автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Цифро-аналоговые структуры по обработке многомерных сигналов в автоматизированных системах управления

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ УКРАИНЫ ХАРЬКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ,48 О Л РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

i $ \ПР На правах рукописи

РЕБЕЗЮК ЛЕОНИД НИКОЛАЕВИЧ

УДК 681.34:621.391

ЦИФРО-АНАЛОГОВЫЕ СТРУКТУРЫ ПО ОБРАБОТКЕ МНОГОМЕРНЫХ СИГНАЛОВ В АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМАХ УПРАВЛЕНИЯ

05.13.06 — Автоматизированные системы управления

Автореферат диссертации, на соискание ученой степени кандидата технических наук

Харьков — 1994

Работа выполнена на кафедре КЭВМ Харьковского государственного технического университета радиоэлектроники.

Научный руководитель:

— доктор технических наук, профессор Н. В. Алипов. Официальные оппоненты:

—доктор технических наук, профессор О. Г. Руденко;

— кандидат технических наук, доцент А. И. Тимченко.

Ведущая организация — Производственное объединение „Монолит", г. Харьков.

Защита диссертации состоится , & * «-¿¿-¿УсУ__

1994 года в /4 часов на заседании специализированного совета К. 068.037.01 в Харьковском государственном техническом университете радиоэлектроники (310726, г. Харьков, пр. Ленина, 14).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Харьковского государственного технического университета радиоэлектроники.

Автореферат разослан . " ¿¿¿¿{.¿УтЫ__ 1994 г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат технических наук,

профессор Э. А. ДЕДИКОВ

ОБЩАЯ ХАРДЯТВРИСОКСА РАБОТЫ

Совремавдше подсиотеш автоматизированной обработки информации (IIAO'A), явяяввдзся составной частью дябой автоматизированной система управления (АС1/), заходят различнкэ применений в технике и науке (управленао производством, атомная энергетика, космические исследования, средства связи» медицинская техника, информационные системы а сети, преобразование сигналов, цифровое телевидение и телефон, сейсмология и прогноз погода). Развитее этих областей техника привело к яоявлони» систем с бнстропротекаюфми процессами, а следовательно, к уменьшению времени, отпускаемого на их обработку. Использсвенно ПАОИ для решения вышепвречислешшх задач предъявляет к ни« пошшеннио требования по производительности к оперативности. Кроме того, на производительность ПАСИ значительно влияет функциональное усложнение pemaetm с их помощью задач, к' которш относится и цифровая обработка многомерпих сигналов. Все это обуславливает постоянный интерес к решению проблема повышения производительности MOif.

В настоящее время поиск новых ретений этой проблемы идет в на- • правлении развитая параллельной обработки информации как нового принципа структурной и алгоритмической организации вычислительных средств ПАСИ и проектирование на этой основа параллельный многопроцессорных систем. На данный момент, несмотря на определенные достижения в области проектирования таких систем, актуальные является поиск новых принципов ах построения и особенно для вычислительных систем по обработке многомэрнях сигналов в реальном Бремени«- С другой стороны, рост производительности вычислитедькнх устройств ПАСМ приводит к существенному усложнению как самих устройств, так и вычислительного или измерительного процесса, а следовательно, к снижению помехозащищенности, ,Цля решения этой проблем* в основном используют информационную и структурную избыточность. Но из-за того, что эти виды избыточности не oxbstheudt контролен вычислительный (измерительный) процесс, в настоящее врэ-мя особо актуальные является поиск специальных катодов их контроля и коирэкдал, к которым относится и алгоритмическое подазлеклэ помех при одномерном поиске- точки экстремума функции.

Целью диссертационной работы

являето: создание нового принципа построения и основ программирования цифр» .i - аналоговых вычисштельных структур (ЦАВС) по обработке многомерных сигналов, работ&юдих б реалонок масатабе времени, в такад разработка методов контроля и коррекции ьычислителыюго (измерительного) процесса.

Предметом исследования настоящей работы является производительность подсистем автоматизированной обработки информация, являи-ихся основными блоками автоматизированных систем управления и помехоустойчивость вычислительного процесса.

Задачи исследования: разработка принципа организации цифро-аналоговых шчислительких структур по обработке многомерных сигналов; исследование их структур; разработка функциональных схем; создание основ программирования т'<кш; ЦАВС; оштез коррок'шрувдих алгоритмов одномерного поиска.

Автор защищает» \ .Принцип построения цифро-

аналоговых вычислительны* структур по обработке многомерных сигналов. ?.. Синтезировавши структуры, основные соотношения, ошюывакь щие кх функционирование, а такке реализуемые м.гл базовые операции. 3. .Имитационные модели ЦАВС по обработка дау- и трехморшх сигна-лоь. i. Основы программирования tuiüüc ЦАВС :ia вычисление основных алгебраических операций; операций дифференцирования и интегрировании фуыатй двух и трех переменных.; операций дисперсионного, корреляционного и спектрального анализа многомерных сигналов; алгоритмов №<огомер1!ой линейной $ш!ьтрациа. 5. Корректирунцие алгоритмы одномерного поиска. 6. Функциональные схемы ЦАВС.

Научная новизна исследования. Впервые подучены следующие результаты: разработан принцип построения цифро-аналоговых вычислительных, структур пс обработке многомерных сигналов; подучены основные соотношения, описивакщиа функционирование таких ЦАВС и базовые операции, реализуемые ими; построены имитационные модели, нз основе которых были определены основные инстру-i.tiHi элыше погрешности ЦАЕО по обработке дау- и трехмерных сигналов; познаны основы программирования таких ЦАВС на выполнение ал-rcOvbifíaaiauL о л "/раций, операций ди^Звронцирования и интегрирования фикций двух я трех переменных, операций дисперсионного, корреляционного и сдектр&лыюго анализа многомерных сигналов, алгоритмов

г- 5 -

многомерной линейной ^ыьтрацш!; синтезирована корректирующие алгоритмы одномерного поиска.

Практическая значимость работы зак-janeoïca в следующем: создшш теоретические основы построения Ц?В0 реального врекени для выполнения параллельных вычислений при реализации операций дисперсионного, корреляционного и спектрального аналяяа многомерных сигналов, алгоритмов многомерной линейной фильтрации; разработаны структурные к функциональная схемы Ц4В0 по обработке дву- и трехмерных сигналов; построены арифметические основы этих IJABC; созданы основы программирования таких ЦАВО на выполнение различных алгебраических операций; разработали корректи-рувдие алгоритмы одномерного поиска, обеспвчивавдш помехоустойчивость тчиалх.'?олъиаго (измерительного) процесса.

Та. з ? л ы s ! в внедрения положения и выводов диссертационной работы заключаются в том, что метода параллельной обработки цифровой информации, структуры устройств парал-' дельной обработки двумерных масзивов, их программирование на выполнение различных операций испольвованы в СКВ Харьковзкого завода "Электромашина".

Положения, вывода и рекомендации диссертационной работы ис-" пользованы при вшголнекик госбюджетных КИР Я 186-? - "Раьработка методологии и аппаратуры автоматизированного контроля деталей компонент волоконно-оптических линий связи", Jî 26!-2 - "Математическое и техническое обеспечение системы обработка информации для управления технологическими цротссыт'' и в учебном процессе при курсовом и дипломном проектировании.

Апробация работы а публикации, • Научнае результаты докладывалась и обсундались на Всесоюзных и республиканских кои^оренциях и симпозиумах, в так числи на республиканской научно-технической конференции "boitpocu проектирования а практического использования ГШ б управляющих, и вычислительных комплексах" (Киев - Одесса, 199Gr„), на Всесоюзной научно-технической конференции "Измерительные, информационные системн" (Санкт-Петербург, 1991 г.), на vit Симпозиуме "Проблем создада преобразователей фсркы информации" (Киев, 1992 г. t, на Пара ta Все-yKpafucbKiit ко;фронцй' "О^роо'ка сипшл!в t зобраавш, та рс2К(зна-ваинл образ!в" (КиГв, 1992 р.).

Основные научные и практические результаты опубликована в 14 работах и получено одно полоштельное решение на выдачу авторского свидетельства на изобретение.

Структура и о С. ь е и работ и. Диссертация состоит из введения, четыре! разделов, заключения, списка литературы из 93 наименований, 3 приложений, вютчаэт 10 рисунков и две таблицы, общий оЗъем работы страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАВОШ

Во введении дано обоснованна актуальности диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследования, кратко охарактеризованы научная новизна и практическая значимость полученных результатов, приведена структура и краткая аннотация разделов дпосерчаоуонной работы.

В первом разделе выполнен анализ аереаеашх задач в области повышения производительности вычислительных структур по обработка многомерных за счет параметрического и кибернетического совершенствования, Этот анализ показал, что сущэствук&т метода организации многопроцессорных вычислительных систем (ШВС): разрядно-акэ-логоьый, ШВС на основе универсальных и споцлблышх мшдхлроце с со -ров, на основе базовых матричных кристаллов (БЫК) СВИС, на основе тзйморнах скаляторов и декодирующих вычислительных преобразователей не могут бить использовала для построения быстродейстЕущи* вычислительных структур по обработке многомерных сигналов в реальном масштабе времени.

При создании помехоустойчивых преобразователей форма информации (ГИИ) компенсационного типа, на основе которых строятся цифро-аналоговые вычислительные структуры по обработке многомерных сигналов и являющиеся, кроме этого, неотъемлемой частью любой системы автоматизированного управления, возникает необходимость наряду с раадичнши алдмвд избыточности (информационной, структурной) вводить и программную (процедурную) мзбыточнооть. Фу ккциониров чниэ таких ГИ'И осуществляется детерминированными алгоритмами поиска точки вкотромума унимодальной функции* Одним из эффективных таких алгоритмов является алгоритм Кифора. Однако он не является помехо-уотоачивнм и к настоящему времени не получено для ряда задач обоб-

вдшй». алгоритма Кифвра для случайных возмущений, накладываешь на процесс поиска.

Поэтому в диссертационной рабств рассматриваются дав взаиыосвя-' ввпдаэ задачи: сэдача структурного синтеза 'цифрс-аналоговых внчио-литэльных структур по обработка шюгомэрных^.сишов и синтез кор-рекгорутяпих алгоритмов одномерного поиска.

Вэдача структурного синтеза сформулирована в таком виде.

Дало гаожзство процедур ( П1, Пп > .-•Существует

некоторое конечное мжмястго вариантов структуры { , ГГ ,..., '/м/'' Гда чйсло элементов и еаи его элементы считаются неизвестна®. 1-й вариант структуры характеризуется спределеншм «шелом Фюков и тфармацзктнцми связями между ними. Требуется найти такой ааризит структура ЦДЕС то обработка многомерных сигналов, Которая позволяла бы реализовать любую процедуру из множества процедур к удовлетворяла Си минимаксному критерия

г ^ я1л гг,,.„, где /и/~ число элементов в множестве возшкпнх структур М;

Ч" г]г (ч,1' 4,2..........4,п}»

где оценка 1-*го варианта структура, t^ J - врэменнне затраты при реализации Я^-й процедуры на 1-1.1 варианту структуры. '

Задача синтеза корректирующих алгоритмов одномерного поиска с^ормулиреванъ в таком вкде.

Лан класс Р тагах унимодальных функций одной переменной, для которых

f: 3>К, Ы0,11; тах Г(х), хе[0,П.

х

и £(1) - случайное возмущение, накладываемое на процесс поиска точки х*, при котором она меняет свое местополокенкз к описываемое параметром 7 - относительная скорость случайного блуяушшш течки х* в направлении (1-Ю) соответственно 7_ и в направлении (<М) со-отв'зтетвэшю 7+.

Поиск осуществляется алгоритмом, состоямм из 1 шагов и Формирующим одновременно к точен экспериментов, эксперимент ка ,1-м каго описывается разбиением А^ и заключается первоначально в вычислении либо формировании Г), где q.=ГД, а затем в нахождении

у

Лху- тпах

Существует множество возможных алгоритмов поиска, где число элементов и сами его элементы считаются неизвестными. Необходимо для любых i>1, к>1, 7_г0 и е>0 построить корректирующий ал-,

горитм поиска точки х*> для которого имеет место s-мктмэксиая стратегия

max l{(f,A?) rein max bff.O + в, t^f 1 1 д^и, te?.-.1 1

где e - минимально воамошюо расстояние мевду двумя соседними точками экспериментов;!^.^) - длина интервала неопределенна cm относительно х* для функции f(x), полученного на последнем i-м шаге д.,-го алгоритма.

Все это и определило основные задачи исследования (см. общую характеристику работы).

Во втором раздела рассмотрена вопросы создания цифро-аналоговых вычислительных структур по обработке дау- и трехмерных сигналов, работающих в роалькоы масштабе времени, и алгоритмов их функционировать!.

В рамках решения первой задачи проведен анализ операций дисперсионного, корреляционного и спектрального анализа ы алгоритмов многомерной линейной фшьтрации, в основе которых лежат кратные интегральные преобразования, позволивший обосновать необходимые шрочени операций параллельной обработки цифровых отсчетов дву- и трехмерных сигналов.

На основании этих перечней операций создаш цифро-аналоговые вычислительные структуры но обработка дву- и трехмерных сигналов, в основу которых положен принцип кокбшшровано-каскадного включе-шя цифро-аналоговых преобразователей (ЦАЛ), каскадаоо включение Ноторцх путем объединения их выходог в одну точку положено ь основу построения внчислительаого преобразователя информации (ВШ> как структурной едачшцы созданных ЦАВС.

ЦАВС по обработке двумерных. сигналов содьркит (2ш» t) ВПИ, а ьычислктильнчя структура по обработке трехмерных сигналов -(ar,(£mi)+f) НИИ. Каждой i-й ВГМ (I=i,£m+1), например ЦАВС по об-раоотке двумерных сигналов, содержит 2п идентичных вычислительных блока (ББ), об-ь&дананных своими выходами в одну точку, кодоуправ-лдьмнй сумматор, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и блок управления. К>,кциЙ 3-й ВВ (3=Г,"2п) состоит из четырех ЦДЛ, которые

попарно такет объсдашш своиуя выходами 6 одну точку, причем объединенные выхода первой пари ПАП соединены о аналоговыми входами второй пары. В каадом ;J-?¿ ВВ 1-го ВГШ есть две пары регистров, имиэдях знаковые резрядк, соедипанкнх с соотеетствуювдш ЦАП, две дхвш выбора к дао схвш коммутации знаковых, разрядов, пара соглэ-cyssua усилителей, один то которых вклщвк по схеме инвертора, а другой - по сиэме повторяем, сумматор но модулю два, который совместно со схемами выбора ьааковых разрядов, схемами коммутация и согласующими усилители,ai формирует результирующий знак преобразования Е j-« ЕВ 1-го ВПИ.

IIAB0 по обработка дну- и трехмерных сигналов рассчитаны на пос-ладоЕатеяьное а параллельное загасите информации в шде Г,- раз-ряднах чисел. Информация з каждый SltH вычислительных структур вводится по подовым айнам л!?бо одновременна по синхроимпульсу на все 'входные регистра, либо на лгСые из гах в различных комбинациях. Кроме этого, организованы наш связи между одноименными группами регистров сдаоЕменншс. ЕЗ соседних ВПИ, для передачи информации, к примеру, из первых регистров всех ВБ предадааго ВШ5 на перше регистры одасяммгшх ВЗ последующа ВПИ как бы продвигаясь вдоль группа первых регистров- одноименных ЕВ всех ВЕЛ,

Для последовательного йанэсетая информации в каздсм- ВОД есть , соответствуете каш связи, по которым информация о каждого предыдущегог к нрвтеру, тарзого регистра поступает на кавдай по-следувдий первый регистр данного НИИ, как Си продвигаясь вдоль группы первых регистров всех ВВ этого яэ БПИ.

Для получеши результата двукратного суммирования з 11АЕ0 по обработке двумерных сигазлоб 2т ЕПИ соединены при пемощл кодовых юта -с (2т И} -м БЙ11 для пэредачи цифрового эквивалентна результата преобразования каждого из 2т БПИ по синхроимпульсу одновременно на первые или третьи входам регистры соответствующих. ЕВ (2т1 ВПИ, -Дяя тактирования я елнхромззцет работы отдельных блоков, а таюкэ занесэнлл и ¡¡©зависимого перемещения янфорладЕИ как вдоль всех 2п ВБ каждого ВШ,так а вдоль одноименных ВВ. соседок ВПИ структура введены швы синзрсяшзашк. Различные режимы рабогн вычислительной структуры' задакгся состветстоуидам комбинациями сигналов, поступающих по зшам управлеиил на схемы блока управления.

Для обработки одновременно цифровых отсчетов четырех разлй-

них функций Трех переменных г! получешя результата трехкратного суммирования на ЦАВС по обработке трешершх сигналов к каздому из йп БПЙ ЦАВС по обработке двумерных сигналов подсоединены с помос^ыо, кодовых шин цифровые выхода группы из ?.п ЕЖ, кзадяй гв которых, в свою очередь, состоит из 21 ВВ. для передачи по синхроимпульсу вычисленных в каждом ив них результата преобразования.

Расчленение структуры каждого ВПК на две части , едтаг информации* вдоль групп одноименных регистров как в каждом ВШ, так и мевд ВШ, одновременная смена ;ц:формации в них, комбинации этих спераций - все ото позволяет без перестрой:« вычислительных структур, а лишь при подаче соответствуй^ кнфору.адаонньос и управляющих сигналов, скнх}«им:тулъсов. переориентировать ЦЮО на выполнение тей 'или шюй операции.

При решении задачи создашя цж^ро-акалогошх вычислительных структур по обработке дну- и трехмэрнлх сщ-валоз определены основание соотношения, описывающие их Фудациошрованяе и «IX базовые операции. Таких базовых операций у вычислительных структур пять. Например, ЦАВС ш обработке двумерных сигналов выполняет следующие операции:

. 1. Операция сложения в ка:;щом 2ш--м В1Ш вычислительной структуры 2п цифровых отсчетов первой и второй, третьей и четвертой функций двух переменных, умножения полученных сумм и сложения ал полученных результатов в (2га+1)-м ВШ! структуры. После полного занесения информации во все входнке регистры, ЦАВС по обработке дзууорнцх сигналов роадазуеч преобразование, для момента времени \ те пне и вид

уЬ £т Пп.

V, 1=1 3=)

+1)

гдч >ц- копЭД,вдент преобразогакия , раышП р 1 /4ш); 1,-

разрядно-:ть ПАП; 1г- разрядность АЦП; 2п - количество ВБ в каждом

из Аг. ЬПИ; , и - некоторые числа, постулакдаз на ко-

¡иунравдячшм сушотори соответственно 1-х КМ (1=17?:?,} И }-го БГТИ вычислительной структуры и определяющие масштаб пргюГ-разовььил; ф4<х1,у3>, пЧх^У^, фЧх^У.,; - циф- ,

ровна отсчеты чвпгрох различиях фушодсй.

2. а) Операция занесения информации по синхроимпульсу в момент времени X па шрвий регистр первого ВВ кавдого 1-го БШ (1=Т73п) о одновременной передачей (сдвигом) информации в атом же 1-м ВПЙ о первого регистра (,|-1>-го ВВ на первнй регистр 3-го ВВ имеет вид

П

1.1

В4, при ;

е рСх,.^). ФЧ^-УЛ. Ч^Сх^ур. Ф*р1.у>})},

Х'да Я* - информация, поступащая на вход первого регистра первого ВБ 1-го ВПИ по шине последовательного занесения информации 1-го преобразователя. Стрелке вправо над И введена для обозначешя направления дгжэття информации вдоль групп одноименных регистров 3-х ВБ (строша над ;}) в 1-м ВПИ- ИрообразоБагшо в этом случае г.цглядит так:

7,

ъ

llí5 1=т1 v'54 J=l

В это» случае информация сдвигается только вдоль группы первшс регистров в каядотл 1-ы ЬШ. При кеооходазюсти возмошз реализация рогтаа сдаете шарманки одновременно и вдоль остальных трех i*pynn одкоймешжх регистров соседних ВВ 1-х ВЭД вичислктелыюй. структуру. При этой возмоншх комбинаций поремоздений, ¡ьфзрмяцяи вдоль односменках групп регистров соседних БВ в кзкдок i-м ВШ будет пятнадцать. Выбор той ига. иной KDiîïûrypaisHi перемещения кибормащш определяется видом преобразования, которое необходимо выпалить.

2. б) Операция заносенлч информации и ее циклического сдвига (перекоса) но синхроимпульсу в момент времени t из регистров 2п-го ВБ каждого 1-го ВПИ <i=ÎT2M) на регистры егс первого ЕВ. Эта операция являотся модификацией предыдущей и условно обозначается так:

^ Í й;, 4M ,г- ! ;

в ~= г;

1"> ггри.Л>1, J=1T2ñ:

3 с р^.ур, ФЧ^-У.,). ц*СЧ.У3).

Циклический сдвиг информации осуществляется по шшам связи в каждой ВПК при соответствующих состояниях схем блока управления. Так же,как и ь предыдущем случае возможны комбкяеции порайонная кь• формации для различных групп регистров.

3. Операция занесения информации по синхроимпульсу в момент времени X Одновременно иа все перине. вторые, третьи и четвертые регистры каадого 1-го ВПИ (1=^1) и еа аашаа на новую по следующему синхроимпульсу. Эта операция описывает дасвшв ш$ормздш в регистрах каждого ВБ 1-го БШ1 структуры. Условно окэ обозначается следундим образом:

ТРЧ,*;> « (п^.Ту.,), ТфгС^ЛУ-;). ^чН^Лур. Тф^^ЛУр).

Стрелка взерх введена для обозначения движения информации в отдельных 3-х ВБ каждого В1Н. Если, к примеру, во все п&ршэ регистры Ян ВБ 1-х о ВПН одновременно записываются 2п «игровых отсчетов функции 1(х1,у;)), то ЦАВС по обррботке двумерных сигналов выполвд-ет преобразование вида

уЧ гт К* р.п I

г. 1=) .

Воамоишх комбинаций параллельного занесения информации в ВЩ ьы-шслктилыюй структуры будет пятнадцать.

о.' Операция занесения информации но синхроимпульсу в момент времени ь на первой ш второй, или тротий, или четвертый регистры пм^т<л-о яб 1-го 6ПИ ЦетТйи) вычислительной структуры и занесешь, }.-гс результата преобразования информации {её цифрового дат.валонта) ь ьашант времена X иа первый шм второй, или третий, уиГкьр'гцй регистры первого ЬВ этого ке 1-го ^ПИ с одновременным сдвигом в нем ипфэриацад с первого или второго, ют третьего, или 1.'1тверчта о регистров (р-1 )~го ВБ соответственно на порций, ш

второй, шш третий, или четвертый регистра р-го разряда (р=ТЛг) и сдвигом информации с первого разряда (v-И >-го ВБ на первый регистр v-ro ББ {".>-riTT72n) этого'же 1-го ГШ вычислительной структуры. Эта операция условно обозначается следу eftskm образом:

И* -

и*.

X

пр и р- '<; при 1 <р.<п;

7 г

у t

npsi y=n+1;

где Mj - шгфорчацил, поступающая, к примеру, в момент времени t на

первый регистр первого ВБ 1-го ВПИ; - цифровой эквивалент результата преобразование 1-го P-FIIi в момент времени t, ■ поступдищтй на перхай регистр (п'ч-11-го ВВ с Alf! этого аэ 1-го БПИ при наличии, разрешающего потенциала по тана управления., В дешзом случае весь 1-й ВШ структуры расчленен на две секции по ri ВЦ в каадой. При реализация этой операции еаподаявтия такое преобразование

__

5 1=1, 5.

UP-"'

1 OvV J c*t.yv)(-vyv)]j •

i>=wi Л

что

J

. « • что означает.

f\0• значение

где, к примеру о.'

f(ijможет принимать значаича

5Т Тирания зшесешш информации по синхроимпульсу ,в момент времени t одновременно из все першь или вторые,, 1Ш третьи,или четвертые регистры первого БПИ вычислительной структур« с одновременной передачей (сдвигом) инфорладаи ^ответственно с первого . аяя со второго, или с третьего, или с четвертого' jpsnpTpa ^-го ВБ! (1-1 )-го БИ на соответственно первый или,второй, или третий, илиг четвертый регистр j-то ЕВ з-го ВЩ1 ишет вид

i-.З

Rj, при 1=1•

^i-J.J' i>1, i='fJS5;

4.1 e ^V^- iX'^b ^.y,)}.

где R* - информация, поступающая на вход рервого регистра .1-го ВБ первого ВГШ структуры по шиш параллельного занесения. Стрелка над i введена для обозначения сдвига информации вдоль одноименных DB соседних ВИЛ структуры. Преобразование в этом случае вж'лядат так:

í:ra Н^ 2п

v-ф 11 ^ Игр, <*± •*,>) ^ ^ cv» Л ■

1=1 "е^ 3=t

В этом случае информация сдвигается только вдоль груши первых регистров всех одноимэншх ВБ соседних ВГМ вычислительной структура При необходимости Возможна реализация режима сдвига информации Одновременно й вдоль остальных трех грунп одаодоошшх регистров однотонных ВЗ сосздпвх ИМ вычислительной структуры. Reo го возможных комбинаций перемзшший информации будет пятнадцать.

Время внпэляздая дйбой из пяти операций одно и тоже и равно ¡щрксду следования сяихроим.тулъсов по шизам сиахрошзацш. Бчпол-н&нио любоЧ ив г-зоовях операций обеспечивается различными комбнна-iiiwj.ni '.и'цалсг! кз аннэх ведения режимов, гаиах синхронизации и на-1Я1форькш»;и э регистрах преобразователей, записанной в них.

ПО КОЛОТОМ ueítih.

В ггрсцггг.с:-} исгждскыип созданных цифро -аналоговых вычислительных структур но обрсботк« №у- и третернкх сигналов были построит! т. имн-ылюкные кодэж, иссяздреьмш которых позволили установить слодудао: больше всего на результирукдую погрешность кавдоЛ ШБО влияют ЦЛП, что объясняется их оольшаы количеством (2п разрядов кэддого BR1-1 вычислительных. структур содержит fin ЦДЛ) и их схемой ькллчинин, вслодстгш чзго ьозрзстаот чзликбйшй характер погрешностей.

В тр-г-ьсь; рчпд'-'-яв рассмотрены «ipocu создания основ нрограм-»аропькая иафо-ач-здогозяс шчаел. .-.шнах структур по обработке

дву- и трехмерных сигналов ка выполнение различных операций.

Отличительная особенность созданных вычислительных структур состоит в том, что их торопрограамираванив на выполнение тех пли шшх операций но связано с кзкюго-либо добавлениями внешних устройств, зэ исключением памяти, исподьзуюагайся для хранения вводимой шЗормации и з случаях срганизагаи многошаговых вычислений.

Основой программирования ШШС является установка начального состояния входных регистров и поспздовательности подачи сигналов и синхроимпульсов, зздаюадх рэета! работы в боответствии. с знпэлняе-шни вкчксления.тд на основании одной из базовых операций.

Дпбоэ выполняемое преобразован;!© производится с максимальным быстродействием, которое опродоляэтея быстродействием еоставлдаайх ЦАВС узлов, так кяк оно реализуется за един такт работа устройств.

Для описания процесса программирования цифро-аналоговой вычислительной структуры по обработке двумерных сигналов введены следующие обозначения: ?1, С^, ?>4 - массива» отрш:акяцго состояние информации соответственно во всех неввых (Р-регистра), третьих (Ф-• регистры), вторых (0-регистры) и четвертых (Ф-рвгистры) входных регистрах 1-х ВПИ знчиелктальной структуры. Например, запись

.....Су0*0" •: -0}

еэпачздт, что в ?:п Р-регистрах 1-го ЕПИ (1=Г,"5п) вычислительной структуры п момент времени I записаны п. '1-х циЬгявнх отсчетов функции двух аргументов Ш.,у). В общем случае и и^га, по-

этому состояния регистров 1-го ВПИ. в которых информация не записана, определяются как нулевке.

Для того, чтобы ЦАЕС по обработай двумерных сигналов выполняла операция двукратного алге^рчи-юского суммирования т^'п, цифровых отсчетов некоторой функции двух аргументов Необходимо в

момент времени 1 по кодовым вшшм в Р-регистри кзздого из 1-х ВПИ (1=1 ) из 2т вычислительной структуры' записать сйэдувдую шгфор-

мацдак ={4 ,, .....о,О.....о},

в 14-,0- и ©-регистры этих кр ВПИ структуры соответственно Записать информации вида:

положить Н* я , а в остальных, из задзйствовааннх ИМ вшили-"i 5í

только до 2ш-го ВГН, во воз регистры записать нули. Поело вычислений в 1-х БЩД их результат 21 по кодовым шинам необходимо записать в F-рогистри <2(ы-1 )-го ВПИ вычислительной структур:

^шиЧ2«' "í.....2V0,0.....

а в в-, Q- и Ф-рвгчстры атого же ВШ соответственно записать информацию вида i Qam(1-{l,l,...,1,0,0,

фгт+1е{°'°.....и гсшжить MÍ' =

■ Сбиий шд выполняемой rp-i данном раеполокочга информации операции следу £щий:

. Ш1 П1 i=í 3=5

Эту операца® IUBC по обработке деушрнак сигналов будет вшюл-нять и при двугах кс?лбииациях расположений информации г соответ-ствуюзих регистрах 1-х к (2¡r¡n )~м ВПИ структури.

Кроме этой операции, разработано гфограимрееялке JIABC по обработке двум^ренх сигналов на выполнение следующих алгебраических рпоряцяй» суммгрьашз разности шж сути, прокзаадеьия ирфрошк 0-ic4Wss .функций двух ' аргументов; суммирование произведения суммы • ядп рчаности цяфроеих отсчетов двух футаий двух аргументов m сумму или разность цифровых отсчетов двух других функций; суммирования част1шх ци^р.'Еых отсчодоь дь уг фунгдий двух аргумент св.

Рассмотрено' программирование IIAB0 но обработке дьумершх сигналов m вшолазшм операции дайеренцйровашя фуга aura двух переменных; операции численного интегрирования функции двух паремении. по кубатуршм Формулам прладсугольшвюв, трзлоцмй, а таksís по куба-?ургюй формул« Сшнсопа к "сшльзящ&е" интегрирование Фзикции трох пареиошвг. m ЦЛВО на обработке трехмерных сигналов.

При. програ*.ад":ро0£ши: Щ»';С по - -.рботке двумерных сигн&чов на вщюдшзниз. операций яасперсиоиюго корреляционного анализа роз-

лизоваш: нахоздокие общей оценки математического ожидания случайной ьеличинн при одасфакторном конвииксе и общей суши квадратов отклонений значений случайной величины от общей средней; определение. математического огадзния нестационарной случайной функции й оценки ее корреляционной функция методом скользящей средней.

Известно, что математическое ожидание нестационарной случайной функции определяется сглакиванием ее реализаций'методом скользящей средней. ' Сглаженное значение или значение скользящей средней

(2ру I )-го порядка 1~ревлизаций в точке I. вычисляется по формуле

к ^

V»»

где Й= ——-—, а (2ри) - количество элементов годмнокао'тва точек 1(2р+1)

с центром в точке выделенного из множества точек интервала (0,Т) записи случайной функции, развитого па равшэ части точками

** * *? ^к*" * *

Процесс вычисления усрэднеяного сглаженного значения заданного порядка сводится к следующим действиям. На первом шаге определяет, ся значение для точки гк, где к=р+1, при следующей начальном состоянии Р-рогистроз 3-х разрядов (3=1,2р+Г$ 2р+1 <2г;) 1-х ВПИ (1=Т7Г; 1<-2гп)' вычислительной структуры

={Х1.1чр"**»Х1.к+1*Х1,Ч'Х1,к-1""' Х1,к-р'°.....

__________——____1__I

ь__Л£±1_________I

В остальных регистрах этих 1-х ВПИ необходимо установить следующие начальные состояния

Н?

У {¡И...... ..............."2.1- "5.1-

I , гр*'Г" _. ,!

2п

После вычислений в 2т ВПИ состояния регистров (2щИ )-го ВПИ еле-, дующие;

.....о}. . •. .о}.

1-4----а ' и!__1 , , |

гт йгр

*гтиш{0'""0}' вйшм"{°—М0}' "е-1' Ф^рИ).

lia втором шага, чтобы вычислить знач&шш в точке tk+1, необходимо осуществить' сдвит^информации в каждом .1 -м BUM (1=171), вдоль Ï-регистров на одно значение на с снова таорой базовой элементарной операции и, тем самым, получить олодущее расположение) информлцви в Г-региетрах зтих. ВГМ:

Fi'K{xi,ktpt),*,,,ïLktS'xi,k+i,xï,k.....х1.к-ри'хг,к-р'°.....

яо суммироваться будут по-прею ¡ему (2pri ) перым отсчетов. В остальных регистрах информация остазтся без ишенення.

Проделав (п-2р) циклов вычислений., подучим ряд знач^гай искомой футщии в точках +,, .,,, t , а общий вид выполняемой при этом вычислительной структурой операции следующий:

1 apt) ■

ft f

Игр и) ¿-r « 13

где q^ и i^ - информация ogote3Tctbqi?ho в Q- и F-рогиотрах,записанная в цомвит врокош t в ,1-е разряду <i»ÎT2p+T; 2р+1<2п) 1-х ВШ (1---Т7Т; Н2а) вычислительной структура. Стрелка над i обозначаете сдаст информация вдоль Ï-регистров, а стрелка над вторим индексом после вапятой уточняет, что этот сдвиг производится вдоль разрядов в кодсм fô' 2m ВИЙ.

В рачках црлч^г.мировйтил 1UBC по обработай двумеряк сигналов »а вуполнрнке onepvara •чгектрального анализа двушргшх сигналов реализовано лччислеше лвудертго прямого и обратного Фурье преобразования.

Разработана также технология программирования ЩВС по обработке двумерных сигналов иг выполнение алгоритмов двумерной линейаой ¿■лльтрации, а имеьно; алгирлтмов работы двумерных рекурсивного и нерекурсивного цифровых Фильтров.

В «атаэртом рэ.зделе рассмотрены вопросы синтеза корроотируюада алгоритмов одномерного поиска mai случайном блуадакии точки под воздействием случййного зозмусвния, при котором на точку действует различный тип смощ-люд:

В. <7) - смощеэтк» точки экгтрскума оуахция либо только влево, либо

только вправо ка 7 диекрэтнюс уровней за один иаг алгоритма; В,, (у) - смещение точкь экстремума функции влево и.-и вправо на 7 дискротных уровней за один шаг алгоритма. В основе алгоритмического подавления помех (подавление с помощью специальной процедуры поиска) легат принцип "пересечения" интервалов неотфодадекноети: для умоньшевия оижбки, обусловленной - случайный возмущением, нагадываем!».* на процесс поиска, необходимо таким образом распределять эксперименты но интервалам неопределенности, чтобы вновь полученные интервалы пересекались, а длина взаимного перекрытия диух соседних интервалов нзопраделеико-сти (мощность пересечения) равнялись бн ЗА, где А - максимально всзмсяюе значение амплитуда случайного возмущения.

Согласно припишу "пересечения" синтезированы корректирующие Л2-, А^- и А4-алгоритмы одномерного поиска при случайном бдувданиа точки для случая, когда на х* действует соответственно В, В1 (7_)~ и В (7)-смещение, последний из которых состоит в следующем

1-й ход: формирование точек первого эксперимента á).k - четное число:

2h[p<S5(l-t,k) - 7л - i]

г гР"1 i

• 2h[p«5 (i-1 .*) - -Г- Т*],

v Г 1-1 , если (1-*1 ) >0;' ™ р'-'иг.....г* Л~ [ о , воли (1-ЖО,

б) к - нечетное число:

- '-5! та]; x¡x^ < X¡x;

- = 2h[*6íi-i - 7д]. м ,г.....i^n

и выделение полуоткрытого интервала [х^*1, ;

2-й ход: второй ход есть первый ход- ¡1-1 )-иагсвэго алгоритма,

примененного к выделенному отрезку [х^*1, в'результате пер-

вого хода.

АЛ-алгоритм позволяет первоначальный. -интервал неопределенно -оти разбить на <íf5(i,к) равных частей. .Для монотонной iíijíhkhvqi спра-

(1.4 *

еодлибы соотношения:

{д+^^С!"1 >Ю —- | , вот к- четное число;

--¡у- <85(1~1,к)--д—(1-1)» если к- тчвттэ число;

* (к+1)/2; «5(р,к) «. 1,

разрешив которое относительно 7, получим;

к-1 к-1

1 < Цп-----— --,

г\\ * 2 '

1 (кя)*'

Оценки продельного 7 позволяют выбирать при еядэшкдо 7 количество одновременна формируемых точек экспзрикоатов.

Приведены примера построения оптимальных корректируидах алгоритмов для конкретных их параметров к случайного блуздания точки под воздействием различии. тилсв смешения.

3 приложенаих представлена текст программы кштационаоК модели ЦАВС по обработке двумерных сигналов и результаты моделирования, Копии актов о внедрении и использовании диссертационной работа.

ОСНОВНЫЕ ИЗУЛЬТДШ РлВОШ

Выподнвннцэ в диссертационной работе исследования позволили:

1. Разработать пржадот построения цифро-аналогових «ичисяя-■ралькл структур ш обработке ¡лногомерндос сигналов, ыяголняшкх в реальном масштабе ьр&меда параллельадо вычисления по обработка цифровых. оточа'гоа прч-рзапяЕьции операций дисперсионного, корреляционного и спектрального анамза многомерных сигналов, а такта алгоритмов многомерной ЛШгОЙКОй фильтрации.

2. Синтезировать основана структуры цифро-аналоговых вычислительных устройств по оорайотке дв.у- и трехмерных сигналов.

3. Получить основные соотношения, ошсивакдяе функционирование цифро-аналоговых вотясльтшшх структур.

4. Определить и списать базовые операции, рэализуекще цифро-аналоговые вычислите лышии структэами по обработке многомерных сигналов.

5. Построить имитацконшо модели адфро-аналоговш: вычислитель-

них структур по обработке дву- и трехмерных сигналов ит тем самым, получить, основные оценки их инструментальной погрешности.

6. Разработать основы программирования цифро-аналоговых вычислительных структур но обработке дву- и трехмерных сигналов на выполнение алгебраических операций; операций дифференцирования и интегрирования функций двух и трех переменных; операций дисперсионного, корреляционного п спектрального анализа многомерных сигналов и алгоритмов многомерней линейкой фильтраци:;.

7. Создать корректирующие алгоритмы одномерного поиска при случайном блуздании точка под воздействием случайного возмущения.

Все это позволило создать тзор^тическм основы построения цифро-аналоговых внчиояителъннх структур реального времени для вшюл-цения параллельных вычислений при реализации операций дасггерсисн-ного, корреляционного й спектрального анализа многомерных сигналов, алгоритмов многомерной линейной фильтрации и повысить их помехоустойчивость .

Перечисленшз основные результаты диссертационной работы свидетельствуют о том, что в данном исследовании разработаны принципы построения и основы программирования цифро-аналоговых вычислительных структур по обработке многомерных сигналов, работающих в реальном масштабе времени и обеспечивающих высокую производительность подсистем автоматизированной обработки информации за счет организация параллельных вычислений и в отлично от известных решений, являющихся универсальными к классу решаоинх. задач, легко пере-прогр2кикруо!4ЫМИ на ишолшкие различных задач в оОлаоти многомерной линейной фильтрации, корреляционного, дисперсионного и спектрального анализа многомерных сигналов.

Основные положения, выводы и рекомендации диссертационной работы внедрены в производство и использованы при выполнении Госбвд^ летных научно-исследовательских работ и в учебном ггроцессе при курсовом и дипломном проектировании.

Основные положения и отдельные результаты диссертационной работы нашли отражение в создающих публикациях:

1. Алипов Н.В,, Ребазш Л.Н., ®окш В.А. Аналого-цифровой микропроцессор но обработке двумерных сигналов// Таз. докл. респ. конф. "Вопросы проектирования и практического использования Гй>И в'

управляющих и вычислительных комплексах". -Киев: Инс-т кибернетики им. Б.М. Глушкова АН УССР. -19Э0.-СД47-149.

2. Положительное решение ВНЬШГПЭ по заявке па изобретение 8 4838327/24 от '27.12.91. Устройство обработки информации/ Али-пов Н.В., Ребеоик Л.Н., Фокин В.А.

3. Алипов К.В., Гебезюк Л.К, Применение параллельных вычислительных структур в интеллектуальных ЖУ/ Тез. докл. Всесоюзной научно-техн. конференции "Измерительное информационные системы". -Санкт-Петербург. -1991, с.

4. АлШов M.D., Григориев 0.В,, Ребезюк Л.М. ПаралельШ обчис-лювзльнГ структура ко обробц! багатовгаПрнях сигнал!в// Прац1 Пэр-шо! Бсеукра1нсько1 конференцП "УкрОБРЛЗ'92". -Ки1в: 1нс-т к1бер-нэтики АкадемН наук У крайни -1992.-0,157-10,3.

5.Алипов И.В., Григорьев A.B., Робезюк Л.Н. Параллельная вычислительная структура по обработка трехмерных сигналов// Проблемы создания преобразователей ф^рмы 1пфо'рмацш: Сборник тез. догел. VII симпозиума. -Киев: Кис—т кибернетики км. В.И. Глушкова АН Украины. -1992. -0,17-13.

6. Алипов Н.В., Григорьев A.B., Ребэзюк Л.Н. Основы и принципы построения параллельных вычислительных структур для обработки двумерных сигналов// Хзрък. йнп-т радиоолектрок. -Харьков. -1993, -18с. -Деп. в УкрКНТЭй, «28~УкЭЗ.

7. Алипов И.В., Григорьев A.B., Робоавк Л.М. Основы и принципы построения хыралле. п,янх вычислительных структур для обработки трехмерных сигналов//' Харьк. инс-т радиоэлектроа. -Харьков,"-1993. -21с. -Ляп. в »крИНГЭИ, &ЗЙ2-УкЭЗ.

8. Алипов И.Б., Григорьев A.B., Ребезик Л.Н. Корроктирущие алгоритмы поиска ^очки экстремума функции// Харыс. инс-т радио-злоктрон. -Хер/, коя. -1&33. ЧГ>с. -Дел. в УкрИНТЭК, Я454-Ук93.

9. ребезюк Л.Н. Имитационная модель цифро-аналоговой параллельной вычислительной структуры по обработке двумерных массивов// Харьк. инс-т радиоэлектрон. -Харьков. -1993. -14е. -Дзп. в ГНТБ УкрГ.ИШ, 823-Ук&3. у/,;/

Подписано к ' --¡ti; I3.o.9-Jr.

Oöx-üi пгч.л.

4ор*;ат йуиаги 60x84 Тиретх 100 ека«

Уч. -изд.л, I

Типография лЬУ, ул. Сумская, 77/79