Требования к отчету.

Отчет по работе должен содержать:

1) Технические данные установки.

2) Структурную схему СП.

3) Расчетные зависимости рабочих характеристик СП.

4) Экспериментальные результаты, нанесенные на графики расчетных зависимостей.

5) Выводы по проделанной работе.

Приложение

В настоящем сборнике помещены лабораторные работы, посвящен­ные исследованию цифровых специализированных процессоров (СП) об­наружения и определения углового положения цели в обзорных РЛС, использующих в качестве зондирующего сигнала некогерентную после­довательность радиоимпульсов. Цель приложения - показать возможное построение РЛС, использующей многоканальный по дальности СП, поз­накомить более подробно с устройствами временной и амплитудной дискретизации.

П.1. Задачи, решаемые радиолокационными комплексами (РЛК)

В процессе обзора воздушного пространства в РЛК решаются раз­личные задачи, последовательность выполнения которых можно услов­но разделить на следующие этапы.

I. Обнаружение сигналов, отраженных от целей с заданной ве­роятностью правильного обнаружения D и ложной тревоги F на фоне собственных шумов и внешних помех во всей зоне обзора, по даль­ности и угловым координатам.

Измерение (оценка) координат обнаруженных целей на проходе (за время нахождения цели в луче диаграммы направленности (ДН) антенны).

Оцифровка данных и передача извлеченной радиолокационной информации в центральную специализированную цифровую электронную вычислительную машину СЭВМ (СЦВМ).

Решение этих задач осуществляется в каждом периоде обзора РЛС и относятся к первичной обработке радиолокационной информации.

II. Обнаружение траекторий целей по совокупности радиолока­ционных отметок, полученных за несколько периодов обзора на эта­пе первичной обработки.

Сопровождение траектории цели и уточнение параметров её дви­жения в процессе сопровождения.

Решение этих задач, относящихся к вторичной обработке ра­диолокационной информации, осуществляется обычно в специализиро­ванных электронных (цифровых) вычислительных машин СЭВМ (СЦВМ).

По результатам сопровождения траекторий осуществляется вы­бор наиболее важных целей и передача их на сопровождение в специ­ализированные автономные измерительные устройства, что обеспечи­вает повышение точности измерения координат цели и сопровождения ее траектории. Выбор цели на автосопровождение в автономном изме­рительном устройстве может осуществляться автоматически либо оператором по результатам визуальной оценки воздушной обстановки, отображаемой на экране дисплея.

III. Объединение информации нескольких РЛС, составляет тре­тий этап и имеет задачу получения дополнительной информации о ха­рактеристиках движения целей, их идентификации и т.д.

На рис. 10 приведена функциональная схема обзорной РЛС (возможный вариант построения). РЛС осуществляет обзор воздушного пространства в заданном диапазоне дальностей (Rmin,Rmax) и по одной из угловых координат азимуту, либо углу места в диапазоне углов (qmin,qmax) и сопровождение выбранных целей.

Синхронизатор РЛС формирует последовательности синхроимпульсов, осуществляющих временную синхронизацию работы всех устройств, входящих в состав РЛС, а также последовательности опорных и изме­рительных импульсов.

Импульсы запуска передатчика (ИЗП) с периодом повторения Тп поступают на вход модулятора (Мод), формирующего импульс модуля­ции мощного СВЧ магнетронного генератора (МГ). В случае приме­нения сигналов сложной формы структурная схема передатчика сущест­венно усложняется. С выхода МГ высокочастотные зондирующие радиоимпульсы, через антенный переключатель (АП) поступают в антенну(А) и излучаются в пространство.Отраженные от целей радиоимпульсы принимаются антенной и через АП поступают на вход усилителя высокой частоты (УВЧ). Для уменьшения влияния отражений от близких местных предметов, может быть предусмотрено стробирование АП на время относительно начала зондирующего импульса.

В смесителе осуществляется перенос сигналов на промежуточ­ную частоту выделением комбинационной частоты, образующейся при смещении отраженных сигналов с напряжением гетеродина (Г). Для по­вышения стабильности частоты гетеродина f_г, Г охвачен цепью ав­томатической регулировки частоты гетеродина (АПЧГ).

Основное усиление отраженных сигналов осуществляется в уси­лителе промежуточной частоты УПЧ. С целью уменьшения динамическо­го диапазона амплитуд отраженного сигнала зависящих от дальности при фиксированной ЭПР цели осуществляется регулировка усиления УПЧ. Управляющее напряжение вырабатывается схемой временной авто­матической регулировки усиления ВАРУ, синхронизация работы которой производится ИЗП. При

Рис.10. Структурная схема обзорной РЛС с цифровой обработкой сигналов

использовании сложных сигналов в тракте про­межуточной частоты осуществляется согласованная фильтрация одиночного радиоимпульса. Частотная характеристика согласованного фильтра

,

где - комплексно-сопряженный спектр одиночного радиоимпульса.

Сигнал с выхода УПЧ детектируется в амплитудном детекторе, и поступает на устройство временной и амплитудной дискретизации {УВАД). Временная дискретизация осуществляется с частотой, опре­деляемой шириной спектра сигнала ( ). На входе УВАД образуется цифровые коды выборочных значений амплитуд сигнала, поступающих с выхода АД на вход специализированного процессора цифровой обработки (СПЦО) с частотой . В дальнейшем под специализированным процессором (СП) первичной обработки ра­диолокационной информации будем понимать совокупность УВАД и СПЦО. В СП в соответствии с выбранным алгоритмом обработки осуществля­ется принятие решения на обнаружение целей (ОБН), оценка углового положения цели (ЦП) и грубая оценка дальности до обнаруженной це­ли. Оценка дальности до цели осуществляется фиксацией текущего кода дальности AR в момент обнаружения цели. Код дальности AR поступает из синхронизатора РЛС со счетчика СТAR . Изменение состояния СТAR происходит с частотой Fдд, а начальная установка по импульсу ИЗП. Оценка угловой координаты осуществляется фикса­цией текущего кода угла Aq в момент наличия сигнала ЦП. Код Aq поступает со счетчика CTAq. Изменение состояния CTAq происхо­дит с частотой дискретизации угла , а начальная уста­новка импульсом начала обзора (НО), поступающим от системы управ­ления антенной (СУА) с периодом Т0. Обычно .

Сигналы ОБН, ЦП, коды AR, Aq поступают в устройство ввода/вывода первичной информации (УВВПИ), содержащего контроллер вво­да/вывода и буферное ОЗУ, предназначенное для накопления инфор­мации поступающей из СП и информации, предназначенной для обмена между СП и СЭВМ по шине обмена (ШО).

Результаты вторичной обработки информации в СЭВН через ус­тройство вывода визуальной информации (УВВИ) поступают на дисплей отображения воздушной обстановки (ДОВО). Часть информации с УВВИ, прежде чем поступить на ДОЗО подвергается преобразованию в анало­говую форму в блоке цифроаналоговых преобразователей (блок ЦАПВИ).

Автономные измерительные устройства - устройства, автосопровождения по дальности (АСД), и по углу (АСН) осуществляют сопровождение наиболее важных целей. На рис.10 показана реализация АСД и АСН в аналоговом виде, что вызывает необходимость введения в состав РЛС преобразователей дальность-код (ПДК) и преобразова­телей направление-код (ПНК), необходимых для представления коорди­нат в цифровой форме. Целеуказание по дальности в АСД поступает от СЭВМ через ЦАПД, а по углу в АСН через ЦАПУ. Прохождение информа­ции о захвате цели по соответствующей координате условно не пока­зано. Обмен информацией между СЭВМ автономными измерителями осу­ществляется через устройство ввода/вывода следующих систем УВВ СС.

Устройство ввода данных оператора (УВДО) служит для оперативного воздействия оператором на процесс обработки данных СЭВМ по результатам визуальной оценки воздушной обстановки. Связь СЭВМ РЛС в комплекс, состоящий из нескольких станций, осуществляется через устройство ввода/вывода системы связи УВВС и систему связи (СС).

П-2. Построение устройств временной и амплитудной дискретизации

Обобщенная схема УВАД приведена на рис.11а. Устройство состо­ит из схемы выборки и запоминания (СВЗ) и аналого-цифрового преоб­разователя (АЦП). СВЗ осуществляет фиксацию амплитуды входного сиг­нала на время Тдд. Длительность импульса управления СВЗ определяется шириной спектра обрабатываемого сигнала и необходимой точ­ностью фиксации выборочного значения амплитуды. Наличие СВЗ позволяет существенно снизить требования по быстродействию к АЦП. Импульсы запуска АЦП следуют с периодом Тдд, и задержаны относитель­но Тдд на время переходных процессов в СВЗ tсвз. Время установления многоразрядного кода амплитуды сигнала с выхода СВЗ в АЦП (tацп) с учетом времени сброса кода в последующее устройство можно определить из выражения . Появление быстродействующих АЦП параллельного типа (II07ПBI, II07ПB2, 1107ПВ3) позволяет осуществить "стробирование налету" т.е. обойтись без СВЗ. Однако следует учитывать, что стоимостные показатели и потребление у них значительно выше, чем у менее быстродействующих АЦП последовательных приближений (1108ПВ1). Процесс установления кода в устройстве поясняется на рис.11б.

Желание сократить аппаратурные затраты при реализации УВАД и СП, привело к появлению устройств временной и амплитудной дискретизации, выходным сигналом которых является однобитовый код (рис. I.2в). Этo устройство принято называть амплитудно-временными квантователями. В пороговом устройстве (ПУ) осуществляется сравнение входного сигнала Uвх с пороговым напряжением U0.

Выходной сигнал Uпу=1, если Uвх ³ U0 и Uпу=0, если Uвх < U0. Во временном квантователе (ВК) осуществляется временная дискретизация сигнала с периодом Тдд. Отсутствие СВЗ обусловлена наличием быстродействующих пороговых устройств (компара­торов) серий 521, 597. Сигнал с выхода АВК принято называть бинарноквантованным (двухуровневым). Процесс квантования поясняется на рис.1.2г. Согласованная фильтрация одиночного импульса с последующим амплитудным детектированием позволяет рассматривать ПУ, как обнаружитель одиночного импульса, в котором решение на обна­ружение принимается при превышении Uвх порогового напряжения U0 . Это дает возможность характеризовать НУ (обнаружитель одиночного импульса) вероятностью ложной тревоги при обнаружении одиночного импульса - вероятностью превышения шумом порога квантования Рш , и вероятностью правильного обнаружения одиночного импульса - вероятностью превышения смесью сигнала и шума порога квантования Рсш, рассматриваемых для фиксированной задержки относительно ИЗП (в од­ном канале по дальности). В случае стационарного и эргодического шума эти характеристики будут одинаковы для любого из каналов даль­ности в пределах заданного диапазона (Rmin,Rmax). Характеристи­ки обнаружения одиночного импульса , где приведены в [1].

Для современных РЛС, использующих автоматизированные системы обработки, одной из серьезных проблем является стабилизация веро­ятности ложной тревоги F. Стабилизация величины F позволяет избежать перегруженности центральной СЭВМ, и повысить качество вторичной обработки.

Один из возможных вариантов построения УВАД, позволяющего стабилизировать Рш (а в конечном итоге F) приведен на рис.11д. Пороговое напряжение U0 формируется на выходе цифроаналогового преобразователя (ЦАП), уровень его пропорционален коду, поступающе­му с реверсивного счетчика СТ. На суммирующий вход (+1) СТ посту­пают импульсы частоты , а на вычитающий вход (-1) частоты , где L - коэффициент деления счет­чика CTL. После установления кода в реверсивном счетчике в ЦАП реализуется такое значение порога Uп, при котором . Вероятность Рш поддерживается на уровне . Часто­та квантования fдд выбирается из условия обеспечения некорре­лированности отсчетов шума на интервале .

Другой возможный вариант построения УВАД, обеспечивающего стабилизацию Рш, изображен на рис.11е , где в качестве обнаружителя одиночного импульса используется модифицированный знаковый обнаружи-тель. Выборочные значения сигнала с выхода амплитудного детектора преобразуются в многоразрядный цифровой код в АЦП и пос­тупают на цифровую линию задержки (ЦЛЗ), состоящую из n последовательно включенных регистров сдвига . С выхода центрально­го регистра ЦЛЗ код поступает на неинвертирующий вход (n-1)цифровых компараторов (ЦК), на инвертирующие входы ЦК подаются ко­ды с выходов остальных регистров . Выходы ЦК объединены по схеме ”&”. Таким образом, единица на выходе схемы ”&” (обна­ружение сигнала одиночного импульса) появится при одновременном превышении кодом в центральном значений кодов в других . Такое построение УВАД обеспечивает получение , где n - число отводов линии задержки. Частота, поступления выбо­рочных значений от АЦП выбирается из условия обеспечения независи­мости выборочных значений шума. Обычно её выбирают равной частоте дискретизации дальности.

При L=n устройства, изображенные на рис.2д, рис.2е, обеспечивают одинаковое значение Рш , при условии, что статистичес­кие характеристики шума остаются неизменными (интервал эргодичнос­ти) в течение времени для схемы рис.2е и , где nст - число разрядов счетчика СТ для схемы по рис.2д. Обычно . Существенным недостатком схемы рис.2е является эффект подавления слабой цели более сильной в слу­чае, если временная задержка между целями dtз, лежит в пределах .

П.3. Построение многоканального по дальности СП при бинарном квантовании сигнала.

Структурная схема многоканального по дальности СП и временные диаграммы, поясняющие его работу приведены на рис.12. В состав СП входят: УВАД (возможное выполнение рассмотрено выше); буферный ре­гистр (Буф RG); оперативное запоминающее устройство (ОЗУ СПЦО), выполняющего роль многоканальной по дальности ЦЛЗ; арифметическо-логическое устройство (АЛУ СПЦО); контроллер интерфейса СП, осуществляющего управление обменом СП и СЭВМ.

Априорно предполагается, что смещением цели за. время её нахож­дения в луче ДН можно пренебречь , где - радиальная скорость цели, - ширина ДНА по уровню половин­ной мощности; - скорость сканирования антенны. Таким образом, сигнал отраженный от цели будет находиться в одном и том же элементе разрешения по дальности, т.е. иметь фиксированную задержку относительно ИЗП. Угловое положение каждого отраженного от данной це­ли импульса будет изменяться за Tп на один элемент углового разрешения . Число импульсов отраженных от цели можно считать равным .

В качестве примера запишем алгоритм квазиоптимальной цифро­вой обработки сигналов при обнаружении

а при измерении положения центра пачки ,

где переменная j определяет положение текущей суммы выборочных значений относительно импульса НО, переменная i определяет номер канала дальности, М - определяет число каналов дальности. В режи­ме "скользящего

Рис.11. Примеры структурных схем устройств амплитудной и временной дискретизации: а) обобщенная схема амплитудно-временного преобразования, б)схема временной дискретизаций, в)временные диаграммы при амплитудной дискретизации, г) схема амплитудной дискретизации, д) устройство амплитудно-временной дискретизации со стабилизацией вероятности ложной тревоги, д) устройство амплитудно-временной дискретизации со стабилизацией вероятности ложной тревоги с помощь модифицированного знакового обнаружителя

Рис.12. Структурная схема многоканального по дальности спец процессора цифровой обработки сигналов в обзорной РЛС.

окна" j меняется с шагом I и темпом, определя­емым дискретностью зондирующего сигнала (Tп). Из анализа алгорит­мов следует, что для их реализации в СП необходимо осуществить за­поминание (m-1) выборочных значений сигнала по каждому i-му эле­менту дальности за (m-1) предшествующих периодов зондирова­ния и произвести их совместную обработку с выборочным значением, полученным в текущем периоде зондирования по этому элементу. Запо­минание выборочных значений осуществляется в ОЗУ СПЦО емкостью (m-1)хМ. Каждому каналу дальности i в ОЗУ ставится в со­ответствие (m-1) ячейка памяти с адресом ARi. Код адреса ОЗУ СПЦО AR образуется в счетчике текущей дальности и изменяется с темпом Tдд. Информация с выхода ОЗУ СПЦО (ОРАМ) и УВАД по им­пульсу ЗАП RG записывается в Буф RG . С выхода Буф RG переда­ется информация на обработку в АЛУ СПЦО, сдвинутая на одну позицию поступает на вход ОЗУ СПЦО (I PAМ), и записывается в ОЗУ импульсом ЗАП/СЧ. Цикл записи/считывания за период Т заканчивается, и ОЗУ СПЦО по данному каналу дальности подготовлено к работе в сле­дующем периоде зондирования. При проектировании СПЦО необходимо обеспечить одновременное присутствие информации по i-му каналу дальности, поступающей от УВАД и ОЗУ СПЦО на входе Буф RG, в мо­мент ее записи ( ЗАП RG), что обеспечивается жесткой синхрони­зацией импульсов Tдд и кода АR .За время цикла запись/считывание значение адреса выбираемой ячейки должно сохраняться. Таким об­разом, работоспособность ОЗУ СПЦО будет обеспечена, если время цикла выбранного типа ОЗУ меньше .

В АЛУ СПЦО осуществляется обработка сигналов в соответствии с выбранным алгоритмом, вычисление координат цели и выдача сигналов ОБН, ЦП и координат через контроллер интерфейса на СЭВМ.

импульсом ЗАП/СЧ. Цикл записи/считывания за период Т заканчивается, и ОЗУ СПЦО по данному каналу дальности подготовлено к работе в сле­дующем периоде зондирования. При проектировании СПЦО необходимо обеспечить одновременное присутствие информации по i-му каналу дальности, поступающей от УВАД и ОЗУ СПЦО на входе Буф RG, в мо­мент ее записи ( ЗАП RG), что обеспечивается жесткой синхрони­зацией импульсов Tдд и кода АR .За время цикла запись/считывание значение адреса выбираемой ячейки должно сохраняться. Таким об­разом, работоспособность ОЗУ СПЦО будет обеспечена, если время цикла выбранного типа ОЗУ меньше .

В АДУ СПЦО осуществляется обработка сигналов в соответствии, вычисление координат цели и выдача сигналов ОБН, ЦП и координат через контроллер интерфейса на СЭВМ.

Сегодня в современной технике для построения сложнейших цифровых схем специализированных процессоров (СП) широко используются программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС). С их применением значительно улучшаются технические характеристики устройств цифровой обработки сигналов:[1]

- уменьшаются габариты устройства;

- уменьшается энергопотребление;

- повышается производительность;

- повышается точность вычислительных операций;

- значительно увеличивается логическая емкость на корпус микросхемы.

В отличие от сигнальных процессоров, которые также нашли свое применение в специализированных вычислителях, ПЛИС обладают весьма важными свойствами [1] для первичной обработки:

- потоковость;

- масштабирование;

- параллельное вычисление.

В микросхеме ПЛИС возможно реализовать потоковость (конвейерная архитектура), чтобы избежать задержек потока данных и организовать обработку в реальном времени. За счет избыточной логической емкости кристалла ПЛИС можно увеличить разрядности операндов алгоритма СП, тем самым увеличить точность вычислений, т.е. произвести масштабирование. На ПЛИС возможно организовать параллельное вычисление операндов, увеличивая производительность СП, что не доступно на многих сигнальных процессоров, где инструкции выполняются поочередно друг за другом.

Обобщая распространенные виды ПЛИС можно сказать, что ПЛИС – это массив логических элементов (ЛЭ) в одном корпусе микросхемы, в которой входы/выходы ЛЭ можно соединять с друг другом в необходимом порядке внутри микросхемы, программируя матрицу соединений. Иными словами: ПЛИС – некий «конструктор», в котором пользователь определяет, как соединить те или иные его части.

Лидирующими фирмами-производителями ПЛИС являются, Altera, Xilinx, Actel, Atmel, Lattice и др. Среди них следует отметить фирмы Altera и Xilinx, которые активно продвигают свою продукцию, выкладывая на своих сайтах подробную документацию, демонстрационные примеры реализации разных цифровых устройств, обучающие курсы и материалы по цифровой технике, программное обеспечение системы автоматического проектирования (Quartus II, ISE Design Suite).

По материалам источников [2, 3] ниже приведены сравнительные таблицы одного из семейств ПЛИС (архитектура FPGA) фирм Altera и Xilinx. Семейство ПЛИС Cyclone II (Altera) и Startan-3 (Xilinx) имеют схожую внутреннюю структуру. Характеристики этих семейств приведены в таблице 1 и 2 соответственно.

Семейство Cyclone II Altera Таблица 1

Семейство Spartan-3 Xilinx Таблица 2

Следует отметить наличие в приведенных семействах (таблица 1, таблица 2) встроенного ОЗУ и выделенных быстродействующих умножителей, которые заметно расширяют функциональность кристалла. Умножение – типичная операция цифровой обработки сигналов (ЦОС). Использование выделенных умножителей сокращает требуемый логический объем в основной области кристалла и увеличивает быстродействие системы. Зачастую в алгоритмах цифровой обработки требуется запоминать сравнительно большой объем данных промежуточных вычислений, или производить буферизацию входных или выходных данных. Для этих целей более эффективно использовать ОЗУ нежели большой объем регистров из основной области кристалла.

Учитывая это, производители все чаще встраивают в ПЛИС выделенные быстродействующие унифицированные блоки типичные для цифровой обработки. Это особенно заметно в последних семействах ПЛИС Altera и Xilinx (Startix 5, Vertex 6), где встроены высокоточные быстродействующие блоки ЦОС:

- высокоточные умножители 54х54 с плавающей запятой;

- быстродействующие умножители до 64х64 с фиксированной запятой, в т.ч. умножители комплексных чисел;

- 64 разрядные накопители;

- каскад выходных сумматоров для организации КИХ фильтров;

- банки быстродействующих регистров для хранения коэффициентов фильтров.

Одними из основных характеристик ПЛИС являются быстродействие и логическая емкость, выраженная либо в количестве ЛЭ, либо в количестве эквивалентных вентилей. Чтобы иметь представление об аппаратных затратах и производительности при проектировании цифровых модулей в таблице 3 представлены характеристики умножителя 36х36 реализованного на микросхеме EP2C70F896C6 семейства Cyclone II Altera, на основой логике кристалла и на выделенных умножителях.

Умножитель 36х36 на Cyclone II Altera Таблица 3

На основе данных из таблицы 3 следует вывод, что использование выделенных блоков ЦОС в ПЛИС не только уменьшает затраты основного логического объема кристалла, но и значительно увеличивает быстродействие модуля.

В заключение следует указать, что на данный момент уже существует отечественный аналог 5576ХС1Т и 5576ХС1Т1 [4] от ОАО "ВЗПП-С", его краткие характеристики приведены в таблице 4. Он функционально соответствует микросхеме Altera EPF10R50RI240 семейства Flex10K50.

Характеристики ПЛИС 5576ХС1Т Таблица 4

Литература

1.Проектирование цифровых устройств первичной обработки сигналов РЛС /Ред. Богомолов А.Ф. М.: Моск. энерг. ин-т, 1985. 75 с.

2.Бакулев П.А. Радиолокационные системы. Учебник для вузов. Изд.2-е, перераб. и доп.- М.: Радиотехника, 2007.-376 с.

3. Дж. Ф. Уэйкерли. Проектирование цифровых устройств. В2-х томах. М: Постмаркет, 2002. –544с.

4. Матюшин О.Т. Проектирование цифровых устройств на ПЛИС.-М.: Изд-во МЭИ, 1999. – 16 с.