автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.14, диссертация на тему:Исследование и разработка алгоритмов и специализированных устройств цифровой обработки сигналов с использованием непериодических сверток и метода распределенной арифметики

ВЯТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

РГБ ОД

На правах рукописи

2 7 ФЕВ '

ГОРШКОВ Алексей Карпович

УДК[681.325.5:621.3.049.771+621.372

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ И СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫХ УСТРОЙСТВ ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НЕПЕРИОДИЧЕСКИХ СВЕРТОК И МЕТОДА РАСПРЕДЕЛЕННОЙ АРИФМЕТИКИ

Специальность: 05.13.14 - Системы обработки информации и управления

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ккров-1995

и'

Работа выполнена в Вятском государственном техническом университете

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Н.А.Филиппов кандидат технических наук, доцент А.Б.Кислицин

Ведущая организация - НИИ СВТ, Г.Киров

Зашита диссертации состоится и15_н_марта_ 1995г. в_15_ч

на заседании совета К 064.69.01 в Вятском государственном техни ческом университете по адресу: 610000, Киров, ул.Мэсковская, 36.

С диссертацией мохно ознакомиться в библиотеке Вятскогс государственного технического университета.

Автореферат разослан " 1995 г.

Ученый секретарь совета / В.И.Пономарев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одним из основных направлений достижения максимальной производительности и эффективности использования систем цифровой обработки сигналов (ЦОС) и управления является совершенствование и создание принципиально новых цифровых вычислительных устройств, реализующих базовые алгоритмы обработки сигналов.

Важность решаемых такими устройствами задач делает целесообразным их специализированную реализацию с использованием параллельных (конвейерных) методов организации структур.

Большинство видов сложной ЦОС представляют собой композицию рекурсивной и нерекурсивной обработки, основные операторы преобразований которых (базовые макрооперации) - вычисление сумм произведений (скалярных произведений) и вычисление сумм смещенных (лаговых) произведений (непериодических сверток). Время выполнения операции умножения в указанных операторах преобразований служит оценкой пригодности технических средств для решения тех или иных задач ЦОС, а число этих операций характеризует сложность алгоритмов обработки сигналов.

Очевидно, что развитие методов вычисления базовых макроопераций и на их основе базовых алгоритмов ЦОС должно идти по пути сокращения числа операций умножения. Для достижения этой цели большое значение стали приобретать алгебраические методы вычисления базовых алгоритмов на основе циклической свертки (ПС), теоретико-числовых преобразований (ТЧП) и полиномиальной алгебры.

Однако полностью исключить операцию умножения и использование умножителей при реализации базовых макроопераций и, следовательно, базовых алгоритмов ЦОС позволяют арифметические методы, учитывающие структуру сверточных алгоритмов на самом низком, битовом уровне. Один из них получил название метода распределенной арифметики (РПА).

Отсюда актуальным представляется исследование, направленное на алгоритмическое и структурное обеспечение разработки отдельных специализированных устройств для систем ЦОС и управления на основе коротких непериодических сверток (НС) и вычисления методом РПА.

Целью диссертационной работы является разработка алгоритмов

и принципов построения структур быстродействующих устройств вычисления скалярного произведения (СП) и НС методом РПА, предназначенных для реализации отдельных устройств вычисления базовых алгоритмов и решения уравнений в проблемно-ориентированных средствах ЦОС.

В соответствии с поставленной целью в работе формулируются и решаются следующие задачи:

- анализ методов, и средств вычисления СП и НС в проблемно-ориентированных средствах ЦОС реального времени;

разработка аппаратурно-ориентированных алгоритмов и структур устройств вычисления СП и НС методом РПА;

- разработка модифицированного метода РПА;

- разработка вопросов проектирования отдельных устройств для систем ЦОС, реализующих предложенные алгоритмы и методы вычислений.

Предмет исследования. Свойства и закономерности РПА , развивающиеся в устройствах вычисления НС, влияние параметров этих устройств на характеристики специализированных устройств ЦОС, обеспечивающих обработку информации в реальном времени.

Методы исследования основаны на использовании аппарата линейной алгебры, теории чисел и ЦОС, вычислительной математики, теории и проектирования ЭВМ и систем. При этом аналитические и численные методы сочетались с машинным моделированием.

Научная, новизна состоит в развитии методов и средств ускоренного выполнения базовых алгоритмов в проблемно-ориентированных средствах ЦОС. В результате проведения исследований получены следующие научные результаты:

- разработан метод организации модульных структур цифровых фильтров (ЦФ), включающий метод анализа базовых структур ЦФ, методики эквивалентных преобразований и методы синтеза волновых ЦФ (ВЦФ), исключающие переход к базовым структурам; метод позволяет представить вычислительные процессы известных к настоящему времени ЦФ ограниченным набором коротких НС-и (или) СП, а структуры ЦФ - ограниченным набором модулей, реализующих короткие свертки и (или) скалярные произведения;

разработан способ количественной оценки степени •параллелизма и скоростных свойств модульных структур ЦФ;

- разработан модифицированный метод РПА и определены сферы

его использования;

- предложена классификация устройств на РПА ; разработаны аппаратурно-ориентированные алгоритмы вычисления СП и НС методом РПА с различными способами взвешивания промежуточных величин, сокращения объема требуемой памяти вплоть до минимально возможного и двумя способами совмещения микроопераций во времени; оценен эффект от способов совмещения микроопераций во времени и получена зависимость для определения условий, при которых время вычисления НС зависит только от разрядности аргументов и не зависит от размерности свертки.

Практическая ценность полученных в диссертации результатов заключается в том, что :

- разработанные с использованием РПА алгоритмы и структуры модулей с параллельным взвешиванием позволяют в 3.5 + 8 раз уменьшить время вычисления НС и СП по сравнению с их аппаратурной реализацией на базе матричного умножителя с накопителем;

- разработанная процедура и полученные результаты сравнительного анализа по временным и аппаратурным затратам модулей на РПА совместно с методом организации и способом количественной оценки степени параллелизма и скоростных свойств модульных структур обеспечивают < решение задачи синтеза быстродействующих модульных специализированных устройств ЦОС различного назначения;

- разработанный способ подавления переходных процессов в рекурсивных ЦФ прямой формы и результаты исследования его эффективности позволяют использовать потенциальные возможности рекурсивной фильтрации при проектировании систем селекции движущихся целей (СДЦ).

Реализация результатов работы. Диссертация выполнена в соответствии с планами госбюджетных научно-исследовательских работ (НИР), проводимых на кафедрах КПЭВА и ЭВМ Кировского политехнического института (КирПИ) и посвященных исследованию методов и средств ЦОС. Решение задачи разработки и исследования алгоритмов и специализированных устройств ЦОС с использованием НС и метода РПА является вкладом в решение проблемы повышения технико-экономических показателей систем ЦОС и управления (проблемы 1.12.1.8, 1.12.7.1, 1.12.10.2, 1.12.II.6 АН СССР).

Разработанные алгоритмы и специализированные устройства ЦОС

з

были использованы при выполнении хоздоговорных НИР на кафед; КПЭВА и ЭВМ. Результаты исследования внедрены в разрабо' перспективного изделия на предприятии с годовым экономичеа эффектом 93,3 тыс. руб.

Основные положения, выносимые на защиту.

1.Мэтод организации .модульных структур ЦФ, включающий мет анализа базовых структур ЦФ, методики эквивалентных преобра: ваний и методы синтеза волновых ЦФ, исключающие переход к базон структурам.

2.Способ количественной оценки степени параллелизма скоростных свойств модульных структур ЦФ.

3.Модифицированный метод распределенной арифметики.

4.Классификация устройств на -РПА и аппаратурно-ориентироЕ нные алгоритмы вычисления СП и НС методом РПА с различными сг собами взвешивания промежуточных величин (ПВ), сокращения объе требуемой памяти и совмещения микроопераций во времени.

'Апробация результатов работы. Основные положения результаты диссертации докладывались и обсуждались на:

- хххш Всесоюзной научной сессии,посвященной Дню ра; (Москва,1978);

- I всесоюзной конференции "Методы и средства преобразовав сигналов" (Рига,1978);

- Всесоюзной научно-технической школе "Радиоприемные усилительные устройства" (Москва,1978);

- II Всесоюзной школе-семинаре "Совершенствование устройс и методов обработки информации" (Ростов-Ярославский,1980);

- III Всесоюзном совещании-семинаре "Совершенствован устройств и методов обработки информации" (Росте Ярославский,1980);

- Всесоюзной научно-технической конференции "Теория практика конструирования и обеспечения надежности и качест электронной аппаратуры и приборов" (Воронеж,1984);

Всесоюзной конференции "Организационно-экономическ проблемы проектирования вычислительных систем" (Москва,1987);

научно-технических конференциях профессорск преподавательского состава КирПИ (Киров,1978-1993).

Публикации. По теме диссертации опубликовано двенадцать п чатных работ и получено девять авторских свидетельств

изобретения.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения и пяти приложений. Основной текст работы изложен на 183 страницах, содержит 68 рисунков и 22 таблица. Список литературы включает 147 наименований. Текст приложений изложен на 62 страницах, содержит 58 рисунков и 18 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Исследованы методы и средства ЦОС, вычисления скалярного произведения и непериодической свертки. Основными методами ЦОС являются традиционные и адаптивные, а реализующие эти методы системы - инвариантными и неинвариантными во времени. Адаптивные методы, в свою очередь, делятся на методы адаптивной и пространственно-временной фильтрации, используемые соответственно при проектировании адаптивных фильтров и адаптивных антенн.

Операционные части адаптивных фильтров и антенн составляют КИХ ЦФ (ЦФ с конечной импульсной характеристикой), БИХ ЦФ (ЦФ с бесконечной импульсной характеристикой) и устройства вычисления СП.

Управляющие части адаптивных систем базируются на двух типах алгоритмов оптимального линейного оценивания: первый - параллельный, использующий в качестве операционной части КИХ ЦФ, оптимальный вектор коэффициентов которого находится на основе блока данных путем решения уравнения Винера-Хопфа, а второй - последовательный, использующий в качестве операционной части БИХ ЦФ, оптимальный вектор коэффициентов которого находится по отсчетам квазибескокечной последовательности данных путем решения уравнений Калмана. Функции операционных устройств управляющих частей адаптивных систем выполняют цифровые процессоры сигналов (ЦПС). г'

Противоречивость свойств, внутренне присущих КИХ и БИХ ЦФ, расширение сфер их применения привели в последнее время к разработке большого количества альтернативных структур БИХ ЦФ. Основное их отличие от традиционных (прямая структура, каноническая, биквадратная) состоит в целенаправленном обеспечении нужных свойств, таких как, например, низкая чувствительность к точности представления коэффициентов, отсутствие предельных циклов, низкий уровень шумов округления и т.п. Указан-

ные свойства делают новые фильтры наиболее предпочтительными для практического использования с учетом сферы применения.

В работе предложена классификация известных к настоящему времени ЦФ. В качестве классообразующих признаков приняты вид передаточной функции (ПФ), основное свойство и метод синтеза ЦФ.

Исследование известных к настоящему времени структур ЦФ позволило выделить три метода их синтеза.

Первый основан на различных способах представления или разложения ПФ

1 У(г) _ со+ог"1*.....

О! А I— у 1-у \ - --_ _ 1 1 I

1+ыг + .. ,*ьг2

в г-плоскости. Таким образом получены структуры традиционных ЦФ, лестничных фильтров Митры и Шервуда, ортогональных полиномиальных, фильтров Агарвала и др.

Второй метод использует предварительный синтез реактивных аналоговых фильтров (АФ) - прототипов без потерь с присущим им свойством низкой чувствительности к изменению номиналов элементов. Определенный переход от АФ без потерь к цифровому позволяет получить ЦФ с низкой чувствительностью к точности представления коэффициентов. В работе выделены два способа такого перехода: первый основан на представлении каждого элемента АФ в виде двухполюсника, а второй - четырехполюсника. Данный класс фильтров получил название волновых. Основными структурами волновых ЦФ (ВЦФ) являются стандартные Феттвайса, с правильной лестничной конфигурацией, Константинидиса, Лоусона, Свэми и Тьягараджана, Эрфани и Пейкари.

Третий метод синтеза основан на непосредственной замене в АФ - прототипе аналоговых интеграторов и дифференциаторов их цифровыми эквивалентами с использованием различных видов г - преобразований. К основным в этом классе фильтров можно отнести фильтры Брутона и фильтры,основанные на дискретизации уравнений Кирхгофа.

Предложен иерархический подход к рассмотрению организации вычислительных процессов и структур ЦФ. Выделены три уровня иерархического представления : уровень внешней, внутренней структуры и микрооперационный. Исследование организации вычислительных процессов и структур на первых двух уровнях позволило установить : имеются две разновидности представления внешних структур и три разновидности представления внутренних

структур ЦФ; при этом на уровне внешней структуры вычислительный процесс определен ( имеет строгую математическую запись ПФ в т. -плоскости)- для 11Ф, синтезированных первым методом, и не определен для ЦФ, синтез которых выполнен вторым и третьим методами.

Вычислительный процесс, который определен на уровне внешней структуры, всегда представим совокупностью подпроцессов, однако возможность непосредственной записи кавдого подпроцесса в виде

N-1

Н-тт+1. (2)

к=0 или в виде

т т г

" X С**Х"-* (3) " = I Ск"2п-1+ £ <4)

к=0 1=0 1=1 имеют только нерекурсивные (3), последовательные и параллельные

прямые формы структур рекурсивных (4) ЦФ.

Уравнение (2) есть НС уп ограниченной последовательности Ск длиной N с квазибесконечной последовательностью- данных которые могут быть как входными хп_к, так и выходными Уп_к отсчетами, взятыми из входного непрерывного сигнала, причем ш -порядок фильтра.

Установлено также, что на уровне внутренней структуры подпроцессы определены для всех ЦФ, а отличительная их особенность - многообразие. Именно по этой причине возникает •необходимость решения задачи представления вычислительных процессов. известных ЦФ в такой эквивалентной форме, которая допускает их описание ограниченной совокупностью подпроцессов вида (2), а для описания алгоритмов оптимального линейного оценивания использовать ограниченную совокупность подпроцессов вида л

У= СХ = ^СкХк, (5)

где с и х - N - мерные векторы коэффициентов и аргументов соответственно.

Предложена классификация способов и устройств вычисления НС (2) и СП (5).

На основе предложенных классификаций методов и средств ЦОС, а также устройств для вычисления НС и СП определен предмет и • структура исследования, сформулированы задачи разработки алго-

ритмов и специализированных устройств ЦОС с использованием коротких НС и метода РПА._

Выполнена разработка метода организации модульных структур ЦФ. Его основу составляет разработанный метод анализа базовых структур (за базовые приняты структуры ЦФ, синтез которых осуществлен указанными выше методами, а описание на функциональном уровне представимо в терминах основных операций обработки сигналов - умножения, алгебраического сложения и задержки на интервал дискретизации (ИД)).

Посредством метода анализа осуществляется декомпозиция базовой структурной схемы.Исследование показало,что эффективная организация модульных структур ЦФ требует дифференцированного подхода к формам представления базовых структур на функциональном уровне с целью их преобразования в модульные на структурном уровне.

Дифференцированный подход заключается в том, что если базовая структурная схема получена первым и третьим методами синтеза, то к таким структурам метод анализа применяется непосредственно, преобразуя их в модульные. В случае синтеза базовых структурных схем вторым методом, их анализ должен выполняться либо после эквивалентных преобразований, либо после синтеза специально разработанными методами.

Мзтодика эквивалентных преобразований для ВЦФ, использующих концепцию адаптеров, включает выполнение нескольких этапов, основное содержание которых следующее. Система уравнений, описывающая, например, параллельный адаптер с ЦЭ индуктивности

У1<г> = (сх1-1 )Хг <2) + агХ212)

У2(2) = ахХ (2)

(02-1>Х2(г>

«зХз(2)-

°3Х3(2)'

2) + а„Х,(2) + (о,-1 )Х,(2),

у3(2> = в1х,|

У4(2) = -2-Х3(2>, а3= 2-а,-

преобразуется в систему уравнений

ч^г) о-11 (г) о-12<2>

Уг(2) о-21(2) сг2гШ у2(г) 9 - 1

где ог1112) = *

о-21(2) в (у6+у7-2~ )/ц, о•

16)

(7)

)/ц, о-12(2)

22

(г) = (гв+г9-г У и. и = 1

-г

которой соответствуют две свертки вида

2

(в)

В работе показано, что эквивалентные преобразования (6)-(8) применимы к любой системе уравнений, описывающей последовательный или параллельный адаптер с ЦЭ аналогового элемента (АЭ).

Идея первого из разработанных методов синтеза состоит в следующем. За исходную принимается АФ без потерь с расчитанными значениями элементов, который преобразуется в АФ на единичных элементах (ЕЭ) посредством тождественных преобразований Куроды. Далее в фильтре на ЕЭ аналоговые элементы, расположенные между двумя соседними ЕЭ, заменяются структурной схемой модуля MI, реализующего систему (8), а. ЕЭ заменяются одним из трех цифровых эквивалентов. В результате синтеза может быть получена одна из трех конвейерных структур, состоящая из цепочки модулей МГ, разделенных ЦЭ единичных элементов.

Второй разработанный метод применяется для синтеза В11Ф, не использующих концепции адаптеров. Он призван обеспечить такое представление подпроцессов на функциональном уровне, при котором возможно их описание уравнениями системы (8). Этим обеспечивается единый метод организации модульных структур известных ВЦФ.

Основу метода анализа базовых структур ЦФ произвольной

конфигурации составляет матричное уравнение Yin» = |&|>х<п), t9) описывающее поведение структур на функциональном уровне, где и йы - соответственно вектор входных и выходных сигналов.

Матрица |А| в (Э) составляется по базовой структурной схеме по определенным правилам таким образом, что включает все арифметические операции, выполняемые Цф, причем - число отличающихся строк та в (9) определяет количество, подпроцессов, совокупностью которых представлен вычислительный процесс; - каждый подпроцесс имеет вид СП (5) или НС (2); - количество элементов в строке, отличных от нуля, определяет размерность уравнений (2) и (5); - каждому подпроцессу ставится в соответствие реализующий данный подпроцесс модуль; - организацию связей меаду модулями также определяет матричное уравнение (9).

Эффективность разработанного метода организации модульных структур обеспечивается: I) требованием для специализированной' реализации операционных и управляющих частей систем ЦОС и

управления набора, состоящего из трех типов модулей, каждый из которых имеет два варианта исполнения: модули первого варианта осуществляют вычисление коротких НС (2), а второго - СП (5) размерностью N=2,3,5; 2) увеличением регулярности (однородности)', а в ряде случаев - универсальности (волновые ЦФ) структур; 3) сокращением до 30% числа подпроцессов, описывающих вычислительные процессы отдельных базовых структур ЦФ.

Установлено, что скоростные свойства модульных структур зависят от двух факторов: а) естественного параллелизма, внутренне присущего структуре, который определяется топологией передач в ней; б) скорости работы модулей.

Разработан способ количественной оценки степени параллелизма и скоростных свойств модульных структур ЦФ, позволивший: I) выделить три разновидности модульных структур по степени параллелизма и скорости обработки сигналов - параллельную, последовательно-параллельную и последовательную и получить для каждой из выделенных структур аналитические выражения количественной оценки степени параллелизма и скорости обработки сигналов; 2) показать, что реализацию подпроцессов последовательных и взаимосвязанных подпроцессов последовательно-параллельных структур целесообразно выполнять на базе одного модуля без потерь в скорости обработки сигналов; это обеспечивается страничной организацией памяти для хранения коэффициентов или промежуточных величин и применением стековых ЗУ для хранения входных данных.

Выполнена разработка алгоритмов и структурных схем устройств для вычисления СП и НС методом РПА. Выделены два способа кодирования аргументов функции СП:1)двоичным дополнительным кодом (ДДК)

2) специальное кодирование аргументов (СКА) в форме

0 1 * где хк,х£ - соответственно цифра знакового и ¿-го значащего

разрядов числа хк, а - инверсное значение е {0,1}.

Процесс вычисления СП с первым

и вторым

4-1

. Я-1 н

I. 1с-х

способами кодирования аргументов сводится к суммированию с взвевиваняем (коэффициент величин и * , названных в

работе промежуточными, а рассматривается как начальное условие. Эти же способы кодирования и аналогичные процедуры вычислений использованы и для НС.

Соответственно принятому кодированию аргументов в работе принято различать модули первого и второго типов.

Выделены: I) три способа формирования промежуточных величин (ПВ), из которых первые два основаны на предварительном вычислении и хранении ПВ в ПЗУ и ОЗУ соответственно, а третий -на непосредственном вычислении ПВ аппаратурой модуля; 2) три способа взвешивания ПВ - последовательный, параллельно-последовательный и параллельный.

Разработаны: I) алгоритмы и структурные схемы модулей первого и второго типов для вычисления СП и НС с выделенными способами кодирования аргументов, формирования и взвешивания ПВ; 2) два способа совмещения микроопераций во времени, оценен эффект от использования совмещения микроопераций и определены сферы их целесообразного применения.

Предложены способы сокращения объема памяти для хранения ПВ вплоть до минимально возможного, определяемого числом коэффициентов в СП или НС.

Получены аналитические выражения для оценки временных затрат и условие, при котором быстродействие модулей на РПА зависит только от разрядности обрабатываемых операндов и не зависит от размерности СП или НС: время формирования ПВ не должно быть больше времени их алгебраического суммирования.

Показано, что разработанные алгоритмы и реализующие эти алгоритмы модули позволяют удовлетворить широкому кругу требований по временным и аппаратурным затратам, а при размерности N. равной 2,3,5 они выполняют реализацию подпроцессов модульных структур ЦФ.

Разработан модифицированный метод РПА и определены сферы его применения. Разработанная модификация метода РПА базируется на

преобразовании вычислительного процесса (10) и направлена на сокращение временных затрат, а также использование однокристалль-ных умножителей и умножителей-накопителей, включая систолические их структуры. Основная цель разработки модифицированного метода -исключить зависимость цикла обработки согласно (10), состоящего из (я+1) тактов, от разрядности я представления аргументов.

В работе показано, что по сравнению с прямым методом РПА, модифицированный обеспечивает: I) тем больший выигрыш по быстродействию, чем больше величина отношения разрядности q данных в свертке к числу слов Е, хранимых в стеке; 2) совмещение во времени процесса вычисления НС с процессом замены коэффициентов в стеке. Эти два свойства приняты в качестве критериев для выделения сфер применения модифицированного метода : а) вычисления НС размерностью N>5 с использованием предложенных способов сокращения объема памяти для хранения ПВ; б) реализации рекурсивных ЦФ прямой формы с учетом вида аппроксимации амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) и назначения (ЦФ нижних, верхних частот, полосовой или полосно-заграждающий); в) вычисления НС в системах ЦОС, требующих изменения коэффициентов свертки в каждом ИД или вобуляции периода повторения; такое вычисление НС необходимо в ЦФ СДЦ.

Разработана методика проектирования ЦФ прямой формы с учетом вида аппроксимации АЧХ и назначения; использование методики иллюстрирует пример.

Разработан новый способ подавления переходных процессов в рекурсивных ЦФ СДЦ, исследована его эффективность, приведены результаты этого исследования и показано, что эффективность рекурсивного ЦФ СДЦ третьего порядка с разработанным способом подавления переходных процессов начинает превосходить эффективность нерекурсивного ЦФ СДЦ уже при объеме выборки 1^=5.

Показано, операционные и управляющие части ЦФ для систем СДЦ должны соответственно обеспечивать совмещение во времени процесса обработки в данном ИД с процессом замены коэффициентов, используемых при обработке в очередном ИД, и установку начальных условий в соответствии с предложенным способом, в случае использования БИХ ЦФ прямой формы в качестве ЦФ СДЦ. Данный вывод служит рекомендацией разработчикам операционных и управляющих частей ЦФ для систем СДЦ, использующих потенциальные возможности

рекурсивной фильтрации.

Выполнена оценка основных параметров БИС вычисления СП } коротких НС методом РПД. По разработанным методикам получем соотношения для расчета временных, аппаратурных и энергетически? затрат выделенных модулей на РПА с различными способам! формирования и взвешивания ПВ; для этого использовань соответствующие характеристики ЭСЛ-схем.

Аппаратурные затраты оценивались в площади кристалла, причек для модулей на РПА коэффициент межсоединений выбран равны* С-1.524 (пессиместическая оценка), а для модуля на базе матричного умножителя (МУ) с накопителем - .2

(оптимистическая оценка).

На основе полученных путем моделирования результатов расчетов выполнен сопоставительный анализ характеристик модулей на РПА с соответствующими характеристиками модуля на базе МУ с накопителем, реализованного на таких же ЭСЛ-схемах. Результаты сопоставительного анализа следующие :

1. Устройства на РПА с параллельным взвешиванием ПВ обеспечивают в 3.5-8 раз большее быстродействие по сравнению с устройством на базе МУ с накопителем; эту разновидность устройств целесообразно использовать при разрядности аргументов и коэффициентов СП и НС, не превышающих 24 двоичных разрядов.

2. При площади кристалла, в 1.7-4.5 раза меньшей площади кристалла модуля на МУ с накопителем, модули на РПА с последовательным взвешиванием ПВ обеспечивают большее быстродействие при разрядности, не превышающей значений 12,20 и 32 двоичных разрядов для размерностей СП или НС N=2,3,5 соответственно; отсюда следует, что выигрыш по быстродействию растет с увеличением размерности СП или НС.

3. Аппаратурные и временные затраты конвейерных устройств на РПА с последовательным взвешиванием ПВ соответственно в 1.3-3.2 и 2.3-4.8 раза меньше соответствующих затрат модуля на базе МУ с накопителем; при этом дополнительная площадь кристалла для узлов, обеспечивающих конвейерный режим в модулях на РПА не превышает 45*, в то время как в МУ она близка к 100% и берется от большей в 1.3-2.3 раза величины.

4. Посредством применения модулей на РПА с параллельно-последовательным взвешиванием ПВ можно осуществлять компромисс между

временными и аппаратурными затратами, достигая этим наиболее полного удовлетворения заданным требованиям.

На основе расчета энергетических затрат показано, что однокристалльная реализация модулей на РПА с побайтовой обработкой информации на ЭСЛ-схемах возможна.

ВЫВОДЫ

В результате проведенного исследования по теме диссертации получены следующие основные научные и практические результаты.

1. Разработан метод организации модульных структур ЦФ, включающий метод анализа базовых структур ЦФ, методики эквивалентных преобразований и методы синтеза ВЦФ.

2. Разработан способ количественной оценки степени параллелизма и скоростных свойств модульных структур ЦФ.

3. Модифицированный метод распределенной арифметики.

4. Предложена классификация устройств на РПА; разработаны аппаратурно-ориентированные алгоритмы вычисления СП и НС методом РПА с различными способами взвешивания ПВ, сокращения объема требуемой памяти вплоть до минимально возможного и двумя способами совмещения микроопераций во времени.

5. Разработаны с использованием РПА алгоритмы и структуры модулей, позволяющие в 3-8 раз уменьшить время вычисления НС и СП по сравнению с их аппаратурной реализацией на базе МУ с накопителем.

6. Разработана процедура и получены результаты сравнительного анализа по временным, аппаратурным и энергетическим затратам модулей на РПА, которые, совместно с методом организации и способом количественной оценки степени параллелизма и скоростных свойств модульных структур, обеспечивают решение задачи синтеза быстродействующих модульных специализированных устройств ЦОС различного назначения.

7. Разработан способ подавления переходных процессов в БИХ ЦФ прямой формы, позволяющий использовать потенциальные возможности рекурсивной фильтрации при проектировании систем СДЦ.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

I. Горшков А.К..Седавных В.Л. Выбор структуры процессора для решения уравнения Винера-Хопфа//Научно-технич. школа студентов и

и

молодых специалистов "Организационно-экономические проблемы проектирования систем": Тез.докл.-М.,1987,с.9-10.

2.Горшков А.К.,Любимов А.Л. Мэтоды организации вычислительных процессов и структур ЦФ//Ш Всесоюзное совещание-семинар молодых ученых и специалистов "Совершенствование устройств и методов приема и передачи информации": Тез.докл. -1982.-Ростов-Ярославский,с.96-97.

3.Горшков А.К..Лесников В.А. Сокращение объема памяти при реализации ЦФ на принципах РПА //и Всесоюзная школа-семинар молодых ученых и специалистов "Совершенствование устройств и методов обработки информации": Тез.докл.-1980.-Ростов- Ярославский,с.14-15.

4.Горшков А.К..Лесников В.А.,Петров Е.П..Частиков A.B. Реализация рекурсивного ЦФ без операции умножения//Радиотехника, Т.33.-1978,с.48-53.

Б.Горшков А.К..Лесников В.А.,Петров Е.П..Частиков A.B. Полосовой ЦФ // Приборы и техника эксперимента.-1978, *3,с.97-100.

6.Горшков А.К..Лесников В.А..Петров Е.П..Частиков A.B. Комбинаторная реализация ВЦФ// Радиотехника,т.36.- I98I,J62,c. 41-43.

7.Горшков А.К..Лесников В.А.,Петров Е.П..Частиков A.B. Использование принципов РПА при реализации- ВЦФ // Изв.вузов сер.Радиоэлектроника,т.24.- 1981.-KI,с.98-101.

8.Горшков А.К..Лесников В.А.,Петров Е.П..Частиков A.B. Эффективность рекурсивных цифровых фильтров СДЦ при малом объеме выборки//Изв.вузов сер.Радиоэлектроника,т.21.-1978.-Хб,с.122-125.

Э.Горшков А.К..Лесников В.А..Петров Е.П..Частиков A.B. Разработка структурных и функциональных схем цифровых фильтров, ориентированных на реализацию в виде БИС// Всесоюзная научно-техническая конференция "Теория и практика конструирования и обеспечения надежности и качества электронной аппаратуры и приборов":Тез.докл.-1984.-М.:Радио и связь,с.18-20.

Ю.Горшков А.К..Лесников В.А.,Петров Е.П..Частиков A.B. Комбинаторная реализация ЦФ с низкой чувствительностью к разрядности коэффициентов//Всесоюзная научно-техническая школа "Радиоприемные и усилительные устройства":Тез. докл.-М.:Сов.радио,1978, с.5-6.

II.Горшков А.К..Лесников В.А.,Петров Е.П..Частиков A.B. Реализация ЦФ с низкой чувствительностью без явного выполнения

операции умножения//! Всесоюзная конф. "Методы и средства преобразования сигналов":Тез. докл.-М.:Сов. радио,1978, с.5-6.

12.Горшков А.К..Лесников В.А.,Петров Е.П..Частиков A.B. Реализация ЦФ без явного выполнения операции умножения//хххп1 Всесоюзная научная сессия, посвященная дню радио":Тез. докл.-М.:Сов. радио,1978,с.6.

13. A.c. 696835 (СССР). Цифровой фильтр селекции движущихся целей/А. К. Горшков, В. А. Лесников, Е.П.Петров, А. В. Частиков.-1979.-5с.

14. A.c. 714395 (СССР). Устройство для ускоренного умножения /А.К.Горшков,В.А.Лесников,Е.П.Петров,А. В.Частиков.-Опубл. в Б.И., 1979,»5.

15. A.c. 789995 (СССР). Цифровой фильтр /А.К.Горшков, В.А.Лесников,Е.П.Петров,А.В.Частиков.-Опубл. в Б.И., 1980,#47.

16. A.c. 898592 (СССР). Цифровой фильтр /А.К.Горшков, В.А.Лесников,Е.П.Петров,В.В.Клименко,А.В.Частиков.-Опубл. в Б.И., I98I.J62.

17. A.c. 999153 (СССР). Цифровой фазовый детектор с синусоидальной характеристикой /А.К.Горшков, В.А.Лесников, В.Д.Разевиг и А.В.Частиков.-Опубл. в Б.И., 1982,№7.

18. A.c. I010725 (СССР). Цифровой фильтр /А.К.Горшков, В.А.Лесников,А.Н.Онучин,Е.П.Петров,В.Д.Разевиг и А.В.Частиков.-Опубл. в Б.И., 1982,№13.

19. A.c. 1018193 (СССР). Цифровой фазовый детектор с синусоидальной характеристикой/А.К.Горшков, В.А.Лесников, А.Л.Любимов, Е.П.Петров, В.Д.Разевиг и А.В.Частиков.-Опубл. в Б.И.,1983, /618.

20. A.c. II0729I (СССР). Цифровой фильтр /А.К.Горшков, В.А.Лесников,А.Н.Онучин,Е.П.Петров,В.Д.Разевиг и А.В.Частиков.-Опубл. В Б.И., 1984,»29.

21. A.c. 1243088 (СССР). Цифровой фильтр /А.К.Горшков,' В.А.Лесников,Б.К.Нагурский,Е.П.Петров,В.Д.Разевиг и А.В.Частиков. - Опубл. В Б.И., 1983,JG8.

Подписано в печать п.01.95г. Формат 30x42/8. Бумага газетная. Офсетная печать. Печ.л.1,0.Уч.-изд.л.О,7. Тираж 50 экз. Заказ * ?6 Бесплатно.

Ротапринт ВятГТУ, Г.Киров, ул.Московская,36.