CC BY
64
УДК 621.396.2.037.372+681.32+621.37
ПРИМЕНЕНИЕ РЕСЭМПЛЕРА ФАРРОУ В ЦИФРОВОМ ПРИЕМНИКЕ ПЕЛЕНГАТОРА МОБИЛЬНЫХ СТАНЦИЙ GSM
М.И. Спажакин, А.Б. Токарев, П.П. Чураков
Предложена структурная схема цифрового приёмника, предназначенного для пеленгации мобильных станций стандарта GSM, использующего для цифровой обработки сигналов мобильных станций ресэмплер Фарроу на программируемой логической интегральной схеме (ПЛИС). Представлена оценка уровня нелинейных искажений, вносимых ре-сэмплером в сигнал. Исследован уровень искажений, возникающих при ограничении разрядности обрабатываемых сигналов
GSM
Ключевые слова: ресэмплер Фарроу, ПЛИС, цифровой приемник, демодуляция, пеленгация мобильных станций
В стандарте GSM используется множественный доступ с частотным и временным разделением каналов [1], поэтому при пеленгации мобильных станций стандарта GSM требуется не только оценивать занятость частотного ресурса, но и определять номер принятого пакета в кадре. На рис. 1 представлена блок-схема приемника-обнаружителя с возможностью определения номера принятого пакета в кадре. Блок, осуществляющий обработку сигнала после АЦП, называется цифровым приемником. Цифровой приемник может быть реализован в виде программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС).
Для демодуляции принятого сигнала от мобильной станции GSM обработку сигнала в цифровом приемнике целесообразно производить на символьной скорости [2, 3, 4], однако тактовая частота ПЛИС, как правило, не кратна символьной скорости стандарта GSM. Как следствие, возникает потребность в передискретизации обрабатываемого сигнала. Практика указывает на целесообразность применения для этого в приемнике GSM ресэмплеров Фарроу [3, 4]. Оценка искажений, вносимых ресэмплерами Фарроу с интерполяцией Лагранжа в цифровой сигнал при передискретизации, дана в [5].
Рис. 1. Общая структурная схема приемника-обнаружителя
Рис. 2. Блок-схема ресэмплера
Ресэмплер, блок-схема которого представлена на рис. 2, реализует выражение, где Y - значение отсчета сигнала на новой частоте дискретизации, с -д-й коэффициент интерполяционного полинома, ц -
Спажакин Михаил Игоревич - ВГТУ, аспирант, e-mail: spazhakinmi@rambler.ru
Токарев Антон Борисович - ВГТУ, д-р техн. наук, доцент, тел. 89204665525
Чураков Петр Павлович - ПГУ, д-р техн. наук, профессор, тел. 8 (8412) 36-82-21
нормированный временной интервал, характеризующий положение отсчета на новой частоте дискретизации относительно ближайшего отсчета на старой частоте дискретизации [5], N - порядок интерполяции.
в)
Рис. 3. Частотная зависимость уровня нелинейных
Данные с частотой дискретизации поступают на вход ресэмплера; расчет коэффициентов полинома производится на тактовой частоте, совпадающей с Рз1. На выходе блока расчета коэффициента полинома на каждом отсчете производится вычисление N+1 коэффициентов полинома (К - порядок интерполяционного полинома (1)).
искажений ресэмплеров при квантовании сигнала ц
Коэффициенты с0..сК поступают на блок округления. На вход блока вычисления полинома поступают округленные коэффициенты с0г..сКг и сигналы от генератора ц: ц (нормированный временной интервал) и еп (сигнал разрешения). Формирование выходных отсчетов на новой частоте дискретизации производится по сигналу разрешения еп.
Частотная зависимость уровня нелинейных искажений при различной разрядности сигнала ц (см. рис. 2) для ресэмплеров 3-, 5-, 7-го порядков представлена на рис. 3, а, б и в соответственно. При разрядности ц равной 16 бит уровень нелинейных искажений совпадает с уровнем нелинейных искажений, который дает реализация генератора ц с не-квантованными значениями сигнала ц [5].
При реализации ресэмплеров можно выделить два случая: тактовая частота ПЛИС совпадает с полосой, занимаемой комплексной огибающей сигнала; тактовая частота ПЛИС превышает в целое число раз полосу сигнала. В первом случае с точки зрения снижения аппаратных ресурсов блок расчета коэффициентов полинома следует реализовывать с иомощью фильтров на степенях числа 2 [7], а блок
вычисления полинома реализовывать в параллельной форме [9].
Данный подход оправдан для анализа широкополосных сигналов. В случае сигналов GSM (узкая полоса - около 200 кГц и низкая частота дискретизации - около 1 МГц, кратна символьной скорости) блок целесообразно реализовывать с помощью фильтров на распределенной арифметике [6].
Эффективная реализация блока вычисления полинома представлена на рис. 4. В цифровом приемнике используется ресэмплер 3-го порядка, т.к. уровень искажений, вносимых ресэмплером в сигнал [5], удовлетворяет требованиям по чувствительности. При этом отношение тактовой частоты устройства и комплексной полосы составляет 1:16.
Рис. 4. Структурная схема вычислителя полинома ресэмплера 3-го порядка
В заключение следует отметить следующее:
• при ограничении разрядности сигнала ц следует учитывать дополнительный уровень искажений ресэмплера (рис. 3);
• в случае, если тактовая частота ПЛИС более чем в 2 раза превышает ширину полосы частот, занимаемую комплексным сигналом, подлежащим передискретизации, блок вычисления коэффициентов полинома целесообразно реализовывать с помощью фильтра на распределенной арифметике, а блок вычисления полинома в соответствии со структурной схемой на рис. 4.
Литература
1. Шахнович, И. Современные технологии беспроводной связи [Текст] / И. Шахнович. - М.: Техносфера, 2006. - 288 с.
2. Прокис, Дж. Цифровая связь [Текст] / Дж. Прокис - М.: Радио и связь, 2000. - 800 с.
3. Скляр, Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение [Текст] / Б. Скляр - М.: Издательский дом «Вильямс», 2007. - 1104 с.
4. Nezami, M. RF Architectures & Digital Signal Processing Aspects of Digital Wireless Transceivers [Text] /
M. Nezami. - 2003. - 512 с
5. Спажакин, М.И. Оценка искажений при передискретизации цифрового сигнала с использованием фильтра Фарроу [Текст] / М.И. Спажакин, В. Д. Репников, А. Б. Токарев // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2013. - Т.9, № 6.3. - С. 26-29.
6. Peled A. A New Approach to the Realization of Non-recursive Digital Filters [Text] / A. Peled, B. Liu // IEEE Trans. Audio and Electroacoustics. - 1973. - Vol. AU-21, №6. - P. 477-485.
7. Спажакин, М.И. Синтез нерекурсивных цифровых фильтров без умножителей [Текст] / А.В. Муратов, М.И. Спажакин, А. Б. Токарев // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2014. - Т.10, №1. - С. 88-91.
8. Рабинер, Л. Теория и применение цифровой обработки сигналов. [Текст] / Л. Рабинер, Б. Гоулд. - М.: Мир, 1978. - 848 с.
9. Башкиров, А.В. Преимущество параллельных алгоритмов цифровой обработки сигналов над последовательными алгоритмами при реализации на ПЛИС [Текст] / А.В. Башкиров, А.В. Муратов // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2012. -Т. 8, № 1. - С. 89-92.
Воронежский государственный технический университет Пензенский государственный университет
USAGE OF FARROW RESAMPLER IN DIGITAL RECEIVER FOR GSM DIRECTION FINDING
M.I. Spazhakin, A.B. Tokarev, P.P. Churakov
Block diagram of digital receiver for direction finding of the mobile stations GSM standard is suggested. The implementation with Farrow resampler on the programmable logic integrated circuit (FPGA) is assumed. The estimation of nonlinear distortions level introduced by resampler is done. Investigations of the level of distortions arising from the restriction of signals bit width are presented
Key words: Farrow resampler, FPGAs, digital receiver, demodulation, direction finding of GSM mobile stations
