Электронный научный журнал
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,813

РЕАЛИЗАЦИЯ АЛГОРИТМА ПОРОГОВОГО ОБНАРУЖЕНИЯ МЕТОДОМ ПОРЯДКОВЫХ СТАТИСТИК НА ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНОМ ПРОЦЕССОРЕ ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ

Кузин А.А. 1 Кочубейник И.В. 1 Огурцов А.Г. 1
1 ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева»
В статье рассмотрена программная реализация алгоритма обнаружения методом порядковых статистик на языке ассемблера для высокопроизводительного процессора цифровой обработки сигналов (ВПЦОС) отечественного производства. Приведена структурная схема рангового обнаружителя и блок-схема его программной реализации. Указаны характеристики ВПЦОС АО «ПКК Миландр». Приведено описание разработанного на основе этих сигнальных процессоров интегрированного модуля, на котором производились измерения производительности ВПЦОС при реализации рангового алгоритма обнаружения. Проведено сравнение производительности ВПЦОС и его зарубежного аналога ADSP-TS201S TigerSHARC при реализации рангового алгоритма обнаружения. Показано, что скорость выполнения алгоритма обнаружения методом порядковых статистик на отечественном ВПЦОС практически совпадает со скоростью выполнения алгоритма на зарубежном аналоге.
цифровая обработка
сигнальные процессоры
производительность
ЛЧМ-сигнал
согласованный фильтр
БПФ
1. Кузин А.А., Плужников А.Д., Приблудова Е.Н. Мультипроцессорный модуль на основе высокопроизводительных процессоров цифровой обработки сигналов// Цифровая обработка сигналов. – 2015. – № 2.
2. Мякочин Ю.О. 32-разрядный суперскалярный DSP-процессор с плавающей точкой // Компоненты и технологии. – 2013. – № 7.
3. Радиоэлектронные системы: Основы построения и теория. Справочник. 2-е изд., перераб. и доп. / под ред. Я.Д. Ширмана. – М.: Радиотехника, 2007. – 512 с.
4. ADSP-TS201 TigerSHARC Processor Hardware Reference. Revision 1.1, December 2004. Analog Devices, Inc. URL: http://www.analog.com/media/en/dsp-documentation/processor-manuals/396096833ts201_hwr.pdf.
5. EE-218. Writing Efficient Floating-Point FFTs for ADSP-TS201 TigerSHARC Processors. Rev 2 – March 4, 2004. URL: http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/application-notes/EE-218.pdf.

Современные системы цифровой обработки сигналов широко используют высокопроизводительные процессоры цифровой обработки сигналов (ВПЦОС). Аппаратура на их основе используется при обработке радиолокационной информации, изображений в реальном времени, цифровой обработке речевых сигналов, в системах радиосвязи, системах дистанционного зондирования атмосферы, цифровой измерительной аппаратуре, находит широкое применение в системах управления транспортными, авиационно-космическими и энергетическими комплексами.

В данной работе рассматривается реализация на высокопроизводительном процессоре цифровой обработки сигналов (ВПЦОС), разработанном АО «ПКК Миландр» [1], рангового алгоритма обнаружения, широко используемого при решении задач порогового обнаружения [2]. Производится сравнение полученных результатов с результатами реализации алгоритма на процессоре ADSP-TS201 TigerSHARC фирмы Analog Devices [3,4].

Алгоритм порогового обнаружения методом порядковых статистик (ранговый алгоритм) состоит из нескольких этапов. На первом этапе входные данные подвергаются преобразованию

,

где x(n) – n-й отсчет входных данных, 0<n<N,

y(r) – r-й отсчет преобразованных данных, 0<r<R,

D – порядок максимизации, D=N/R.

На следующем этапе формируется порог обнаружения посредством скользящего окна размером M, при этом внутри окна производится упорядочивание данных согласно условию y(r-M/2)≤ y(r-M/2+1)≤… y(r+M/2-1). После упорядочивания отсчетов данных в текущем окне выбирается статистика с номером L и умножается на пороговый коэффициент k, значение которого выбирается исходя из заданной вероятности ложной тревоги.

На последнем этапе производится сравнение входных данных с отсчетами вычисленного порога, в результате чего формируется массив признаков превышения порога.

Структурная схема рангового обнаружителя показана на рисунке 1.

Алгоритм был реализован в виде программного модуля на языке ассемблера. На рисунке 2 показана блок-схема алгоритма, реализующего ранговое обнаружение.

Для апробации алгоритма использовался многопроцессорный (интегрированный) модуль (ИМ) на ВПЦОС АО «ПКК Миландр», разработанный на кафедре информационных радиосистем Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева [5]. Структура ИМ показана на рисунке 3.

Рис.1. Структурная схема рангового обнаружителя

Здесь: ПУ – пороговое устройство; УР – устройство ранжирования

В состав модуля входят:

- четыре процессора обработки сигналов ВПЦОС0 – ВПЦОС3;

- блок синхронной динамической памяти SDRAM объемом 256МБайт;

- постоянное запоминающее устройство FLASH объемом 64МБайта;

- контроллер системной шины (HOST), выполненный на базе микросхемы FPGA Virtex-6 фирмы Xilinx XC6VLX130T;

- температурный монитор Thermo monitor на базе двух микросхем TMP422 (или TMP423) фирмы Texas Instruments;

- опорный генератор синхронизации GEN с частотой 20МГц;

- умножитель на 5 частоты опорного генератора CLOCKx5.

Рис.2. Блок-схема алгоритма рангового обнаружения

Рис. 3. Структура ИМ

Процессоры ВПЦОС, динамическая память, постоянная память и контроллер подключены к системной шине кластера SYSTEM BUS разрядностью данных 64 бита. Два LINK-порта каждого процессора используются для организации кольцевой связи (сплошные линии на рисунке 1) и по одному – для организации возможных перекрестных связей (штриховые линии на рисунке 1). По одному LINK-порту каждого процессора выводится на внешние разъемы. HOST-контроллер обеспечивает доступ к системной шине процессорного кластера через внешние интерфейсы Ethernet и PCI-Express.

Сигнальный процессор, использованный в ИМ, имеет следующие характеристики:

· Тактовая частота ядра – до 500 МГц;

· Объем встроенной статической памяти – 24 Мбит;

· Пиковая производительность – 3000 MFLOP;

· Разрядность внешней шины – 64 бит;

· Пропускная способность внутренней памяти – 25,2 ГБайт/с;

· Пропускная способность внешней шины – 800 МБайт/с;

· Количество внешних последовательных портов – 4;

· Пропускная способность внешнего последовательного порта – 1 ГБайт/с;

· Полное соответствие при выполнении инструкций аналогу – процессору фирмы Analog Devices ADSP-TS201S TigerSHARC (2 АЛУ с плавающей точкой);

· 14 канальный контроллер прямого доступа к памяти;

· Встроенный арбитр мультипроцессорной шины, исключающий конфликты шины.

В таблице 1 приведены результаты выполнения программы на ВПЦОС. Для сравнения в той же таблице показаны результаты, полученные при реализации указанного алгоритма на процессоре TigerSHARC ADSP-TS201 в составе модуля ЦОС ADSP-TS201S EZ-KIT Lite.

Таблица 1

Результаты исполнения алгоритма

Размер окна, M

Машинных тактов процессора на 1 отсчет входных данных, D=3, N=200

ВПЦОС АО «ПКК Миландр»

TigerSHARC ADSP-TS201

7

43

44

15

60

60

23

77

75

31

93

90

При реализации алгоритмов были использованы:

· Встроенные счетчики циклов;

· Чтение и запись квадрословами;

· Постинкрементация, арифметические и логические операции с указателями;

· Встроенная адресация циклических буферов;

· Условные отложенные переходы с предсказанием и без предсказания ветвления;

· Безусловные отложенные переходы;

· Исполнение нескольких команд за один такт;

· Пересылка регистров через АЛУ.

Анализ данных, приведенных в таблице, показывает, что при всех размерах М окна ранжирования число машинных тактов процессора и время выполнения алгоритма на процессоре ВПЦОС АО «ПКК Миландр» было практически таким же, как и время, затрачиваемое на процессоре TigerSHARC ADSP-TS201 фирмы Analog Devices.

Сравнительный анализ результатов реализации алгоритма порогового обнаружения методом порядковых статистик, в основе которого лежит задача сортировки входных данных, на процессоре TigerSHARC ADSP-TS201 фирмы Analog Devices и ВПЦОС российской компании АО «ПКК Миландр» показал, что при реализации данного алгоритма скорость вычислений ВПЦОС АО «ПКК Миландр» практически совпадает со скоростью вычислений процессора TigerSHARC ADSP-TS201S.

Это позволяет утверждать, что разработанный отечественный сигнальный процессор не уступает по характеристикам сигнальному процессору TigerSHARC ADSP-TS201S и позволяет обеспечить решение практически важных задач цифровой обработки сигналов, в частности, задач радиолокационного обнаружения.

Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках договора № 02.G25.31.0061 от «12» февраля 2013 года (в соответствии с Постановлением Правительства Российской Федерации от 9 апреля 2010 г. №218).

Рецензенты:

Хранилов В.П., д.т.н., профессор кафедры компьютерных технологий в проектировании и производстве Нижегородского государственного технического университета имени Р.Е. Алексеева, г. Нижний Новгород;

Есипенко В.И., д.ф.-м.н., профессор кафедры «Электроника и сети ЭВМ» Нижегородского государственного технического университета имени Р.Е. Алексеева, г. Нижний Новгород.


Библиографическая ссылка

Кузин А.А., Кочубейник И.В., Огурцов А.Г. РЕАЛИЗАЦИЯ АЛГОРИТМА ПОРОГОВОГО ОБНАРУЖЕНИЯ МЕТОДОМ ПОРЯДКОВЫХ СТАТИСТИК НА ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНОМ ПРОЦЕССОРЕ ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ // Современные проблемы науки и образования. – 2015. – № 2-2.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=22634 (дата обращения: 21.02.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074