1.10. Особенности разработки элементов аппаратуры систем с цифровой обработкой сигналов

Приведенные в этой главе примеры взяты из областей применения систем с речевыми сигналами. Здесь нет примеров применения методов цифровой обработки в системах с видео- и частотно-модулированными сигналами. Такой выбор областей применений обусловлен несколькими причинами. Во-первых, возможности применения цифровой обработки в системах с речевыми сигналами шире, что объясняется самой природой систем связи. Во-вторых, благодаря сравнительно узкой ширине полосы обрабатываемых сигналов по отношению к быстродействию существующих интегральных схем применяемый синхронизатор, управляющий (Процессором, может иметь быстродействие в несколько тысяч раз выше частоты дискретизации в каждом канале. Однако необходимость мультиплексной передачи нескольких тысяч каналов редко возникает в телефонной сети, и большие возможности применения мультиплексирования здесь ограничены. К счастью, это противоречие не приводит к дилемме, потому что системы с последовательной передачей данных (в противоположность системам с параллельной передачей данных) позволяют за счет увеличения числа тактов на операцию существенно уменьшить потребляемую мощность и количество схем в арифметическом устройстве [17]. По указанным выше причинам в центре обсуждения аппаратной части систем будут процессоры с высокой степенью мультиплексирования (с числом каналов от 32 до 128), которые обычно выполняются с использованием последовательной арифметики [18].

1.10.1. Выбор структуры систем

При проектировании системы для обработки сигнала в первую очередь концентрируют внимание на создании цифрового фильтра, поскольку значительная часть всей аппаратуры, в том числе арифметические и запоминающие устройства, предназначена для выполнения фильтрации при обработке сигнала. Для реализации нелинейных процессов, как правило, требуется более простая аппаратура, чем для выполнения функций умножения и задержки элементами цифровых фильтров. В детекторах, входящих в состав демодуляторов ЧМ-сигналов, операции ограничения, двухполупе-риодного выпрямления или умножения с демодуляцией реализуются на основе части вентилей, используемых при построении цифровых фильтров.

Существует несколько возможных структур цифровых фильтров (последовательная, параллельная, в прямой форме и др.) Выбор структуры зависит от параметров фильтра, типа разрабатываемого арифметического устройства (АУ), а также от предпочитаемого типа управления или программирования. В случае фиксированного набора идентичных секций фильтра, как это было, например, в системе уплотнения ИКМ-каналов, перспективным может оказаться последовательное соединение секций второго порядка с умножителями на основе постоянных запоминающих устройств (ПЗУ) [19, 20]. Поскольку операция фильтрации имеет итеративный характер, т. е. коэффициенты фильтра не меняются, то арифметические операции можно свести к вычислению с помощью ПЗУ сумм произведений на каждую секцию второго порядка.

На первый взгляд может показаться, что фильтры высокого порядка лучше всего реализовать в прямой форме, поскольку вычисление с помощью ПЗУ суммы четырех или пяти произведений оказывается даже более эффективным, чем для трех слагаемых. Однако для большинства цифровых фильтров, имеющих большой коэффициент усиления и порядок выше третьего, прямая форма реализации при соответствующих начальных условиях может поддерживать колебания предельного цикла с большой амплитудой даже при арифметике с насыщением [21]. Большое усиление может быть связано как с полюсами, имеющими высокую добротность так и с полюсами, расположенными вблизи частоты дискретизации. Для многих систем, в которых начальные условия, необходимые для колебаний предельного цикла, образуются при включении питания, такой фильтр будет неприемлем.

Если нет необходимости иметь множество идентичных фильтров, а нужен один программируемый фильтр, как, например, в контрольно-измерительной аппаратуре, следует использовать умножитель с двумя входами. Из всех существующих структур для программируемых фильтров лучше всего подходит

последовательное соединение секций второго порядка. Например, в терминалах для сигналов с одной боковой полосой используются как рекурсивные секции второго порядка, так и трансверсальные фильтры с конечной импульсной характеристикой. В этом примере в пользу выбора трансверсального фильтра говорит и то, что 13 из каждых 14 входных отсчетов равны нулю. Вообще же опыт показывает, что КИХ-фильтры в основном найдут применение в тех случаях, когда желательно иметь возможность изменять частоту дискретизации с целью упрощения схемы [22].

Последовательная структура из секций второго порядка не пригодна еще в ряде случаев. Так, если секция имеет полюсы с очень высокой (для обеспечения крутых срезов) или частота полюса очень мала, усиление каждой секции второго порядка может быть очень большим. В одном примере в качестве ФНЧ для формирования импульсов набора номера использовался ФНЧ второго порядка с полосой 40 Гц, работающий с частотой дискретизации 32 кГц и имеющий усиление свыше 15 600, или около 14 бит. Таким образом, при длине входного слова 16 бит выходное слово может иметь только 2 бит (16-14)! Чтобы избежать такого грубого квантования на выходе, была выбрана структура, в которой масштабирование при фильтрации происходит после каждой секции первого порядка (т. е. эта структура является парой связанных секций первого порядка). В примере с фильтром для импульсов набора номера каждый каскад имеет усиление до 7 бит, так что выходной сигнал может иметь 9 бит вместо 2 бит.

Масштабирование, используемое для предохранения от нежелательного грубого квантования сигнала, является важным аспектом построения цифрового фильтра [23—25]. Оно связано с выбором длины слова данных и со структурой, как это видно из предыдущего примера. Хотя масштабирование и не влияет на характеристики фильтра, именно оно главным образом определяет отношение сигнал/шум фильтра и шумовые параметры этого же незанятого канала.

Родственной проблемой является распределение членов с нулями и полюсами по различным каскадам фильтра. Имеется ряд публикаций по этому вопросу [25—32], где отыскиваются распределения, обеспечивающие минимальный шум, и читатель может их изучить по этим работам. Определение порядка каждой секции является важным шагом при создании фильтра, и непродуманный выбор порядка может привести к потере большого числа двоичных единиц, определяющих точность представления сигнала.

Существует и ряд других структур для реализации фильтра. Секции второго порядка могут быть соединены параллельно, последовательно-параллельно или в других комбинациях, при которых все коэффициенты оказываются действительными. Однако, по всей видимости, нет каких-либо больших преимуществ у всех других способов соединения секций второго порядка перед

последовательным. Есть еще волновая структура [33, 34], которую рекомендуют для применения из-за низкой чувствительности к точности представления коэффициентов. Однако на практике волновая структура имеет ограниченное применение, поскольку фильтры на ее основе трудно мультиплексировать.

1.10.2. Чувствительность и точности представления коэффициентов

Вопросы, связанные с чувствительностью к точности представления коэффициентов, оказываются не столь важными для фильтров, описанных в качестве примеров в этой главе. Как правило, длина информационного слова, выбранная из условия обеспечения необходимого отношения сигнал/шум и уровня шумов в незанятом канале на выходе системы, превышает длину коэффициентов, требуемую для обеспечения желаемой точности воспроизведения характеристик фильтра. Например, для фильтров нижних частот в описанных ИКМ-терминалах требовалась точность представления коэффициентов словами в 8 бит, чтобы обеспечить отклонение частотной характеристики от идеальной в пределах ±0,2 дБ.

1.10.3. Разработка цифровых систем с помощью ЭВМ

Перед разработчиком системы цифровой обработки стоит задача выбора множества решений, касающихся частот дискретизации, длин слов, структур, типов логики, распределения вентилей арифметических устройств для необходимых схем памяти [18, 35]. Однако найти наилучшее решение не слишком трудно, поскольку цифровая система может быть очень точно смоделирована на цифровой вычислительной машине. Действительно, моделирование позволяет точно предсказать, как будет работать каждый вариант разрабатываемой системы. При наличии хороших программ для разработки системы и ее испытаний наряду с хорошими моделирующими программами цифровая система может быть изготовлена с малыми расходами на разработку и высокой гарантией качества. Использование ЭВМ является ключевым моментом для повышения качества разработки цифрового процессора, и вполне естественно, что хорошая разработка дает хорошую систему.