Содержание к диссертации
Глава 1 Обзор алгоритмов цифровой фильтрации, проблем их реализации, типов современной и перспективной элементной базы. Постановка задачи
Проблемы построения устройств цифровой согласованной фильтрации радиолокационных сигналов 19
Преимущества и перспективы использования ПЛИС для реализации алгоритмов цифровой согласованной фильтрации сигналов 28
Постановка задачи исследования 32
Глава 2 Синтез вычислительных ядер цифровой согласованной
фильтрации с минимизацией аппаратных затрат
Реализация способов минимизации при синтезе вычислительного ядра БПФ 53
Реализация способов минимизации при синтезе квадратурного детектора 72
Моделирование вычислительных ядер 78
Глава 3 Примеры реализаций устройств цифровой первичной обработки сигналов в составе аппаратуры PJIC
Плата цифровой первичной обработки сигналов для мо но импульсной MPJIC с ФАР «МРФ-2» 87
Плата цифровой первичной обработки и синтеза сигналов для переносной обзорной PJIC «Буссоль - П» 95
Приложение 115
Введение к работе
Актуальность темы
Работа посвящена вопросам реализации специализированных вычислителей для цифровой согласованной фильтрации [3, 4] на основе программируемых логических интегральных схем (ПЛИС) [58 - 60, 80], которые позволяют эффективно решать задачи высокопроизводительной цифровой линейной фильтрации, выполняемой в режиме реального времени [49, 63, 64]. Причем под «высокопроизводительной фильтрацией» понимается обработка потока сигнальной информации [37] при тактовой частоте арифметических элементов сравнимой с частотой дискретизации сигнала. Для этого необходимо реализо- вывать вычислительные системы производящие как последовательные, так и параллельные циклы арифметических операций [39]. Другими словами, необходимо использование вычислительных ядер (совокупности арифметических элементов реализующих алгоритм обработки) с высоким уровнем параллелизма [20].
Использование ПЛИС открывает новые возможности для синтеза вычислительных систем цифровой обработки сигналов (ЦОС). В частности, возможна реализация необходимой производительности путем нахождения необходимого баланса между последовательными и параллельными операциями (последовательно - параллельная реализация вычислительных ядер), причем данный компромисс должен находиться с учетом параметров (длительность, ширина частотной полосы, скважность и т.д.) обрабатываемого радиолокационного эхо-сигнала.
Учитывая, что вычислительные ядра с высоким уровнем параллелизма являются основными потребителями аппаратных ресурсов ПЛИС [60], реализация необходимой производительности с учетом параметров обрабатываемого сигнала позволяет минимизировать аппаратные затраты, которые выражаются в виде количества и емкости кристаллов ПЛИС [80], используемых для реализации устройства цифровой согласованной фильтрации. Это позволяет улучшить массогабаритные характеристики, снизить потребляемую энергию и стоимость устройства.
Одной из наиболее важных характеристик синтезируемого устройства цифровой согласованной фильтрации является уровень энергетических потерь в отношении сигнал/шум, обусловленный конечной разрядностью вычислительных ядер [18, 20]. При этом использование ПЛИС позволяет в широких пределах варьировать величинами разрядностей обрабатываемого сигнала и коэффициентов, что позволяет обеспечивать заданный уровень соответствующих потерь в отношении сигнал/шум. Однако, завышенные величины разрядностей, как и завышенный уровень параллелизма (излишняя производительность) вычислительных ядер, негативно влияют на количество аппаратных затрат ПЛИС.
Рисунок 1 иллюстрирует зависимость величины аппаратных затрат ПЛИС от уровня параллелизма, разрядности обрабатываемого сигнала и коэффициентов обработки. При этом минимизация аппаратных затрат (объема) обеспечивается выбором необходимых значений, лежащих на координатных осях.
уровень параллелизма
необходимый уровень (последовательно-параллельная реализация)
минимальный уровень
^(последовательная реализация!/' — 1—_— / необходимая
необходимаяразрядность коэффицентов
разрядность^
сигнала
разрядность сигнала
разрядность коэффицентов максимальный уровень (параллельнаяреализация)
Рисунок 1В - Зависимость величины аппаратных затрат ПЛИС (объем параллелепипеда) от уровня параллелизма, разрядностей сигнала и коэффициентов
Таким образом, синтез архитектур вычислительных ядер с необходимыми производительностью (необходимым уровнем параллелизма) и разрядностями обрабатываемого сигнала и коэффициентов обработки представляет собой актуальную научно-техническую задачу [40].
Следует отметить, что идеи реализации вычислительных систем ЦОС с использованием параллелизма рассматривались ранее [18, 20, 27]. Однако существует необходимость в методиках позволяющих реализовывать необходимый уровень параллелизма (необходимую производительность) с учетом осо-
бенностей сравнительно новой и перспективной, для решения рассматриваемых задач, элементной базы - ПЛИС [60, 62, 80].
Исследования проблем квантования в вычислительных системах ЦОС, с получением соответствующих оценок для ошибок квантования, также производились ранее [3, 4, 20, 21, 30, 31, 33, 34], однако при реализации устройства цифровой согласованной фильтрации требуются специализированные методики для оценок необходимых разрядностей, критериями которых будут соответствующие потери в отношении сигнал/шум.
В работе рассматриваются способы минимизации аппаратных затрат ПЛИС, реализуемые в процессе синтеза вычислительных ядер, в рамках предварительно введенных ограничений. Представляется, что целесообразно ввести ограничения на требуемое время обработки (определяемое характеристиками зондирующих сигналов РЛС), на фиксированную разрядность входного сигнала (определяющую динамические характеристики приемного тракта РЛС) и на заданный уровень потерь в отношении сигнал/шум из-за конечной разрядности обрабатываемого сигнала и коэффициентов обработки (определяющий энергетические характеристики РЛС).
Предлагаемый подход к синтезу вычислительных ядер позволяет эффективно использовать потенциальных ресурсы ПЛИС путем минимизации аппаратных затрат уже на начальном этапе проектирования устройств цифровой согласованной фильтрации сигналов, что, в конечном итоге, позволит еще более усилить преимущества использования цифровых методов обработки сигналов над аналоговыми методами [18, 19, 21, 37].
Цель работы
Целью работы является разработка метода синтеза вычислительных ядер (совокупностей арифметических элементов реализующих алгоритм обработки) для основных алгоритмических модулей цифровой согласованной фильтрации на ПЛИС с минимизацией аппаратных затрат. Причем синтез производится в рамках ограничений
на требуемое время обработки,
на фиксированную разрядность входного сигнала,
на заданный уровень потерь в отношении сигнал/шум из-за конечной разрядности обрабатываемого сигнала и коэффициентов обработки.
Методы исследования
В работе использовались положения теоретической радиолокации, системотехники, статистической радиотехники, теории линейных и дискретных систем. Использовалось численное моделирование процессов обработки сигналов. Для проверки полученных теоретических соотношений проводились модельные и натурные эксперименты.
Научная новизна
Получены зависимости, позволяющие синтезировать архитектуры вычислительных ядер с заданной производительностью для основных алгоритмических модулей цифровой согласованной фильтрации на ПЛИС [75].
Определены требования для минимальных разрядностей целочисленных вычислительных ядер основных алгоритмических модулей цифровой согласованной фильтрации для заданного уровня соответствующих средних и максимальных потерь в отношении сигнал/шум [78].
Получены формулы для кусочно-линейной аппроксимации функции квадратурного детектора [67].
Разработан алгоритм синтеза коэффициентов адаптивного цифрового квазисогласованного фильтра, обеспечивающий заданную форму сигнала [74].
Практическая ценность
Работа является частью научных и инженерных исследований, проводимых ОАО «Радиофизика» в области создания радиолокационных систем с цифровыми алгоритмами согласованной фильтрации сигналов [49, 50, 63, 64].
Результаты работы могут применяться при разработке устройств цифровой согласованной фильтрации сигналов на основе ПЛИС для использования в составе аппаратуры РЛС различных классов: от переносных двухкоординат- ных обзорных РЛС [64] до многофункциональных РЛС в составе мобильных [63] и стационарных радиолокационных комплексов.
Результаты работы также могут использоваться при создании устройств ЦОС на основе ПЛИС при обработке высокоскоростных сигнальных потоков в режиме реального времени, для смежных с радиолокацией отраслей радиоэлектроники, в первую очередь для телекоммуникации и связи.
Реализация и внедрение результатов работы
Теоретические результаты работы использованы при разработке:
Платы цифровой обработки сигналов (ПЦОС), и соответствующих конфигураций ПЛИС в ее составе, для блока обработки и управления (БОУ) многофункциональной РЛС «МРФ-2» [63].
Модуля цифровой обработки и формирования сигналов (МЦФОС), и соответствующих конфигураций ПЛИС в его составе, для антенного поста (АП) переносной обзорной РЛС «Буссоль - П» [64].
Основные положения, выносимые на защиту
Алгоритм синтеза архитектур вычислительных ядер с заданной производительностью для основных алгоритмических модулей цифровой согласованной фильтрации с минимизацией аппаратных затрат ПЛИС [75].
Алгоритм для оценки необходимых разрядностей целочисленных вычислительных ядер основных алгоритмических модулей цифровой согласованной фильтрации в условиях заданного уровня соответствующих средних и максимальных потерь в отношении сигнал/шум [78].
Кусочно-линейные аппроксимирующие формулы для реализации квадратурного детектора на ПЛИС [67].
Алгоритм синтеза коэффициентов цифрового адаптивного квазисогласованного фильтра для получения заданной формы сигнала [74].
Публикация и апробация
Основные результаты работы опубликованы в статьях [72-75], апробированы на научно - технических конференциях МФТИ [65, 67, 70], а также на молодежных [66, 68, 69, 76-78] и международных [71, 79] научно - технических конференциях.
Объем, структура и содержание работы
Работа состоит из введения, трех глав и заключения. Общий объем работы составляет 118 страниц, включая 36 рисунков и 7 таблиц. Список литературы содержит 84 наименования.
В первой главе производится обзор материалов по цифровым методам обработки радиолокационной информации, преимуществ и недостатков использования цифровых методов в сравнении с аналоговыми методами, алгоритмов линейной цифровой фильтрации, проблем их реализации, а также типов и особенностей современной и перспективной элементной базы ЦОС реального времени. Производится постановка задачи исследования, затрагивающая вопросы синтеза вычислительных ядер для основных алгоритмических модулей цифровой согласованной фильтрации сигналов на ПЛИС с минимизацией аппаратных затрат.
Во второй главе осуществляется анализ поставленной задачи минимизации, в результате которого, формулируются пять способов минимизации аппаратных затрат ПЛИС в рамках определенных ограничений. Далее производится исследование вопросов реализации разработанных способов минимизации при синтезе вычислительных ядер основных алгоритмических модулей цифровой согласованной фильтрации (КИХ-фильтр, вычислитель БПФ, квадратурный детектор). В результате исследования разрабатываются алгоритмы синтеза вычислительных ядер с минимизацией аппаратных затрат. Для проверки полученных теоретических соотношений приводятся результаты модельных экспериментов.
В третьей главе приводятся примеры устройств цифровой первичной обработки в которых использованы теоретические результаты работы. Приводятся результаты натурных экспериментов по цифровой согласованной фильтрации. Разработан алгоритм синтеза коэффициентов цифрового квазисогласованного адаптивного фильтра для получения необходимой формы сигнала на выходе фильтра.
Автор выражает благодарность сотрудникам ОАО «Радиофизика»: научному руководителю к.т.н. Ампилову О.В., начальнику отдела Фарберу В.Е., начальнику НИО-1 к.т.н. Топчиеву С.А., Генеральному Конструктору д.т.н. Толкачеву A.A., инженерам к.т.н. Никитину К.В., Никитину М.В. и другим сотрудникам НИО-1, а также сотрудникам кафедры прикладной радиофизики МФТИ к.т.н. Романюку Ю.А., к.т.н. Псурцеву В.П., за содействие и плодотворное сотрудничество в ходе выполнения работы.
