автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Метод преобразования и регистрации высокоскоростных потоков данных в системах телекоммуникаций

На правах рукописи

005042794

Аминев Дмитрий Андреевич

МЕТОД ПРЕОБРАЗОВАНИЯ И РЕГИСТРАЦИИ ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ ПОТОКОВ ДАННЫХ В СИСТЕМАХ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ

Специальность 05.12.13 - Системы, сети и устройства телекоммуникаций

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 О 'ЗСЗ

....... 4.0 14.

Москва - 2012

005042794

Работа выполнена на кафедре «Радиоэлектронные и телекоммуникационные устройства и системы» Московского государственного института электроники и математики (технического университета)

Научный руководитель: Увайсов Сайгид Увайсович, д.т.н.,

профессор

Официальные оппоненты: Саксонов Евгений Александрович, д.т.н.,

профессор, ФГБОУВПО МИЭМ, профессор

Лазарев Дмитрий Владимирович, к.т.н., доцент, ЦНИИ «Курс», в.н.с.

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего

профессионального образования "Московский государственный технический университет радиотехники, электроники и автоматики"

Защита состоится «31» мая 2012 г. в 16 часов на заседании диссертационного совета Д 212.133.06 Московского государственного института электроники и математики (технического университета) по адресу: 109028, Москва, Б. Трехсвятительский пер., д.З.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного института электроники и математики (технического университета).

Автореферат разослан «апреля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н., профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации

Регистрация высокоскоростных потоков широко применяется в различных системах, использующих обработку и хранение данных. Сюда входят системы телекоммуникаций, сбора информации, видеонаблюдения, радиомониторинга и др.

Особое значение системы регистрации и воспроизведения потоков имеют при решении задач радиомониторинга телекоммуникационных сетей. В частности, представляет интерес фиксация высокоскоростных информационных потоков, передаваемых в спутниковых и радиорелейных системах.

Стремительное развитие вычислительной техники и телекоммуникационных технологий привело к необходимости создания сложных систем регистрации и воспроизведения потоков на базе персональных, промышленных и других типов компьютеров.

Такие системы регистрации и воспроизведения высокоскоростных потоков имеют множество звеньев в трактах регистрации и воспроизведения, а следовательно, множество различных преобразований как исходного, так и промежуточных потоков регистрируемых или воспроизводимых данных.

Теоретические аспекты преобразования потоков данных рассмотрены в работах А. Деревянко, М. Гаранина, Д. Ульмана, В. Фейбела и др. Системы регистрации данных от телекоммуникационных сетей раскрыты в работах А. Рембовского, В. Прокиса, М. Стоунбрэкера, У. Сетинмела. Методам преобразования потоков данных и вариантам их реализации посвящены работы Д. Ватолина, А. Серова, В. Евстигнеева, Б. Брауна, Т. Хорнстетда и др.

Несмотря на большой вклад этих ученых, ряд проблем не достаточно разработан, в связи с тем, что эта отрасль бурно развивается. Основная проблема заключается в противоречии между возрастающими скоростями передачи множества потоков данных в телекоммуникационных системах и отсутствием методов и средств их преобразования и регистрации при наличии ограничений на параметры технических средств.

Поэтому актуальной является задача поиска и исследования существующих и разработка новых подходов, принципов и методов преобразования потоков данных для высокоскоростных систем регистрации и воспроизведения. Требуется более сложная методология, которая позволяет проектировать системы регистрации и воспроизведения одновременно удовлетворяющую многим параметрам - скорости регистрируемого и воспроизводимого потока, объему регистрируемой и воспроизводимой информации, стоимости, массе, габаритам, мощности потребления и др.

Объектом исследования является процесс преобразования и регистрации множества потоков данных в современных телекоммуникационных системах (ТС).

Предметом исследования являются методы, алгоритмы и программно-аппаратные и методические средства преобразования и регистрации высокоскоростных потоков данных в системах телекоммуникаций.

Цель: сокращение сроков проектирования преобразователей высокоскоростных потоков данных систем телекоммуникаций в условиях изменяющихся требований к их характеристикам.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решены задачи:

1. Анализ предметной области и постановка задачи исследования.

2. Классификация методов преобразования потоков данных (МППД), систем регистрации данных (СРД) и СБИС для реализации методов.

3. Разработка МППД для высокоскоростных СРД.

4. Разработка рекомендаций по сокращению числа входов подсистемы ввода данных от телекоммуникационных систем.

5. Разработка универсального устройства ввода одно полярных и дифференциальных цифровых сигналов, устройств перепаковки потоков для ввода и вывода данных в телекоммуникационных системах, и структуры подсистемы ввода данных от телекоммуникационных систем.

6. Разработка алгоритма распределения пропускной способности интерфейса ввода.

7. Создание методики и разработка рекомендаций по проектированию преобразователей потоков данных в телекоммуникационных системах с использованием ПЛИС.

8. Разработка АПК регистрации и воспроизведения высокоскоростных цифровых потоков от телекоммуникационных систем.

9. Апробация и внедрение результатов исследования в промышленность.

Методы исследования. Теория проектирования систем телекоммуникаций, теория объектно-ориентированного программирования, теория систем и системного анализа.

Наиболее существенные научные результаты

При решении задач, поставленных в диссертационной работе, получены следующие новые научные результаты:

1. МППД для высокоскоростных СРД, основанный на принципах распараллеливания, демультиплексирования, буферизации, мультиплексирования, отличающийся введением расширенной конфигурируемой и распределяемой структуры, что позволяет осуществить многопотоковую регистрацию и уменьшить ресурсозатратность СРД.

2. Рекомендации по сокращению числа входов подсистемы ввода сигналов и определению необходимого размера буферной памяти, основанные на принципах передачи симметричных и несимметричных сигналов, отличающиеся введением функциональной зависимости между уровнями симметричных и несимметричных входных сигналов и уровнем выходного сигнала, что позволяет осуществить ввод этих сигналов на единое устройство и сократить число входных соединителей.

3. Алгоритм распределения пропускной способности интерфейса ввода, основанный на методе весовых коэффициентов, отличающийся введением операций по корректировке масштабированных значений до целочисленного

вида, что позволяет распределить пропускную способность в соответствие со скоростями входных потоков данных.

4. Средства ввода, перепаковки и регистрации потоков данных в ТС, основанные на МППД для высокоскоростных СРД, отличающиеся преобразования множества потоков данных с различными скоростями.

5. Для проектирования преобразователей потоков данных разработана инженерная методика, отличающаяся введением дополнительных процедур по структурно-математическому моделированию объекта.

Практическая полезность состоит в том, что предложенный метод позволяет создать класс устройств преобразования потоков данных в ТС и сократить сроки разработки высокоскоростной СРД в целом.

Реализация и внедрение результатов работы. Результаты диссертации использованы при выполнении НИР и ОКР, выполненных в ЗАО «МНИТИ», а именно при разработке аппаратно-программых комплексов регистрации и воспроизведения высокоскоростных сигналов и разработке базовой технологии создания унифицированных модулей скоростного и сверхскоростного ввода-вывода, обработки и регистрации цифровых данных.

Использование перечисленных результатов в процессе разработки и испытаний изделия Р-307Ц11 позволило реализовать технические решения, обеспечившие регистрацию и воспроизведение высокоскоростных многопотоковых данных в ПЭВМ и создать задел для наращивания характеристик разработанных систем.

Апробация результатов работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных, всероссийских и вузовских научных конференциях:

1. 3-я международная научно-техническая конференция «Современные телевизионные технологии. Состояние и направления развития», Москва, 2006;

2. 4-я международная научно-техническая конференция «Современные телевизионные технологии. Состояние и направления развития», Москва, 2008;

3. Международная научно-техническая школа-конференция « МОЛОДЫЕ УЧЕНЫЕ-2008 », Москва, 2008;

4. Международная научно-техническая конференция « ГЫТЕ11МАТ1С-2008 » , Москва, 2008;

5. 11-я международная конференция и выставка «ЦИФРОВАЯ ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ И ЕЕ ПРИМЕНЕНИЕ», Москва, 2009;

6. 16-я всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов « Микроэлектроника и информатика - 2009 », Москва, 2009;

7. 11-я российская научно-техническая конференции «ЭЛЕКТРОНИКА, МИКРО- И НАНОЭЛЕКТРОНИКА», Нижний Новгород, 2009;

8. Научно-технический семинар-совещание «Новые отечественные разработки микросхем запоминающих устройств», Москва, 2009;

9. 5-я международная научно-техническая конференция «Современные телевизионные технологии. Состояние и направления развития», Москва, 2010.

Публикации. Основные результаты, полученные в диссертации, опубликованы в 13 печатных работах, в том числе 4 работы в ведущих рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК. Получено 3 патента на изобретения.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Диссертация содержит 130 страниц текста, 40 иллюстраций, 13 таблиц и приложение на 5 страницах. Список литературы и ссылок на ресурсы Internet насчитывает 120 наименований. Основные положения, выносимые на защиту:

1. Метод преобразования потоков данных для высокоскоростных систем регистрации данных.

2. Рекомендации по сокращению числа входов подсистемы ввода сигналов и определению необходимого размера буферной памяти.

3. Алгоритм распределения пропускной способности интерфейса ввода.

4. Средства ввода, перепаковки и регистрации потоков данных в телекоммуникационных системах.

5. Инженерная методика для проектирования преобразователей потоков данных.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении формулируются цель исследования, актуальность работы, её практическая ценность.

Первая глава посвящена анализу содержания процесса преобразования потоков данных в телекоммуникационных системах на основе литературного обзора доступных источников. На основе рассмотрения таких понятий как «сигнал», «данные», «поток данных», «обработка информации», «система обработки данных», «преобразование данных», а также обзора структур данных и операций над ними вводится и уточняется понятие преобразования потока данных.

Преобразование потока данных - видоизменение формы или структуры элементов потока данных, а также их порядка и очередности, направленное на выполнение условий того или иного метода обработки, не затрагивающее содержание передаваемых сообщений.

Рассматривается содержание понятия системы регистрации данных (СРД), приводится её обобщенная структура, рис. 1.

(СВТ) ПЭВМ

Подсистема ввода

Подсистема вывода

Рис. 1. Обобщенная структура СРД

Приводится классификация СРД по признакам: назначению и характеру использования, функциональности, производительности, конструктивным особенностям и ограничениям. Рассматриваются области применения СРД.

Поясняется деление систем регистрации на низкоскоростные, среднескоростные, высокоскоростные и сверхвысокоскоростные. Выполняется систематизация характеристик СРД и приводятся требования к последним.

Проводится обзор МППД на основе их предварительной классификации. Кратко приводятся характеристики, области применения и особенности реализации следующих прямых и обратных МППД: кодирование; компрессия; мультиплексирование; компандирование; шифрование; скремблирование; передискретизация; зашумление, стеганография и фильтрация; перемежение; параллельно-последовательные преобразования; буферизация; кэширование; сегментация; коммутирование; инкапсуляция; конвертирование.

Выполняется анализ основных подходов к программно-аппаратной реализации методов преобразования данных методов преобразования, систематизируются основные проблемные вопросы предметной области.

Завершают главу ограничения и допущения диссертационной работы. В результате проведенного литературного обзора делаются выводы о правильности выбранной цели и частных задач исследования.

Вторая глава посвящена описанию разработанного автором метода преобразования потоков данных для высокоскоростных СРД. Раскрыты последовательность операций и математический аппарат метода.

Метод является итеративным и включает в себя как операции по преобразованию потоков данных, так и рекомендации и алгоритмы по построению высокоскоростных СРД. На рис.2 представлена структура метода.

Выходной пакет данных

Потоь 2 ... ПинжМ

nf%j ИНеЗ

Распараллеливание

Демультиплексирование

Цикл По гак

Мультиплексирование

0тн0шён№$8ээ»д'поток ' Coaneäenue Леевьиаеиие Понижение ciifleföiSeie ' .....| ЙмредПтйгё^^

Представление .............; • «. V •.' : v i V

sn4i) Л

^¡"¡St/'C + Tb^ [&/'(/ + Щ) — ^Sd"(/ + Tbh

МЯ х ЫС Буферизация

Рекомендации по определению размера буфера BufSize = £НОКЩ ,R2,...Rl)&.(Xm-Xm^))

Рис. 2. Структура МППД для высокоскоростных СРД 7

С-1 <-.! оЛ/

Метод обеспечивает преобразование множества входных ^, потоков данных, разделенных на множество 1, 2,...,М групп в пакет данных. При этом скорости потоков входных групп могут быть различными. Все группы сопровождаются соответствующими тактовыми сигналами С,,С2,...,СМ с частотами /*с1,/гс2,...,/;ем . Также метод предусматривает задание канальности ЛгС1,М72,...,МГм входных потоков при сеансе регистрации с помощью специального программного обеспечения (СПО).

В основе метода лежат четыре принципа преобразования потоков данных, образующих последовательность соответствующих операций: распараллеливание, демультиплексирование, буферизация, мультиплексирование.

Результатом преобразования является выходной пакет данных, который содержит стробирующие и информационные биты для каждого входного потока.

Метод предназначен для подсистемы ввода СРД, структура которой представлена на рис. За, а временные диаграммы сигналов интерфейса ввода на рис. 36.

О.К,

акг

5.'

Я

Я,2

° к'■>

Я;"

г. Л/ " Д'Л/

Блок управления и синхронизации

■ Л/С, . Л/С?

Преобразователь входного потока

Буферная память

Интерфейс ввода

Контроллер высокоскоростного интерфейса

Выс

ро; 'интерфейс

пяпшшп/шплтгшлпплшшлплплдлл. _п_п_п_р_

а) б)

Рис. 3. Структура подсистемы ввода данных и временные диаграммы сигналов

интерфейса ввода

Преобразователь входного потока осуществляет преобразование потоков

Г.| о! с-Л/

гв сигналы интерфейса ввода, учитывая электрические и протокольные особенности интерфейса. При этом в интерфейс вводится структура данных, содержащая информационную составляющую регистрируемых сигналов и стробы записи для каждой группы. Такое преобразование осуществляются с использованием буферной памяти, ёмкость которой определяется согласно рекомендациям метода.

Рекомендации по сокращению числа физических входов на подсистеме ввода предназначены для ввода симметричных и несимметричных сигналов. При этом общее число входных соединителей составит

Ы = Ю/х^1(Ки+1) (1)

В случае, когда требуется вводить как симметричные, так и несимметричные сигналы значение КЫ можно уменьшить с 3 до 2. Это достигается построением функциональной зависимости напряжений симметричных и несимметричных входных сигналов.

Понятно, что несимметричные сигналы поступают на однополярные приемники, а симметричные сигналы на дифференциальные приемники (рис. 4а). Временные диаграммы типичных симметричных и несимметричных сигналов показаны на рис. 46.

К„. в

У»,„

к„„

Кт

Симметричный Несимметричный сигнал сигнал

/ — X

/

/

а)

б)

Рис. 4. Устройство ввода симметричных и несимметричных сигналов и временные диаграммы его работы

К,

У„„

несимметричного сигнала и напряжения

Здесь напряжения

' •у"' симметричного сигнала соответствуют логическим уровням 0 и 1. При анализе следует учитывать естественное ограничение, состоящее в том, что возможные размахи симметричных входных сигналов практически всегда меньше размахов несимметричных сигналов, т.е.

V <У <У

азут 0 ' гущ О П'

, <И„

(2)

(3)

Выходной уровень Уош определяется функциональной зависимостью от

V V V.

напряжении симметричных т и несимметричных т входных сигналов:

>1. {[^о < <У+ и уш) < ] & [У* - У,т > 0]}

и {КУ,„ < К^.0 )&(У,„> К^,)] & \Уы > 0]}

С, при {[У^0 < (Vи у1т.) < У,ут] ] & [У„{, - Уш < 0])'

и {[(У,п < к„.т0) & <У„ > )] & [У„ < 0]}

(V < V 1 & (У > V ) Здесь неравенства У„„0<(УЛ, иУ1т,)<У„, и кг°-у»°>ос ^

обуславливают идентификацию типа входного сигнала (симметричный или

несимметричный), а неравенства УЛг-У,т> 0, У„ > 0 и УЛг -У,т < 0, Ут < 0

определяют логический уровень для симметричного или несимметричного

входного сигнала. При указанных в формуле комбинациях неравенств на

выходе приемника формируется соответствующий логический уровень.

Алгоритм распределения пропускной способности интерфейса ввода, представленный на рис. 5, представляет собой последовательность математических операций, а именно: расчет основного вектора скоростей потоков символов данных }; масштабирование каждого значения

скорости потока символов данных с помощью его связанного весового коэффициента, включающее в себя вычисление вектора весовых коэффициентов { ,..., }; вычисление максимально возможного

числа разрядов Хтг% интерфейса для ввода в него данных; вычисление

масштабированных значений для каждого потока {^1,Х82,...,ХБМ}. корректировку масштабирования для приведения значений вектора

{XSt,XS2,...,XSM} к

^ Начало )

целочисленному виду

{ХС, ,XC2,...,XCtl}

Задание исходных параметров:

М - число входных потоков;

Feu- частота тактового сигнала М-го потока;

Км - разрядность М-го потока;

Х- разрядность шины данных

многоразрядного интерфейса;

FCx ~ частота тактового сигнала для ввода

данных в многоразрядный интерфейс.

I {XX,. ..., XSSI VX.....УХи} х XnJ

' ■ ' Г '

¡{ЯС, ,ХС......XC„l=ceil{XS[ ,XS,......ГС„||

1<Х12_

Да

|ХС_ =MAX{XCt ,XC„. .XCUJ\

It*, ,х.,...,хи | =\хс, ,XC„...,XCU il

= .....YXu)*X^l

J)

Пропускная способность

входного потока превышает пропускную способность интерфейса

С

J

Рис. 5. Алгоритм распределения пропускной способности интерфейса ввода

Также алгоритм обеспечивает распределение в случае предельного ограничения, когда разрядность шины X равна числу входных потоков М, т.е. для каждого потока выделяется по одному разряду интерфейса ввода.

В таблице I приведены примеры распределения пропускной способности, выполненный в среде моделирования Ма1ЬаЬ (Лг — частота тактового сигнала интерфейса ввода).

Таблица 1. Примеры распределения пропускной способности

Разрядность Частота Разрядность Скорость Распределенная

входных тактового интерфейса потока V, пропускная способность

потоков сигнала Р'с, ввода X Мбит/с Я{Х)для потока,

[МГц] Мбит/с

12 100 192 1200 191*Рх

1 300 36 30 157*Рх

20 5 100 8*Их

3 250 750 86*Рх

10 456 20 4560 1*Рх

3 65 195 1*Рх

26 234 6084 1*Рх

34 12 408 1*Рх

32 3 96 1*Рх

4 87 348 1*Рх

3 53 159 1*Рх

8 21 168 1*Рх

32 13 416 1*Рх

43 9 5 387 Распределение

7 54 378 невозможно т.к. М>(Х/2)

8 23 184

Третья глава посвящена описанию устройств, построенных на основе описанного во второй главе метода и инженерной методики, представленной в виде ГОЕРО - диаграммы на рис. 6, для проектирования высокоскоростных СРД.

ТЗ, ГУ на СРД

Г*

Оценка возможности реализации преобразователей

Электрические и \ временные параметры входных сигналов

Структурно-математическое моделирование

Выбор элементой базы

Visio MatLab

САПР РС АО

Visual С

Рекомендации по сокращению числа входов

Рекомендации по корректировке СПО

Инженерное проектирование

Алгоритм распределения / пропускной /У способности интерфейса ввода

Рекомендации по

определению размера буфера

Электрическая принципиальная схема устройства

Проект конфигурации ПЛИС

Рекомендации по разработке НЮ1_ описания преобразователей

САПР АсйуеНйЬ

Рис. 6. ЮЕРО - диаграмма методики проектирования высокоскоростных СРД

11

Четвертая глава посвящена описанию практической реализации предложенных метода и методики для построения системы регистрации цифровых потоков от многоканальных спутниковых демодуляторов. Процесс проектирования таких систем, особенно характеризующихся многоканальной структурой с нерегулярной скоростью регистрируемых потоков, достаточно сложен, так как отсутствие готовых решений требуют выполнения ряда упомянутых выше операций метода.

Приводится описание аппаратно-программного комплекса (АПК) регистрации и воспроизведения высокоскоростных потоков, разработанного по описанному во второй и третьей главах методу и методики. АПК реализован на основе структурной схемы, представленной на рис. 7.

Оператор

С,,

с

Подсис- /М, Интерфейс Ь

тема

ввода-

си гнал о в м и

цп

Контроллер I

СПО

Контроллер

И^псрфсйс 2

17

Иптсг

Системная шипа

Интерфейс 4 /

Подсистема хранения данных

Рис. 7. Структурная схема АПК регистрации и воспроизведения высокоскоростных цифровых потоков данных

Здесь основным элементом системы является персональный компьютер (ПЭВМ) с установленным на него СПО для регистрации и воспроизведения потоков. ПЭВМ системы имеет центральный процессор (ЦП), оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), системную шину и контроллеры для обмена данными с подсистемой ввода и подсистемой регистрации и хранения.

Регистрируемые потоки

С,„

сопровождаемые тактовым

сигналом подаются на подсистему ввода/вывода сигналов,

преобразующую эти сигналы в поток данных, который записывается посредством ПЭВМ и СПО на подсистему регистрации и хранения.

Воспроизводимые

С.

потоки

«", <""2,..., сопровождаемые тактовым

сигналом "<"", считываются посредством ПЭВМ и СПО с подсистемы регистрации и хранения и воспроизводятся из подсистемы ввода/вывода. Взаимодействие между ПЭВМ, подсистемой ввода, подсистемой регистрации и хранения, и контроллерами осуществляется посредством интерфейсов 1-4. Внешний вид АПК представлен на рис. 8.

Подсистема хранения данных

ПЭВМ

Подсистема ввода-вывода данных

I

Рис. 8. Внешний вид АПК регистрации и воспроизведения высокоскоростных цифровых потоков данных

В качестве ПЭВМ выбран переносной промышленный компьютер АСМЕП-800 фирмы "ACME Portable". Подсистема регистрации и хранения представляет собой внешнюю дисковую подсистему N2050 фирмы "Thecus" с интерфейсом eSATA на 2 НЖМД емкостью 750 Гбайт. В качестве контроллера 2 используется устанавливаемый в ПЭВМ eSATA контроллер 1225SA фирмы "Adaptec". В качестве подсистемы ввода используются внешний модуль AMB3UV компании "Инструментальные системы" со специальной разработанной автором переходной платой для ввода цифровых потоков данных. В качестве контроллера 1 используются устанавливаемые в ПЭВМ базовый модуль АМВРЕХ1 с субмодулем ADMFOTR2G компании "Инструментальные системы".

АПК обеспечивает максимальную скорость регистрации и воспроизведения до 600 Мбит/с при числе каналов ввода от 1 до 8. Скорости регистрируемых (воспроизводимых) синхронных цифровых потоков для разного числа каналов приведены в таблице 2.

Таблица 2. Скорости регистрируемого цифрового потока

Число каналов Диапазон скоростей, Мбит/с

1 от 0,01 до 600

2 от 0,01 до 300

3 от 0,01 до 200

4 от 0,01 до 150

5 от 0,01 до 120

6 от 0,01 до 100

7 от 0,01 до 86

8 от 0,01 до 75

АПК обеспечивает синхронизацию регистрируемых цифровых потоков по сигналу тактовой частоты, при этом для регистрации с тактовой частотой до 100 МГц используются сигналы ЬУТТЬ, с тактовой частотой выше 100 МГц -сигналы ЬУОЭ. В режиме ЬУТТЬ допускается подача на входы сигналов ТТЬ.

13

Описанный АПК регистрации и воспроизведения высокоскоростных потоков успешно реализован в опытно-конструкторской работе.

Применение рекомендаций инженерной методики по разработке НЭЬ-описания преобразователей проекта конфигурации ПЛИС привело к существенному сокращению использованных в ПЛИС ресурсов. Результаты адаптации проекта конфигурации ПЛИС ХШпх ХС4УРХ20 серии У^ех 4 приведены в таблице 3.

Таблица 3. Результаты адаптации проекта конфигурации ПЛИС

Наименование ресурса ПЛИС Всего имеется в ПЛИС Вариант HDL-описания

Исходный Адаптированный

Затрата (шт.) Затрата (%) Затрата (шт.) Затрата (%)

Количество секций 8544 19935 233 5453 63

Количество триггеров в секциях 17088 4047 23 3760 22

Количество 4-входовых таблиц преобразования 17088 37697 220 10013 58

Количество блоков ввода/вывода 320 136 42 181 56

Количество буферов FIF016/RAM16 68 1 1 1 1

Количество глобальных тактовых линий GCLK 32 9 28 16 50

Количество буферов BUFR 16 2 12 2 12

Количество блоков управления синхронизацией DCM ADV 4 1 25 1 25

Из таблицы 3 видно, что при адаптированном варианте НОЬ-описания требуемую структуру получается реализовать на одной ПЛИС.

Для облегчения процесса разработки СРД и избежания ошибок в потоках информации в составе СПО имеется верификатор для проверки данных на основных звеньях трактов регистрации и воспроизведения.

Таким образом, четвертая глава освещает апробацию разработанного метода преобразования потоков данных для высокоскоростных СРД на макетных тестовых устройствах.

Заключение содержит основные результаты и выводы по работе. Основной результат диссертационной работы заключается в разработке МППД, рекомендаций и алгоритмов по построению структуры высокоскоростных СРД, что позволяет значительно сократить сроки их проектирования в условиях изменяющихся требований к их характеристикам.

В приложении представлены реализации математического аппарата основных рекомендаций метода и алгоритма распределения пропускной способности в среде моделирования \-iatLab, алгоритм работы СПО АПК регистрации высокоскоростных цифровых потоков, а также акты внедрения.

Основные результаты работы

1. Проведен анализ и систематизация методов преобразования потоков данных в телекоммуникационных системах.

2. Построены классификации СРД и МППД.

3. Разработан метод преобразования потоков данных для высокоскоростных СРД.

4. Разработаны рекомендации по сокращению числа входов подсистемы ввода данных от телекоммуникационных систем.

5. Разработаны структура подсистемы ввода данных от телекоммуникационных систем и рекомендации по определению необходимого размера буферной памяти.

6. Разработаны и запатентованы устройство ввода однополярных и дифференциальных сигналов, устройства перепаковки потоков для ввода и вывода данных по числу каналов от 1 до 8.

7. Разработан алгоритм распределения пропускной способности интерфейса ввода.

8. Создана инженерная методика и рекомендации по проектированию преобразователей потоков данных в телекоммуникационных системах с использованием ПЛИС.

9. Разработан АПК регистрации и воспроизведения высокоскоростных цифровых потоков от телекоммуникационных систем.

10. Проведены апробация и внедрение результатов исследования в промышленность.

Основное содержание работы отражено в следующих публикациях:

1. Аминев Д.А., Батов A.A. Реализация высокоскоростного ввода/вывода данных в ПЭВМ с использованием ПЛИС.// Системы и средства связи, телевидения и радиовещания. - Москва. -2008. - С. 95-97.

2. Аминев Д.А. Дисковые подсистемы: достижение максимальной скорости при наименьшем количестве дисков.// Цифровая обработка сигналов. - Москва. - 2008. - № 4, - С. 57-59.

3. Аминев Д.А. Многоканальная регистрация высокоскоростных сигналов.// Системы и средства связи, телевидения и радиовещания. -Москва. -2011. - С. 48-50.

4. Аминев Д.А., Увайсов С.У. Алгоритм распределения пропускной способности систем регистрации сигналов от множества датчиков.// Датчики и системы. - Москва. -2012. - Выпуск 5.

5. Аминев Д.А., Батов A.A. Майданюк М.М. Устройство перепаковки потоков для вывода данных.// Патент РФ № 2413277, 27.02.2011г.

6. Аминев Д.А., Батов A.A. Майданюк М.М. Устройство перепаковки потоков для ввода данных.// Патент РФ № 2414742, 20.03.2011г.

7. Аминев Д.А., Сорока Е.З. Универсальное устройство ввода однополярных и дифференциальных цифровых сигналов.// Патент РФ № 2440666, 20.01.2012г.

8. Аминев Д.А. Устройство универсальной перепаковки потоков данных.// Сборник трудов конференции «Молодые ученые - 2008». Часть 4. - Москва. -

2008. - С. 23-26.

9. Аминев Д.А. Устройство универсальной перепаковки потоков данных.// ТРУДЫ Российского НТО радиотехники, электроники связи имени А.С. Попова. Сер. ЦОС и ее применение. - Москва. - 2009. - Выпуск XI-1. - С. 241243.

10. Аминев Д.А. Опыт применения САПР при проектировании аппаратуры на основе ПЛИС.// Техника средств связи. Сер. Техника телевидения. - Москва. - 2009. - Выпуск 1. - С. 25-30.

11. Аминев Д.А. Метод регистрации однополярных сигналов дифференциальными приемниками.// Сборник научных трудов конференции «Электроника, микро- и наноэлектроника», - Москва. - 2009. - С. 185—188.

12. Аминев Д.А. Реализация системы встраивания дополнительной информации при кодировании видеопотока MPEG-2 с использованием ПЛИС.// Техника средств связи. Сер. Техника телевидения. - Москва. - 2011. - С. 98103.

13. Аминев Д.А., Батов А.А. Майданюк М.М. Универсальная схема перепаковки потоков данных.// 4-я международная НТК: «Современные телевизионные технологии. Состояние и направления развития», - 2008.

14. Аминев Д.А. Запоминающие устройства в системах регистрации высокоскоростных сигналов.// Научно-технический семинар-совещание: «Новые отечественные разработки микросхем запоминающих устройств», -

2009.

15. Аминев Д.А. Современные подходы к решению задачи разработки систем регистрации и воспроизведения высокоскоростных сигналов.// 5-я международная НТК: «Современные телевизионные технологии. Состояние и направления развития», - 2010.

16. Аминев Д.А., Увайсов С.У. Инновационная методика проектирования преобразователей потоков данных для высокоскоростных систем регистрации // International Scientific - Practical Conference «INNOVATIVE INFORMATION TECHNOLOGIES». - Прага. -2012. - С. 367-370.

Подписано в печать: 23.04.12

Объем: 1,5усл.п.л. Тираж: 120 экз. Заказ № 7613 Отпечатано в типографии «Реглет» 119526, г. Москва, ул. Бауманская д.ЗЗ (495) 979-96-99; www.reglct.ru

61 12-5/2532

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный институт электроники и математики

(технический университет)»

На правах рукописи

Аминев Дмитрий Андреевич

МЕТОД ПРЕОБРАЗОВАНИЯ И РЕГИСТРАЦИИ ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ ПОТОКОВ ДАННЫХ В СИСТЕМАХ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ

Специальность 05.12.13 - Системы, сети и устройства телекоммуникаций

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.т.н., проф. С.У. Увайсов

Москва 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................4

ГЛАВА 1. Анализ и исследование задач преобразования потоков данных в высокоскоростных системах регистрации..........................................................10

1.1 Систематизация основных понятий предметной области......................10

1.2 Анализ назначения, целей и характеристик высокоскоростных систем регистрации и воспроизведения....................................................................12

1.3 Обзор методов и алгоритмов преобразования потоков данных............17

1.4 Анализ основных подходов к программно-аппаратной реализации методов преобразования данных...................................................................32

1.5 Проблемные вопросы предметной области.............................................38

1.6 Выводы.........................................................................................................40

ГЛАВА 2. Разработка метода преобразования потоков данных для высокоскоростных систем регистрации.............................................................42

2.1 Постановка задачи для метода преобразования и регистрации высокоскоростных потоков данных от телекоммуникационных сетей.... 43

2.2 Математическая модель тракта регистрации высокоскоростных потоков данных...............................................................................................46

2.3 Метод преобразования потоков данных для высокоскоростных СРД.. 50

2.4 Математическая модель подсистемы ввода данных...............................55

Задержка..............................................................................................................59

2.5 Рекомендации по сокращению числа входов на СРД.............................61

2.6 Алгоритм распределения пропускной способности интерфейса ввода65

2.7 Рекомендации по определению необходимого размера буферной памяти...............................................................................................................^8

2.8 Выводы.........................................................................................................70

ГЛАВА 3. Разработка устройств и методики проектирования средств преобразования и регистрации высокоскоростных потоков данных с применением предлагаемого метода...................................................................71

3.1 Устройство ввода однополярных и дифференциальных цифровых сигналов............................................................................................................71

3.2 Устройства перепаковки потоков данных................................................78

3.3 Методика проектирования преобразователей потоков данных.............83

3.4 Рекомендации по разработке HDL-описания преобразователей потоков данных..............................................................................................................87

3.5 Выводы.........................................................................................................92

ГЛАВА 4. Аппаратная реализация высокоскоростной системы регистрации с применением предлагаемой методики.............................................................93

4.1 Требования к системе регистрации и воспроизведения высокоскоростных сигналов..........................................................................93

4.2 Разработка структурной схемы высокоскоростной системы регистрации......................................................................................................95

4.3 Разработка подсистемы ввода-вывода высокоскоростных потоков данных............................................................................................................102

4.4 Разработка переходной платы для ввода-вывода высокоскоростных сигналов..........................................................................................................109

4.5 Выводы.......................................................................................................112

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................................................................................................ИЗ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...................................................................................115

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 Текст программной реализации предлагаемых

рекомендаций метода и алгоритма для среды моделирования MatLab........126

ПРИЛОЖЕНИЕ 2 Алгоритм функционирования СПО для Р307Ц11...........127

ПРИЛОЖЕНИЕ 3 Акты внедрения...................................................................128

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы

Регистрация высокоскоростных потоков широко применяется в различных системах, использующих обработку и хранение данных. Сюда входят системы телекоммуникаций, сбора информации, видеонаблюдения, радиомониторинга и др.

Особое значение системы регистрации и воспроизведения потоков имеют при решении задач радиомониторинга телекоммуникационных сетей. В частности, представляет интерес фиксация высокоскоростных информационных потоков, передаваемых в спутниковых и радиорелейных системах.

Стремительное развитие вычислительной техники и телекоммуникационных технологий и привело к необходимости создания сложных систем регистрации и воспроизведения потоков на базе персональных, промышленных и других типов компьютеров.

Такие системы регистрации и воспроизведения высокоскоростных потоков имеют множество звеньев в трактах регистрации и воспроизведения, а следовательно, множество различных преобразований как исходного, так и промежуточных потоков регистрируемых или воспроизводимых данных.

Теоретические аспекты преобразования потоков данных рассмотрены в работах А. Деревянко, М. Гаранина, Д. Ульмана, В. Фейбела и др. Системы регистрации данных от телекоммуникационных сетей раскрыты в работах Рембовского А., Прокиса В., М. Стоунбрэкера, У. Сетинмела. Методам преобразования потоков данных и вариантам их реализации посвящены работы Д. Ватолина, А. Серова, В. Евстигнеева, Б. Брауна, Т. Хорнстетда и

др.

Несмотря на большой вклад этих ученых, ряд проблем не достаточно разработан, в связи с тем, что эта отрасль бурно развивается. Основная проблема заключается в противоречии между возрастающими скоростями

передачи множества потоков данных в телекоммуникационных системах и отсутствием методов и средств их преобразования и регистрации при наличии ограничений на параметры технических средств.

Поэтому актуальной является задача поиска и исследования существующих и разработка новых подходов, принципов и методов преобразования потоков данных для высокоскоростных систем регистрации и воспроизведения. Требуется более сложная методология, которая позволяет проектировать системы регистрации и воспроизведения одновременно удовлетворяющую многим параметрам - скорости регистрируемого и воспроизводимого потока, объему регистрируемой и воспроизводимой информации, стоимости, массе, габаритам, мощности потребления и др.

Объектом исследования является процесс преобразования и регистрации множества потоков данных в современных телекоммуникационных системах (ТС).

Предметом исследования являются методы, алгоритмы и программно-аппаратные и методические средства преобразования и регистрации высокоскоростных потоков данных в системах телекоммуникаций.

Цель: сокращение сроков проектирования преобразователей высокоскоростных потоков данных систем телекоммуникаций в условиях изменяющихся требований к их характеристикам.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решены задачи:

1. Анализ предметной области и постановка задачи исследования.

2. Классификация методов преобразования потоков данных (МППД), систем регистрации данных (СРД) и СБИС для реализации методов.

3. Разработка МППД для высокоскоростных СРД.

4. Разработка рекомендаций по сокращению числа входов подсистемы ввода данных от телекоммуникационных систем.

5. Разработка универсального устройства ввода однополярных и дифференциальных цифровых сигналов, устройств перепаковки потоков для ввода и вывода данных в телекоммуникационных системах, и структуры подсистемы ввода данных от телекоммуникационных систем.

6. Разработка алгоритма распределения пропускной способности интерфейса ввода.

7. Создание методики и разработка рекомендаций по проектированию преобразователей потоков данных в телекоммуникационных системах с использованием ПЛИС.

8. Разработка АПК регистрации и воспроизведения высокоскоростных цифровых потоков от телекоммуникационных систем.

9. Апробация и внедрение результатов исследования в промышленность.

Методы исследования. Теория проектирования систем телекоммуникаций, теория объектно-ориентированного программирования, теория систем и системного анализа.

Наиболее существенные научные результаты

При решении задач, поставленных в диссертационной работе, получены следующие новые научные результаты:

1. МППД для высокоскоростных СРД, основанный на принципах распараллеливания, демультиплексирования, буферизации, мультиплексирования, отличающийся введением расширенной конфигурируемой и распределяемой структуры, что позволяет осуществить многопотоковую регистрацию и уменьшить ресурсозатратность СРД.

2. Рекомендации по сокращению числа входов подсистемы ввода сигналов и определению необходимого размера буферной памяти, основанные на принципах передачи симметричных и несимметричных сигналов, отличающиеся введением функциональной зависимости между уровнями симметричных и несимметричных входных сигналов и уровнем

выходного сигнала, что позволяет осуществить ввод этих сигналов на единое устройство и сократить число входных соединителей.

3. Алгоритм распределения пропускной способности интерфейса ввода, основанный на методе весовых коэффициентов, отличающийся введением операций по корректировке масштабированных значений до целочисленного вида, что позволяет распределить пропускную способность в соответствие со скоростями входных потоков данных.

4. Средства ввода, перепаковки и регистрации потоков данных в ТС, основанные на М1111Д для высокоскоростных СРД, отличающиеся преобразования множества потоков данных с различными скоростями.

5. Для проектирования преобразователей потоков данных разработана инженерная методика, отличающаяся введением дополнительных процедур по структурно-математическому моделированию объекта.

Практическая полезность состоит в том, что предложенный метод позволяет создать класс устройств преобразования потоков данных в ТС и сократить сроки разработки высокоскоростной СРД в целом.

Реализация и внедрение результатов работы. Результаты диссертации использованы при выполнении НИР и ОКР, выполненных в ЗАО «МНИТИ», а именно при разработке аппаратно-программых комплексов регистрации и воспроизведения высокоскоростных сигналов и разработке базовой технологии создания унифицированных модулей скоростного и сверхскоростного ввода-вывода, обработки и регистрации цифровых данных.

Использование перечисленных результатов в процессе разработки и испытаний изделия Р-307Ц11 позволило реализовать технические решения, обеспечившие регистрацию и воспроизведение высокоскоростных многопотоковых данных в ПЭВМ и создать задел для наращивания характеристик разработанных систем.

Апробация результатов работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных, всероссийских и вузовских научных конференциях.

Публикации. Основные результаты, полученные в диссертации, опубликованы в 13 печатных работах, в том числе 4 работы в ведущих рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК. Получено 3 патента на изобретения.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения.

Введение посвящено общей характеристике работы, обсуждению актуальности рассматриваемой работы и аннотации основных положений работы.

В первой главе представлен предмет диссертации - исследование методов преобразования потоков данных. В главе содержится обзор и анализ существующих методов преобразования потоков данных с точки зрения их использования в высокоскоростных системах регистрации и воспроизведения. Предложены классификации и систем регистрации и методов преобразования потоков данных, на основе которых сформулированы цели и задачи диссертационной работы.

Во второй главе разрабатываются предлагаемый метод преобразования потоков данных для высокоскоростных систем регистрации, вводится необходимый для их анализа математический аппарат.

Третья глава посвящена описанию устройств, построенных на основе описанного во второй главе метода и инженерной методики, представленной в виде ГОЕБО - диаграммы, для проектирования преобразователей потоков данных высокоскоростных СРД.

Четвертая глава посвящена описанию практической реализации предложенных метода и методики для построения системы регистрации цифровых потоков от многоканальных спутниковых демодуляторов.

В заключении приводятся основные результаты работы. Основной результат заключается в разработке метода, рекомендаций и алгоритмов по построению структуры высокоскоростных СРД, что позволяет значительно сократить сроки их проектирования в условиях изменяющихся требований к их характеристикам.

В приложении представлены реализация математического аппарата основных операций метода в среде моделирования МаЛаЬ, алгоритм работы СПО АПК регистрации высокоскоростных цифровых потоков, а также акты внедрения.

ГЛАВА 1. Анализ и исследование задач преобразования потоков данных в высокоскоростных системах регистрации

Начальным этапом решения задачи разработки эффективных моделей преобразования потоков данных в высокоскоростных системах регистрации и воспроизведения является всестороннее рассмотрение объекта и предмета настоящего исследования с позиций системного подхода. В связи с этим необходимо уточнить понятийный базис рассматриваемой предметной области, рассмотреть содержание, назначение и характеристики высокоскоростных систем регистрации и воспроизведения, а также провести классификацию и сравнительный анализ методов и алгоритмов преобразования потоков данных применительно к задачам настоящей работы.

1.1 Систематизация основных понятий предметной области

1.1.1 Базовые понятия теории информации: информация и данные

Для целей данного исследования рассмотрим первичные понятия предметной области - методов преобразования потоков данных (ПД), применяемых в системах ввода, регистрации и обработки высокоскоростных потоков данных, являющихся составными частями или, наоборот, включающими в себя средства вычислительной техники (СВТ). Заметим, что сбор, обработка, накопление, хранение, поиск, переработка и распространение информации являются информационными процессами, рассматриваемыми в рамках теории информации [1].

Анализ доступных литературных источников позволил выделить ряд стандартизованных определений для основных понятий предметной области, а именно сигнал [2], цифровой сигнал [3], данные [4], носитель информации

[4], средство хранения информации [5], средство ввода и вывода информации

[5], система обработки информации (данных) [4], преобразование данных [6, 7], поток данных [6, 7, 8].

Далее рассмотрим основные структуры данных и типовые операции над ними, осуществляемые в ходе обработки данных.

1.1.2 Структуры данных и операции над ними

Исходя из особенностей современных систем обработки данных, а именно [1]: решении только хорошо структурированных задач, для которых можно разработать алгоритм; выполнении стандартных процедур обработки; выполнении основного объема работ в автоматическом режиме; использовании детализированных данных, рассмотрим основные структуры данных, определяющих способ их упорядочения, хранения и обработки.

Под структурой данных понимается множество элементов данных и множество связей между ними [9]. Физическая структура данных отражает способ физического представления данных в памяти (на носителе информации) и в канале передачи информации. Логическая (абстрактная) структура подразумевает исключение из рассмотрения физической составляющей.

В основе типологизации структур данных лежит следующая система классификационных признаков [9, 10]: по однородности (базовые, примитивные, композитные, интегрированные), по наличию связей между элементами (связные и несвязные), по изменчивости связей (статические, полустатические и динамические), по характеру упорядоченности элементов (линейные, табличные, иерархические), по расположению элементов ( последовательные, произвольные).

В процессе обработки данных выполняются последовательности различных операций, в том числе создание, сбор, формализация, фильтрация, сортировка, группировка, архивация, защита, тиражирование, редукция, транспортировка, уничтожение, преобразование данных и др. Обработка данных может осуществляться в интерактивном и фоновом режимах, а также выполняться централизованно, совместно или распределено [6, 9, 11, 1, 12, 14]. Операция преобра