최적의 측정값 구간의 길이를 갖는 최소 공분산 유한 임펄스 응답 필터 기반 디지털 위상 고정 루프 설계

유성현(Sung-Hyun You),배동성(Dong-Sung Pae),최현덕(Hyun-Duck Choi) 한국전자통신학회 2021 한국전자통신학회 논문지 Vol.16 No.4

디지털 위상 고정 루프는 위상 동기화를 위해 사용되는 회로로 일반적으로 통신, 회로분야 등 다양한 분야에서 사용된다. 디지털 위상 고정 루프를 설계 시 상태추정기를 사용하는 경우 보통 칼만 필터와 같은 무한 임펄스 응답 상태추정기를 활용해왔다. 일반적으로 무한 임펄스 응답 상태추정기 기반 디지털 위상 고정 루프의 성능은 우수하지만, 초기값의 부정확, 모델 오차, 외란 등의 예상하지 못하는 상황에서 급격한 성능저하가 발생할 수 있다. 본 논문에서는 새로운 디지털 위상 고정 루프를 설계 하기 위해 최적의 측정값 구간 길이를 갖는 최소 공분산 유한 임펄스 응답 필터를 제안한다. 제안된 유한 임펄스 응답 필터의 중요 파라미터인 측정값 구간 길이를 구하기 위해 수치적 방법을 소개하며, 필터의 이득을 얻기 위해 비용함수로 오차의 공분산 행렬을 설정하고, 이를 최소화 하기 위하여 선형 행렬 부등식을 사용하였다. 제안된 디지털 위상 동기 루프의 우수성과 강인성을 검증하기 위해 노이즈 정보가 부정확한 상황에서 기존 방법과의 비교 및 분석을 위한 시뮬레이션을 수행하였다. The digital phase-locked loops(DPLL) is a circuit used for phase synchronization and has been generally used in various fields such as communication and circuit fields. State estimators are used to design digital phase-locked loops, and infinite impulse response state estimators such as the well-known Kalman filter have been used. In general, the performance of the infinite impulse response state estimator-based digital phase-locked loop is excellent, but a sudden performance degradation may occur in unexpected situations such as inaccuracy of initial value, model error, and disturbance. In this paper, we propose a minimum variance finite impulse response filter with optimal horizon for designing a new digital phase-locked loop. A numerical method is introduced to obtain the measured value interval length, which is an important parameter of the proposed finite impulse response filter, and to obtain a gain, the covariance matrix of the error is set as a cost function, and a linear matrix inequality is used to minimize it. In order to verify the superiority and robustness of the proposed digital phase-locked loop, a simulation was performed for comparison and analysis with the existing method in a situation where noise information was inaccurate.

2계층 Frobenius norm 유한 임펄스 응답 필터 기반 디지털 위상 고정 루프 설계

김신(Sin Kim),신성(Sung Shin),유성현(Sung-Hyun You),최현덕(Hyun-Duck Choi) 한국전자통신학회 2024 한국전자통신학회 논문지 Vol.19 No.1

디지털 위상 고정 루프는 디지털 위상 검출기, 디지털 루프 필터, 디지털 제어 발진기, 분배기 등으로 이루어진 일반적인 회로로 전기 및 회로 분야 등 다양한 분야에서 널리 사용된다. 디지털 위상 고정 루프의 성능 향상을 위해 다양한 수학적인 알고리즘 등을 활용한 상태 추정기가 사용된다. 전통적인 상태 추정기로는 무한 임펄스 응답 상태 추정기의 칼만 필터를 활용해왔으며, 무한 임펄스 응답 상태 추정기 기반 디지털 위상 고정 루프는 초기값의 부정확성, 모델 오차, 다양한 외란 등의 예상치 못한 상황에서 급격한 성능 저하가 발생할 수 있다. 본 논문에서는 새로운 디지털 위상 고정 루프를 설계하기 위해 2계층 Frobenius norm 기반 유한 임펄스 상태 추정기를 제안한다. 제안한 상태 추정기는 첫 번째 층의 추정 상태를 이용하여 두 번째 층에서 상태 추정을 하는데, 이때 첫 번째 층의 추정 상태와 누적된 측정값과 결합하여 설계하였다. 새로운 유한 임펄스 응답 상태 추정기 기반 디지털 위상 동기 루프의 강인한 성능을 검증하기 위해 잡음 공분산 정보가 부정확한 상황에서 무한 임펄스 응답 상태 추정기와 비교하여 시뮬레이션을 수행하였다. The digital phase-locked loop(DPLL) is one of the circuits composed of a digital detector, digital loop filter, voltage- controlled oscillator, and divider as a fundamental circuit, widely used in many fields such as electrical and circuit fields. A state estimator using various mathematical algorithms is used to improve the performance of a digital phase-locked loop. Traditional state estimators have utilized Kalman filters of infinite impulse response state estimators, and digital phase-locked loops based on infinite impulse response state estimators can cause rapid performance degradation in unexpected situations such as inaccuracies in initial values, model errors, and various disturbances. In this paper, we propose a two-layer Frobenius norm-based finite impulse state estimator to design a new digital phase-locked loop. The proposed state estimator uses the estimated state of the first layer to estimate the state of the first layer with the accumulated measurement value. To verify the robust performance of the new finite impulse response state estimator-based digital phase locked-loop, simulations were performed by comparing it with the infinite impulse response state estimator in situations where noise covariance information was inaccurate.

디지털 유방단층영상합성법의 FBP 알고리즘 적용을 위한 다양한 필터 조합에 대한 연구

이행화,김예슬,이영진,최성훈,이승완,박혜숙,김희중,최재구,최영욱,Lee, Haeng-Hwa,Kim, Ye-Seul,Lee, Youngjin,Choi, Sunghoon,Lee, Seungwan,Park, Hye-Suk,Kim, Hee-Joung,Choi, Jae-Gu,Choi, Young-Wook 한국의학물리학회 2014 의학물리 Vol.25 No.4

최근에 디지털 유방촬영술(digital mammography, DM)의 해부학적 구조의 겹침 현상과 컴퓨터단층촬영영상(computed tomography, CT)의 높은 환자 선량을 해결하기 위해 디지털 유방단층영상합성장치(digital breast tomosynthesis, DBT)에 대한 연구 개발이 활발하게 수행되고 있다. 하지만 DBT 시스템은 제한된 각도로 영상을 획득하면서 급격한 데이터 결핍으로 인해 다른 층의 간섭으로 인한 인공물(artifacts)이 발생한다. 이를 완화시키기 위해 적절한 필터가 필요하다. 본 논문에서는 DBT 시스템에서 FBP 알고리즘을 이용하여 영상재구성 시 발생되는 인공물을 줄이기 위해 적절한 필터조합을 찾는 것이 궁극적인 목적이다. 시뮬레이션과 실제 실험을 통해 동일한 영상 획득조건에서 FBP 알고리즘을 이용해 재구성된 영상을 분석하여 다양한 필터 조합들의 특성을 조사했다. 필터 특성에 대한 평가를 하기 위해 영상 및 프로파일의 분석과 COV (coefficient of variation)를 이용하여 인공물과 잡음에 대한 평가를 하였다. 본 연구 결과를 통해 분광필터(spectral filter)의 파라미터 인자 값들을 조절하여 cut-off frequency를 설정함으로써 고주파 영역에 있는 영상의 잡음을 줄일 수 있었다. DBT 시스템에서 유방팬텀을 재구성한 영상들을 비교했을 때 분광필터의 파라미터 인자를 0.25로 적용한 영상의 결과는 분광필터를 적용하지 않았을 때보다 영상의 잡음을 10%로 감소시킬 수 있었다. 절편두께필터(slice thickness filter)의 파라미터 인자의 값들을 조절하여 정보들의 불균형을 줄임으로써 다른 층의 간섭으로 인한 인공물을 감소시킬 수 있었다. 결론적으로, 본 연구를 통해 FBP 알고리즘으로 재구성했을 때 필터들의 기본 특성을 확인 할 수 있었으며, 적절한 필터 조합이 실제 화질 개선에 기여한 것으로 확인할 수 있었다. 이 연구 결과는 다양한 필터 조합에 따른 잡음과 데이터 결핍에 의한 인공물에 대한 정보를 제공하여 DBT 시스템의 개발 및 임상화적용 연구에 기반이 될 것으로 기대된다. Recently, digital breast tomosynthesis (DBT) has been investigated to overcome the limitation of conventional mammography for overlapping anatomical structures and high patient dose with cone-beam computed tomography (CBCT). However incomplete sampling due to limited angle leads to interference on the neighboring slices. Many studies have investigated to reduce artifacts such as interference. Moreover, appropriate filters for tomosynthesis have been researched to solve artifacts resulted from incomplete sampling. The primary purpose of this study is finding appropriate filter scheme with FBP reconstruction for DBT system to reduce artifacts. In this study, we investigated characteristics of various filter schemes with simulation and prototype digital breast tomosynthesis under same acquisition parameters and conditions. We evaluated artifacts and noise with profiles and COV (coefficinet of variation) to study characteristic of filter. As a result, the noise with parameter 0.25 of Spectral filter reduced by 10% in comparison to that with only Ramp-lak filter. Because unbalance of information reduced with decreasing B of Slice thickness filter, artifacts caused by incomplete sampling reduced. In conclusion, we confirmed basic characteristics of filter operations and improvement of image quality by appropriate filter scheme. The results of this study can be utilized as base in research and development of DBT system by providing information that is about noise and artifacts depend on various filter schemes.

CSD 코드를 이용한 FIR 디지털 필터의 설계

이영석(Young seock Lee) 청운대학교 방송예술연구소 2007 미디어와 공연예술연구 Vol.2 No.-

The hardware complexity of digital filter is mainly dominated by coefficient multiplier. Implementing fixed-point coefficient multiplication as a network of adders, subtractors, and shifters yields lower power consumptiom. In such a filters, the number of adders determines the implementation cost. In transposed implementation of FIR filter, each input is multiple by several coefficients. Considering all the coefficients as a mutiplier block and omitting the redundancies by sharing the common fundamentals among different coefficients, yields great reduction in the number of arithmetic operations. In this paper presents a CSD based algorithm to reduce computational complexity of mutiple constant filter coefficients. Simulation results show that using CSD based method results good improvement in adder cost og mutiplier block. 본 연구는 다양한 멀티미디어 시스템에 사용되는 ASIC반도체의 설계에서 사용되는 디지털필터의 설계에 대한 것이다. 디지털 필터의 설계에서 가장 중요한 요소는 곱셈기의 구현방법이다. 곱셈기는 ASIC제작시 가장 높은 전력과 넓은 면적을 차지하기 때문에 가능한 저전력, 좁은 면적으로 설계를 하는 것이 관건이다. 본 논문에서는 새로운 수 표현 기법인 CSD표현법을 사용하여 디지털 필터를 구현하고 기존의 이진수 표현을 이용한 디지털 필터와 비교분석을 수행하였다. 실험결과는 CSD 표현을 사용한 디지털 필터가 연산량이 기존의 디지털 필터의 비하여 감소한 것을 보였으며 이는 소형화 및 경량화 추세인 임베디드 디지털 멀티미디어 시스템에 적용할 수 있을 것으로 사료된다.

GPU를 이용한 소프트웨어 디지털 필터의 성능개선에 관한 연구

염재환,오세진,노덕규,정동규,황주연,오충식,김효령 한국융합신호처리학회 2018 융합신호처리학회 논문지 (JISPS) Vol.19 No.4

This paper describes the performance improvement of Software (SW) digital filter using GPU (Graphical Processing Unit). The previous developed SW digital filter has a problem that it operates on a CPU (Central Processing Unit) basis and has a slow speed. The GPU was introduced to filter the data of the EAVN (East Asian VLBI Network) observation to improve the operation speed and to process data with other stations through filtering, respectively. In order to enhance the computational speed of the SW digital filter, NVIDIA Titan V GPU board with built-in Tensor Core is used. The processing speed of about 0.78 (1Gbps, 16MHz BW, 16-IF) and 1.1 (2Gbps, 32MHz BW, 16-IF) times for the observing time was achieved by filtering the 95 second observation data of 2 Gbps (512 MHz BW, 1-IF), respectively. In addition, 2Gbps data is digitally filtered for the 1 and 2Gbps simultaneously observed with KVN (Korean VLBI Network), and compared with the 1Gbps, we obtained similar values such as cross power spectrum, phase, and SNR (Signal to Noise Ratio). As a result, the effectiveness of developed SW digital filter using GPU in this research was confirmed for utilizing the data processing and analysis. In the future, it is expected that the observation data will be able to be filtered in real time when the distributed processing optimization of source code for using multiple GPU boards. 본 논문은 GPU를 이용한 소프트웨어(SW) 디지털 필터의 성능개선에 대해 기술한다. 기존에 개발한 SW 디지털 필터는 CPU 기반에서 동작하여 속도가 느린 문제점이 있었는데, EAVN 관측데이터의 디지털 필터링을 위해 GPU를 도입하여 연산속도를 개선하였고, 필터링을 통하여 다른 관측국과의 데이터 처리가 가능하도록 하였다. SW 디지털 필터의 연산속도를 개선하기 위해 Tensor Core가 내장된 NVIDIA Titan V GPU 보드를 사용하였으며, 2Gbps (512 MHz BW, 1-IF)의 95초 관측데이터를 필터링하는데 관측시간의 약 1.1배, 1Gbps (16MHz BW, 16-IF)로 필터링하는데 약 0.78배 처리속도를 각각 달성하였다. 또한 KVN으로 1, 2Gbps 동시관측한 데이터에 대해 2Gbps 데이터를 디지털 필터링하여 기존 1Gbps와 비교한 결과, 교차전력스펙트럼, 위상, SNR 등이 유사한 값을 얻어 본 연구에서 개발한 SW 디지털 필터를 활용한 데이터 처리와 분석을 수행하는데 유효함을 확인하였다. 향후에는 여러 개의 GPU 보드를 사용하기 위한 소스 코드의 분산처리 최적화를 수행할 경우 실시간으로 관측데이터를 필터링할 수 있을 것으로 기대된다.

개량된 분기한정법에 의한 고속연산 2차원 상태공간 디지털필터의 설계

이영호,Lee Young-Ho 한국정보통신학회 2006 한국정보통신학회논문지 Vol.10 No.7

본 논문은 개량된 분기한정법(branch-and bound method)을 이용하여 고속연산이 가능한 2차원 상태공간 디지털 필터의 설계방법을 제안하였다. 설계된 디지털 필터가 갖는 계수행렬의 모든 요소 값들은 오직 2개의 2의 멱수 (powers-of-two) 의 합으로만 표현되어진다. 따라서 제안된 방법으로 설계한 2 차원 상태공간 디지털필터는 간단한 가산연산만으로 수행이 이루어지므로 고속연산이 가능하고, 또한 구조가 간단하며 저가격으로 실현이 가능하다는 장점을 가진다 . 본 논문에서 제안된 방법의 타당성을 설계예시를 통해 고찰한 결과, 설계된 디지털 필터의 근사오차와 군지연특성이 동일한 설계사양으로 연속계수공간에서 설계되어진 디지털필터와 비교하여 유사한 결과를 얻을 수 있었다. This paper presents an efficient design method of 2-D state-space digital filter based on an improved branch-and -bound algorithm. The resultant 2-D state-space digital filters whose coefficients are represented as the sum of two power-of-two terms, are attractive for high-speed operation and simple implementation. The feasibility of the proposed method is demonstrated by several experiments. The results show that the approximation error and group delay characteristic of the resultant filters are similar to those of the digital filters which designed in the continuous coefficient space.

Digital Chest Tomosynthesis에서 부가필터에 따른 화질 및 유효선량

김계선(Kye Sun Kim),김성철(Sung chul Kim) 대한방사선과학회 2015 방사선기술과학 Vol.38 No.4

디지털 흉부단층합성법 검사에서 부가필터 사용에 따른 환자의 선량과 화질의 특성을 비교해보고자 하였다. 부가필터의 종류는 구리, 알루미늄, 니켈을 사용하였으며, 이 때 각 각의 부가필터에 따른 유효선량, 면적선량을 측정해 보았고, 화질의 물리적 평가방법으로 signal to noise ratio (SNR)과 contrast to noise ratio (CNR)을, 시각적 평가방법으로 contrast detail (CD) phantom을 이용한 CD 곡선을 비교하였다. 그 결과 부가필터별 조사선량이 비슷한 두께는 0.3 mmCu, 3 mmAl, 0.3 mmNi 였으며 부가필터를 사용하지 않았을 때 보다 조사선량 값이 평균 33.1% 감소하였다. 각 필터 별 dose area product (DAP) 선량값을 측정한 결과 Ni를 사용하였을 때 선량이 72.9% 감소하여 가장 낮았으며, 필터별 DAP 값은 통계적으로 유의한 차이를 보였다(p The purpose of this study is to suggest proper additional filtration by comparisons patient dose and im-age quality among additional filters in digital chest tomosynthesis (DTS). We measured the effective dose, dose area product (DAP) by changing thickness of Cu, Al and Ni filter to compare image quality by CD curve and SNR, CNR. Cu, Al and Ni exposure dose were similar thickness 0.3 mm, 3 mm and 0.3 mm respectively. The ex-posure dose using filter was decreased average about 33.1% than non filter. The DAP value of 0.3 mm Ni were decreased 72.9% compared to non filter and the lowest dose among 3 filter. The effective dose of 0.3 mm Ni were decreased 48% compared to 0.102 mSv effective dose of non filter. At the result of comparison of image quality through CD curve there were similar aspect graph among Cu, Al and Ni. SNR was decreased average 19.07%, CNR was average decreased 18.17% using 3 filters. In conclusion, Ni filtration was considered to be most suitable when considered comprehensive thick-ness, character, sort of filter, dose reduction and image quality evaluation in DTS.

디지털 자외선 사진을 위한 적정 디지털 카메라 시스템

이영규(Young-Kyu Lee),하동환(Dong-Hwan Har) 한국콘텐츠학회 2010 한국콘텐츠학회논문지 Vol.10 No.7

자외선 사진은 범죄수사, 고고학, 피부의학 등 다양한 분야에서 활용되고 있다. 과거 자외선 사진은 일반적인 흑백필름을 이용하여 촬영하는 경우가 대부분이었는데, 그 이유는 필름의 감광유제로 사용되는 할로겐화은(AgX)성분이 카메라의 센서인 CCD(Charge Coupled Device)혹은 CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)에 비해 자외선에 민감하기 때문이다. 이에 본 논문에서는 보급형 디지털 카메라를 사용하여 자외선 사진의 화질을 개선시키고, 자외선 사진을 위한 최적의 디지털 카메라 특성을 찾는 것을 목적으로 하였다. 이를 위해 디지털 카메라의 적외선 차단 필터를 제거하고, 자외선 투과필터의 개조를 통해 자외선 사진의 화질향상 여부를 검증하였다. 또한 센서의 종류와 크기, 화소수에 따른 자외선 사진의 재현성을 화질측정 요소들을 통해 분석하였으며, 이를 통해 디지털을 이용한 자외선 사진에 가장 적합한 카메라 특성을 찾고자 하였다. 나아가 본 논문을 통해 일반 디지털 카메라를 활용한 자외선 촬영 시스템을 구축할 수 있을 것이며, 이는 결국 디지털 자외선 사진의 폭넓은 활용에 기여할 것으로 기대된다. Reflected-Ultraviolet photography is applied to the evidence of crime, Archaeology, and Dermatology. In the past, Ultraviolet photography was done with standard black-and-white film. Because emulsion of film is more sensitive to near UV light than CCD(Charge Coupled Device) or CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)of digital camera. In this research, we purpose to improve qulity of ultraviolet photographs and to find out the best alternative digital camera by utilizing a cunsumer digital camera. To achieve theses, we removed IR cutoff filter from digital camera. And by using modified UV pass filter, we verified the increase of image resolution of digital ultraviolet photographs. Also, we analyze reproducibility of digital ultraviolet photographs according to type, size, pixel of image sensor. Furthermore, this research resulted in the development of an practical digital camera system by utilizing a cunsumer digital camera. Eventually, it will contribute to practical use in the various field of digital ultraviolet photographs.

철강 온도 분석용 실시간 디지털 필터 설계

이경환 위덕대학교 산업기술연구소 2005 산업기술연구소 논문집 Vol.9 No.1

본 논문에서는 이러한 FIR 및 IIR 디지털 필터 중 현재 철강 분석용으로 사용하고 있는 아날로그 필터를 보다 효과적으로 대치할 수 있는 필터를 선택하고 이를 기반으로 DSP 칩 셋을 활용하는 알고리즘을 만들어 소프트웨어 레벨의 디지털 필터 회로를 디자인 한다. FIR 필터를 디자인 하는 방법으로는 windows design 방법, discrete-least-square design 방법, Parks-McClellan 방법이 대표적이며, IIR 필터를 구현하는데 사용되는 구조는 여러 가지가 있지만 Direct Form과 Cascade Form 두 가지를 주로 이용한다. 본 논문에서는 이러한 방법을 이용하여 철강 분석용으로 사용하고 있는 Analog 필터를 효과적으로 대치하며 또한 디지털화 됨으로써 가지는 장점을 보다 높일 수 있는 방법을 구해내었다. In this paper, we have selected the proper filter which can replace the conventional analog filter in steel temperature analysis, prepared the algorithm with DSP chipset, and then designed the proper digital filter circuit. There are some methods to design the FIR filter(windows design method, discrete-least-square design method, and Parks-McClellan method) and design the IIR filter(Direct Form method, Cascade Form method). By using these methods, the enhanced digital filter circuit is obtained and replace the conventional analog filter in steel temperature analysis effectively and analog device structures, careful transistor design including the level of the biased gate voltage and the channel length is therefore required for optimal voltage gain (AV = gm / gds) in analog circuit.

데이터획득시스템에서 아날로그 vs. 디지털 필터의 비교분석

이상래,노성민,김주년,마근수 한국항공우주학회 2012 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2012 No.11

데이터획득시스템에서 채널 입력신호는 PCM 신호로 만들면서 에일리어싱 현상이 발생되지 않아야 하는 동시에 정해진 채널 데이터 레이트에서 가능한 높은 주파수영역까지 취득하면 좋은 것이다. 이러한 요구조건을 만족하는 Anti-aliasing 필터는 이상적이어야 하지만 현실은 그렇지가 못하며 관련 하드웨어 용량 및 성능이 따라야 한다. 본 논문에서는 이러한 필터를 2가지 설계 규격을 설정하여 유사한 규격으로 아날로그 및 디지털 필터로 설계하고 그 결과에 대해 상호간에 주파수응답특성을 비교, 분석하여 설계 타당성 검토를 수행하였다. 특히 k = 4, fs = 2.5 x fc 및 감쇄 기울기가 60㏈/octave 일 때, 아날로그 필터는 10차 버터워스 필터가 요구되고 디지털 필터는 임펄스 응답길이가 49 인 Type-1 FIR 필터가 요구된다. Aliasing phenomena should be prohibited in a data acquisition system while generating PCM signals from channel input signals. At the same time, the acquisition data will be fine if the signals can be obtained up to higher frequency band possibly. In order to satisfy these requirements, the anti-aliasing filter should be closer to the ideal filter. But the related hardware might not be apply to the filter in real world. This paper shows the difference between the ideal and real world through the design and analysis results with two types of specifications. Especially when the design specification of the real world is k = 4, fs = 2.5 x fc and attenuation decline = 60㏈/octave, the analog hardware requires the butterworth low pass filter with 10 order pole and the digital one requires the Type - 1 FIR filter with 49 impulse response length.