УСТРОЙСТВО ОБРАБОТКИ ЦИФРОВЫХ СИГНАЛОВ И ИНФОРМАЦИИ

Предлагаемое устройство обработки цифровых сигналов и информации относится к области радиоэлектроники, в частности к устройствам обработки сигналов и информации, полученных от приемных каналов РЛС.
Известны устройства обработки, содержащие системный модуль управления и обработки информации с контроллером внешних интерфейсов, системную шину, модули кластеров обработки сигналов, схему межкластерных связей и схему ввода входных данных. В качестве системного модуля в таких устройствах, как правило, применяют модуль одноплатной ЭВМ [1], а модуль кластера обработки сигналов - это модуль, содержащий, в частности, несколько сигнальных процессоров [2]. Кластеры обработки сигналов связаны между собой схемой межкластерных связей в соответствии с требуемым алгоритмом обработки сигналов, полученных от приемных каналов РЛС через схему ввода входных данных. Эти данные, как правило, представляют собой оцифрованные радиолокационные сигналы, сопровождаемые цифровой информацией о текущем режиме работы РЛС. Системный модуль через системную шину осуществляет в устройстве функции системного управления и выполняет обработку информации, полученной кластерами в результате обработки сигналов. Результирующая информация поступает во внешнюю среду потребителям в виде информационных сигналов чрез контроллер внешних интерфейсов. Наиболее близким к предлагаемому устройству по технической сущности и выполняемым функциям является устройство [3], принятое за прототип.
Известное устройство (фиг. 1) содержит системный модуль 1 управления и обработки информации с контроллером 2 внешних интерфейсов, модули кластеров 3(1) - 3(m) обработки сигналов, системную шину 4, схему межкластерных связей 5 и схему 6 ввода входных данных 7. Количество модулей кластеров зависит от решаемых в устройстве функциональных задач. Каждый кластер - это процессорный модуль, структура которого содержит один или несколько процессоров (одно- или многоядерных), память, схемы управления, синхронизации и схемы ввода-вывода. Модули кластеров 3 подключены к схеме межкластерных связей 5 для взаимодействия друг с другом в соответствии с требуемыми функциями обработки. Модули кластеров 3 выполняют обработку сигналов и информации, передаваемых через схему 5 от схемы ввода 6, на которую поступают входные данные 7. Модуль 1 через двустороннюю системную шину 4 обеспечивает системное управление кластерами 3, схемой 5 (через кластеры 3) и схемой 6, т.е. начальную установку, задание требуемых видов обработки и режимов функционирования, загрузку программ обработки в памяти, получение результатов кластерной обработки и т.п. Информацию, полученную от кластеров 3 через системную шину 4, модуль 1 после надлежащей функциональной обработки передает через контроллер 2 внешним абонентам в виде информационных сигналов через каналы внешних интерфейсов 8. Каналы 8 могут быть одно- и двусторонними в зависимости от типа потребителя. Кластеры 3 обеспечивают определенные виды сигнальной обработки, например сжатие сигналов со сложными видами модуляции, фильтровую обработку, накопление, пороговую обработку и т.п. Модуль 1 обеспечивает, как правило, первичную, вторичную обработки радиолокационной информации, а также функции системного управления и контроля.
Такое устройство имеет недостатки:
- системный модуль управления и обработки информации с контроллером внешних интерфейсов отличается по составу от модулей кластеров. Поэтому из-за разнотипности аппаратуры для ее отладки с программным обеспечением требуются несколько типов стендов с разными операционными системами и управляющими программами. Это усложняет процесс отладки аппаратуры и программного обеспечения, усложняет функциональный контроль и эксплуатацию устройства;
- связь системного модуля управления с модулями кластеров осуществляется через специальную системную шину. Эта связь существенно отличается от связей между модулями кластеров, и, помимо того, что сама организация и протокол обмена по системной шине сложны, системная шина в устройстве используется неэффективно, т.к. поток информации через нее небольшой, поскольку это уже обработанная отселектированная информация. Сами функции системного управления: сброс, начальная конфигурация, загрузка функциональных программ и т.п. - это разовые операции, не требующие сложных алгоритмов взаимодействия. В результате наличие специальной системной шины усложняет и удорожает устройство.
- обеспечить требуемую надежность устройства в изделии практически можно только с помощью 100%-ного резервирования устройства. Помимо чисто схемных проблем с дублированием широкополосных внешних сигналов возникает проблема удвоения стоимости аппаратуры;
- аппаратура устройства обработки, как правило, энергоемкая, поэтому требуются серьезные затраты на обеспечение питания и охлаждение аппаратуры, особенно при дублировании аппаратуры устройства (для удовлетворения требований надежности).
Сущность предлагаемого устройства обработки цифровых сигналов и информации заключается в том, что оно содержит системный модуль управления и обработки информации с контроллером внешних интерфейсов, модули кластеров обработки сигналов, схему межкластерных связей и схему ввода входных данных. Устройство отличается тем, что дополнительно содержит коммутатор внешних интерфейсов и в каждый модуль кластеров введены контроллер внешних интерфейсов и схема функционального контроля. Все контроллеры внешних интерфейсов подключены к коммутатору внешних интерфейсов, а все модули кластеров однотипны с системным модулем, функции которого выполняет один из модулей кластеров. Этот модуль обеспечивает в устройстве функции системного управления через схему межкластерных связей, а через коммутатор внешних интерфейсов - подключение внешних интерфейсов устройства к установленному в модуле контроллеру внешних интерфейсов. В результате все модули кластеров однотипны, образуют однородную вычислительную среду под управлением общей системной программы с единой операционной системой, поэтому для изготовления, отладки и эксплуатации таких модулей требуется только один тип стенда. Это сокращает общее число стендов, необходимых для устройства.
Т.к. системный модуль управления и обработки информации становится аппаратурно одинаков с модулями кластеров обработки сигналов, то его связи с модулями кластеров однотипны связям между модулями кластеров. Поэтому отпадает необходимость в специальной системной шине, и все информационные обмены и управление в устройстве происходят через схему межкластерных связей, что упрощает аппаратурное построение устройства. Все модули (и системный, и кластеров) отличаются друг от друга только функциями, выполняемыми под управлением определенной программы, записанной в память модуля. По какой программе работает конкретный модуль - зависит от физического положения модуля в устройстве и определяется модулем, который в текущий момент выполняет функции системного управления.
Такое построение позволяет применить в вычислительной среде устройства «скользящий» резерв для автоматической замены отказавшего модуля вычислительной среды на исправный для увеличения надежности работы аппаратуры. В этом случае в устройство дополнительно установлен резервный модуль кластера с программной загрузкой, соответствующей программным загрузкам всех остальных модулей. При этом каждый модуль вычислительной среды содержит однотипную схему функционального контроля, выявляющую неисправность, блокирующую работу неисправного модуля и управляющую подключением резервного модуля вместо отказавшего. При надлежащей конфигурации схемы межкластерных связей и коммутатора внешних интерфейсов возможны различные варианты «скользящего» резерва.
Все указанные меры позволяют повысить надежность работы устройства, сократить номенклатуру составных частей устройства, упростить функциональный контроль, сократить типы стендов, упростить отладку и эксплуатацию устройства.
Предлагаемое устройство особенно полезно в адаптивных системах обработки цифровых сигналов многоканальных РЛС со сложной структурой сигнала.
Сущность предлагаемого устройства обработки цифровых сигналов поясняется схемой на фиг. 2.
Устройство сдержит системный модуль 3(n) управления и обработки информации с контроллером 2 внешних интерфейсов, модули кластеров 3(1)-3(n-1) обработки сигналов, схему 5 межкластерных связей и схему 6 ввода входных данных 7. Отличается тем, что дополнительно содержит коммутатор 9 внешних интерфейсов, в каждый модуль 3(1)-3(n-1) введен контроллер 2 внешних интерфейсов, а во все модули 3(1)-3(n) введена схема функционального контроля 10. При этом все контроллеры 2 подключены к коммутатору 9 внешних интерфейсов. Коммутатор 9 подключен к внешним абонентам через каналы 8 внешних интерфейсов, которые могут быть одно- или двусторонними и связаны через коммутатор 9 с контроллером 2 системного модуля. В результате вычислительная среда в устройстве содержит однотипные по схемам и конструкции процессорные модули, т.е. системный модуль 3(n) и модули кластеров 3(1)-3(n-1) аппаратурно идентичны. Естественно, что для решения функциональных задач процессоры в каждом модуле работают по своей программе, выбранной из массива записанных в память модуля программ и определяемой структурой обработки.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
При первичной регулировке-отладке устройства с помощью отладочного стенда программно распределяют функции модулей в устройстве. Это осуществляется путем записи через схему 5 программ, например, во флэш-память каждого процессорного модуля и установки признаков, по какой программе должен работать данный процессорный модуль. Кроме этого, также программным путем определяют (фиксируют), какие модули и как должны быть подключены к схемам 5 и 6 в соответствии с алгоритмом функционирования. Таким образом, в аппаратуре устройства фиксируют физические места, закрепляемые за функциональными единицами устройства, а именно: за модулем 3(n), за модулями кластеров 3(1)-3(n-1), и их подключение к схемам 5 и 6. Коммутатор 9, используя адресный признак, подключает к каналам 8 выходы контроллера 2 внешних интерфейсов только того модуля, который определен в качестве системного модуля 3(n).
После первичной регулировки-отладки в устройстве в соответствии с заданным алгоритмом обработки определено, какие задачи решает каждая функциональная единица, как эти единицы связаны между собой и с внешними абонентами устройства.
Модуль 3(n) через схему 5 обеспечивает начальную установку в исходное состояние всех электронных компонентов устройства, передачу программных компонентов в модули кластеров и программное управление ими, получение необходимой информации от модулей кластеров, надлежащее для данной конфигурации включение (подключение) схем 5 и 6 и т.п. Кроме того, модуль 3(n) через свой контроллер 2 и через коммутатор 9 обеспечивает внешние системные связи устройства по каналам 8. Входные данные 7 через схему ввода 6 и схему 5 поступают на обработку, например, в модуль кластера 3(1). Процессоры в модулях кластеров выполняют сигнальную обработку по программам в соответствии с заданным алгоритмом обработки. Модули кластеров 3(1)-3(n-1) связаны между собой схемой 5, что обеспечивает выполнение общего заданного алгоритма сигнальной обработки путем надлежащего обмена по этой схеме результатами обработки, полученными в каждом кластере. Результаты сигнальной обработки в конечном итоге поступают через схему 5 в системный модуль 3(n). Этот модуль осуществляет надлежащую функциональную обработку информации, полученной от модулей 3(1)-3(n-1). Результаты обработки информации поступают через контроллер 2 и через коммутатор 9 внешним абонентам в виде информационных сигналов по каналам внешних интерфейсов 8. Кроме того, эти результаты могут быть использованы (при функциональной необходимости) для управления через схему 5 сигнальной обработкой в модулях 3(1)-3(n-1).
В случае применения «скользящего» резервирования предполагается, что функциональные задачи в вычислительной среде устройства могут быть решены числом модулей n-1 (из общего числа n), поэтому при начальной установке один из n модулей ставится в резерв для возможной замены неисправного. Такой заменой управляет схема 10 функционального контроля, которой снабжен каждый модуль вычислительной среды. Эта схема при наличии неисправности в вычислительной среде устройства выявляет неисправный модуль и обеспечивает в устройстве надлежащее подключение резервного модуля взамен неисправного, организуя в резервном модуле работу требуемого программного обеспечения.
Все указанные меры за счет однородности вычислительной среды упрощают функциональный контроль и эксплуатацию устройства, сокращают в 2 раза типы стендового оборудования для отладки и контроля процессорных модулей, повышают надежность работы устройства не менее, чем в 2 раза.
В АО «ВНИИРТ» предлагаемое устройство обработки цифровых сигналов было промоделировано с помощью математической модели и проверены его отдельные функциональные узлы. Результаты моделирования и проверки подтвердили функциональную работоспособность устройства, возможность и эффективность его структурной организации для достижения поставленных целей при создании производительных достаточно универсальных устройств, позволяющих реализовать разнообразные сложные алгоритмы обработки цифровых сигналов в реальном масштабе времени в современных РЛС.
Источники информации
1. SBS Technologies. VR9, VP9. Pentium М PC/AT Compatible 6U VME Single Board Computer. Hardware User's Manual.
2. Wiese Signalverarbeitung GmbH. WS 2126 VME SHARC Cluster.
3. Устройство для обработки сигналов - патент на полезную модель 80962.