ВКР: Инструмент для отладки и верификации программ цифровой обработки сигналов,

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. В настоящее время технология цифровой - обработки сигнала является одной из наиболее востребованных технологий для широкого прикладного применения и при этом одной из наиболее молодых среди всех технологий, имеющих широкое практическое применение. Цифровая обработка сигнала (ЦОС) применяется для решения задач радиолокации, навигации, телекоммуникации, гидролокации, обработки изображения и звука в различной аппаратуре специального и общегражданского назначения, в медицинской технике, в профессиональной и бытовой аудио-видео технике, в фотографии, в биометрии.

Столь широкое распространение технологии цифровой обработки сигнала объясняется рядом присущих ей преимуществ: стабильность параметров и отсутствие их изменения вследствие старения, не требуется регулировка, обеспечивается высокая повторяемость параметров от экземпляра к экземпляру, гарантируется неизменность параметров при изменении температуры и напряжения питания в достаточно широких пределах, предоставляется возможность модификации алгоритмов обработки сигнала в эксплуатируемой аппаратуре путем простой замены программы, предоставляется возможность применения алгоритмов обработки, не реализуемых в аналоговой технике, обеспечиваются более высокие параметры при меньшей стоимости, по сравнению с аналоговой техникой.

Предпосылки для появления технологии цифровой обработки сигнала зародились в тридцатые годы двадцатого века, когда была сформулирована и доказана теорема отсчетов Котельникова, которая обосновывала возможность представления непрерывных аналоговых сигналов последовательностью отсчетов мгновенных значений этих сигналов, взятых достаточно часто. Уже

в конце 40-х годов двадцатого века, с появлением первых ЭВМ, технология цифровой обработки сигнала была применена для решения практических задач, пока еще не в реальном масштабе времени.




2

Современные принципы построения систем цифровой обработки сигнала были определены в 70-е - 80-е годы двадцатого века при выполнении научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по разработке военных радиолокационных и гидроакустических систем. В рамках этих работ был предложен принцип конвейерной организации вычислений, найдены быстрые алгоритмы цифровой обработки сигнала, такие как быстрое преобразование Фурье, быстрое преобразование Уолша и др., разработаны принципы синтеза и реализации цифровых фильтров.

На этом этапе существенный вклад в развитие технологии цифровой обработки сигнала внесли советские ученые, выполнившие ряд передовых по тому времени разработок, таких как специализированный процессор цифровой обработки сигналов СПФ СМ, совместно разработанный

институтом электронных управляющих машин и институтом радиоэлектроники АН СССР в 1983 году, и использованный для обработки сигнала и построения радиолокационных изображений поверхности Венеры.

Основным результатом НИР и ОКР 70-х - 80-х годов двадцатого века, определившим дальнейшее развитие технологии цифровой обработки сигнала, стало появление цифровых процессоров обработки сигнала - сигнальных процессоров. Сигнальные процессоры реализуются на тех же самых принципах и технологиях, что и обычные универсальные цифровые процессоры, но за счет оптимальной организации набора команд и специализированной конвейерной обработки обеспечивают повышенную производительность при решении вычислительных задач, характерных для цифровой обработки сигнала.

Первыми широко распространенными сигнальными процессорами в середине 80-х годов двадцатого века стали процессор mPD7720 корпорации NEC (отечественный аналог - М1827ВЕЗ) и процессор TMS32010 компаниями Texas Instruments, который стал первым сигнальным процессором, получившим относительно широкое распространение в России (его аналог выпускался под названием 1867ВМ1). Затем в короткое время появилось


3

множество сигнальных процессоров, разработанных компаниями Analog Devices, AT&T, Motorola, Philips и рядом других компаний.

• девяностые годы двадцатого века появился новый класс приборов для реализации систем цифровой обработки сигнала - интегральные схемы с программируемой структурой (ПЛИС - программируемая логическая интегральная схема), в которых программа определяет не алгоритм работы, а внутреннюю архитектуру - схему соединений между отдельными логическими элементами на кристалле. Технология ПЛИС позволяет реализовать в перепрограммируемой интегральной схеме оптимальную топологию для решения конкретной задачи, при этом может быть достигнута более высокая производительность, чем в сигнальном процессоре с соизмеримой тактовой частотой, за счет более эффективной схемотехнической реализации, оптимизированной под конкретную задачу, а также за счет возможности выполнения параллельных вычислений.

Кроме того, возможности современного полупроводникового производства позволяют быстро и относительно недорого разработать и запустить в производство специализированную большую интегральную схему -СБИС, реализующую конкретные алгоритмы обработки сигнала и за счет аппаратной схемотехнической реализации этих алгоритмов обеспечивающую минимальное энергопотребление и габариты при максимальной производительности.

Возможности современной техники цифровой обработки сигнала чрезвычайно велики. Производительность цифровых процессоров обработки сигнала достигает десятков миллиардов операций в секунду, количество элементов ПЛИС может превышать миллион, объем памяти в системах цифровой обработки сигнала может достигать нескольких гигабайт. С использованием современных аппаратных платформ цифровой обработки сигнала можно реализовать в реальном масштабе времени весьма сложные алгоритмы обработки сигнала.




4

При этом быстро развивается не только аппаратура, но и методы проектирования систем цифровой обработки сигнала. Так, если в системах проектирования СБИС и ПЛИС первых поколений применялся схемотехнический ввод, предусматривающий ручное определение их топологии, современные системы автоматического проектирования могут автоматически синтезировать топологию ПЛИС и СБИС на основе описания алгоритма их работы на языке высокого уровня. Первые поколения сигнальных процессоров программировались на языке Ассемблера, в то время как для современных сигнальных процессоров существуют оптимизирующие компиляторы с языков С и С++, причем уровень автоматической оптимизации исполняемого кода зачастую превосходит возможности ручной оптимизации, выполняемой программистом. Таким образом, задача проектирования программно-аппаратной платформы для системы цифровой обработки сигнала постепенно становится типовой инженерной задачей, имеющей универсальное решение, а также инструменты и формальные правила для автоматизированного получения этого решения.

• этой связи, ввиду наличия развитых средств автоматизации проектирования программно-аппаратных платформ цифровой обработки сигнала, основная сложность при проектировании системы цифровой обработки сигнала переносится на этап проектирования алгоритмов, особенно если учитывать постоянный рост сложности алгоритмов обработки, связанный
• ростом вычислительных возможностей аппаратных платформ.

При этом решение задач проектирования алгоритмического обеспечения для систем цифровой обработки сигнала все еще остается недостаточно автоматизированным, и получение решения требует сосредоточения усилий большой команды разработчиков, включающей математиков, радиофизиков, радиоинженеров, программистов, специалистов в области математической статистики.

• то же время, многие задачи этапа проектирования алгоритмического обеспечения системы цифровой обработки сигнала, такие как отладка и

5

верификация программ моделирования, выполнение статистического моделирования, анализ результатов, визуализация выборок сигнала и ряд других задач могут быть эффективно автоматизированы за счет применения специального программного обеспечения.

Имеющиеся средства автоматизации проектирования алгоритмического обеспечения систем цифровой обработки сигнала, такие как Matlab, Simulink, Mathcad, SigLib не вполне отвечают требованиям, предъявляемым к системе автоматизированного проектирования алгоритмов цифровой обработки сигнала, прежде всего, по следующим причинам:

• низкая производительность вычислений, ограничивающая объем статистического моделирования;

• ввиду универсальности существующего программного обеспечения автоматизации проектирования алгоритмов цифровой обработки сигнала и его ориентации на решение широкого круга задач, предоставляемое библиотечное обеспечение для моделирования часто оказывается недостаточно полным для решения задач конкретной предметной области;

• в большинстве случаев оказывается невозможным прямое использование фрагментов кода программ моделирования при разработке встроенного программного обеспечения системы цифровой обработки сигнала.

Таким образом, в условиях постоянного усложнения алгоритмического обеспечения систем цифровой обработки сигнала и при отсутствии существующих средств автоматизации проектирования алгоритмов цифровой обработки сигнала, полностью удовлетворяющих разработчиков таких систем, создание новых систем автоматизации проектирования алгоформирование процедур анализа системных параметров при разработке системы связи с использованием оптимизированных алгоритмов ЦОС; анализ эффективности применения средств САПР для промышленных разработок СЦОС.




6