Naukowcy Wojskowej Akademii Technicznej opracowali innowacyjny system cyfrowy w układzie programowalnym, który zawiera kompletny moduł do pomiaru częstotliwości wraz ze złożoną jednostką obliczeniową. Pozwala to na znaczne zmniejszenie ilości danych, które muszą być przesyłane poza układ scalony, co przyspiesza działanie i zwiększa możliwości licznika częstotliwości. Jest to pierwsze tego typu rozwiązanie na świecie. Wyniki badań zostały opisane w czasopiśmie „Measurement”.
Pomiar częstotliwości sygnału stał się bardzo istotny począwszy od pierwszych publicznych systemów komunikacji radiowej, które pojawiły się w latach dwudziestych XX wieku. Sygnał referencyjny o stabilnej częstotliwości jest obecnie podstawą działania m.in. systemów telekomunikacyjnych (4G, 5G) i nawigacji satelitarnej (np. GPS), radarów czy też bardzo czułych sensorów. Liczniki częstotliwości typu Ω pozwalają zatem na pomiar z możliwie najwyższą dokładnością, jednego z fundamentalnych parametrów sygnału elektrycznego, determinującego jakość wielu złożonych systemów elektronicznych.
Jak mierzy się częstotliwość sygnału?
„Typowa metoda pomiaru częstotliwości sygnału elektrycznego polega na zliczaniu liczby okresów sygnału mierzonego, która wystąpiła w określonym przedziale czasu. Dzieląc zliczoną liczbę okresów sygnału przez dokładnie zmierzoną długość bramki czasowej uzyskuje się częstotliwość sygnału. Jest to metoda odwrotnościowa, a liczniki pracujące w oparciu o nią określane są w literaturze naukowej jako liczniki częstotliwości typu П” – wyjaśnia dr inż. Paweł Kwiatkowski z Wydziału Elektroniki WAT.
Nowoczesne liczniki częstotliwości pracują w oparciu o metodę znaczników czasu i pozwalają na ciągłą rejestrację liczby okresów sygnału mierzonego oraz czasu kiedy ta rejestracja nastąpiła. Ta para danych stanowi wartość znacznika czasu. Dzięki temu w czasie trwania bramki pomiarowej można rejestrować chwilowe wyniki pomiaru i wykorzystać je do poprawy dokładności pomiaru częstotliwości. Zależność pomiędzy liczbą zliczonych okresów sygnału pomiarowego a aktualną wartością czasu jest liniowa. Zatem parametry prostej najlepiej aproksymującej uzyskane dane można obliczyć poprzez zastosowanie metody najmniejszych kwadratów, gdzie współczynnik kierunkowy określa poszukiwaną wartość częstotliwości. Takie urządzenia określane są w literaturze naukowej jako liczniki częstotliwości typu Ω.
Pomysł na badania
Chociaż liczniki częstotliwości od dłuższego czasu odgrywają istotną rolę jako jedne z podstawowych urządzeń pomiarowych, to ich realizacje oparte o metodę znaczników czasu są stosunkowo nowe. Typowo w urządzeniach tych oddzielnie realizowana jest część pomiarowa (układ programowalny lub specjalizowany) oraz obliczeniowa (procesor). Dokładność metody najmniejszych kwadratów jest tym większa im więcej do obliczeń zostanie użytych danych pomiarowych. Zatem konieczne jest przesłanie dużej liczby danych pomiarowych z układu pomiarowego do jednostki obliczeniowej oraz wykonanie dość złożonych obliczeń.
„Już w 2015 roku zespół niemieckich naukowców mówił o zaletach liczników częstotliwości typu Ω, jednocześnie wskazując, iż z uwagi na techniczne problemy z ich realizacją nie zyskały one dużej popularności, ale może się to zmienić wraz z rozwojem układów mikroelektronicznych. Idąc tym tropem postanowiliśmy sprawdzić jak bardzo problematyczna jest realizacja stosownego modułu obliczeniowego w układzie programowalnym typu FPGA. Był to temat pracy magisterskiej mgr. inż. Adriana Beczka, współautora artykułu naukowego opisującego omawiane rozwiązanie” – wspomina dr inż. Paweł Kwiatkowski.
Droga do sukcesu
W pierwszym etapie badania miały charakter symulacyjny. Naukowcy udowodnili, że moduł obliczeniowy zaimplementowany we współczesnym, średniej klasy układzie programowalnym FPGA (ang. Field Programmable Gate Array) działa szybko i nie pochłania dużej liczby dostępnych zasobów logicznych. W kolejnym kroku powielili i połączyli go ze scalonym, wielokanałowym licznikiem częstotliwości w jednym układzie programowalnym. Na koniec przeprowadzono badania z użyciem rzeczywistych sygnałów pomiarowych, co ostatecznie wykazało prawidłowe działanie proponowanego rozwiązania.
„W dobie powszechnego obecnie stosowania dedykowanych układów scalonych do wspomagania obliczeń na potrzeby nauczania maszynowego, implementacja regresji liniowej w układzie programowalnym wydawała się jak najbardziej możliwa. Zastanawiało nas natomiast jak szybko taki moduł obliczeniowy może działać i jak dużo zasobów logicznych będzie potrzebował. Uzyskane rezultaty pozytywnie nas zaskoczyły” – mówi dr inż. Paweł Kwiatkowski.
Zalety proponowanego rozwiązania
Scalone, wielokanałowe liczniki czasu i częstotliwości stanowią podstawę działania urządzeń do pomiaru oraz analizy sygnałów czasu i częstotliwości. Przeniesienie części obliczeń z jednostki sterującej bezpośrednio do układu scalonego z modułem pomiarowym pozwala na poprawę parametrów całego urządzenia: obliczenia umożliwiające poprawę dokładności pomiaru są wykonywane szybciej, bez zbędnego gromadzenia danych w pamięci oraz konieczności ich dalszego transferu. Możliwe jest zbieranie większej liczby danych w krótszych odstępach czasu, a to pozwala uzyskać większą poprawę dokładności niż w typowych rozwiązaniach z oddzielnym modułem pomiarowym i obliczeniowym.
„Innowacyjny charakter badań polega na tym, że wykazaliśmy w praktyce, iż przeciętny, współczesny układ programowalny ma obecnie wystarczające możliwości, aby w jednym układzie scalonym zawrzeć kompletny system do pomiaru częstotliwości wraz ze złożoną jednostką obliczeniową. Według naszej wiedzy jest to pierwsze rozwiązanie tego typu na świecie i wierzymy, że pozwoli spopularyzować liczniki częstotliwości typu Ω” – mówi mgr inż. Adrian Beczek.
W Zakładzie Techniki Cyfrowej WAT, w zespole naukowym metrologii czasu prowadzonym przez Dziekana Wydziału Elektroniki, prof. Ryszarda Szpleta, od wielu lat opracowywane są nowe metody i urządzenia do pomiaru odcinków czasu i częstotliwości. Nowy moduł obliczeniowy znajdzie zastosowanie w przyszłych realizacjach scalonych analizatorów czasu i częstotliwości, które implementowane są w układach programowalnych typu FPGA.
Wyniki badań ukazały się w czasopiśmie „Measurement” pod tytułem: „Hardware computing module for frequency Ω‑counter”. Współautorami artykułu są: dr inż. Paweł Kwiatkowski z Wydziału Elektroniki WAT oraz mgr inż. Adrian Beczek, absolwent WAT.
Artykuł otrzymał 200 punktów, wskaźnik cytowań dla czasopisma (IF) to 5.131.
Marcin Wrzos
fot. Dominik Sondej