I nte rna t io na l J o urna l o f   E lect rica l a nd   Co m p ute E ng in ee r ing   ( I J E CE )   Vo l.   7 ,   No .   3 J u n e   201 7 ,   p p .   1316 ~ 1 3 2 5   I SS N:  2 0 8 8 - 8708 DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 / i j ec e . v7 i 3 . p p 1 3 1 6 - 1325          1316       J o ur na l ho m ep a g e h ttp : //ia e s jo u r n a l.c o m/o n lin e/in d ex . p h p /I JE C E   H ig h Spe ed U nde r - Sa m pling  F req uency  Mea sure ments o FP G       Sey ed  E h s a n Ya s re bi Na ein i Ali M a ro o s i   De p a rte m e n o f   El e c tri c a a n d   Co m p u ter E n g in e e rin g ,   Un iv e rsity   o f   T o rb a He y d a rieh Ira n       Art icle  I nfo     AB ST RAC T     A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   Feb   1 0 ,   2 0 1 7   R ev i s ed   Ma y   6 ,   2 0 1 7   A cc ep ted   Ma y   2 1 ,   2 0 1 7       A   S a m p li n g   ra te  is  les th a n   Ny q u ist   ra te  i n   so m e   a p p li c a ti o n b e c a u se   o h a rd w a re   li m it a ti o n s.  Co n se q u e n tl y ,   e x ten siv e   r e se a r c h e h a v e   b e e n   c o n d u c ted   o n   f re q u e n c y   d e tec ti o n   f ro m   su b - sa m p led   sig n a ls.   P re v io u s stu d ies   o n   u n d e r - sa m p li n g   f re q u e n c y   m e a su re m e n ts  h a v e   m o stl y   d isc u ss e d   u n d e r - sa m p li n g   f re q u e n c y   d e tec ti o n   i n   th e o ry   a n d   su g g e ste d   p o ss ib le  m e th o d f o r   f a st  u n d e r - sa m p li n g   f re q u e n c ie d e tec ti o n .   T h is  stu d y   e x a m in e d   f e su g g e ste d   m e th o d o n   F iel d   P r o g ra m m a b le  G a te  A rra y   (F P GA f o f a st   u n d e r - sa m p li n g   f re q u e n c ies   m e a su re m e n t.   Im p le m e n tatio n   o f   th e   su g g e ste d   m e th o d o n   F P G A   h a s   issu e s   th a m a k e   th e m   i m p ro p e f o r   fa st  d a ta   p ro c e ss in g .   T h is  stu d y   tas tes   a n d   d isc u ss e d if fe re n m e th o d f o f re q u e n c y   d e tec ti o n   in c l u d in g   L e a st  S q u a re (L S ),   Dire c S tate   S p a c e   (DSS ) ,   G o e rtze l   f il ter,  S li d in g   DFT ,   P h a se   c h a n g e o f   F a st  F u rrier  T r a n sf o r m   ( F F T ),   p e a k   a m p li tu d e   o f   F F T   to   c o n c l u d e   w h ich   o n e   f ro m   th e se   m e th o d a re   su it a b le  f o f a st  u n d e r - sa m p li n g   f re q u e n c ies   d e tec ti o n   o n   F P G A .   M o re o v e r,   o u r   p ro p o se d   a p p ro a c h   f o su b - sa m p li n g   d e tec ti o n   f ro m   re a w a v e f o r m   h a les s   c o m p lex ti t y   th a n   p re v io u s ap p ro a c h e s f ro m   c o m p lex   w a v e f o r m .   K ey w o r d :   C h i n e s r e m i n d er   th eo r e m   Field   p r o g r am m ab le  g ate  ar r ay s   Fre q u en c y   m ea s u r e m e n t   Sig n al  u n d er - s a m p l in g   Su b - n y q u i s t sa m p li n g     Co p y rig h ©   2 0 1 7   In stit u te o A d v a n c e d   E n g i n e e rin g   a n d   S c ien c e .     Al rig h ts  re se rv e d .   C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   Se y ed   E h s an   Ya s r eb i N ae in i   Dep ar te m en t o f   E lectr ical  an d   C o m p u ter   E n g in ee r i n g ,   Un i v er s it y   o f   T o r b at  Hey d ar ieh ,   T o r b at  Hey d ar ieh ,   I r an .   E m ail:  e. y asre b i@ to r b ath . ac . ir       1.   I NT RO D UCT I O N     B ec au s o f   h ar d w ar li m it s ,   th s a m p lin g   r ate  s h o u ld   b b elo w   t h N y q u is t   r ate  in   s o m e   ap p licatio n s .   I n   th e s ca s e s ,   t h i n p u f r eq u e n cie s   s h o u ld   b d eter m in ed   f r o m   th e ir   s u b - s a m p led   w av e f o r m s .   T h an alo g   to   d ig ital  co n v er te r s   ( A DC s )   an d   o th er   p r o ce s s in g   p ar ts   ca n   w o r k   at  lo w   s a m p l in g   r ates.  T h u s ,   t h co s is   lo w ,   an d   m a n ag e m e n an d   p r o ce s s in g   o f   th s a m p led   d ata   ar ea s ier   [ 1 ] [ 2 ] .   Dete r m in at io n   o f   f r eq u en c y   f r o m   its   m u ltip le  u n d er - s a m p led   w a v ef o r m s   h as  b ee n   co n s id er ed   f o r   v ar io u s   a p p licatio n s ,   s u ch   a s   s en s o r   n et w o r k s   [ 2 ] [ 3 ]   an d   p h ase  u n w r ap p in g   [ 4 ] .   I n   ad d itio n ,   it  h as  b ee n   u s ed   i n   s y n t h etic  ap er tu r r ad ar   ( SAR )   i m ag i n g   o f   m o v i n g   tar g ets  [ 5 ] .   I h as  b ee n   u s ed   f o r   w id f r eq u en c y   b an d ,   f o r   w h i ch   th a v ailab le  b an d   f r eq u en c y   is   g r ea ter   t h an   th e   s a m p li n g   r ate  [ 6 ] .   Ma n y   atte m p ts   h a v b ee n   m ad to   u s e   t h C h i n ese   r e m i n d er   th eo r e m   t h at  r ec o n s tr u ct s   a   lar g in teg er   f r o m   it s   r e m ain d er   m o d u le s   f o r   u n d er - s a m p l in g   f r eq u e n c y     d etec tio n s   [ 7 - 9 ] .   T h m e n tio n ed   ap p r o ac h es  d is c u s s   e s ti m atio n   f r eq u en c ies  f r o m   u n d er - s a m p led   co m p le x   w a v e f o r m s .   I n   an   ea r lier   w o r k ,   w i n tr o d u ce d   f o r m u la  t o   d eter m in f r eq u en c ies  f r o m   u n d er - s a m p led   r ea w a v e f o r m s   [ 1 ] .     Fo r   h ig h - s p ee d   p r o ce s s in g   o f   s ig n a ls ,   it  is   n ee d ed   to   u s e m b ed d ed   s y s te m s   lik t h F P GA .   T h is   s tu d y   ad o p ted   th u n d er - s a m p lin g   f r eq u e n c y   d etec t io n   o n   th FP GA .   So m e x p er i m en tal  n o te s   f o r   i m p le m en ta t io n   ar d is cu s s ed   in   t h is   p ap er .   I n   th is   w o r k ,   d if f er en m et h o d s   f o r   r ea lizatio n   o f   u n d er - s a m p li n g   f r eq u en c y   d etec t io n   w er te s te d   o n   th e   FP G A   a n d   th m o s a p p r o p r iate  o n w a s   c h o s e n .   T h ese  n o tes  ca n   a ls o   b u s ef u l i n   o th er   s i m ilar   i m p l e m en tatio n s ,   s u c h   as   f ilter   i m p le m e n tatio n   o n   th FP G A .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J E C E     I SS N:  2 0 8 8 - 8708       Hig h   S p ee d   Un d er - S a mp lin g   F r eq u en cy   Mea s u r eme n ts   o n   F P GA   ( S ey ed   E h s a n   Ya s r eb N a ein i )   1317   2.   P RO B L E M   ST AT E M E NT   Ass u m th er i s   s ig n al  w it h   f r eq u e n c y k F ,   co m p lex   wav ef o r m s   ( t F j k k k e A t S 2 ) ( )   o r   r ea l   w a v e f o r m s   ( ) 2 c o s ( ) ( t F A t S k k k   [ 1 ] ,   w h er k A   is   th e   am p li tu d o f   s i g n a w ith   f r eq u en c y   k F   an d   p h ase .   Ho w e v er ,   t h p r o p o s ed   i m p l e m en tatio n   o f   u n d er - s a m p li n g   f r eq u e n cie s   d etec tio n   o n   th e   FP GA  is   u s ef u l   f o r   b o th   r ea w a v ef o r m s   [ 1 ]   an d   co m p lex   w a v e f o r m s   [ 8 ] .   Her e,   w p r esen t h f o r m u la  f o r   r ea w a v ef o r m s .   T h is   s i g n al   is   s a m p led   w i th   p   A D C s   ( s en s o r s )   at  r ate  sp s s f f f ,..., , 2 1 th at  s i g n al   f r eq u e n c y   m a y   b les s   t h an   all  s a m p li n g   f r eq u en c ies,  t h at   is   p i F f k si ,..., 1 , 2   ( m u ltip le   s a m p li n g   r ates  ar b elo w   th e   N y q u i s r ate) .   I f   s a m p l in g   f r eq u en cie s   ar ch o s en   p r o p er ly ,   th u n a m b i g u o u s   a n alo g   f r eq u en c y   est i m a tio n   k F ˆ is   ac h iev ed .       0 f s / 2 3 f s / 2 f s 2 f s . ( n - 1 ) f s n f s U n d e r - s a m p l e d   f r e q u e n c y f s / 2 F   Fig u r 1 .   A lia s ed   f r eq u e n c y   a s   f u n ctio n   o f   an alo g   f r eq u e n c y   af ter   s a m p li n g   at  f s       A cc o r d in g   to   Fi g ir e   1 ,   t h r elatio n s h ip   b et w ee n   f r eq u e n c y   o f   u n d er - s a m p led   w a v ef o r m   u f   ( i n g u n d e r s a m p l f )   an d   an alo g   f r eq u en c y   F ca n   b o b tain ed   as f o llo w s :     s u mf F f   o r   s u nf F f               ( 1 )     I n   ( 1 ) ,   m an d   n   ar in teg er   n u m b er s   an d   s f   is   s a m p li n g   f r eq u e n c y .     T h is   s tu d y   ai m ed   to   u n d er s ta n d   h o w   to   i m p le m e n s u b - N y q u is f r eq u e n c y   d etec tio n   ap p r o ac h   o n   t h e   FP GA   to   f in d   a   f r eq u e n c y   m o r th a n   1   GH z .   T h u s ,   w n ee d ed   h i g h - s p ee d   p r o ce s s in g   ap p r o ac h   ( ar o u n d   2 0 0   MHz )   w i th   lo w   u s o f   FP G r eso u r ce s .   U s u a ll y ,   w h e n   a   s ig n al  is   p r o ce s s ed ,   m an y   p a r a m eter s   s h o u ld   b ex tr ac ted ,   an d   f r eq u en c y   i s   a m o n g   t h e m .   Hen ce ,   r e s o u r ce s   o f   FP G A   s h o u ld   b r es er v ed   f o r   o th er   r eq u ir ed   p r o ce s s in g   ( b esid es  f r eq u e n c y   m ea s u r e m e n t)   o n   t h r ec eiv ed   s ig n al  as  m u c h   as p o s s ib le.       3.   T E ST I N G   AND  DI SCU S SI O O F   DIFF E RE N T   M E T H O DS O F P G     Fre q u en c y   esti m atio n   p la y s   an   i m p o r tan r o le  in   m a n y   d i g it al  s ig n als  p r o ce s s i n g   ap p licat i o n s .   T h er ar d if f er e n m et h o d s   f o r   f r e q u en c y   est i m at io n ,   s u c h   as  t h Di s cr ete  Fo u r ier   T r an s f o r m   ( DFT ) ,   th L ea s t   Sq u ar es  ( L S),   an d   th Dir ec State  Sp ac ( DSS)  [ 1 0 ] [ 1 1 ]   th at  ar ap p lied   in   s eq u en tial  p lat f o r m s   li k e   m icr o p r o ce s s o r s .   Dif f er en m et h o d s   o f   u n d er - s a m p li n g   f r eq u e n cies  d etec t io n   o n   t h FP G A   h av e   n o t   d is cu s s ed   in   p r ev io u s   s t u d ies t h at  w ar test ed   an d   d is c u s s e d   b elo w .     3 . 1 .   L i m it a t io n o f   DSS a nd   L met ho ds   o n F P G A   T h DSS  a n d   L S   m eth o d s   ap p ea r   to   w o r k   b etter   t h an   t h DFT   alg o r ith m   s i n ce   t h al g o r ith m   d o es   n o h av d is cr ete  b in   s ize s .   B u th co m p u tatio n a in te n s it y   cr ea tes  ch alle n g i n g   p r ac tical  r ea tim e ;   th er ef o r e,   w d id   n o t u s t h ese   t w o   m e th o d s .     3 . 2 .   L i m it a t io ns   o f   G o er t ze l f ilte a nd   Sli di ng   DF T   o n F P G A   ba s ed  o n o ur  t esting   Sev er al  p r o p er t ies  o f   t h DF T   m a k it   s u itab le  f o r   p ar a llel  i m p le m e n tat io n .   T h er ar d if f er en t   k in d s   o f   DFT   r ea lizatio n ,   s u c h   as  th Go er tzel  f il ter ,   th Sli d in g   D FT   ( SDFT )   an d   th Fas Fo u r ier   T r an s f o r m   ( FF T )   an d   th o s r elate d   to   th Fo u r ier   T r an s f o r m .   W co m p ar ed   s e v er al  m et h o d s   o f   Fo u r ier   T r an s f o r m   f o r   ex tr ac ti n g   f r eq u en cie s   o f   s i g n als,  an d   ch o s th m e th o d   th at  o cc u p ied   s m a ll  ar ea   in   th e   FP GA   ( g ates)   an d   y ield ed   an   ac cu r ate  f r eq u en c y ,   w h ile  k ep t t h p r o ce s s i n g   s p e ed   h ig h .   T h Go er tzel  f ilter   i s   t y p ica ll y   i m p le m e n te d   as  a   s ec o n d - o r d er   I I R   b an d   p ass   f ilter   [ 1 2 ] .   T h Go er tzel  alg o r ith m   ca n   e x tr ac ar b itra r y   f r eq u e n c y   co m p o n en ts   f r o m   g iv e n   s ig n al.   T r an s f o r m atio n   o f   th e   o u tp u t r esp o n s f o r   th Go er tz el  alg o r ith m   is   a s :   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I J E C E     Vo l.  7 ,   No .   3 J u n 2 0 1 7   :   1 3 1 6     1 3 2 5   1318   N k z z N k z e z H N k j k ,..., 1 ; ) 2 c o s ( 2 1 1 ) ( 2 1 1 / 2           ( 2 )     T h f o llo w i n g   E q u a tio n s   ca n   b d er iv ed   f r o m   ( 2 ) :     ] 1 [ ] [ ] [ ,..., 1 ], 2 [ ] 1 [ ) / 2 c o s( 2 ] [ ] [ / 2 n x e n v n y N n n v n v N k n x n v N k j k         ( 3 )     T h Go er tzel  f ilter   is   i m p r es s iv f o r   f ast  p r o ce s s i n g   i m p l e m en tatio n ,   b ec au s r eg ar d less   o f   N ,   it  r eq u ir es  co n s ta n n u m b er   o f   o p er atio n s   to   co m p u te  s u cc ess i v DFT   o u tp u t.  T h f il ter   ca n   b r ea lized   w it h o u in p u b u f f er i n g ,   b ec au s ea ch   s a m p le  ca n   b p r o ce s s ed   as  r ec eiv ed .   W ca n   r elate   th DFT s   o f   t w o   s u cc e s s i v w in d o w ed   s eq u e n ce s ,   ea ch   o f   len g t h   N   as  th Sli d in g   DFT   ( SDFT ) .   T h SDFT   is   ap p r o p r iate ,   b ec au s r eg ar d les s   o f   N ,   it  r e q u ir es  co n s ta n n u m b er   o f   o p er atio n s   to   co m p u te  a   s u cc ess i v DFT   o u tp u t   [ 1 3 ] ,   tw o   r ea l a d d s   an d   o n co m p lex   m u ltip l y   f r o m   t h f o llo w i n g   E q u atio n :     N k j k k e n x N n x n y n y / 2 )] ( ) ( ) 1 ( [ ) (           ( 4 )     W tr ied   to   i m p le m en t h S DFT   an d   th e   Go er tzel  f ilter   te ch n iq u es   ( w ith   s i m i lar   s tr u ctu r es)  o n   t h e   FP GA   b y   t h Xi lin x   I SE   s o f t w ar e.   I s ee m s   th at   i m p le m e n tatio n   o f   th e s t w o   tec h n iq u es  r eq u ir es  s m al q u an tit y   o f   g ates  i n   t h FP G A.   Ho w ev er ,   w en co u n ter ed   s o m p r o b le m s ,   s o lv i n g   o f   w h i ch   in cr ea s ed   u s a g o f   g ate s .   T h u s ,   a m o u n o f   g a tes  u s ag m a k es  th SDFT   o r   th Go er tzel  f i lter   i m p r ac ti ca l.  T h f o llo w i n g   d is cu s s es p r o b le m s   i n   i m p le m en tatio n   o f   th SDFT   o r   Go er t ze l f ilter   o n   t h FP G A .   T h q u an tiza tio n   e f f ec ts   i n   d ig ital  f ilter s   r ea lized   w ith   f ix ed - p o in ar ith m etic  w er a n al y ze d   b y   B er ald in   an d   Steen aa r ( 1 9 8 9 )   [ 1 4 ] .   Du to   th co ef f icie n t   q u an tizatio n ,   th p o les  an d   ze r o s   o f   th s y s te m   f u n ctio n   m o v f r o m   t h eir   id ea p o s itio n s   to   t h q u a n tized   p o s it io n s   in   t h z - p lan e.   T h er ef o r e,   f o r   d ec r ea s in g   th is   e f f ec t,  r eg is ter s   b it s   n u m b er   s h o u ld   b i n cr ea s ed .   I n   s i m u latio n ,   it  w as  f o u n d   t h at  f o r   to ler ab le  er r o r   w e   s h o u ld   ch o o s r eg is ter s   o f   s i n   an d   co s   ( N k j e / 2 )   m o r th a n   1 2   b its ,   a n d   r eg is ter   o f   t h p r ev io u s   v al u o f   SDFT   ( ) 1 ( n y k )   s h o u ld   b m o r th a n   3 6   b i ts .   W u s ed   th r eg is ter   w it h   m o r b its   s i n ce   in cr ea s ed   n u m b er   o f   r eg is ter   b it s   w i ll  d ec r ea s er r o r   o f   q u a n tizat io n .   Q u a n tizatio n   e f f ec o f   i m p le m e n ti n g   t h SDFT   ca u s ed   er r o r ;   th er ef o r e,   it  w a s   u p d ated   b y   n o n - r ec u r s iv FF T   o u tp u af t er   s o m s a m p les  p er io d icall y .   W u s ed   th FF T   co r w i th   R ad i x - 2   L ite,   B u r s t   I /O  s tr u ctu r f o r   u p d atin g   th SDFT .   T h FF T   w ith   R ad ix - 2   L ite  t y p u s e s   DSP 4 8 E s   ( g ates)   les s   th a n   o t h er   t y p es   alth o u g h   t h late n c y   b et w ee n   in p u a n d   ca lcu lat i o n   o f   F FT   is   lo n g er   th an   o t h er   s tr u ct u r es.  W h ad   to   r is b its   o f   r eg is ter s   in   th SD FT ,   th u s   w co u l d   n o u s ( 4 )   f o r   i m p le m en ta tio n   o f   t h e   SDFT   in   h i g h   s p ee d   u s a g ( m o r e   th an   1 5 0   MH z) .   T h r ea s o n   w a s   t h at  w e   co u ld   n o t   ca lcu late  t h p r ev io u s   s a m p l o f   SDFT   ) 1 ( n y k   in   o n clo ck   s a m p lin g .   W h ad   to   u s m o d i f ied     E q u atio n   ( 5 ) ,   w h ic h   d escr ib es  th r elatio n s h ip   b et w ee n   th n e w   s a m p le  th at  s h o u ld   b ca lcu lated   an d   th r ee   p r ev io u s   s a m p les  o f   t h SDF T .   A s   s u ch ,   w s o l v ed   th p r o b le m   o f   s p ee d ,   b u as  r esu lt,  th n u m b er   o f   u s e d   m u ltip lier s   f o r   th i m p le m e n ta tio n   r aised .   T h er ef o r e,   w u s e d   an o th er   m et h o d   to   d etec t f r eq u en c y .     N k j N k j b i t s N k j b i t s b i t s k k e n x N n x e n x N n x e n x N n x n y n y / 2 / 2 2 18 / 3 2 15 42 )] ( ) ( [ )] 1 ( ) 1 ( [ ] ) 2 ( ) 2 ( ) 3 ( [ ) (     ( 5 )     3 . 3 .   L i m it a t io n o f   P ha s Cha ng es o f   F F T   ba s ed  o n o ur  T estin g   Mo r eo v er ,   w u s ed   t h FF T   f o r   d iv id in g   to tal  b an d   i n   to   s m al s u b - b a n d   ( ch an n eliza t io n   o f   b a n d ) ,   f o llo w ed   b y   p h a s ch a n g e s   o f   th Fo u r ier   tr an s f o r m   o u tp u to   d etec f r eq u en cies   [ 1 5 ] .   T h p h ase  ch an g f o r   m   s a m p le( s )   ca n   b o b tain ed   f r o m   t h f o llo w in g .   I f   ] [ ]} [ { k X n x F   is   th k th   co m p o n en o f   t h d is cr ete  Fo u r ier   tr an s f o r m   o f   x [ n ]   w it h   p o in t( s ) ,   th en   t h DFT   af ter   m   s a m p le( s )   is   a s :     ] [ ]} [ { / 2 k X e m n x F N km j               ( 6 )     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J E C E     I SS N:  2 0 8 8 - 8708       Hig h   S p ee d   Un d er - S a mp lin g   F r eq u en cy   Mea s u r eme n ts   o n   F P GA   ( S ey ed   E h s a n   Ya s r eb N a ein i )   1319   T h is   tech n iq u i s   s i m i lar   to   f r eq u en c y   esti m at io n   tec h n iq u e   in   ti m d o m ai n   [ 1 6 ] ,   b u th d if f er e n ce   is   th at  it  is   also   u s e f u f o r   m u lti  s i n u s o id al  s ig n al.   Af ter   w s i m u lated   th is   tec h n iq u in   th Xili n x   I SE,   th e   ex tr ac ted   f r eq u en c y   w a s   n o t a cc u r ate,   b ec au s e   q u a n tizatio n   ef f ec ts   o f   t h FF T   o u tp u t   ca u s ed   er r o r   in   its   p h ase   o u tp u t.  T h ex tr ac ted   f r eq u e n c y   f r o m   t h q u a n tized   p h a s w a s   n o t a cc u r ate;  t h u s ,   w u s ed   d if f er e n m e th o d .   P r o b lem s   ass o ciate d   w it h   t h m e n tio n ed   ap p r o ac h es  o f   f r eq u e n c y   e s ti m atio n   o n   th FP G p er s u ad ed   u s   to   u s p ea k   o f   F FT   s p ec tr u m   a m p l itu d e.   T h is   m et h o d   h as  n o s h o r tco m i n g   o f   p r ev io u s   m eth o d s .   T h u s ,   w d escr ib ed   m o r th is   m et h o d   in   th n ex t sectio n .       3 . 4 .   P ea k   o f   P o w er   Am pli t ud o f   F F T   O utput   f o F a s t   Undersa m pli ng   F re qu ency   D et ec t io n   I n   th p r ev io u s   p ar ts ,   w p r ac ticall y   tes ted   d if f er e n m et h o d s   th at  s ee m   to   b u s ef u ll  ap p r o ac h es  f o r   f ast  f r eq u e n cies  d etec t io n   o n   FP GA .   Ho w e v er ,   th ese  ap p r o ac h es  i n cl u d in g ,   DS S,  Go er tzel  f ilter ,   s lid in g   DFT   an d   p h ase  ch a n g es  o f   FF T   h av th eir   o w n   li m itatio n   f o r   i m p l e m en tatio n   o n   FP G A .   P r ev io u s   s tu d ie s   [2 ] [7 - 9]   tr ied   to   ex tr ac t   i n p u t   f r eq u e n c y   f r o m   co m p ex   w a v e f o r m .   Ho w e v er ,   co n v er tin g   r ec eiv e d   s ig n al   to   t w o   p ar ts   I n p h ase  ( r ea l)   an d   Qu ad r atir e   ( i m ag i n ar y )   p ar t s   n ee d   e x tr eq u ip m en ( See  Fig u r 2   ( a) ) .   Sin ce ,   co m p lex   w a v e f o r m   h as  t w o   p ar ts ,   i n p h ase  a n d   q u ad r atu r e;  t h u s ,   t wo   A D C s   ar n ee d ed   f o r   s a m p lin g   at  r ate  s f . T h p r o p o s ed   ap p r o ac h   u s ed   u n d e r s a m p li n g   r ea w a v e f o r m   to   e x tr ac t h f r eq u e n c y   o f   in p u s ig n a l.  T h u s   it   n ee d s   o n A D C   p er   s a m p lin g   f r eq u en c y   an d   n o   n ee d   ex tr eq u ip m e n to   co n v er r ec eiv ed   s ig n a to   co m p le w a v e f o r m   ( See  Fi g u r e   2   ( b ) ) .         A D C f s 1 M H z F F T N   p o i n t . . . F F T N   p o i n t f   ̃ u 1 . . . f   ̃ u p f a n a l o g I n p u t   a n a l o g   S i g n a l [ 0 - F m a x ] H z A D C f s 1 M H z F F T N   p o i n t C a l c u l a t e   f a n a l o g   f r o m   f   ̃ u 1 ,   . . . ,   f   ̃ u p f   ̃ u 1 . . . f   ̃ u p f a n a l o g I n p u t   a n a l o g   S i g n a l [ 0 - F m a x ] H z I n p h a s e / Q u a d r a t u r e A D C f s 1 M H z A D C . . . F F T N   p o i n t A D C . . . A D C f s p M H z F F T N   p o i n t A D C f s p M H z . . . A D C f s p M H z ( a ) ( b ) I Q C a l c u l a t e   f a n a l o g   f r o m   f   ̃ u 1 ,   . . . ,   f   ̃ u p F F     Fig u r e   2 .   B lo ck   d iag r a m   o f   u n d er s a m p lin g   f r eq u en c y   d etec ti o n   f r o m   ( a)   co m p lex   w a v e f o r m   o f   p r ev io u s   s tu d ie s   [2 ] [7 - 9 ]   an d   ( b )   p r o p o s ed   ap p r o ac h   f r o m   r ea w av e f o r m   t h at       P r o p o s ed   f r eq u en c y   d eter m in a tio n   p r o ce d u r f o r   u n d er - s a m p lin g   r ea w a v e f o r m :   B y   co n s id er in g   Fi g u r e   2 ,   th b elo w   p r o ce d u r w as   p r o p o s ed   f o r   f r eq u en c y   esti m at io n   in   n o is y   u n d er - s a m p led   r ea w a v ef o r m   Ste p1 :   Get  th m a x i m u m   r a n g o f   in p u s ig n al  f r eq u e n c y m a x F   w h er ] , 0 [ m a x F F .   Ste p2 :   Select  th d esire d   s a m p lin g   f r eq u e n c y   b a n d   as  ] , [ m a x m i n f f f si   w h i ch   th f r eq u e n cies  m i n f   an d   m a x f   ar d eter m in ed   w i th   r esp ec t o   p o w er   li m itatio n   o r   p r o ce s s in g   li m itat io n   s p ee d   in   FP GA ,   c h ar ac ter is tic   o f   u n d er - s a m p lin g   a n d   o th er   co n s tr ain s   th at  i s   i m p o r ta n t in   p r a ctica l i m p le m e n tatio n .   Ste p3 :   Dete r m in a tio n   t h n u m b er   o f   A DC   a n d   f i n d   th e ir   s a m p lin g   f r e q u e n cies a s :   - Get  t h n u m b er   o f   ADC,  i.e .   p   th en   f in d   t h s a m p lin g   f r eq u en cies t h at  h av m a x i m u m   m i n   [ 1 ]   as f o llo w s   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I J E C E     Vo l.  7 ,   No .   3 J u n 2 0 1 7   :   1 3 1 6     1 3 2 5   1320   } 2 ,....., 1 , 0 { } ] ; ,..., ,..., ..., , ,..., [ m a x { m i n ; 4 / m a x ' ' ) 1 ( ' 1 ' ' ) 1 ( ' 1 ' ' 1 ' 1 2 ' 2 1 ' 1 ,..., ,..., m i n m i n m a x ' ' ' 1 i i sp p p s p sp p si i i s i si i sp p s s s k k k k k f k f k f k f k f k f k f k f k f k f k p i       ( 7 )     W h er m a x   is   th m ax i m u m   to ler ab le  er r o r   an d   si i f F k / m a x m a x .   T h f r eq u en cies t h at  h av m i n i m u m   d i s tan ce s   b et w ee n   t h eir   r e m in d er s   [ 1 ]   s atis f ied   f o llo w i n g   r elatio n   s h ip s :     2 / ) ... ... ( , 2 / ) ... ... ( 2 2 2 2 2 1 1 1 1 2 2 1 1 1 ' 2 2 2 2 2 1 1 1 1 2 2 1 1 1 M f f f N f f f F M f f f N f f f F G sM M G s G s G sN N G s G s G sM M G s G s G sN N G s G s     ( 8 )     W h er p N M   in   w h ic h   2 1 2 1 1 1 , G si M i G si N i f I f I   th en   si p i f I I 1 2 1 } ,..., 2 , 1 , 0 { m a x i i   an d   } 2 ,..., 2 , 1 , 0 { m a x i i   in   w h ich   i m a x an d   i m a x   ar th m i n i m u m   in teg er s   t h at  m a x 1 m a x F f G si i   an d   m a x 2 m a x F f G si i .     A   p s e u d o   co d f o r   s am p li n g   f r eq u en cie s   s elec tio n   is   as  f o llo w s :   C h o o s t h p i f si ,..., 1 ;   s u c h   t h at  ] , [ m a x m i n f f f si   w er e   m i n f   an d   m a x f   ar d eter m in ed   w it h   r esp ec to   p o w er   li m itatio n o r   p r o ce s s in g   li m itat io n   s p ee d   in   FP G A ,   c h ar ac ter is tic   o f   u n d er - s a m p lin g   a n d   o th er   co n s tr ain s   t h at  is   i m p o r tan t i n   p r ac tical  i m p le m e n tatio n .   B eg in   o f   co d e:   m i n 1 f f s   w h ile  m a x 1 f f s   1 ; 1 m i n 1 1 i f f f f si s s   w h ile  m a x 2 f f s   2 ; 1 m i n 2 2 i f f f f si s s     w h ile  m a x ) 1 ( f f p s   1 ; 1 m i n ) 1 ( ) 1 ( p i f f f f si p s p s       w h ile  m a x f f sp   1 sp sp f f   Fin d   t h m in i m u m   v alu o f   ( 7 )   w it h   r esp ec to   p i f si ,..., 1 ;   an d   d if f er en v alu o f   i k   in   ( 7 ) Sav t h p i f si ,..., 1 ;   th at  m a x i m ize  t h m in i m u m   d is tan ce   ( i.e .   m i n )   as d esire d   s a m p lin g   f r eq u e n c y .   E n d   o f   co d e     Or ,   g et  th v ar ian ce   ( 2 )   o f   th n o is th at  t h p r o p o s ed   alg o r i th m   s h o u ld   b ex tr ac th d esire d   f r eq u en c y   u n iq u el y ,   i.e .   b y   u s i n g   o f   ( 7 )   an d   m a x ca lcu late  m i n an d   n a m it  as   n ee d ed   m i n ( i.e .   ) ( mi n n e e d e d ) .   A ls o ,   n a m e   th e   m a x i m u m   r an g o f   i n p u s i g n al   f r eq u e n c y   m a x F   as  ) ma x ( n e e d e d F   an d   f i n all y   f in d   t h m i n i m u m   n u m b er   o f   A D C   ( n u m b er   o f   f r eq u en c y   s a m p li n g )   b y   co n s id er in g   t h m a x i m u m   to ler ab le  v ar ian ce   o f   n o is as   ( 7 ) .   T o   d o   th is ,   w s tar w it h   th r ee   ADC,  i.e .   p =2 .   Sin ce   w h av t h s a m p li n g   f r eq u e n c y   b a n d   as  ] , [ m a x m i n f f f si   an d   r an g o f   i n p u s i g n a as  ] , 0 [ m a x F F .   T h u s ,   w ca n   ca lc u late  t h m i n i m u m   o f   m i n s   i n   ( 7 )   w ith   r esp ec t o   d if f er e n v alu e s   o f   i k ,   an d   co m p ar it  w it h   ) ( mi n n e e d e d .   I f   m in i m u m   v al u o f   m i n ,   f r o m   ( 7 ) ,   is   s m a ller   th an   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J E C E     I SS N:  2 0 8 8 - 8708       Hig h   S p ee d   Un d er - S a mp lin g   F r eq u en cy   Mea s u r eme n ts   o n   F P GA   ( S ey ed   E h s a n   Ya s r eb N a ein i )   1321   ) ( mi n n e e d e d ,   in   th i s   ca s e,   t h b an d   o f   s a m p lin g   f r eq u e n cies,  i.e .   ] , [ m a x m i n f f f si ,   s h o u ld   b in cr ea s ed .   T o   d o   th is ,   it  is   p o s s ib le  to   d ec r ea s t h l o w er   b an d   ( m i n f ) .   Ho w e v er ,   it   ch a n g e s   t h m a x i m u m   r an g o f   i n p u t   f r eq u e n c [ 1 ]   m a x F th at  is   o b tai n ed   as f o llo w s :     }} ,..., , { } ,..., , {{ } ,..., , { ,.., 1 , , ], , 0 [ ; 2 / )) ,..., ( ) ,..., ( ( m i n 2 2 2 2 1 1 1 2 1 1 2 1 m a x 2 2 1 1 1 1 , m a x G sM G s G s G sN G s G s sp s s G sN G s G sM G s N M f f f f f f f f f p N M p N M F F f f L C M f f L C M F         ( 9 )     I f   m a x F   f r o m   ( 9 )   is   s m aller   th a n   ) ma x ( n e e d e d F   t h en   i n cr ea s n u m b er   o f   A D C   ( n u m b er   o f   s a m p li n g   f r eq u en cies)   an d   ca lcu la te  m in i m u m   o f   m i n   in   ( 7 )   an d   m a x F   in   ( 9 ) ,   ag ai n .   R ep ea th i s   s tep   u n til  m i n i m u m   o f   m i n   in   ( 7 )   an d   m a x F   f r o m   ( 9 )   to   b b ig g er   t h an   ) ( mi n n e e d e d   an d   ) ma x ( n e e d e d F ,   r esp ec tiv el y .   Sa v e   th n u m b er   o f   A D C s   a s   n ee d ed   n u m b er   o f   A DC s .   Or ,   g et  th m i n i m u m   S NR   t h at  y o u   w an to   ex tr ac t h d esire d   f r eq u en c y   u n a m b i g u i t y   a n d   o b tain   m i n i m u m   o f   m a x th at  i s   n ee d ed   f o r   th i s   f r o m   ( 1 0 )   [ 1 7 an d   ( 7 )   an d   n am ed   it   as  ) ( mi n n e e d e d     S N R N N f s s s f ) 1 ( 2 12 2             ( 1 0 )     T h lo w er   li m it o n   f r eq u e n c y   er r o r   f o r   an y   u n b iased   esti m at io n   is   g i v en   b y   th C r a m er - R a o   b o u n d   [ 1 7 ] .   Her e ,   f is   t h s ta n d ar d   d ev iatio n   in   Hz s f is   th s a m p l in g   f r eq u e n c y   o f   s i g n a an d   s N   is   n u m b er   o f   s a m p le s   av ailab le  f o r   FF T   esti m atio n   w it h o u co m p en s ati n g   th f r e q u en c y   tr u n ca ted   to   th n ea r e s b in s ,   ca u s in g   t h er r o r   o f   N f s 2 .   T h en ,   f i n d   t h m i n i m u m   n u m b er   o f   A DC   t h at  ca n   b u s ed   t o   s atis f y   t h is   SN R   v al u ( o r   ) ( mi n n e e d e d   v alu e) .   T h is   p r o ce d u r is   n a m ed   as d eter m i n in g   o f   t h m i n i m u m   n u m b er   o f   ADC  f r o m   d esire d   n o is v a r ian ce .     Ste 4 :   Fin d   t h n o is y   u n d er - s a m p led   f r eq u en cie s   f r o m   o u t p u o f   p   ADC s   as  Fig u r 2   ( b )   b y   N - P o in FF T   ar p i f ui ,..., 1 ; ~ .   an d   r ea f r eq u en c y   ( in p u an alo g   f r eq u e n c y )   t h at  s h o u ld   b ex tr ac ted   f r o m   t h ese  u n d er   s a m p li n g s   is   F .   Ste p5 :   C alcu late  t h d esire d   f r eq u en c y   f r o m   i ts   u n d er - s a m p l ed   w av e f o r m s   b y   f o llo w in g   p s eu d o   co d e:     E x tr ac tio n   o f   t h i n p u f r eq u e n c y   f r o m   it s   n o i s y   u n d er - s a m p led   r ea w av e f o r m :   A   p s e u d o   co d f o r   ex tr ac tio n   o f   r ea f r eq u en c y   f r o m   its   n o is y   u n d er - s a m p led   f r eq u e n ci es  is   o b tain ed   in   th i s   p ar t.   Ste p5 - 1 c alcu late  p o s s ib le  f r eq u en c y   i n   b an d ,   i.e .   ] , 0 [ m a x F f ,   w h er its   u n d er s a m p led   f r eq u en c y   i s   1 ~ u f   w h e n   s a m p led   w it h   1 s f   an d   n a m e   it  t F 1 ˆ   as f o llo w s :     ,...} 1 , 0 ˆ }, 2 , 1 { ˆ , ) 1 ( ˆ 0 ; ) 1 ( ˆ { ˆ 1 1 m a x ˆ 1 1 1 ˆ 1 1 1 1 1 t t v s t u v s t t k v F f k f f k F t t       ( 1 1 )     Ste p5 - 2 Fin d   u n d er   s a m p l in g s   o f   all  t F 1 ˆ   w h e n   ar s a m p led   w i th   s a m p li n g   f r eq u e n cies  p i f si ,..., 2 ;   an d   n a m e   th e s u n d er s a m p led   w al u es   as  p i f t ui ,..., 2 ; ˆ .   T h er ef o r e,   r el atio n s h ip   b et w ee n   t F 1 ˆ   an d   it s   co r r esp o n d ed   u n d er s a m p led   p i f t ui ,..., 2 ; ˆ   ar as:     t ui v si t i t i t f f k F F t i ˆ ) 1 ( ˆ ˆ ˆ ˆ 1                 ( 1 2 )     Ste p5 - 3 :   Su b s t itu te  p i f t ui ,..., 2 ; ˆ   b y   th eir   n o is y   u n d er s a m p led   p i f ui ,..., 2 ; ~   in   E q u atio n   ( 12 ) .   T h en   ca lc u late  :   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I J E C E     Vo l.  7 ,   No .   3 J u n 2 0 1 7   :   1 3 1 6     1 3 2 5   1322   t ui v si t i t i f f k F t i ~ ) 1 ( ˆ ~ ˆ                 ( 1 3 )     Ste p5 - 4 :   T h en   f in d   t i k ˆ   an d   t i v ˆ   th at  m i n i m ize  th f o llo w i n g   r elatio n s h ip   an d   n a m t h e m   a s   * ˆ t i k   an d   * ˆ t i v     }} ~ ~ ,..., ~ ~ ,..., ~ ~ ,..., ~ ~ ,..., ~ ~ , ˆ ~ ,..., ˆ ~ ,..., ˆ ~ m a x { m i n ; ˆ , ˆ ,..., ˆ , ˆ ,..., ˆ , ˆ { ˆ , ˆ ,..., ˆ , ˆ ,..., ˆ , ˆ 1 1 2 3 2 2 2 ˆ , ˆ ,..., ˆ , ˆ ,..., ˆ , ˆ 1 1 1 1 1 1 * * * * * * t p t p t p t i t i t i t p t t t t up t up t ui t ui t u t u v k v k v k t p t p t i t i t t t p t p t i t i t t F F F F F F F F F F f f f f f f v k v k v k v k v k v k t p t p t i t i t t         ( 1 4 )     No te  th at  t i k ˆ   an d   t i v ˆ   ar r elate d   t o   c h o o s o f   1 ˆ i k   an d   1 ˆ i v .   Ste p5 - 5 :   A f ter   f in d i n g   ui v si t i t i f f k F t i ~ ) 1 ( ˆ ~ * * ˆ   th e n ,   i n p u t a n alo g   f r eq u en c y   ca n   b d eter m in ed   as ( 15 F F ˆ .     p F F p i t i / ) ~ ( ˆ 1 *                   ( 1 5 )       4.     SI M UL AT I O N S AN R E S UL T   4 . 1 .   P er f o r m a nce  o f   P ea k   o f   F F T   Sp ec t ru m   A m p litu de  ba s ed  o n o ur  T esting   Dif f er en m et h o d s   f o r   s u b - N y q u is f r eq u e n c y   d etec t io n   o n   th FP GA   w er test ed   in   t h is   r esear ch   as   d is cu s s ed   in   th p r e v io u s   s ec t io n .   Fi n all y ,   th e   d ir ec FF T   w a s   s elec ted   f o r   f r eq u e n c y   es ti m atio n .   T h lo ca l   m ax i m u m   i n   t h i n d ex   b i n   o f   n - p o in F FT   w as  tak e n   as   f r eq u en c y .   N o te  t h at  t h FF T   c o r [ 1 8 ] ,   ( av ailab le  in   th Xil in x   I SE  T o o ls )   in   th I SE  en v ir o n m en t A   Xili n x   d ev elo p m en b o ar d   w it h   XC 5 v s x 9 5 T ,   s p ee d   o f   2   an d   p ak ag FF 1 1 3 6   o f   Vir tex   5   f a m il y   w er u s ed   f o r   test i n g .   W test ed   s u b - N y q u i s f r eq u en c y   d etec tio n   b y   N   2 0 4 8   FF T s   p o in ts   a n d   s a m p lin g   f r eq u e n c y   o f   2 0 0   MHz   o n   t h FP GA .   W ith   b i n   s ize   o f   b s   2 0 0   MH z 2 0 4 8   9 7 . 6   kHz ,   w h y p o t h esized   th at   t h er r o r   w o u ld   n ev er   ex ce ed   b s /2 =4 8 . 8   kHz .   W ch o s th r ee   s a m p li n g   f r eq u e n cies  b et w ee n   1 8 0 - 2 0 0   MH z,   b ec au s m a n ag i n g   an d   p r o ce s s in g   th d ata  w it h   th s elec ted   tech n o lo g y   ( e. g .   FP G an d   ADC)  w a s   p o s s ib le  u p   to   2 0 0   MHz .   a n d   t h i n p u t   s i g n al  b a n d   w as   b et w ee n   0 - GHz.       A D C 2 0 0 M H z F F T 2 0 4 8   p o i n t F F T 2 0 4 8   p o i n t F F T 2 0 4 8   p o i n t C a l c u l a t e   f a n a l o g   f r o m   f   ̃ u 1 ,   f   ̃ u 2 ,   f   ̃ u 3 f   ̃ u 1 f   ̃ u 2 f   ̃ u 3 f a n a l o g I n p u t   a n a l o g   S i g n a l [ 0 - 2 ] G H z A D C 2 0 0 M H z F F T 2 0 4 8   p o i n t C a l c u l a t e   f a n a l o g   f r o m   f   ̃ u 1 ,   f   ̃ u 2 ,   f   ̃ u 3 f   ̃ u 2 f   ̃ u 3 f a n a l o g I n p u t   a n a l o g   S i g n a l [ 0 - 2 ] G H z I n p h a s e / Q u a d r a t u r e A D C 2 0 0 M H z A D C 1 9 2 M H z F F T 2 0 4 8   p o i n t A D C 1 9 2 M H z A D C 1 8 4 M H z F F T 2 0 4 8   p o i n t A D C 1 8 4 M H z A D C 1 9 2 M H z A D C 1 8 4 M H z ( a ) ( b ) I Q f   ̃ u 1 F F   Fig u r e   3 .   Un d er - s a m p li n g   f r eq u en c y   d etec tio n   ( a )   p r ev io u s   s t u d ies [ 2 ] [7 - 9 ]   n ee d   m o r AD C   an d   I n p h ase/ Qu ad r atu r eq u ip m e n ts   ( b )   p r o p o s ed   a p p r o ac h .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J E C E     I SS N:  2 0 8 8 - 8708       Hig h   S p ee d   Un d er - S a mp lin g   F r eq u en cy   Mea s u r eme n ts   o n   F P GA   ( S ey ed   E h s a n   Ya s r eb N a ein i )   1323   S u itab le   f r eq u e n cie s   f o r   s a m p lin g   f r eq u en c y   ar f s1  =   1 8 4 f s2  192 f s3  =   2 0 0   MHz   ac co r d in g   to   Step 3   o f   f r eq u en c y   e s ti m atio n   p r o ce d u r in   th p r ev io u s   s ec tio n .   W ad o p ted   s am p li n g   f r eq u en cie s   o f   200  MHz ,   1 9 2   MH z   a n d   1 8 4   MH z   to   m ax i m ize   t h m i n i m u m   d is tan ce   ( m i n )   o f   ( 7 ) .   As  s h o w n   i n   Fi g u r 3 ,   w e   u s ed   t h FF T   w i th   2 0 4 8   p o in ts   to   ex tr ac t h i n p u f r eq u e n c y .   T h en ,   w u s ed   t h r elati o n s h ip   b et w ee n   t h e   r e m in d er s   o f   a n alo g   s i g n al  f r e q u en c y ,   i.e . ,   1 ~ u f , 2 ~ u f ,   an d   3 ~ u f to   ex tr ac th r ea f r eq u en c y   o f   th a n alo g   s i g n a l   ( F f ana l o g ) .     T h q u an tit y   o f   co n s u m ed   g at es f o r   i m p le m e n tatio n   o f   2 0 4 8 - p o in t F FT   is   p r esen ted   in   T ab le  1 .       T ab le  1   Sy n t h esi s   r esu l ts   o f   2 0 4 8 - p o in t FFT   co r p ip elin ed   s tr ea m in g   I /O  o n   X C 5 v s x 9 5 T   u s ed   p r e v io u s   ap p r o ac h es [ 2 ] ,   [7 - 9 ]   an d   p r o p o s ed   ap p r o ac h   ( u s ag es f o r   b o th   ar s a m e)   F P G A   r e so u r c e   U se d   T o t a l   i n   F P G A   U sag e   #   o f   sl i c e   R e g i s t e r   4 7 4 1   5 8 8 8 0   8   #   o f   sl i c e   L U T s   3 5 6 9   5 8 8 8 0   6   #   o f   D S P 4 8 Es   60   6 4 0   9   # o f   B R A M s   8   2 4 4   3       Fo r   ex tr ac tin g   an alo g   f r eq u en c y   F   f r o m   th r e m i n d er s   1 ~ u f , 2 ~ u f ,   an d   3 ~ u f   th p r o p o s ed   alg o r ith m   i n   Step 5 - 1   to   5 - 5   w as  u s ed .   W test ed   th i m p le m e n tati o n   b y   i n p u s i g n al  w i th   f r eq u en c y   2 / ) 2 ) 4 4 ( ( 3 2 1 s s s f f f   184 ) 192 200 ( 2   M H z 968 an d   th h a v m in i m u m   d is ta n ce   b ased   o n   ( 8 )   th at  is   eq u al   to   8   ac c o r d in g   to   E q u atio n   (7 ) .   I m a y   b d et ec ted   in co r r ec tl y   a s   2 / ) 2 ) 4 4 ( ( 3 2 1 ' s s s f f f F   184 ) 192 200 ( 2   M H z 600   b ased   o n   ( 8 ) I ca n   b f o u n d   f r o m   E q u at io n   ( 1 0 )   th at  g o o d   f r eq u en c y   e s ti m atio n   m et h o d   ( n ea r   th e   C r a m er - R ao   b o u n d )   allo w s   c o r r ec d etec tio n   o f   f r eq u en c y   b y   t h p r o p o s ed   m eth o d   u n t il  th p o in w h er d ev iatio n   o f   f r eq u e n c y   i s   b elo w   3 2 8   ( 6 5   dB ) .   T h m i n i m u m   d is ta n ce   b et w ee n   t h r e m in d er s   o f   ea c h   f r eq u en c y   i n   t h b an d   w it h   r esp ec to   f s1 =1 8 4 ,   f s2 =1 9 2 ,   f s3 =2 0 0   MHz   ar 8   MHz   ( 7 ) .   T h er ef o r e,   m a x i m u m   to ler an ce   o f   ea ch   f r eq u en c y   to   d etec t f r eq u en c y   u n iq u e l y   i s   3 2 8   MHz .   R es u lts   o f   tes tin g   f o r   s i g n al s   w it h   d i f f er en p u ls w id t h s   a n d   p er io d s   o f   r ep etitio n   eq u al   to   1 0 0   u s   w er ev al u ated   an d   t h m i n i m u m   p o w er   f o r   f r eq u en c y   e x tr ac tio n   u n iq u el y   ( Fi g .   4 )   w a s   n ea r   - 70  d B m   f o r   g r ea ter   p u l s w id t h .   I is   s h o w n   t h at  in cr ea s ed   p u ls e   w id t h   al ter s   t h m i n i m u m   p o w er   o f   d e tecta b le   p u ls e   u n ti l   th n u m b er   o f   s a m p le  p u l s es  is   les s   t h an   t h F FT   len g t h .   T h s i m u latio n   r es u lt s   in   F ig . 4   s h o w s   u n d er s a m p li n g   f r eq u en c y   d et ec tio n   f o r   p r o p o s ed   ap p r o ac h   an d   p r ev io u s   ap p r o ac h   h av s a m p er f o r m an c e   w h ile  p r o p o s ed   ap p r o ac h   h as  l ess   h ar d w ar i n   co m p ar ed   w it h   t h p r ev io u s   s t u d ies  ( s ee   Fi g u r 3   ( a) ,   3 ( b )   an d   T ab le   2 ) .         Fig   4 .   Min i m u m   p o w er   d etec t ab le  w it h   n e w   u n d er - s a m p li n g   f r eq u en c y   d etec tio n   m et h o d   o n   th FP GA   f o r   d if f er e n t p u l s w id t h s   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I J E C E     Vo l.  7 ,   No .   3 J u n 2 0 1 7   :   1 3 1 6     1 3 2 5   1324   C o m p ar is io n   b et w ee n   p r o p o s ed   an d   p r ev io u s   s t u d ies  f o r   u n d er s a m p li n g   f r eq u e n c y   d etec tio n   ca n   b e   s u m m ar ized   as  T ab le  2 .   A s   y o u   ca n   s ee   n u m b er   o f   u s ed   ADC  p er   s a m p li n g   f r eq u e n cies   f o r   p r ev io u s   s t u d ies   th at  u s ed   co m p le x   av e f o r m   ( h as  I n p h ase  an d   Qu ad r at u r p ar ts )   w as  d o u b le  o f   p r o p o s ed   a p p r o ac h   f r o m   r ea w a v e f o r m .   Fu r t u r e m o r e,   ex tr a   eq u ip m en w a s   n ee d ed   in   p r ev io u s   s t u d ies  to   o b tain   co m p le x   w av e f o r m .   Si n ce   i m p le m en ta tio n   o f   FF T   f o r   co m p lex   a n d   r ea n u m b er s   o n   F P GA   is   s a m an d   s a m co r I P   is   u s ed   f o r   th e m   th av er a g u s ag e   o f   r esu r ce s   f o r   b o th   ap p r o ac h es a r s am e.       T ab le   2 .   C o m p ar is io n   b et w ee n   p r o p o s ed   an d   p r ev io u s   s tu d ie s   ap p r o ac h es   M e t h o d   N o .   A D C   p e r   saml i n g   f r e q u e n c i e s   Ex t r a   e q u i p me n t   A v e r a g e   F P G A   R e so u c e   u s a g e   o n   o n   X C 5 v sx 9 5 T   C o ml e x   w a v e f o r u n d e r samp l i n g [ 2 , 7 , 8 , 9 ]       2   Eq u i p me n t   f o r   c o n v e r t   r e c e i v e d   si g n a l   t o   c o m p l e x   w a v e f o r m   8%   P r o p o se d   me t h o d   1   N o   n e e d   8%       I n   s en s o r   n et w o r k s ,   en er g y   co n s u m p tio n   an d   co s o f   h a r d w ar i m p le m en ta tio n   ar im p o r ta n t   f ac to r es  [ 1 9 ] [ 2 0 ] .   Ou r   p r o p o s ed   s i m p le  h ar d w ar ca n   s a v co s a n d   en er g y .   T h er ef o r e,   it  is   u s e f u f o r   s en s o r s   in   s e n s o r   n et w o r k s .       5.     CO NCLUS I O NS    T h is   p ap er   ex am i n ed   an d   d is cu s s ed   d if f er e n m et h o d s   f o r   esti m atio n   o f   s u b - s a m p led   f r eq u en c y   o n   th FP G A .   W im p le m e n ted   d if f er en m et h o d s   o n   th F P GA   f o r   Su b - Sa m p lin g   f r eq u en ci e s   d etec tio n ,   in cl u d in g   L ea s Sq u ar es,  Dir ec State  Sp ac e,   Go er tzel  f ilt er ,   Sli d in g   D FT ,   P h ase  ch an g es  o f   FF T ,   p ea k   a m p lit u d o f   FF T .   Sh o r tco m i n g   a n d   ad v an ta g es  o f   ea ch   m eth o d   d u r in g   t h i m p le m e n tat io n   o n   FP GA   w er e   d is cu s s ed   an d   te s ted .   No te  th at,   s h o r tco m i n g s   o f   t h ese  m e th o d s   ar n o d is c u s s ed   s p ec i f icall y   i n   p r ev io u s   s tu d ie s .   Fi n all y ,   an   ap p r o p r ia te  m et h o d   f o r   u n d er - s a m p l in g   f r eq u en c y   d etec tio n   o n   th FP GA   w a s   c h o s en .   I m p le m e n tatio n   an d   m o d if ic atio n   o f   co d es  o n   th e   FP GA   ar ti m e - co n s u m i n g   p r o ce d u r es  an d   r eq u ir e   k n o w led g o f   h ar d w ar e.   T h er ef o r e,   th i s   w o r k   ca n   h elp   c h o o s an   ap p r o p r iate  ap p r o ac h   f o r   i m p le m e n tatio n   o f   s u b - s a m p lin g   f r eq u e n c y   d ete ctio n   o n   th e   FP G A   f r o m   L e ast  Sq u ar es,  Dir ec State  Sp ac e,   Go er tzel  f ilter ,   Sli d in g   DFT ,   P h ase  ch a n g es  o f   F FT ,   p ea k   a m p litu d o f   FF T   s p ec tr u m .   Af ter   ch o o s i n g   a n   ap p r o p r iate  m e th o d   th at  i s   P ea k   o f   FF T   s p ec tr u m   a m p lit u d e,   it  i s   p o s s ib le   to   u s u s u al   A D C s ,   w h ic h   u s u all y   w o r k   u n d er   1   Gi g a   s a m p le/ s ec   to   d etec f r eq u e n ci es  m u c h   h i g h er   th a n   it s   s a m p l in g   r ate.   Dete ctio n   o f   h ig h e r   f r eq u en c y   b y   lo w er   s a m p li n g   r ate  h as  b ee n   ap p lie d   to   v ar io u s   ar ea s ,   s u c h   as  s e n s o r   n et w o r k s   an d   r ad ar s   s ig n al  p r o ce s s in g .   O u r   p r o p o s ed   ap p r o ac h ,   u n d er s a m p lin g   f r eq u e n c y   d etec tio n   f r o m   r ea w a v e f o r m ,   n ee d s   les s   A D C   an d   n o   n ee d   eq u ip m e n f o r   co n v er ti n g   r ec e iv ed   s i g n a to   co m p lex   w a v e f o r m   i n   t h co n tr as w it h   t h p r ev io u s   s t u d ies  f o r   co m p le x   w a v ef o r m .       ACK NO WL E D G M E NT S   T h is   w o r k   w a s   s u p p o r ted   b y   th R e s ea r ch   Gr an Sch e m o f   Un i v er s it y   o f   T o r b at  Hey d ar ieh .       RE F E R E NC E   [1 ]   M a ro o si   A ,   Biza k i   H.K.,   Dig it a F re q u e n c y   De t e r m in a ti o n   o f   R e a W a v e f o r m b a se d   o n   M u lt i p l e   S e n so rs  w it h   L o w   S a m p li n g   R a tes ,   IEE S e n so rs   J o u rn a l ,   2 0 1 2 1 2 (5 ) 1 4 8 3 - 1 4 9 5     [2 ]   X iao   L ,   X ia   X .G ,   Hu o   H,   Ne w   Co n d it io n o n   A c h iev in g   th e   M a x i m a P o ss ib le  Dy n a m i c   R a n g e   f o a   G e n e ra li z e d   Ch in e se   Re m a in d e T h e o re m   o f   M u lt i p le I n teg e rs” ,   IEE S i g n a Pro c e ss in g   L e tt e rs ,   2 0 1 5 2 2 ( 1 2 ):   2 1 9 9 - 2 2 0 3 .     [3 ]   Li   W .   C ,   Wan g   X .   Z ,   W a n g   X .   M M o ra n   B,   Dista n c e   Esti m a ti o n   u sin g   W ra p p e d   P h a se   M e a su re m e n ts  in   N o ise IEE T ra n s.  S ig n a Pro c e ss ,   2 0 1 3 6 1 :   1 6 7 6 - 1 6 8 8 .     [4 ]   Ak h laq   A ,   M c Kill ia m   R ,   S u b ra m a n ian   R,   Ba sis  Co n stru c ti o n   f o Ra n g e   Esti m a ti o n   b y   P h a se   N w r a p p in g ,   IEE E   S ig n a l   Pro c e ss .   L e tt e r ,   2 0 1 5 2 2 :   2 1 5 2 - 2 1 5 6 .   [5 ]   M a rq u e s   P .   A .   C ,   Dia s   J.  E.   M .   B V e lo c it y   Esti m a ti o n   o f   F a st  M o v in g   T a rg e ts  u sin g   a   S in g le  S A S e n so r” ,   IEE E   T ra n s.  Aer o sp   El e c tro n   S y st ,   2 0 0 5 4 1 75 8 9 .     [6 ]   Zo lt o w sk i   M .   D ,   M a th e w s   C.   P . ,   Re a l - T i m e   F re q u e n c y   a n d   2 - A n g le  Esti m a ti o n   w it h   S u b - N y q u ist  S p a ti o - T e m p o ra S a m p li n g ,   IEE T r a n s.  S ig n a Pro c e ss ,   1 9 9 4 4 2 :   2 7 8 1 2 7 9 1 .     [7 ]   X iao   L ,   X ia   X. - G. ,   A   G e n e ra li z e d   Ch in e se   Re m a in d e T h e o re m   f o Tw o   I n teg e rs IEE S ig n a Pro c e ss .   L e tt 2 0 1 4 2 1 :   55 5 9 .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J E C E     I SS N:  2 0 8 8 - 8708       Hig h   S p ee d   Un d er - S a mp lin g   F r eq u en cy   Mea s u r eme n ts   o n   F P GA   ( S ey ed   E h s a n   Ya s r eb N a ein i )   1325   [8 ]   W a n g   W ,   L i   X .   P ,   X ia   X. - G,   W a n g   W .   J. ,   T h e   L a r g e st  D y n a m ic  Ra n g e   o f   a   G e n e ra li z e d   Ch i n e se   Re m a in d e T h e o re m   f o Tw o   I n teg e rs IEE S i g n a Pro c e ss .   L e tt ,   2 0 1 5 2 2 :   254 2 5 8 .     [9 ]   X iao   L ,   X ia   X . G . ,   A   Ne R o b u st  C h in e se   Re m a in d e T h e o re m   w it h   I m p ro v e d   P e rf o rm a n c e   in   F re q u e n c y   Esti m a ti o n   f ro m   Un d e rsa m p led   W av e f o r m s   S ig n a l   Pro c e ss in g ,   2 0 1 5 1 1 7 :   2 4 2 - 2 4 6 .     [1 0 ]   Ba rb o sa   D ,   M o n a ro   R. M ,   Co u r y   D.V ,   Ole sk o v icz   M,   M o d if ied   L e a st  M ea S q u a re   A lg o rit h m   f o A d a p ti v e   F re q u e n c y   Esti m a ti o n   i n   P o w e S y ste m s IEE Po we a n d   E n e rg y   S o c iety   Ge n e ra M e e ti n g   2 0 0 8 ;   p p . 1 - 6 .     [1 1 ]   Jin g   D ,   Ju n   W ,   H a n   C ,   Da lu   L ,   Ha n   W ,   Esti ma ti n g   th e   Fre q u e n c y   in   Po we S y ste b a se d   o n   S ta te  S p a c e   Rec u rs ive   L e a st S q u a re s” ,   ICI EA  2 0 0 8 ,   IEE E   Co n f   o n   I n d u strial  El e c tro n ics   a n d   A p p l ica ti o n s ,   2 0 0 8 ;   1 4 4 4 - 1 4 4 7 .     [1 2 ]   Op p e n h e im   A .   V ,   S c h a fe R. W ,   Bu c k   J.  R. ,   Dis c re te - T i m e   S ig n a P ro c e ss in g ,   P e a rso n   Ed u c a ti o n ,   In c . ,   2 n d   e d it io n ,   1 9 9 9 .     [1 3 ]   Ja c o b se n   E ,   L y o n s   R,   T h e   S li d in g   DFT ,   IEE S ig n a l   Pro c e ss   M a g a zin e 2 0 0 3 2 0 :   74 - 8 0 .     [1 4 ]   Be ra ld in   J ,   S tee n a a rt   W,   O v e r f l o w   A n a l y sis   o f   a   F ix e d - P o i n I m p le m e n tatio n   o f   th e   G o e rtze A l g o rit h m ,   IEE T ra n .   Circ u it a n d   S y ste ms 1 9 8 9 ;   3 6 :   3 2 2 - 3 2 4 .     [1 5 ]   Bro w n ,   J.  C ,   P u c k e tt e   M.S. ,   A   Hig h   Re so lu ti o n   F u n d a m e n ta F re q u e n c y   D e ter m in a ti o n   b a se d   o n   P h a se   Ch a n g e o f   th e   F o u rier T ra n sf o r m ,   T h e   Jo u rn a o f   th e   A c o u stica S o c iety   o Am e rica ,   1 9 9 3 9 4 :   6 6 2 - 6 6 7 .     [1 6 ]   He rse l m a n   P .   L ,   Cil l iers   J.  E. ,   A   Di g it a In sta n tan e o u F re q u e n c y   M e a su re m e n T e c h n iq u e   u si n g   Hig h - S p e e d   A n a lo g u e - to - Dig it a Co n v e rters   a n d   F ield   P r o g ra m m a b le  G a te   Arra y s” ,   S o u th   Af ric a n   J o u rn a o f   S c ien c e 2 0 0 6 1 0 2 :   3 4 5 3 4 8 .   [1 7 ]   Ho lm   S,   Op ti m u m   F F T - b a se d   F re q u e n c y   A c q u isit io n   w i th   A p p li c a ti o n   to   COS P A S - S A RS AT ,   IEE T ra n s.   Aer o sp   El e c tro n   S y st ,   1 9 9 3 2 9 :   4 6 8 - 4 7 5 .   [1 8 ]   Emm e rt   J,   An   FF T   A pp ro x im a ti o n   T e c h n i q u e   S u it a b le  fo o n - Ch i p   Ge n e ra ti o n   a n d   An a lys is  o S in u s o id a l   S ig n a ls” In   P r o c e e d in g o f   th e   1 8 t h   IE EE   I n tern a ti o n a S y m p o siu m   o n   De f e c a n d   F a u l T o l e ra n c e   in   V L S I   S y st e m s,  2 0 0 3 .     [1 9 ]   G u p ta   S ,   G u p ta   G,   S i m u latio n   T i m e   a n d   En e rg y   T e st  f o T o p o lo g y   Co n stru c ti o n   P ro t o c o i n   W irele ss   S e n so Ne tw o rk s” ,   In d o n e sia n   J o u r n a o El e c trica E n g i n e e rin g   a n d   I n fo rm a ti c s   ( IJ EE I) 2 0 1 5 3 89 - 92.   [2 0 ]   M a n ju n a th a   R. C,   Re k h a   K.R,   N a tara K.  R. ,   Im p le m e n tatio n   o f   F u z z y   b a se d   S i m u latio n   f o Clo n e   De tec ti o n   i n   W irele ss   S e n so Ne t w o rk s” ,   In ter n a ti o n a J o u rn a o El e c trica l   a n d   Co m p u ter   E n g i n e e rin g ,   2 0 1 6 6 1 5 7 0 - 1 5 7 6 .       B I O G RAP H I E S   O F   AUTH O RS        S e y e d   Eh s a n   Y a sr e b N a e in i   is  a   lec tu re a t   Un iv e rsity   o f   T o rb a He y d a rieh .   His  re a se rc h   a re a s   in c lu d e   d a ta p r o ice ss in g ,   d a ta m in in g ,   e tc.                 Ali  M a r o o si   is  a n   a ss ist a n p ro f e ss o a Un iv e rsity   o f   T o rb a He y d a rieh .   His  ra se rc h   in tere sts  a re   d a ta  a n d   sig n a p ro c e ss in g ,   p a ra ll e p ro c e ss in g ,   in telli g e n a lg o ri th m s,  e tc.  H e   h a p u b li sh e d   m a n y   jo u rn a p a p e rs i n   re f re e d   jo u rn a ls.                   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.