Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Các ứng dụng của bộ lọc không gian tầng thông 2 chiều IIR trong cảm biến phổ dưới Nyquist, radar Doppler băng thông rộng và hình thành chùm sóng radio thiên văn
Tóm tắt
Bài báo này thảo luận về việc ứng dụng bộ lọc không gian thông tầng (SBP) đáp ứng xung vô hạn (IIR) hai chiều (2-D) như một bộ hình thành chùm số cho một loạt ứng dụng thực tiễn đa dạng, trải rộng từ truyền thông radio nhận thức không dây, radar Doppler, đến thiết bị thiên văn radio. Bài báo bắt đầu với một giới thiệu về bộ lọc SBP 2-D vừa được đề xuất. Ứng dụng đầu tiên là một sơ đồ cảm biến phổ cho các radio nhận thức có khả năng truy cập phổ động. Bộ lọc IIR SBP 2-D được sử dụng kết hợp với kỹ thuật tái tạo tín hiệu băng thông rộng dưới Nyquist để đạt được cảm biến phổ theo hướng của mảng mở rộng sử dụng mẫu thưa dưới Nyquist dựa trên thuật toán Eldar vừa được báo cáo. Ứng dụng thứ hai liên quan đến việc phát hiện radar Doppler băng rộng với xung và sóng liên tục điều chế tần số. Bộ lọc SBP được tích hợp với phần cuối radar băng rộng kết nối với anten có thể điều chỉnh điện tử. Một thuật toán định vị theo hướng có độ phức tạp thấp được trình bày, ước tính khoảng cách và góc của một mục tiêu phân tán với sự cải thiện tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu (SINR) là 10 dB. Chúng tôi cũng trình bày các ứng dụng của bộ lọc IIR SBP 2-D trong lĩnh vực phân loại và cảm biến từ xa đối với máy bay không người lái. Cuối cùng, một mô hình hình thành chùm sóng băng rộng mảng mở rộng số sử dụng bộ lọc IIR SBP 2-D được trình bày cho các hệ thống radio telescope dựa trên mảng mở rộng dày đặc và hình thành chùm theo miền thời gian. Một ví dụ nổi tiếng là nghiên cứu vật lý pulsar sử dụng hệ thống anten mở rộng có hướng độ cao. Bộ hình thành chùm SBP 2-D IIR được mô phỏng như phần cuối số của hệ thống hình thành chùm theo miền thời gian với tín hiệu mảng được tổng hợp từ các chữ ký theo miền thời gian đã được đo từ pulsar Crab thu được từ GAVRT. Bộ lọc SBP cho thấy mức tăng 12.3 dB với độ phức tạp mạch thấp hơn một bậc so với các bộ hình thành chùm số mảng pha truyền thống. Để đạt được mức cải thiện SINR tương đương, các bộ hình thành chùm mảng pha băng rộng cần 48 điểm FFT cho mỗi anten. Giả định ba phép nhân thực tối ưu cho mỗi phép nhân phức tạp theo thuật toán Gauss, phát hiện rằng các bộ hình thành chùm SBP IIR 2-D đề xuất có độ phức tạp bộ nhân số thấp hơn hơn 97% so với các bộ hình thành chùm FFT băng rộng FIR truyền thống.
Từ khóa
#bộ lọc hai chiều #không gian tầng #radar Doppler #radio kinh điển #cảm biến phổ #máy bay không người láiTài liệu tham khảo
Agathoklis, P., & Bruton, L. T. (1983). Practical-BIBO stability of N-dimensional discrete systems. IEEE Proceedings of Electronic Circuits and Systems, 130(6), 236–242. doi:10.1049/ip-g-1:19830045.
Bruton, L., & Bartley, N. (1985). Three-dimensional image processing using the concept of network resonance. IEEE Transactions on Circuits and Systems, 32(7), 664–672. doi:10.1109/TCS.1985.1085773.
Chen, J., & Huo, X. (2006). Theoretical results on sparse representations of multiple-measurement vectors. IEEE Transactions on Signal Processing, 54(12), 4634–4643. doi:10.1109/TSP.2006.881263.
Cotter, S., Rao, B., Engan, K., & Kreutz-Delgado, K. (2005). Sparse solutions to linear inverse problems with multiple measurement vectors. IEEE Transactions on Signal Processing, 53(7), 2477–2488. doi:10.1109/TSP.2005.849172.
Dewdney, P. E., Hall, P. J., Schilizzi, R. T., & Lazio, T. J. L. W. (2009). The square kilometre array. Proceedings of the IEEE, 97(8), 1482–1496. doi:10.1109/JPROC.2009.2021005.
Gardner, W. A., Napolitano, A., & Paura, L. (2006). Cyclostationarity: Half a century of research. Signal Processing, 86(4), 639–697. doi:10.1016/j.sigpro.2005.06.016. URL http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0165168405002409.
Gunaratne, T., & Bruton, L. (2008). Beamforming of broad-band bandpass plane waves using polyphase 2-D FIR trapezoidal filters. IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers, 55(3), 838–850. doi:10.1109/TCSI.2008.916412.
Izzo, L., & Napolitano, A. (1996). Higher-order cyclostationarity properties of sampled time-series. Signal Processing, 54(3), 303–307. doi:10.1016/S0165-1684(96)00157-0. URL http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0165168496001570.
Jones, G. E. (2010). Instrumentation for wide bandwidth radio astronomy. Ph.D. thesis, California Institute of Technology, 2009.
Joshi, R., Madanayake, A., Bruton, L., & Maini, M. (2011). Discrete-space continuous-time analog circuits for spatially-bandpass 2-D IIR beam filters. In 7th International workshop on multidimensional systems (pp. 1–7). doi:10.1109/nDS.2011.6076833.
Joshi, R., Madanayake, A., Adikari, J., & Bruton, L. (2012). Synthesis and array processor realization of a 2-D IIR beam filter for wireless applications. IEEE Transactions on Very Large Scale Integration (VLSI) Systems, 20(12), 2241–2254. doi:10.1109/TVLSI.2011.2174167.
Madanayake, A. (2008). Real-time FPGA architectures for space-time frequency-planar MDSP. Ph.D. thesis, University of Calgary.
Madanayake, A., & Bruton, L. T. (2010). Radio-frequency (RF) beamforming using systolic FPGA-based two dimensional (2-D) IIR space–time filters. VLSI InTech.
Madanayake, A., & Bruton, L. T. (2008). A speed-optimized systolic array processor architecture for spatio-temporal 2-D IIR broadband beam filters. IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers, 55(7), 1953–1966. doi:10.1109/TCSI.2008.918214.
Madanayake, A., Wijenayake, C., Dansereau, D. G., Gunaratne, T. K., Bruton, L. T., & Williams, S. B. (2013). Multidimensional (MD) circuits and systems for emerging applications including cognitive radio, radio astronomy, robot vision and imaging. IEEE Circuits and Systems Magazine, 13(1), 10–43. doi:10.1109/MCAS.2012.2237141.
Madanayake, A., Wijenayake, C., Joshi, R., Almalkawi, M., Belostotski, L., Bruton, L., et al. (2014). Electronically scanned RF-to-bits beam aperture arrays using 2-D IIR spatially bandpass digital filters. Multidimensional Systems and Signal Processing, 25(2), 313–335. doi:10.1007/s11045-013-0250-7.
Mishali, M., & Eldar, Y. (2010). From theory to practice: Sub-Nyquist sampling of sparse wideband analog signals. IEEE Journal of Selected Topics in Signal Processing, 4(2), 375–391. doi:10.1109/JSTSP.2010.2042414.
Mishali, M., & Eldar, Y. (2011). Wideband spectrum sensing at sub-Nyquist rates [applications corner]. Signal Processing Magazine, IEEE, 28(4), 102–135. doi:10.1109/MSP.2011.941094.
Sengupta, A., Madanayake, A., Gómez-García, R., & Engeberg, E. D. (2014). Wideband aperture array using RF channelizers and massively-parallel digital 2D IIR filterbank. In SPIE defense+ security, international society for optics and photonics (pp. 90,771G–90,771G).
Smale, D. A. (2011). Pulsars. High Energy Astrophysics Science Archive Research Center (HEASARC).
Stairs, I. H., et al. (2009). Gravitational science with pulsars and the square kilometre array. In 13th international symposium on ANTEM/URSI (pp. 1–2). doi:10.1109/ANTEMURSI.2009.4805115.
Stepp, L. M., & Roberto Gilmozzi H. J. H. (Ed.) (2010). DSS-28: a novel wide bandwidth radio telescope devoted to educational outreach, Vol. 7733, SPIE Proceedings.
Tkachenko, A., Cabric, D., & Brodersen, R. (2007). Cyclostationary feature detector experiments using reconfigurable BEE2. In 2nd IEEE international symposium on new frontiers in dynamic spectrum access networks, 2007. DySPAN 2007 (pp. 216–219). doi:10.1109/DYSPAN.2007.36.
Venkataramani, R., & Bresler, Y. (2000). Perfect reconstruction formulas and bounds on aliasing error in sub-Nyquist nonuniform sampling of multiband signals. IEEE Transactions on Information Theory, 46(6), 2173–2183. doi:10.1109/18.868487.