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

На правах рукописи

Ж

/у /

ЧХРХОВ ЕраЗ Гапладьеют

РАЗРАБОТКА НО££Е? И АЛГОРИТМОВ АППАРАТНОЙ РЕАЛИЗАПЫ ПРОЦЕССОРА ИНТЕРЕй'ЯЗЮКНОГО ДПЭ Я ЕГО ПУИЛ0Х2ИЯ

Специальность 05.13-16 -Применение вычислительной техники, математического моделирования и математических методов в научных исследованиях (по отраслям наук)

АВТОРЕФЕРАТ диссертация на соискание ученой степени хакдидата технических наук

о

Екатеринбург 1995

Работа выполнена в Уральском государственном технической университете.

Защита состоятся "29" юаня 1995 г. в 15.00 в ауд. Р-237 на заселении диссертационного совета К.ОоЗ.1Л.13 при Уральском государственном техническом университете.

С диссертацией мояно ознакомиться в библиотеке университета.

Вал отзыв в ' одном вкзеицдяре, завереннкй гербовсП печатью? просим направлять по адресу: 620002, г. Екатеринбург, Хара 19. Уральский государственна технический университет

Автореферат разослан « си-О^ 1995 г.

Учений секретарь оле:л; авизированного совета

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Лабунец Валерий Григорьевич доктор технических наук, профессор Карманов Юрий Трофичович:

кандидат технических наук, доцент Суханов Владислав Владимирович

ОКБ Лианозовского алектро-механического завода, г. Москва.

Официальные оппоненты

Ведущее предприятие:

кандидат технические наук, дсцент Константинов Андрей Анатольевич

Рзззлтие электронной технологии в области обработка и хранения информации, а частности, создание а последние годы быстродействухсих интегральных схем (КС) высокой и сверхвысокой степени интеграции е плотностью до 100 тыс. и вше базовых элементов на кристалл, открыло возможность практического использования при репении технических задач методов цифровой обработки сигналов (ЦОС). основанных на вычислении дискретного преобразования Фурье (ДПФ).

При реализации ДПФ наибольшее распространение получили так называемые быстрые алгоритмы. позволяющие ускорить вычисление ДПФ в десятки и сотни раз по сравнении о алгоритмом прямого вычисления ДПФ. Среди них следует выделить семейство алгоритмов Кули-Тьюки, алгоритмы вычисления ДПФ с помощью "' свертки, алгоритм Винограда, а также ряд других.

Основными требованиями к тому ила иному алгоритму при программной реализации являются количество ари4иетичесюх 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 фактически только несколько . алгоритмов из ряда ранее упомянутых быстрых алгоритмов, - это алгоритмы Кули-Тызки по основаниям, равным числам, составляющим целочисленную степень числа 2 - так называемые алгоритмы быстрого преобразования Фурье (БПФ) по основаниям 2 и 4. Другие алгоритмы оказываются практически непригодными для аппаратной реализации, так как состоят из достаточно большого числа уникальных неоднотипных операций.

Основным достоинством алгоритмов БПФ 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 БПФ, по большей части зарубежными производителями. Однако

при реализации больших размерностей Д» (значительно превышающих величину 1024). а также в задачах, где требуется использование ДПй нескольких различных размерностей, могут возникнуть определенные сложности, связанные с том, что для выполнения ДПФ какой-либо размерности необходимо разрабатывать собственное программозадащее устройство, т.к. программа, управляющая поступлением операндов на вычислители "бабочек", для каждой размерности ДПФ уникальна.. И для того чтобы вычислитель, выполняющий ДПФ основной большой размерности, был к тому хе еце и универсальным, т.е. способным вычислять ДПО любой размерности, кратной и меньшей этой основной, необходимо предусмотреть соответствующее . число втих программозадакщих устройств. Это приводит"к значительному усложнению архитектуры процессора, и поэтому, как правило, предельная размерность ДПС существующих в настоящее время быстродействующих процессоров огра1шчена величиной порядка 1024-4096. Значительные сложности возшжают также и при организации конвейерных вычислителей Дго. При этом на каздом этапе БПФ требуется, по существу, разрабатывать разные устройства.

В связи с этим особешо актуальной становится задача поиска и разработки новых быстрых алгоритмов ДНО, 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, должна 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 ъ различных реальных системах и устройствах.

Применение интерполяционного метода вычисления ДПФ, предложенного впервые Чирковым Г.В., позволяет решить такух задачу. Применение втого метода также предоставляет е некоторых случаях дополнительные возможности для повышения скорости обработки информации, экономии вычислительны! ресурсов и значительно расширяет области применения ДПФ в ЦОС в целом.

Особая актуальность разработки процессора,, зыполняюцегс

ДПО на основе интерполяционного алгоритма, возникла в конце 80-х - начале 50-х годов в связи с необхсдкиостьи разработки быстродействующего анализатора спектра доллеровеккх частот для применения в радиолокаторе. Требуекые характеристики (теш поступления информационных отсчетов - 10 11Гц) ног обеспечить только вычислитель конвейерного тала. Такие вычислители ДГЙ уже был: разработали и игрою щхыенялпсь в странах блока НАТО, однако поставка их в Советская Союз была в то время (да и сейчас еге) невозможна. Обредегае к интерполяционному алгоритму позволяло надеяться на разработку вычислителя ЛПЗ с требуексд! быстродействием на су^ествовгвзей з то время в стране 3-микронной КУОЛ технолога:.

Основная идея интерподяцгснвого алгоритма основана на том, что ДПО временной последовательности из Г«' отсчетов иокно вычислить, если использовать вычисленные на яредвдуцих етапах частичные спектры размера !i/2 - ¿33 двух половин исходной последовательности. Для втгх двуг ДК>, состоящих из. основных . отсчетов, необходимо рассчитать проыегуточннз значения и дополнить имя частичные спектры. Затеи нугно уинсаать каждый частичный спектр, состояний из М получеягшх такгл образе« спектральных отсчетов, на озоа последовательность ксмявекеных чисел, представляицув собой периодический ряд, принимаюггй значения 0, 1, j, -J, и сухслпрсвать первый частичка спектр со вторым. 3 результате получается искомое ДП-5-

Описгнный принцип еумгнреггкия частичных спектров, именуемый в дальнейшем когерентным су>лг.:ро83яиеы, выгодно отличается тем, что частичные спектры, участвугсие в вычислении спектра каксго-лн5о временного учаоткз походной последовательности, яглягтся готоыгя половин этого

участка. Весь процесс вычисления разделенный в етсм

случае, так же,как и на этапы, представляет собой процесс объединения от втгпз к етапу соседних частичных спектров.

Благодаря применена принципа когерентного суммирования частичных спе;<гроа екчислять сколько угодно Ссльгих

размерностей. При ьтом зньче-п'-г. ряда коиплекс».ыг повсрачизагскх ieexzrej:e2 ягх&хся гризиальными к пергсдгчность гтого ряда всегда постоянна.

Принцип когерентного сушировзния исжно тгкхз ycnsaio

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

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

Для нахождения промежуточных значений предложен • интерполяционный метод, согласно которому недостаюсие промежуточные отсчеты находятся путем весового суммирования основных (известных) отсчетов. Этот метод и дал общее название всему алгоритму. При использовании указанного метода точность вычнслгния промежуточных* отсчетов зависят от количества взвесгваюгих множителей и размерности вычисляемого текущего частичного Это обусловлено малой сходимостью

интерполяционной функции, являющейся основой для расчета промежуточна; значений.

Другим недостатком, также ведущим к снижению точности, является пренебрежение краевыми »фактами :пх» нахождении промежуточных значений на концах частичного спектра, • вызванных неизбежным усечением числа отсчетов, участвующих в - вычислениях.

Таким обрезом, для достижения практической пригодности интерполяционного алго^тма основной задачей является поиск простых в аппаратной реализации: и в то же время достаточно точных методов интерполяции.

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

а тся случае, когда набор весовых ксе&яцгзн^св иятеряолтпа является калыу и постоянный на всег чтадах вычислений. Следует учесть такой фактор. что реальнее устройство XZO эеегдз имеет конечную разрядность, ограниченную, например, 10, 12. 16 и т.д. битами. При этом можно добиться такого соответствия, чтобы задиисЯ разрядности ат-гаелите/ш соответствовала своя определенная точность вычисления промежуточных значения, зависшая только от числа весовых хсе-№:ци&нтсв. 3 этом случае погрешеет:* интерполяции будут соответствовать погрешностям, возникапзел при ограничении разрядности прэдетеаления.

Репение задачи достижения высокой точности интерполяции позволяет перейти к аппаратной реализации вычислителя. Вычислитель ДПФ по интерполяционному методу может быть выполнен в виде устройства - процессора ЛПЗ. разработанного на современней технологической базе. Учитывая уровень развития отечественной микроэлектроники (не говоря уже о зарубежной), существует реальная возможность реализации процессора ДПЭ а Елде однокристальной ЕИС. Разработка архитектуры такой БИС является одной из задач, решаемой в диссертационной работе.

Следующий вопрос, которому уделяется больсое внимание в диссертации, - это применение интерполяционного алгоритма ДПФ при обработке вещественных сигналов (аудио-, видео-, радиолокационных и т.д.). Использование этого алгоритма в аппаратурных реализациях для таких вычислений две? дополнительный выиг^п.

Вызе уже указывалось о необходимости применения интерполяционного алгоритма ДНО з анализаторе спектра дсплерозских частот радиолокаторэ. Существует также ряд других практэтеских задгч. которые могут быть гораздо эффективнее репены с лргагепеяпем интерполяционного иэтода ДП5 по сравнению с традиционными алгоритмам. Среди них - задачи согласованной Силътрацпп и узкопслосяого спектрального анализа сирскополосных сигнален. а также сжатия речи для безленточного телефонного автоответчика. Разработка способов ресения этих задач с псмссьи интерполяционного алгоритма также является лредуетсм и целью настегай диссертации.

Тема диссертации сформулирована как разработка аедалеа я

алгоратиов аппаратной реализация процессора интергиикцзокного J3» я его приложения.

В работе рассмотрены следующие вопросы:

- совершенствование интерполяционного алгоритма ДПФ путем разработки более точных и простых . в аппаратной реализации алгоритмов г-нтерполяцки; . .

- построешге и исследование математической модели процессора ДПФ:

- разработка принципов технической реализации процессора ДПФ и детальная, на уровне логических " влементов, реализация устройства ДПФ на олементной базе ШС КМОП ШК;

решение некоторых задач ЦОС с применением интерполяционного алгоритма ДПФ с построение» к исследованиями математических моделей устройств.

В качестве основного метода исследований в настоящей диссертационной работе использован метод математического моделирования на ЭВМ с использованием языков высокого уровня, который является эффективным и в то асе время доступным средством для решения стоящих в диссертации задач.

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

Для решения вопросов, связанных с разработкой архитектуры процессора ДПФ на уровне логических влементов и проверкой его работоспособности, применена система САПР БИС КМОП ЕЫК.

При решении практических задач ЦОС, представляемых ' в работе, использованы языки низкого уровня для программирования серийно выпускаемых микропроцессоров ЦОС, а также эмуляторы этих процессоров, работающие в реальном времени. В частности, с применением эмуляторов Ш Z89C00 и Z89C6J выполнена реализация устройства сжатия речевой информации для применения в безленточных телефонных автоответчиках.

Научная новизна рзботи

1. Разработаны эффективные алгоритмы вычисления ДПФ комплексных в вещественных сигналов, ориентированные для аппаратной реализации. Алгоритмы основаны на интерполяционном

методе ДНО о вычислением о высокой точность») промежуточных значений спектра методой интерполяции, ислользущай малое число весовых ко&Якциеятов".

2. Разработан эффективный способ реализации уз коп слоеного анализатора спектра сирокополосного сигнала.

3- Разработан эффективный способ реализации согласованного фвльгра сложных сигналов с линейной и дпскрэтнсй частотной модуляцией.

4. Разработан способ реализации ДП5 больших размерностей в условиях ограниченных аппарзтно-времетшх ресурсов микропроцессоров ЦОС на примере МП 289С57.

П;актэтоская нозязпз работы

1. Разработаны ма?емат:гсеские модели вычислителе*! ДП»5.

2. Разработаны математические модели согласованных фильтроз для эхолокатора.

3. Разработана принципиальная схема и топология 12-разрядного процессора ДЛЗ по технологии КМОП ~ИС ЕМК.

4. Произведена реализация ДНО в реальном времен:: в виде машиной программы для микропроцессора щ!фровой обработка сигналов 235С£7/б8 в составе безле:-точного телефонного автоответчика.

На зэвдту хааосятся:

1. Методика расчета весовых коэффициентов интерполяции, обеспечивахцей Еыеоку» точность вычисления ДПО при малом количестве коэффициентов и простоту аппаратной реализации алгоритма интерполяции.

'¿. Структурно-логические схемы основтгшс составляйте процессора ДПЗ - интерполятора л когерентного сумматора.

3. Способ ресения задачи согласованной фильтрации с применением интерполяционного алгоритма и устройств на его основе.

4. Способ резеная задачи узкополосного спектрального анализа сирокополосного сигнала о применением интерполяционного алгоритма п устройств на его основе.

5. Способ репения задачи реализации вещественного ДП5 размерностью 256 точек в реальной времени на МП г39Сб7 в

составе прогрешного обеспечения устройства сезлентсчного телефонного автоответчика.

¿зросгцаг раостц

Основные положения и результаты рабор;; докладывались и обсуждались па региональных научно-технических конференциях "Системы радиог-лектроники. связи и управления". Свердловск, УПИ, 1990, 1992; на научно-техническом семинаре "Пути развития рлеыентной базы и совервекствования технологии изготовления РЗА", Севастополь, Севастопольский приборостроительный институт, 1990.

По тепе диссертации опубликовано Ю работ, получек патент РФ не изобретение.

Результаты работы внедрены ъ НИР 03047 и НИ? КРТ-37.

Структура к объем диесвртацгоназ»: работу

Диссертация содержат 180 страниц мадиноппского текста, 21 страницу графической информации и бибдиограсшо из 85 наименований.

Структурно диссертация состоит из введения, 3 основные разделов (глав), заключения а приложений.

Кратхог садврглкие глав

Вызе было указано, что основной трудностью реализации интерполяционного алгоритма является недостаточная точность интерполяции ври вычислении промежуточных значений, поэтому одной из основных задач, стоящих в диссертационной работе, является разработка достаточно точных и в тс же время простых методе» интерссдяции.

Первая глава - диссертации посвящена решению вопросов, связанных о совершенствованием интерполяционного алгоритма Д1К? е разработкой на его основе алгоритмов, ориентированных на аппаратную реализацию.

В диссертации показано, что можно значительно повысить точность интерполяции, если перейти к вычислениям при удвоенной частоте следования спектральных отсчетов (по Котельникову) и полностью симметричной форме представления ДГО. Удвоение частоты отсчетов приводит к более плавноЕ

аппрокямтрукцег. функ-ш и псзц^зе? сходимость к нулю ряда весовых коэффициентов, рассчктаннз^ 2 соответстей: с ее ходом, а вычисление ДГК> в полностью саьэтрячкы; пределах:

м/г-о.в -гг.}—

» Г х(п+К/2-0.5)е (1)

пш-ХУ2-0.5

где х(п) - исходная последовательность, состоящая из И отсчетов, а Х(1) - ДП* этой последовательное:;:. - значительно •уиьпьевет погреотостп вычисления промежуточных отсчетов на краях частичных спектров.

При этом получено выражение для вычисления ДПФ путем когерентного суммирования частичных спектров, которое имеет следующий вид:

J — -.1—г-

Х(Ю0- е * Х.(Ю0 + е 4 (2)

где Х(к)с- кcкc»ioe ДП5 разиерностп ?<; (к)0 и Ха(Ю0 - частичные ДГ?5 размерности N/2, дополненные промежуточными

значениями, вычисленным:: путей- интерполяции по известным

^

основным значениям, а е - поворачивающие икожители, приннмашае значения из ряда {0, ±1, ±3, ±0.7071..»(113)) с периодичностью, равной а.

На основе выражения (2) разработан ряд алгоритмов, ориентированных для аппаратной реализации процессора ДП5. Среди них - алгоритм вычисления обратного ДП2> и алгоритм ДПЗ веаественных сигналов, позволявший вдвое сократить размерность ДП5, когда входная последовательность отсчетов состоит только из действительной части. При аппаратной реализации Еычнслений по выражению (2) достаточно использовать сумматоры я инверторы, так как поворачивающие множители в (2) являются тривиальными.

Для вычисления промежуточных (нечетных) значений, которые вычисляются методом интерполяции по известным основный (четным) значениям согласно выражению

Х(к) «"¿КА2Гх(к-2т+1) + Х(1с+2а-1)1. 1е«0,2И-1, (3) ■■1 "I

аналитическим путем получено выражение, позволяющее составить систему линейншс уравнений:

К/3

£ 1 Сов*'3-;'»'*'"" - 0.5. (4)

к.] " ае"

в« I

где с - превыаение числа спектральных составляющих по сравнению о требованиями теоремы о частоте отсчетов (с-2), п -индекс в каждом уравнении, а к - индекс при смене уравнений. Решая систему линейных уравнений, составленную согласно (4), можно вычислить наборы ков££кцигнтов, соответствующие" любым размерностям N частичных ДПФ.

Вычисление прожиточных 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-соглзсозанкым. Однако вычисление промежуточных значений оказывается точным только в той случае, когда число коэффициентов интерполяции п разно половине размерности частичного ДЮ (N/2). В других случаях, когда ето соответствие не соблюдается, вычисления выполняются с погрешностями. Величина этих погрепностей зависит от числа применяемых коэффициентов.

Следующий вопрос, решаемый . в дассертацги, - ето исследование методой математического моделирования точности интерполяции и точности интерполяционного алгоритма в

целом при применении различного числа ' коэффициентов, несогласованных с размерностью вычисляемого на данном этапе ДПФ частичного спектра. С этой целью поставлены и проведена серии экспериментов по определению уровня возникающих при вычислениях погрепностей. Для сравнения в ходе отих исследований выполнены расчеты о использованием кое£4ициентов интерполяции, найденных одним из сироко известных способов -путем использования в качестве аппроксимирующей функции полинома s-2 степени.

Первая группа вкспериментоз посвядена определению уровня ошибок вычисления прсыехуточнкх значений на различных этапах интерполяционного алгоритма при использовании различного числа

коэффициентов. По.результатам можно сделать общий вывод о точности интерполяции, проведенной о . использованием коэффициентов, рассчитанных по спектрально-согласованному методу и интерполяции, проведенной о использованием ::о5Ч>}вциектов, рассчитанных полиномиальным способом. Так, уровень погрепностей, возникающий при вычислении промежуточных значений, практически не зависит от размера частичного спектра (т.е. этапа ДПО) при применении одних и тех же коэффициентов (рассчитанных обоями способами) и с увеличением котентов на 1 снижается в среднем на 12 дБ (в 4 раза) при использовании спектрально-согласованных коэффициентов и на 8 дБ - при полиномиальных коэффициентах.

Следугцая грунта экспериментов проведена с целью оценки точности интерполяционного алгоритма вычисления ДПФ в целом. Для этой оценки использовались различные критерии. Производилось измерение . уровня максимальной из ложных гармоник, появляющихся в результате пары преобразований Фурье (ОДПФ-ДПФ) над единственной гармоникой в спектре, и уровня нелинейных искажений. Также проведен ряд вкпериментов по выполнению пары преобразоэекнй Фурье над случайной исходной последовательностью к измерению возникающих при этом погрешностей. 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 среднеквадратического значения погрешностей вычисления ДПФ при различной разрядной сетке представления отсчетов. По результатам, полученным в ходе этого эксперимента, представленных на -рие'.1, можно судить о разрядности цифрового интерполяционного вычислителя ДПФ и числе применяемых при этом спектрально-согласованных коэффициентов интерполяции. Так, например, 12-разрядный (с 10 значащими разрядами) вычислитель ДПФ с гпбридно-плаэащей • запятой требует применения 3-4 коэффициентов интерполяции, 16-разрядный (14 знач. разр.) - 5-6 коэффициентов и .20-разрядный (18 знач. разр.) - 7-8 коэффициентов и т.д. При этом погрешности выполнения, например, 1024-точечдого преобразования не будут превышать величину младшего значащего разряда.

X «

«s

ä

0 : -

и i

¡t

í,

Z -

w ¿

si

Is

4 s

u -

^ 7 i

с

-5 «

-3 c» 2 * «

»

ío 4

и - •T с

V ^ Г] и

• и о

-0

с s -1

5 и s-a

m

a с ас

a а а

Он

« t

o i « :

n С N С? P

—^'"V----V-

1-—i—L

1444.1

U-Ш.

Ц-Ш-

tir

w .....

! I !!■. \

>-r-r"*'------r

o es

с f

I

Рие.1. Моделирование процессора

вычислений ■в зависимости от числа

îiOrpeEHOcra коэ-^йзоиентов

интерполяции в разрядности представления

— •

Во второй главе диссертации приведено описание оснотшит принципов построения арифметического устройства (процессора) оля вычисления ДП5 по интерполяционному алгоритму. Для эбеспечения непрерывной обработки отсчетов частичных спектров процессор пост:оен по конвейерному принципу.

Разработана функциональная схема процессора, представленная на Рис.2.

11

2г

21

Оп

:/.итг

-ОТ!

г г .

Цв |

ИнтЗ

Ьо

Ил

•1нт4 -СГ

'ЛГ^

Сумм1

?четные

IX

И

гтт=;|сумл5

Су»-м4

^контроллер ♦■» ЗУ

I_

♦X.

-1 1 г

1»

ЗУ

а»

СуУ"'¡управление

1*», ~4_!И СИНХрО-

Iнечетные Инт. ! низания

Рас.2. Функциональная схеиз процессора

Процессор способен работать в различных реажмзх: конвейерной (»иогспрсцеесоряом), когда для достижения мзксималъксй скорости обработки каацый &?ея ДПФ выполняется в отдельном устройстве, и однопроцессорном« когда о целью сокращен:!* аппаратурных затрат используется одно устройство, перенастраиЕгемое для различных етггпов; также предусмотрен режим вычисления ДП5 в реальном темпе поступления исходной зПосреди:'Л ремим предусматривает наличие входных к выходных буферных регистров для накопления необходимого количества ксход~ых отсчетов.

Структурно процессор - вычислитель ,"3 состоит из основного и дополнительного бдокоз (Р2С.2).

Основной блок вклетьет а себя 4 интерполятора -устройства для вычисления промежуточных значений а 4-когерентных статора - устройства для суммирования «стачан спектров.

Дополнительный блок включает устройство управления и син>роЕизв1^и, обеспечгппгг.ее разлзчнне ргхимы работа

процессора, контроллер запоминающего устройства, необходимая для связи процессора с оперативной памятью, и запомин&ххзее устройство.

В диссертации разработаны основные принципы реализации процессора любой нвперед 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-НБ.

На основе этих принципов произведена детальней разработка устройства 12-разрядного процессора ДНО с интерполятором, работвизам по 3 коэффициентам. Общее количество базовых логических элементов - около 2Í "30. На это устройство получен патент Российской Федерации. Степень подробности разработки процессора достаточна для реализации его в виде СЕКС, например, по технологии КЫОП EUK. Ввиду громоздкости в диссертации приведены липь схемы и описания интерколятсра и когерентного сумматора.

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

Для реализации 8-, 12- и i¿-ра~ря~п.~ вычислителей мсх~о применить. например, матричные БИС, изготавливаемые по отечественной технологии, что позволит выполнить процессор £Гл> в виде одной КС.

В ходе выполнения хоздоговорных работ по реализации еыстродеЯствуххзего анализатора спектра доплеровских частот радиолокатора по технологии БИС КУ0П БУК (3£С 1500 и ЗОЮ логических элементов) разработаны и изготовлены опытные образцы 12-разрядного интерполятора (3£-: 3000) и 12-разряднсгс когерентного сушатора (ЕМК 1500), а такке остальные еоставлягсее процессоре ДП& согласно функциональней схем« (рае.2). Использование этих комплектующих позволяет ообрьт*

конвейерный процессор ДПФ, работающий о тейпом поступления цифровых отсчетов 10 МГц в виде малогабаритного модуля.

В третьей главе диссертации рассматриваются вопросы, связанные с применением интерполяционного алгоритма вычисления ДПО в некоторых задачах цифровой обработки сигналов. При етом сформурмулированы такие области применения, в которых особенно проявляются преимущества этого алгоритма перед другими, в частности, перед классическими алгоритмами БП© Кули-Тьюки.

Первый обсуждаемый вопрос касается возможности построения на основе интерполяционного алгоритма анализатора спектра ззгрокополосного сигнала со сверхвысоким разрешением в определенной полосе частот. Отличие такого анализатора спектра от анализатора, реализованного с применением традиционного БПФ, состоит в том, 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 ДПФ отсчетов, соответствующих "ненужным" частотам.

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

Следущий вопрос - это применение интерполяционного алгоритма в согласованной фильтрации слоакых 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 V3 парциальных простых сигналов, состоящих из Vo отсчетов; каждый из парциальных сигналоз обрабатывается независимо от других в оптимальном линейном фильтре (OJIO). На заключительном этапе

обработки каодные сигнала кавдого СиТО после совмещения в< времени складавгются когерентно с помощью алгоритма когерентного суммирования. При отем количество этапов интерполяционного алгоритма равняется 1о£а<Уи, что эквивалентно выполнена; БЕЗ размера 2vT». Благодаря существенно менглей размерности Ш а упрощению обработки на этапе БП£ осЧая экономия материальны: затрет может достигнуть до двух раз но сравнению с классичес кии алгоритмом согласованной фильтрации.

На примере построения модели геолокатора цроведе сравнительный анализ применеш!я двух различных способе обработка сложного сигнала - трчдиционного способ согласованной фильтрации в частотной обльоти и г .:<р«оотпнног способа раздельной согласованной обработки. При атом '£юрм сжатого г.-тульса и отношение сигнал/шум на ьшсоде( качеств обработка сложного'сигнала) в результате раздельной обработк соответствует классическим представлениям' о работ согласованного фильтра, реализованного методом БПФ, о че свидетельствуют результаты проведенного експеримента.

Кроме сокращения объема вычислений, алгоритм раздельнс обработки сложного сигнала позволяет распараллеливать процес обработки и осуществлять прием сверхширокополосных (ширю спектра - сстни и тысячи МГц) радиолокационных сигналов.

И, наконец, последний вопрос - это реализация Д размерности 256 отсчс.ов при программирован: специализированного микропроцессора обработки сигнал< Z89C67/68/59, нашедшего в настоящее время широкое применеш благодаря своей дешевизне и высокой производительное.и. ДП< 256 является составной часть» алгоритма сжатия, хранения воспроизведения речевых сообщений для • автоответчико: реализуемых преимущественно цифровыми средствами. Реализац ДПО отой размерности классическими способами в ЫП Z89C67 представлялась возможной из-па ограниченности аппарата ресурсов. Для решении задачи применен интерполяционн алгоритм для вещественных сигналов, который позвол обеспечить режим 'овального времени выполнения ДПЭ.

В настоящий момент существует дейбтвувдая демонстрацис яая установка, представляющая собой устройство сжати ' хранения а воспроизведения сообщений на основе микропроцессс

1В

£89059, программного ПЗУ и ЗУ емкостью 4 Мбит, позволякцая в реальной временя записывать, хранить я воспроизводить речевые сообщения длительностью от 7 до 10 минут.

Предложенный способ реализации Д1Э мсжет быть также использован при программировании других процессоров ЦОС, т.к. имеет ряд преимуществ перед классическими алгоритт^амя в условиях ограниченности вычислительных ресурсоз реального программируемого устройства.

В приложении приведены исходные тексты програлм па языке Турбо Паскаль для расчета ко&ф^а^олтсв интерполяции, программ математических моделей процессора и согласованных

Сильтров, а также исходные тексты ассемблерных прогрзки реализации ДП&-256 для процессора £В9С67.

Список работ, опубликованных по тгые тдссертэция.

1. Пат. I." 20*5550 Jo. Ар::^ет:гческое устройство для выполнения дискретного преобразования Сурьс. /Ч;грксз Г.З., Чирков Ю.Г., Чирков Ю.Г. Заягл. 20.С8.91, К 50003у3, Опубл. 30.Cb.9-i. G06? 15/332- 120 с.

2. Chir-ko7 G.V., Chirirov "u.C. Interpolation Past Pourie? ИтапзГогэ Sasz European Works on Dieorete Signal ITransrorms. .'.'orth Holland ?recs. 1592.

3. Чирков Ю.Г. Вопросы вычисления промежуточных значен:^ спектра // Устройства и системы радиолокации, связи и управления: Тез. доклада региональной научно-технической конференции. Екатеринбург: УПИ. 1993.

i. Ч:;рксз Г.В, 4irzy.cn Ю.Г. Особенности алгоритма работы и построения анализатора спектра на базе интерполяционного метода быстрого преобразования Сурье: Отчет о К!? /Уральскцй по.—;техк:г-:ес¡гнотпту?; Руководитель работы Г.В. Чирков; хпср "liCpft-j'". тема 030i7- Свердлове::. 1939- 145 с.

5.Чирков Г.З, Чирков А.Г.. Чнркоз ».Г. 1^4рсвсй процессор ZT:t по интерполяционному методу: Отчет о КК? /Уральский политехнически институт: Руководитель работы Г.З. Чирков; пне? ••Пифта-У", тема 03047. Сзердлсзск, 1939. 145 е.

6. Чиркоз D.r. Когерентный еуи^тср ЕП5: Огчот о НИ? /Уо&льскпй политехнический институт; Руководитель работы Г.В. Чирков. "Ii'-рь-У". тема 03047. Свердлове::. 1989. 145 с.

7. Чирков Г.З., Чирков Ю.Г. '.'лтерлолягер: Отчет о НИ? /Уральск:^ политехнический институт; Руководитель работы Г.З. Чирков; си£р "Пнфрэ-У", тема 03047. Сьердлсвск- 1939. 145 с. .

3. Чирков Г.З., Чирксз А.Г., Ч.грксз Ю.Г- Анализатор спектра". Реализация 12-разрядного вычислителя. Ячейки Ci0-04-и ССО-04-09: Отчет о rli? /Институт радиотехники; Руководитель работы Г.З. Чиркез; mi? "Лифрэ-У", тема КРХ-37-Екатеринбург. 1992. 353 с.

9. Чирков Г.З., Чирков Ю.Г.. Рагозин В.К. Основные принципы моделирования z обзая структурная, схема зкитациояноа иоде да. Моделирование анализаторе cnerrrps: Отчэт о КИР

/Институт радиотехники: Руководитель работы Г.В. Чирков, сифр "ЦЙфра-У", тема ИРТ-37. Екатеринбург, 1992. 393 е..

10. Чирков Г.В.. Елфимов в.И., Чирков А.Г., Чирков Ю.Г. Автоматизированный стенд испытания ячеек БИП: Отчет о НИР /Институт радиотехзшки; Руководитель работы Г.В. Чирков, сифр "Цифра-У", тема ИРТ-37. Екатеринбург, 1992. 393 о.

11. Чирков ».Г., Чирков Г.В. Моделирование процессоров И5ПФ различной разрядности // Устройства и системы радиолок£.г.п!, связи и управления: Тез. доклада региональной научно-технической конференции. Екатеринбург: УПИ, 1993.,

,12.Чирков Ю.Г. Программа моделирования процессоров ИЕПЗ различной разрядности: Отчет о НИ? /Институт радиотехники; Руководитель работы Г.В. Чирков; вифр "Цифра-У", тема ИРТ-37.

Екатеринбург, 1992. 393 с.

13. Чирков Г.В.. Чирков А.Г., Чирков Ю.Г. Разработка елементной базы на матричных ь'ИС КЫОП технологии для реализации интерполяционного метода ЕЛО //Пути развития элементной базы и современной технологии развития РЭА: Тез. доклада на всесоюзном семинаре /Севастопольский приборостроительный институт. Севастополь: СПИ, 1990.

14. Чирков Ю.Г. Чиркова ' Л.А. Вопросы разработки быстродействующих многоразрядных сумматоров на ШК КЛОП технологии // Устройства и системы радиолокации, связи и управления: Тез. доклада региональной научно-технической конференцгм. Свердловск: УПИ, 1990.

Подписано в печать 25.05.95 Оогиат 60x84 1/16

Бумага типографская Плоская печать Усл.п.л. 1,16 Уч.-изд.л. 1,11 Тирад 100 . Заказ 350 Бесплатно

.Редакционно-издательский отдел УГТУ 62С0С2, Екатеринбург, УГТУ, 8-й учебный корпус Ротапринт УГТУ. 620002, Екатеринбург, УГТУ, 8-й уч.корпус