5.6.9. Вторичная обработка

В предыдущих разделах были рассмотрены основные этапы обработки сигналов — фильтрация и пороговое обнаружение — и описаны способы их реализации в цифровой форме. Следующий этап обработки, выполняемый практически во всех радиолокационных системах после фильтрации и обнаружения, обычно называют вторичной обработкой. В общем случае на этом этапе по выходным результатам согласованного фильтра и обнаружителя находятся метрика целей и количественная информация (дальность, скорость, угловое положение, ЭПР и т. д.). Кроме того, в тех случаях, когда обнаружитель выявил большое количество целей или когда в пределах просматриваемого пространства принимаются интенсивные помехи от местных предметов, также требуется специальная вторичная обработка, которая может заключаться просто в определении границ области размещения целей или в сопоставлении эхо-сигналов от нескольких зондирующих импульсов, чтобы выявить, какие превышения порога соответствуют реальным целям. Для решения этих задач в устройстве вторичной обработки нужно накапливать большие массивы данных, причем алгоритмы их обработки могут быть весьма сложными, а продолжительность обработки достаточно большой. Во многих радиолокационных системах информация для вторичной обработки передается в большие универсальные системы обработки данных (СОД). Правда, СОД все в большей степени загружаются решением задач общего управления радиолокатором, поэтому для вторичной обработки желательно иметь специализированное устройство, которое обеспечило бы выполнение операций отображения целевой обстановки, формирования

метрики целей и уменьшения объема и скорости поступления данных в СОД.

Аппаратурное устройство вторичной обработки может включать набор блоков, каждый из которых выполняет определенную функцию. Однако в последнее время все чаще используются программируемые устройства, что позволяет реализовать различные алгоритмы обработки, пользуясь одиим и тем же оборудованием. Часто в сложных радиолокационных системах приходится применять целый набор взаимосвязанных алгоритмов, поэтому в качестве устройства вторичной обработки желательно иметь небольшую, но быстродействующую универсальную вычислительную машину. В данном разделе будут рассмотрены программируемые устройства вторичной обработки; будут приведены характеристики серийно выпускаемых, а также специально разработанных устройств.

В настоящее время имеется множество универсальных мини-ЭВМ, оперирующих с малоразрядными словами (обычно 16 бит), которые] могут выполнять команды с частотой МГц. В некоторых системах они довольно успешно применялись, так как для задач обработки сигналов не требуется большая длина слов. Было создано также несколько универсальных мини-ЭВМ, специально предназначенных для обработки сигналов, в которых на базе микросхем эмиттерно-связанной логики (ЭСЛ) или транзисторнотранзисторной логики (ТТЛ) с диодами Шоттки частота выполнения команд была доведена до 10 МГц. Ключевым моментом при разработке таких машин является создание быстродействующего умножителя, так как операция умножения используется во многих алгоритмах обработки. Однако высокое быстродействие должно быть обеспечено также и по вводу-выводу, поскольку через систему вторичной обработки проходит большой объем данных. Кроме того, разработаны многопроцессорные машины с процессорами, подключенными к общей шине, которые можно использовать для вычисления пика амплитуды и обеспечения ввода-вывода, разгрузив таким образом систему обработки данных [23]. Ниже некоторые из перечисленных вычислительных машин будут рассмотрены подробнее.

В последние годы началось серийное производство вычислительных машин, предназначенных специально для обработки сигналов. Кроме того, были разработаны машины, предназначенные для военных и научно-исследовательских целей. Все эти машины используют малоразрядные слова, но каждая из них имеет свою особую структуру, которая выбиралась таким образом, чтобы добиться в каждом конкретном случае максимально возможной скорости вычислений за счет жесткой синхронизации работы блоков памяти и арифметических устройств.

Серийное производство вычислительных машин для обработки сигналов было начато в конце 60-х годов. Использование в них

первых TTЛ-микросхем памяти средней интеграции! и логики малой интеграции позволило уменьшить длину тактового интервала до 300 не. Объем памяти, которую можно было собрать на этих микросхемах, ограничен, поэтому для ее расширения использовались ферритовые кубы. За счет специальной организации прохождения данных и команд через блоки быстродействующей памяти обработка сигналов выполнялась значительно быстрее, чем на обычных универсальных мини-ЭВМ. Важной характерной особенностью этих машин было включение в их структуру файла регистров хранения (содержащего до 32 и более регистров) в микросхемном исполнении [17], что позволяло оперировать с большим числом операндов, не пересылая их в основную память и обратно. Из вышеизложенного видно, каким образом первые микросхемы средней интеграции начали использоваться для обработки сигналов.

В последние годы разработка универсальных вычислительных машин развивалась в направлении использования новых микросхем еще более высокого уровня интеграции. Кроме того, структурно машины разбивались на несколько блоков, что позволяло ускорить выполнение операций за счет распараллеливания.

Так, например, в одной из последних вычислительных машин [1] пересылка данных обеспечивается блоком ввода-вывода, а для выполнения операций используются два блока — арифметический и индексный. В арифметическом блоке производятся вычисления, относящиеся к фильтрации или вторичной обработке. Назначением индексного блока является управление пересылками данных в пределах отдельных небольших блоков оперативной памяти с произвольным доступом (ОЗУ) и постоянной памяти (ПЗУ), собранных на микросхемах и содержащих некоторые программы и массивы данных. Арифметический блок имеет поточную побайтную (а не пословную) структуру, выбранную для того, чтобы согласовать требования к быстродействию и объему оборудования. Вся логика собрана на ТТЛ-микросхемах с диодами Шоттки. Для такой вычислительной машины время выполнения базовой операции БПФ по основанию 2 равно 1 мкс, причем одновременно осуществляется ввод-вывод. В другой серийно выпускаемой вычислительной машине это время составляет 1/2 мкс.

ЭСЛ-микросхемы логики и памяти средней интеграции были созданы несколько позднее аналогичных микросхем серии ТТЛ. Первые вычислительные машины, в которых они использовались, были в основном мощными или сверхмощными с очень высоким быстродействием [43]. Такие машины приходилось строить на дискретных компонентах и ЭСЛ-микросхемах малой интеграции; позже стали использоваться микросхемы средней и большой интеграции. Интересно отметить, что эти сверхмощные вычислительные машины, так же как и первые машины для обработки сигналов, относились к числу ЭВМ с последовательным выполнением

команд и последовательной обработкой данных, в которых высокая производительность достигалась главным образом за счет быстродействия и высокого уровня интеграции применяемых компонент, а также благодаря некоторым усовершенствованиям в общей организации вычислительного процесса. В более поздних вычислительных машинах для обработки сигналов команды обработки начали разделять таким образом, чтобы организовать одновременное выполнение нескольких команд; так, выполнение управляющих команд программы было перенесено на дополнительный управляющий процессор, работающий одновременно с арифметическим процессором

В быстродействующем цифровом процессоре FDP (Fast Digital Processor), разработанном в лаборатории Линкольна Массачусетского технологического института и предназначенном для научных исследований, был использован другой подход к обеспечению высокой производительности при обработке сигналов [15]. За счет четырехкратного распараллеливания в арифметическом устройстве и соответствующей организации ЗУ данных с параллельным доступом была создана вычислительная машина с последовательным выполнением команд, но с параллельной обработкой данных, которая позволяла при решении задач обработки сигналов достичь исключительно высокого для малых ЭВМ быстродействия. Собранный главным образом на логических ЭСЛ-микросхемах малого уровня интеграции и микросхемах памяти этой же серии средней интеграции процессор FDP имеет время выполнения команды 150 не. Однако вследствие применения выпускавшихся в то время микросхем серии ЭСЛ II и необходимости распараллеливания арифметических операций размеры этой машины оказались довольно большими.

В следующей, более поздней разработке лаборатории Линкольна — цифровой вычислительной машине для исследования звуков [4], также предназначенной для решения задач обработки сигналов, — были широко использованы ЭСЛ-микросхемы средней интеграции. Эта вычислительная машина была создана главным образом для анализа речевых сигналов в реальном времени, однако после соответствующей модификации ее оказалось возможным использовать и для обработки радиолокационных сигналов. Она имеет раздельные ОЗУ данных и программ с одновременным обращением к ним, собранные на ЭСЛ-микросхемах большой интеграции; среднее время выполнения команд равняется 55 не. Команды и данные обрабатываются последовательно; ЭВМ имеет быстродействующий умножитель, построенный на ЭСЛ-микросхемах средней интеграции, а также специальный набор команд, обеспечиващих

высокое быстродействие при решении задач обработки сигналов. Распараллеливание арифметических операций, использованное в процессоре FDP и других вычислительных машинах для того, чтобы достичь высокого быстродействия при выполнении БПФ, здесь не применялось, что привело к значительному сокращению объема и стоимости оборудования, а также к упрощению программирования.

Попытки использовать различные универсальные мини-ЭВМ, а также более мощные машины в тех или иных устройствах радио-локационной системы для обработки сигналов предпринимались неоднократно, однако успешными они были только в тех случаях, когда требовалось небольшое быстродействие. В противном случае необходимо увеличить производительность ЭВМ. Один из подходов заключается в том, чтобы подключить к ней периферийное специализированное устройство, которое может выполнять операции умножения и сложения, используемые при фильтрации. Аппаратурная реализация этого устройства не будет ограничена дополнительными требованиями, характерными для обычных универсальных ЭВМ. При построении специализированного устройства можно максимально использовать новейшие микросхемы для получения большого быстродействия и выбрать разрядность и формат данных так, чтобы они наилучшим образом подходили для каждого конкретного применения. Периферийные устройства этого типа уже начали выпускаться серийно. Одновременно с первыми мини-ЭВМ появились специализированные устройства, названные процессорами для обработки массивов. С помощью типового процессора массивов быстро и эффективно могут быть выполнены такие операции, как обращение матрицы или фильтрация. Если центральная ЭВМ процессора массивов не принимает участия в обработке данных, то фактически этот процессор представляет собой специализированную вычислительную машину для обработки сигналов, для которой центральная ЭВМ является управляющей.

Часто оказывается, что рассмотренные выше процессоры либо не могут быть непосредственно использованы для выполнения алгоритмов вторичной обработки, либо имеют недостаточное быстродействие. Единственное, что остается в этом случае, это, учитывая специфику обработки сигналов в радиолокации и используя методы распараллеливания и соответствующие микросхемы, разработать новое устройство, которое удовлетворило бы предъявляемым требованиям. Создание такого устройства, обеспечивающего и нужную производительность, и возможность. простого программирования, является интересной, но не простой задачей. Удовлетворить обоим требованиям удается далеко не всегда; в последние годы в этой области ведутся интенсивные работы, направленные прежде всего на создание специализированных микросхем и новых структур вычислительных машин.