MULTI-RESOLUTION, MULTI-RATE SUB-NYQUIST SAMPLING RECEIVER
ÇOK ÇÖZÜNÜRLÜKLÜ, ÇOKLU HIZLARDA NYQUIST-ALTI ÖRNEKLEMELİ SAYISAL ALMAÇ
- Tez No: 633652
- Danışmanlar: PROF. DR. LÜTFİYE DURAK ATA, DR. YAŞAR KEMAL ALP
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Savunma ve Savunma Teknolojileri, Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Defense and Defense Technologies, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2020
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Bu tezde çok çözünürlüklü, çoklu hızlarda Nyquist-altı örneklemeli bir sayısal almaç mimarisi önerilmiş ve gerçeklenmiştir. Mimari K adet farklı hızlarda örnekleme yapan analog-sayısal çevirici kullanmaktadır. Bu yöntem çoklu hızlarda örnekleme olarak adlandırılmaktadır. Bu analog-sayısal çeviricilerden toplanan örnekler işlenerek geniş bir frekans bandı izlenmektedir. Toplam veri hızı Nyquist limitinin altındaki bir hızda tutularak işlem yükü hafifletilmiştir. Bu sayede mimarinin Alanda Programlanabilir Kapı Dizileri'nde (FPGA) rahat işlenebilir ve uygulanabilir olması sağlanmıştır. Literatürde çoklu hızlarda örnekleme yapan sayısal almaç mimarileri olmasına rağmen, kullanılan analog-sayısal çeviricilerin hızlarının seçimi hakkında yeterli çalışma yoktur. Bu tez kapsamında çoklu hızlarda örneklemeli sayısal almaçlarda kullanılan analog-sayısal çeviricilerin hızlarının nasıl seçilmesi gerektiğine dair yeni bir method önerilmiştir. Önerilen methodun iki ve üç adet analog-sayısal çevirici için simülasyonları yapılmış ve sonuçları verilmiştir. Çalışmada ilk olarak, girişlerine aynı sinyal uygulanan farklı hızlarda örnekleme yapan N adet ADC örneklerinden çıkarılan frekans bilgisi modellenmiştir. Bu ADC'ler Nyquist-altı hızlarda çalıştırıldığından 1. Nyquist bölgesi dışındaki tek sayılı bölgelerdeki sinyaller 1. Nyquist bölgesine doğrudan, 1. Nyquist bölgesi dışındaki çift sayılı bölgelerdeki sinyaller ise 1. Nyquist bölgesine ters ̧sekilde katlanacaktır. Dolayısıyla tek bir ADC'den alınan frekans bilgisi kesin olarak doğru olmayabilir. 2 ADC kullanıldığı durumda frekans belirsizliğinin çözülemeyeceği noktalar bulunmaktadır. Bu belirsizlik, bazı frekans noktalarının iki ADC'nin 1. Nyquist bölgelerinin aynı frekans noktasına katlanmasıdır. Çözülemeyecek frekans belirsizliği noktalarından kurtulmak için en az 3 ADC kullanılmalıdır. 3 ADC kullanıldığında frekans belirsizliği haritasındaki doğru parçalarının 3-boyutlu uzayda kesişmediği, örnekleme frekansı değerleri bulunabilir. Frekans gürültüsünden dolayı oluşabilecek belirsizlikleri en-azaltmak için frekans haritası K-boyut uzayda eşit olabilirlikli dağılmalıdır. Ayrıca verilerin işlenmesinin ve mimarinin gerçeklenmesinin daha rahat yapılabilmesi için veri hızının da dikkate alınması gereklidir. Toplam veri hızı ne kadar düşük tutulursa verilerin işlenmesi ve mimarinin gerçeklenmesi de bir o kadar kolay olacaktır. 3 ADC'li yapı için önerilen method uygulandığında ADC frekansları 2.54 GHz, 3.1 GHz ve 2.82 GHz olarak bulunmuştur. Veri hızını düşürmek için ikinci ve üçüncü ADC'lerin verilerine sırası ile iki ve dört ile örnek seyreltme yapıldığında ADC frekansları 2.53 GHz, 1.47 GHz and 0.77 GHz olarak bulunmuştur. Frekans belirsizliğini çözmek için en yüksek olabilirlikli (Maximum Likelihood (ML)) frekans belirsizliği çözme methodu kullanılmıştır. Bu methodun kullandığı çarpma bloğu sayısı K-boyutlu uzaydaki doğru parçası sayısına bağlıdır. Çalışma kapsamında, kaynak kullanımı en-iyilemesi için işlem yükü daha az olan karar ağacı sınıflandırıcısı eğitilmiştir. Karar ağacı ölçüm frekanslarını almakta ve bu noktanın hangi doğru parçasına ait oldugunu bildirmektedir. Eğitilen karar ağacının kırılım sayısı 11'dir. Karar ağacı ile hiç çarpma elemanı (multiplier) harcamadan sadece karşılaştırıcı (comparator) kullanarak frekans belirsizliği çözme işlemi yapılabilmektedir. Karar ağacının başarımını iyileştirmek için hem karar ağacını hem de ML yöntemini kullanan hibrit bir yöntem geliştirilmiştir. Bu yöntem önce karar ağacı ile ölçümün ait olabileceği en uygun K adet doğru parçasını seçmekte, daha sonra bu K adet doğru parçasına ML yöntemi uygulamaktadır. Uzun FFT'ler daha iyi frekans çözünürlüğü sunarken kısa FFT'ler daha iyi zaman çözünürlüğü sunmaktadır. Bu çalışmada, giriş sinyalinin farklı uzunluklara sahip FFT bloklarına beslendiği çok çözünürlüklü bir yapı önerilmiştir. Bu sayede gerçek zamanlı olarak hem kısa hem de uzun darbe genişliğine sahip darbelerin tespiti yapılabilmektedir. Önerilen mimaride N adet çoklu hızlarda örnekleyen ADC'ler kullanılmaktadır. Bu ADC'lerin örnekleri toplam N sayıda kanalın her bir kanalındaki K adet FFT bloklarına beslenir. FFT çıktıları üzerinden belirli genlik seviyesi üzerindeki tepe noktaları tespit edilir. Dinamik alanı en yüksek kanal üzerindeki tepe noktaları işlenerek darbe tanımlayıcı kelime oluşturulur. Darbe tanımlayıcı kelimenin frekans bilgisinin tespiti için diğer ADC kanallarındaki spektral hafıza bloklarından ölçülmüş olan frekans bilgileri alınır. Bu bilgiler kullanılarak, önerilen tespit yöntemi ile gerçek frekans bilgisi kestirilir. Daha sonra K adet kanallardan kestirilen tüm darbe tanımlayıcı kelime bilgileri sinyalin karakteristiğine göre ağırlıklandırılarak sistem çıktısı üretilir. Önerilen mimari gerçeklenmiş ve donanımdan gerçek ölçüm verileri toplanmıştır. Mimari gerçeklenirken, güç dağıtımı, yerleşim, işaret doğruluğu, girişim gibi konular dikkate alınmıştır. Anahtarlamalı regülatörler yapısı geregi gürültü üretirler. ADC'lerin beslemesinde anahtarlamalı regülatörler yerine doğrusal güç sönümlü regülatörler kullanılmıştır. Gürültü kaynakları almacın işaret-gürültü-oranının düşmemesi için, almaç üzerinde ADC'lerden ve yüksek hızlı hatlardan uzak konuma yerleştirilmiştir. İşaret doğruluğunun bozulmaması için yüksek hızlı hatlar çizilirken çok fazla via'dan geçmemesine ve katman degiştirmemesine özen gösterilmiştir. Hatların karakteristik empedansının değişmesi yansımalara neden olmaktadır. Bu da işaret gücünde kayıplara neden olmaktadır. Bu sebeple, hatlar her katmanda karakteristik empedansı en iyi sağlayacak genişlikte çizilmiştir. Yüksek hızlı hatlara başka işaretlerin girişim yapmaması için diğer hatlar ile arasında mümkün olduğunca mesafe bırakılmıştır. Ayrıca her bir yüksek hızlı hatta via kaplaması ile koruma sağlanmıştır. Almacın 9 GHz analog bant genişliğine sahip olduğu görülmüştür. Almacın toplam veri hızı seçilen optimum ADC frekansları ile 4.77 Gsps'dir. Bu oran Nyquist limiti olan 18 GHz'in dörtte biri seviyelerindedir. Dinamik alan 6 GHz'e kadar 60 dB üzerinde oldugu ölçülmüştür. Dinamik alan [0-9] GHz bandında ise 50 dB'nin üzerindedir. ADC'ler arası genlik farkı 6 GHz'e kadar 0 dB seviyelerine yakındır. [6-9] GHz bandında ise 3 dB'ye ulaşmaktadır. Bu sonuçlar toplanan gerçek verilerden hesaplanmıştır. İleriki çalışmalarda sistem tamamiyle FPGA'de gerçeklenecek ve gerçek zamanlı ölçümler alınacaktır. Gerçek zamanlı ölçümlerde en yüksek göreceğimiz performans seviyesi bu çalışmada verilen ölçümlerdir. Önerilen mimaride, frekans belirsizliği haritasındaki Nyquist bölgelerinin değiştiği noktalar olan dönüş noktaları en yüksek hata olasılıgına sahip noktalardır. Eğer bir radar, dönüş noktalarının gerçek degerindeki frekansta yayın yaparsa, önerilen sistemin hatalı tespit yapma olasılığı artacaktır. İleriki çalışmaların bir parçası olarak bu konu hakkında geliştirmeler araştırılabilir.
Özet (Çeviri)
In this thesis, a multi-resolution, multi-rate sub-Nyquist sampling receiver architecture is proposed and implemented. The proposed architecture uses K analog-to-digital converters (ADC). A wideband frequency spectrum is observed by processing the data collected from these ADCs. The process load has been reduced by keeping the total data rate under a rate lower than Nyquist rate. Thus, the architecture is provided to be easily processed and applicable in field programmable gate array (FPGA). While there are multi-rate sampling receiver architectures in literature, there is not enough work about selection of the ADC frequencies. In this thesis, a new method for the optimal selection of ADC frequencies in multi-rate sampling receivers is proposed. The proposed method has been simulated and the results are given. First, the frequency informations extracted from the data of N ADCs which sample same input signal in different rates are modelled. The Nyquist zones different from the first Nyquist zone are aliased into the first Nyquist zone because these ADCs sample below Nyquist rate. Therefore, the frequency informations exracted from single ADC may not be true. There are the points in which the frequency ambiguity can not be solved in the architecture which uses two ADCs. At least three ADCs should be used to avoid unsolvable frequency ambiguity points. The frequency ambiguity map should be equally spread K-dimension space for minimizing the ambiguities due to frequency noise. Also, the total data rate should be considered to easily process the data and implement the architecture. Processing the data and implementation of the architecture become easier as the total data rate decreases.When the proposed method is applied for 3-ADC architecture, the optimal ADC frequencies are chosen as 2.54 GHz, 3.1 GHz, and 2.82 GHz. When downsampling is applied to the data of the second and the third ADC by two and four respectively for decreasing the total data rate, the optimal ADC frequencies are found as 2.53 GHz, 1.47 GHz, and 0.77 GHz. The maximum likelihood (ML) frequency ambiguity solving method is used for solving the frequency ambiguity. The number of the multiplier which the proposed method uses depends on the number of the line segments in K-dimension space. In this thesis, the decision tree classifier which has less process load is trained for optimization the resource usage. The decision tree gets the frequency measurements and informs which line segment this frequency point belongs to. The number of nodes of the trained decision tree is 11. The decision tree can solve the frequency ambiguity without using multiplier. It just uses comparator. A hybrid method which uses both ML method and the decision tree method is proposed to improve the success of the decision tree method. This method first chooses the most probable K line segments that the measurement could belong to, then applies ML method to these line segments. While the long sized FFTs have better frequency resolution, the short sized FFTs have better time resolution. In this thesis, an architecture in which the input signal is fed into FFT block with different frame size is proposed. Therefore, the pulses which have both short pulse width and long pulse width can be detected in real-time. In the proposed method, N multi-rate sampling ADCs are used. The samples of these ADCs are fed into the K FFT blocks in each of N channels. The peak points above a specific threshold level are detected over FFT outputs. The pulse descriptor words (PDW) are generated by processing the peak points in the channel where the highest dynamic range exists. For detection the frequency information of PDW, the measured frequency informations are collected from the spectral memory blocks in the other ADC channels. True frequency information are estimated with the proposed method by using these frequency informations. Finally, the system output are generated by weighting all PDWs estimated from K channels according to the signal characteristic. The proposed architecture has been implemented and real measurement data have been collected from the hardware. When implementing the architecture, the topics such as power distribution, placement of components, signal integrity, crosstalk are considered. Linear dropout regulators have been used for supplying of ADCs rather than the switching regulators. The noise sources have been placed far from ADCs and the high speed lanes in the receiver. For protecting the signal integrity it has been avoided that the high speed lanes cross through vias too much and change the layer often when routing the high speed lanes. The lanes have been drawn to provide the characteristic impedance in each layer. The enough distance between the high speed lanes and the other signal lines has been put to block crosstalks. Also, via shielding is applied to each high speed lane. It is observed that the receiver has 9 GHz analog input bandwidth. The total data rate of the receiver is 4.77 Gsps for ADC frequencies chosen optimally. This rate is nearly one quarter of the 18 GHz theoretical Nyquist limit. It is measured that the dynamic range is larger than 60 dB until 6 GHz. The dynamic range is larger than 50 dB through the [0-9] GHz band. The amplitude difference between ADCs is nearly 0 dB level until 6 GHz. It can reach up to 3 dB level in [6-9] GHz band. These result are calculated from the real data collected from the receiver.In the future works, the system will be fully implemented in FPGA and the real-time measurements will be collected. The best performance level of the real-time system is these results given in this thesis.
Benzer Tezler
- Çimento fabrikalarında makina performansına dayalı bakım planlaması sistemi ve yönetimi
Başlık çevirisi yok
ÜMİT ÖZTÜRK
- Paleoenvironmental interpretations for Kizilirmak delta plain using sedimentological records, multiproxy analysis and palynology
Kızılırmak deltasında sediman kayıtları, multi-parametre yöntemler ve palinoloji yardımıyla paleoortam yorumlanması
GÜLGÜN ERTUNÇ
Yüksek Lisans
İngilizce
2016
İstanbul Teknik ÜniversitesiKatı Yer Bilimleri Ana Bilim Dalı
Yükleniyor...
- Claim management and dispute resolution under FIDIC contracts 2017 edition
FIDIC 2017 sözleşmelerinde hak talebi yönetimi ve uyuşmazlık çözümü
GÖKHAN ÇOBAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2020
İstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Yükleniyor...
- Termal görüntülere derin öğrenme tabanlı süper çözünürlük yöntemlerinin uygulanması
Application of deep learning based super resolution in thermal images
CANER CİVE
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
İstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Yükleniyor...
- Numerical simulation of laminar reacting flows
Kargaşasız reaksiyonlu akışların sayısal benzetişimi
TANIL TARHAN