Устройство цифровой обработки сигналов

Техническое решение относится к области вычислительной техники, а именно к средствам высокоскоростной цифровой обработки сигналов.
Из уровня техники известно устройство обработки радиолокационных сигналов, содержащее четыре цифровых сигнальных процессора, контроллер, оперативные и постоянные запоминающие устройства, отладочные интерфейсы JTAG, канал обмена данными по интерфейсу Ethernet 10/100, каналы аналого-цифровой аппаратуры. Патент РФ № 2653293, МПК: G06F 15/163, опубликован 07.05.2018.
Известно техническое решение, выбранное в качестве ближайшего аналога, представляющее собой устройство обработки аналоговых и цифровых сигналов, включающую программируемую логическую интегральную схему и цифровой сигнальный процессор, подключенные через шину SRIO, четыре модуля динамической оперативной памяти DDR3 SDRAM, аналого-цифровой преобразователь, приемопередающее устройство Ethernet и разъем PCI-Express. Устройство дополнительно содержит выбор тактовой частоты и управление генератором тактовой частотой. Патент Китая № 205247379, МПК G06F 13/40, опубликован 18.05.2016.
Отличительными признаками заявляемого решения являются наличия разъемов JTAG для подключения к аппаратуре тестирования и отладки, связанные с ПЛИС и ЦСП, и буферизированных настраиваемых цифровых линий ввода/вывода стандарта LVTTL, подключенных к ПЛИС.
Известным техническим решениям свойственны низкое быстродействие и невысокая точность обработки данных.
Следует также отметить, что поскольку в настоящее время большинство представленных на рынке устройств сбора и обработки аналогово-цифровых сигналов имеют различные спецификации и широкий спектр интерфейсов, при стыковке их с другими устройствами или платами зачастую возникают проблемы с размером или несовпадением интерфейсов.
Задачей заявленного технического решения является создание реконфигурируемого многоканального высокоскоростного устройства цифровой обработки сигналов.
Технический результат заявляемого технического решения проявляется в улучшении технических характеристик устройства.
Учитывая специфику назначения устройства цифровой обработки сигналов, под улучшением его технических характеристик следует понимать повышение быстродействия и производительности устройства, обеспечение максимальных уровней функциональных возможностей, в частности, за счет расширения спектра поддерживаемых интерфейсов, обеспечивающих максимальную совместимость с большинством современных высокопроизводительных устройств, повышения производительности вычислительной системы, достижения минимально возможных массогабаритных показателей, увеличения скорости передачи сигналов, обработки и проведения вычислительных операций.
Технический результат достигается тем, что устройство цифровой обработки сигналов, включающее связанные каналами обмена данными программируемую логическую интегральную схему и цифровой сигнальный процессор, аналого-цифровой преобразователь, подключенный к программируемой логической интегральной схеме посредством буферизированных каналов и к тактовым генераторам, модули внешней памяти типа DDR3, подключенные к программируемой логической интегральной схеме и цифровому сигнальному процессору, приемопередатчик Ethernet, связанный с цифровым сигнальным процессором, мост PCIe-PCI для обмена данными с персональным компьютером, подключенный к программируемой логической интегральной схеме, включает разъемы JTAG для подключения к аппаратуре тестирования и отладки, связанные с программируемой логической интегральной схемой и цифровым сигнальным процессором, включает буферизированные настраиваемые цифровые линии ввода/вывода стандарта LVTTL, подключенные к программируемой логической интегральной схеме. Каналы обмена данными между программируемой логической интегральной схемой и цифровым сигнальным процессором могут представлять собой каналы типа RapidIO. Устройство цифровой обработки сигналов может быть выполнено в корпусе стандарта CompactPCI 3U 4HP.
Для описания сущности технического решения были приняты следующие сокращения:
ПЛИС - программируемая логическая интегральная схема;
ЦСП - цифровой сигнальный процессор;
PCI - Peripheral Component Interconnect - компьютерная шина ввода-вывода для подключения периферийных устройств к материнской плате компьютера;
PCIe - Peripheral Component Interconnect Express - компьютерная шина, использующая высокопроизводительный протокол последовательной передачи данных;
JTAG - Joint Test Action Group - аппаратный интерфейс для прямой связи тестового оборудования с чипами на плате;
DDR - Double Data Rate - удвоенная скорость передачи данных;
2
IC (I2C) - Inter-Integrated circuit - последовательная ассиметричная шина;
UART - Universal Asynchronous receiver/transmitter - универсальный асинхронный приемопередатчик;
SPI - Serial Peripheral Interface - последовательный периферийный интерфейс;
SGMII - Serial Gigabit Media Independent Interface - последовательный гигабитный независящий от среды передачи интерфейс;
LVTTL - Low Voltage Transistor-Transistor Logic - низковольтная транзисторно-транзисторная логическая схема;
LVDS - Low-Voltage Differential Signaling - низковольтная дифференциальная передача сигналов;
SMA - Sub-Miniature version A - соединитель для подключения коаксиального кабеля.
Устройство цифровой обработки сигналов предназначено для решения высокопроизводительных задач цифровой сигнальной обработки на базе ЦСП и ПЛИС.
Разъемы JTAG необходимы для подключения устройства к аппаратуре тестирования и отладки, что обеспечивает возможность конфигурирования ПЛИС и загрузочной памяти ПЛИС через канал JTAG, а также загрузку ЦСП по каналу JTAG ЦСП.
Буферизированные настраиваемые цифровые линии ввода/вывода стандарта LVTTL, подключенные к ПЛИС, обеспечивают организацию взаимодействия нескольких устройств в составе платы с минимальными временными задержками.
АЦП, подключенный к ПЛИС посредством буферизированных каналов и к тактовым генераторам, необходим для преобразования входного сигнала в цифровую форму и ввода его в ПЛИС с постоянной частотой тактирования.
Модули внешней памяти типа DDR3, подключенные к ПЛИС и ЦСП, обеспечивают организацию буферизации входного потока АЦП в реальном масштабе времени и результата обработки данных ЦСП. Модуль DDR3 характеризуется высокой пропускной способностью (до 19200 МБайт/с) и небольшим энергопотреблением.
Приемопередатчик Ethernet, связанный с ЦСП, необходим для организации канала обмена информацией с периферийными удаленными устройствами.
Мост PCIe-PCI подключенный к ПЛИС, осуществляет организацию канала обмена данными с персональным компьютером по универсальной шине PCI.
В предпочтительном варианте, каналы обмена данными между ПЛИС и ЦСП выполнены высокопроизводительным интерфейсом RapidIO, характеризующимся высокой скоростью передачи данных и удобным протоколом связи с минимальными программными издержками.
Устройство цифровой обработки сигналов, в предпочтительном варианте, выполнено в корпусе стандарта CompactPCI 3U шириной 4HP, являющимся универсальным форм-фактором с системным интерфейсом PCI 32бита/33МГц. Такое исполнение обуславливает множество преимуществ устройства: модульность конструкции, компактные размеры и возможность замены отдельных функциональных модулей без отключения изделия в целом.
Заявляемое техническое решение далее поясняется с помощью фигуры, на которых условно представлен один из возможных вариантов исполнения устройства цифровой обработки сигналов.
На фиг. 1 представлена структурная схема устройства цифровой обработки сигналов.
На фиг. 1. изображено устройство цифровой обработки сигналов (1), включающий связанные каналами (13), (14), (15) обмена данными ПЛИС (2) и ЦСП (3), АЦП (4), подключенный к ПЛИС (2), к встроенному тактовому генератору (5) и к внешнему генератору (6) тактовой частоты; модули (7) внешней памяти типа DDR3, подключенные к ПЛИС (2) и ЦСП (3), приемопередатчик (8) Ethernet, связанный с разъемом RG45 (20), мост (9) PCIe-PCI, разъемы (10) и (11) JTAG, буферизированные настраиваемые цифровые линии (12) ввода/вывода стандарта LVTTL для взаимодействия с другими устройствами, подключенные к ПЛИС (2). ПЛИС (2) связан с устройствами (17) и (18) энергонезависимой flash памяти интерфейса SPI для хранения прошивки ПЛИС (2). Устройство (1) на фиг. 1 дополнительно включает адаптер (19) USB связанный с ПЛИС (2) для организации канала обмена данными с персональным компьютером. Корпус устройства (1) выполнен с разъемом (21) J1 на котором реализована шина PCI и разъем (22) J2, предназначенный операций ввода/вывода линии (12).
Далее со ссылками на фигуру описана структура устройства (1) цифровой обработки сигналов.
Устройство (1) цифровой обработки сигналов включает ПЛИС (2) и ЦСП (3), связанные каналами (13), (14) и (15) обмена данными, преимущественно, представляющими собой каналы типа RapidIO с частотой не менее 3,125 Гбод/с, поддерживающими протоколы обмена данными, соответственно, I2C, SPI, UART.
Устройство (1) включает АЦП (4) с двумя буферизированными каналами, преимущественно, типа LVDS, для передачи оцифрованного аналогового сигнала в ПЛИС (2) с частотой до 250 МГц от встроенного тактового генератора (5) и от внешнего генератора (6) тактовой частоты. В предпочтительном варианте, устройство (1) выполнено с возможностью обеспечения ввода тактового сигнала в ПЛИС (2) с частотой от 1 до 100 МГц через соединитель типа SMA.
Устройство (1) включает модули (7) внешней памяти типа DDR3, подключенные к ПЛИС (2) и к ЦСП (3), обеспечивающие возможность записи/считывания данных на частоте не менее 500 МГц.
Устройство (1) включает приемопередатчик (20) Ethernet, осуществляющий обмен данными ЦСП (3) с периферийными удаленными устройствами, преимущественно, по интерфейсу Ethernet 10/100/1000 DP83867ISRGZ в режиме SGMII.
Устройство (1) включает мост (9) PCIe-PCI, преимущественно, модели PEX8112, для обмена данными с персональным компьютером по шине PCI (разъем (21)), подключенный к ПЛИС (2).
Устройство (1) включает буферизированные настраиваемые цифровые линии (12) ввода/вывода стандарта LVTTL подключенные к ПЛИС (2) выходы которых реализованы на разъеме (22).
Устройство (1) выполнено с возможностью конфигурирования ПЛИС (2) и загрузочной памяти ПЛИС (2) через канал JTAG (разъем (10)), а также загрузку ЦСП (3) по каналу JTAG ЦСП (разъем (11)). В предпочтительном варианте, устройство (1) выполнено в корпусе стандарта CompactPCI 3U 4HP.
Типичными областями применения заявленного устройства являются: кодирование/декодирование данных, цифровая сигнальная обработка информации, потоковая обработка видео- и аудиоинформации, синтез и обработка сложных сигнально-кодовых конструкций. Заявленное устройство может быть успешно реализовано как средство многоканальной цифровой обработки аналоговой информации, поступающей от разнообразных датчиков, с возможностью её уплотнения и передачи в ПЭВМ, позволяющее эффективно реализовать практически весь спектр алгоритмов обработки цифровых сигналов.
Представленные фигуры, описание конструкции и использования не исчерпывают возможные варианты исполнения и не ограничивают каким-либо образом объем заявляемого технического решения. Возможны иные варианты исполнения и использования в объеме заявляемой формулы.