§ 4. Тенденции развития технических средств выполнения рассматриваемых преобразований. Замечания о патентных источниках информации

А. Тенденции развития.

Были проанализированы ход разработки и современное состояние техники выполнения преобразований. На основе анализа сделаны указываемые далее выводы о предполагаемом ее развитии в будущем.

Можно с уверенностью говорить сейчас о том, что в дальнейшем будут еще более значительными и расширятся как применения преобразований Фурье, Уолша, Хаара и иных родственных им преобразований, так и связанные с ними применения фильтрации, корреляционной и других видов обработки сигналов. Это касается всех преобразований информации в области управления и связи, о которых упоминалось раньше в нашей книге, а также относится и к другим областям применения, о которых будет рассказано в гл. VII.

Основанием для этого вывода является то, что выполнение указанных функций оказалось тесно связанным с тем, что составляет главное содержание важных научных дисциплин, и с тем, что представляется необходимым для практического использования разработанных методов исследования и расчета. В качестве примера сошлемся на определение и изучение частотных характеристик объектов и систем регулирования, что является одним из основных вопросов при пользовании аппаратом теории автоматического управления. Как было пояснено у нас в гл. И, аналогичны понятия амплитудно-фазовой частотной характеристики и интегрального преобразования Фурье. С последним связано и то, с чем приходится встречаться в теории и в технике оптических методов обработки информации. В качестве примера укажем также на рассмотренное в гл. IV перспективное использование преобразований Уолша и Хаара при разработке и исследовании устройств и систем логического действия. Фильтрация сигналов является одной из основных операций при обработке речевых сигналов и изображений. Корреляционный анализ используется при изучении

случайных сигналов на фоне помех, при идентификации объектов и систем. Все это не является преходящим и в дальнейшем будет широко использоваться в различных областях науки и техники.

Считалось, что при оценке перспектив развития должны в основном учитываться три фактора: определяемая практическими соображениями постановка задач выполнения преобразований; обеспеченность возможности решения этих задач по линии теории преобразований; состояние технологии изготовления необходимых технических устройств.

В отношении постановки задач сложилось такое мнение. Рассматриваемыми в этой и предшествующих главах книги, а также и в следующей главе VII примерами иллюстрируются все проглядываемые сейчас области применения рассматриваемых преобразований, В дальнейшем, по-видимому, будут возникать аналогичные задачи их использования. Однако окажется возможной расширенная постановка задач благодаря успехам теории преобразований и благодаря усовершенствованию технологии изготовления применяемых технических устройств. Среди ставящихся задач в будущем, как и сейчас, будет много относительно простых, для решения которых не будет столь важным использование указанных усовершенствований. Но решающим для оценки уровня рассматриваемой техники в дальнейшем, как и теперь, явится возможность выполнения обработки сложной, содержащей большой объем данных информации за очень малое время, выполнения ее в натуральном масштабе времени, практически мгновенно. Такие задачи возникают при управлении некоторыми производственными процессами, при создании автоматизированных систем управления, при передаче большой по объему информации по линиям связи. Судя по опубликованным в США работам (см. [107, 194]), стимулом для создания сверхскоростных интегральных схем и суперкристаллов с миллионами и десятками миллионов субмикронных элементов явилась необходимость мгновенной обработки сложной информации при управлении ракетами и при других применениях преобразований Фурье в военной технике.

В части того, что было сказано выше о трех факторах, по которым оценивались нами дальнейшие перспективы применения рассматриваемых преобразований, следует оговорить их взаимозависимость: успехи в области теории и в технологии изготовления устройств позволяют более широко ставить задачи обработки информации, а их успешное решение побуждает ученых и инженеров стремиться к разработке еще более совершенных теоретических методов и к дальнейшему продвижению в области технологии.

Методы выполнения рассматриваемых преобразований уже претерпели разительные перемены. На памяти автора время, когда все, о чем говорилось в отношении практического выполнения ортогональных преобразований, ограничивалось рекомендациями в курсе математики по использованию бумажных трафаретов для ускорения производимого человеком вычисления коэффициентов ряда Фурье. Тогда не было и в помине машинных методов выполнения интегральных преобразований фурье и преобразований Уолша, Хаара, такие методы не были известны, не было и речи о практическом их использовании, то же относится и к машинным методам фильтрации сигналов, корреляционной их обработки. Сейчас же, как следует

из ранее сказанного и из того, о чем свидетельствуют следующий раздел и приложенный к этой главе список литературы, создана, по существу, целая отрасль индустрии, занимающаяся разработкой, построением и использованием технических средств выполнения рассматриваемых преобразований.

Проведенный анализ привел к заключению о предполагаемом развитии следующих направлений в использовании существующих и создании усовершенствованных методов обработки информации при выполнении обсуждаемых преобразований. Будет расширено применение аналоговых и цифровых методов преобразовании Фурье, получат также распространение основанные на использовании ПЗС дискретно-аналоговые способы их выполнения. При цифровом выполнении преобразований фурье по-прежнему основными будут методы БПФ. Более значительным станет использование теоретико-числовых и полиномиальных способов выполнения дискретного преобразования Фурье. Усовершенствуются цифровые и дискретно-аналоговые методы вычисления сверток и определения корреляционных функций. Будет расширено применение цифровой фильтрации на основе использования z-преобразований. Следует ожидать расширения применения преобразований Уолша и Хаара, главным образом преобразований Уолша. Получат применение обобщенные тяетоды ортогональных преобразований, по отношению к которым преобразования Фурье, Уолша, Хаара должны рассматриваться как частные их случаи. В связи с перспективами использования троичной и -ичной (при логики получат практическое применение преобразования Виленкина — Крестенсона. Расширится использование преобразования фурье и других ортогональных преобразований благодаря все увеличивающемуся значению обработки речевых сигналов и изображений. Широкое применение получат оптические системы, производящие преобразования Фурье и выполняющие фильтрацию и определение корреляционных функций, а также комбинированные системы этого назначения, в которых оптические элементы и устройства используются вместе с ЭВМ. Усилится роль акустооптических и оптоэлектронных методов выполнения рассматриваемых преобразований. Более широкое применение получат методы выполнения преобразований Фурье, фильтрации сигналов, корреляционной их обработки с помощью ПАВ или при совместном использовании ПАВ и ПЗС-элементов, а также ПАВ-устройств совместно с ЭВМ. Увеличится использование фурье-спектрометров и адамар-спектрометров, главным образом, спектрометров первого типа.

Указанные тенденции развития проглядываются и в оценках специалистов, являющихся авторами научных монографий и учебников. Сошлемся на написанный для вузов И.С. Гоноровским учебник по радиотехническим цепям и сигналам. В выпущенное в 1977 г. третье его издание, на которое были сделаны ссылки в предшествующих главах нашей книги, были включены разделы, посвященные функциям Уолша, дискретной обработке сигналов, цифровой фильтрации. В вышедшее в 1986 г., т.е. ко времени практического завершения рукописи нашей книги, четвертое издание указанного учебника, на которое мы ссылаемся в этой главе ([67] по списку литературы) кроме того, введены разделы, посвященные БПФ и кепстральной обработке сигналов.

При анализе тенденций развития возникали вопросы, потребовавшие специального рассмотрения. Одним из них является вопрос о соотношении между применениями преобразований Фурье, Уолша. Хаара. В начале главы IV было показано, что в ряде случаев преобразования Уолша и Хаара имеют существенные преимущества перед преобразованиями фурье. Это мнение подтверждается и приведенными в § 2 гл. VI (в разделе Г) сведениями, на основании которых можно сравнить сложность генерирования тригонометрических функций и функций Уолша. Хотя преобразования Уолша и применяются все более широко, однако степень их использования невелика по сравнению с тем, что имеется для преобразований Фурье. Еще в большей мере это относится к преобразованиям Хаара. Применение преобразований Фурье остается превалирующим, что для цифровых систем может быть объяснено наличием хорошо отработанной и апробированной процедуры выполнения БПФ. Успешное же, чрезвычайно быстрое развитие технологии изготовления микропроцессоров и ЭВМ обеспечивает возможность выполнения без труда и большого количества операций без использования новых, пусть и более совершенных, алгоритмов обработки данных. Для оптических систем преимущественное применение преобразований Фурье объясняется тем, что в аналоговом двумерном варианте они просто выполняются обычными линзами. Однако при цифровой обработке изображений сохраняются преимущества преобразований Уолша и Хаара. Эти преобразования являются важным резервом, который будет в дальнейшем более широко использоваться. Вместе с тем уже сейчас начинают применяться в ЭВМ генераторы функций Уолша для формирования тригонометрических функций, используемых при выполнении БПФ.

Заканчивая данный раздел, обратимся к третьему из указанных нами факторов, определяющих будущее техники выполнения рассматриваемых преобразований. Вопросы технологии изготовления устройств являются общими для вычислительной техники, хотя и возникают специальные задачи построения фурье-процессоров, уолш-процессоров, специализированных фильтров, корреляторов, конвольеров.

В этой части сделаны следующие выводы. В будущем будут применяться, как и в настоящее время, специализированные фурье-процессоры и уолш-процессоры. Но все более широко будет использоваться и техника выполнения рассматриваемых преобразований с помощью универсальных ЭВМ. Этому будет способствовать наметившееся уже сейчас построение последних с высокой степенью параллелизма, при котором упрощаются и ускоряются быстрые ортогональные преобразования. Перспективно и совместное применение спецпроцессоров и ЭВМ общего назначения. Для развития цифровых методов выполнения преобразований большое значение будет иметь дальнейшее усовершенствование их программного обеспечения. В отношении развития элементной базы цифровой техники, которая, как было сказано, энергично развивается (оценка настоящего этапа развития была приведена на с. 370), такое развитие будет продолжаться и в ближайшем будущем, хотя с созданием субмикронных элементов микроэлектронная техника подошла к пределу своих возможностей в части миниатюризации, от которой зависит быстродействие вычислительных устройств. Для подавляющего большинства приложений использование

сверхскоростных интегральных схем не является необходимым. Развитие этого направления определяется стремлением все в большей мере сократить время обработки больших массивов информации, что важно, как уже оговаривалось, лишь для некоторых областей применения. Однако для усовершенствования специализированных фурье-процессоров, уолш-процессоров, специализированных фильтров, корреляторов, конвольеров, да и универсальных ЭВМ во многих случаях будет важной появляющаяся возможность размещения на одном кристалле вместе с процессором также и АЦП, ЦАП, генератора базисных функций, генератора случайных сигналов, узла предварительной фильтрации обрабатываемых данных.

Развитие используемых технических средств будет определяться последующими достижениями в технологии изготовления микропроцессоров, ПЗС-структур, ПАВ-структур, достижениями в области оптической, акусто-оптической, оптоэлектронной техники.

Существенное влияние на повышение эффективности рассматриваемых преобразований в будущем может оказать создание новых принципов выполнения электронных элементов, создание новых средств оптической аналоговой техники и создание оптических цифровых устройств и машин. Будут изыскиваться возможности использования новых физических принципов и в этой области. Такие изыскания начинаются уже сейчас. В качестве примера сошлемся на высказывание по данному вопросу в работе [92]: "Ведутся активные поиски новых физических явлений, которые могут быть положены в основу нового поколения устройств оптической обработки сигналов. Одним из таких перспективных эффектов является взаимодействие света со спиновыми волнами в тонких ферромагнитных пленках. В то же время хорошо развитая планарная технология выращивания эпитаксиальных ферромагнитных пленок с малыми магнитными и оптическими потерями создает реальную перспективу создания аналоговых оптических процессоров, выполненных в едином интегрально-оптическом блоке".

В заключение еще раз отметим тесную связь между созданием новой технологии и разработкой теоретических основ построения устройств обработки информации. Проиллюстрируем это, обратившись к примеру, который уже приводился в этой главе. Вернемся к вопросам создания сверхскоростных микроэлектронных интегральных схем. При наличии в суперкристалле ССИС миллионов или десятков миллионов элементов первоочередной становится задача помехоустойчивого кодирования информации и ее декодирования, которое при использовании кодов Рида — Соломона производится на основе применения теоретико-числовых методов дискретного преобразования Фурье.