автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Исследование и разработка устройств обработки сложных сигналов на многозначных элементах

МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

На правах рукописи

Малиничев Дмитрий Михайлович

(

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА УСТРОЙСТВ ОБРАБОТКИ '.'ЛОЖНЫХ СИГНАЛОВ НА МНОГОЗНАЧНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ

Специальность 05.13.05 - "Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления".

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1995

Работа выполнена в Московском ордена Трудового Красного Знамени тоническом университете связи и информатики.

Научный руководитель : доктор технических наук, профессор Тузов В.М.

Официальные оппоненты:

академик МАИ,

доктор технических наук,

профессор Шамаев Ю. М.

доктор технических наук, профессор Пескова С.А.

Ведущая организация: Государственное научно-производстЕен-ное объединение "АГАТ"

Защита состоится " Л/С^-р Гй 19^г. в 'О часов

в аудитории Г 310 на заседании диссертационного совета К-053.16.09 в Московском энергетическом институте (Техническом университете).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просьба направлять по адресу: 111250, ГСП. Москва, Е-250, Красноказарменная ул., 14. Ученый совет МЭИ.

Автореферат разослан " & " ФЗфР&ЛЯ 199^ г.

Ученый секретарь диссертационного

'.-овета к-053.16.09 к.т.н.. доцент )<туЗ А.Н. Дорошенко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ '

Актуальность проблемы. В настоящее время широкое применение находят сложные сигналы и наметилась тенденция к применению при их формировании многозначного кодирования - путем использования нескольких значений фазы, частоты или уровней амплитуды. Применение многоуровневых сигналов позволяет увеличить пропускную способность каналов обмена информацией.

Потребность увеличения пропускной способности возникает при построении систем обмена информацией в локальных вычислительных сетях (ЛВС), в условиях высокого уровня помех. Обычно для повышения помехоустойчивости в ЛВС применяют избыточные коды, которые позволяют как обнаружить ошибку, так и в некоторых случаях и исправить ее. Однако, при уровне помехи соизмеримой с уровнем сигнала применение таких кодов является неэффективным. Поэтому для решения этой проблемы в ряде отечественных и зарубежных фирм исследуется применение многоуровневых сигналов в каналах связи ЛВС. В частности, фирма-изготовитель ЛВС Micro Devices применяет такие сигналы в ЛВС MD-1S.

Для обработки сложных сигналов применяются цифровые программируемые согласованные фильтры (ЦПСФ), которые выполняются обычно на двоичных элементах. Однако обработка многоуровневых сигналов в этом случае вызывает ряд трудностей, связанных с тем. что каждый отсчет обрабатываемого сигнала представляется многоразрядным двоичным числом. Это приводит к существенному росту объема оборудования и снижению быстродействия.

Одним из путей уменьшения количества оборудования является использование многозначных элементов. Поэтому одной из перспективных областей применения таких элементов может быть их использование в устройствах обработки многоуровневых сложных сигналов, в частности, в цифровых программируемых согласованных фильтрах, что

позволяет сократить количество оборудования при построении таких устройств. В этом случае значность элементов должна соответствовать количеству градаций обрабатываемого сигнала.

Таким образом, рассмотрение возможностей построения цифровых программируемых согласованных фильтров на основе многозначных элементов для обработки многоуровневых сигналов и определение эффективных областей их применения является актуальной задачей.

Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является исследование возможностей построения и разработка цифровых программируемых согласованных фильтров на многозначных элементах, предназначенных для обработки многоуровневых сложных сигналов, в частности, в локальных вычислительных сетях, что позволяет в ряде случаев уменьшить количество оборудования таких фильтров без снижения их надежности.

Поставленная цель достигается путем решения следующих основных задач, в ходе решения которых необходимо:

1. Определить требования к цифровым программируемым согласованным фильтрам, исходя из их применения в локальных вычислительных сетях, такие как значность, время обработки сигнала и надежность .

2. Осуществить сравнительный анализ существующих косвенных методов вычисления функции корреляции и выбрать наиболее оптимальные с точки зрения простоты их реализации на многозначных элементах, так как работа цифровых программируемых согласованных фильтров основана на вычислении функции автокорреляции.

3. Осуществить модернизацию косвенных методов вычисления функции корреляции, исходя из простоты их технической реализации в цифровых программируемых согласованных фильтрах на основе многозначных элементов.

4. Определить основные статистические характеристики предложенных методов и на их основе определить характеристики цифровых фильтров, выполненных на многозначных элементах.

5. Произвести экспериментальное исследование характеристик предложенных методов путем их машинного моделирования, и провести сравнение характеристик фильтров при обработке многоуровневых и

двоичных сигналов.

6. Осуществить макетирование цифровых программируемых согласованных фильтров на основе двоично-десятичных многозначных фаэо-импульсных элементов.

Методы исследований. В диссертационной работе для решения поставленных задач использованы методы математического анализа, теории вероятностей, а также методы статистической радиотехники и многозначная логика. Производится моделирование работы цифровых программируемых согласованных фильтров на ЕС ЭВМ.

Научная новизна результатов диссертационной работы состоит в следующем:

1. Предложено использовать при построении цифровых программируемых согласованных фильтров косвенные методы вычисления функции корреляции, которые основаны на операциях выполняемых непосредственно многозначными элементами, таких как вычисление модуля и релейное умножение.

2. Разработаны новые косвенные методы обработки многозначных сложных сигналов. Показано, что на их основе может быть построен класс алгоритмов обработки сложных сигналов, определяемых четными тригонометрическими функциями.

3. Выявлена зависимость между основными параметрами многоуровневого сложного сигнала, полученного на основе многозначной М-последовательности, - максимальным боковым пиком автокорреляционной функции, его длины и числом градаций сигнала, обрабатываемого с помощью модифицированной модульной и разностно-модульной функций корреляций.

4. Показано, что надежность цифровых программируемых согласованных фильтров, реализованных на элементах со значностью 4 - 8 и обрабатывающих многоуровневые сложные сигналы, может быть в ряде случаев не ниже, чем при реализации таких фильтров на двоичных элементах.

5. Разработаны структуры многозначных цифровых программируемых согласованных фильтров, обладающих меньшим количеством оборудования и большим быстродействием по сравнению с аналогичными

фильтрами, вычисляющими мультипликативную функцию корреляции. Полученные решения являются новыми и защищены авторским свидетельством.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Показана возможность аппаратурной реализации цифровых программируемых согласованных фильтров на многозначных элементах, обладающих более высоким быстродействием и меньшим количеством оборудования по сравнению с аналогичными фильтрами, реализованными на двоичных элементах.

2. Разработаны конкретные функциональные схемы цифровых программируемых согласованных фильтров, реализованных на многозначных элементах, определены их характеристики и показано, что при мень ших аппаратурных затратах они могут иметь такую же надежность, как и фильтры, реализованные на двоичных элементах.

3. Разработана принципиальная схема цифрового программируемого согласованного фильтра, реализующего модифицированную модульную функцию корреляции, на микросхемах серии 155.

Внедрение результатов работы. Основные результаты работы были реализованы в НПО "Агат" в ходе проведения хоздоговорных работ, выполненных в научно-исследовательской части МТУСИ, а также в в/ч N 67947. Внедрение результатов диссертационной работы подтверждается соответствующими актами.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Всесоюзной конференции "Повышение эффективности средств обработки информации на базе математического и машинного моделирования" (Тамбов, 1989 г.), научно-технической конференции "Цифровая обработка сигналов в системах связи и управления" (Суздаль, 1989 г.), научно-технической конференции "Развитие и внедрение новой техники радиоприемных устройств и обработки сигналов" (Горький, '1989 г.), Всесоюзной научной сессии,

посвященной Дню радио (Москва, 1989 г.), Всесоюзной научно-технической конференции "Информационные методы повышения эффективности и помехоустойчивости радиосистем и систем связи" (Ташкент, 1990г.). научной конференции "Опыт разработки и внедрения цифровых и анало-

говых фильтров и корректоров в системах связи" (Севастополь, 1990 г.), научной конференции "Статистический синтез и анализ информационных систем" (Севастополь, 1991 г.), научно-техническом семинаре "Передача и обработка данных в системах управления и сетях ЭВМ" (Киев, 1991 г.), научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава сотрудников и аспирантов Московского института связи 1989-1994 годов.

Основные положения, выносимые на защиту.

1.. Использование многоуровневых сложных сигналов и многозначных цифровых программируемых согласованных фильтров в локальных вычислительных сетях с целью обеспечения их работоспособности при уровне помех соизмеримых с уровнем сигналов.

2. Использование при реализации цифровых программируемых согласованных фильтров разработанных косвенных модульных методов вычисления функции корреляции многоуровневых сигналов.

3. Предложенные структуры цифровых программируемых согласованных фильтров на многозначных элементах.

4. Аналитическая зависимость, определяющая связь между основными параметрами многоуровневого сложного сигнала - максимальным боковым пиком автокорреляционной функции, длиной выборки и числом градаций сигнала, обрабатываемого с помощью разностно-модульной и модифицированной модульной функций корреляции.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ, в том числе получено одно авторское свидетельство об изобретении. Результаты исследований отражены в ряде научно-исследовательских отчетов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и двух приложений. Работа изложена на 85 страницах машинописного текста, содержит 34 страницы рисунков и таблиц, список литературы включает 83 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дается обоснование актуальности темы исследования. сформулированы цель и задачи работы, ее научная новизна и приводятся основные положении, выносимые на защиту. Раскрывается структура и объем работы. Кроме того, здесь представлены сведения об апробации работы и опубликовании основных положений диссертации.

В первой главе рассмотрены особенности формирования и обработки многопозиционных (многозначных) амп.питудно- . Фазо и частотно- манииулированных сигналов. Рассматриваются вопросы корреляционной обработки таких сигналов, обосновывается целесооб разность создания устройств их обработки, в частности, цифровых программируемых согласованных фильтров на основе многозначных эле ментов со значностью К, равной количеству градаций многоуровневого сигнала - р. - Обоснованы возможности применения сложных сигналов в каналах связи локальных вычислительных сетей с целью повышения их пропускной способности и надежности в условиях высокого уровня помех. При этом увеличение пропускной способности может быть достигнуто не только за счет увеличения числа градаций сигнала, но и за счет возможности применения параллельной передачи сигналов по одной физической линии.

Проведен анализ существующей многозначной элементной базы. Показана простота технической реализации цифровых фильтров на типовых многозначных элементах, в которых используются косвенные методы вычисления функции корреляции. На основании этого делается вывод о целесообразности применения релейных и модульных методов вычисления функции корреляции при построении цифровых программируемых согласованных фильтров, обрабатывающих многозначные сигналы. Показана перспективность применеия таких методов, а также возможности их модификации с целью улучшения характеристик таких цифровых фильтров.

Во второй главе рассмотрены вопросы, связанные с модификацией релейной и модульной функций корреляции применительно к их использованию в цифровых фильтрах на многозначных элементах.

Предлагаются новые косвенные методы вычисления функции корреляции и обосновывается эффективность их применения в цифровых программируемых согласованных фильтрах. Рассматриваются функциональные схемы цифровых программируемых согласованных фильтров, реализующих предлагаемые косвенные функции корреляции.

Предложен модифицированный модульный метод:

- • • - ( 1 >

где I (Г) - модифицированная модульная функция корреляции; СС¿¿) - опорный сигнал; входной сигнал; А - постоянная,

равная максимальной амплитуде сигнала.

Рассмотрена структурная схема цифрового программируемого согласованного Фильтра, реализующего модифицированную модульную функцию корреляции. Проведен сравнительный анализ реализации этого метода в цифровых программируемых согласованных фильтрах, выполненных на двоичных и многозначных элементах. Показана простота технической реализации такого фильтра на многозначных элементах.

Исследуются пути применения модульных методов в цифровых программируемых согласованных фильтрах, выполненных на основе многозначных элементов, для обработки многоуровневых сложных сигналов, полученных на основе многозначных М-последовательностей. В методах данного типа показывается перспективность применения четных тригонометрических функций:

где р - количество градаций сигнала, 6; - символы М-последовательности.

Применение этого метода для обработки фазоманипулированных (ФМ) сигналов приводит к уменьшению максимального бокового пика нормированной автокорреляционной функции, по сравнению с применением мультипликативной функции корреляции.

Кроме того, предлагается использовать метод вычисления функции корреляции, основанный на аппроксимации тригонометрических

функций: у-I

С 3 )

¿•¿"(а.А-М-Ь..!),

Л г'°

где А - постоянная.

Д - есть функция от Л — о ; - $. и, в частности, при

С - Лч-

р = 5 она определяется, как: о, при

д=1 /г/, I ( 4 }

-(£ - и/»« /г/ = з.

Данный метод является обобщением модифицированной модульной функции корреляции ( 1 ) и может бить использован для аппроксима ции метода вычисления функции корреляции фазоманипулированных сигналов при дискретных значениях обрабатываемых сигналов.

Применение ( 3 ) для обработки фазоманипулированных сигналов позволяет существенно уменьшить уровень максимального бокового пика автокорреляционной функции (АКФ). Это объясняется тем, что путем соответствующего вычисления функции Д можно получить, что любое совпадение отсчетов обрабатываемых сигналов даст максимальное значение, а любое несовпадение - минимальное значение. Особенностью функции ^ является ее зависимость от значности обрабатываемых М-последовательностей.

Третья глава посвящена исследованию характеристик модульных функций корреляции и оценке надежности работы многозначного цифрового программируемого согласованного фильтра, реализующего модифицированную модульную функцию корреляции.

Характеристики этих методов исследовались применительно к амплитудно-фазоманипулированным сигналам (АФМ), которые широко используются в цифровых системах передачи информации, в частности, в каналах связи ЛВС.

Показано, что величина уровня максимального бокового пика автокорреляционной модифицированной модульной и разностно-модульной функций корреляции выражается следующим образом:

- и -

TZ** = EXPj-o,o?p + O,L] , с 5 з

V У

где р - количество градаций сигнала, J\f - длина сигнала.

Из ( 5 ) следует, что с увеличением количества градаций в сигнале величина максимального бокового пика модифицированной модульной функции корреляции уменьшается по экспоненциальному закону при К = const.

Таким образом, один и тот же уровень максимального бокового пика автокорреляционных модифицированной модульной и разностно-модульной функций корреляций может быть обеспечен либо путем изменения значности АФМ сигнала, либо путем изменения его длины.

Проведен анализ непериодических корреляционных свойств некоторых кодов, как двоичных, так и многозначных, применительно к их обработке с помощью модифицированной модульной функции корреляции. Сравнительный анализ приведенных кодов позволяет сделать вывод, что наилучшими корреляционными свойствами обладают многофазные коды Фрэнка. Многозначные М-последовательности обладают лучшими, по сравнению с двоичными М-последовательностями, корреляционными свойствами, однако уступают при этом многозначным кодам Фрэнка. В работе приведено сравнение корреляционных свойств двоичных и многозначных кодов.

Кроме того, получены выражения для определения математического ожидания и дисперсии случайного процесса, обрабатываемого в соответствии с модифицированным модульным методом:

м = (а -У^буМ (6)

и 1-^)6} (7)

где - дисперсия входного шума.

Применительно к структуре цифрового программируемого согласованного фильтра, реализующего модифицированную модульную функцию корреляции, был проведен сравнительный анализ его надежности при реализации на двоичных и многозначных элементах. Показано, что значность элементов - К, при которой обеспечивается более высокая надежность многозначной структуры по сравнению с двоичной; опреде-

ляется соотношением:

( 8 )

А < к * г.

Таким образом, цифровые программируемые согласованные фильтры, выполненные на основе многозначных элементов, обрабатывающие сигналы с количеством градаций от 4 до 8 и реализующие модульные функции корреляции, могут обладать более высокой надежностью по сравнению с такими же фильтрами на двоичных элементах, реализующи ми мультипликативную функцию корреляции.

Оценка вероятности правильного обнаружения сигнала, обрабатываемого с помощью модифицированной модульной функции корреляции показала, что она незначительно ( в пределах 1 - Я дБ ) меньше, чем вероятность правильного обнаружения сигнала, обрабатываемого с помощью мультипликативной функции корреляции.

В четвертой главе приведены результаты машинного моделирования работы цифровых программируемых согласованных фильтров, реализующих предложенные косвенные функции корреляции и макетирование работы цифрового программируемого согласованного фильтра, выполненного на многозначных элементах и реализующего модифицированную модульную функцию корреляции. Составлены блок-схемы алгоритмов вычисления мультипликативной и предложенных модульных функций корреляций при наличии и отсутствии сбоев в обрабатываемых сигналах, возникающих из-за помех.

Анализ результатов машинного моделирования показывает, что сбои в обрабатывамом многоуровневом сложном сигнале существенно влияют на величину максимального бокового пика как мультипликативной, так и модифицированной модульной функций корреляции.- В основном сбои в принимаемом многоуровневом сложном сигнале приводят к росту величины максимального бокового пика. Однако, в ряде случаев, сбои в сигнале приводят к уменьшению величины максимального бокового пика функции корреляции. При этом изменение величины максимального бокового пика зависит как от вида сигнала - его длины и количества градаций, так и от количества сбоев в сигнале, а также от места, в котором произошел сбой. Сравнительный анализ мультипликативной и модифицированной модульной функций корреляций

при обработке одного и того же сигнала показывает, что максимальный боковой пик модифицированной модульной функции корреляции при сбоях в сигнале меньше, чем у мультипликативной функции корреляции. Поэтому для обработки многоуровневневых сложных сигналов целесообразно использовать цифровой программируемый согласованный фильтр, реализующий модифицированную модульную функцию корреляции.

В работе приведены нормированные мультипликативная В (Т ) и модифицированная модульная Т (Т) автокорреляционные функции многоуровневого дискретного сигнала, полученного на основе многозначной М-последовательности, значения которого опредеяются. как:

{ И^У =■ -2 -1 -1 2 -1 -2 1 1 -1 1 -2 2 2 1 2 ( 9 )

В ходе диссертационной работы проводилось макетирование цифровых программируемых согласованных фильтров. Макет фильтра, реализующего модифицированную модульную функцию корреляции был собрал с использованием многозначных двоично-десятичных элементов. На макете проводилась обработка многоуровневого сигнала, созданного на основе многозначной М-последовательности и определялась величина максимального бокового пика автокорреляционной функции.

Результаты, полученные в ходе макетирования работы цифрового программируемого согласованного фильтра, подтверждают результаты машинного моделирования. На основе разработанной принципиальной схемы такого фильтра, реализующего модифицированную модульную функцию корреляции, может быть создана специализированная БИС.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Показано, что для построения цифровых программируемых согласованных фильтров, обрабатывающих ^сложные многоуровневые дискретные сигналы, целесообразно использовать многозначные элементы, значность которых равна числу градаций таких сигналов.

2. Обоснована целесообразность применения косвенных методов вычисления функции корреляции в цифровых программируемых согласованных фильтрах, реализованных на основе многозначных элементов.

3. Предложена модифицированная модульная функция корреляции и показано, что ее применение в цифровых программируемых согласован-

ных фильтрах, выполненных на основе многозначных гиюмонтов. позво ляет сократить количество оборудования таких фильтров за счет за мены операции умножения операцией вычисления модуля.

4. Определена зависимость уровня максимального бокового пика автокорреляционных модифицированной модульной и разностно-модуль-ной функций от количества градаций и длины обрабатываемого сигнала. Показано, что уровень максимального бокового пика автокорреляционной функции уменьшается с увеличением количества градаций сигнала по экспоненциальному закону.

5. Проведена сравнительная оценка надржности цифровых программируемых согласованных фильтров, выполненных на многозначных и двоичных элементах. Определены оптимальное количество градаций обрабатываемого сигнала и соответственно значности элсмрнтов. кото рне имеют величину от 4 до 8. Показано, что надежность многозначных фильтров не уступает надежности двоичных Фильтров.

6. Показано, что помехоустойчивость программируемого согласованного фильтра, реализующего модифицированную модульную Функцию корреляции, незначительно ( 1 - 3 дБ) уступает помехоустойчивости программируемого согласованного фильтра, реализующего мультипликативную функцию корреляции.

7. Проведены машинное моделирование и макетирование цифровых программируемых согласованных фильтров, реализующих модульные функции корреляции. Экспериментальные исследования показали совпадение результатов машинного моделирования и макетирования.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. В.М.Тузов, Д.М.Малиничев. Разработка цифрового программируемого согласованного фильтра на многозначных структурах/ МЭИС. М.: 1988. деп. В ЦНТИ "Информсвязь". 29.07.88. N 1414.

2. В.М.Тузов, Д.М.Малиничев. Устройства формирования и обработки К-значных псевдослучайных последовательностей/ МИС М.: 1989. Деп. в ЦНТИ "Информсвязь", N 1564, 26.07.89.

3. Д.М.Малиничев. Возможности реализации согласованнованного фильтра на потенциальных многозначных элементах /Радиотехнически^

системы связи, N 144. Сб. научн. тр. учебн. инс-тов связи. Л.: ЛЭ-ИС, 1989 г., С.122-124.

4. Д.М.Малиничев. Устройства предварительна обработки информации и моделирование сигналов специальной формы / Тез. докл. Всесоюзной конференции. Повышение эффективности средств обработки информации на базе математического и машинного моделирования. Тамбов, 1989 г.

5. Д.М.Малиничев, В.М.Тузов. Реализация согласованных фильтров на многозначных структурах для приема сложных сигналов / Тез.докл. Всесоюзной научн. сессии, посвященной Дню радио, часть 1 М: Радио и связь, 1989 г.

6. Д.М.Малиничев, В.М.Тузов, Многозначный цифровой программируемый согласованный фильтр, реализующий модульные алгоритмы / Тез. докл. научн.-техн. конференции. Цифровая обработка сигналов в системах связи и управления. Суздаль, 1989 г.

7. Г.Г.Капелин, Д.М.Малиничев, В.М.Тузов. Устройства согласованной фильтрации для приема К-значных псевдослучайных последовательностей / Тез. докл. научн.-техн. конференции. Развитие и внедрение новой техники радиоприемных устройств и обработки сигналов. Горький, 1989 г.

8. Д.М.Малиничев, В.М.Тузов. Возможности применения многозначных структур для обработки фазоманипулированных сигналов в системах связи / Тез. докл. Всесоюзной научн.-техн. конференции. Информационные методы повышения эффективности и помехоустойчивости радиосистем и систем связи. Ташкент, 1990 г.

9. Д.М.Малиничев, В.М.Тузов. Анализ помехоустойчивости моди-фицированого модульного алгоритма вычисления функции корреляции / Тез. докл. кон-ши. Опыт разработки и-внедрения цифровых и аналоговых фильтров и корректоров в системах связи. Севастополь, 1990

10. В.М.Тузов, В.М.Малафеев, Д.М.Малиничев. Многозначные устройства обработки шумоподобных сигналов / Тез. докл. конференции. Опыт разработки и внедрения цифровых и аналоговых фильтров и корректоров в системах связи. Севастополь, 1990 г.

11. Д.М.Малиничев, В.М.Тузов. Некоторые непрямые корреляционные алгоритмы обработки многоуровневых дискретных сигналов / Циф-

ровая обработка и передача сигналов: Деп. сборник / МИС. М.: 1989 Деп. в ЦНТИ "Информсвязь", N 1613, 17.11.89, с. 30-34.

12. В.М.Тузов, Д.М.Малиничев. Устройства обработки многоуровневых сигналов в сетях ЭВМ при передаче дискретной информации. / Тез. докл. научн.-технич. семинара. Передача и обработка данных в системах управления и сетях ЭВМ. Киев, 1991 г.

13. Д.М.Малиничев, И.В.Тузова. А.Н.Погодин. Цифровые многозначные устройства обработки дискретных сигналов. / Тез. докл. конференции. Статистический синтез и анализ информационных систем. Севастополь, 1991 г.

14. A.c. 1681390 AI (СССР). В.М. Тузов. В.М. Малафеев, Д.М. Малиничев. Опубл. в Б.И. 1991. N 36.

Надписано к печати Л— У/ОдО APik

Печ. л. /0_- Тираж 1 UV ЗаказЦЬЭ

Типография МЭИ, Красноказарменная. 13.

Введение . . Ь

Глава 1. Оценка возможности построения и применения цифровых программируемых согласованных фильтров на основе многозначных элементов и структур .i. {О

1.1. Возможные реализации сложных сигналов и области их применения . dO

1. 2. Оценка возможностей применения сложных сигналов в локальных вычислительных системах .-1а

1. 3. Оценка возможности построения программируемых согласованных фильтров на многозначных структурах . 2d

1. 4. Анализ алгоритмов вычисления автокорреляционной функции косвенными методами.е-г

1. Б. Выводы

Глава 8. Разработка модификаций релейно-модульных алгоритмов вычисления функции корреляции и структур многозначных согласованных фильтров на их основе ."

S. 1. Релейно-модульный и разностно-модульный алгоритмы вычисления функции корреляции и реализующие их многозначные структуры .^ '

2. 2. Анализ многозначного цифрового программируемого согласованного фильтра, реализующего модифицированный модульный алгоритм

2. 3. Возможности применения модифицированного модульного алгоритма в цифровых программируемых согласованных фильтрах при двоичном кодировании

2. 4. Многозначные алгоритмы обработки фазомани-пулированных сигналов и структуры реализующих их цифровых программируемых согласованных фильтров .Ь В

2. Б. Выводы

Глава Э. Определение статистических характеристик модифицированного модульного алгоритма и оценка надежности работы многозначного цифрового программируемого согласованного фильтра

3. 1. Сравнительная оценка локальных максимумов функций, полученных при использовании различных алгоритмов обработки ФМ и АФМ сигналов

3. 2. Определение основных характеристик модифицированного модульного алгоритма

3. 3. Оценка зависимости надежности цифровых программируемых согласованных фильтров от эначности элементов и структур, их реализующих.г *

3. 4. Оценка помехоустойчивости работы многозначных программируемых согласованных фильтров, реализующих модульные алгоритмы

3. Б. Выводы .^

Глава 4. Машинное моделирование и макетирование цифровых программируемых согласованных фильтров, реализованных на многозначных структурах . $$

4. 1. Обоснование исходных данных для машинного моделирования

4. S. Результаты машинного моделирования цифровых программируемых согласованных фильтров, реалиэующих модульные алгоритмы

4. 3. Результаты машинного моделирования цифровых программируемых согласованных фильтров при сбоях информации , каналах ,,«,„

4. 4. Макет цифрового программируемого согласованного фильтра, реализующего модифицированный модульный алгоритм.

4. Б. Выводы

В настоящее время в радиотехнических сиотемах и сиотемах связи широкое применение находят шумоподобные сложные сигналы [ 7-8,12,39,49 ], и наметилаоь тенденция к испольэованию многозначного кодирования - многими эначениями фаэы, частоты или уровней С 13,33,46-48,55,59,72-80 ]. Однако формирование и обработка многозначных сигналов на двоичной элементной базе вызывает ряд трудностей, связанных о тем, что кавдый отсчет обрабатываемого сигнала предотавляется многоразрядным двоичным числом. Это приводит к существенному возрастанию объема оборудования, снижению быстродействия устройств обработки информации, а также в некоторых случаях и к уменьшению надежности С 1, 36, 44 3.

В различных областях техники, таких как автоматика, телемеханика, измерительная и вычислительная техника находят применение многозначные элементы и отруктуры [ 20,43,67,64,71,83 ]. Их использование позволяет существенно сократить объем оборудования, необходимого для обработки многозначных сигналов, и создавать устройства, обладающие рядом полезных свойотв [29,31,56,61,66,78-82]. В наотоящее время теория многозначных элементов и структур, созданных на их оонове, достаточно широко развита как в нашей стране С 21,40,43,50 3, так и за рубежом [63, 66-68, 70, 77 3, и они находят практическое применение в ряде областей цифровой техники.

Вопросы конкретного применения многозначных элементов и структур в цифровых устройствах обработки информации достаточно полно рассмотрены в [ 21, 37, 43, 44 3. Целесообразность их применения в цифровых устройствах обусловлена тем, что количество устойчивых состояний таких элементов принципиально не зависит от сложности охемы. Поэтому одной из перспективных областей применения многозначных элементов и структур является их применение в устройствах обработки оложных оигналов, в частности, в цифровых программируемых согласованных фильтрах [ 29-33, 56-67, 62 3.

Различные цифровые радиотехнические устройства, соэданные на основе многоэначных элементов, нашли свое применение при обработке многоэначных сигналов в процеосе иооледования космического пространства и Мирового океана С 43 ].

Таким обраэом, раоомотрение воэможноотей построения цифровых программируемых ооглаоованных фильтров (ЦПОФ) на основе многоэначных элементов и отруктур и определение эффективных облаотей их применения является актуальной задачей.

Цель и задачи иооледования. Целью диссертационной работы является исследование воэможноотей построения и разработка цифровых программируемых ооглаоованных фильтров на многоэначных элементах и структурах, предназначенных для обработки многоэначных шумоподобных оложных оигналов, в чаотнооти, в локальных вычислительных оиотемах.

Поставленная цель доотигаетоя путем решения следующих основных задач, в ходе которого необходимо:

1. Осуществить сравнительный анализ оущеотвующих косвенных алгоритмов вычисления функции корреляции и выбрать наиболее оптимальные о точки эрения простоты их реализации на многоэначных элементах.

2. Разработать новые коовенные алгоритмы вычисления функции корреляции, обеспечивающие функционирование цифровых программируемых ооглаоованных фильтров и разработать структуры фильтров, их реализующие.

3. Определить ооновные отатиотические характеристики предло-женнных алгоритмов.

4. Произвести экспериментальное исследование характеристик предложенных алгоритмов путем их машинного моделирования, а также их реализации в цифровой аппаратуре.

Методы иооледований. В диссертационной работе для решения поставленных задач попользованы методы математического анализа, теории вероятностей, а также методы отатиотической радиотехники и многозначная логика. Производится моделирование работы ЦПОФ на ЕО ЭВМ.

Научная новизна результатов диссертационной работы состоит в оледующем:

1. Предложено использовать сложные сигналы в устройствах обмена локальных вычислительных систем для повышения их помехозащищенности и скрытнооти передачи информации.

2. Предложено использовать косвенные методы вычисления функции корреляции, позволяющие оптимизировать многозначные структуры, предназначенные для применения в ЦПОФ.

3. Разработаны новые алгоритмы обработки многозначных сложных сигналов. Показано, что на их основе может быть построен класс алгоритмов обработки оложных сигналов, определяемых четными тригонометрическими функциями.

4. Выявлена зависимость между основными параметрами многоуровневого сложного сигнала, полученного на основе многозначной М-последовательности, - максимальным боковым пиком автокорреляционной функции, длиной выборки и числом градаций оигнала, обрабатываемого о помощью модифицированного модульного и разностно-модульного алгоритмов.

Б. Показано, что надежность многозначных ЦПОФ, обрабатывающих многоуровневые сложные оигналы, может быть на 10 - 15 % выше, чем при реализации таких фильтров на двоичной элементной базе.

6. Разработаны структуры многозначных ЦПОФ, обеспечивающих высокое быстродействие и надежность. Полученные решения являются новыми и защищены авторским свидетельством.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Показана возможность эффективной аппаратурной реализации ЦПОФ на многозначных элементах и структурах, обладающих высокими техническими характеристиками.

2. Разработаны конкретные охемы ЦПОФ, реализованных на многовначных элементах и структурах, определены их характеристики и показаны их преимущества по сравнению о ЦПОФ, реализованными на двоичной элементной баэе.

3. Разработана принципиальная схема ЦПОФ, реализующего модифицированный модульный алгоритм, на микросхемах серии 1ББ.

Внедрение результатов работы. Основные результаты работы были реализованы в НПО "Агат" в ходе проведения хоздоговорных работ, выполненных в научно-исследовательской части МТУСИ. Внедрение результатов диссертационной работы подтверждается соответствующими актами.

Апробация работы. Ооновные результаты работы докладывались и обоуждались на Всесоюзной конференции "Повышение эффективности оредств обработки информации на баэе математического и машинного моделирования" (Тамбов, 1989 г.), научно-технической конференции "Цифровая обработка сигналов в системах связи и управления" (Суздаль, 1989 г.), научно-технической конференции "Развитие и внедрение новой техники радиоприемных устройотв и обработки сигналов" (Горький, 1989 г.), XLIV Всесоюзной научной сессии, посвященной Дню радио (Москва, 1989 г.), Всесоюзной научно-технической конференции "Информационные методы повышения эффективности и помехоустойчивости радиосиотем и систем связи" (Ташкент, 1990г.), научной конференции "Опыт разработки и внедрения цифровых и аналоговых фильтров и корректоров в системах овяэи" (Севастополь, 1990 г. ), научной конференции "Статистический синтез и анализ информационных систем" (Севастополь, 1991 г.), научно-техническом семинаре "Передача и обработка данных в системах управления и ое-тях ЭВМ" (Киев, 1991 г.), научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава сотрудников и аспирантов Московского института овяэи 1989-1991 годов.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Использование многозначных шумоподобных сложных сигналов в локальных вычислительных системах.

2. Использование косвенных алгоритмов определения функции корреляции.

3. Использование при реализации ЦПОФ разработанных косвенных алгоритмов вычисления функции корреляции.

4. Предложенные структуры ЦПОФ на многозначных элементах.

Б. Аналитическая зависимость, определяющая связь между основными параметрами многоуровневого сложного сигнала - максимальным боковым пиком автокорреляционной функции, длиной выборки и числом градаций сигнала, обрабатываемого с помощью разностно-модульного и модифицированного модульного алгоритмов.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ, в том числе получено одно авторское свидетельство об изобретении. Результаты исследований отражены в ряде научно-исследовательских отчетов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и двух приложений. Работа изложена на 66 страницах машинописного текста, содержит 34 страницы рисунков и таблиц, описок литературы включает 83 наименования.

Результаты работы.

- произведен выбор канального фильтра приемного преобразователя в системе обмена информации между вычислительными устройствами,

- осуществлено макетирование приемных устройств с фильтрами для линии с ЧМ кодированием информации, обеспечивающим быстродействие 5 МГц.

Зав. кафедрой ВТ и УС

Евреинов Э.В.

Зав. (ЙЩЛ - 22 ШС

Голдобин О.Я.

Ст. научный сотрудник ,/7 Моторов Н.Г. ы

АКТ в/ч 67947 аботе А.Б.Ушаков il об использовании результатов диссертационной работы Д.М. Малиниче-ва на тему "Разработка и исследование цифровых программируемых согласованных фильтров на основе многозначных элементов и струк

•TVn

Мы,нижеподписавшиеся, научный руководитель НИР "Интерфейс-Ill' Р.С. Савченко и ответственный исполнитель НИР "Интерфейс - III' Д.м. Цхведадзе, составили настоящий акт в том, что результаты диссертационной работы Малиничева Д.М. использованы в НИР "Интерфейс - III" при разработке перспективных решений организации канале d связи волоконно-оптических локальных вычислительных сетей бортевого применения.

Комиссия отмечает следующее:

- с целью повышения скрытности передачи информации и увеличению пропускной способности целесообразно использовать многоуровневые сложные сигналы в каналах связи ЛВС, а устройства обработки таких сигналов реализовывать на многозначных элементах; обо#нованы возможности реализации программируемых согласо-занных фильтров на многозначных элементах при обработке многозначных сигналов.

Научный руководитель НИР "Интерфейс - III" Ответственный исполнитель НИР "Интерфейс -III"

С. Савченко

Д.М. Цхведадзе

1. Алексеев А. И. и др. Теория и применение псевдослучайных сигналов. - М. : Наука, 1969 - 36Б с.

2. Абс)ахам Дж. , Фукс У. Модели неисправностей и ошибок при проектировании СВИС, ТИИЭР, 1966, N6. Б. Вахтиаров В. А. Согласованная фильтрация в технике свяэи. Зарубежная радиоэлектроника, 1984, N1S,

3. I-iacaMH Т. и др. Теория кодирования. - М. : Мир, 1978, Б76 с.

4. Кларк Дж. , мл. , Кейн Дж. Кодирование о исправлением ошибок всистемах цифровой овяэи. Пер. о англ, - М. : Радио и овяэь, 1987, 392 с.

5. Овчинников В. В. Архитектура распределенных информационно-вычислительных микропроцессорных систем. /Под ред. Домрачева В. Г. - М. : Энергоатомиэдат, 1988 - 1S8 с.

6. Грибанов Ю. И. и др. Автоматические цифровые корреляторы. М. :Энергия, 1971 - 240 с. не ib. Груадев А. В. , Усов В. О. Линии задержки цифровых сигналов на поверхностных акустических волнах и их применение. Эарубежна,я радиоэлектроника, 1980, N4.

7. Клейнен Дж. Статистические методы в имитационном моделировании.М. , 1978, т. 1,2.

8. Гуткин Л. Теория оптимальных методов радиоприема при флуктубщионных помехах. М. : Сов. радио, 1972 - 448 с.

9. Овчинников В. В. , Рыбкин И. И. Техническая база интерфейсов локальных вычислительных сетей. - М. : Радио и овяэь, 1989 - 271 с.

10. Каппелини и др. Цифровые фильтры и их применении. Пер. с англ.- М. : Энергоатомиэдат, 1983 - 360 с.

11. Караваев Ю. А. и др. Программируемые трановероальные фильтры наПАВ и ПВО для согласованной фильтрации. Зарубежная радиоэлектроника, 1980, N11, о. 29 - 42.

12. Левин Б. Р. Теоретические основы статистической радиотехники.М. : Радио и связь, 1989 - 6Б6 с.

13. Макуильямс Ф. Дж. , Олоан Н. Дж. А. Псевдослучайные последовательности и таблицы. ТИИЭР, 1976, т. 64, N12.

14. Малиничев Д. М. , Туэов В. М. Реалиэация согласованных фильтров намногозначных структурах для приема сложных сигналов / Теэ. докл. Всеооюэной научн. сессии, посвяш,енной Дню радио, часть 1 М: Радио и связь, 1989 г.

15. Малиничев Д. М. , Туэов В. М. Многоэначный цифровой программируемый согласованный фильтр, реализующий модульные алгоритмы / Теэ. докл. научн, -техн. конференции. Цифровая обработка сигналов в системах свяэи и управления. Суздаль,1989 г.

16. Малиничев Д. М. , Туэова И. В. , Погодин А. И. Цифровые многозначные устройства обработки дискретных сигналов. / Теэ, докл, конференции. Статистический синтез и анализ информационных систем. Севастополь, 1991 г.

17. Мирский Г. Я Аппаратурное определение характеристик случайныхпроцессов. М.: Энергия, 197S - 4Б6 с.

18. Надежность много5начных структур. / Григорьев В. В. и др. Киев:Наукова думка, 1981 - 176 с.

19. Оппенгейм А. В. , Шафер Р. В. Цифровая обработка сигналов. М. :Овяэь, 1979 - 416 с.

20. Пестряков В. В. Куэенков В. Д. Радиотехнические системы. М. :Овявь, 1979 - 416 о.

21. Питерсон У. , Уэлдон Э. Коды, исправляющие ошибки. М. : Мир1976, Б94 с.

22. Пелед А. , Лиу В. Цифровая обработка сигналов. Киев: Вища школа, 1979 - S64 с.

23. Применение цифровой обработки сигналов. / Под ред. А. Оппенгейма. М. : Мир, 1980 - ББ2 с.

24. Рабинер Л. Р. , Гоулд В. Теория и применение цифровой обработкисигналов. М. : Мир, 1978 - 848 с.

25. Раков М. А. Многоэначные структуры и аналого-цифровые методыобработки информации. В кн. : Исследования в области системных измерений. Львов, 1981, с. 82 - 9Б.

26. Г-Ыеть А. В. Четырехзначная логика. Реализация операций. - М. :Радио и связь, 1991 - 96 с. , ил. - (Массовая б-ка инженера "Электроника"). 4Б. Ридер К. , Хаббл Н. Направления развития видеодисплейных систем. ТИИЭР, 1981, т. 69, N5, с. 134 - 14Б.

27. Оарвате Д. В. , Перс ли М. В. Взаимно-корреляционные свойствапсевдослучайных и родственных последовательностей, ТИИЭР, 1980, т. 68, N5.

28. Советов В. А. , Яковлев А. Моделирование систем: Учебник длявузов по спец. "Автоматизированные системы управления. "М. : Высшая школа. , 198Б - S71 о. , ил.

29. ОидельникоБ В. М. О некоторых К-эначных псевдослучайных последовательностях и кодах, близких к эквидистантным. Проблемы передачи информации, 1969, т. V, Вып. 1.

30. Сикарев А. А. , Лебедев О, Н. Микропроцессорные устройства формирования и обработки сложных сигналов. М. : Радио и связь, 1983.

31. Тузов В. М. , Малиничев Д. М. Устройства формирования и обработкиК-эначных псевдослучайных последовательностей/ МИО М. : 1989. Деп. в ЦНТИ "Информсвяэь", N 1Б64, 26.07.89.

32. Ширяев А. М. , Незлин Д. В. Фильтры на основе П^ ЗО. Зарубежная радиоэлектроника. 1986, N 3.

33. А. с. Б259Б9 (ССОР). Цифровой коррелятор. В. М. Малафеев, В. М.Туэов, В. М. Тузов. Опубл. в В. И. 1976, N 31. 6S. А. с. 1681390 А1 (ССОР). В. М. Туэов, В. М. Малафеев, Д. М. Малиничев. Опубл. в В. И. 1991, N 36.

34. Накеп R. А. Matched Fi Itering. - IEEE, Journal, V. S. - 15,1980, N5.

35. Ikeman Н. High-Spreed Network Uses Fiber Optics // ElectronicsWeek - 1984, N22. - p. p. 95 - 108.

36. Chearg Y. E. , Hirscheim R. A. Local Area Networks - N. Y. : JohnWeley Sons, 1986 - 216 p.

37. Hatta M. , Takanami L , Inowe K. A. Realisation of Ternary LogicFunctions by Using Cellular Arrays // Proceedings of the 10

38. MVL (Evanston, IL, June) - N. Y. : IEEE, 1980 - p.p. 46 - 64.

39. Huertas J. L. , Caj:->mona J. M. Low-Power Ternary CMOS Circuits //Proceedings of the 9 ISMVL (Oklahoma City, May) - N. Y. : IEEE, 1981, p. p. 196 - 199.

40. Huertas J. L. , Sanches-Gomes G. Low-Power О Ю З Implementationof Some Operators // Proceedings of the 9 ISMVL (Oklahoma City, May) - N. Y. : IEEE, 1981, p.p. 196 - 199.

41. Li M. , Gu W. -N. The New Method of Implementation for Ternary1.gic System // Proceedings of the ISMVL (Kyoto, Japan, May) N. Y. : IEEE, 1988 - p. p. 66 - 60. vn. Multiply-Valued Logic // Computer. - 1974, Vol 7, N 9, p. 94 95.

42. Mullen J. Single Chip TAC Simplefiers. Network Design //Electronics Industry. - 1986, N 5, p.p. 57 - 81. 7R. Leesom A. Communication Experiments. Pai-^ t 0, Spread Spectrum Multiply Asses. - IEEE Trans, on AES, AES - 22, 1986, N 3.

43. Kali T. Experimental Results for Four-Phase Digital MatchedFiltering of Spread-Spectrum Waveforms. IEEE Trans. on COM. , COM - 32, 1984, N 4.

44. Conference Record of the International Symposium onMultiple-Valued Logic (ISMVL) (Toronto, May). - N. Y. : IEEE, 1973. - 247 p.

45. Freita-s D. A. , Current K. W. A Quaternary Logic Encoder-DecoderCircuit Design Using CMOS // Proceedings of the 1Э ISMVL (Kyoto, Japan, May). - N. Y. : IEEE, 1983, p.p. 190 - 19Б.

46. Freita-s D. A. , Current K. W. CMOS Circuits for QuaternaryEncoding and Decoding // Proceedings of the 14 ISMVL (Toronto, Nfay) - N. Y. : IEEE, 1984 - p. p. 164 - 168.

47. Muta S. Mioropower CMOS Implementation of Three-Valued LogicFunctions // Proceedings of the ISMVL (Kyoto, Japan, May). N. Y. : IEEE, 1983 - p. p. 61 - 63.

48. Shiva S. G. , Nagle H. T. On Multiple-Valued ISMVL (Morgantown,WV, May). - N. Y. : IEEE, 1974. - p.p. 209 - 224.

49. Vrane.sic Z. A. , Smith K. C. , Druseta A. Electronic1.plementation of Multi-Valued Logic Networks // Proceedings of the 4 ISMVL (Morgantown, WV, May) - N. Y. : IEEE, 1974, p. p. 59 - 78.

52. PRINT 05fZH) « x x m fY( I) It m 53. J-OHP^ AT (7X|F6,3, M^«F*i>t l4X-f»-6,2,l2K |F^,2IPR!NT 9\

60. F374I STEP /f-OWT / STOP 9022»,1253 QPW 0MlN 10,94$ЕБ Н Д И «бк1£ГМ21 - STEP WAS ЕХЕСиТеВ « (?0^ Ц qoOE 0000 1EF373! STEP /ЦКеи / START 90220,12^3

61. F5741 STEP /t„KEL) / STOP 90220,i2S4 CPU 0MIN 05,625EI3 MAI« 96K//Gj.S^SIN QD *