Введение к работе
Актуальность исследования. Благодаря успехам микроэлектроники цифровые методы представления информации составляют ныне основу вычислительной, управляющей, телекоммуникационной и измерительной техники. Точность цифровых устройств синхронизации и преобразования информации тем выше, чем меньше шаг дискретизации времени, который обычно равен тактовому периоду. Однако всегда остаются задачи, решение которых требует кванта времени, существенно меньшего тактового периода. К числу таких задач относятся синхронизация, устранение ее перекоса и автотестирование систем на кристалле, восстановление синхронизации и декодирование данных в каналах их передачи, радиолокация и сопровождение по дальности, оптическая связь, измерение интервалов времени в физических экспериментах.
Сокращение шага дискретизации времени, достигаемое путем создания множества промежуточных точек отсчета информационного сигнала, составляет суть фазовой интерполяции, исследованию которой и созданию на основе которой новых цифровых устройств синхронизации и преобразования информации и посвящена диссертационная работа.
Внимание к проблеме сокращения кванта времени объясняется потребностями дальнейшего развития систем обработки сигналов. Хотя наблюдающийся прогресс полупроводниковых технологий и оправдывает некоторые оптимистические прогнозы в отношении быстродействия элементов цифровой техники, уже просматриваются пределы повышения частоты их переключения, установленные действием фундаментальных физических законов. Поэтому одновременно с поиском новых конструкций и технологий сверхвысокочастотных полупроводниковых приборов прорабатываются и вопросы использования фазовой интерполяции. Схемы интерполяции в цифровых измерительных преобразователях времени описаны в работах В.М. Шляндина и Ю.Н. Артюха, в отношении систем синхронизации на возможность применения интерполяции указывал В. Линдсей. Вопросы создания прецизионных преобразователей время-код нашли отражение в работах Д.И. Пората, Дж.Г. Манеатиса, П. Дудека, Э.И. Гитиса, П.П. Орнатского, Е.А. Мелешко, В.Я. Загурского, Е.И. Гурина и других ученых. Что касается фазовой синхронизации, то следует упомянуть работы В.В. Шахгильдяна, Б.И. Шахтарина, М.И. Романовского, М.И. Жодзишского, В.Н. Федосеевой, Ф.М. Гарднера и др., заложивших основы методов анализа систем синхронизации с элементами дискретизации.
Среди зарубежных исследований в области интерполирующих устройств и систем выделяются работы, выполненные в Стэнфордском университете (США) под руководством М. Хоровица, в университете Оулу (Финляндия) при участии Ю. Костамоваара, Т. Рахконена и А. Мянтиниеми, в европейском центре ядерных исследований CERN (Швейцария) (Я. Арай, М. Мота, Е. Христиансен и др.), Национальном Тайваньском университете (группа исследователей во главе с Ш.-Ю.Лью).
Прямая интерполяция интервала времени может осуществляться различными способами, одни из которых служат для разделения тактового периода на равные части путем образования множества копий основного тактового сигнала, другие способы предназначены для получения субквантов времени меньших задержки логического вентиля на отрезке между парой опорных колебаний. Техническими средствами осуществления фазовой интерполяции первой группы способов являются цифровые линии задержки и мультифазные кольцевые генераторы на основе замкнутой цифровой линии задержки, которые с целью стабилизации кванта времени охватываются обратными связями соответственно по задержке и по фазе. Способы получения временных квантов субвентильного диапазона базируются либо на использовании множества цифровых линий задержки со смещенными шкалами, либо на применении специальных элементов и блоков фазовой интерполяции с фиксированными осями интерполяции.
Применение метода фазовой интерполяции для решения задач синхронизации в процессе передачи, приема и хранения цифровых данных позволяет за счет сокращения шага дискретизации времени существенно повысить точность синхронизации, расширить частотный диапазон устройств синхронизации при сохранении гибкости управления и адаптации к параметрам последовательности данных, свойственной цифровым устройствам. Но в этой области остается нерешенным круг задач по оценке верности декодирования сигналов с учетом погрешности синхронизации, а также вопросы проектирования интерполирующих устройств синхронизации.
Хотя исследования в области фазовой интерполяции ведутся многие годы, значимых результатов в теории не получено, остается нерешенным ряд инженерных задач и не предложены научно обоснованные и эффективные методы их решения. Не освещены, в частности, с единых научно-методологических позиций процессы интерполяции, сведения о разработках носят фрагментарный характер и не систематизированы. Это затрудняет практическое применение и дальнейшее развитие систем обработки информации с использованием принципов фазовой интерполяции. Развитие теории и создание новых методов построения интерполирующих устройств синхронизации и преобразования информации является вкладом в решение крупной научно-технической проблемы.
Объект исследования – элементы и устройства адаптивной синхронизации и преобразования информации на основе фазовой интерполяции для вычислительной техники, систем управления и телекоммуникации.
Предмет исследования – теория и техника фазовой интерполяции, методологические аспекты проектирования интерполирующих элементов и устройств, оптимизация характеристик устройств синхронизации и преобразования информации, использующих принцип фазовой интерполяции.
Целью работы является развитие научных основ и разработка технических принципов построения интерполирующих устройств синхронизации и преобразования информации, совершенствование и создание принципиально новых элементов и устройств вычислительной техники, систем управления и телекоммуникаций с повышенной точностью и производительностью.
Для достижения поставленной цели в диссертации решаются следующие задачи:
-
теоретическое исследование процессов фазовой интерполяции в микроэлектронных элементах и мультифазных устройствах на основе обобщенных математических моделей, учитывающих технологические ограничения, внутренние шумы и внешние помехи;
-
разработка математических моделей интерполирующей фазовой синхронизации, исследование динамических свойств и создание новых структур устройств синхронизации, сравнительный анализ и выявление в классе кусочно-линейных характеристик оптимальной дискриминационной характеристики фазового сравнения;
-
развитие технических принципов цифрового фазоинтерполирующего преобразования временных интервалов, совершенствование способов и схем преобразования время-код с малым «мертвым» временем между циклами преобразования и сокращенным шагом дискретизации времени;
-
теоретическое обоснование и выявление путей осуществления фазовой интерполяции для решения задач генерирования, модуляции и синтеза сигналов, в том числе разработка способа и устройств генерирования джиттера импульсов для имитации сигналов в каналах передачи данных с целью измерения фазового запаса приемников, их экспериментальное исследование;
-
разработка математической модели процесса воспроизведения данных, анализ механизма возникновения ошибки и вывод расчетных соотношений для оценки вероятности ошибки с учетом погрешностей синхронизации в их связи с джиттером сигналов данных;
-
разработка новых способов и устройств фазовой синхронизации в информационных каналах накопителей на магнитных дисках, ориентированных на повышение верности воспроизведения данных и увеличение информационной емкости накопителей.
Методы исследования. Для решения поставленных задач использован аппарат математического анализа, теории вероятностей и математической статистики, преобразование Лапласа и z-преобразование, методы теории электрических цепей, компьютерное моделирование с применением программ MatLab, MathCad, PSpice, Electronics Workbench, натурный эксперимент и практическая реализация устройств синхронизации и преобразования информации.
Научная новизна диссертационной работы заключается в теоретических положениях, совокупность которых обосновывает метод фазовой интерполяции и его применение в устройствах синхронизации и преобразования информации.
Новыми являются следующие научные результаты.
-
Математическая модель локальной фазовой интерполяции как процесса взвешенного суммирования опорных колебаний, в отличие от известных моделей позволяющая аналитически определить ось интерполяции на отрезке между опорными колебаниями произвольной формы, установленные закономерности фазового дрожания и управления субнаносекундной задержкой импульсов в биполярных и униполярных элементах задержки.
-
Математические модели и результаты исследования устройств автоподстройки задержки и мультифазных кольцевых генераторов импульсов, обосновывающие выбор их параметров по критерию точности непрерывной интерполяции, найденные структуры мультифазных кольцевых генераторов.
-
Математическая модель интерполирующей фазовой синхронизации, предусматривающая отсчет фаз сигналов по субшкале мультифазного опорного генератора и позволяющая выявить условия аналогии процессов интерполирующей синхронизации и фазовой автоподстройки частоты, обосновать оптимальность пилообразной формы дискриминационной характеристики фазового сравнения в классе кусочно-линейных характеристик по критериям динамической точности и вероятности срыва синхронизма, а также синтезировать новые структуры устройств синхронизации.
-
Основанные на фазовой интерполяции способы и схемы преобразования однократных интервалов времени в цифровой код с малым «мертвым» временем, обладающие по сравнению с известными способами и схемами хронометрического преобразования с непосредственным считыванием повышенной точностью, а также усовершенствованные структуры фазоинтерполирующих преобразователей время-код с субвентильным разрешением.
-
Способ и технические средства воспроизведения джиттера импульсов с применением фазовой интерполяции в сочетании с псевдослучайной последовательностью как источником цифрового шума, обеспечивающие, в отличие от известных способов и устройств, точные статистические характеристики джиттера в процессе имитации сигналов данных.
-
Математическая модель процесса воспроизведения данных и полученные соотношения для расчета вероятности ошибки, которые в отличие от известных моделей и формул учитывают погрешности синхронизации в их связи с джиттером сигналов данных;
-
Новые способы и устройства фазовой синхронизации в информационных каналах накопителей на магнитных дисках, ориентированные на повышение верности воспроизведения данных и увеличение информационной емкости при сокращении времени установления синхронизма, в том числе схемы двухрежимных фазочастотных компараторов, дифференциальный способ фазовой синхронизации и средства его осуществления в устройствах с амплитудно- и широтно-импульсным управлением, способ принудительного фазирования и схемные методы его осуществления.
Практическая ценность работы состоит в следующем:
применение фазовой интерполяции в системах передачи, хранения и преобразования информации по сравнению с традиционными системами улучшает их точность пропорционально коэффициенту интерполяции без увеличения тактовой частоты;
схемы созданных интерполирующих преобразователей время-код позволяют упростить устройства и сократить их «мертвое» время до времени записи результата преобразования в регистр. Будучи реализованными в программируемой полем вентильной матрице, схемы за счет усреднения результатов по 9 каналам преобразования способны обеспечить разрешение менее 50 пс при «мертвом» времени не более 130 пс;
использование методики расчета вероятности ошибки, учитывающей джиттер синхросигналов, дает возможность еще до этапа изготовления и натурного испытания численно оценить фазовый запас канала чтения, оптимизировать на этой основе его характеристики, уменьшить время и затраты на проектирование;
способ генерирования джиттера импульсов с заданными статистическими свойствами и технические средства его осуществления позволяют с повышенной точностью имитировать сигналы с фазовыми искажениями в процессе контроля и оптимизации характеристик информационных каналов воспроизведения информации;
способ принудительного фазирования и найденные варианты его осуществления по сравнению с известными способами обеспечивают сокращение времени установления синхронизма в канале воспроизведения в 50 – 100 раз, а при определенных условиях доведение его до одного бита, что позволяет увеличить информационную емкость дисковых накопителей на 5 – 20%;
новые технические решения устройств синхронизации и их функциональных узлов, дифференциальный способ фазовой синхронизации, схемы центрирования «окна данных» и двухрежимного фазочастотного сравнения обеспечивают повышение точности и стабильности синхронизации и снижение на порядок вероятности ошибки чтения в устройствах хранения данных.
Реализация и внедрение результатов исследования. Научные и практические результаты, изложенные в диссертации, получены при непосредственном участии автора в научно-исследовательских и опытно-конструкторских работах Пензенского научно-исследовательского института вычислительной техники (1978 – 1994 г.г.), а также в процессе выполнения хоздоговорных и госбюджетных научно-исследовательских работ в Пензенской государственной технологической академии.
Указанные работы выполнялись по планам Министерства радиопромышленности СССР (тема 761, рег. № У31936, тема 814б, рег. № Х518506, тема 780 рег. № У51003 и др.), по гранту Министерства образования РФ 1997 г., по гранту Российского фонда фундаментальных исследований 2009 г. (№ 09-07-07001), по грантам Пензенской государственной технологической академии «Наука – шаг в будущее» 2006 и 2009 г.г. Результаты исследований и разработок внедрены в серийные накопители информации НМБ 3-8-1-16, НМБ 2-5-1-10, ЕС-5066М, ЕС-5080, в устройства управления подсистем памяти ЕС-5568, ЕС-5580, в серийную технологическую аппаратуру подсистем памяти ЕС-5066/ЕС-5566, ЕС-5080/ЕС-5580, в опытные образцы оптического дискового ЗУ (ОДЗУ), оптико-механического ЗУ ЕС-5150, дисковых накопителей ЕС-5064, ЕС-5320, ЕС-5063.01. Основные разработки по теме диссертации, в том числе ряд изобретений, внедрены в Пензенском НИИ вычислительной техники, Загорском электромеханическом заводе, Каменец-Подольском заводе «Электроприбор», Пензенском заводе ВЭМ, Пензенском ОАО «Радиозавод», Пензенском ОАО «НИИ физических измерений», Научно-исследовательском и конструкторском институте радиоэлектронной техники – филиале ФГУП ФНПЦ «ПО «Старт» им. М.В.Проценко».
На защиту выносятся.
-
Концептуальный подход к повышению точности цифрового представления сигналов на основе ФИ путем сокращения шага дискретизации времени без увеличения тактовой частоты устройств синхронизации и преобразования информации. Математические модели и результаты исследования процессов непрерывной и локальной ФИ в микроэлектронных элементах ФИ, устройствах автоподстройки задержки и мультифазных кольцевых генераторах импульсов.
-
Математическая модель, результаты анализа и новые структуры устройств интерполирующей фазовой синхронизации. Обоснование пилообразной формы дискриминационной характеристики фазового сравнения как оптимальной в классе кусочно-линейных характеристик по критериям динамической точности и вероятности срыва синхронизма, а также технические средства ее реализации.
-
Усовершенствованные способы и схемы фазоинтерполирующего преобразования интервалов времени в цифровой код, в том числе структуры преобразователей с субвентильным разрешением.
-
Способ и технические средства воспроизведения джиттера импульсов с применением ФИ и псевдослучайной последовательности для имитации сигналов данных с повышенной точностью статистических характеристик.
-
Математическая модель процесса воспроизведения данных и формулы для расчета вероятности ошибки с учетом погрешности синхронизации в их связи с джиттером сигналов данных.
-
Способы и комплекс схемных методов построения устройств синхронизации в информационных каналах накопителей на магнитных дисках, направленных на снижение вероятности ошибки воспроизведения данных и увеличение информационной емкости накопителей.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Всесоюзной школе-семинаре «Чувствительность электронных и электромеханических устройств и систем» (Москва, МИЭМ, 1979), Всесоюзной научно-технической конференции «Развитие теории и техники хранения информации» (Пенза, 1983), зональном семинаре «Моделирование и проектирование систем записи-воспроизведения информации с применением ЭВМ» (Пенза, 1986), Всесоюзной научно-технической конференции «Проектирование внешних запоминающих устройств на подвижных носителях» (Пенза, 1988), Всесоюзной школе-семинаре «Разработка и внедрение в народное хозяйство персональных ЭВМ» (Минск, 1988), Всесоюзной научно-технической конференции «Моделирование, проектирование и производство систем ВЗУ ЭВМ» (Пенза, 1990), научно-технических конференциях «Актуальные проблемы анализа и обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем» (Пенза, 1996, 1997, 1998), научно-технических конференциях «Проблемы технического управления в региональной энергетике» (Пенза, 1998, 1999, 2001), международной научно-технической конференции «Измерения-2000» (Пенза, 2000), Международной научно-технической конференции «Компьютерное моделирование 2002» (Санкт-Петербург, 2002), Всероссийских научно-технических конференциях «Современные методы и средства обработки пространственно-временных сигналов» (Пенза, 2003 - 2009), Международном юбилейном симпозиуме «Актуальные проблемы науки и образования» (Пенза, ПГУ, 2003), 63-й Научной сессии Российского НТОРЭС им. А.С.Попова, посвященной дню радио (Москва, 2008), Всероссийских научно-технических семинарах «Системы синхронизации, формирования и обработки сигналов для связи и вещания» (Одесса, 2007, Ярославль, 2008, Воронеж, 2009).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 83 работы, в том числе две монографии, 2 учебных пособия, 28 статей в ведущих рецензируемых научных журналах, определенных Высшей аттестационной комиссией, 24 авторские свидетельства СССР и 19 патентов РФ на изобретения. Личный вклад автора в работах, опубликованных в соавторстве, состоит в следующем: [5] – вывод расчетных соотношений, [6] – разработка математической модели системы, [7] – оценка возможности линеаризации энергетического спектра джиттера, [9-11] - постановка задачи и разработка структуры, [17] – разработка схемы, [20, 22-24] – вывод теоретических положений, [21] – руководство разработкой, [25] – обоснование способа фазирования. При создании изобретений по авторским свидетельствам СССР [43, 44, 47, 53, 56, 58, 61-63] автор являлся основным разработчиком.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованной литературы из 317 наименований и приложений. Она изложена на 315 страницах основного текста, содержит 3 таблицы и 177 рисунков.
