автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Разработка меделей и алгоритмов аппаратной реализации процессора интерполяционного ДПФ и его приложения

На правах рукописи

ргб од ¿Л

/

1 ' 1:г.1п

чирков еряз гэянздавшп

разработка иодглгз а алгогстмоэ АППАРАТНОЙ РЕЛЛСЗЛСа ПРОЦЕССОРА* ЙЯТ1ОТОЛЯСЙОКНОП) да®

и кто пямохада

Специальность 05-13.16 -Применение вычислительной техники, математического моделирования и математических методов в научных исследованиях (по отраслям наук)

автореферат диссертации на соискание ученой степени

кандидата техшггосзщх нэув

Екатеринбург 1995

Официальные оппоненты:

Работа выполнена в Уральском государственном техническом университете.

Научнцй руководитель: доктор технических наук,

профессор Лабунец Валерий Григорьевич доктор технических наук, профессор Карданов ЮриЯ Трофимович;

кандидат технических наук, доцент Муханов Владислав Владимирович

0К5 Лианозовского электромеханического завода, г. Москва.

Задита состоится "29" июня 1995 г. в 15.00 в ауд. Р-237 на заседании диссертационного совета К.О&3.14..13 при Уральском государственном техническом университете.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Заш отзыв в одной вкземпляре, заверенный гербовой печатью, просим направлять по адресу: 620002, г. Екатеринбург, Мара 19, Урадьокпа государственна технический университет

Ведущее предприятие:

Автореферат разослан сссСи?) 4093

Ученый секретарь спецнализирозакного совета кандидат технических наук, доцент /Т^^у

Константинов Андрей Анатольевич ^

Развитие электронной технологии в области обработки и хранения информации, в частности, создание в последние годы быстродействующ« интегральных схем (1!С) , высокой и сверхвысокой стелет? интеграции с плотностью до 100 тыс. и выше базовых элементов на кристалл, открыло возможность практического использования при решения технических задач методов цифровой обработки сигналов (ЦОС), основанных на вычислении дискретного преобразования Фурье (ДНО),

При реализации ДПФ наибольшее распространение получили тэк называемые быстрые алгоритмы, позволяющие ускорить зачисление. ДПФ в десятки 2 сотни ряз по сравнению с алгоритмом прямого вычисления ДПФ. Среди них следует выделить семейство алгоритмов Кули-Тыоки, алгоритмы вычисления ДПФ с помощью свертки, алгоритм Винограда, а тайке ряд других.

Основными требованиями к тому ила иному алгоритму при программной реализации являются количество . арифметических операций, качество этих операций, длина программы, объем используемой памяти, точность.

При " аппаратной реализации -. ДПФ. основанной . на использовании определенной элементной базы, к требованиям, изложенным выше, добавляется еще одно: алгоритм, выбранный для аппаратной реализации, должен • состоять из однотипных или унитарных базовых операций. Требованию унитарности отвечают фактлчееки только несколько . алгоритмов из ряда ранее упомянутых быстрых алгоритмов, - это алгоритмы Кули-Тьюки по основаниям, равным числам, составляющим целочисленную степень числа 2 - так называемые .алгоритмы быстрого преобразования Фуръе (БПФ) по основаниям 2 и 4. Другие алгоритмы оказываются практически непригодными для аппаратной реализации, так как состоят из достаточно большого числа уникальных неоднотышых операций. '

Основным достоинством алгоритмов ЕЛ® по основаниям, кратным степеням числа 2, является то, что весь процесс вычисления ДПФ, разделенный на несколько этапов, имеет регулярную структуру и поэтому достаточно просто реализуется аппаратным способом. За последнее время по этому принципу разработано и создано множество специализированных процессоров БПО, по большей части зарубежными производит елями. Однако

дра реализации Сольшх размерностей ЛГй (значительно превшшадих величину 1024) > а также в задачах, где требуется яепользоваиад ДПС> нескольких различных размерностей, иогут возникнуть определеннее сложности, связанные с тем, что для выполнения ДПФ какой-либо размерности необходимо разрабатывать собственное арограммозадамдее устройство, т.к. программа, управляющая поступлением операндов на вычислители "бабочек", для каздой размерности ДИ> уникальна. И для того чтобн вычислитель, выполнякций ДГК> основной большой размерности, был к тему же еще и универсальным, т.е. способным вычислять ДПЗ любой размерности, кратной и меньшей этой основной, необходимо предусмотреть соответствующее число этих программаадавдих устройств. Это приводит к значительному усложнению архитектуры процессора, и поэтому, как правило, предельная размерность ДПФ существузспях в настоящее время быстродействующих процессоров ограничена величиной порядка 1024-4096. Значительные сложности возникают также и при организации конвейерных вычислителей ДЬ2>. При ьтом на каадсм втапе ЕЖ> требуется, по судеству, разрабатывать разные устройства.

В связи с этим особешо актуальной становится задача поиска и разработки нозш: быстрых алгоритмов ЛЮ, ориентированных, главным образом, для применения в -виде быстродействующих устройств. Подобный алгоритм должен отвечать требованиям, изложенным выше, а именно, во-первых, должен быть достаточно просто аппаратно реализуем, во-вторых, в процессор, построенный на его основе, додана быть заложена способность выполнять ДПФ больших размерностей при достаточной простоте его устройства, и, в-третьих, процессор должен быть универсальным и простым в управлении при использовании в различных реальных системах и устройствах.

Применение интерполяционного метода вычисления ДПФ, предложенного впервые Чирковым Г.З., позволяет решить такук задачу. Применение этого метода также предоставляет в некоторых случаях дополнительные возможности для повышения скорости обработки информации, вкономии вычислительны! ресурсов и значительно расширяет области применения ДО5 в ЦОС в целом.

Особая актуальность разработки процессора», выполняющего

ДПФ на основе интерполяционного алгоритма, возникла в конце 80-х - начале 50-х годов в связи с необходимостью разработка быстродействующего анализатора спектра доплеровсках частот для применения в радиолокаторе. Требуемые характеристики (темп поступления информационных отсчетов - 10 МГЦ) йог обеспечить только вычислитель конвейерного типа. Тага» вычислители ДПФ ухе были разработаны и широко применялись в странах блока НАТО, однако поставка их в Советский Союз была в то время (да и сейчас еще) невозможна. Обращение к интерполяционному алгоритму позволяло надеяться на разработку вычислителя ДП® с требуемым быстродействием на еуществовавией, в то время "в стране Э-микронной КЗЛОП технологии. .

Основная идея интерполяционного алгоритма основана на том, что ДПФ временной последовательности из N отсчетов можно вычислить, если использовать вычисленные на предыдущих етапах частичные спектры размера N/2 - ДПФ двух половин . исходной последовательности. Для огих двух ДПО, состоящих из. основных отсчетов, необходимо рассчитать промежуточные значения' в дополнить ими частичные спектры. Затем ну»го умножить., каадый частичный спектр, состоящий из И полученных таким образом спектральных отсчетов, на свою последовательность комплексных чисел, представляющую собой периодически ряд, принкмавдй значения 0, -1, 1, 3, -3, и суммировать первый частичный спектр со вторым. В результате получается искомое ДПФ.

Описанный принцип суммирования частичных спектров, именуемый в дальнейпем когерентным сумхг/рованием,. выгодно отличается тем, что частичные спектры, участвующие в вычислении спектра какого-либо временного участка .походной последовательности, являются готовыми ЛПО половин этого учаетха. Весь процесс вычисления ДПО, разделенный- в етсм случае, так же,как и БПФ, на этапы, представдяе? собой процесс объединения от втапа к этапу соседних частичных спектров.

Благодаря :гр;:менек:гй принципа когерентного суммирования чаетЯЧНК2 спектров мокно вычислять ДП2 сколько угодно больслх размерностей. При этом значения ряда комплексных поворачивавших многателей являются тривиальными к йернодпчность этого ряда всегда постоянна. ~

Принцип когерентного суммирования могяо также успешо

использовать при решении широкого круга задач цифровой обработки сигналов. Vioxso, например, в некоторых случаях составлять' композицию спектров, полученных каким-либо другим способом, или. наоборот, - оптзаазировять процесс вычислений, отбрасывая с целью экономии памяти к времени вычислений те отсчеты частичных спектров, которые соответствуют "ненужным" частотам и т.д. Применение интерполяционного алгоритма может также принести выгоду по сравнению с классическими алгоритмами к в некоторых случаях программной реализации ДПФ, Hanjsu.iep, в условиях ограниченных аппаратно-временных ресурсов некотошх микропроцессоров ЦОС.

Однако, несмотря на все те преимущества, которыми обладает интерполяционный алгоритм, существует сложность в практической реализации его в том виде, в котором он существует в первоисточник. Эта сложность связана в основном о нахождением промежуточных (нечетных) отсчетов частичных спектров.

Для нахождения промежуточных значений предложен интерполяционный метод, согласно которому недостающие промежуточные отсчеты находятся путем весового суммирования основных (известных) отсчетов. Этот метод и дал общее название всему алгоритму. Про использовании указанного метода точность вычисления промежуточных* отсчетов зависит от количества вэвеошвагвгнх мвоаштелей г размерности вычисляемого текущего частичного ДПФ. Это обусловлено малой сходимостью интерполяционной функции,^ являпзейся основой для расчета промежуточных значений.

Другам недостатком, также ведудам к снижению точности, является пренебрежение краевыми эффектами при нахождении промежуточных значений на концах частичного спектра, вызванных неизбежным усечением числа отсчетов, участвуишх ' в вычислениях.

Таким образом, для достижения практической пригодности интерполяционного алгоритма основной задачей является поиск простых в аппаратной реализациии . и в то же время достаточно точных методов интерполяции.

Практическое применение интерполяционного алгоритма, в частности, реализация устройства ДЮ, приобретает смысл только

в том случае, когда набор весозкх адаКячгэятез" гтоерполязш является малцу и постоянна ка всех этапах вычисления. Слезет учесть такой (фактор, что р/?эльяее устройство ДПО всегда , имеет конечную разрядность, ограниченную, например, 10, 12, 1о и т.л. Сита?«, При этом можно добиться такого соответствия, чтобы зудййоЯ разрядности вычислители соответствовала своя определенная точность зичисления прс«е зсуточных значений, зависящая только от -исла ьесопыг хо&Ъ&з.агентов. В этом случае погретоот" интерполяции Су дут есютвететвсвйть погресноотям, возникаидим при ограничении разрядности представления.

Ресенпе .зядзчя" достижения высокой . точности интерполяция позволяет перейти к аппаратной реализаций вычаслгтодя. Вычислитель ДПО по интерполяционному методу может быть выполнен в виде устройства - процессора ДП5, разработанного на современной технологической базе. Учитывая уровень .развитая отечественной микровлектрстака (не говоря уте о зарубежной), существует реальная возможность реализации процессора ДПФ а виде однокристальной ЕИС. Разработка архитектуры такой БИС является одной из задач, репаемой в диссертационной работе.

Следующий вопрос, которому уделяется больсое внимание в диссертации, - ьто применение интерполяционного алгоритма ЛИ© при обработке ьезественных сигналов (аудио-, видео-, радиолокационных и т.д.). Использование этого алгоритма в аппаратурных реализациях для ■ таких вычислений дает дополнительный ныигрыа.

2ыше уже указеталось о необходимости стрнченекия интерполяционного алгоритма ДП© в- • анализатора.... спектра дсялеровских частот радиолокатора. Существует тага» ряд других практических задач, которые могут быть гораздо эффективнее репетш с применением интерполяционного метода ДПО по сравнению с традиционными алгоритмами. Среда них - задачи согласованной фильтрации и узкополосяого спектрального анализа сирскополоснкх сигналов, а также сжатия речи для без ленточного тедефопчого автоответчика. Разработка способов решения этих задач с -сысяъю татертсляцконного алгоритма также является предаете« и целью настоящей диссертации.

Тема диссертации сформулирована как разработка иодедвА я

мгораяюв яшмрзтаоа реализация процессора ягтвраолкзюияого ДК> а егопрнлеаенш;.

В работе рассмотрены следующие вопроси:

- совершенствование интедооляционного алгоритма ДПФ путем разработки более точных и простых в аппаратной реализации алгоритмов глтерполяции:

- построение и исследование математической модели процессора ДПО; ...

- разработка принципов тетическо.1 реализации процессора ДДф и детальная, на уровне логических . элементов, реализация устройства ДГ® на элементной базе БИС КМОП ШК:

реиение некоторых задач ЦОС с применением интерполяционного алгоритма ДПФ о построение» а исследованиями математических моделей устройств.

В качестве основного метода исследований в настоящей диссертационной работе использован метод математического моделирования на ЭВМ с использование» языков высокого уровня, который является эффективный ив то ю время доступным средством для решения стоящих в диссертации задач.

Применение метода математического моделирования является необходимым, в частности, для исследования точности процессора ДГК>. а также исследования технических характеристик устройств, спроектированных на основе в того процессора.

Для решения вопросов, связанных о разработкой архитектуры процессора ДПФ на уровне логических элементов и проверкой его работоспособности, применена система САПР ЕйС КМОП БЫК.

При решении практических задач ЦОС, представляемых ' в работе, использованы языки низкого уровня для программирования серийно выпускаемых микропроцессоров ЦОС, а также вмуляторы етих процессоров, работающие в реальном времени. В частности, с яримелезшем эмуляторов МП гв9С00 я 28%б7~ выполнена реализация устройства сжатия речевой информации для применения в Сезленточных телефонных автоответчиках.

Научная поврана работ»

1. Разработаны аффективные алгоритмы вычисления ДПО комплексных и вещественных сигналов, ориентированные для аппаратной: реализации. Алгоритмы основаны на интерполяционной

в

методе ДПО о вычислением с высокой точностью промежуточна!

значений спектра методой интерполяции, испольэушей малое число весовых коэффициентов.

2. Разработан эффективный способ реализации узкополосного анализатора спектра широкополосного сигнала.

3. Разработан эффективный способ 'реализации согласованного оялъ«Ра слоеных сигналов с линейной и дискретной частотной модуляцией.

4. Разработан способ реализации ДПО больших размерностей в условиях ограниченных аппаратно-временных ресурооп микропроцессоров ЦОС на призере МП 2й9Сб?.

П. ахтачесхэя ноаизпз работы

1. Разработаны математические модели вычиелггелей ДПО.

2. . Разработаны математические модели согласованных фильтров для вхолокатора.

3. Разработана принципиальная схема и топология 12-разрядного процессора ДПО по технологии КМОП БИС ЭЛС.

4.~ Произведена реализация ДПО в реальном времен;: в виде пашенной программы для микропроцессора цифровой обработка сигналов £89067/68 в составе безле:- точного телефонного автоответчика.

Нз ззциту эызосктся:

1. Методика расчета весовых коэффициентов интерполяция, обеспечивающей высокую точность вычислетая ДПО при малом количестве коэффициентов и простоту аппаратной реализации алгоритма интерполяции.

2. Структурно-логически« схемы осноштпт составляющих процессора ДПО - интерполятора и когерентного сумматора.

3. Способ решения -задачи согласованной фильтрация с применением интерполяционного алгоритма а устройств на его основе.

4. Способ решения задачи узкополосного спектрального анализа вирокополосного сигнала о применением интерполяционного алгоритма к устройств на его основе.

5. Способ решения задачи реализации вещественного ДПО размерностью 256 точек в реальной времени на МП 2Й9С67 в

составе программного обеспечения устройстве безленточного телефонного автоответчика.

¿просеют работа

Основные положения я результаты раборк докладывались и обоуадвлись us региональных научно-технических конференций' "Системы радиоэлектроники, связи к управления", Свердловск, УПИ, 1990, 1992; на научно-техкаческсы семинаре "Пути развития елементной базы в совершенствования технологии изготовления ГО А", Севастополь, Севастопольский срабороетроительгай институт, 1990,

По теме диеоертацс: опубликовано Ю работ, получен патент-РФ на изобретение.

Результаты работы внедрены в НИР 0304? и НИР ИРГ-37.

Структура к объем дкссартгцзонкй работа

-Диссертация содержат 180 страниц машинописного текста,. 21 страницу графической анформацнн и библиографию из 85 наименований. -1

Структурно диссертация состоит кз введения, 3 основных разделов (глав), заключения в приложений.

краткое содврудтае глав

Выше было указано, что основной трудностью реализации интерполяционного алгоритма является недостаточная точность интерполяции ори вычислении промежуточных значений, поэтому одной из основных задач, стоящи в диссертационной работе, является разработка достаточно точшгх и в тс же время простых методов интерполяции.

Первая глава - диссертации посвящена решению вопросов, свяэанша о совершенствованием интерполяционного алгоритма Д® в разработкой на его основе алгоритмов, ориентированных не аппаратную реализацию.

В дассертации показано, что можно значительно повысить точность интерполяции, если перейти к вычислениям при удвоенной частоте следования спектральных отсчетов (по Котш&Ешсаву) и полностью симметричной форме представления Д®. Удвоение частоты отсчетов приводи к белее плавной

аппроксимируй^ фуасцгг z пезыгзе? сходимость к нуда ряда весовых кое££яциентоа, рассчитанных г соответствии с ее ходом, а зачисление ДПО в полностью «аьзтрпчЕШ пределах;

и/a-o.s -aKj—

Kk) = Zi!.vIi/2-0.5¡e (1)

где х(п) - исходная последовательность, состоящая из Я отсчетов, а 7(1) - JSIí этой последовательности, - значительно умекъсает погрешности вычисления промежуточных отсчетов на краях частичных спектров,

Прк етсм получено: выражение . дкя вычисления ДНО путем когерс-нтнсго суммирования частичлух спектров, - кагороо mee? следузсскй вид:

XC¿)0= eJ 4 I.(k)0 + ¡J 4 Za(k)0, (2)

где X(k)c- искомое ДЛ5 размерности ??; Zt (k)Q и X2(k)Q - частичные ДГЙ> размерности К/2, . дополненные промежуточными значениями, вычисленными путем- интерполяции по известным

■ ñ . основным значениям, а е - поворачивакзие

принимающие значения из ряда (0, ±1, tj, »0.7071..®0*3)) с

периодичностью, равной 8.

На основе выражения (2) разработан ряд алгоритмов, ориентированных для аппаратной реализации процессора ДП5. Среди них - алгоритм вычисления обратного ДП$ и алгоритм ДП$ веаественных сигналов, позволяющий Едвое сократить размерность ДП5, когда входная последовательность отсчетов состоит только из действительной части. При аппаратной реализации вычислений по выражении (2) достаточно использовать сумматоры я инверторы, так как поворачиващие множители в (2) являются тривиальными.

Для вычисления промежуточных (нечетных) значений, которив вычисляются методом интерполяции по известным основным (четным} значениям согласно выражению

Х(к) *"£Т[х(к-2ш+1) + Х(к+2в-1)], 1pO,2S-í, (3) ■■i J

аналитическим путем получено выражение, возводящее составить систему лине&ных уравнений:

jfyg

I А Сов*"-;""1-1? « 0.5. U)

к.] ■•«»-■"

Bai

где с - превышение числа спектральных составляющих по сравнению с требованиями теоремы о частоте отсчетов (е=2), в -индекс в каждом уравнении, а к - индекс при смене уравнений. Решая систему линейных уравнений, составленную согласно (4). можно вычислить наборы коэффициентов, соответствующие любым размерностям H частичных ДПО.

Вычисление промежуточных спектральных отсчетов по выражению (3) при использовании коэффициентов, рассчитанных в соответствии с (4), приводит к точным результатам (естественно, в пределах точности представления чисел). Способ вычисления коэффициентов по (4) назван спектрально-согласованным. Однако вычисление промежуточных значений оказывается точным только в том случае, когда число коэффициентов интерполяции п равно половине размерности частичного ДПО (Л/2). В других случаях, когда ето соответствие не соблюдается, вычисления выполняются с погрешностями. Величина этих погресностей зависит от числа првмевяемых коэффициентов.

СледугсиЗ вопрос, решаемый в диссертации. - ето исследование методой математического моделирования точности интерполяции и точности интерполяционного алгоритма ДП5 в целом при применении различного числа коэффициентов. несогласованных с размерностью вычисляемого ва данном этапе ДПФ частичного спектра. С этой целью поставлены и проведеиг серии экспериментов по определению уровня возникаюсих при вычислениях . погрешностей. Для сравнения в ходе этих исследований выполнены расчеты о использованием коэффициентов интерполяции, найденных одним из енроко известных способов -путем использования в качестве аппроксимирующей функции полинома n-й степени.

Первая группа эксперимент«® восвядена определению уровня ошибок вычисления промежуточных значений ва различных этапах интерполяционного алгоритма при использовании различного числа

коэффициентов. По.результатам можно сделать обзай вывод о точности интерполяции, проведешюй с . использованием коэффициентов, рассчитанных по спектрально-согласованному методу и интерполяции, проведенной с использованием коэффициентов, рассчитанных полиномиальным способом. Так, уровень погресностей, возникаший при вычислении промежуточных значений, практически не зависит от размера частичного спектра • (т.е. этапа ДПО) при применении одних и тех же коэффициентов (рассчитанных обсгоа способами) и с увеличением ко»£ф5Схиеитов на 1 снижается в среднем на 12 дБ (в 4 раза) при использовании спектрвльяо-соглвеованных ковСФициентов и на 8 дБ - при полиномиальных коэффициентах.

Следующая группа экспериментов проведен*» с целью оценки точности интерполяционного алгоритма вычисления ДПО в целом. Для этой оценка использовалась различные критерии. Производилось измерение уровня максимальной из ложных гармоник, появляющихся в результате пары преобразований Фурье (ОДПО-ДПФ) над единственной гармоникой в спектре, и уровня нелинейных искажений I Также проведен ряд вкпериментов по выполнению пары преобразований ©урье над случайной исходной последовательностью и измерению возникакцих при этом погреиностей. Тенденция снижения погрешностей при выполнении этих преобразований осталась прежней - 12 дБ для спектрально-согласованных и 8 дБ - для полиномиальных коэффициентов.

В последнем из экспериментов произведено определение среднего уровня ереднеквадратического значения погрешностей вычисления ДП$ при различной, разрядной сетке представления отсчетов. По результатам, полученным в ходе этого эксперимента, представленных на р 'с. 1. мсдно судить о разрядности цифрового интерполяционного вычислителя дПС» и числе применяемых при этом спектрально-согласованных коэффициентов интерполяции. Так, например, 12-разрддный (с 10 значащими разрядами) вычислитель ДПФ с гибридно-плазаксей • запятой требует применения 3-4 коэффициентов интерполяции, 16-разрядный (14 знач. разр.) - 5-5 коэффициентов и 20-резрядный (18 знач. разр.) - 7-8 коэффициентов и т.д. При этом погрешности выполнения, например, 1024-точечяого преобразования не будут превышать величину младшего значащего разряда.

к

и ъ

с;

II

? * к0

г: «*

V»

и

" о

и. *ГС

пи * о

. и

и 5 —

•• Е

с. "

С

ас о ь : ч о к » г е. 5

^......

г :

('•' " :.....

я п : £. :

-Я!.....

5- :

«;•—•

а 1„„ « :

о;.....

—%.

г- :.....

Ч ;

: . -1 ;

г> :..... н :

51.....

:

« !... н ;

-4 •

•ч :—

о : н :

•

й :--•-N :—-

Ф

а

X ' X ■ X XX XXX

П п V 1по е с»

-..-у.... .....»...у...

^ • ' Гп ! !

гтгт

| у -...-1

( И / !

i !// "

П. ■"П.......ГП/.....1

ГТТТГ~1

; М/ ; !

ГТ'"1/"'Т"......!

I I }1 \ Л ..................<

ЦЯ ! !

\ II' I i ;

тт/.....ГТН

$........г........1........:

/ ! ! I I

/ 1

У \

Г

%

.•5

ее

а и

0 Н

1

0

1

с

0

1

0 и

1

с

г-I

Рис.1. Моделирование процессора ¡Т.О. вычислений в зависимости от числа

погрешности коэффициентов

интерполяции и разрядности представления

Во второй главе диссертации приведено сстеанае основных принципов построек-.:« арифметического устройства (процессора) для вычисления ДПФ по интерполяционному алгоритму. Для обеспечения непрерывной обработка отсчетов частичных спектров процессор пост^ен по конвейерному принципу.

Разработана функциональная схема процессора, представленная на Рис.2.

J г

11

2г

21

Н On

- ■ЙНТ2

и0 On

ИнтЗ ТЕ

On Инт4

Те Un

1чет1Ш°

СуммЗ

--контроллер

L

ЗУ

fill

ЗУ

11

2 г »

2»

Сумм.

t=± Сумма „ и сиир°-

'—^ нечетные Ин£. ниэация

управление и оинхро-

Рис.2. Функциональная схема процессора

Процессор способен работать в различных режимах: конвейерном (многопроцессорном), когда для достижения максимальней скорости обработки кавдый втвп ДПФ выполняется в отдельном устройстве, и однопроцессорном, когда о целью сокращения аппаратурных затрат используется одно устройство, перенастраиваемое для различных етапов; также предусмотрен режим вычисления ДПФ в реальном темпе поступления исходной информации. Последний реким предусматривает наличие входных и выходных буферных регистров для накопления необходимого количества исходных отсчетов.

Структурно процессор - вычислитель основного и дополнительного блоков (Рис.2)

Основной блок включает в себя А устройства для вычисления промежуточных когерентных сумматора - устройства для суммирования спектров.

Дополнительный блок включает устройство управления ж синхронизации» обеспечивающее различные реишн работа

JaS> состоит из

интерполятора значений я < частичных

процессора, контроллер запоминающего устройства, необходимый для связи процессора с оперативной памятью, и запоминающее устройство. .

В диссертации разработаны основные принципы реализации процессора любой наперед заданной разрядности, которые включили в себя принцип построения когерентного сумматора и интерполятора' с любым числом коэффициентов интерполяции. При реализации процессора достаточно использовать сумматоры, регистры, мультиплексоры и другие элементы, построенные на базовых элементах двоичной логики: логических схемах НЕ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ.

Не основе этих принципов произведена детальная разработка • устройства 12-разрядного процессора ДПО о интерполятором, работающим по 3 коэффициентам. Общее количество базовых логических элементов - около ЕС"30. На это устройство получен патент Российской Федерации. Степень подробности разработки процессора достаточна для реализации его в виде СБИС, например, по технологии КМОП ШК. Ввиду громоздкости в диссертации проведены лишь схемы и описания интерполяторе и когерентного сумматора.

Произведена экспертная оценка количества вентилей (элементов типа ¿2ШШ-НЕ, 2И-НЕ), требуемых для реализации процессоров ДП5 различной разрядности. Для 8-, 16- и 24-разрядных процессоров ДПО (при использовании соответственно 2, 5. 9 весовых ковф}ицнентов) число базовых элементов может составить 15000, 40000, 80000 соответственно.

Для реализации 8-, 12- и тб-рапрч.ипз вычислителей можно применить, например, ' матричные БИС, изготавливаемые по отечественной технологии, что позволит выполнить процессор ДПО в виде одной ИС.

В ходе выполнения хоздоговорных работ по реализации быстродействующего анализатора спектра доплеровских частот радиолокатора по технология БИС КУОП ШК (3& 1500 и 3000 логических элементов) разработаны и изготовлены опытные образцы 12-разрядного интерполятора (Е3£". 3000) и 12-разряднсго когерентного сумматора (ШК 1500), а таюке остальные составляющее процессора ДПО согласно функциональной схеме (рис.2). Использование этих комплектующих позволяет собрать

конвейерный процессор ДП®, работающий о темпом поступления ци£ровш отсчетов 10 МГц в виде малогабаритного модуля.

В третьей главе диссертации рассматриваются вопросы, связанные с применением интерполяционного алгоритма вычисления ДНО в некоторых задачах цифровой обработки сигналов. При этом с£ормуриулировагш такие области применения, в которых особенно проявляются преимущества этого алгоритма перед другими, в частности, перед классическими алгоритмами ЕЛО Кули-Тызки.

Первый обсуждаемый вопрос касается возможности построения на основе интерполяционного алгоритма анализатора спектра згрокснолосяого сигнал» со сверхвысоким разрешением в определенней полосе частот. Отличие такого анализатора спектра от анализатора, реализованного с применением традиционного БП£>, состоит в тем, что благодаря применению алгоритма когерентного суммирования частичных спектров можно значительно сократить объем вычислений. В работе приводится пример проведения анализа сигнала в полосе 1 МГц (220 отсчетов) с получением только необходимых 210 спектральных отсчетов в полосе 1 .кГц. При этом объем вычислений по. сравнению с традиционными способами снижается в 4 раза, а объем используемой памяти - в 1000 раз. Сокращение объема вычислений и используемой памяти достигается за счет отбрасывания на промежуточных этапах вычисления ДПО отсчетов, соответствующие "ненужным" частотам.

Вопрос реализации такого анализатора спектра в настоящий момент реаен пока только теоретически, без проведения моделирующих экспериментов.

Следующий вопрос - это применение интерполяционного алгоритма в согласованной фильтрации сложных сигналов с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ) и с дискретной частотной модуляцией (ДЧМ).

В диссертации разработан алгоритм выполнения согласованной фильтрации сложного сигнала путем раздельной обработки. Сущность этого алгоритма заключается в тем, что сложный ЛЧМ или ДЧМ сигнал, имеющий базу В, разбивается на И? парциальных простых сигналов, состоящих из /ь отсчетов; каждый из парциальных оигнвлоз обрабатывается независимо от других в оптимальном линейном фильтре (ОЛФ). На заключительном этапе

обработка доходные сигналы каждого ОЛО после совмещения во времени складываются когерентно с помощью алгоритма когерентного суммирования. При атом количество этапов интерполяционного алгоритма равняется log^/a, что эквивалентно выполнению БПЭ размера Благодаря существетю меньдей размерности ЕЛО и упрощению обработки на этапе БПФ об.цая экономия материальных затрат может , достигнуть до двух раз по сравнению с классическим алгоритмом согласованной фильтрации.

На примере построения модели геолокатора проведен сравнительный анализ применения двух различных способов обработки сложного сигнала - традиционного способа согласованной фильтрации в частотной облиоти и г «:фчоот/1нного способа раздельной согласованной обработки. При этом форма сжатого г.мпульсз и отношение сигнал/шум на ьыходе(качество обработки сложного'сигаала) в результате раздельной обработки соответствует классическим представлениям о работе согласованного ©шьтра, реализованного методом БПФ, о чем свидетельствуют результаты проведенного эксперимента.

Кроме сокращения объема вычислений, алгоритм раздельной обработки сложного сигнала позволяет распараллеливать процесс обработки и осуществлять прием сверхширокополоеных (ширина спектра - сстни а тысячи МГЦ) радиолокационных сигналов.

И, наконец, последний вопрос - это реализация ДП5 размерности 256 отсчетов при программировании специализированного микропроцессора обработки сигналов Z89C67/68/59. нашедшего в настоящее время широкое применение благодаря своей дешевизне и высокой производительное.и. ДПФ-256 является составной частью алгоритма сжатия, хранения и воспроизведения речевых сообщений для • автоответчиков, реализуемых преимущественно цифровыми средствами. Реализация ДПФ этой размерности классическими способами в МП Z89C67 не представлялась возмотаой из-за ограниченности аппаратных ресурсов. Для решении задачи применен интерполяционный алгоритм для вещественных сигналов, который позволил обеспечить режим леального времени выполнения ДПО.

. В настоящий момент существует действующая демонстрационная установка, представляющая собой устройство сжатия, ' хранения в воспроизведения сообщений на основе микропроцессора

Z89C59, программного ПЗУ и ЗУ емкость» 4 «бит, позволямдая в реальной времени записывать, хранить и воспроизводить речевые сообщения длительностью от 7 до 10 минут. -

Предложенный способ реализации ДП5 мскет быть также использован при программировании других процессоров ЦОС, т.к. имеет ряд преимуществ перед классическими алгоритмами в условиях . ограниченности вь-числителькпх ресурсов реального программируемого устройства.

В приложении приведены имодные текста програ>.вд нп языке Турбо Паскаль для расчета коэффициентов интерполяции,-программ ««тематических моделей, процессора,., , ..согласованных (¡яльтров, а также исходные тексты "сссеьйлеркзп: грогрэям реализации ДЛ&-256 для процессора Z39CS7.

Список работ, опубликования по теые диссертации.

1. Пат. N 2015550 Р£>. Арфлетическое устройство для выполнения дискретного преобразования Сурьс. /Чирков Г.З., Чирков Ю.Г., Чисков Ю.Г. Заявл. 20.Cl8.91, N- 5000393. Опубл. 30.0S.9i. С05? 15/332. 120 с. •

2. Chirkov G.v.,•Chirkov Yu.G. Interpolation raet Fourier Transiorn Бае: European Works on Discrete Signal

N'orth Holland Press. '992.

3- Чирков В.Г. Вопроса вычисления ::рсмe xy тc'-rraz значений спёктра // Устройства и гаетеиы радиолокации. связи и управления : Гез. доклада региональной р. а у'сно-т о z;r/.-i е сксй коз^яжишш. йсатерпнбург: УГ7И. 1993.

¿. Чирков Г.З, Чирков Ю.Г. Особенности алгоритма работы к построен:!« анализатора спектра на Сазе* интерполяционного метола быстрого преобразования Сурье: Отчет о НИР /Уральск:.! по;^.гтех:-.гчес:-сС1 институт; руководитель работа Г.В. Чирков; пнфр "Цифгь-У". тема 03047. Свердловск. 1939- 145 с.

5.чирков Г.З, Чирков Л.Г., Чирков Ю.Г. Цифровой процессор ДПФ по интерполяционному методу: Отчет о НИР /Уральский, политехнический институт; Руке водитель работы Г.В. Чирков; Е2*р "Цифоа-У", тема 03047. Свердловск, 1989. 145 с.

с. Чирков Ю.Г. Когокнтн:.-П сумматор ЕЛО: Отчет о НИР /Уральский политехнический институт: Руководитель работц Г.В. Чирков, скфр "Цифра-У, тема 03047. Свердловск. 1939. 145 с.

7. Чирков Г.З., Чирков Ю.Г. Интерполятор: Отчет о КИР /Уральский пслитехнэтеский институт; Руководитель работы Г.В. Чирков. сифр "Пифра-У", тема 03047. Свердловск, 1939- 145 е..

8. Чирков Г.В., Чирков А.Г., Чирков Ю.Г. Анализатор елект?£. Реализация 1¿-разрядного выделителя. Ячейга COO-Û4-05 и ССО-04-09: Отчет о -Ш?" /Институт радиотехника. Руководитель работы Г.З. Чирков; ¡пфр "Цдфра-У", тема ИРТ-37.

Екатеринбург, 1992. 393 с.

9. Чирков Г.В., Чирков- Ю.Г.. Рагозга В.К. Основные принципы моделирования и обдая структурная схема имитационной модели. Моделирование анализаторе спектра: Отчет о КИР

/"Институт радиотехники; Руководитель работы Г.В. Чирков, сафр "Цвфра-У". тема ИРТ-37. Екатеринбург, 1992. 393 е..

10. Чирков Г.В.. Елфимов В.И., Чирков А.Г., Чирков О.Г. Автоматизированный стенд испытания ячеек КПП: Отчет о КИР /Институт радиотехники; Руководитель работы Г.В. Чирков, сафр ■ВДра-У". тема ИРТ-37. Екатеринбург, 1992 . 393 с.

11. Чирков Ю.Г., Чирков Г.В. Моделирование процессоров ИЕП6 различной разрядности // Устройства и системы радиолоке.зи, связи и управления: Тез. доклада региональной научно-технической конференции. Екатеринбург: УПИ. 1993. _____

12.Чирков Ю.Г. Программа моделирования процессоров 1ЕП0 различной разрядности: Отчет о НИР /Институт радиотехники; Руководитель работы Г.В. Чирков, шифр "Цифра-У", тема ИРТ-37.

Екатеринбург, 1992 . 393 с.

13- Чирков Г.В.. Чирков А.Г.. Чирков Ю.Г. Разработка елсчентной базы на матричных БИС КИОП технологии для реализации интерполяционного метода БПФ //Пути развития элементной базы и современной технологии развития РЭА: Тез. доклада на всесоюзном семинаре /Севастопольский приборостроитель:^ институт. Севастополь: СПИ, 1990.

14. Чирков 1>.Г. Чиркова Л.А. Вопросы разработки быстродействующ« многоразрядных сумматоров на ЕМК КУОП технологии // Устройства и системы радиолокации, связи и управления: Тез. доклада региональной научно-технической конференции. Свердловск: УШ, 1990.

Подписано в печать 25.05.35 Оормат 60x84 1/16

Бумага типографская . Плоская печать Усл.п.л. 1,16 Уч.-сзд.д. 1,11 Тпрад.ЮО. Заказ 350 Бесплатно

- .Редаквдонно-оздатедьскай отдел УГТУ 620002, Екатеринбург, УГТУ,: 8-й учебный корпус Ротапринт УГТУ. 620002, Екатеринбург, УГТУ, 8-й уч.корпус