автореферат диссертации по электронике, 05.27.05, диссертация на тему:Устройства формирования и обработки ШПС для использования в радиосети связи

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РФ ПО СВЯЗИ И ИНФОРМАТИЗАЦИИ МОСКОВСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ СВЯЗИ И

_ИНФОРМАТИКИ_

На правах рукописи

.- - >

Сергей Владиславович МЕЛЬНИК

УДК 621.376

" УСТРОЙСТВА ФОРМИРОВАНИЯ И ОБРАБОТКИ ШПС ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В РАДИОСЕТИ СВЯЗИ "

лециальности: 05.27.05 - Интегральные радиоэлектронные

устройства

05.12.13 - Системы и устройства радиотехники и связи

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1998

Работа выполнена в Московском Техническом Университете связи i

информатики Научный руководитель -

доктор технических наук, профессор, действительный чл Международной Академии Информатизации, член-корреспонде Академии Технологических наук РФ Смирнов Н.И.

Официальные оппоненты -

доктор технических наук, профессор Домрачев В.Г.

кандидат технических наук, профессор Ляховкин A.A.

Ведущее предприятие - НИИ Микроприборов г. Зеленоград Защита диссертации состоится "lf-""^^ 1998 г. в " " часов на заседании специализированного совета 118.06.05

Московского технического университета связи информатики по адресу: 111024, Москва, ул. Авиамоторная д.8.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотс Московского технического университета связи и информатики.

Автореферат разослан '46" нал 1998 г.

Ученый секретарь специализированног

_Берендеева Г.С.

совета К 118.06.05 /

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Основной задачей, встающей перед разработчиками микроэлектронных устройств (МЭУ) синхронизации и декодирования (СД) сложных сигналов (СлС), является обеспечение максимального быстродействия. Одним из приоритетных направлений развития архитектуры таких устройств является разработка специализированных вычислителей (СВ) для конвейерной обработки. Применение систолической матричной архитектуры (СМА) позволяет увеличить быстродействие СВ, однако ее непосредственное использование для устройств обработки СлС оказывается избыточным, поэтому разработка и исследование структурных и функциональных схем микроэлектронных устройств для синхронизации и декодирования СлС, имеющих систолическую матричную архитектуру, проведенные в настоящей работе являются важными и актуальными.

Разработка структурных и функциональных схем микроэлектронных устройств, позволяющих уменьшить время синхронизации и декодирования сложных сигналов составляет основу диссертации, работа над которой проводилась на кафедре Электроники и микроэлектронных средств телекоммуникаций и в научно-исследовательской лаборатории НИЛ-9 Московского Технического Университета Связи и Информатики.

Лель работы и методы исследований: Целью работы является эешение научной задачи - исследование возможностей повышения быстродействия и разработка структурных и функциональных

схем МЭУ СД СлС. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие подзадачи:

1) анализ существующих методов обработки СлС и элементной базы МЭУ СД СлС;

2) исследование особенностей обработки СлС с целью оптимизации архитектуры устройств для их синхронизации и декодирования;

3) разработка структурных и функциональных схем МЭУ с конвейерной обработкой для синхронизации и декодирования СлС;

4) разработка языка программирования МЭУ СД СлС с бинарной СМА;

5) проверка эффективности разработанной архитектуры на примере построения МЭУ для передачи дополнительной информации по сети радиовещания (СРВ) в диапазонах средних и длинных волн.

Решение поставленной задачи достигается посредством исследования совокупности противоречивых требований к исследуемым устройствам: обеспечение максимальной помехоустойчивости; обеспечение максимальной скорости передачи информации; минимальные экономические затраты на изготовление при учете современных достижений в области микроэлектронных технологий; максимальная надежность работы; минимальная условная сложность МЭУ СД СлС.

Для последовательного решения локальных подзадач, встающих в ходе проведения исследования, используются следующие

методы исследований:

1) теория итеративного проектирования микроэлектронных устройств;

2) теория информации и кодирования (для разработки алгоритмов декодирования СлС в МЭУ СД с конвейерной обработкой);

3) методы микроминиатюризации интегральных схем (для оптимизации архитектуры МЭУ СД СлС);

4) математическое и имитационной моделирование (для анализа юведения разработанных МЭУ);

Научная новизна. Научно обоснована целесообразность трименения систолической матричной архитектуры в ликроэлектронных устройствах синхронизации и декодирования СлС {а примере передачи дополнительной информации и сигналов шовещения по сети радиовещания (СРВ) в диапазонах средних и шинных волн доказана эффективность этих устройств. Разработаны итгоритмы конвейерной обработки различных СлС, позволяющие ювысить быстродействие МЭУ СД.

В ходе исследований при решении возникших локальных юдзадач были получены следующие новые научные результаты.

1) Разработан метод построения МЭУ СД СлС, позволяющий величить быстродействие устройств в N/2 раз (Ы - база СлС) по равнению с последовательными корреляторами и рассчитаны ограничения на его реализацию в интегральном устройстве в оответствии с технологическими возможностями;

2) Решена задача поддержания равномерного потока данных при условии минимизации длин локальных связей в МЭУ СД СлС;

3) Разработаны конвейерные алгоритмы для умножения блочных матриц, позволяющие использовать МЭУ СД СлС для решения задач, размерность которых превосходит разрядность;

4) Исследованы и определены общие закономерности в статистических характеристиках корреляционных функций СлС с ансамблем псевдослучайных последовательностей (ПСП) Рида-Мюллера длины Ырм между сегментами синхронизирующей М-последовательности длины NcerM.Mii и выявлено, что в условиях мощных помех должно выполняться: 2^>м £ N(>„,.N«1.

Практическая ценность. Получен ряд важных научно-технических результатов, которые используются для повышения быстродействия МЭУ СД СлС.

1. Разработана бинарная систолическая матричная архитектура, которая позволяет уменьшить время поиска СлС в 5 104 раз при базе в Ы=105 по сравнению с последовательными корреляторами.

2. Разработаны структурные схемы МЭУ СД СлС с бинарной СМ А для передачи дополнительной информации по СРВ в диапазонах средних и длинных волн, которые позволяют сократить время поиска СлС с 10с до 0,2с по сравнению с традиционными. При помощи этих устройств может быть организована дополнительная услуга абонентам СРВ, при этом достаточно подключить к радиоприемнику небольшой блок, содержащий устройство обработки СлС, жидкокристаллическую "бегущую строку" и элемент питания. Используя СлС можно осуществить автоматическое переключение приемника на канал, по которому передается сигнал оповещения.

3. Развитый автором способ передачи информации с использованием сложных сигналов с к информационными сегментами в виде последовательностей Рада-Мюллера между сегментами синхронизирующей М-последовательности, позволяет в условиях мощных помех в к раз уменьшить время вхождения в синхронизм на единицу передаваемой информации при заданной вероятности ошибки по сравнению с известным, методом, требующим отдельный синхросигнал для каждого информационного блока.

4. Исследования структурной отказоустойчивости разработанных МЭУ с бинарной СМА показали, что можно повысить выход годных с 50% до 71%, за счет увеличения времени обработки в 2 раза и у сложнения устройства управления, что сокращает производственные расходы, но влечет за собой уменьшение предельно допустимой разрядности устройства в 4 раза.

5. Разработанный пакет программ позволяет моделировать устройства зля корреляционной обработки СлС и исследовать влияние ошибок, на корреляционный прием СлС. Программные продукты, разработанные з ходе диссертационных исследований могут быть полезны для таучно-исследовательских и опытно - конструкторских работ, а также } учебном процессе при изучении курса "Микроэлектронные средства телекоммуникаций".

Реализация результатов работы. Основные результаты >аботы были реализованы в научно-технических отчетах по созрасчетным НИР "Волна" и "Сувой" с ОКБ "Радуга".

Апробация работы. Материалы диссертации обсуждались и получили положительную оценку на следующих конференциях и семинарах:

• Международная конференция, посвященная 100-летию использования электромагнитных волн для передачи сообщений и зарождению радиотехники, 50-я научная сессия, посвященная дню радио. Москва, 1995.

• The Second International Scientific School-Seminar "Dynamic and stochostic wave phenomena". Nizhny Novgorod University 1994.

• III, V, VI Межрегиональные конференции. "Обработка сигналов в системах двусторонней телефонной связи", 1993, 1994, 1995, 1996.

• 2-й, 3-й, 4-й, 5-й Международные форумы информатизации МФИ 93-98, секция "Телекоммуникационные и вычислительные системы связи", 1993-97 гг.

• Научно - технические конференции профессорско преподавательского, научного и инженерно технического состава МТУСИ 1993-97 гг.

Публикации по работе Основные материалы диссертация опубликованы в 8 статьях в научно-технических журналах v сборниках, а также 23 тезисах докладов на НТК.

Положения, выносимые на защиту 1. Разработанное устройство для синхронизации v декодирования сложных сигналов, позволяет уменьшить время поискг сложного сигнала в N/2 раз по сравнению с применяв мым* устройствами с последовательным поиском, при ограничении на базу

обрабатываемого сложного сигнала (Л/) до 217 выполнимо в виде специализированной СБИС на кристалле 6x6 мм2 по 0,3 мкм КМОП технологии.

2. Разработанный алгоритм декодирования двоичного блочного кода мощности N, разложимого на смежные классы по подкоду мощности п на двумерной бинарной систолической матричной архитектуре позволил уменьшить время вычислений до 2 раз по сравнению с линейной бинарной систолической матричной архитектурой при том же общем количестве процессорных ячеек; выигрыш во времени по сравнению с последовательным вычислителем составляет (Ы+п) раз.

3. Развитый способ передачи информации с использованием :ложных сигналов с к информационными сегментами в виде последовательностей Рида-Мюллера между сегментами :инхронизирующей М-последовательности позволил в условиях мощных помех в к раз уменьшить время вхождения в синхронизм на единицу передаваемой информации при заданной вероятности ошибки ю сравнению с методом, требующим отдельный синхросигнал для саждого информационного блока.

Краткое содержание работы. Диссертация состоит из ¡ведения пяти глав, заключения, списка литературы (включающего в ебя 148 отечественных и иностранных источников, в том числе 31 'аботу автора), списка условных сокращений на 1 листе и содержит 63 листа машинописного текста.

Во введении дается краткое обоснование актуальности ешенной научной задачи, формулируется цель работы, характер недрения ее результатов, используемые методы исследования и

положения, выносимые на защиту. Указана структура диссертации, форма апробации и публикации ее результатов.

Глава 1 - вводная, содержит три параграфа. Первый из них посвящен анализу состояния проблемы и постановке задачи исследования, второй - описанию систолической матричной архитектуры для цифровой обработки данных, а третий - анализу современной элементной базы для обработки сложных сигналов. В первом параграфе формулируются основные задачи, которые необходимо решить при разработке МЭУ СД СлС. Рассмотрены ограничения на исходные условия, которые вытекают из назначения и условий эксплуатации помехозащищенных устройств МЭУ СД СлС, а также современного состояния микроэлектронной технологии. Обосновывается необходимость разработки МЭУ СД, реализующих конвейерную обработку (КО). Для этого необходимо провести исследование с целью синтеза параллельных алгоритмов и разработки архитектуры МЭУ СД СлС. Во втором параграфе содержится сравнительный анализ различных способов организации КО при СД СлС и обосновывается необходимость использования развитой автором систолической матричной архитектуры. СМА обладает наибольшим быстродействием при одинаковом порядке сложности, а также имеет регулярную структуру с отсутствием глобальных связей и управляется входными потоками данных.

В третьем параграфе в результате проведения сравнительного анализа существующей элементной базы МЭУ СД СлС сделан вывод о том, что имеющиеся устройства в основном используют аналоговые принципы обработки. Они обладают рядом преимуществ:

простота, использование физического корреляционного накопления сигнала, хорошо исследованные схемотехнические решения. Их недостатки - ограничение на базу применяемых СлС и плохая интегрируемость в современные цифровые сети. В существующих параллельных устройствах можно достичь повышения быстродействия пропорционально разрядности, однако они обладают чрезмерной сложностью, что ограничивает базу обрабатываемого СлС до 256. Последовательные устройства обладают возможностью обрабатывать СлС с базой в сотни тысяч, но при этом проигрывают во времени пропорционально базе. Устройства, которые построены на основе "быстрых" алгоритмов плохо реализуются в интегральном виде из-за наличия глобальных связей внутри алгоритма.

На основании проведенных в первой главе исследований сделан вывод о том, что наиболее перспективными с точки зрения повышения быстродействия МЭУ СД СлС являются устройства с конвейерной обработкой. Разработка принципов построения таких устройств является важной и актуальной.

Глава 2 имеет название "Организация параллельных вычислений для существующих методов обработки сложных сигналов". В этой главе произведена оценка алгоритмов синхронизации и декодирования СлС с целью выявления возможностей повышения быстродействия МЭУ СД СлС. Сформулирована задача полихотомического поиска СлС и произволен анализ методов синхронизации и декодирования СлС, основанных на быстрых преобразованиях и конвейерной обработке. КО имеет наибольшее быстродействие в N/2 раз большее по сравнению с

последовательным поиском (ПП) и 2/1одгЫ по сравнению с дихотомическим поиском.

Задача поиска СлС сформулирована как задача матричного умножения принятой реализации сигнала х(Ц=(х1@), ..., хп@)) (кодовых отсчетов) на матрицу строки которой являются циклическими перестановками отсчетов опорной последовательности э^): 5

х(Цт. Значение функции МаДур)) = Мах(у{1)), / = 1, ... , п определяет интервал, в котором находится точка синхронизации. Это значиг, что при базе СлС К=105 и длительности элементарного импульса Тэ=1мкс время поиска СлС сократиться с 2 ч 16 мин дня последовательного поиска до 1,8 с для быстрых алгоритмов и 0,2 с для КО. При этом доказано, что быстрые алгоритмы без дополнительных преобразований не реализуемы в виде интегральных устройств для N>256, поскольку содержат глобальные связи по данным, соответственно время обработки будет больше, чем Л//одгЛ/ (N>256). Проведенный анализ вычислительных процедур для синхронизации последовательностей быстрого поиска (ПБП) и декодирования двоичных линейных блоковых кодов (ЛБК), разложимых на смежные классы по ненулевому подкоду, показал, что они реализуемы на устройствах с СМА. Быстродействие устройства СД с КО выше в N/2 раз по сравнению с последовательным.

Разработанные во второй главе алгоритмы для двумерной СМА, для декодирования блочного кода, разложимого на смежные классы по ненулевому подкоду, а также для умножения вектора принятых отсчетов на матрицу - циркулянт и преобразования Адамара, позволяют реализовать эту архитектуру в устройствах СД СлС. В диссертации доказано, что при больших длинах принимаемых

последовательностей, применение двумерной СМА эффективно благодаря возможности блочной обработки информации, а также уменьшению размерности входных данных.

В Главе 3 Разрабатывается бинарная СМА, которая позволяет реализовать МЭУ СД СлС большой длины (порядка нескольких сот тысяч) в интегральном виде. Оптимизация архитектуры устройств ведется с учетом особенностей обработки СлС. В результате исследования вычислительных мощностей, требуемых для синхронизации и декодирования рассмотренных классов СлС делается вывод о том, что быстродействие МЭУ с СМА для СД СлС можно повысить за счет применения алгоритмов прореживания матриц уменьшающих их размерность, а также путем сокращения площади, занимаемой каждой процессорной ячейкой (ПЯ) с одновременным увеличением их количества на кристалле.

При оптимизации процессорной ячейки доказано, что в отличие от существующих СМА, в МЭУ СД СлС в достаточно операций суммирования по модулю 2, накопления в счетчике и циклического сдвига. Для реализации этих операций использованы двухвходовой сумматор по тос!2 и несколько регистров, разрядность которых зависит от размерности задачи и может быть программируемой. Разработанная ПЯ отличается от процессора скалярного умножения, применяемого в традиционной СМА, тем, что не содержит многоразрядного АЛУ, имеет перепрограммируемую структуру регистров ввода

вывода, а также вместо регистра состояния используется тольк флаг переполнения как в сигнальных процессорах семейства Н фирмы МоШгоПа. Это позволяет на несколько порядков уменьшит число требуемых активных элементов, а значит - увеличить возможно количество ПЯ на кристалле МЭУ СД СлС. Таким образом 1 диссертации разработана бинарная СМА, позволяющая реализовал устройство синхронизации СлС длиной в несколько сот тысяч в вид специализированной СБИС на кристалле 6x6 мм2 по 0,3 мкм К МОГ технологии.

Разработанные МЭУ СД СлС с бинарной СМА отличаютсз следующими преимуществами: позволяют уменьшить врею вхождения системы в синхронизм (по сравнению с применяемым* устройствами, использующими быстрые алгоритмы I последовательный поиск); могут применяться для обработки СлС, базг которых на несколько порядков больше, чем предельно допустимая при использовании быстрых алгоритмов; выполняют требование минимизации длин локальных связей, поскольку данные пересылаются только между соседними ПЯ; не нуждаются в сложных устройствах управления и могут работать в асинхронном режиме, поскольку управляются входными потоками данных. Это особенно важно при больших разрядностях N>1024, когда возникают проблемы с синхронизацией ПЯ на кристалле. Для внутреннего генератора опорной ПСП на кристалле устройства можно разместить одну или несколько перепрограммируемых ПЯ. Для УУ разработан язык программирования ББЮМ, который, в отличие от

уществующих языков программирования позволяет описывать лгоритмы в пространственно-временном аспекте. БЗЮИ имеет два уровня" данных: для моделирования работы МЭУ СД СлС на основе еории обработки сигналов и для программирования УУ бинарной ЗМА. Эффективность применения б1шарной СМА в МЭУ СД СлС фоверена на примере устройства для информационного уплотнения ети радиовещания в диапазонах средних и длинных волн. 3 главе 4 рассмотрены вопросы разработки интегральных устройств формирования и обработки СлС в системе передачи дополнительной шформации и сигналов оповещения - радиосистеме доведения шркулярной информации (РСДЦИ). Формулируются задачи, »ешаемые при помощи МЭУ СД СлС в РСДЦИ. Предлагаются три »ежима работы - фоновый, нормальный и критический, 'азрабатываются алгоритмы доя функционирования устройств в :аждом из трех режимов. На основании результатов применения парно юминантного механизма много критериального выбора типа СлС, равнительного анализа результатов имитационного моделирования и »асчетов основных показателей качества устройств РСДЦИ, сделан (ывод о том, что наилучшим типом СлС являются сложные дискретно [астотно манипулированные с активной паузой и амплитудою юдулированные сигналы (ДЧМ АМ). При сравнении возможных способов синхронизации канала передачи информации в условиях юздействия импульсных помех большой интенсивности доказана юобходимость использования для передачи информации СлС, в сотором синхросигнал разбит на сегменты и информация

располагается между сегментами синхросигнала. Разрабатываются алгоритмы СД СлС при помощи систолических матриц. Определяются требуемые размеры кристаллов для МЭУ СД СлС в РСДЦИ.

В пятой главе разрабатываются математические модели МЭУ СД СлС РСДЦИ. Исследуются общие закономерности в характеристиках автокорреляционных функций СлС с к информационными сегментами в виде ПСП Рида-Мюллера между сегментами синхронизирующей М-последовательности. Применение таких СлС, позволяет сократить время синхронизации устройств на единицу информации при заданной вероятности ошибки г=Тсин1/1 в к раз, а его реализация посредством конвейерной обработки СлС на устройстве с бинарной СМА дает выигрыш по времени в Ыпсг/2 раз по сравнению с обыкновенным последовательным поиском (А/псп- длина кодовой последовательности синхросигнала).

На основании анализа применения различных типов СлС делается вывод о том, что выбранные ДЧМ АМ СлС, являются оптимальными для МЭУ СД СлС РСДЦИ, поскольку при использовании, этих СлС обеспечивается максимальная помехоустойчивость. Находится зависимость коэффициента ошибок при передаче элементарных импульсов от длительности элементарного импульсаТэ. Исследуется влияние ошибок при приеме элементарных импульсов на прием СлС в устройстве обработки и определяется оптимальная структура и длина СлС в зависимости от требований, предъявляемых режимом работы. Проводится имитационное моделирование устройств с использованием языка ББЮЫ. На основе проведенных исследований можно сделать вывод о том, что СМА обладает структурной

отказоустойчивостью, которая позволяет повысить выход годных изделий в процессе производства с 50% до 71%, за счет увеличения времени обработки в 2 раза и усложнения устройства управления, что сокращает расходы, но влечет за собой уменьшение базы СлС в 4 раза. Гаким образом коэффициент производительность/сложность для этого МЭУ будет в 8 раз меньше, чем у обыкновенного. Поэтому использование структурной отказоустойчивости при больших базах обрабатываемых СлС нецелесообразно.

Основные результаты работы

1. На основе анализа существующих цифровых методов синхронизации и декодирования СлС сделан вывод о том, что наиболее перспективными с точки зрения интегральной реализации являются методы конвейерной обработки.

2. Разработаны структурные и функциональные схемы микроэлектронных устройств синхронизации и декодирования СлС с применением конвейерной обработки. Эти устройства позволяют минимизировать, по сравнению с известными, время поиска сигнала при вхождении системы в синхронизм.

3. Разработанная архитектура МЭУ СД СлС, позволяет уменьшить время принятия решения о совпадении принятой последовательности с опорной в N/2 раз (Л/ - база СлС) по сравнению с последовательными корреляторами, при этом для N < 217 устройства реализуемы в виде заказных БИС по 0,3 мкм КМОП технологии на кристалле размером 6x6 мм2.

4. Синтезированные алгоритмы блочного умножения матрии позволяют использовать МЭУ СД СлС для задач, размерность которы: превосходит разрядность устройств. Это позволило увеличить баз; СлС обрабатываемого на том же МЭУ до

5. Исследованы и определены общие закономерности 1 статистических характеристиках корреляционных функцш совокупности СлС с ансамблем ПСП Рада-Мюллера длины ЫРМ межд] сегментами синхронизирующей М-последовательности длины ^6Гм М1 и выявлено, что в условиях мощных помех должно выполняться: 2Ирц,

- 1^Сегм.МП.

6. Развит способ передачи информации с использованием сложных сигналов с к информационными сегментами в вид« последовательностей Рида-Мюллера между сегментами синхронизирующей М-последовательности это позволило в условиях мощных помех в к раз уменьшить время вхождения в синхронизм на единицу передаваемой информации при заданной вероятности ошибки по сравнению с методом, требующим отдельный синхросигнал для каждого информационного блока.

список

работ, опубликованных по результатам диссертации

. Мельник C.B. Анализ возможности покрытия территории России зонами веренного приема радиовещательных программ в ДВ диапазоне // Сб.тез.докл. НТК 1ПС МТУСИ, секция "Перспективные системы и сети передачи информации", 1993. !. Мельник C.B. Применение метода нахождения кратчайшего пути на графе для ташмизации числа ретрансляторов территориально распределенной радиосети //' Терспективные системы и сети передачи информации -М., 1994 -Деп. в ЦНТИ Информсвязь" N989 -св.93 от 15.06.93 -с. 14-18.

. Мельник C.B., Смирнов Н.И., Горгадзе С.Ф. Цифровые устройства юрмирования составных сложных сигналов Сб.тез.докл. II Межрегиональной конф. Обр. сигналов в сист. двусторонней телеф. связи", Радио и связь, 1993. . Мельник C.B., Смирнов Н.И., Горгадзе С.Ф. Синтез ФМн сложных сигналов с грямоугольными спектрами мощности J! Сб.тез.докл. П Межрегиональной конф. "Обр. игналов в сист. двусторонней телеф. связи", Радио и связь, 1993. >. Мельник C.B., Смирнов Н.И., Горгадзе С.Ф. Алгоритмы формирования, авто-, заимно корреляц. и спектральные свойства многомерных составных ШПС //' Сб.тез.докл. Международный форум информатизации МФЙ-93, секция "Телеком, и ыч. сист. связи", 1993.

. Мельник C.B., Бонч-Бруевич A.M. Оценка вероятности доставки информации ! сети связи с неопределенным состоянием ретрансляторов // Сб.тез.докл. НТК ППС ДТУСИ, секция "Перспективные системы и сети передачи информации", 1994. . Мельник C.B., Бонч-Бруевич А.М. Оценка времени доставки информации в определенной радиосети связи с неопределенным состоянием ретрансляторов // 1ерспективные системы и сети передачи информации -М., 1994 -Деп. в ЦНТИ Информсвязь" N2002 -св.94 от 15.06.94 -с. 13-17.

I. Мельник C.B., Смирнов Н.И. Использование шумоподобных сигналов в [ифровой сети для обеспечения надежной связи в сложной помеховой обстановке // Сб.тез.докл. III Межрегиональной конф. "Обработка сигналов в сист. двусторонней елеф. связи", Радио и связь, 1994.

9. Мельник C.B. Алгоритм маршрутизации при обмене данными в пакетной цифровой радиосети // Сб.тез.докл. Ш Межрегиональной конф. "Обработка сигналов в сист. двусторонней телеф. связи", Радио и связь, 1994.

10. Мельник C.B. Разработка имитационной модели процессов передачи пакетов дискретных сообщений в зоновых сетях спутниковой системы передачи информации // Сб.тез.докл. III Межрегиональной конф. "Обработка сигналов в сист. двусторонней телеф. связи", Радио и связь, 1994.

11. Smirnov N.I., Ivanchuk N.A., Gorgadse S.F., Melnik S.V. Estimation of influence of nonlinear radio chanel on treatment efficacy spread spectrum signals at devices on the surface acoustic waves // The Second International Scientific School-Seminar Nizhny Novgorod University Press, 1994.

12. Мельник C.B. Использование ШПС в радио сети для обеспечения надежной связи в сложной помеховой обстановке // Сб.тез.докл. Международный форум информатизации МФИ-94, секция "Телеком, и выч. сист. связи", 1994.

13. Мельник C.B., Смирнов Н.И. Использование шумоподобных сигналов для обеспечения передачи информации в занятом канале // Сб.тез.докл. НТК ППС МТУ СИ, секция "Перспективные системы и сети передачи информации", 1995.

14. Мельник C.B., Горбунова О.В. Модель процесса обмена данными в пакетных зоновых сетях спутниковой системы передачи информации // Сб.тез.докл. НТК ППС МТУСИ, секция "Перспективные системы и сети передачи информации", 1995.

15. Мельник C.B., Бонч-Бруевич A.M. Анализ влияния гауссового шума на связность структуры приемо - передающих пунктов радиосети // Сб.тез.докл. НТК ППС МТУСИ, секция "Перспективные системы и сети передачи информации", 1995.

16. Мельник C.B., Бонч-Бруевич A.M. Анализ влияния гауссовского шума на трансляцию сложного шумоподобного сигнала по радиосети. // Международная конференция, посвященная 100-летию использования электромагнитных волн для передачи сообщений и зарождению радиотехники, 50-я научная сессия, посвященная дню радио. -М. 1995.

17. Мельник C.B., Смирнов Н.И. Использование шумоподобных сигналов для обеспечения передачи информации в радиосети со скрытыми паузами. // Перспективные системы и сети передачи информации -М., 1995 -Деп. в ЦНТИ "Информсвязь" N2053 -св.95 егг 08.06.95 -с.2-6.

8. Мельник C.B., Горбунова О.В. Спутниковая сеть с кодовым разделением для гуществления обмена межбанковой информацией по взаимным расчетам // перспективные системы и сети передачи информации -М., 1995 -Деп. в ЦНТИ Янформсвязь" N2053 -св.95 от 08.06.95 -с.7-10.

9. Мельник C.B., Бонч-Бруевич A.M. Сравнительный анализ систем передачи нформации с активной и пассивной паузами для использования кодового разделения сети с ШПС // Перспективные системы и сети передачи информации -М, 1995 -Деп. в [НТИ "Информсвязь" N2053 -св.95 от 08.06.95 -с.11-15.

0. Мельник C.B., Смирнов Н.И. Выбор оптимального сложного шумоподобного ягнала для информационного уплотнения вещательной радиосети // Сб.тез.докл. 1еждународный форум информатизации МФИ-95, секция "Телеком, и выч. сист. вязи", 1995.

1. Мельник C.B. Обнаружение составного сложного шумоподобного сигнала на фоне бесовской помехи с неизвестной интенсивностью // Сб.тез.докл. Международный юрум информатизации МФИ-95, секция "Телеком, и выч. сист. связи", 1995.

2. Мельник C.B. Сравнительная характеристика корреляционных свойств 1умоподобньгх сигналов при выборе сигнала, оптимального дпя передачи ополнительной информации в занятом радиоканале II Ч Сб.тез.докл. V 1ежрегионалъной конф. "Обработка сигналов в сист. двусторонней телеф. связи", адио и связь, 1994.

3. Мельник C.B., Смирнов Н.И. Минимизация количества ретрансляторов ерриториально распределенной радиосети // "Электросвязь",№7, 1995 г.

4. Мельник C.B., Бонч-Бруевич A.M. Обнаружение составного сложного ¡умоподобного сигнала на фоне авторегрессионой гауссовской помехи с неизвестными араметрами // Сб.тез.докл. НТК Г1ПС МТУСИ, секция "Перспективные системы и сети ередачи информации", 1996.

5. Мельник C.B., Смирнов Н.И. Выбор элементной базы для построения устройств юрмирования и обработки шумоподобного сигнала для информационного уплотнения адиоссти // Сб.тез.докл. НТК ПГ1С МТУСИ, секция "Перспективные системы и сети ередачи информации", 1996,

26. Мельник C.B. Анализ элементной базы построения микроэлектронных устройст формирования и обработки сложных сигналов для радиосистемы доведени циркулярной информации // Перспективные системы и сети передачи информации -М 1996 -Деп. в ЦНТИ "Информсвязь" N2084 -св. 96 от 7.10.96 -с.28-36.

27. Мельник C.B., Бонч-Бруевич A.M. Обнаружение сложного шумоподобног сигнала на фоне помех в радиосистеме доведения циркулярной информации / Перспективные системы и сети передачи информации -M., 1996 -Деп. в ЦНТ1 "Информсвязь" N2084 -св.96 от 7.10.96 -с.37-41.

28. Мельник C.B., Петрова E.H. Разработка языка программирование ориентированного на исследование сложных сигналов в системах передачи информацм // Сб.тсз.докл. VI Межрегиональной конф. "Обработка сигналов в сист. двусторонне] телеф. связи", Радио и связь, 1994.

29. Мельник C.B., Юдашкин М.В. Синтез конечных автоматов для реализаци алгоритмов функционирования устройств формирования и обработки сложны: сигналов в радио системе доведения циркулярной информации // Сб.тез.докл Международный форум информатизации МФИ-96, секция "Телеком, и выч. сист связи", 1996.

30. Мельник C.B. Применение приборов с зарядовой связью при построешп трансверсальных фильтров для обработки сложных сигналов в радио систем! доведения циркулярной информации // Сб.тез.докл. Международный фору» информатизации МФИ-96, секция "Телеком, и выч. сист. связи", 1996

31. Мельник C.B. Интегральные устройства с систолической матрично! архитектурой для синхронизации и декодирования сложных сигналов // Сб.тез.докл Международный форум информатизации МФИ-98, секция "Телеком, и выч. сист связи", 1998.

/г У ^ ! '

К*?

/

Московский технический университет связи и информатики

На правах рукописи

МЕЛЬНИК СЕРГЕЙ ВЛАДИСЛАВОВИЧ

УДК 621.376

УСТРОЙСТВА ФОРМИРОВАНИЯ И ОБРАБОТКИ ШПС ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В РАДИОСЕТИ СВЯЗИ

Специальности: 05.27.05 - Интегральные радиоэлектронные устройства 05.12.13 - Системы и устройства радиотехники и связи

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор, действительный член Международной Академии Информатизации

СМИРНОВ Н.И.

Москва 1998

Список сокращений

АМ Амплитудная модуляция

БИС Большая интегральная схема

БСМА Бинарная систолическая матричная архитектура

ВШП Встречно - штыревой преобразователь

ДНФ Дизъюнктивная нормальная форма

МЭУ Микроэлектронное устройство

ко Коэффициент ошибок

ПАВ Поверхностные акустические волны

ПЛИС Программируемая логическая интегральная схема

псп Псевдо - случайная последовательность

пя Процессорная ячейка

св Специализированный вычислитель

сд Синхронизация и декодирование

СМА Систолическая матричная архитектура

СлС Сложный сигнал

СРВ Сеть радиовещания

СФ Согласованный фильтр

РСДЦИ Радиосистема дооведения циркулярной информации

шпс Шумоподобный сигнал

Содержание

Введение 5

Глава 1 Анализ состояния проблемы и постановка задачи исследования 13

1.1 Анализ современного состояния теории проектирования микроэлектронных устройств для обработки сигналов 13

1.2 Систолическая матричная архитектура для конвейерной обработки данных в реальном масштабе времени 17

1.3 Анализ современного состояния элементной базы для построения микроэлектронных устройств формирования и обработки СлС 25

Выводы 32

Глава 2 Организация параллельных вычислений для существующих 33 методов обработки сложных сигналов

2.1 Полихотомический поиск сигналов 33

2.2 Возможности параллельной обработки при использовании спектральных преобразований для синхронизации и детектирования 39 сложных сигналов

2.3 Умножение матриц, размерность которых больше разрядности вычислителя 49

Выводы 53

Глава 3 Развитие систолической матричной архитектуры с учетом особенностей обработки сложных сигналов 54

3.1 Обоснование применения систолической матричной архитектуры для МЭУ СД СлС 54

3.2 Оптимизация процессорной ячейки систолической матричной архитектуры для устройств формирования и обработки сложных сигналов 62

3.3 Разработка структурной схемы МЭУ СД СлС с бинарной СМА 72

3.4 Разработка языка программирования для описания алгоритмов, реализуемых на основе предложенной архитектуры 76

Выводы 82

Глава 4 Устройства для информационного уплотнения сети радиовещания в диапазоне средних и длинных волн 83

4.1 Исследование возможностей передачи дополнительной информации

по сети радиовещания в диапазонах средних и длинных волн 83

4.2 Многокритериальный выбор сигналов для устройств формирования и обработки дополнительной информации 93

4.3 Многокритериальный выбор конструктивно-технологических вариантов

СВ для формирования и обработки сложных сигналов в РСДЦИ 103

4.4 Применение бинарной систолической архитектуры при построении МЭУ СД СлС в РСДЦИ 106

Выводы 119

Глава 5 Математическое и имитационное моделирование МЭУ синхронизации и декодирования ДЧМ АМ СлС 120

5.1 Математическое моделирование устройств синхронизации и декодирования ДЧМ АМ СлС 120

5.2 Исследование свойств ДЧМ СлС с информационными сегментами между сегментов синхросигнала 124

5.3 Имитационная модель звена передачи радиосистемы доведения циркулярной информации 129

5.4 Исследование отказоустойчивости МЭУ СД СлС с бинарной СМА 139 Выводы 148

Заключение 149

Список литературы 151

Введение

Актуальность проблемы. Современные достижения в области микроэлектроники и современной обработки сигналов позволили по-новому взглянуть на задачу проектирования устройств для цифровой обработки сложных сигналов (СлС). Основной задачей, встающей перед разработчиками микроэлектронных устройств (МЭУ) синхронизации и декодирования (СД) сложных сигналов (СлС), является обеспечение максимальной производительности. Одним из приоритетных направлений развития архитектуры таких устройств является разработка специализированных вычислителей (СВ) для конвейерной обработки. Применение систолической матричной архитектуры (СМА) позволяет увеличить производительность СВ, однако ее непосредственное использование для устройств обработки СлС оказывается избыточным, поэтому разработка и исследование структурных и функциональных схем микроэлектронных устройств для синхронизации и декодирования СлС, имеющих систолическую матричную архитектуру, проведенные в настоящей работе являются важными и актуальными.

Разработка структурных и функциональных схем микроэлектронных устройств, позволяющих уменьшить время синхронизации и декодирования сложных сигналов составляет основу диссертации, работа над которой проводилась на кафедре Электроники и микроэлектронных средств телекоммуникаций и в научно-исследовательской лаборатории НИЛ-9 Московского Технического Университета Связи и Информатики.

Цель работы и методы исследований: Целью работы является решение научной задачи - исследование возможностей повышения производительности и разработка структурных и функциональных схем МЭУ СД СлС. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие подзадачи:

1) анализ существующих методов обработки СлС и элементной базы МЭУ СД СлС ;

2) исследование особенностей обработки СлС с целью оптимизации архитектуры устройств для их синхронизации и декодирования;

3) разработка структурных и функциональных схем МЭУ с конвейерной обработкой для синхронизации и декодирования СлС;

4) разработка языка программирования МЭУ СД СлС с бинарной СМА;

5) проверка эффективности разработанной архитектуры на примере построения МЭУ для передачи дополнительной информации по сети радиовещания (СРВ) в диапазонах средних и длинных волн.

Решение поставленной задачи достигается посредством исследования совокупности противоречивых требований к исследуемым устройствам: обеспечение максимальной помехоустойчивости; обеспечение максимальной скорости передачи информации; минимальные экономические затраты на изготовление при учете современных достижений в области микроэлектронных технологий; максимальная надежность работы; минимальная условная сложность МЭУ СД СлС.

Для последовательного решения локальных подзадач, встающих в ходе проведения исследования, используются следующие методы исследований:

1) теория итеративного проектирования микроэлектронных устройств;

2) теория информации и кодирования (для разработки алгоритмов декодирования СлС в МЭУ СД с конвейерной обработкой);

3) методы микроминиатюризации интегральных схем (для оптимизации архитектуры МЭУ СД СлС);

4) математическое и имитационной моделирование (для анализа поведения разработанных МЭУ);

Научная новизна. Научно обоснована целесообразность применения систолической матричной архитектуры в микроэлектронных устройствах синхронизации и декодирования СлС На примере передачи дополнительной информации и сигналов оповещения по сети радиовещания (СРВ) в диапазонах средних и длинных волн доказана эффективность этих устройств. Разработаны алгоритмы конвейерной обработки различных СлС, позволяющие повысить производительность МЭУ СД.

В ходе исследований при решении возникших локальных подзадач были получены следующие новые научные результаты.

1) Разработан метод построения МЭУ СД СлС, позволяющий увеличить производительность устройств в N/2 раз (К - база СлС) по сравнению с последовательными корреляторами и расчитаны ограничения на его реализаию в интегральном устройстве в соответствии с технологическими возможностями;

2) Решена задача поддержания равномерного потока данных при условии минимизации длин локальных связей в МЭУ СД СлС;

3) Разработаны конвейерные алгоритмы для умножения блочных матриц, позволяющие использовать МЭУ СД СлС для решения задач, размерность которых превосходит разрядность;

4) Исследованы и определены общие закономерности в статистических характеристиках корреляционных функций СлС с ансамблем псевдослучайных последовательностей (ПСП) Рида-Мюллера длины МРМ между сегментами синхронизирующей М-последовательности длины NcerM.Mii и выявлено, что в условиях

МОЩНЫХ помех ДОЛЖНО ВЫПОЛНЯТЬСЯ: 2Ырм < NcerM.MII.

Практическая ценность.

Получен ряд важных научно-технических результатов, которые используются для повышения производительности МЭУ СД СлС.

1. Разработана бинарная систолическая матричная архитектура, которая позволяет уменьшить время поиска СлС в 5 104 раз при базе в М=105 по сравнению с последовательными корреляторами.

2. Разработаны структурные схемы МЭУ СД СлС с бинарной СМА для передачи дополнительной информации по СРВ в диапазонах средних и длинных волн, которые позволяют сократить время поиска СлС с 10с до 0,2с по сравнению с традиционными. При помощи этих устройств может быть организована дополнительная услуга абонентам СРВ, при этом достаточно подключить к радиоприемнику небольшой блок, содержащий устройство обработки СлС, жидкокристаллическую "бегущую строку" и элемент питания. Используя СлС можно осуществить автоматическое переключение приемника на канал, по которому передается сигнал оповещения.

3. Развитый автором способ передачи информации с использованием сложных сигналов с к информационными сегментами в виде последовательностей Рида-Мюллера между сегментами синхронизирующей М-последовательности, позволяет в условиях мощных помех в к раз уменьшить время вхождения в синхронизм на единицу передаваемой информации при заданной вероятности ошибки по сравнению с известным, методом, требующим отдельный синхросигнал для каждого информационного блока.

4. Исследования структурной отказоустойчивости разработанных МЭУ с бинарной СМА показали, что можно повысить выход годных с 50% до 71%, за счет увеличения времени обработки в 2 раза и усложнения устройства управления, что сокращает

производственные расходы, но влечет за собой уменьшение предельно допустимой разрядности устройства в 4 раза.

5. Разработанный пакет программ позволяет моделировать устройства для корреляционной обработки СлС и исследовать влияние ошибок, на корреляционный прием СлС. Программные продукты, разработанные в ходе диссертационных исследований могут быть полезны для научно-исследовательских и опытно - конструкторских работ, а также в учебном процессе при изучении курса "Микроэлектронные средства телекоммуникаций".

Реализация результатов работы. Основные результаты работы были реализованы в научно-технических отчетах по хозрасчетным НИР "Волна" и "Сувой" с ОКБ "Радуга".

Апробация работы. Материалы диссертации обсуждались и получили положительную оценку на следующих конференциях и семинарах:

• Международная конференция, посвященная 100-летию использования электромагнитных волн для передачи сообщений и зарождению радиотехники, 50-я научная сессия, посвященная дню радио. -М. 1995.

• The Second International Scientific School-Seminar "Dynamic and stochostic wave phenomena". Nizhny Novgorod University 1994.

• II, III, V, VI Межрегиональные конференции. "Обработка сигналов в системах двусторонней телефонной связи", 1993, 1994, 1995, 1996.

• 1-й, 2-й, 3-й, 4-й, 5-й, 6-й Международные форумы информатизации МФИ 9398, секция "Телекоммуникационные и вычислительные системы связи",

• 1993-97 гг. Научно - технические конференции профессорско преподавательского, научного и инженерно технического состава МТУСИ 1993-97 гг.

Публикации по работе Основные материалы диссертации опубликованы в 8 статьях в научно-технических журналах и сборниках, а также 23 тезисах докладов на НТК. В том числе Минимизация количества ретрансляторов территориально распределенной радиосети // "Электросвязь",№7, 1995 г.; Использование шумоподобных сигналов для обеспечения передачи информации в радиосети со скрытыми паузами. // Перспективные системы и сети передачи информации -М., 1995-Деп. в ЦНТИ "Информсвязь".

Положения, выносимые на защиту

I. Разработанное устройство для синхронизации и декодирования сложных сигналов, позволяет уменьшить время поиска сложного сигнала в N/2 раз по сравнению с применяемыми устройствами с последовательным поиском, при ограничении на базу обрабатываемого сложного сигнала (/V) до 217 выполнимо в виде специализированной СБИС на кристалле 6x6 мм2 по 0,3 мкм КМОП технологии.

II. Разработанный алгоритм декодирования двоичного блочного кода мощности /V, разложимого на смежные классы по подкоду мощности п на двумерной бинарной систолической матричной архитектуре позволил уменьшить время вычислений до 2 раз по сравнению с линейной бинарной систолической матричной архитектурой при том же общем количестве процессорных ячеек; выигрыш во времени по сравнению с последовательным вычислителем составляет (N+n) раз.

III. Развитый способ передачи информации с использованием сложных сигналов с к информационными сегментами в виде последовательностей Рида-Мюллера между сегментами синхронизирующей М-последовательности позволил в условиях мощных помех в к раз уменьшить время вхождения в синхронизм на единицу передаваемой информации при заданной вероятности ошибки по сравнению с методом, требующим отдельный синхросигнал для каждого информационного блока.

Краткое содержание работы. Диссертация состоит из введения пяти глав, заключения, списка литературы.

Глава 1 - вводная, содержит три параграфа. Первый из них посвящен анализу состояния проблемы и постановке задачи исследования, второй - описанию систолической матричной архитектуры для цифровой обработки данных, а третий -анализу современной элементной базы для обработки сложных сигналов. В первом параграфе формулируются основные задачи, которые необходимо решить при разработке МЭУ СД СлС. Рассмотрены ограничения на исходные условия, которые вытекают из назначения и условий эксплуатации помехозащищенных устройств МЭУ СД СлС, а также современного состояния микроэлектронной технологии. Обосновывается необходимость разработки МЭУ СД, реализующих конвейерную обработку (КО). Для этого необходимо провести исследование с целью синтеза параллельных алгоритмов и разработки архитектуры МЭУ СД СлС. Во втором параграфе содержится сравнительный анализ различных способов организации КО при СД СлС и обосновывается необходимость

использования развитой автором систолической матричной архитектуры. СМА обладает наибольшей производительностью при одинаковом порядке сложности, а также имеет регулярную структуру с отсутствием глобальных связей и управляется входными потоками данных.

В третьем параграфе в результате проведения сравнительного анализа существующей элементной базы МЭУ СД СлС сделан вывод о том, что имеющиеся устройства в основном используют аналоговые принципы обработки. Они обладают рядом преимуществ - простота, использование физического корреляционного накопления сигнала, хорошо исследованные схемотехнические решения. Их недостатки - ограничение на базу применяемых СлС и плохая интегрируемость в современные цифровые сети. В существующих параллельных устройствах можно достичь повышения производительности пропорционально разрядности, однако они обладают чрезмерной сложностью, что ограничивает базу обрабатываемого СлС до 256. Последовательные устройства обладают возможностью обрабатывать СлС с базой в сотни тысяч, но при этом проигрывают во времени пропорционально базе. Устройства, которые построены на основе "быстрых" алгоритмов плохо реализуются в интегральном виде из-за наличия глобальных связей внутри алгоритма.

Глава 2 имеет название "Организация параллельных вычислений для существующих методов обработки сложных сигналов". В этой главе произведена оценка алгоритмов синхронизации и декодирования СлС с целью выявления возможностей повышения производительности МЭУ СД СлС. Сформулирована задача полихотомического поиска СлС и производен анализ методов синхронизации и декодирования СлС, основанных на быстрых преобразованиях и конвейерной обработке. КО имеет наибольшую производительность в А//2 раз большую по сравнению с последовательным поиском (ПП) и 2/1од2Ы по сравнению с дихотомическим поиском.

Задача поиска СлС сформулирована как задача матричного умножения принятой реализации сигнала х(1)=(х1(1), ... , хп(()) (кодовых отсчетов) на матрицу строки которой являются циклическими перестановками отсчетов опорной последовательности Бу(Х)= Э х(1)т. Значение функции Ма](у(()) = Мах(у^)), /' = 1, ... , п определяет интервал, в котором находится точка синхронизации. Это значит, что при базе СлС N=105 и длительности элементарного импульса Тэ=1мкс время поиска СлС