Методы цифровой многопроцессорной обработки ансамблей радиосигналов

Серия «Библиотека инженера»
Литюк В. И., Литюк Л. В. 
МЕТОДЫ ЦИФРОВОЙ
МНОГОПРОЦЕССОРНОЙ
ОБРАБОТКИ АНСАМБЛЕЙ
РАДИОСИГНАЛОВ
Москва
СОЛОН-Пресс
2018

УДК 32.973.26-018.2
ББК 621.391.24.037.372+
          621.372.54.083.92.001.2
      Л 64
Литюк В. И., Литюк Л. В.
Л64    Методы цифровой многопроцессорной обработки ансамблей радиосигналов. — М.: СОЛОН-Пресс, 2018. — 590 с.: ил. (Серия «Библиотека 
инженера»)
ISBN 978-5-91359-300-9
Монография посвящена вопросам обработки на цифровых многопроцессорных вычислительных системах (МВС) ансамблей радиосигналов, полоса которых превышает быстродействие используемых цифровых функциональных узлов в заданное число раз. При этом обработка может осуществляться как в 
режиме работы вычислительной системы «скачущее» окно, так и «скользящее», 
причем сигналы могут быть представлены как в многоразрядной, так и в бинарно-квантованной формах. С единых позиций рассматриваются вопросы обработки ансамблей сложных сигналов, поступающих с выходов линейных трактов 
радиоприемных устройств различного назначения. Рассмотрены виды современных МВС, особенности современных микропроцессоров, предназначенных 
для цифровой обработки сигналов (ЦОС), дается математическое описание радиосигналов, подлежащих цифровой обработке. Представлены методы синтеза 
цифровых многопроцессорных фильтров и анализаторов спектра, осуществляющих обработку и анализ в режимах работы «скачущее» и «скользящее» окно в 
условиях, когда на их входы поступают распараллеленные входные радиосигналы. Описываются методы синтеза и анализа устройств измерения параметров 
радиосигналов при различных формах их цифрового представления. Излагаются 
новые подходы по синтезу и анализу ансамблей сложных сигналов и устройств 
их обработки с учетом особенностей МВС применительно к задачам радиосвязи 
и радиолокации.
Данная монография рассчитана на научных работников, преподавателей, инженеров, аспирантов и студентов старших курсов радиотехнических специальностей, работающих в области цифровой обработки сложных радиосигналов на 
МВС.
По вопросам приобретения обращаться:
ООО «СОЛОН-Пресс»
123001, г. Москва, а/я 82
Телефоны:(495) 617-39-64, (495) 617-39-65
E-mail: kniga@solon-press.ru, www.solon-press.ru
ISBN 978-5-91359-300-9	
© Макет и обложка «СОЛОН-Пресс», 2018
	
© Литюк В. И., Литюк Л. В., 2018

Введение 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ВВЕДЕНИЕ 
 
Цифровая обработка сигналов (ЦОС) интенсивно развивается уже более 
40 лет. При этом в публикациях, посвященных ЦОС, в течение довольно 
длительного времени рассматривались задачи, решение которых находилось безотносительно условий их реализации. Это приводило к тому, что 
основные результаты были получены в обстоятельствах, связанных с моделированием работы на универсальных ЦВМ тех или иных информационных 
систем. По мере того как повышалось быстродействие используемых для 
моделирования ЦВМ, разработанные цифровые алгоритмы начали находить 
применение при обработке сигналов в реальном масштабе времени для 
сравнительно узкополосных процессов, спектр которых располагался в области инфранизких частот. К таким сигналам, в частности, можно отнести 
сейсмические и биомедицинские сигналы. 
Более высокое быстродействие цифрового вычислителя для решения задач в реальном масштабе времени удавалось добиться при построении однопроцессорных специализированных вычислителей, ориентированных на 
решение конкретных задач. Однако подобные устройства, вследствие ограничений, присущих уровню развития элементной базы, оказались недостаточно конкурентоспособными. 
В свою очередь, поиск алгоритмов, позволяющих более эффективно использовать универсальные ЦВМ для решения задач вычисления интеграла 
свертки, привел к появлению алгоритмов, основанных на «быстрых» процедурах расчета. Подобные алгоритмы были предложены для их реализации 
на однопроцессорных универсальных ЦВМ Кули и Тьюки в 1965 году и 
основаны на разработанном в начале XX века Рунге методе вычисления коэффициентов Фурье функций, заданных графически или таблично. Эти алгоритмы более известны как алгоритмы быстрого преобразования Фурье 
(БПФ). Использование подобных алгоритмов позволило для случаев, когда 
начало и конец входной реализации известно строго (или когда без потери 
информации возможно разбиение реализации на заданные отрезки с фикси 
3 

Методы цифровой многопроцессорной обработки ансамблей радиосигналов 
 
рованным количеством отсчетов), обрабатывать процессы, полоса которых 
в десятки раз превышала полосы сейсмо- и биосигналов. 
Параллельно с разработкой алгоритмов и методов ЦОС происходило 
развитие цифровой вычислительной техники как в направлении повышения 
ее производительности, так и в направлении микроминиатюризации, 
уменьшения потребления энергии, повышения надежности. 
Успехи в создании большого количества вентилей на одном кристалле 
(достигающем в настоящее время до 109 единиц), позволило реализовать 
микропроцессорные комплекты различного назначения, которые в последнее время начали широко применятся и для решения задач ЦОС. Однако 
ограничения, свойственные однопроцессорным ЦВМ, также свойственны и 
вычислителям, выполненным на однопроцессорных БИС той или иной разрядности. 
Задача повышения производительности вычислительного процесса за 
счет распараллеливания обработки на многопроцессорных вычислительных 
системах (МВС), выполненных на основе либо универсальных ЦВМ, либо 
путем объединения микропроцессоров общего назначения, не получила 
удовлетворительного решения вследствие возникающих трудностей по 
управлению подобным комплексом, трудностями программирования и синхронизации процессов обмена. 
Тем не менее, полученный опыт создания таких вычислительных комплексов привел к появлению МВС, выполняемых на основе специализированных микропроцессоров. 
Использование подобных микропроцессоров в МВС позволяет, при наложении ряда ограничений по функциональным возможностям на каждый 
из них, добиться устранения ограничений, свойственных многопроцессорным системам, выполняемым на базе универсальных ЦВМ или микропроцессоров общего применения. 
В свою очередь, современные МВС условно можно разделить на два 
больших подкласса. К первому из них относят систолические МВС, архитектура которых на этапе проектирования задается полностью и которые, 
как правило, выполняются в виде сверхбольших интегральных схем 
(СБИС). Особенностью таких СБИС является то, что на одном кристалле 
могут находиться сотни микропроцессоров, каждый из которых, как правило, соединен только с находящимися рядом. 
Архитектура второго подкласса МВС на этапе проектирования задается 
не полностью и доопределяется на этапе программирования той или иной 
задачи. Последнее позволяет получать более высокую производительность 
вычислителей, носящих название многопроцессорных систем с программируемой архитектурой (МВС ПА). 
Следует сказать, что в ЦОС наиболее удобным для реализации на МВС 
алгоритмом с распараллеленной обработкой данных явился алгоритм БПФ. 
 
4 

Введение 
 
Последнее связано с возможностью параллельной подачи входных данных, 
его регулярностью, а также рядом таких немаловажных особенностей как 
одинаковое время выполнения операций в каждом микропроцессоре, реализующим базовую операцию БПФ. Данные обстоятельства привели к тому, что 
производительность подобных вычислителей достигла величины 109-1010 операций в секунду, что позволило обрабатывать процессы, полоса которых достигала единиц и десятков мегагерц. 
Разработка алгоритмов, которые обеспечивали бы обработку сигналов с 
полосами единицы и десятки мегагерц путем непосредственного вычисления 
интеграла свертки за счет использования свойств, присущих многопроцессорному вычислителю, позволила снять ограничения, свойственные алгоритмам БПФ. Однако эти алгоритмы, в связи с недавним их появлениям, не получили подробного освещения в литературе. Известные работы в этом направлении находятся в различного вида публикациях, что затрудняет эффективное их использование при построении различного рода устройств ЦОС. 
Поэтому, учитывая, что за последнее время появилось много работ по 
современным методам ЦОС, данная работа рассматривает многие методы и 
алгоритмы с учетом современного состояния вычислительной техники и 
возможности реализации указанных алгоритмов для отработки радиосигналов, поступающих с выхода линейной части радиоприемного устройства. 
Отметим следующее важное обстоятельство. Появление указанных устройств также позволило начать пересмотр алгоритмов обработки радиосигналов. Последнее обстоятельство привело к появлению новых видов сигналов, обладающих уникальными свойствами, а именно – ансамблей сложных 
радиосигналов второго порядка которые имеют автокорреляционные функции в виде «дельта- функций» а их взаимокорреляционные функции «ортогональны в точке и на временном интервале при произвольном сдвиге».  
Впервые рассмотрены методы синтеза ансамблей таких сложных сигналов, определены их свойства, описаны методы их формирования и обработки. Рассмотрены и проанализированы устройства, предназначенных для 
обработки ансамблей сложных сигналов второго порядка. 
Работа над книгой распределилась следующим образом: введение, 
главы 1 – 19 и заключение написаны В.И. Литюком, главы 20 – 22 – 
Л.В. Литюком. 
Авторы благодарны всем, кто оказывал им поддержку в процессе работы 
над книгой. 
Авторы надеются, что данная книга окажется полезной широкому кругу 
специалистов, занимающихся вопросами цифровой обработки ансамблей радиосигналов. 
 
5 

Методы цифровой многопроцессорной обработки ансамблей радиосигналов 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
1. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О СОВРЕМЕННОЙ 
ЦИФРОВОЙ ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЕ 
 
1.1. Вводные замечания 
Цифровая обработка сигналов средствами вычислительной техники позволяет решить задачу унификации тракта обработки сигналов на фоне помех. Один и тот же вычислитель при соответствующей его настройке может 
осуществить необходимую адаптацию для обработки сигналов с получением результатов, близких к оптимальным. 
К основным достоинствам ЦОС можно отнести [1]: 
• возможность реализации различных алгоритмов обработки на однотипной микроэлектронной базе; 
• возможность длительного накопления слабых сигналов; 
• стабильность характеристик; 
• большой динамический диапазон; 
• высокую точность выполнения арифметических операций; 
• высокую надежность; 
• малые веса, габариты; 
• высокое быстродействие; 
• отсутствие необходимости настройки электрических цепей; 
• относительно низкий уровень потребляемой мощности. 
Особенностью ЦОС в радиоприемных устройствах (РПрУ) является обязательная дискретизация аналогового сигнала во времени, квантование значений 
и преобразование дискретных выборок в числа при помощи аналого-цифровых 
преобразователей (АЦП). Преобразованию может подвергаться как сигнал целиком, так и его отдельные параметры, (амплитуда, фаза и т. д.), необходимые 
для выделения заложенной в сигнале информации. Далее все операции производятся над полученными в результате преобразования числами. 
В то же время для нормальной работы современных АЦП необходимо 
наличие сигнала на его входе в пределах нескольких вольт. Следовательно, 
требуется наличие предварительного аналогового усиления сигналов, что 
осуществляется в РПрУ. 
 
6 

1. Основные сведения о современной цифровой элементной базе 
 
1.2. Виды радиоприемных устройств 
с цифровой обработкой сигналов 
К первому виду относят аналого-цифровые РПрУ, в которых на цифровых интегральных микросхемах реализованы отдельные узлы: часть информационного тракта (демодулятор, фильтр, следящие системы, схемы 
поиска сигнала и т.п.), автоматическая регулировка усиления (АРУ), синтезатор частоты, устройство управления и отображения и т.д. [2]. 
Ко второму виду относят цифровые РПрУ, обобщенная структурная схема 
которых изображена на рис. 1.1. Линейный тракт приемника (ЛТП) в составе 
входной цепи (ВЦ), усилителя радиочастоты (УРЧ), преобразователя частоты 
(ПЧ), усилителя промежуточной частоты (УПЧ), блока формирования квадратурных составляющих (БФКС), производит предварительную частотную 
фильтрации сигналов, усиление и смещение по частоте. Далее сигналы поступают на АЦП, преобразующие аналоговый сигнал в цифровой код, который поступает в цифровой процессор. Цифровой процессор (ЦП) осуществляет окончательную обработку сигнала – дополнительные преобразования по 
частоте в случае необходимости, узкополосную фильтрацию, спектральный 
анализ, поиск сигнала, демодуляцию по заданному алгоритму и т.д. После ЦП 
может стоять цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), если в результате 
обработки информации необходимо ее представление в аналоговой форме. 
В том случае, когда быстродействие используемой в ЦП элементной базы намного превышает полосу обрабатываемых частот, целесообразно организовать вычислительный процесс на основе режима временного уплотнения для обработки нескольких сигналов, которые подключаются к нему 
по очереди, один раз за период частоты дискретизации. 
В том случае, когда полоса частот обрабатываемой информации превышает быстродействие используемой элементной базы, организация вычислительного процесса должна осуществляться на основе алгоритмов распараллеливания обработки. 
В общем случае цифровой процессор может выполняться по двум различным методам организации алгоритма. При аппаратной реализации последовательность обработки сигналов в ЦП определяется электрическими 
соединениями между отдельными узлами вычислителя. В этом случае каждый узел может быть выполнен либо для вычисления только одного функционального преобразования, либо осуществлена его настройка на выполнение требуемой операции. Такая реализация позволяет осуществлять распараллеливание обработки и достигать наибольшего быстродействия. 
Другим возможным направлением реализации алгоритма обработки в ЦП 
является программная его реализация. При этом в качестве ЦП используется 
ЭВМ, которая в зависимости от объема вычислительной задачи и назначения 
прибора может быть общего назначения или специализированной, разработанной для решения конкретной задачи. В такой реализации ЦП 
 
7 

Методы цифровой многопроцессорной обработки ансамблей радиосигналов 
 
 
 
 
 
Рис. 1.1. Структурная схема радиоприемного устройства 
с цифровой многопроцессорной системой 
обработки радиосигналов 
 
 
8 

1. Основные сведения о современной цифровой элементной базе 
 
достаточно просто осуществлять изменение алгоритма обработки, достигается простота компоновки с РПрУ, так как можно использовать либо готовую 
ЭВМ, либо серийный микропроцессорный комплект. Однако при этом основные трудности возникают при написании и отладке программы, что может 
достигать 70% трудоемкости изготовления прибора [3]. 
При программной реализации структурная схема цифрового процессора 
может быть представлена в виде, изображенном на рис. 1.2. Наличие единой 
цифровой магистрали (М) обмена позволяет существенно сократить число 
соединений между блоками, придать им регулярный характер и унифицировать их. Для увеличения быстродействия число магистралей обмена может 
быть выбрано равным 2-3. Магистральная организация позволяет легко наращивать аппаратуру при ее модернизации, производить диагностику при 
обработке или ремонте, замену блоков. 
 
 
 
Рис. 1.2. Структурная схема цифрового процессора 
с программной реализацией 
 
 
В состав цифрового РПрУ входят устройства: управления (УУ), отображения (УО), контроля (УК) для автоматической диагностики, контроллеры для 
связи линейного тракта РПрУ с магистралью (К01) и потребителями (К02). 
Программная реализация алгоритма на основе универсальной ЭВМ часто требует больших затрат машинного времени, что может затруднить реализацию обработки сигнала в реальном масштабе времени. Это объясняется 
относительно малым быстродействием ЭВМ общего назначения при вы 
9 

Методы цифровой многопроцессорной обработки ансамблей радиосигналов 
 
полнении специфических алгоритмов для обработки сигналов (преобразование Фурье, фильтрация и т.п.). 
В этом случае применяется смешанная организация вычислительного 
процесса, когда операции, требующие больших затрат машинного времени, 
выполняются в виде отдельных, аппаратно реализованных цифровых узлов, 
либо отдельной ЭВМ, специально запрограммированной для решения данной задачи. Указанная реализация требует, чтобы быстродействие аппаратно реализованного цифрового вычислителя превышало на один-два порядка 
ширину полосы частот обрабатываемого сигнала. 
 
1.3. Особенности построения многопроцессорных 
вычислительных систем 
Очевидно, что цифровая обработка наиболее эффективна при обработке 
сигналов, поступающих по «цифровым» каналам связи, которые состоят из 
обычного непрерывного (аналогового) канала связи (по проволоке или эфиру), к которому на входе (в передатчике) подключено устройство кодирования и формирования цифровых сигналов, модуляция ими несущей, а на выходе канала (в приемнике) – демодуляция и подача на решающее устройство. Последнее служит для опознавания переданных сигналов. 
Применение сигналов известной формы, в которых цифровая информация заложена в изменении их параметров, позволяет реализовать цифровыми методами оптимальную обработку. 
В свою очередь, создание микропроцессоров и на их основе многопроцессорных вычислительных систем позволяет на два-три порядка увеличить 
информационную производительность ЭВМ и существенно улучшить другие характеристики [4-6]. Переход от процедурного принципа программирования операций в ЭВМ к аппаратной их реализации за счет резкого повышения степени интеграции используемых микросхем, открыло новые 
возможности при синтезе структур современных микропроцессоров и архитектур МВС. Сверхбольшие интегральные схемы (СБИС) позволили решить 
задачу синтеза микропроцессоров с аппаратной реализацией микроопераций, создать мощные системы коммутации и осуществлять перестройку 
архитектуры многопроцессорных систем за счет программирования многочисленных каналов связи. 
Многопроцессорные системы проектируются и реализуются на основе 
различных видов микропроцессоров. В настоящее время определились четыре вида микропроцессоров, используемых в указанных вычислительных 
системах [7]: 
• микропроцессоры с последовательным потоком команд и последовательным потоком данных; 
• микропроцессоры с параллельным потоком команд и последовательным потоком данных; 
 
10