RU182315U1 - PULSE PIECE-LINEAR APPROXIMATOR OF NONLINEAR FUNCTIONS - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области вычислительной техники, а именно к импульсному кусочно-линейному аппроксиматору нелинейных функций, включающему в себя первый цифровой сигма-дельта модулятор первого порядка, выход которого подключен к усредняющему фильтру, подключенному к таблице опорных точек, выход которой подключен ко второму цифровому сигма-дельта модулятору первого порядка, выход которого является выходом импульсного кусочно-линейного аппроксиматора нелинейных функций. Полезная модель обеспечивает снижение ресурсоемкости реализации нелинейных функций на базе ПЛИС методом кусочно-линейной аппроксимации.The utility model relates to the field of computer engineering, namely to a pulsed piecewise-linear approximator of nonlinear functions, which includes a first digital sigma-delta modulator of the first order, the output of which is connected to an averaging filter connected to a table of reference points, the output of which is connected to a second digital a sigma-delta modulator of the first order, the output of which is the output of a pulsed piecewise linear approximator of nonlinear functions. The utility model provides a reduction in the resource consumption of the implementation of nonlinear functions based on FPGAs using the piecewise linear approximation method.

Description

Полезная модель относится к области вычислительной техники и может быть использована в различных областях науки и промышленности при создании устройств управления и цифровой обработки сигналов.The utility model relates to the field of computer technology and can be used in various fields of science and industry to create control devices and digital signal processing.

Из существующего уровня техники известен кусочно-линейный аппроксиматор нелинейных функций [Lachowicz S. et al. Fast evaluation of nonlinear functions using FPGAs // Advances in Radio Science: ARS. - 2008. - T. 6. - C. 233.], который включает в себя таблицу опорных точек, два сумматора и операцию побитового сдвига.A piecewise linear approximator of nonlinear functions is known from the prior art [Lachowicz S. et al. Fast evaluation of nonlinear functions using FPGAs // Advances in Radio Science: ARS. - 2008. - T. 6. - C. 233.], which includes a table of control points, two adders and a bitwise shift operation.

Недостатком данного устройства является существенная ресурсоемкость при реализации на базе программируемых логических интегральных схем (ПЛИС).The disadvantage of this device is the significant resource consumption when implemented on the basis of programmable logic integrated circuits (FPGA).

Предлагаемая полезная модель направлена на решение технической задачи по устранению указанного недостатка.The proposed utility model is aimed at solving the technical problem of eliminating this drawback.

Достигаемый при этом технический результат заключается в снижении ресурсоемкости реализации нелинейных функций на базе ПЛИС методом кусочно-линейной аппроксимации.The technical result achieved in this case is to reduce the resource consumption of the implementation of nonlinear functions based on FPGAs using the piecewise linear approximation method.

Технический результат достигается тем, что импульсный кусочно-линейный аппроксиматор нелинейных функций включает в себя первый цифровой сигма-дельта модулятор первого порядка, выход которого подключен к усредняющему фильтру, подключенному к таблице опорных точек, выход которой подключен ко второму цифровому сигма-дельта модулятору первого порядка, выход которого является выходом импульсного кусочно-линейного аппроксиматора нелинейных функций.The technical result is achieved by the fact that the pulsed piecewise linear approximator of nonlinear functions includes a first digital sigma-delta modulator of the first order, the output of which is connected to an averaging filter connected to a table of reference points, the output of which is connected to a second digital sigma-delta modulator of the first order whose output is the output of a pulsed piecewise linear approximator of nonlinear functions.

Указанные признаки полезной модели являются существенными и совокупность этих признаков достаточна для получения требуемого технического результата.These features of the utility model are significant and the combination of these features is sufficient to obtain the desired technical result.

Полезная модель поясняется чертежами.The utility model is illustrated by drawings.

На фиг. 1 показана блок-схема заявляемой полезной модели. Она содержит первый сигма-дельта модулятор первого порядка 1, усредняющий фильтр 2, таблицу опорных точек 3 и второй сигма-дельта модулятор первого порядка 4.In FIG. 1 shows a block diagram of the claimed utility model. It contains a first sigma-delta modulator of the first order 1, averaging filter 2, a table of reference points 3 and a second sigma-delta modulator of the first order 4.

Работает устройство следующим образом. На его вход поступает аргумент аппроксимируемой нелинейной функции, который переводится при помощи первого сигма-дельта модулятора первого порядка 1 в импульсный поток, поступающий на усредняющий фильтр 2. Ширина окна N усредняющего фильтра 2 определяет количество опорных точек кусочно-линейной аппроксимации. Выход усредняющего фильтра 2, умноженный на N используется в качестве номера ячейки таблицы опорных точек 3. Таблица опорных точек 3 имеет 2N+1 ячеек, содержащих опорные точки аппроксимируемой нелинейной функции, которые адресуются 2N+1 возможными выходными значениями усредняющего фильтра 2. Выходом таблицы опорных точек 3 является значение выбранной при помощи выхода усредняющего фильтра 2 ячейки, которое поступает на вход второго сигма-дельта модулятора первого порядка 4, формирующего выходной импульсный поток полезной модели, соответствующий значению нелинейной функции при аргументе равном входу полезной модели.The device operates as follows. The argument of the approximated nonlinear function arrives at its input, which is converted using the first sigma-delta modulator of the first order 1 into the pulse stream supplied to the averaging filter 2. The window width N of the averaging filter 2 determines the number of reference points of the piecewise linear approximation. The output of the averaging filter 2 multiplied by N is used as the cell number of the table of reference points 3. The table of reference points 3 has 2N + 1 cells containing reference points of the approximated nonlinear function, which are addressed by 2N + 1 possible output values of the averaging filter 2. The output of the table of reference points 3 is the value of the cell selected by the output of the averaging filter 2, which is fed to the input of the second sigma-delta modulator of the first order 4, which forms the output pulse flow of the utility model, corresponding to which is the value of the nonlinear function with an argument equal to the input of the utility model.

Работоспособность была проверена на макете, который наглядно продемонстрировал получение требуемого технического результата. Предложенное устройство было реализовано на базе микросхемы ПЛИС Xilinx XC7A100T-1CSG324C, которая тактировалась генератором с частотой 100 МГц. Для сравнения на базе той же микросхемы ПЛИС был реализован известный кусочно-линейный аппроксиматор нелинейных функций [Lachowicz S. et al. Fast evaluation of nonlinear functions using FPGAs // Advances in Radio Science: ARS. - 2008. - T. 6. - C. 233.]. Предлагаемая полезная модель и ее известный аналог осуществляли кусочно-линейную аппроксимацию функции sin(2πx) по 256 опорным точкам, сохраненных в таблицу опорных точек с точностью 16 бит. Демодуляция выходных импульсных потоков осуществлялась при помощи усредняющего фильтра с окном 65535 измерений с периодом 10 не.Performance was tested on the layout, which clearly demonstrated the receipt of the required technical result. The proposed device was implemented on the basis of the Xilinx XC7A100T-1CSG324C FPGA chip, which was clocked by a generator with a frequency of 100 MHz. For comparison, the well-known piecewise-linear approximator of nonlinear functions was implemented on the basis of the same FPGA chip [Lachowicz S. et al. Fast evaluation of nonlinear functions using FPGAs // Advances in Radio Science: ARS. - 2008. - T. 6. - C. 233.]. The proposed utility model and its well-known analogue performed a piecewise linear approximation of the sin (2πx) function using 256 reference points stored in the reference point table with an accuracy of 16 bits. Demodulation of the output pulse flows was carried out using an averaging filter with a window of 65535 measurements with a period of 10 ns.

На фиг. 2 показана зависимость ошибки выходного результата предлагаемой полезной модели и известного кусочно-линейного аппроксиматора нелинейных функций от входного сигнала. Как видно из фиг. 2 оба устройства имеют сопоставимую точность. Среднеквадратическое отклонение (СКО) выхода полезной модели от эталонного значения 7,1494⋅10^-8, СКО выхода известного аналога составило 7,1494⋅10^-8, что указывает на незначительное превосходство полезной модели и говорит о ее работоспособности.In FIG. 2 shows the dependence of the error of the output result of the proposed utility model and the well-known piecewise-linear approximator of nonlinear functions on the input signal. As can be seen from FIG. 2, both devices have comparable accuracy. The standard deviation (RMS) output from utility model reference value 7,1494⋅10 ^-8, MSE outputs analog form made 7,1494⋅10 ^-8, indicating a slight superiority of said utility model and its efficiency.

Результаты синтеза отмакетированного импульсного кусочно-линейного аппроксиматора нелинейных функций показали, что он требует для реализации 120 LUT6, в то время как известный кусочно-линейный аппроксиматор нелинейных функций на той же ПЛИС с теми же настройками оптимизации синтеза потребовал 187 LUT6. Таким образом, полезная модель требует в 1,55 раз меньше ресурсов ПЛИС, чем известный аналог, что говорит о достижении заявленного технического результата.The results of the synthesis of a mock pulsed piecewise linear approximator of nonlinear functions showed that it requires 120 LUT6 to implement, while the known piecewise linear approximator of nonlinear functions on the same FPGA with the same synthesis optimization settings required 187 LUT6. Thus, the utility model requires 1.55 times less FPGA resources than the well-known analogue, which indicates the achievement of the claimed technical result.

Claims (1)

Импульсный кусочно-линейный аппроксиматор нелинейных функций, включающий в себя первый цифровой сигма-дельта модулятор первого порядка, выход которого подключен к усредняющему фильтру, подключенному к таблице опорных точек, выход которой подключен ко второму цифровому сигма-дельта модулятору первого порядка, выход которого является выходом импульсного кусочно-линейного аппроксиматора нелинейных функций.A pulsed piecewise linear approximator of nonlinear functions, including the first digital sigma-delta modulator of the first order, the output of which is connected to the averaging filter connected to the table of reference points, the output of which is connected to the second digital sigma-delta modulator of the first order, the output of which is the output pulse piecewise linear approximator of nonlinear functions.

Images