8.2. Некоторые вопросы проектирования аппаратуры цифровой обработки сигналов
Так как авторам приходилось заниматься исследовательскими работами и разработкой аппаратуры, а не вопросами производства, то материал настоящего раздела будет изложен с позиций разработчика, для которого процесс проектирования состоит из четырех этапов:
1) выбора логической серии или серий;
2) выбора конструкции;
3) разработки структуры системы;
4) моделирования всей разрабатываемой системы или ее части для выбора необходимых параметров.
Выбор логической серии аналогичен выбору новой ЦВМ при ее покупке: в обоих случаях почти невозможно дать однозначный ответ, их может быть несколько, причем каждый будет иметь свои преимущества. Приведем конкретный пример. В Линкольновской лаборатории проводилась опытная разработка цифрового синтезатора частот; идея была нова, затраты времени и средств казались вполне допустимыми и был инженер — энтузиаст этого проекта. Он не был знаком с самыми быстродействующими логическими элементами, поэтому, хотя казалось весьма заманчивым разработать сверхбыстродействующее устройство, было решено применить хорошо известные интегральные схемы транзисторно-транзисторной логики (ИС ТТЛ) с умеренным быстродействием.
Приведем еще один пример. Большой процессор для цифровой обработки радиолокационных сигналов было решено построить на самых быстродействующих компонентах. Заказчик рассматривал этот проект как этап развития систем, работающих с еще большей скоростью, и как важный шаг в приобретении навыков конструирования быстродействующих схем. Решению поставленных задач способствовало относительно хорошее финансирование.
В телефонии для селекции сигналов приходится использовать весьма большое количество фильтров. Поэтому в данном и в других аналогичных случаях, когда речь идет о крупносерийном производстве, следует разрабатывать устройства только на интегральных схемах. Переход от макета, собранного на имеющихся в наличии компонентах, к макету в интегральном исполнении может происходить постепенно.
(см. скан)
Фиг. 8.1. Печатная плата цифрового синтезатора частот.
Различные серии логических элементов имеют неодинаковые электрические параметры (питающие напряжения, уровни сигнала, входное и выходное сопротивления, температурные зависимости), поэтому обычно они несовместимы между собой. Часто эту трудность преодолевают с помощью соответствующих согласующих устройств. Иногда оказывается целесообразным совместное применение в одной разработке нескольких логических серий.
Например, один из блоков системы может иметь невысокое быстродействие, тогда как для остальных блоков требуется быстродействующая логика. В этом случае следует проанализировать возможность построения медленного блока на микросхемах с высоким уровнем интеграции и малой потребляемой мощностью. Опыт, однако, показывает, что инженеры, проектируя систему обработки сигналов, чаще всего ориентируются на какую-либо одну серию логических элементов.
После выбора серии логических элементов с определенными быстродействием и потребляемой мощностью можно перейти к рассмотрению конструктивных особенностей проектируемой системы. Речь пойдет о выборе размеров и конструкции плат, межэлементном монтаже, о расположении земляной и питающей шин, контрольных точек и т. д. Пример конструкции, использующей технологию печатного монтажа, показан на фиг. 8.1. После вытравливания с двух сторон платы остаются проводящие участки. Одним из недостатков этой конструкции является то, что трудно исправлять ошибки, поэтому чертеж платы приходится выполнять с особой тщательностью. Тем не менее при серийном производстве печатные платы оказываются экономически выгодными, так как их легко копировать фотоспособом.
Пример другой техники монтажа — накруткой — показан на фиг. 8.2. Здесь иллюстрируется конструкция небольшого, но довольно сложного устройства, построенного на интегральных схемах эмиттерно-связанной логики (ЭСЛ) с временем задержки 2 не. Видны две платы для монтажа интегральных схем, одна из которых откинута, чтобы показать монтаж, источник питания справа, систему охлаждения и часть жгута, соединяющего обе платы. Часть платы со стороны монтажа в увеличенном виде показана на фиг. 8.3. Ясно, что изготовление такой платы требует либо непомерного ручного труда, либо очень сложной машины. На практике при монтаже и настройке таких плат обычно совмещают ручной труд с использованием автомата. Несмотря на сложность, монтаж накруткой более гибок, поэтому при изготовлении единичных образцов цифровых устройств затраты времени оказываются меньшими по сравнению со случаем применения печатного монтажа. К тому же монтажные ошибки легко можно исправить.
На фиг. 8.3 видно большое количество дискретных компонентов (резисторов и емкостей). Они нужны главным образом для того, чтобы устранить помехи и дополнительные задержки распространения. Когда транзисторные схемы переключаются за время менее 1 не, монтаж накруткой становится непригодным и нужно переходить на технологию печатных полосковых линий.
После выбора логической серии и конструкции системы (если речь идет о макете) можно приступить к разработке структуры системы. Например, конструкция и потребляемая мощность бортового процессора будут иными, чем в наземном варианте.
(см. скан)
Фиг. 8.2. Конструкция с монтажом накруткой.
Некоторые ограничения (на размеры, вес, потребляемую мощность) накладываются условиями рыночного сбыта. Но даже и без учета этих объективных ограничений профессиональный разработчик стремится найти изящное решение, которое потребовало бы минимального количества компонентов, имело бы конструкцию, удобную для настройки и доработки и, главное, надежную. Известно, что стремление к совершенству часто противоречит срокам разработки и запросам потребителей. Наконец отметим, что проектирование цифровой аппаратуры, как и инженерная деятельность вообще, основано на интуитивном учете большого числа довольно неопределенных факторов. В этом смысле проектирование напоминает гуманитарные науки, такие, как психология и социология. Отличие, по-нашему мнению, состоит в следующем: после выполнения интуитивной части работы, связанной с выбором логической серии, конструкции и архитектуры системы, а также с некоторыми вопросами, обсуждаемыми ниже, остальная работа планируется достаточно четко, так что основное внимание следует обратить на учет многочисленных деталей, тщательное составление графика работ и выбор важных ориентиров на пути завершения разработки.
(см. скан)
Фиг. 8.3. Плата со стороны монтажа, выполненного накруткой (крупный план).
Стоимость и производительность большинства систем цифровой обработки сигналов во многом зависят от того, насколько правильно выбраны разрядность регистров, система счисления и организация памяти. Разрядность регистров систем типа цифровых фильтров и процессоров БПФ проще всего оценить путем их моделирования на ЦВМ.
(см. скан)
Фиг. 8.4. Последовательность рассмотрения элементов систем в процессе создания алгоритмов обработки сигналов.
Как производительность, так и сложность систем зависят от характеристик арифметического устройства (представление чисел с фиксированной или плавающей запятой, контроль переполнения, основание системы счисления). С помощью программы моделирования можно подобрать большое количество параметров системы как до ее разработки и конструирования, так и во время конструирования, нов меньшей степени.
Помимо моделирования, целесообразно также разработать и собрать некоторые блоки. Это даст возможность оценить быстродействие, количество корпусов интегральных схем, стоимость и затраты времени. Сведения о компонентах берутся из справочников, а логическое проектирование выполняется с использованием булевой алгебры. Многие неопытные разработчики придают слишком большое значение логическим уравнениям, подобно тому как начинающие программисты уделяют слишком большое внимание отдельным командам программы. По нашему мнению, эти этапы не являются решающими при проектировании и создании системы цифровой обработки сигналов.
На фиг. 8.4 схематично показана последовательность анализа элементов схем, блоков и систем (вместе с указанием источников используемой информации), предшествующего разработке алгоритмов.
Эта схема в принципе справедлива применительно к любой цифровой системе, поэтому имеет смысл кратко рассмотреть основные особенности алгоритмов цифровой обработки сигналов.
При разработке этих алгоритмов очень важным фактором является скорость вычислений. При достаточной скорости можно работать в реальном времени, уменьшить параллелизм системы (и, как следствие, упростить ее), сэкономить машинное время универсальных ЦВМ, повысить степень мультиплексирования. Из-за стремления к увеличению быстродействия транзисторно-транзис-торная логика (ТТЛ) и эмиттерно-связанная логика (ЭСЛ) представляют больший интерес, чем резистивно-транзисторная логика (РТЛ).
Основными арифметическими операциями при цифровой обработке сигналов являются умножение и сложение. Для многих аппаратурных или программных реализаций алгоритмов обработки сигналов особенно важна разработка быстродействующих компактных и недорогих умножителей.
