Using of Residual Number System as a Mathematical Basis for Software Defined Radio
Вісник НТУУ "КПІ". Серія Радіотехніка, Радіоапаратобудування.
Переглянути архів Інформація| Поле | Співвідношення | |
| Title |
Using of Residual Number System as a Mathematical Basis for Software Defined Radio
Использование системы остаточных классов в качестве математической основы для программно-определенных радиосистем Використання системи залишкових класiв як математичної основи для програмно-визначених радіосистем |
|
| Creator |
Polikarovskykh, O. I.
Kovtun, L. O. Karpova, L. V. Hula, I. V. Melnychuk, V. M. |
|
| Description |
Introduction. Іn the classic view, program-defined radio system (Software Defined Radio, SDR) is a central processor, equipped with receiving and transmitting units. In order to speed up computational operations in SDR systems, it is proposed to use the system of residual classes as a mathematical basis. The results of research conducted by various groups of scientists in order to find ways to improve the performance of computing tools, methods of organizing an effective system for detecting and correcting errors, as well as building reliable computer systems, make it possible to assert that, within the limits of positional number systems, no fundamental changes can be expected in these areas without a significant increase in operating frequencies and hardware complications. The advantage of this method is that a software radio system can consist of several FPGAs and serve several independent radio channels, and reprogramming the properties allows you to change the number and components of message processors depending on current operating conditions. Research method. The equations in this section show the parallel nature of the RNS, free from bit transfers. These operations are called modular, because for it takes only one clock cycle to process the numerical values. To convert numbers from the binary position number system to RNS we use an algorithm based on the application of a distributed arithmetic. However, operations such as division, comparison of two numbers, and the detection of a sign are laborious and expensive in RNS Several decisions were proposed for these problem operations. They consist in the absence of the process of converting a residue into a binary system (reverse transformation) by using digital-to-analog converters in RNS. On the other hand, choosing the right set of modules is another important issue for building an effective RNS with a sufficient dynamic range. Results and analysis. Summing up some results, it can be noted that the system of residual classes allows to significantly improve the parameters of a computer in SDR especially in functional block a Direct Digital Synthesizers (DDS) in comparison with a computer built on the same physical and technological basis, but in a positional system calculation, and also to receive new more progressive constructive and structural solutions. The experimental results shows that the presented techniques offer interesting advantages for FIR filters characterized by high dynamic range and high number of taps especially when full custom multipliers are not available in the target FPGA architecture or when they must to be used for different purposes. Conclusion. Thus, the proposed system introduces clear advantages over existing systems and shows performance advantages and can be used to build modern communication systems. The proposed architecture reduces the size of the pipeline adders and multipliers which is a very important factor in the design SDR for fast work.
В статье рассмотрены принципы построения и функционирования систем, определенных программным обеспечением (Software Defined Radio, SDR). С целью ускорения вычислительных операций в системах SDR предлагается применение системы остаточных классов в качестве математической основы построения систем. Преимуществом приведенного метода является то, что программная радиосистема может состоять из нескольких ПЛИС и обслуживать несколько независимых радио\-каналов, а перепрограммирование свойств позволяет изменять число и составляющие процессоры сообщений в зависимости от текущих условий роботы. Приведены проблемы формирования выходного сигнала. Описаны особенности внедрения операций прямого и обратного преобразований с позиционных на непозиционые системы исчисления. Рассмотрена структурная модель SDR с прямыми цифровыми синтезаторами частоты, ЦАП, АЦП, цифровыми фильтрами в системе остаточных классов. Рассмотрены методы преобразования системы остаточных класов в аналоговый сигнал. Рассматриваются проблемы эффективного использования площади кристалла для SDR и уменьшения задержек в формировании выходного сигнала. Полученные результаты показывают широкие возможности применения программно определенной радиосистемы в системе остаточных классов. Вступ. У традиційному вигляді, програмно-визначена радіосистема (Software Defined Radio, SDR) являє собою обчислювальне ядро, обладнане приймально-передавальними блоками. З метою прискорення обчислювальних операцій у системах SDR, пропонується у якості математичної основи застосування системи залишкових класів. Результати попередніх досліджень, що проводились різними групами вчених з метою пошуків шляхів підвищення продуктивності обчислювальних засобів, методів організації ефективної системи виявлення та виправлення помилок, а також побудови надійних обчислювальних комплексів, дають можливість стверджувати, що в межах позиційних систем числення не можна очікувати принципових зрушень в даних напрямках без суттєвого збільшення робочих частот і ускладнення апаратної частини.. Перевагою пропонованого методу є те, що програмна радіосистема може складатися з декількох ПЛІС і обслуговувати декілька незалежних радіоканалів, а перепрограмування властивостей дозволяє змінювати число і складові процесу обробки повідомлень в залежності від поточних умов роботи. Метод дослідження. В розділі проаналізовано паралельність арифметичні операції у системі залишкових класів. Ці операції називаються модульними, оскільки для обробки числових значень використовують невеликі залишки ділення на певний набір модулів, а для додавання і множення потрібно лише один тактовий цикл роботи обчислювальної системи. Для перетворення чисел із двійкової системи у RNS використовується алгоритм, заснований на застосуванні китайської теореми про залишки. Проте такі операції, як поділ, порівняння двох чисел і виявлення знака, є складними і ресурсозатратними в RNS. Для цих проблемних операцій було запропоновано кілька рішень. Вони полягають у відсутності процесу перетворенні залишку в бінарну систему (зворотне перетворення) шляхом застосування цифро-аналогових перетворювачів у RNS. З іншого боку, вибір правильного набору модулів є ще одним важливим питанням для побудови ефективного RNS з достатнім динамічним діапазоном. Результати та аналіз. Підводячи підсумки деяких результатів, можна зазначити, що система класів залишків дозволяє значно поліпшити параметри обчислювача у SDR, а особливо у функціональному блокові Direct Digital Synthesizers (DDS) у порівнянні з обчислювачем, побудованим на тій же фізичній і технологічній основі, але в позиційній обчислювальній системі, а також отримання нових більш прогресивних конструктивних і структурних рішень. Експериментальні результати показують, що представлені методи дають значні переваги для цифрових фільтрів у SDR, які характеризуються високим динамічним діапазоном і мають велику кількістю ланок, особливо коли повні перемножувачі не доступні у цільовій архітектурі FPGA, або коли ці перемножувачі повинні використовуватися для різних цілей. Висновки. Таким чином, запропонована система вносить явні переваги перед існуючими системами і показує переваги продуктивності обчислювальних операцій і може бути використана для побудови сучасних систем зв'язку. Запропонована архітектура зменшує розміри конвеєру суматорів і перемножувачів, що є дуже важливим фактором при розробці високошвидкісних SDR. |
|
| Publisher |
National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute"
|
|
| Date |
2019-03-30
|
|
| Type |
info:eu-repo/semantics/article
info:eu-repo/semantics/publishedVersion |
|
| Format |
application/pdf
|
|
| Identifier |
//radap.kpi.ua/radiotechnique/article/view/1538
|
|
| Source |
Visnyk NTUU KPI Seriia - Radiotekhnika Radioaparatobuduvannia; No 76 (2019); 21-28
Вестник НТУУ "КПИ". Серия Радиотехника, Радиоаппаратостроение; № 76 (2019); 21-28 Вісник НТУУ "КПІ". Серія Радіотехніка, Радіоапаратобудування; № 76 (2019); 21-28 2310-0389 2310-0397 |
|
| Language |
eng
|
|
| Relation |
//radap.kpi.ua/radiotechnique/article/view/1538/1402
|
|
| Rights |
Авторське право (c) 2019 A. I. Polikarovskykh
http://creativecommons.org/licenses/by/4.0 |
|