2022 8

ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ НОВОСТИ МИРА ется, что поставки смарт-часов уменьшат- бление спроса, инфляцию, продолжающую- целен на создание в стране производствен- ся еще на 1%, фитнес-трекеров – на 2%, ся геополитическую напряжённость, а так- ных возможностей нового класса. а суммарные отгрузки устройств опустят- же сохраняющиеся ограничения в цепочках ся до 212 млн штук. поставок. Однако влияние локдаунов в Ки- Торжественная церемония запуска про- тае намного более существенно», – пояс- шла 4 октября 2022 г. на Х юбилейной Восстановление прогнозируется не ра- нила аналитик IDС Набила Попаль (Nabila партнёрской конференции компании ICL нее 2024 года, когда дела в экономике нач- Popal). Partner Connect в Москве. В ней приняли нут улучшаться. В CCS Insight полагают, участие такие гости, как Василий Шпак, что сегмент смарт-часов с этого времени Прогноз по рынку смартфонов ухудшили заместитель министра промышленности вернётся на восходящую траекторию, и в и аналитики TrendForce. Согласно их ожида- и торговли России; Андрей Заренин, за- 2026-м их продажи поднимутся до 224 млн ниям, в 2022 году по всему миру будет выпу- меститель министра цифрового развития единиц. Специалисты отмечают, что раз- щено около 1,33 млрд устройств, тогда как связи и массовых коммуникаций России; витые страны продолжат лидировать по прежде аналитики предсказывали объёмы Роман Шайхутдинов, заместитель пре- внедрению смарт-часов, но на развиваю- производства устройств в 1,38 и 1,36 млрд мьер-министра Республики Татарстан; щихся рынках популярность устройств то- штук. Оценка снижена в связи со слабыми Айрат Хайруллин, министр цифрового же будет расти за счёт недорогих моделей показателями в январе-марте 2022 года и развития государственного управления, и ожидаемых новинок на платформе Wear дальнейшим поквартальным снижением, ко- информационных технологий Республи- OS от Google. торое ожидается в апреле-июне. ки Татарстан. Что касается фитнес-браслетов, то в от- Также в TrendForce учли негативное влия- Завод ICL будет располагаться на терри- ношении этой категории настроения ана- ние конфликта на Украине, на фоне которо- тории особой экономической зоны (ОЭЗ) литиков менее радужные. го усилилась проблема глобальной инфля- «Иннополис» в Казани. Общая площадь ции. Из-за роста цен у потребителей оста- объекта составит около 8 тыс. кв. м, он бу- «Мы ожидаем, что многие потребители ётся меньше свободных средств на покупки дет включать цеха по поверхностному мон- в развитых странах постепенно перейдут товаров не первой необходимости, а значит, тажу печатных плат и 7 автоматизирован- на смарт-часы. Это приведёт к сокращению они будут реже обновлять свои смартфоны, ных конвейерных линий сборки и тестиро- продаж фитнес-трекеров в Северной Амери- поясняется в исследовании. вания готовой продукции. ке, Западной Европе и на развитых рынках Азиатско-Тихоокеанского региона», – зая- По прогнозам аналитиков Cowen, «Новое предприятие даст старт реализа- вил Мэннинг Смит. Впрочем, сохраняющий- в 2022 году на глобальный рынок поступит ции новых, амбициозных проектов цифро- ся спрос на фитнес-браслеты со стороны 1,36 млрд смартфонов, что на 6% мень- вой трансформации страны на российских пользователей в развивающихся регионах ше, чем годом ранее. В 2023-м поставки продуктах, – отметил председатель совета поможет поддержать поставки. Это позво- этой техники также сократятся – на 2%, директоров ICL Виктор Дьячков. – Завод бу- лит сегменту вернуться к росту в 2024 го- до 1,33 млрд единиц. дет производить отечественные персональ- ду, а в 2026 году отгрузки устройств долж- ные устройства, ноутбуки, которые будут со- ны достигнуть 112 млн штук. Рынок смартфонов просядет в основном ответствовать самым высоким российским из-за слабого спроса на дорогие аппара- и международным стандартам». Несмотря на то что нынешний и следую- ты, считают исследователи. По их словам, щий год будут непростыми для рынка но- у производственных планов китайских вен- Технологические мощности завода позво- симой электроники, аналитики верят, что доров и Samsung «по-прежнему происходят лят обеспечить серийное производство пол- в целом распространение технологии не негативные изменения» – компании вынуж- ного цикла как текущего, так и перспектив- остановится. По оценкам CCS Insight, к дены выпускать меньше трубок, чем ожи- ного продуктового портфеля группы ком- 2026 году общее число владельцев носи- далось изначально. паний ICL: моноблоки, тонкие клиенты, мой электроники удвоится по сравнению интерактивные панели, серверы, системы с 2021-м и приблизится к 1,2 миллиарда Эксперты Strategy Analytics ожидают, что, хранения данных. пользователей. начиная с 2022 года и далее, смартфоны премиум-класса с оптовой ценой от 300 дол- ICL Техно (ООО «Айсиэл техно») – рос- Объём мирового рынка смартфонов во ларов США и выше оттеснят аппараты сред- сийский производитель вычислительной второй половине 2022 года сократится бо- него уровня (100–190 долларов) и станут техники, входящий в группу компаний ICL. лее чем на 10% относительно аналогично- крупнейшей категорией на мировом рынке Расположен в особой экономической зоне го периода 2021-го, ожидают в исследова- смартфонов по объёму продаж в деньгах. «Иннополис» в Лаишевском муниципаль- тельской компании DigiTimes Research. Как ном районе Республики Татарстан по вы- отмечают эксперты, если прогноз сбудет- russianelectronics.ru пуску инновационной продукции. ICL Тех- ся, то это значит, что продажи будут падать но – это завод, чьи производственные шесть кварталов подряд. ГК ICL ПОСТРОИТ КРУПНЕЙШИЙ мощности рассчитаны на 300 тыс. изде- В РОССИИ РАДИОЭЛЕКТРОННЫЙ лий в год. Под брендом ICL завод выпу- Ранее аналитики IDC ухудшили прогноз скает настольные и мобильные системы, по глобальным поставкам смартфонов. Ес- ЗАВОД серверы, системы хранения данных, ин- ли раньше они ожидали по итогам 2022 года Группа компаний ICL приступает к основ- терактивные панели, инфоматы, а также рост рынка на 1,6%, то теперь предсказыва- отраслевые решения для сферы образо- ется спад на 3,5%, до 1,31 млрд выпущен- ной фазе строительства одного из крупней- вания, здравоохранения и ритейл, в со- ных устройств. Вместе с тем исследовате- шего в России заводов по производству ра- ответствии с российским стандартом ка- ли считают, что продажи смартфонов в бли- диоэлектронной продукции, сообщили пред- чества ГОСТ РВ и международным стан- жайшие годы будут расти на 1,9% ежегодно. ставители ICL. дартом ISO 9001:2015. «Рынок смартфонов столкнулся с про- Предприятие сможет выпускать до 1 млн russianelectronics.ru блемами на всех фронтах, включая осла- единиц техники в год, включая материнские платы, которые будут доступны и другим отечественным производителям. Проект на- СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2022 WWW.SOEL.RU 49

ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ Термометрия элеватора по системе «Power over Ethernet» Андрей Шабронов (г. Новосибирск) нительные элементы энергопитания, а также обеспечить требуемую защиту Кабель UTP c 4 парами проводов, длиной более 250 метров, проложили по уровню напряжения для опасных между диспетчерским компьютером элеватора и удалённым корпусом помещений. Схема питания, исполь- силоса элеватора. Это позволило решить сразу две задачи: обеспечить зуемая в технологии PoE, использует сбор данных системы термометрии и одновременно её электропитание. шину USB и имеет защиту по предель- Схема питания использует шину USB и имеет защиту по предельному ному току потребления, что обеспе- току потребления, что обеспечивает работу системы при аварийных чивает работу системы при аварий- коротких замыканиях линии или датчиков. ных коротких замыканиях линии или датчиков. Введение 250 метров. В результате получилась система PoE — «Power over Ethernet» Таким образом, интерфейс USB Кабель UTP c 4 парами проводов для термометрии. полностью обеспечивает сбор дан- используется для организации локаль- ных термометрии и при этом защи- ной сети между компьютерами. Такой Это позволило решить сразу две щён от возможных электрических незащищённый кабель был проло- задачи: обеспечить сбор данных повреждений. жен между диспетчерским компью- системы термометрии и, одновремен- тером элеватора и удалённым корпу- но, её электропитание. Такое решение 1. Структурная схема системы PoE сом силоса элеватора с длиной более позволило снизить затраты на допол- термометрии силосов элеватора Рис. 1. Структурная схема PoE термометрии на 60 силосов Действующий элеватор состоит из Рис. 2. Схема подключения проводов кабеля «витая пара» трёх корпусов по 60 силосов в каждом. Линия проведена от места установки диспетчерского компьютера до третье- го дальнего корпуса, и суммарная дли- на составляет не менее 250 метров, как показано на рис. 1. Два других корпу- са работают и используют аналого- вые типы датчиков. В ходе работ были выполнены условия плановой последо- вательной модернизации термометрии без остановки работы. Кабель содержит четыре витые пары, которые подключены по схеме, приве- дённой на рис. 2. Таким образом, витая пара исполь- зуется как один провод и получается кабель из четырёх проводов. Выбор цвета пары для назначенной линии случайный. Линия длинная, и использовать пере- дачу импульсов скорости интерфейса 1wire нельзя, так как импульсы ослаб- нут и затухнут. Чтобы передать сигна- лы по длинной линии, был изменён тип интерфейса на RS-485 и увеличе- ны длительности информационных импульсов, а в точке приёма инфор- мационный поток переводится в ско- рость и тип интерфейса 1wire, пока- зано на рис. 3. Следует обратить внимание, что длинный участок подвержен помехам и искажениям сигналов, но он работает на меньшей скорости и в другом вари- анте интерфейса. Получаем, что влия- ние помех при таком варианте переда- чи данных очень низкое и не искажает 50 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2022

ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ Рис. 3. Распределение скорости информации информацию. Далее опрос датчиков На разъём J1 подключена линия с дву- Рис. 4. Схема блока А температур выполняет модернизиро- мя проводами питания и двумя прово- ванная схема ветвителя (МСВ), которая дами интерфейса RS-485. Микросхема Приём и передача информации подробно представлена в [2]. U2 (RS-485) преобразует парные проти- индицируется на контрольном свето- вофазные входные сигналы в уровни диоде D1. Питание +5 В из поступаю- Имеется два узла преобразования логических сигналов =0= и =1=, кото- щих 15...12 В формирует стабилизатор типа интерфейса. Первое преобразо- рые поступают на вывод 4 (GP3) микро- Q1 (78L05). вание usb-rs485 находится у компью- контроллера (МК) U3 (PIC12F629) [5]. тера перед кабелем с витой парой – это МК U3 работает на частоте 20 МГц, блок А на схеме, рис. 4. Второе преобра- Резисторы R4, R5, R7 согласовывают которую задаёт кварцевый резонатор зование rs485-1wire происходит после линию передачи. Y1. Это позволяет задавать выходные линии – блок Б. параметры сигнала 1wire с точностью По программе МК выполняется пре- до одной микросекунды и принимать В блоке А передачу-приём usb-rs485 образование сигналов с низкой ско- сигналы с большими искажениями, выполняет распространённый, надёж- ростью в сигналы интерфейса 1wire, анализируя их длительности с необ- ный и дешёвый преобразователь [1], что которые выдаются через вывод 7 ходимой точностью. показано на рис. 4. (GP0) МК U3 на схему компаратора с открытым коллекторным выходом Обратная передача выполняется в Для формирования возможности U1 (LM393). Компаратор настроен на режиме сокращённых кодов, поскольку использования «Power over Ethernet», среднюю точку от напряжения пита- т.е. питания всех МСВ и датчиков в ния резисторами R2, R6, и, таким обра- блоке А, из напряжения 5 В интерфей- зом, входные логические уровни всег- са USB преобразователем МТ3608 [4] да повторяются на выходе. Важным формируется напряжение в 15 В, кото- преимуществом работы компарато- рое может быть подрегулировано уста- ра является фиксация уровня сигналов новочным резистором Rуст. интерфейса 1wire по среднему уров- ню напряжения питания, что позволя- Cтабилизатор напряжения 78L12 и ет значительно увеличить длину линии резистор R1 создают схему стабили- до датчиков. затора тока для выходного напряже- ния +12 В. Поскольку выходной ток Рис. 5. Схема преобразования сигналов интерфейса RS485 в сигналы интерфейса 1wire не может превышать заданного зна- чения даже при коротком замыкании (КЗ) линии, получается, что это защи- та от короткого замыкания. Програм- ма расчёта резистора R1 для тока КЗ приведена в документе [3]. В случае КЗ вся мощность рассеивается на R1, и для этого он должен быть достаточ- но мощным. Для расчёта R1 вначале суммиру- ем токи всех потребителей и таким образом получаем рабочий ток схе- мы. Этот ток умножаем на два и полу- чаем расчётный теоретический ток КЗ, поскольку рабочий ток не может при всех условиях работы увеличить- ся в два раза. Далее по программе [3] получаем значение сопротивления R1 и его требуемой рассеиваемой мощ- ности с двойным запасом на рассеи- вание. 2. Преобразование RS-485 – 1wire Схема блока Б для преобразования сигналов интерфейса RS-485 в сигна- лы интерфейса 1wire представлена на рис. 5. СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2022 WWW.SOEL.RU 51

ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ аб Рис. 6. Фото собранной платы преобразователя rs485-1wire (6а) и её 3D-модель в DipTrace (6б) сигнал DI микросхемы U2 подключён Таблица 1. Порядок кодировки исходного байта на три передаваемых байта 110 111 на общий провод. Так как при перехо- 2 000 001 010 011 100 101 0xFC 0xFE де в режим передачи передаётся толь- 3 0x00 0x80 0xC0 0xE0 0xF0 0xF8 ко уровень 0, то, следовательно, мож- но передавать только 9 стартстопных 9600n1 и передаются блоком запрос- иска – повторение блока первого кодов, а именно: 0xFF, 0xFE, 0xFC, 0xF8, ные байты команд. Ответный блок бай- найденного адреса. 0xF0, 0xE0, 0xC0, 0x80, 0x00. тов содержит информацию согласно Порядок кодирования и декодиро- передаваемому запросу. вания 1 байта в 3 определён доступ- Все компоненты схемы собраны на ным количеством кодов на передачу. печатной плате и предназначены для Перечислим основные команды Передаваемый байт в 8 бит разбива- монтажа под «винт». На рис. 5 представ- запросов. ется на 3+3+2 бита (B1+B2+B3). Имеем лены: слева – фото собранной печат- ● AT+R – передача сброса на шину всего 8 вариантов, которые и передаем ной платы, справа – 3D-модель той байтом, как показано в табл. 1. же платы. Печатная плата разработа- 1wire. Ответ 1 байт: 0xFF – нет ответа, Для B3 имеем два бита и передаём с на в среде проектирования DipTrace, 0x F0 – есть ответ RST по шине 1wire. третьим битом нуля, но при декодиро- проект доступен в каталоге про- ● AT+1 – передача сигнала «единица» вании этот бит не учитываем. грамм [6] и находится в файле shema_ на шину 1wire. Ответ 1 байт: 0x FF – Например, исходный байт 0xС1 = rs485_1wire_v1.zip. принята «единица», 0xF0 – принят = 110-000-01 передаём как 0xFC, 0x00, «ноль», т.е. можно уже дешифровать 0x80. На приёме три байта в обратном На печатной плате предусмотрена данные от датчика. порядке «складываются» в один байт. установка компонентов под два разме- ● AT+0 – передача сигнала «нуля» на Проверка всей информации на досто- ра: DIP и SOIC. Все микросхемы уста- шину 1wire. Ответ 1 байт: FF – при- верность выполняется по алгоритму навливаются через переходную колод- нята ошибка, F0 – принят «ноль». стандарта 1wire. ку DIN-8, что позволяет ремонтировать ● AT+KN – передача байта, где N = 0...FF Подробное описание других тесто- блок, модифицировать и изменять про- в формате 1wire. Ответ в три байта, вых команд приведено в тексте про- граммное обеспечение и возможные в которые закодирован ответный граммы asm_shema_rs485_read_v1.f функции использования. Печатная байт шины 1wire, поскольку коли- на языке Форт [7]. Текст форт- плата вытянута в длину для установки чество байт на передачу ограниче- ассемблера находится в программе на дин-рейку аналогично конструкции но схемным решением установки assmb_pik12f_v1.f и компилируется МСВ [2]. постоянного нуля. при формировании кода исполнения ● AT+GKLNNNN..N – передача бло- для МК. Все тексты программ имеют 3. Программное обеспечение ка NNN…N байт количеством K. От- подробные комментарии и доступны Для работы используется программ- вет L 3 байт. Следует учитывать, что для модификации и изменений. ное обеспечение, совместимое с интер- надо другой программой последо- Режим АТ-команд позволяет фейсом 1wire, которое представлено в вательно по три байта данных пере- использовать любые другие про- [6]. Программа термометрии silos_v3_ кодировать в один байт и получить граммы для получения данных через bagan.exe подготовлена на языке про- L байт. Таким образом передаётся преобразование интерфейса RS-485- граммирования FORTH [7]. Программа пакет на запрос индивидуальных 1wire. содержит все компоненты для програм- датчиков и получаются данные, на- мирования и модификации преобра- пример, о температуре. В тексте про- Выводы зования 12F629, а также печатные пла- граммы это выполняет форт-слово ты и схемы. Программный код для МК DE_KOD_1WIRE. Предложенная схема ретрансляции формируется в режиме «восстановле- ● AT+Y – запрос о содержании ППЗУ интерфейса RS-485 в 1wire позволяет ние всех файлов – компиляция нового 12F629. Ответ – вся память МК в HEX использовать стандартные преобра- кода», как указано в описании [8]. формате 0×80×3 байт. зователи, что увеличивает надёжность Для тестовых проверок в МК схемы ● AT+U – запрос на поиск всех до- при эксплуатации системы термоме- преобразования интерфейса RS-485- ступных адресов для микросхем трии. Переход на старт-стопный интер- 1wire предусмотрена возможность интерфейса шины 1wire. Отве- фейс с низкой скоростью позволяет получения данных с использованием том выдаются найденные адре- значительно увеличить длину линии и АТ-команд через программу «Гипер- са устройств в блоке формата использовать распространённые кабе- терминал» или ей подобные. Устанав- 8×3 байт. Признак окончания по- ливаются скорость и формат передачи WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2022 52

ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ ли для сетевого подключения компью- www.chipdip.ru/catalog/popular/ mt3608-dc-dc-module. теров. usb-rs485. 5. Описание 12F629 // URL: http:// 2. Шабронов А.А. Опыт использования Использование питания устройств сигнализации и диагностики термо- www.microchip.ru/files/d-sheets-rus/ термометрии по линии связи увели- метрии силосов элеватора по шин- PIC12F629_675.pdf. чивает надёжность и ремонтопригод- ной топологии подключения циф- 6. Каталог программы, платы // URL: ность системы измерений. Есть один ровых датчиков // Современная http://90.189.213.191:4422/doc_sh/ питающий узел – это сам компьютер. электроника. 2021. № 5. С. 32–34. bagan_2022/test/; URL: https://disk. Наличие АТ-команд позволяет исполь- 3. Программа расчёта стабилизато- yandex.ru/d/aKAo_DVD1LzrUQ. зовать любые другие языки програм- ра // URL: http://electro-shema.ru/ 7. Черезов А. Описание языка Форт мирования для получения данных с chertezhi/stabilizator-toka-dlya- spf4.exe // URL: http://www.forth. интерфейса 1wire. svetodiodov.html . org.ru/. 4. Модуль MT3608 // URL: https:// 8. Шабронов А.А. Замена DS2409 на Литература www.chipdip.ru/product/ 12F629 // Современная электрони- ка. 2021. № 8. С. 22–36. 1. Модули usb-rs485 // URL: https:// НОВОСТИ МИРА передачи данных, основанная на отраже- ные высказали предположение, что под нии сигнала от тропосферы – нижнего слоя давлением из 2D-нитрида бора можно по- «РОСЭЛЕКТРОНИКА» И ФРП атмосферы. Для организации тропосфер- лучить ковалентно связанные наноплён- ЗАПУСТИЛИ В КРАСНОЯРСКЕ ной линии связи требуется минимум две ки. Они назвали эти материалы борнитра- приёмо-передающие станции. Антенна диа- нами по аналогии с диаманами – алмаз- ПРОИЗВОДСТВО СТАНЦИЙ метром 150 см может размещаться на кры- ными плёнками нанометровой толщины, ТРОПОСФЕРНОЙ СВЯЗИ ше здания, мобильной мачте или треноге. предсказанными российским учёным Лео- В состав изделия также входит высокоско- нидом Чернозатонским в 2009 году и син- Холдинг «Росэлектроника» Госкорпора- ростной цифровой модем тропосферной тезированными в 2019 году. ции Ростех при поддержке Фонда развития связи на основе нейронных сетей. За счёт промышленности (ФРП) запустил производ- встроенных алгоритмов обработки инфор- Особенно интересны «муаровые» борни- ство станций тропосферной связи «Гроза» с мации аппаратура способна «обучаться» в траны, в которых слои повёрнуты друг отно- высокоскоростным цифровым модемом на процессе работы и выделять полезный сиг- сительно друга на угол, близкий к 30 граду- основе нейронных сетей. Оборудование по- нал из фоновых шумов. сам. В таком материале энергии электронов зволяет обеспечить связь на расстоянии до концентрируются вблизи нескольких значе- 210 км в горных, труднодоступных и мало- В рамках пилотных испытаний станции ний, что увеличивает вероятность их резо- населённых районах, вдоль автомобильных «Гроза» специалисты НПП «Радиосвязь» нансного возбуждения светом. Это делает трасс и железных дорог, а также на отда- успешно провели тестовое подключение материал полезным для оптоэлектронных лённых промышленных объектах. нескольких социальных и инфраструктур- устройств, основанных на нелинейных ре- ных объектов на территории Красноярского зонансных эффектах, – рассказал соавтор Производство развернуто на краснояр- края, в том числе фельдшерско-акушерско- работы, профессор кафедры физики кон- ском НПП «Радиосвязь» (входит в «Росэ- го пункта и 50-километрового участка трас- денсированных сред Института нанотехно- лектронику») с привлечением льготного зай- сы между населёнными пунктами. логий в электронике, спинтронике и фото- ма на 335 млн рублей от Фонда развития нике Константин Катин. промышленности. rlocman.ru Ещё одна важная особенность борнитра- Главным преимуществом новой аппара- ЗАМЕНИТЕЛЬ ГРАФЕНА? нов, предсказывают учёные, состоит в том, туры является дальность связи и скорость УЧЁНЫЕ МИФИ ПРЕДСКАЗАЛИ что свет подходящей поляризации может информационного потока. Оборудование СВОЙСТВА БОРНИТРАНОВ, возбуждать в этих материалах только те способно передавать данные со скоростью электроны, спин которых направлен опре- до 25 Мбит/с в режиме тропосферной свя- ИЗ КОТОРЫХ МОЖНО БУДЕТ делённым образом. На основе этого эффек- зи и до 155 Мбит/с в режиме радиорелей- ДЕЛАТЬ БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЕ та в будущем можно создать быстродей- ной связи. ствующие спиновые транзисторы, логиче- СПИНОВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ, ские схемы и элементы памяти. В отличие «Станция тропосферной связи может ис- от обычных электронных устройств, спин- пользоваться для подключения любых объ- ЛОГИЧЕСКИЕ СХЕМЫ тронные устройства не так чувствительны ектов и позволяет передавать информацию И ЭЛЕМЕНТЫ ПАМЯТИ к дефектам в материале, благодаря чему на высоких скоростях независимо от релье- они устойчивы к радиации и поэтому могут фа местности. Кроме того, тропосферная Учёные из Национального исследователь- применяться в космосе. связь экономически более выгодна по срав- ского ядерного университета МИФИ пред- нению со спутниковой из-за отсутствия рас- сказали свойства новых 2D-материалов — Сегодня мы ищем экспериментаторов, ходов на абонентскую плату за аренду спут- борнитранов, наноплёнок на основе нитрида готовых синтезировать и исследовать бор- никового ресурса. Несмотря на более вы- бора. Эти материалы могут стать незаме- нитраны. Интересно, что гексагональный сокую стоимость самого оборудования, за нимыми в оптоэлектронике и космической 2D-нитрид бора впервые был получен на 1–2 года эксплуатации станции тропосфер- электронике, рассказали в МИФИ. большой площади с участием российских ной связи инвестиции в приобретение аппа- учёных, учеников Леонида Чернозатонско- ратуры окупятся, поскольку пользователь не 2D-нитрид бора – один из самых извест- го, добавил Константин Катин. платит за аренду спутникового канала и не ных двумерных материалов после графе- несёт никаких других дополнительных рас- на. Он является структурным аналогом ixbt.com ходов», – отметил генеральный директор графена, но состоит не из углерода, а из НПП «Радиосвязь» Ринат Галеев. его ближайших соседей по таблице Мен- делеева – бора и азота. Российские учё- В аппаратуре используется технология СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2022 WWW.SOEL.RU 53

ВОПРОСЫ ТЕОРИИ О применении для нормировки классифицированной выборки наблюдений при распознавании объектов по межчастотному корреляционному признаку Владимир Бартенев ([email protected]) тем меньше межчастотный коэффици- ент корреляции. Однако способ по фор- В статье приведены результаты сравнительного анализа двух способов муле (1) обладает недостатком, который формирования межчастотного корреляционного признака, используя проявляется в том, что формируемый как оценку максимального правдоподобия модуля межчастотного межчастотный корреляционный при- коэффициента корреляции, так и оценку межчастотного коэффициента знак чувствителен к мощности при- корреляции с нормировкой по классифицированной выборке нимаемых сигналов. Этого недостатка наблюдений. Анализ выполнен с использованием аналитического лишён другой способ классификации подхода, который верифицирован моделированием в MATLAB. Сделан обнаруженных объектов по их продоль- вывод о том, что применение предложенного способа нормирования ному размеру [2], который рассматри- заметно повышает эффективность правильной классификации вается, как способ-прототип, и в кото- протяжённого объекта и требует меньшей выборки наблюдений. ром две выборки наблюдения, принятые на двух разнесённых несущих частотах Задача распознавания коррелирован- корреляции (1), где – оценка моду- перемножаются, и их произведение ных сигналов по дискретным выборкам ля межчастотного коэффициента кор- накапливается от обзора к обзору для конечного объёма возникает во многих реляции, N – число накоплений по каждого элемента дальности с обнару- технических приложениях. Весьма акту- независимым выборкам (обзорам РЛС). женным объектом, и теперь уже норми- альна, например, задача распознавания Z1j = x1j + iy1j, Z2j = x2j + iy2j – комплексные рованный модуль накопленного произ- типов целей [1] или защита РЛС от дис- выборки классифицируемых эхо-сиг- ведения сравнивается с порогом (2). кретных коррелированных мешающих налов обнаруженного объекта на вхо- отражений [2]. В работе [2] показано, что де, принятых в двух частотных каналах Полученная таким образом оценка для классификации отражённых сигна- на разных несущих частотах. В частно- модуля межчастотного коэффициен- лов обнаруженных объектов по их про- сти, в основе этого сигнального призна- та корреляции сравнивается с поро- дольному размеру можно использовать ка классификации лежит взаимосвязь гом, на основании чего принимается характер флюктуаций отражённых сиг- значения межчастотного коэффициен- решение о наличии обнаруженного налов на разных несущих частотах, оце- та корреляции с линейными размера- объекта с большим продольным раз- нивая межчастотный коэффициент ми объекта. Чем больше размер объекта, мером (порог не превышен) или мало- го продольного размера (порог превы- (1) шен). Хотя данный способ позволяет осуществлять классификацию объек- (2) тов по межчастотному корреляцион- ному признаку, однако использование (3) одних и тех же выборок наблюдения (4) как для формирования накопленного (5) произведения, т.е. числитель (2), так и (6) для нормировки к мощности принима- емых сигналов – знаменатель (2), сни- жает его эффективность. Если же для нормировки оценки модуля межча- стотного коэффициента корреляции использовать независимые выборки наблюдений, например, из соседнего элемента дальности, то, как будет пока- зано ниже, это приводит к существен- ному повышению вероятности пра- вильной классификации объектов. Таким образом, с целью повышения эффективности распознавания обна- руженных объектов по их продольно- му размеру предлагается способ клас- сификации, который включает в себя формирование оценки модуля межча- 54 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2022

ВОПРОСЫ ТЕОРИИ Рис. 1. Зависимость вероятности правильной Рис. 2. Зависимость вероятности правильной Рис. 3. Зависимость вероятности правильной классификации протяжённых объектов классификации протяжённых объектов классификации протяжённых объектов от порога для N = 4 в классификаторе с от порога для N = 8 в классификаторе от порога для N = 16 в классификаторе нормировкой независимыми выборками с нормировкой независимыми выборками с нормировкой независимыми выборками наблюдений (крестики – аналитика, наблюдений (крестики – аналитика, наблюдений (крестики – аналитика, квадраты – моделирование) и с нормировкой квадраты – моделирование) и с нормировкой квадраты – моделирование) и с нормировкой зависимыми выборками наблюдений зависимыми выборками наблюдений зависимыми выборками наблюдений (звёздочки – аналитика, ромбики – (звёздочки – аналитика, ромбики – (звёздочки – аналитика, ромбики – моделирование) моделирование) моделирование) стотного коэффициента корреляции с Осуществим классификацию протя- Перейдём к анализу эффективности нормировкой на основе двух выборок жённого объекта, используя две выборки предложенного способа распознавания. наблюдений, принятых за несколько наблюдений с межчастотным коэффи- Принципиальное отличие предложенно- обзоров на двух несущих частотах РЛС, циентом корреляции R = 0. Корреляцион- го способа от известного состоит в том, и сравнение этой оценки с порогом в ный порог Rпор в расчётах будем менять что в формуле (2) для того, чтобы алго- элементе дальности с обнаруженным от 0,1 до 0,9. Число независимых нако- ритм был нечувствителен к изменению объектом и присвоением при непревы- плений (обзоров) возьмём N = 4, 8 и 16. мощности принимаемых сигналов, нор- шении этого порога в анализируемом мировку, т.е. деление на знаменатель – элементе дальности признака объекта Для нахождения вероятности пра- оценку мощности сигналов, принятых в с большим продольным размером [3]. вильной классификации протяжён- двух частотных каналах, производят на ного объекта по непревышению оцен- основе другой выборки наблюдений, а При этом выборки наблюдений из кой порога Rпор можно воспользоваться не той, которая используется для расчёта вспомогательного элемента дальности, распределением Уишарта. В работе [4] выражения в числителе (2). Именно поэ- принятые за несколько обзоров на двух получено распределение оценки моду- тому в этом случае нормировка произво- несущих частотах РЛС, соответствуют ля межчастотного коэффициента кор- дится независимой выборкой наблюде- предшествующему соседнему элемен- реляции из распределения Уишарта (4), ний. Для этого предлагается производить ту дальности по отношению к анализи- где Г(…) – гамма-функция. дополнительные оценки мощности при- руемому и сохраняются на время, рав- нимаемых сигналов в соседнем элемен- ное длительности элемента дальности. Для протяжённых объектов R = 0, и те дальности на двух несущих частотах: распределение (3) можно представить Таким образом, предлагаемый спо- в более простом виде (5). Суммирование оценок мощности соб классифицированной нормиров- Z = (z1 + z2) и умножение на Rпор даёт вели- ки раскрывает новые функциональные Используя (5), можно получить фор- чину адаптивного порога, непревышение возможности распознавания по межча- мулу для вероятности правильной клас- которого и есть вероятность правильной стотному корреляционному признаку. сификации протяжённых объектов, как классификации протяжённого объекта: Это позволяет сделать вывод о соответ- вероятность непревышения порога (6). ствии заявляемого способа критерию . «существенные отличия». Для верификации данной формулы Считая независимыми оценки моду- было проведено моделирование с помо- ля межчастотного коэффициента корре- Для того чтобы сформировать меж- щью системы MATLAB [6] классификатора ляции, т.е. числителя в (2), и оценки мощ- частотный коэффициент корреляции, прототипа с расчётом для разных значений ности принимаемых сигналов в соседнем в известном способе-прототипе использу- порога Rпори числа обзоров N = 4, 8 и 16 (см. элементе дальности, можно получить выра- ют операции в соответствии с формулой рис. 1, 2 и 3, соответственно, где приведена жение для вероятности правильной клас- (2). Важно подчеркнуть, что нормировка зависимость вероятности правильной клас- сификации предложенного способа (7). производится на основе той же выборки сификации протяжённых объектов от поро- Считая, что оценка мощности при- наблюдений, которая используется для га для оценки модуля межчастотного коэф- нимаемых сигналов Zs имеет распреде- расчёта числителя. Решение о том, что фициента корреляции с нормировкой, как ление χ2, а выражение в числителе (2) объект протяжённый, принимается, если: это делается в прототипе, звёздочки – анали- имеет распределение [5]: тика, ромбики – моделирование (крестики – . (3) аналитика, квадраты – моделирование)). Проиллюстрируем работу предлагае- Результаты моделирования хорошо совпада- мого способа прототипа на конкретном ют с аналитическими расчётами, что позво- примере, прибегнув как к аналитиче- ляет сделать вывод о достоверности приме- скому расчёту, так и к моделированию няемых формул при анализе эффективности с помощью системы MATLAB [5]. способа, используемого в прототипе. СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2022 WWW.SOEL.RU 55

ВОПРОСЫ ТЕОРИИ (7) ётся получить вероятность правильной классификации протяжённого объекта (8) практически такую же, как при исполь- зовании нормировки зависимыми (9) выборками наблюдений за 16 обзоров. , совпадение для N = 4, 8 и 16 (см. рис. 1, 2 и 3, Литература соответственно, где приведена зависимость где Г(.) – гамма-функция, KN–1(.) – моди- вероятности правильной классификации 1. Bartenev V. Radar objects classification фицированная функция Бесселя поряд- протяжённых объектов от порога для оцен- using inter frequency correlation ка N–1 и σ2 – суммарная мощность ки модуля межчастотного коэффициента coefficient. Report on the International принимаемых сигналов, в результа- корреляции с нормировкой, как это дела- conference RADAR 2016. China, Oct. 2016. те искомая вероятность правильной ется в предложенном способе, крестики – классификации P(Rпор)примет вид (8). аналитика, квадраты – моделирование). 2. Бартенев В.Г. Патент «Способ класси- фикации и бланкирования дискрет- После взятия интеграла получаем (9), Результаты исследования полностью ных помех» № 2710894. Опубликован: где 2F1(.) – гипергеометрическая функ- подтверждают, что применение незави- 14.01.2020. Бюл. № 2. ция. Дальнейший анализ производил- симых выборок наблюдения для нор- ся не только аналитическим расчётом мировки оценки модуля межчастотно- 3. Бартенев В.Г. Патент «Способ классифи- по полученной формуле (8), но и, для го коэффициента корреляции заметно кации объектов по межчастотному кор- верификации, моделированием пред- повышает эффективность классифи- реляционному признаку» № 2776989. ложенного способа в МАТЛАБ. кации. Так, уже за 4 обзора при фор- Опубликован: 29.07.2022. Бюл. № 22. мировании модуля межчастотного Результаты аналитических расчётов коэффициента корреляции с норми- 4. Бартенев В.Г. О распределении оцен- и моделирования показали их хорошее ровкой независимыми выборками уда- ки модуля коэффициента корреляции // Современная электроника. 2020. № 8. 5. Бартенев В.Г., Бартенев М.В. Способ нахождения вероятностных характе- ристик на выходе нелинейных систем // Цифровая обработка сигналов. 2014. № 4. 6. Потёмкин В.Г. Справочник по MATLAB. Ана- лиз и обработка данных // URL: http://matlab. exponenta.ru/ml/book2/chapter8/. ЗАЩИЩЕННЫЕ КЛАВИАТУРЫ 56 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2022



ВОПРОСЫ ТЕОРИИ Дискретный синтез цифрового гауссова фильтра Владимир Бугров ([email protected]) синтезе малоразрядных гауссовых фильтров), что не позволит практиче- Рассматриваются вопросы цифровой фильтрации измерительного ски реализовать гауссов закон измене- видеосигнала с применением селективных БИХ-фильтров с гауссовой ния АЧХ с высокой точностью. Харак- амплитудно-частотной характеристикой. Приводится постановка задачи терно, что в большинстве публикаций синтеза гауссова фильтра методами нелинейного математического по аналитическому расчёту цифровых программирования в дискретном пространстве квантованных гауссовых фильтров вопросы практи- коэффициентов. Рассмотрен пример решения задачи дискретного ческой реализации полученных реше- синтеза гауссова БИХ-фильтра нижних частот, отвечающего ний не рассматриваются. требованиям высокоточной фильтрации измерительного видеосигнала. Приведён анализ его характеристик в частотной и временно′ й области, Однако ошибки аппроксимации и а также представлены данные экспериментальных измерений. квантования могут быть устранены при проектировании цифрового БИХ- Введение аналитическими подходами весь- фильтра современными численными ма ограничена. В настоящее время методами дискретного нелинейного Цифровые фильтры, амплитуд- для их синтеза используются методы программирования, позволяющими но-частотная характеристика (АЧХ) аппроксимации гауссовой АЧХ тем работать не с аналитическим, а с дис- которых описывается гауссовой функ- или иным аппроксимирующим поли- кретным представлением как характе- цией, широко используются в совре- номом достаточно высокого порядка ристик фильтра, так и параметрическо- менной радиоэлектронной и измери- для получения аналогового фильтра- го пространства его коэффициентов. тельной технике [1–4]. Кроме хороших прототипа с последующим билиней- избирательных свойств такие филь- ным его преобразованием в цифровой В настоящей статье рассматривает- тры обеспечивают минимальное вре- эквивалент. Обзор различных видов ся возможность проектирования низ- мя обработки и практически линей- аппроксимаций гауссовой функции, кочастотного цифрового БИХ-фильтра ную фазочастотную характеристику используемых для проектирования с гауссовой АЧХ, отвечающего требо- (ФЧХ), что необходимо для миними- гауссовых фильтров аналитически- ваниям высокоточной фильтрации зации дисперсионных искажений при ми методами, рассмотрен в [2, 6]. Для радиоизмерительных видеосигналов высокоточной обработке измеритель- синтеза БИХ-фильтров малой слож- на фоне внешних помех. При этом нор- ных как видео-, так и радиосигналов. ности с характеристиками, близкими мированная резонансная характери- Фильтр с характеристикой, близкой к к гауссовой функции, в [3] применена стика для гауссовой низкочастотной гауссовой, является идеальным филь- аппроксимация Бесселя, однако указа- функции (рис. 1) определяется следу- тром защиты от наложения спектров но, что рассмотренный подход никак ющим образом: с минимальной базой и обеспечивает не гарантирует нахождение опти- максимальное качество фильтрации мального решения, к тому же ошибка , (1) сигнала перед его семплированием реализации гауссовой АЧХ фильтра и последующей цифровой обработ- весьма значительна. Таким образом, где f – расстройка от нулевой часто- кой [5]. аналитическое проектирование гаус- ты, а параметр α определяет норми- совых БИХ-фильтров реального вре- рованную полосу пропускания гаус- Построение гауссова селективно- мени на этапе синтеза технического совой кривой: го фильтра возможно на основе как решения характеризуется системати- цифровых фильтров с бесконечной ческой ошибкой аналитического пред- , импульсной характеристикой (БИХ- ставления гауссовой характеристики фильтров), так и на основе фильтров фильтра тем или иным аппроксими- здесь Δf – абсолютная полоса пропуска- с конечной импульсной характеристи- рующим полиномом приемлемого ния по уровню 0,7. кой (КИХ-фильтров) в стандартных порядка. Часто эта ошибка аппрокси- топологиях их построения (прямой, мации не позволяет реализовать высо- Метод синтеза и постановка каскадной, волновой, структуре частот- кодобротную АЧХ гауссова фильтра с проектной задачи ной выборки и др.). Однако рекурсив- необходимой точностью, особенно ные цифровые фильтры, являясь дис- при реализации выборки с запасом Эффективный синтез цифровых кретными линейными системами с по частоте [4, 7]. гауссовых БИХ-фильтров, отвечающих обратной связью, обладают значи- совокупности требований, в настоящее тельно бо′ льшими селективными воз- На стадии практической реализации время возможен только численными можностями по сравнению с нере- аналитического решения необходима, методами нелинейного математиче- курсивными, поэтому они позволяют как известно, процедура квантования ского программирования с заданной реализовать требуемую форму гауссо- коэффициентов фильтра. При этом системой прямых и функциональных вой АЧХ значительно меньшим поряд- систематическая ошибка квантова- ограничений [8–10]. При этом прежде ком фильтра. ния может существенно превосходить всего необходимо учитывать арифме- ошибку аппроксимации (особенно при тику цифровых вычислений и приемле- Как известно, возможность проек- мую длину слова коэффициентов гаус- тирования гауссовых БИХ-фильтров сова ФНЧ для их реализации заданным числом двоичных разрядов с использо- ванием цифровых вычислений в фор- 58 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2022

ВОПРОСЫ ТЕОРИИ ка квантования (4) равна нулю. При , (6) этом математическое задание кванто- ванного параметрического простран- , (7) ства возможно как вещественным (3), так и целочисленным кодом (2), что , (8) позволяет проектировать гауссовы ФНЧ, использующие как веществен- , (9) ную, так и целочисленную арифме- тику вычислений и дискретизацию где m – число звеньев (каскадов) вто- коэффициентов. Вариант целочис- ленного представления является более рого порядка, d – индекс коэффициен- универсальным и практически зна- Рис. 1. Нормированная характеристика чимым, так как целочисленные гаус- та передаточной функции звена, IX – гауссова фильтра нижних частот совы фильтры имеют минимальную вычислительную сложность. Разряд- вектор многомерного пространства мате с фиксированной точкой (ФТ), ность такого представления опреде- когда все переменные алгоритма гаус- ляется интервалом изменения цело- целочисленных коэффициентов, F(IX) – совой фильтрации являются дробны- численных коэффициентов фильтра, ми вещественными числами, принад- что практически удобно при реализа- целевая функция, Kimin, K max – допусти- лежащими диапазону от –1 до 1…2-(R-1), ции алгоритма динамического кванто- i где R – число битов, используемых для вания коэффициентов [8]. При необ- двоичного представления числа. Таким ходимости целочисленное решение мые границы изменения коэффициен- образом, заданным числом двоичных легко преобразовать в вещественное разрядов можно реализовать только квантованное решение формата ФТ, та усиления i-го звена фильтра. дискретный ряд определённых (кван- используя для этого их однозначную тованных) значений коэффициентов связь через соотношение (3). Форми- Как видно, экстремальная задача (5) гауссова фильтра на заданном интерва- рование целочисленного кода часто ле их изменения. Для требуемой разряд- называют нормализацией коэффи- записана относительно целочисленно- ности представления R целочисленный циентов гауссова фильтра, когда в го пространства I5m параметров (кван- код (квант) вещественного некванто- дискретном n-мерном пространстве ванного коэффициента ci в вариан- формируется вектор целочисленных тованных коэффициентов гауссова те округления до ближайшего целого коэффициентов IX (ix1, ix2... ixi... ixn), (rоund) равен целой части выражения квантованных с заданной разрядно- фильтра) размерностью 5m. Прямые в скобках: стью их представления. ограничения (6) задают границы их , (2) Точное представление требуемой гауссовой характеристики на стадии изменения, а соотношение (7) опреде- тогда вещественный код данного коэф- синтеза технического решения может фициента определяется: обеспечить её дискретное табулирован- ляет pоwer-оf-twо значение нормирую- ное представление [9], что даёт возмож- , (3) ность, с одной стороны, заменить про- щих коэффициентов звеньев фильтра. цедуру аналитической аппроксимации а ошибка квантования коэффициен- простой оцифровкой требуемой харак- Функциональные ограничения (8) кон- та составляет теристики фильтра, причём ошибка оцифровки характеристики может тролируют в процессе синтеза условие . (4) быть минимизирована соответству- ющим выбором шага частотной дис- устойчивости рекурсивного гауссова Для аналитических подходов ошиб- кретизации. С другой стороны, каждая ки квантования считаются неустра- характеристика фильтра, определяемая ФНЧ по всем полюсам коэффициента нимыми и приводят к искажению совокупностью (вектором) скалярных частотных характеристик гауссова частотных выборок, позволяет приме- передачи с радиусами, не превыша- фильтра, появлению динамических нять для синтеза гауссова БИХ-фильтра шумов квантования, а также к возмож- эффективные поисковые методы мно- ющими , а ограничения (9) мас- ности появления малых предельных гокритериальной оптимизации на дис- циклов в БИХ-структурах. Однако, как кретном множестве квантованных штабируют коэффициенты передачи уже сказано выше, ошибку квантова- параметров. ния коэффициентов можно устранить звеньев в заданный интервал для обе- полностью, осуществив дискретиза- В общем виде задачу целочисленно- цию параметрического простран- го нелинейного программирования спечения широкого динамического ства коэффициентов гауссова БИХ- (ЦНП) при машинном синтезе каскад- фильтра перед его синтезом только ного БИХ-фильтра нижних частот мож- диапазона каскадного гауссова филь- теми значениями, при которых ошиб- но записать так: тра при обработке видеосигналов раз- (5) личного уровня. В алгоритме миними- зации реализация функциональных ограничений осуществляется приме- нением штрафных функций [10, 11]. Численное решение экстремальной задачи (5) в квантованном простран- стве коэффициентов формата ФТ воз- можно только применением сеточных алгоритмов поисковой минимизации, когда дискретность сетки поиска зада- ётся числом двоичных разрядов R, кото- рыми в кодовом пространстве отобра- жается каждая i-я переменная. Этим требованиям вполне отвечает поис- ковый алгоритм глобальной миними- зации полимодальных целевых функ- ций на детерминированной сетке [11]. Построение минимизирующей после- довательности на дискретной сетке формата ФТ в данном алгоритме осу- ществляется при помощи так называ- емых сфер поиска с изменяющимися радиусами. Таким образом, при после- довательном автоматическом расшире- СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2022 WWW.SOEL.RU 59

ВОПРОСЫ ТЕОРИИ второго порядка следует признать наи- Здесь все дискретные значения коэф- более целесообразным, как это следу- фициентов задаются на интервале их ет из сравнения каскадных, параллель- изменения вещественным квантован- ных, прямых и волновых структур. Для ным значением (3). рекурсивного целочисленного филь- тра, состоящего из каскадного сое- Устойчивость проектируемого рекур- динения m-звеньев второго порядка сивного гауссова фильтра определя- (m = N/2, где N – общий порядок филь- ются условием (8), при этом синтез тра), передаточная функция имеет сле- методами дискретного нелинейно- дующий вид: го программирования позволяет реа- лизовать любые значения максималь- Рис. 2. Структура целочисленного БИХ-звена , (10) ных радиусов как полюсов, так и нулей 2-го порядка коэффициента передачи гауссова БИХ- где комплексная переменная z при фильтра. Как показала практика, при нии и сужении сфер поиска происхо- синтезе с меньшим значением макси- дит направленное сканирование всей переходе к описанию частотной харак- мального радиуса полюсов практиче- дискретной области поиска без пол- ски всегда удаётся получить проектное ного её перебора. Характерными осо- теристики решение без предельных циклов того бенностями данного поискового алго- или иного рода, хотя селективная спо- ритма является высокая надёжность принимает значение , где Т – собность гауссова фильтра при этом, отделения глобального экстремума, естественно, снижается. малые потери на поиск, эффективная период дискретизации. работа в дискретном пространстве Дискретный синтез гауссова высокой размерности, а также отсут- Все коэффициенты передаточной БИХ-фильтра нижних частот ствие априори настраиваемых пара- метров. функции квантованы целочислен- Пример синтеза рекурсивного гаус- сова ФНЧ десятого порядка в целочис- Многофункциональное задание целе- ным кодом (4), а их интервал измене- ленном пространстве квантованных вой функции в проектных задачах параметров осуществлялся согласно обычно формируется в виде взвешен- ния определяется заданной длиной следующим спецификационным тре- ной суммы частных целевых функций бованиям. fi(IX), которые определяют выполнение битового слова (разрядностью) коэф- 1. Полоса пропускания: 150±2 Гц. функциональных требований по той 2. Коэффициент передачи: 1± 0,1. или иной частотной характеристике фициентов фильтра. Из соотношения 3. Фазовая нелинейность в полосе: 2°. гауссова фильтра либо её фрагменту: 4. Порядок рекурсивного фильтра: 8. (10) легко получается разностное урав- 5. Максимальный радиус полюсов: , нение для одного звена целочисленно- 0,97. где коэффициенты βi задают значи- 6. Частота дискретизации: 2 кГц. мость (вес) характеристик. го фильтра: 7. Масштабирование коэффициен- Вектор IXО, минимизирующий поли- , (11) тов передачи звеньев в интервал: модальную целевую функцию F(IX) {0,8–1,5}. на допустимом дискретном множе- где xn, yn – целочисленные входная и В ходе синтеза необходимо было най- стве (8), является Парето-эффектив- выходная временны′ е последователь- ти решение с минимальной разрядно- ным решением задачи синтеза цело- ности, а0 – нормирующий коэффици- стью представления коэффициентов численного гауссова БИХ-фильтра по ент pоwer-оf-twо: фильтра, для чего применялась тех- совокупности противоречивых харак- ника динамического квантования его теристик. . (12) коэффициентов [8]. Дискретный синтез гауссова ФНЧ Таким образом, при проектировании На рис. 2 приведена структура звеньев осуществлялся с учётом как селек- гауссова БИХ-фильтра нижних частот рекурсивного целочисленного гауссо- тивных, так и фазовых требований, численными методами дискретного ва фильтра, соответствующая разност- когда общая целевая функция фор- программирования осуществляется ному уравнению (11). Как видно, при мировалась в виде взвешенной сум- дискретизация как характеристик, так вычислении отклика фильтра, кроме мы частных целевых функций fАЧХ(X) и коэффициентов фильтра, что позво- традиционных операций сложения, и fФЧХ(X), обеспечивающих выпол- ляет устранить как ошибки аналити- умножения и задержки на такт, при- нение требований как амплитудной ческой аппроксимации, так и ошибки сутствует операция сдвига на B = lоg2а0 селекции фильтра (3), так и линейно- квантования параметров при практи- бит, с помощью которой реализуется сти его ФЧХ: ческой его реализации. целочисленное деление на нормирую- щий коэффициент pоwer-оf-twо. . (13) Для каскадного рекурсивного филь- тра с вещественной арифметикой циф- ровых вычислений передаточная функ- ция выглядит так: , Дискретное моделирование а разностное уравнение звена имеет При этом частная целевая функ- гауссова БИХ-фильтра следующий вид: ция fАЧХ(X) формировалась по крите- рию минимума среднеквадратичного Построение гауссова БИХ-фильтра в . отклонения: форме каскадного соединения звеньев 60 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2022

ВОПРОСЫ ТЕОРИИ Рис. 3. Ввод требуемой АЧХ гауссова фильтра Рис. 4. Ввод требуемой ФЧХ в полосе пропускания ФНЧ Оптимальные коэффициенты 8-битового гауссова фильтра , (14) Коэффициенты передаточной функции фильтра где Hn(IX) – текущее значение АЧХ Звено фильтра m a1 a2 b0 b1 b2 Усиление звена Kmax гауссова фильтра на n-й дискретной частоте диапазона определения, а – 1 –18 1 115 52 –20 1,3 требуемое значение гауссовой харак- 2 1,1 теристики (3). 3 3 –21 40 18 62 0,8 4 0,9 А целевая функция fФЧХ(IX) определя- 17 –47 –30 –34 –18 лась максимальным отклонением теку- щей фазы от линейной в полосе пропу- –104 39 –12 20 44 скания фильтра: квантованию параметров в допусти- ном компьютере при этом не превы- , (15) мой области (17) при выполнении шало 5 мин. функциональных ограничений устой- где ϕiL – требуемая линейная ФЧХ гаус- чивости фильтра (18) по всем полюсам В табл. 1 приведены оптимальные сова фильтра. передаточной функции с радиусами, не значения целочисленных 8-битовых превышающими 0,97 в z-плоскости. коэффициентов звеньев передаточной Примеры ввода и оцифровки требу- Двусторонние ограничения (19) опре- функции гауссова БИХ-фильтра ниж- емых характеристик фильтра в моду- деляли масштабирование коэффициен- них частот восьмого порядка, а графи- ле функционального редактора паке- тов усиления звеньев гауссова фильтра ки его частотных характеристик пред- та дискретного синтеза представлены в заданный интервал. ставлены на рис. 5. на рис. 3 и рис. 4. Для ввода структуры проектируемого Как видно, среднеквадратичная Весовые коэффициенты частных гауссова фильтра используем встроен- ошибка реализации гауссовой фор- целевых функций (13) определялись ный топологический редактор пакета мы АЧХ фильтра была минимальной и практически в ходе решения следую- синтеза [9], позволяющий сформиро- не превышала 0,0001, а нелинейность щей экстремальной задачи ЦНП для вать файл исходных данных к решению ФЧХ в полосе пропускания 8-битового синтеза гауссова БИХ-фильтра в фор- конкретной задачи с указанием поряд- гауссова фильтра составляла 1,2°, что ме каскадного соединения 4 звеньев ка фильтра, числа варьируемых коэф- полностью соответствует требованиям прямой формы второго порядка: фициентов, их начальных значений и высокоточной гауссовой фильтрации. границ изменения, а также возможно- (16) го дублирования коэффициентов в слу- Исследуем профиль целевого функ- чае необходимости. ционала в точке целочисленного опти- , (17) мума путём построения его коорди- В ходе синтеза технического реше- натных разрезов. График разреза по , ния алгоритмический комплекс паке- коэффициенту а2 первого каскада , (18) та реализует прямой поиск глобально- (рис. 6) подтверждает, что целевые го минимума многомерной функции функции в задачах дискретного син- (19) цели (13) из заданной начальной точ- теза гауссовых БИХ-фильтров имеют ки, осуществляя последовательные сложный, полимодальный характер. Таким образом, минимизация целе- итеративные шаги к точке глобально- вого функционала осуществлялась на го минимума F0(IX0), обеспечивающей Для контрольного анализа синтези- 25-мерном целочисленном простран- совпадение текущих характеристик рованного гауссова ФНЧ квантован- стве 8-битовых по динамическому гауссова БИХ-фильтра с требуемыми ные 8-битовые вещественные коэф- его характеристиками. Графики харак- фициенты формата 8.7, полученные теристик на каждом итеративном шаге из целочисленных по соотношению синтеза отображаются на экране. Вре- (5), с помощью m-файла загружались мя синтеза на стандартном персональ- в пакет MATLAB для расчёта харак- теристик фильтра во временно′й и частотной области (рис. 7). Как вид- СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2022 WWW.SOEL.RU 61

ВОПРОСЫ ТЕОРИИ аб Рис. 5. Частотные характеристики гауссова ФНЧ: а) АЧХ на интервале Найквиста, б) ФЧХ в полосе пропускания Рис. 6. Разрез целевой функции по коэффициенту a первого каскада виртуальных приборов LabVIEW. Экс- 2 периментальные графики частотных характеристик фильтра для частоты дискретизации fs = 2 кГц приведены на рис. 9. Как видно, экспериментальные характеристики 8-разрядного гаус- сова ФНЧ вполне соответствуют дан- ным моделирования и синтеза, а фазо- вая нелинейность в полосе до 150 Гц не превышает двух градусов. Анализ выходного сигнала при нулевом вхо- де показал, что предельные циклы того или иного рода при максималь- ном радиусе полюсов 0,68 в синтези- рованном фильтре отсутствуют. Таким образом, все спецификационные тре- бования по функциональным показа- телям узкополосного гауссова БИХ- фильтра цифрового измерительного тракта были полностью выполнены. но из приведённых графиков, АЧХ вого гауссова БИХ-фильтра нижних Заключение фильтра с высокой степенью точно- частот. сти соответствовало гауссову закону Из приведённого в статье материала (3), при этом в полосе пропускания Проведём модельное тестирование следует, что наилучшим образом требо- фильтра фазовая нелинейность не пре- работоспособности фильтра в пакете вания высокоточной цифровой филь- вышала 1,5°. Инерционность фильтра MАTLАB. Для этого на временно′м интер- трации измерительных видеосигналов по задержке его импульсного откли- вале 2 с конструируем ЛЧМ-сигнал и могут быть выполнены БИХ-фильтрами ка минимальна и составляет всего 5 пропускаем его через квантованный с амплитудно-частотной характеристи- семплов (рис. 7г) при длительности фильтр при частоте семплирования кой, описываемой гауссовой функци- самого импульсного отклика 15 сем- fs = 2 кГц. Результаты модельной филь- ей. При проектировании таких селек- плов. Полюса передаточной функции трации ЛЧМ-сигнала (рис. 8) подтверж- тивных систем требуется максимально в z-плоскости (рис. 7в) не выходят за дают полную работоспособность син- адекватное представление совокупно- границы допустимого по синтезу мак- тезированного гауссова фильтра. сти требуемых характеристик как на симального радиуса, однако синтези- стадии синтеза технического реше- рованный фильтр не является мини- Практическая реализация кванто- ния, так и на стадии его практической мально-фазовой цифровой системой, ванного гауссова фильтра осуществля- реализации на конкретной цифровой так как некоторые нули передаточной лась на многофункциональном микро- платформе. В настоящее время эффек- функции лежат вне единичной окруж- контроллере MSP430 фирмы Texas тивный синтез гауссовых фильтров, ности. Instruments с целочисленным RISC- отвечающих таким требованиям, воз- ядром. Измерение частотных характе- можен только численными методами Таким образом, анализ в пакете ристик фильтра на реальном сигнале нелинейного математического про- MАTLАB полностью подтверждает син- осуществлялось с помощью автомати- граммирования с заданной системой тезированные характеристики 8-бито- зированной панорамной измеритель- прямых и функциональных ограни- ной системы, разработанной в среде 62 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2022

ВОПРОСЫ ТЕОРИИ аб вг Рис. 7. Характеристики фильтра: а) АЧХ; б) ФЧХ в полосе пропускания; в) диаграмма нулей и полюсов в z-плоскости; г) импульсная характеристика аб Рис. 8. Входной ЛЧМ-сигнал (а) и его фильтрация гауссовым ФНЧ (б) чений. Применение алгоритма поис- Литература Компоненты и технологии. 2013. № 11. ка на дискретной сетке квантованных С. 58–62. параметров позволяет получать тех- 1. Vilet L.J. van, Young I.T., Verbeek P.W. 4. Сатаев В.В., Аникин М.А. Сравнитель- нические решения с нулевой ошиб- Recursive Gaussian Derivative Filters. Proc. ный анализ характеристик цифровых кой практической реализации. Совре- of the 14t/h International Conf on Pattern фильтров в задачах приема акустиче- менные алгоритмические комплексы Recognition, ICPR'98, Brisbane, Australia, ского сигнала // Радиотехнические и дискретной минимизации позволяют 16–20 Aug. 1998, IE. телекоммуникационные системы. 2022. решать такие проектные задачи надёж- № 1. С. 46–54. но и эффективно при выполнении всех 2. Klapper J., Harris C.M. On the Response 5. Guo Jian, Zhu Jie. Design of Analog Gaussian внешних требований и ограничений к and Approximation of Gaussian Filter // Filter Used in Roughness Measuring работе гауссова фильтра, что даёт воз- IRE Transactions on Audio, 1959, 3. Instrument // Second International можность существенно повысить каче- Pp. 80–87. Conference on Information Technology ство таких селективных фильтров. and Computer Science, 2010. 3. Мингазин А.Т. Синтез БИХ-фильтров малой сложности с характеристика- ми, близкими к гауссовой функции // СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2022 WWW.SOEL.RU 63

ВОПРОСЫ ТЕОРИИ аб Рис. 9. Экспериментальные измерения АЧХ (а) и ФЧХ (б) фильтра 6. Xu Jingbo. Study on Approximation Theory коэффициентов цифрового фильтра // 10. Zangwill, Willard I. Non-linear programming and Application of Gaussian Filter // Harbin Труды учебных заведений связи. 2021. via penalty functions. Management Science. Institute of Technology, 2007. Pp. 24–30. Т. 7. № 2. С. 8–17. Jan 1967. Vol. 13. Issue 5. 9. Бугров В.Н. Дискретный синтез мини- 7. Emmanuel Ifeachor, Barrie Jervis. Digital мально-фазовых и линейно-фазовых 11. Воинов Б.С., Бугров В.Н., Воинов Б.Б. Signal Processing: A Practical Approach (2nd цифровых БИХ-фильтров // Компонен- Информационные технологии и систе- Edition). Harlow: Pearson Education, 2002. ты и технологии. 2019. № 10. С. 92–103. мы: поиск оптимальных, оригиналь- ных и рациональных решений. М.: Нау- 8. Бугров В.Н. Динамическое квантование ка, 2007. 730 с. НОВОСТИ МИРА ки на разработку компонентов или запуск (входят Yadro, «Аквариус», «Депо компью- производства. При этом серийный выпуск терс» и пр.) заявил о живом интересе от- РОССИЯ ВБУХАЕТ МИЛЛИАРДЫ коммерческих партий электронной про- расли к новой инициативе Минпромторга. дукции – это капиталоёмкий процесс, ко- «Уверена, что благодаря организованно- В СЕРИЙНЫЙ ВЫПУСК торый необходимо сопровождать субсиди- му через отраслевые консорциумы взаи- ями, рассказали «Коммерсанту» в одном модействию регулятора с отраслью будет КОМПЬЮТЕРОВ, СМАРТФОНОВ из крупных производителей электроники. выработан своевременный и эффективный По его словам, параметры субсидии пока механизм поддержки», – отметила Свет- И ПЛАНШЕТОВ не определены. лана Легостаева, генеральный директор Правительство прорабатывает новый ме- консорциума. Об этом же говорит и директор компа- ханизм поддержки российской электроники. нии «Промобит» Максим Копосов: суб- По её мнению, российским производите- Так, власти хотят субсидировать серийное сидии предоставляются на выпуск опыт- лям электроники необходимо выходить на производство российских ноутбуков, смарт- ной, а не коммерческой серии электрони- объёмы, которые бы обеспечили наличие фонов и компьютеров. В 2023 г. на поддерж- ки. Эксперт отмечает, что сейчас даже не их устройств в магазинах. ку отрасли Минпромторг планирует выде- льготный кредит на выпуск коммерческих лить 210 млрд руб. партий электроники получить невозмож- Правительство пытается спасти россий- но. По его словам, банки не готовы выда- скую электронику параллельно с усилива- Правительство планирует предоставить вать кредиты на такие проекты, в первую ющимся давлением Запада и США на от- российским производителям электроники очередь потому, что спрос на продукцию расль. Помимо того, что многие иностран- субсидию для серийного выпуска ноутбу- не гарантирован. ные производители покинули российский ков, смартфонов, компьютеров и планше- рынок, а вендоры перестали сотрудничать тов. Об этом пишет «Коммерсант» со ссыл- Собеседник издания, близкий к Минпром- с отечественными компаниями, США пыта- кой на два источника, присутствовавших на торгу, поясняет, что министерство рассчи- ется душить одну из важнейших отраслей встрече с замглавой Минпромторга Васи- тывает новым механизмом субсидий на се- страны санкциями. лием Шпаком. Встреча проходила в рамках рийное производство помочь российским пленарной сессии форума «Микроэлектро- производителям электроники попасть в ма- Так, в сентябре 2022 г. США ввели санк- ника 2022» 3 октября 2022 г. газины и составить конкуренцию иностран- ции против всей российской электроники. ной технике. Новая субсидия Минпромтор- В «чёрном списке» оказались «Аквариус», По словам источника, субсидии смогут га также поможет снизить себестоимость «Ядро фаб Дубна», «Байкал электроникс», получить компании, ориентированные на продукции и занять те ниши на рынке, ко- МЦСТ и НПЦ «Элвис». потребительский сегмент рынка. При этом торые опустели из-за ухода иностранных министерство планирует увеличить объ- вендоров. По его словам, одним из глав- Из-за санкций компании теперь не смо- ём бюджетных средств, которые будут на- ных условий получения такой субсидий мо- гут получить доступ не только к американ- правлены на поддержку отрасли в 2023 г., жет стать локализация производства про- ским процессорным архитектурам, но и к с 144 млрд руб. до 210 млрд руб. дукции в России. зарубежным заводам. Попадание в список также чревато сложностями с компонента- Мера сейчас прорабатывается и будет Консорциум «Вычислительная техника» ми и оборудованием. запущена после согласования со всеми заинтересованными ведомствами и Пра- russianelectronics.ru вительством, рассказали изданию в Мин- промторге. Сейчас Правительство предоставля- ет субсидии производителям электрони- 64 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2022

Широкоформатные дисплеи 15\"~49\" Основные свойства Применения ОФИЦИАЛЬНЫЙ ДИСТРИБЬЮТОР АКТИВНЫЙ КОМПОНЕНТ ВАШЕГО БИЗНЕСА (495) 232-2522 [email protected] WWW.PROCHIP.RU Реклама

Реклама