مقاله طراحی و پیاده سازی فیلتر میان گذر FIR کم توان برای تطبیق داده های زیستی با FPGA

word قابل ویرایش
12 صفحه
27700 تومان

 

*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***

طراحی و پیاده سازی فیلتر میان گذر FIR کم توان برای تطبیق داده های زیستی با FPGA


خلاصه

توالی زیستی (پروتئین یا (DNA در بیوانفورماتیک بسیار حیاتی است. این مانند تطبیق رشته در متن داده های بیولوژیک است و برای پی بردن به رابطه تکاملی میان مجموعه ای از پروتئین یا توالی DNA استفاده می شود. در این مقاله فیلتر دیجیتال FIR میان گذر با توان مصرفی پایین برای دنباله های تطبیقی ارائه شده است. این مقاله پیشنهاد می کند که به جای آنکه از جمع کننده ها بصورت موازی استفاده کنیم فیلتر را طوری طراحی کنیم که جمع کننده ها بصورت سری طراحی شود که این مسئله باعث می شود توان مصرفی کاهش یابد. ابتدا برنامه این فیلتر میان گذر توسط نرم افزار MATLAB نوشته شده است و سپس با استفاده از ابزار CONVERTOR HDL کدهای متلب به VHDL تبدیل شده است. فیلتر FIR میان گذر ارائه شده در قطعه FPGA ARTIX-7 XC7A100T پیاده سازی شده و با استفاده از نرم افزار XILINX ISE 14.2 سنتز شده است. مصرف توان با استفاده از آنالیزر Xilinx XPower تجزیه و تحلیل شده است.

کلمات کلیدی: فیلتر میان گذر FIR ، توالی زیستی، DNA، زبان توصیف سخت افزاری سرعت بالا VHDL ،پردازش سیگنال دیجیتال DSP، ARTIX-7


1. مقدمه

بیوانفورماتیک یک رشته از علوم زیستی است که با مطالعه روش برای ذخیره سازی، بازیابی و تجزیه و تحلیل داده های زیستی مانند DNA سر و کار دارد. آن نیز شامل پیدا کردن ژن در توالی DNA موجودات مختلف، روش های در حال توسعه برای پیش بینی ساختار و یا عملکرد پروتئین تازه کشف شده و توالی ساختاری RNA ، توالی پروتئین خوشه بندی به خانواده مربوط می شود. اطلاعات وراثتی هر سلول در مولکول های طویلی به نام " دیوکسی ریبونوکلئیک اسید" یا DNA نگهداری می شود. DNA پلیمری است که از چهار مونومر ساخته شده است. DNA شامل یک توالی طولانی از جفت بازهای نوکلئوتیدی است که به یک رشته کاراکتر با حروف الفبا A''}، 'C'، 'G'، {''T خلاصه می شود. که A مخفف (آدنین)، C (سیتوزین)، G
(گوانین) و T (تیمین) می باشد. به این ترتیب برای نمایش مولکول DNA دانشمندان از این چهار حروف استفاده می کنند. به این رشته طولانی، توالی می گویند. در شکل 1، DNA و RNA نمایش داده شده است .[1] فرق DNA و RNA در این است که DNA دارای دو مارپیچ بهم تابیده می باشد ولی RNA دارای یک مارپیچ است.


شکل : 1 شکل DNA و [1] RNA

دانشمندان به اتخاذ توالی برای پی بردن به اطلاعات بیولوژیکی از یک توالی تازه کشف شده از مجموعه ای از توالی های از پیش شناخته شده استفاده می کنند. برای مثال، اگر یک توالی کشف شده شبیه به یک ژن بیماری شناخته شده است، سپس اطلاعات بیولوژیکی در مورد عملکرد دنباله جدید را می توان استنباط کرد. این در تشخیص زود هنگام بیماری بسیار معنی دار است .[2] علاوه بر این، توالی بیولوژیکی نقش مهمی را در مطالعه توسعه تکاملی و تاریخچه گونه ها بازی می کند.[3] تکنولوژی آرایه گیت قابل برنامه ریزی (FPGA) برای راه حل های بهتر سخت افزاری برای ساختار توالی مولکولی /پروتئین به دلیل اینکه سرعت پردازش و شتاب آن بیشتر می باشد مناسب تر است. در مقاله [4] پیاده سازی از Aho Corasick در FPGA با استفاده از حروف الفبا به منظور از پپتیدهای برای ساخت ماشین حالت محدود (FSMS) ارائه شده است. این مقاله، یک معماری سخت افزار موازی جدید برای تطبیق DNA بر اساس مراحل از الگوریتم BLAST ارائه شده است .[5] در این مقاله، ما یک مدل parametrized جدید از معماری برای تشخیص تقریبی تکرار پشت سر هم و یک روش برای نگاشت خودکار آن را به تراشه های با تکنولوژی FPGA طراحی شده است .[6] در مقاله [7]، شتاب دهنده مجدد برای مرحله تطبیق کلمه از الگوریتم BLASTN با قطعه FPGA ارائه شده است. طراحی مرحله تطبیق کلمه به سه substages تجزیه می شود، همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است. اولین substage یک فیلتر موازی بلوم است، substage دوم حذف نادرست مثبت برای بررسی داده های عبور از فیلتر موازی بلوم است، و آخرین substage حذف تطبیق کار برکنار شده است.


شکل : 2 سه substages از شتاب دهنده مبتنی بر FPGA برای مرحله تطبیق کلمه [7] BLASTN

توال های زیستی دارای الگوریتم هایی می باشند که اگر این الگوریتم ها بصورت سخت افزاری پیاده سازی شوند بسیار مهم می باشد. فیلتر های FIR یکی از بلوک هایی است که در پیاده سازی سخت افزاری توالی زیستی استفاده می شود.

در اکثر برنامه های پردازش سیگنال دیجیتال از فیلترهای FIR استفاده می شود. پردازش موازی می تواند به فیلترهای دیجیتال FIR برای کاهش مصرف توان از فیلتر اصلی اعمال شود. به طور سنتی، استفاده از پردازش موازی به یک فیلتر FIR شامل تکرار از واحد سخت افزاری است که در فیلترهای اصلی وجود داشته باشد.[8] یک روش پیاده سازی فیلترهای FIR با استفاده از فقط جمع کننده های به کار گرفته شده و شیفت های متصل شده ارائه کرده اند .[9] آنها بطور گسترده از یک تغییر رایج در زیر الگوریتم حذف عبارت برای کاهش تعدادی از جمع کننده هااستفاده می شود. در [10] یک رویکرد جدید برای یک روش طراحی از یک پردازش باند دیجیتال توان کم پیشنهاد شده است. روش آنها برای بهینه سازی پهنای بیت از ضرایب هر فیلتر است. آنها مشکل پیدا کردن پهنای باند بهینه سازی شده از ضریب هر فیلتر را تعریف می کنند. در مقاله [11] نویسندگان یک FIR فیلتر با قابلیت برنامه ریزی ارائه کرده اند که دارای توان مصرفی پایین می باشد برای پیاده سازی این فیلتر از ضرب کننده های بدون علامت استفاده شده است و میزان فعالیت های سویچینگ کاهش پیدا کرده است.

بقیه این مقاله به شرح زیر می باشد: در بخش 2 تئوری فیلتر FIR ، در بخش 3 پلت فرم معماری، در بخش 4 طراحی فیلتر FIR و در بخش 5 نتیجه گیری ارائه شده است.

2. تئوری فیلتر FIR

از فیلترهای دیجیتال بطور وسیعی برای کاربردهایی نظیر شناسایی سیستم، متعادل کننده ها،حذف نویز فعال ، رمز سیگنال صحبت و ...... استفاده می گردد. فیلتر دیجیتال باعث افزایش سرعت ارسال داده و کاهش حجم مدار در خیلی مواقع هستند.

شکل کلی رابطه فیلتر دیجیتال به صورت معادله 1 است:


که در آن دو حالت به فیلتر IIR و FIR رابطه به دست می دهد:
- فیلتر پاسخ ضربه محدود : (FIR ) هیچ بازخورد ندارد ؛
- فیلتر پاسخ ضربه نامحدود :(IIR) دارای بازخورد است ؛
یک سیستم FIR دارای پاسخ نمونه - واحدی به طول محدود است یعنی خروجی در این سیستم ها ترکیبی از ورودی جاری و M باشد. بنابراین خروجی سیتم FIR بر حسب نمونه های ورودی عبارت است از:


اگر br در رابطه بالا با h(n) جایگزین شود خواهیم داشت:


در این صورت یک فیلتر FIR مرتبه M ام توسط M+1 ضرب تعیین می شود.
رابطه (2) رابطه کانالوشن بین x(n) و h(n) است. اگر از طرفین رابطه (2) تبدیل Z بگیریم تابع تبدیل سیستم FIR به دست خواهد آمد:


اگر z را با e jw جایگزین نماییم، پاسخ فرکانسی سیستم FIR بدست می آید :

در FIR ، سیگنال خروجی از فیلتر، پس از سیگنال ورودی از غیر صفر به صفر تنظیم شده است، می تواند غیر صفر فقط برای تعداد محدودی از زمان نمونه قبل از سیگنال خروجی نیز صفر شود. فیلترهای FIR همیشه پایدار هستند. فیلترهای FIR محدود هستند که مورد نیاز برای ویژگی های فازخطی می باشند. شایع ترین فیلتر دیجیتال، فیلتر خطی زمان ثابت (LTI) است. فیلترهای دیجیتال LTI به طور کلی به عنوان پاسخ متناهی ضربه (به عنوان مثال، (FIR، و یا پاسخ ضربه نامحدود (به عنوان مثال، (IIR طبقه بندی می شوند. همانطور که از نام آن ها پیداست، یک فیلتر FIR شامل یک تعداد متناهی از مقادیر نمونه است، کاهش مجموع کانولوشن بالا به جمع محدود در خروجی فوری نمونه. FIR با ضریب ثابت یک فیلتر دیجیتال LTI است. خروجی FIR از ترتیب و یا طول L، به یک سری زمانی ورودی X[N] است، که توسط یک نسخه محدود از مجموع کانولوشن در (5) داده شده است، یعنی:


که در آن ) >0@ 0 از طریق F [L - 1@ 0، که L ضرایب فیلترمی باشد. آنها همچنین با پاسخ ضربه FIR مطابقت دارد. برای سیستم های LTI آن
گاهی اوقات راحت تر به بیان در حوزه Z است با

که در آن F ( z) تابع انتقال FIR در حوزه Z تعریف شده است توسط:

3. تکنولوژی ARTIX-7

در این بخش مقدمه ای کوتاه در مورد تکنولوژی بکار رفته در FPGA ARTIX-7 ارائه می کنیم. جدیدترین نسل از دستگاه های سری 7 در فرایند تکنولوژی 28 nm ساخته شده است که پیشرفته برای تولید پایین ترین هزینه، کمترین توان مصرفی FPGA برای محصولاتی مانند تجهیزات پزشکی قابل حمل، رادیو نظامی، و زیرساخت های بی سیم فشرده می باشد. توان مصرفی کل 50 درصد کمتر در مقایسه با نسل قبلی می باشد. همچنین خانواده FPGA ARTIX-7 دارای مزایای دیگری می باشد که چند نمونه در زیر بیان شده است : [12]

-1 بهترین در کلاس عملکرد برای DDR3، DSP، موازی و سریال I / O

-2 تا 930 GMACs پردازش DSP برای تصویر با کیفیت بالا و بهبود سیگنال RF -3 فاکتور فرم کوچک برای دستگاه های به اندازه لپ تاپ و تبلت -4 بیش از 50,000 سلول های منطقی در یک بسته 10 × 10 میلی متر -5 رابط حافظه یکپارچه برای دسترسی ساده به ویدئو و داده

-6 بلوک های IP سخت جدید برای کاهش زمان توسعه

32 -7 پردازنده MicroBlaze برای کنترل کردن زمان واقعی بارهای وظایف اترنت صنعتی از CPU اصلی تعداد صفحات مقاله که شامل متن و کلیه اجزاء آن نظیر شکل ها و جداول میباشد، 12 صفحه است.

4. پیاده سازی فیلتر : FIR
1,4 پیاده سازی فیلتر FIR میان گذر در متلب :

در طراحی فیلتر به معنی ساخت ضرایب فیلتر است به نحوی که بعضی از ملزومات فیلتر کردن را برآورده کند. پیاده سازی فیلتر به معنی انتخاب و به کاربردن یک ساختار فیلتر خاص روی این ضرایب است. تنها پس از طراحی و پیاده سازی فیلتر است که می توان داده را فیلتر کرد. برای طراحی فیلترهای FIR روش های مختلفی وجود دارد. در جدول 4 دستورات مورداستفاده برای طراحی فیلترهای FIR به روش های گوناگون نشان داده شده است.

فیلتر مورد نظر ما فیلتر FIR میان گذر می باشد که کد آن در نرم افزار متلب نوشته شده است.


شکل 1 ، شکل فیلتر میان گذر FIR طراحی شده در نرم افزار متلب می باشد که محدوده فرکانسی آن بین 1 تا 1.8 مگاهرتز می باشد.

این فقط قسمتی از متن مقاله است . جهت دریافت کل متن مقاله ، لطفا آن را خریداری نمایید
word قابل ویرایش - قیمت 27700 تومان در 12 صفحه
سایر مقالات موجود در این موضوع

دانلود مقاله طراحی و پیاده سازی فیلتر میان گذر FIR کم توان برای تطبیق داده های زیستی با FPGA

word قابل ویرایش
9 صفحه
21700 تومان
خلاصهتوالی زیستی (پروتئین یا (DNA در بیوانفورماتیک بسیار حیاتی است. این مانند تطبیق رشته در متن داده های بیولوژیک است و برای پی بردن به رابطه تکاملی میان مجموعه ای از پروتئین یا توالی DNA استفاده می شود. در این مقاله فیلتر دیجیتال FIR میان گذر با توان مصرفی پایین برای دنباله های تطبیقی ارائه شده است. این مقال ...

مقاله طراحی و پیاده سازی یک خزنده وب توزیع شده

word قابل ویرایش
16 صفحه
27700 تومان
دسته بندی : مقالات گوناگون
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست *** طراحی و پیاده سازی یک خزنده وب توزیع شده خلاصه امروزه موتورهای جستجوی مختلفی برای دستیابی به اطلاعات مورد نیاز از میان انبوه مطالب موجود در وب استفاده می شوند، که برای جمع آوری داده ها به خزنده های وب وابسته هستند. خزنده وب یکی از مهم تری ...

مقاله طراحی تفصیلی و پیاده سازی سیستم ذخیره سازی سرما بر روی ساختمان

word قابل ویرایش
21 صفحه
27700 تومان
دسته بندی : مقالات گوناگون
طراحی تفصیلی و پیاده سازي سیستم ذخیره سازي سرما بر روي ساختمان اداري برق قرچک و ارزیابی عملکرد آن واژههاي کلیدي: سیستمهاي ذخیرهسازي سرما، سیستم کنترل، قرچک، ارزیابی عملکرد چکیده در تداوم مطالعات صورت گرفته در زمینه بومیسازي فناوري و بـه کـارگیري سیسـتمهاي ذخیـرهسـازي سـرما در کشـور، پیادهسازي سیستم ...

مقاله طراحی و پیاده سازی کنترل کننده فازی با استفاده از PLC برای یک سیستم WIND UP و مونیتورینگ آن بوسیله HMI

word قابل ویرایش
10 صفحه
27700 تومان
دسته بندی : مقالات گوناگون
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست *** طراحي و پياده سازي کنترل کننده فازي با استفاده از PLC براي يک سيستم WIND UP و مونيتورينگ آن بوسيله HMI چکيده : اين مقاله يک روش جهت پيـا هسازي سيستم کنترل فـازي بـر روي دستگـاههـاي وايــنداپ (WIND UP) کــارخانجات تولــيد نـ خ پلـيمـري ارا ...

مقاله طراحی و پیاده سازی فیلتر دیجیتال میان نگذر توسط میکروکنترلرهای خانواده AVR

word قابل ویرایش
15 صفحه
27700 تومان
دسته بندی : مقالات گوناگون
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست *** طراحي و پياده سازي فيلتر ديجيتال ميان نگذر توسط ميکروکنترلرهاي خانواده AVR چکيده - در اين مقاله به معرفي روش هاي طراحي و پياده سازي فيلترهاي ديجيتال مي پردازيم . فيلترهاي ميان نگذر و محدود کننده باند بدليل اينکه اصولا تنها بخش کوچکي از په ...

مقاله طراحی و شبیه سازی یک تقویت کننده توان بالا برای ; - EDQG 663$

word قابل ویرایش
14 صفحه
27700 تومان
دسته بندی : مقالات گوناگون
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست *** طراحی و شبیه سازی یک تقویت کننده توان بالا برای ;-EDQG 663$ چکیده: در این مقاله یک تقویت کننده توان که بخش اصلی یک تقویت کننده های حالتجامدSSPA را تشکیل میدهند با توان بالا و Efficiency بالا در کلاس E طراحی و شبیهسازی گردیده است. پس از ب ...

مقاله طراحی و پیاده سازی یک پردازنده رمز برای الگوریتمهای رمز کلید خصوصی

word قابل ویرایش
20 صفحه
27700 تومان
دسته بندی : مقالات گوناگون
طراحی و پیاده سازی یک پردازنده رمز برای الگوریتمهای رمز کلید خصوصی چکیده هلاف این مقاله طراحی و پیاده ساری پردازندهای ویژه الگوریتمهای رمر قطعههای کلید خصوصی است. بدین منظور ابتلا با آنالیر رفتاری پنج الگوریتمهای رمر کلید خصوصی فینالیست مسابقه ABS، عملیات اصلی و مورد تاکید آنها و عوامل موثر در افزایش باردهی ...

مقاله بررسی هارمونیکی بارهای غیرخطی و طراحی فیلترهای حذف هارمونیک با استفاده ازجبرانسازی توان راکتیو

word قابل ویرایش
16 صفحه
27700 تومان
دسته بندی : مقالات گوناگون
این مقاله دارای فرمول های زیادی میباشد خلاصه : در اين مقاله به شبيه سازي بارهاي غيرخطي شامل يک يکسوساز صنعتي مربوط به الکتروليز نمک طعام در مجتمع پتروشيمي بندر امام، کوره قوس الکتريکي سه فاز و لامپ فلورسنت به عنوان منابع توليد هارمونيک در سيستم هاي توزيع پرداخته شده است . سپس به طراحي فيلترهاي پسيو براي حذف ...