Исследование и разработка методов цифровой согласованной фильтрации радиолокационных сигналов в гетерогенных системах на кристалле

Диссертационная работа посвящена исследованию и решению алгоритмических и аппаратных задач цифровой обработки широкополосных сигналов на гетерогенных многоядерных системах на кристалле.

Актуальность проблемы.

Одной из важнейших тенденций развития современной радиолокации является применение быстро развивающихся цифровых технологий в системах сигнальной обработки, реализованных на основе универсальных полностью программируемых вычислителей (процессорных элементов). Это связано, прежде всего, с известными преимуществами применения цифровых сигналов: высокой потенциальной помехоустойчивостью, возможностями оптимизации использования частотного спектра, перспективами применения в различных радиолокационных и информационных системах универсальных аппаратных и программных решений и т. д.

Одним из ключевых факторов развития в этом направлении выступает технологический прогресс. Как отмечалось в [1], «Растущая производительность микропроцессоров, появление мощных сигнальных процессоров, создание высокоэффективных методов компрессии и транспортировки информации — это только часть списка технологических инноваций, ведущих к ускорению развития сетевых технологий. к увеличению числа услуг связи и снижению их стоимости». Наиболее общую форму оценки прогресса в области микроэлектроники дает закон Мура [1, 2]: производительность интегральных схем, измеряемая операциями/сек, и объем памяти в единице площади удваиваются каждые 18 месяцев, а стоимость микросхем при этом уменьшается на 50%.

Существующий уровень систем обработки сигналов, разработок микроэлектронной элементной базы очень высок, так как достижения таких лидеров в области средств обработки информации, как компании: Intel, Texas Instruments, Analog Devices обеспечивают практически любые потребности в обработке информации. В разработку теории и практики обработки сигналов и построения новых вычислительных систем существенный вклад внесли и российские ученые, например: В. А. Котельников, Ю. В. Гуляев, С. А. Лебедев, В. С. Бурцев, А. Я. Хетагуров, ЛН. Преснухин, А. И. Галушкин.

В создание новейших архитектур высокопроизводительных процессоров для обработки информации, сигналов и изображений, теории и практики использования процессоров, а также в области практической реализации новых процессоров в виде интегральных схем большой вклад внесли российские компании: ИТМ ВТ им. С. А. Лебедева, НИИСИ РАН, НТЦ «Модуль», ЗАО МЦСТ, ГУЛ НПЦ «ЭЛВИС» и труды таких ученых, как: В. Б. Бетелин, Б. А. Бабаян.

Однако, повышение интеграции микросхем, уменьшение технологических ограничений привело к возникновению новых классов процессоров и систем обработки информации, таких как: «системы на кристалле», «сети на кристалле», гетерогенные и гомогенные многоядерные процессоры. Технические и экономические свойства таких элементов обработки информации, как правило, исследованы недостаточно, либо известны только для относительно узких областей применения, для которых они создавались. Исследование системных свойств новейшего класса микроэлектронных изделий — многоядерных «систем на кристалле» позволяет получить принципиально новый подход к построению систем цифровой обработки радиолокационных сигналов, сочетающих новые функциональные свойства, технические и экономические преимущества по отношению к существующим на рынке системам.

Успешное воплощение перспектив развития микроэлектроники во многом базируется на достижениях цифровой обработки сигналов (ЦОС), призванной решать задачи приема, формирования, обработки и передачи информации в реальном масштабе времени [3]. Осуществление сложных алгоритмов ЦОС требует, в свою очередь, применения эффективных базовых алгоритмов ЦОС (фильтрации, спектрального анализа и синтеза сигналов), экономично использующих соответствующие технические ресурсы.

Привлекательность цифровой обработки сигнала обусловлена следующими преимуществами:

• Гарантированная точность. Точность определяется только числом задействованных битов. .

• Совершенная воспроизводимость. Можно идентично воспроизвести каждый элемент, поскольку отсутствуют отклонения, обусловленные устойчивостью отдельных составляющих.

• Отсутствуют искажения характеристик из-за температуры или старости.

• Полупроводниковые технологии позволяют повысить надежность, уменьшить размеры, снизить стоимость, понизить энергопотребление и увеличить скорость работы.

• Большая гибкость. Системы ЦОС можно запрограммировать и перепрограммировать на выполнение различных функций без изменения оборудования.

• Превосходная производительность. ЦОС можно использовать для выполнения функций, которые невозможны при аналоговой обработке сигналов.

В ЦОС есть и свои недостатки. Однако благодаря новым технологиям значение этих недостатков постоянно уменьшается.

• Скорость и затраты. Проекты ЦОС могут быть дорогими, особенно при большой ширине полосы сигнала. В настоящее время скоростные аналого-цифровые/цифро-аналоговые преобразователи либо слишком дорога, либо не обладают достаточным разрешением для большой ширины полосы.

• Время на разработку. Острая нехватка специалистов в этой области.

• Проблема конечной разрядности. В реальных ситуациях экономические соображения предписывают использовать в алгоритмах ЦОС ограниченное число битов. Если для представления переменной задействуется недостаточное число битов, в некоторых системах ЦОС это приведет к существенному снижению качества работы системы.

В редакционной программной статье [3] подробно рассмотрены этапы становления теории ЦОС, как научного направления, со своим собственным кругом проблем и задач и отмечено, что: «.В теории ЦОС основная задача традиционно формируется в достижении заданных технических требований к устройству при минимизации вычислительных и аппаратных затрат». Основная научная проблематика в области ЦОС заключена в разработке путей преодоления ограничений обусловленных имеющимися ресурсами: возможностями элементной базы, допустимой величиной программно-аппаратных затрат.

Теория цифровой обработки радиолокационных сигналов характеризуется многими научными достижениями. Вопросы передачи и обработки дискретных сигналов, включая построение эффективных алгоритмов обработки, рассматривались в работах М. Беланже, Б. Голда, А. Константинидеса, Г. Лэма, Дж. Макклелана, А. Оппенгейма, Т. Паркса, Л. Рабинера, А. Феттвейса, Р. Хемминга [4−7]. Заметный вклад в развитие ЦОС внесли отечественные ученые В. В. Витязев, Л. М. Гольденберг, В. П. Дворкович, В. Г. Карташевский, Д. Д. Кловский, А. А. Ланнэ, Б. Д. Митюшкин, А. И. Тяжев, Л. М. Финк [3, 8−10].

Публикация работ, посвященных глубокому исследованию отдельных способов сокращения сложности алгоритмов ЦОС [11−14], свидетельствует о насущной необходимости развития в этом направлении. Результаты новых исследований в данной области показывают [15−17], что они могут быть сгруппированы по следующим основным направлениям:

— исследование и синтез новых структурных схем ЦФ, обеспечивающих низкую чувствительность характеристик к изменениям коэффициентов ЦФ;

— разработка новых типов ЦФ, для реализации которых требуется выполнение уменьшенного объема арифметических операций;

— развитие новых методов аппроксимации, постановка и решение новых аппроксимационных задач.

Эффективная реализация ЦФ, требующая уменьшенной величины объема выполняемых арифметических операций, возможна не только за счет уменьшения чувствительности, но и за счет нового подхода к построению ЦФ. Поэтому задача синтеза эффективных алгоритмов и устройств цифровой фильтрации, базирующаяся на последних достижениях теории цифровой обработки сигналов, является весьма актуальной. Таким образом, в настоящее время существует актуальная научно-техническая проблема совершенствования алгоритмов ЦФ и исследования свойств новых цифровых систем на кристалле для обработки радиолокационных сигналов.

Исходя из анализа современных задач радиолокационных систем и аппаратных средств, для их реализации были сформулированы следующие цели и задачи работы.

Цель диссертационной работы — исследование и разработка методов и алгоритмов высокоскоростной согласованной фильтрации широкополосных сигналов в реальном времени на основе гетерогенных систем на кристалле, теоретическая и экспериментальная оценка производительности разработанных методов и алгоритмов СФ применительно к современным PJIC.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• исследовать современные методы и алгоритмы согласованной фильтрации для применения в радиолокационных системах реального времени;

• разработать алгоритмы согласованной фильтрации для сигналов с фазо-кодовой манипуляцией (ФКМ) и линейно-частотной модуляцией (JI4M) с минимальными временными задержками;

• разработать алгоритмы формирования опорной функции согласованного фильтра, исходя из особенностей формирования радиолокационного сигнала в цифровом синтезаторе сигнала и выполнения арифметических операций на вычислительных устройствах, для достижения наилучшего качества устройства согласованной фильтрации;

• разработать методы и алгоритмы программно-аппаратной конвейеризации согласованной фильтрации радиолокационных сигналов на уровне процессорных ядер в гетерогенных многоядерных системах на кристалле (СнК);

• разработать алгоритмы управления устройством согласованной фильтрации на основе гетерогенных многоядерных СнК.

Методы исследования.

Теоретическое и практическое решения поставленных задач выполнены с применением методов цифровой обработки сигналов, методов дискретной математики, теории множеств, теории параллельных вычислительных систем, теории информационных систем, теории ошибок.

Научная новизна работы состоит в разработке и исследовании методов и алгоритмов согласованной фильтрации широкополосных сигналов, специально адаптированных к требованиям современных локаторов. При этом получены следующие новые научные результаты:

• предложен метод согласованной фильтрации линейно-частотно модулированных сигналов: метод подапертур, который на 85% эффективнее по быстродействию (количеству арифметических операций) и на 0.2дБ уступает по качественным характеристикам прямому методу согласованной фильтрации радиолокационных сигналов.

• предложен метод согласованной фильтрации радиолокационных сигналов с фазо-кодовой манипуляцией: метод кодовых скользящих сумм, который в Nh05 раз эффективнее прямого метода согласованной фильтрации (Nhдлина опорной функции фильтра).

• разработан алгоритм формирования опорной функции согласованного фильтра, учитывающий особенности формирования сигнала в цифровом синтезаторе и особенности вычисления тригонометрических функций на вычислительных ядрах, выполняющих арифметические операции с усечением мантиссы. Максимальная арифметическая ошибка для функции /(х) = sin (.x) на интервале [0,2тг] составляет 5.1 *10~8, качественные характеристики согласованного фильтра увеличились на 1.7дБ.

• предложен алгоритм конвейеризации согласованной фильтрации радиолокационных сигналов на уровне процессорных ядер с параллелизмом по SlMD-(Single Instruction Multiple Data — один поток инструкций, множественные потоки данных) MIMD-типам (Multiple Instruction Multiple Data множественные потоки инструкций, множественные потоки данных), позволяющий получить производительность 95% от теоретических возможностей вычислительного ядра в гетерогенных многоядерных СнК.

• в терминах сетей Петри разработана модель системы с приоритетным доступом к общим системным ресурсам, которая позволяет имитировать штатные и нештатные ситуации работы многоядерной системы и ликвидировать или минимизировать информационные потери при цифровой согласованной фильтрации радиолокационных сигналов в реальном времени.

Практическая значимость на основе исследований и разработок методов и алгоритмов согласованной фильтрации широкополосных сигналов заключается в следующих результатах:

— разработанное специализированное программное обеспечение на основе языков ассемблера и Си обеспечивает эффективное управление устройством согласованной фильтрации на основе гетерогенных СнК.

— прикладная библиотека элементарных функции в формате плавающей точки (стандарт IEEE 754) для IP-ядер «ELcore-хх» под названием «LibEMF» позволяет с высокой точностью вычислять тригонометрические, логарифмические, экспоненциальные функции.

— прикладная библиотека спектрального анализа действительных и комплексных сигналов в формате плавающей точки (стандарт ЕЕЕЕ 754) и блочной плавающей точки (fractional, I6+jl6) под названием «LibFFT» позволяет осуществлять спектральный анализ, свертку и корреляцию сигнала.

— разработанные программно-алгоритмические средства позволили создать на базе отечественной универсальной программируемой многоядерной архитектуры компоненты PJIC, осуществляющие согласованную фильтрацию сигналов в реальном времени с характеристиками производительности, соответствующими современным мировым требованиям.

— разработанные программно-алгоритмические средства внедрены в подсистему сигнальной обработки системы «ORWELL-R» на основе отечественных импортозамещающих СнК «Мультикор».

Анализ результатов внедрения показал, что современный уровень развития программируемых гетерогенных многоядерных систем на кристалле соответствует требованиям задач согласованной фильтрации широкополосных сигналов.

Достоверность результатов работы подтверждены теоретическими расчетами и моделированием, а также хорошей сходимостью теоретических оценок с результатами экспериментальных исследований и испытаний.

Внедрение результатов работы. С использованием проведенных в диссертации разработок была создана серия PJIC ЛЦКБ.464 412.001 («ORWELL-R» s/n:80 001 — 80 010, 80 013) на основе отечественной платформы проектирования i f систем на кристалле «Мультикор» (ГУП НПЦ «ЭЛВИС»), что подтверждено актами о внедрении соответствующих изделий на предприятии ГУП НПЦ «ЭЛВИС» г. Москва. Серия РЛС «ORWELL-R» предназначена для круглосуточного наблюдения и охраны объектов в угловом секторе обзора до 360° и на дальности до 1 км. По результатам государственных испытаний РЛС рекомендована для оснащения объектов Минобороны России и подлежит принятию на снабжение Вооруженных Сил Российской Федерации. По результатам испытаний ОАО «Аэропорт Сургут» РЛС рекомендована для применения в системах обеспечения безопасности полётов, для обзора летного поля аэропортов и для создания автоматизированных систем безопасности в качестве системы обнаружения целей (человек, автомобиль, животное).

Новизна разработанного программного обеспечения зарегистрирована в Федеральной службе по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам (РОСПАТЕНТ): свидетельство № 2 008 613 850 от 12.08.2008. (см. приложение 4).

В рамках диссертационной работы лично автором были решены следующие задачи.

1. Предложен метод согласованной фильтрации линейно-частотно модулированных сигналов: метод подапертур, который на 85% эффективнее по быстродействию (количеству арифметических операций) и на 0.2дБ уступает по качественным характеристикам прямому методу согласованной фильтрации.

2. Предложен метод согласованной фильтрации фазо-кодоманипулированных сигналов: метод кодовых скользящих сумм, который в Nhos раз эффективнее прямого метода согласованной фильтрации (Nh-длина опорной функции фильтра).

3. Разработан алгоритм формирования опорной функции согласованного фильтра, учитывающий особенности формирования сигнала в цифровом синтезаторе сигнала и особенности вычисления тригонометрических функций на вычислительных ядрах, выполняющих арифметические операции с усечением мантиссы. Максимальная арифметическая ошибка для функции /(х) = sin (x) на интервале [0,2л] составляет 5.1*10″ 8, качественные характеристики согласованного фильтра увеличились на 1.7дБ.

4. Аналитически сформулирован критерий эффективного управления цифровой согласованной фильтрацией на основе гетерогенных многоядерных СнК.

5. Предложен алгоритм конвейеризации согласованной фильтрации на уровне процессорных ядер с параллелизмом по SIMDМПУГО-типам, позволяющий получить производительность 95% от теоретических возможностей вычислительного ядра.

6. В терминах сетей Петри разработана модель системы с приоритетным доступом к общим системным ресурсам, которая позволяет имитировать штатные и нештатные ситуации работы многоядерной системы и ликвидировать или минимизировать информационные потери при цифровой согласованной фильтрации в реальном времени.

7. Проведено внедрение результатов исследования в охранную PJIC серии «ORWELL-R» на предприятии ГУП НПЦ «ЭЛВИС».

8. Автор участвовал в разработке программной, текстовой и конструкторской документации, а также непосредственно проводил инсталляционные и сопроводительные работы в местах эксплуатации созданных изделий.

На защиту выносятся:

1. метод согласованной фильтрации линейно-частотно модулированных сигналов: метод подапертур, который на 85% эффективнее по быстродействию (количеству арифметических операций) и на 0.2дБ уступает по качественным характеристикам прямому методу согласованной фильтрации радиолокационных сигналов;

2. метод согласованной фильтрации радиолокационных сигналов с фазо-кодовой манипуляцией: метод кодовых скользящих сумм, который в Nh0,5 раз эффективнее прямого метода согласованной фильтрации (Nh-длина опорной функции фильтра);

3. алгоритм формирования опорной функции согласованного фильтра, учитывающий особенности формирования сигнала в цифровом синтезаторе сигнала и особенности вычисления тригонометрических функций на вычислительных ядрах, выполняющих арифметические операции с усечением мантиссы. Максимальная арифметическая ошибка для функции /(х) = sin (, t) на интервале [0,2л] составляет 5.1*10 8, качественные характеристики согласованного фильтра увеличились на 1.7дБ;

4. алгоритм конвейеризации согласованной фильтрации на уровне процессорных ядер с параллелизмом по SIMDи MIMD-типам, позволяющий получить производительность 95% от теоретических возможностей вычислительного ядра в гетерогенных многоядерных СнК;

5. модель системы с приоритетным доступом к общим системным ресурсам на основе сетей Петри, которая позволяет имитировать штатные и нештатные ситуации работы многоядерной системы и ликвидировать или минимизировать информационные потери при цифровой согласованной фильтрации радиолокационных сигналов в реальном времени;

6. результаты внедрения исследования на предприятии ГУЛ НПЦ «ЭЛВИС».

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на: 12-й.

Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика -2005», Москва, МИЭТ- 13-й.

Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика -2006», Москва, МИЭТ- 2-ой.

Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы разработки перспективных микроэлектронных систем-200б (МЭС-2006)», Истра, ИППМ РАН;

Международной конференции «Авиация и космонавтика-2007», Москва, МАИ- 14й Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика -2007», Москва, МИЭТ;

Всероссийской межвузовской научно-практической конференции «Актуальные проблемы информатизации. Развитие информационной инфраструктуры, технологий и систем 2007», Москва, МИЭТВсероссийской конференции молодых ученых и студентов «Информационные технологии в авиационной и космической» технике-2008″, Москва, МАИМеждународной молодежной научной конференции.

XXXIV «Гагаринские чтения», Москва, МАТИ- 3-ей Всероссийской научнотехнической конференции «Проблемы разработки перспективных микроэлектронных систем-2006(МЭС-2006)», Истра, ИППМ РАНВсероссийской межвузовской конференции «Актуальные проблемы информатизации. Развитие.

13 информационной инфраструктуры, технологий и систем", Москва, МИЭТМеждународной конференции «Авиация и космонавтика-2008», Москва, МАИ- 16-й Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика -2009».

По теме диссертации опубликовано 16 научных работ. Из них в ведущих рецензируемых журналах, входящих в перечень, утвержденный ВАК — 2, тезисов докладов всероссийских и международных конференций — 12, 1 свидетельство о регистрации программы для ЭВМ (см. приложение 4). Без соавторов опубликовано 13 работ.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Объем основного текста диссертации — 141 страницы. В работе содержится 63 рисунков и 19 таблиц.

Список литературы

содержит 102 наименований.

Выводы.

• Разработана специализированная прикладная библиотека элементарных функций «LibEMF» на основе языка ассемблера, позволяющая выполнять тригонометрические функции для методов и алгоритмов согласованной фильтрации широкополосных сигналов и генерации опорных функций фильтров.

• Разработана прикладная библиотека спектрального анализа действительных и комплексных сигналов в формате плавающей точки (стандарт IEEE 754) и блочной плавающей точки (fractional, 16+jl6) под названием «LibFFT», позволяющая осуществлять спектральный анализ, свертку и корреляцию сигнала.

• Результаты экспериментальных исследований и испытаний показали, что пропускная способность согласованного фильтра для дальностно-допплеровской РЛС с дальностью действия 1000 м на СнК 1892ВМ2Я составляет 72Мбит/с с загрузкой DSP-ядра на 62%, время обработки одного кадра составляет 308мкс, что больше теоретической оценки на 5%. Однако, несоответствие теоретическим расчетам объясняется не включением в расчеты этапа инициализации и преобразования форматов.

• Предложен алгоритм программного формирования опорной функции фильтра, где с максимальной точностью отражены цифровые аппаратные методы формирования сигнала в устройстве DDS, что позволяет на 1.7Д6 повысить уровень главного лепестка по отношению к боковым после выполнения СФ.

• Предложена модификация метода подапертур к параметрам сигнала системы «ORWELL-R», которая позволяет увеличить быстродействие СФ на 85% по сравнению с методом прямой свертки и на 17% по сравнению с алгоритмами СФ, основанными на быстром преобразовании Фурье. Качественные характеристики фильтра уменьшаются на 1.5%.

• Результаты экспериментального исследования эффективности методов и алгоритмов управления СФ на гетерогенных многоядерных СнК полностью соответствуют закону Амдала о предельных значениях ускорения при параллельной реализации алгоритмов обработки данных. Загруженность вычислительных ядер при параллельной обработке составляет 82−95%.

• Представленный в работе подход к построению УСФ на основе гетерогенных многоядерных СнК, а также разработанные программно-алгоритмические средства высокоскоростной обработки сигналов и управления были реализованы в УСФ охранной радиолокационной системы «ORWELL-R». РЛС рекомендована для применения в качестве автоматизированной системы безопасности для обнаружения целей (человек, автомобиль, животное) в аэропортах, на стоянках, на военных объектах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В работе изложен комплекс научно обоснованных методов и алгоритмов, направленных на решение современных задач согласованной фильтрации широкополосных сигналов. Разработаны новые программно-алгоритмические средства для управления и высокоскоростной согласованной фильтрации широкополосных сигналов на гетерогенных многоядерных СнК. Совокупность разработанных алгоритмов, методов, предложенной архитектуры ПО направлена на развитие современных вычислительных систем, а также средств обработки радиолокационных сигналов.

Наиболее значимые результаты работы состоят в следующем: предложен метод согласованной фильтрации ЛЧМ-сигналов: метод подапертур, который на 85% эффективнее по быстродействию (количеству арифметических операций) и на 0.2дБ уступает по качественным характеристикам прямому методу согласованной фильтрации радиолокационных сигналовпредложен метод согласованной фильтрации ФКМ-сигналов: метод кодовых скользящих сумм, который в Nhos раз эффективнее прямого метода согласованной фильтрации (Nhдлина опорной функции фильтра) — разработан алгоритм формирования опорной функции согласованного фильтра, учитывающий особенности формирования сигнала в цифровом синтезаторе и особенности вычисления тригонометрических функций на вычислительных ядрах, выполняющих арифметические операции с усечением мантиссы. Максимальная арифметическая ошибка для функции f (x)=sin (x) на интервале [0,27г] составляет 5.1* 10″ 8, качественные характеристики согласованного фильтра увеличились на 1.7дБобосновано построение УСФ радиолокационных сигналов на базе гетерогенных многоядерных систем на кристалле, аналитически сформулирован критерий эффективного управления цифровой согласованной фильтрацией на основе гетерогенных СнК в виде минимизации времени простоев вычислительных ядер при минимизации общего числа заданий обработкипредложен алгоритм конвейеризации согласованной фильтрации на уровне процессорных ядер с параллелизмом по SIMDMIMD-типам, позволяющий получить производительность 95% от теоретических возможностей вычислительного ядрав терминах сетей Петри разработана модель системы с приоритетным доступом к общим системным ресурсам, которая позволяет имитировать штатные и нештатные ситуации работы многоядерной системы и ликвидировать или минимизировать информационные потери при цифровой согласованной фильтрации радиолокационных сигналов в реальном временивнедрение разработанных программно-алгоритмических средств в РЛС серии «ORWELL-R» ЛЦКБ.464 412.001, предназначенных для круглосуточного наблюдения и охраны объектов показало, что они могут быть использованы на объектах военного и гражданского назначения (аэропорта, стоянки, гидро-, электростанции и др.).