сопротивления при использовании квази-баттервортовской аппроксимации в полосе пропускания цепи определяется соотношением

,

т. е. она зависит исключительно от отношения суммы и разности квадратов расстояний от полюсов m_a и нулей m_b коэффициента отражения до начала координат.

Рис. 8. Частотная зависимость коэффициента передачи мощности и коэффициента отражения от входа НЧ-эквивалента согласующей цепи без потерь (аппроксимация Баттерворта, классическая методика синтеза): – модуль коэффициента передачи мощности, - модуль коэффициента отражения от входа цепи, – нормированная частота.

Рис. 9. Частотная зависимость коэффициента передачи мощности и коэффициента отражения от входа НЧ-эквивалента квази-баттервортовской согласующей цепи без потерь при значениях параметров , ,, : – модуль коэффициента передачи мощности, - модуль коэффициента отражения от входа цепи, – нормированная частота.

Рис. 10. Схема реактивной цепи согласования со свойствами ПФ, синтезированной по предложенной методике.

На основе квази-баттервортовской аппроксимации в главе сформулирована инженерная методика проектирования реактивных цепей согласования без потерь с частотными характеристиками ФНЧ, ФВЧ и ПФ, обладающая тем отличительным свойством, что при расчете цепи задается именно необходимый коэффициент трансформации полного сопротивления. Пример цепи согласования, рассчитанной по предложенной методике, приведен на Рис. 10 и Рис. 11. Проводится сопоставление качества согласования, обеспечиваемого квази-баттервортовскими цепями согласования без потерь с теоретическим пределом, сформулированным Фано. В качестве вывода, указано, с помощью предложенной методики расчета цепей с частотными характеристиками ПФ, можно получить высокое качество согласования. Цепи ПФ восьмого порядка несколько проигрывают идеальной согласующей цепи по качеству согласования. Однако, во многих случаях некоторые потери в качестве согласования допустимы, и предложенная методика может использоваться на практике.

Рис. 11. Частотная (а), фазочастотная (б) характеристики цепи согласования из двух каскадов четвертого порядка со свойствами ПФ и модуль коэффициента отражения (в) от входа цепи.

В пятой главе исследуются свойства комплексных цифровых фильтров, синтезированных с помощью метода смещения. Комплексные фильтры такого класса обладают специфическим свойством трансформации вещественной последовательности, поступающей на вход фильтра, в комплексную последовательность, близкую по свойствам к аналитическому сигналу.

При синтезе комплексного цифрового фильтра с помощью метода смещения на первом этапе находится передаточная функция исходного цифрового фильтра нижних частот

, которая может быть определена любым известным способом как для фильтров с конечной (КИХ), так и бесконечной (БИХ) импульсными характеристиками, что позволяет получить различные классы комплексных цифровых фильтров. Передаточная функция цифрового комплексного фильтра может быть приведена к виду, где

– дробно-рациональные функции с вещественными коэффициентами. При подаче на вход вещественного сигнала

на выходах комплексного фильтра образуется комплексный сигнал

, что может быть отражено структурной схемой, показанной на Рис. 12.


Рис. 12. Структурная схема комплексного аналитического фильтра при обработке вещественного сигнала	Рис. 13. Комплексный фильтр без операции умножения третьего порядка.

Частотная характеристика ветвей идеального аналитического фильтра

обладает следующим свойством – модули частотной характеристики ветвей равны, а фазы отличаются на

. Это позволяет оценивать качества комплексного фильтра с помощью показателей неаналитичности

.

В главе проводится исследование аналитических свойств комплексных фильтров разных классов (на базе исходных ФНЧ с БИХ, КИХ, однородных ФНЧ). Рассчитаны зависимости показателей неаналитичности фильтров разных классов от частоты, которые могут использоваться для выбора комплексного фильтра для применения в практических задачах. На основе исследования класса комплексных фильтров без операции умножения предложена эффективная схема комплексного фильтра третьего порядка для применения в системах передачи информации (Рис. 13 – Рис. 15). Комплексный фильтр такого вида позволяет получить квадратурные компоненты входного сигнала, осуществляя одновременно фильтрацию отрицательных частот, необходимую для дальнейшего понижения частоты дискретизации в два раза. Для реализации фильтра необходимо всего лишь четыре ячейки памяти, две операции суммирования и две операции вычитания.


Рис. 14. Модуль частотной характеристики комплексного фильтра без операции умножения третьего порядка.	Рис. 15. Разность фаз последовательностей на выходе вещественной и мнимой ветвей фильтра комплексного фильтра без операции умножения третьего порядка.

Выявлено, что комплексные фильтры без операции умножения обладают специфической зависимостью показателей неаналитичности

от числа отсчетов N и числа звеньев n (Табл. 1).

Табл. 1. Зависимость показателей неаналитичности и от числа отсчетов N и числа звеньев n

	число каскадов нечетно	число каскадов четно
число отсчетов N четно	≠ 0	≠ 0 = 0
число отсчетов N нечетно	≠ 0 = 0	≠ 0 = 0

Также в главе предложена структурная схема комплексного фильтра-дециматора (Рис. 16), построенного на основе комплексного фильтра без операции умножения. В структуре фильтра присутствуют три секции: комплексный фильтр без операции умножения Bⁿ, определяющий аналитические свойства всей структуры, каскадное интегрирующее звено Iⁿ и каскадное звено Сⁿ. Структура комплексного фильтра-дециматора позволяет формировать квадратурные компоненты вещественного сигнала и обеспечивать частотную избирательность, необходимую для понижения частоты дискретизации без спектральных искажений.

По результатам исследования в главе сделаны выводы:

Рис. 16. Структурная схема комплексного фильтра-дециматора: структурная схема всего фильтра (а) и структура его составных частей Iⁿ (б) и Cⁿ (в).

Показатели неаналитичности комплексных цифровых фильтров с БИХ, в полосе пропускания убывают с ростом порядка фильтра. При порядках фильтра 4–6 удается получить малые погрешности по амплитуде и фазе;
Комплексные КИХ-ФНЧ с импульсной характеристикой, сглаженной оконными функциями, обладают высокими аналитическими свойствами. При использовании окна Бартлета фазовый показатель неаналитичности точно равен нулю в полосе пропускания фильтра. Выявлена взаимосвязь между амплитудным показателем неаналитичности и фазовым показателем ;
Комплексных фильтры без операции умножения обладают специфической зависимостью показателей неаналитичности и от числа отсчетов N и числа звеньев n (Табл. 1);
На основе комплексных ФНЧ без операции умножения можно получить эффективные фильтры для использования в практических задачах цифровой обработки сигналов, в том числе и комплексные фильтры-дециматоры.

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы, а именно:

1. Предложена структурная схема приемного устройства и эффективный цифровой алгоритм обработки многочастотного коммуникационного сигнала, подходящие для реализации на вычислительно-слабой элементной базе (микроконтроллеры с функциями цифровой обработки сигналов) с использованием пассивных компонентов;

2. Разработана программа для исследования и анализа работы приемного устройства, позволяющая оценить защищенность приемного устройства для передачи данных по электрической сети от шумов и помех различных классов;

3. Разработана инженерная методика расчета пассивных реактивных цепей согласования на основе квази-баттервортовской аппроксимации без потерь, обладающих полосовой частотной избирательностью, предназначенных для применения в устройствах передачи данных по электрической сети;

4. Исследованы различные классы комплексных цифровых фильтров, обладающих свойством формировать на выходе последовательности, близкие по свойствам к аналитическим, и на основе данного исследования предложена структура эффективного комплексного цифрового фильтра для использования в устройствах передачи данных по электрической сети на базе недорогой элементной базы;

5. Внедрение разработанных методик и алгоритмов позволило снизить себестоимость в комплексе с улучшением других характеристик коммуникационного устройства.

В приложении к диссертации приведен краткий обзор основных стандартов, устанавливающих нормы в области передачи информации по электрической сети.

ОПУБЛИКОВАННЫЕ РАБОТЫ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Киреев К.А. Проектирование широкополосных цепей для систем передачи цифровой информации по электрической сети // Вестник МЭИ. – 2007. – №2. С. 117–123.

2. Киреев К.А. Проектирование аналитических цифровых фильтров с бесконечной импульсной характеристикой // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Тез. докл. 9 Междунар. НТК студентов и аспирантов. – М., МЭИ, 2003. – С. 47–48.

3. Киреев К.А. Проектирование аналитических цифровых фильтров с конечной импульсной характеристикой // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Тез. докл. 9 Междунар. НТК студентов и аспирантов. – М., МЭИ, 2003. – С. 48–49.

4. Киреев К.А. Фильтрующие преобразователи Гильберта без операции умножения // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Тез. докл. 9 Междунар. НТК студентов и аспирантов. – М., МЭИ, 2003. – С. 53.

5. Киреев К.А. Проектирование широкополосных цепей согласования в задачах передачи цифровой информации по электрической сети // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Тез. докл. 12 Междунар. НТК студентов и аспирантов. – М., МЭИ, 2006. – С.76-77.

6. Киреев К.А. Приемник мультичастотного фазоманипулированного сигнала для систем передачи информации по силовой электрической сети // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Тез. докл. 12 Междунар. НТК студентов и аспирантов. – М., МЭИ, 2006. – С.77-78.

7. Киреев К.А. Аналитический фильтр третьего порядка без операции умножения для использования в системах приема коммуникационного сигнала MPSK, DMPSK и QAM // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Тез. докл. 12 Междунар. НТК студентов и аспирантов. – М., МЭИ, 2006. – С.78-79.

8. Гребенко Ю.А., Киреев К.А. Комплексные цифровые фильтры без операции умножения // Радиотехнические тетради. – 2004. – №29. – С. 26-29.

9. Киреев К.А. Приемник мультичастотного фазоманипулированного сигнала для систем передачи информации по силовой электрической сети // Тр. РНТОРЭС им. А.С. Попова. / Научная сессия, посвященная Дню Радио. – 2006. – Вып. LXI. – C. 225-227.

10. Киреев К.А. Проектирование широкополосных цепей согласования в задачах передачи цифровой информации по силовой электрической сети. // Тр. РНТОРЭС им. А.С. Попова. / Научная сессия, посвященная Дню Радио. – 2006. – Вып. LXI. – C. 228-229.

11. Киреев К.А. Приемник многочастотного фазоманипулированного сигнала для систем передачи информации по силовой электрической сети // Радиотехнические тетради. – 2006. – № 33. С. 66-68.

Blog

Киреев Константин Александрович

Содержание