ЦИФРОВОЙ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ В ГИДРОАКУСТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ Российский патент 2003 года по МПК G06F15/16 G01S15/88 

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано для обработки сигналов многоэлементных антенных решеток в гидроакустике.

В цифровых вычислительных комплексах (ЦВК) для гидроакустических систем обработка сигналов выполняется в реальном масштабе времени и предъявляются жесткие требования по числу входных каналов, производительности и условиям эксплуатации. От того, насколько удается обеспечить выполнение этих требований, в значительной мере зависит оптимальность обработки сигналов и, соответственно, эффективность гидроакустических систем. При этом с учетом условий размещения гидроакустических комплексов и станции (ГАК и ГАС) на ЦВК налагаются жесткие ограничения по габаритам и энергопотреблению. Важным фактором является стоимость разработки и производства изделия, что заставляет искать пути глубокой унификации ЦВК для гидроакустических систем различного назначения.

Таким образом, создание вычислительного комплекса, способного принимать большие потоки сигналов, имеющего высокую производительность, обеспечивающую обработку сигналов в реальном масштабе времени, высокую надежность, относительно малые габариты и энергопотребление, является актуальной для гидроакустики задачей. При этом ЦВК должен иметь модульную, реконфигурируемуто, открытую архитектуру, позволяющую на единых модулях реализовать выполнение широкого класса задач для различных ГАК и ГАС.

Известные вычислительные устройства и системы не в полной мере отвечают требованиям, предъявляемым к ЦВК перспективных гидроакустических систем.

Так, "Цифровое устройство для формирования многолучевой диаграммы направленности антенны "(патент США 5544128 по кл. G 01 S 15/00 от 05.07.94) содержит аналого-цифровые преобразователи в каждом канале, запоминающие устройства и сумматоры для формирования характеристик направленности и выполняет одну из основных функций ЦВК, однако является частным решением формирования характеристик направленности, реализующим алгоритм пространственной обработки сигналов во временной области, который не оптимален для большинства гидроакустических систем, не предусматривает реконфигурации вычислительной системы и не решает других задач, возлагаемых на ЦВК.

"Вычислительная система параллельного типа" (патент Японии 6042232 по кл. G 06 F 15/16 от 15.04.87) содержит независимо работающие процессорные блоки, объединенные высокоскоростной шиной, и общую память для хранения результатов обработки данных. Однако система не имеет достаточной для ГАК вычислительной производительности и высокоскоростного интерфейса, необходимого для ввода в реальном масштабе времени сигналов от многоэлементной антенной решетки.

"Система обработки сигналов в гидролокаторе" (Joni Keller FPDP date bus helps Speed soner design. Military & Aerospace Electronics 14. February 1997), выполненная на сигнальных процессорах с ограниченным набором команд, работающих на единую высокоскоскоростную шину, имеет недостаточную реальную вычислительную производительность из-за ограниченной пропускной способности единой шины, а "Перепрограммируемый вычислитель для систем обработки информации" (Патент РФ 2146389 по кл. G 06 F 15/00 от 07.07.1998), содержащий схему управления, выполненную на базе RISC-процессора, связанные между собой базовые вычислительные элементы и высокоскоростные асинхронные приемники/передатчики, позволяющие каскадировать базовые вычислительные элементы, имеет относительно невысокую вычислительную производительность, определяемую характеристиками управляющего RISC-процессора.

Кроме того, все перечисленные устройства не могут рассматриваться как функционально полные ЦВК для гидроакустики, так как не содержат ЭВМ для вторичной обработки и отображения информации и пультов.

Наиболее близкой по совокупности признаков к предлагаемому изобретению является система TSPANU, предназначенная для обработки сигналов в ГАК ПЛ. Ее описание приведено в статье Н.М. South и др. Tecnologies for Sonar Processing JOHNS HOPKINS APL Technical Digest, VOLUME 19, NUMBER 4 1998. Система имеет модульную реконфигурируемую архитектуру, т.е. состоит из ограниченного набора функционально и конструктивно законченных устройств (модулей), состав и программное наполнение которых могут быть адаптированы к решаемым вычислительным задачам, что создает хорошие условия для модернизации системы с заменой морально устаревших аппаратных средств и внедрением новых алгоритмов обработки сигналов.

В состав системы входит множество (группа) процессоров, объединенных высокоскоростной шиной, что обеспечивает возможность реализации характерных для гидроакустики параллельных вычислительных процедур, требующих высокой производительности. Тем не менее в силу специфики архитектуры системы TSPANU (наличие буферных запоминающих устройств на входе, устройств формирования характеристик направленности во временной области, единой шины данных в системе, отсутствие средств для наращивания вычислительной производительности) она не оптимальна для реализации пространственной обработки сигналов в частотной области - наиболее эффективного алгоритма для гидроакустических систем с развитыми фазированными антенными решетками, имеет относительно невысокую, недостаточную для обработки сигналов в больших ГАК и ГАС вычислительную производительность (~13 Gflops) и, в связи с этим, не может рассматриваться как базовая для широкого класса гидроакустических систем различного назначения.

Предлагаемое изобретение решает задачу создания базового цифрового вычислительного комплекса, конкретное функциональное содержание которого определяется его аппаратным и программным наполнением, предназначенного для реализации широкого класса алгоритмов обработки и отображения гидроакустических сигналов в ГАК и ГАС различного назначения, имеющего вычислительную производительность от 50-100 Mflops до 50-100 Gflops, высокоскоростные каналы межмодульного обмена данными и развитые средства отображения, регистрации и документирования выходной информации.

Для решения поставленной задачи в цифровой вычислительный комплекс для обработки сигналов в гидроакустических системах в реальном масштабе времени, имеющий модульную реконфигурируемую архитектуру, содержащий группу индивидуальных процессоров, объединенных одной высокоскоростной шиной, схемой управления и общей памятью, введены новые признаки, а именно:
- индивидуальные процессоры выполнены на базе двухпортовых сигнальных процессоров;
- ЦВК содержит несколько групп индивидуальных процессоров;
- группы индивидуальных процессоров объединены в один или несколько модулей программируемого процессора сигналов (ППС);
- в ЦВК введены один или несколько модулей ЭВМ, выполненных на базе универсальных микропроцессоров, и модулей пульта, включающего один или два монитора, пультовую ЭВМ, клавиатуру и манипулятор;
- ко входам модулей ППС, являющимся входами ЦВК, и между модулями ППС включены радиальные каналы передачи обрабатываемых сигналов;
- в ЦВК введены две сети Ethernet, при этом модули ППС объединены с модулями ЭВМ одной, а модули ЭВМ объединены с модулями пультов другой сетью Ethernet;
- в ЦВК введены две магистральные шины последовательного интерфейса типа Манчестер-2 для обмена данными и управляющими воздействиями с внешними системами, причем все модули ППС соединены с одной, а модули ЭВМ и модули пультов - с другой магистральной шиной интерфейса Манчестер-2.

С целью повышения производительности и пропускной способности ЦВК для объединения индивидуальных процессоров в группу введена вторая высокоскоростная шина, при этом один порт каждого индивидуального процессора в группе соединен с одной шиной, используемой для ввода и распределения обрабатываемых данных по индивидуальным процессорам группы, а другой порт - со второй шиной, используемой для обмена информацией между индивидуальными процессорами группы и ввода/вывода информации из общей памяти группы.

В ЦВК с целью обеспечения поддержки масштабирования и реконфигурации модуля ППС группы индивидуальных процессоров объединены в модуль ППС входной и выходной высокоскоростными кольцевыми шинами, причем входная высокоскоростная кольцевая шина обеспечивает ввод и распределение обрабатываемых данных по группам индивидуальных процессоров в модуле ППС, а выходная высокоскоростная кольцевая шина - ввод/вывод и обмен обрабатываемыми данными между группами индивидуальных процессоров модуля ППС.

Для обработки больших потоков сигналов и/или параллельного решения нескольких задач в ЦВК в зависимости от интенсивности входных потоков обрабатываемых данных и/или распределения решаемых задач по группам индивидуальных процессоров в модули ППС введены один или несколько программируемых коммутаторов, каждый из которых осуществляет прием по радиальному каналу передачи входных обрабатываемых сигналов и программируемую коммутацию обрабатываемых сигналов в любом направлении во входную высокоскоростную кольцевую шину модуля ППС, программируемую коммутацию в любом направлении обрабатываемых данных из выходной высокоскоростной кольцевой шины во входную высокоскоростную кольцевую шину модуля ППС, программируемое распределение обрабатываемых сигналов и обрабатываемых данных по индивидуальным процессорам в группах по входной высокоскоростной кольцевой шине модуля ППС, программируемую коммутацию обрабатываемых сигналов и обрабатываемых данных с высокоскоростных кольцевых шин в радиальный канал передачи обрабатываемых сигналов.

В системах с относительно небольшой вычислительной производительностью весь комплекс размещен в модуле пульта, при этом в пультовую ЭВМ введены акселераторы, выполненные на сигнальных двухпортовых микропроцессорах и используемые в качестве ППС, и одновременно пультовая ЭВМ реализует функции модуля ЭВМ, выполненного на базе универсальных микропроцессоров.

В ЦВК для регистрации и документирования выходной информации пульт дополнен накопителем на оптическом диске и цифропечатающим устройством, которые соединены с пультовой ЭВМ интерфейсами SCSI и RS232C соответственно.

Технические результаты от использования предлагаемого изобретения заключаются в следующем:
архитектура и интерфейс ЦВК оптимизированы к обработке больших потоков сигналов в реальном масштабе времени;
ЦВК обладает высокой модернизационной способностью, позволяющей использовать самые последние достижения вычислительной техники;
в ЦВК произведена глубокая унификация аппаратных и программных средств, обеспечивающая возможность реализации на единых средствах широкого класса ГАК и ГАС.

Все это позволяет использовать ЦВК в гидроакустических комплексах и станциях различного масштаба и назначения, повысить основные тактико-технические характеристики разрабатываемых и модернизируемых ГАК и ГАС (дальность обнаружения целей, достоверность классификации и точность измерения их координат, надежность изделий и др.) за счет реализации оптимальных алгоритмов обработки сигналов на базе последних достижений микроэлектроники и вычислительной техники. При этом проектирование конкретного ЦВК заключается в определении необходимого числа модулей каждого типа для обеспечения требуемых вычислительной производительности и объема решаемых задач, разработке прикладного программного обеспечения с использованием базового системного программного обеспечения (ПО) и готовых фрагментов прикладного ПО и отладке аппаратно-программного комплекса.

Создаваемые таким образом ЦВК конкретных изделий отличаются друг от друга лишь количеством применяемых модулей каждого типа при идентичности архитектурного построения комплексов, связей, номенклатуры вычислительных средств, системного программного обеспечения, тестового и фрагментов функционального ПО. Все это в несколько раз (2-3 раза) сокращает сроки разработок и повышает их качество. Другим важным достоинством модульной архитектуры является возможность помодульной замены звеньев ЦВК на самые современные с учетом развития микроэлектроники, что позволит при модернизации изделий реализовать более эффективные алгоритмы обработки сигналов и наращивать объем решаемых задач, повышая тем самым тактико-технические характеристики гидроакустических систем без больших финансовых затрат. Применение единого базового вычислительного комплекса в гидроакустике позволяет за счет глубокой унификации аппаратных и программных средств снизить в 2-3 раза стоимость освоения ЦВК, а за счет увеличения их серийности - сократить сроки окупаемости производственных затрат.

Сущность предлагаемой полезной модели поясняется Фиг.1 и 2, где
- на фиг. 1 приведена структурная схема предлагаемого вычислительного комплекса. На ней представлены модули ППС, ЭВМ и пультов, показаны связи модулей в ЦВК,
- на фиг. 2 представлена структура ЦВК, при которой все функциональные модули конструктивно размещены в пульте.

Цифровой вычислительный комплекс имеет три основных звена: модули программируемых процессоров сигналов (ППС), модули ЭВМ и модули пультов. В зависимости от назначения, состава и объема решаемых задач комплекс содержит различное число модулей ППС, ЭВМ и пультов (Фиг.1). Модули ППС 1 выполнены на базе двухпортовых сигнальных процессоров, которые объединены высокоскоростными шинами (на фигуре не указаны). Модули ЭВМ 2 выполнены на базе универсальных микропроцессоров. В состав модуля пульта 3 входят мониторы 4, пультовая ЭВМ 5, клавиатура 6 и манипулятор 7. Для ввода данных и обмена данными между ППС используются радиальные высокоскоростные каналы (ВСК) передачи обрабатываемых сигналов. Все ППС и все ЭВМ объединены сетями Ethernet, при этом модули ППС объединены с модулями ЭВМ одной, а модули ЭВМ - с модулями пультов другой сетью Ethernet. Для обмена данными и управляющими воздействиями с внешними системами в вычислительном комплексе применены магистральные шины последовательного интерфейса типа Манчестер-2, при этом все модули ППС подключены к одной, а модули ЭВМ и модули пультов - к другой магистральной шине интерфейса Манчестер-2.

С целью повышения производительности и пропускной способности вычислительного комплекса для объединения индивидуальных процессоров в группу применяются две высокоскоростные шины, к одной из которых, используемой для ввода и распределения обрабатываемых данных по индивидуальным процессорам группы, подключен один порт каждого индивидуального процессора, а ко второй шине, используемой для обмена данными между индивидуальными процессорами и ввода/вывода из общей памяти группы, подключен второй порт каждого индивидуального процессора.

Для аппаратной поддержки реконфигурации и масштабирования модуля ППС группы индивидуальных процессоров объединены в модуль ППС с помощью двух (входной и выходной) высокоскоростных кольцевых шин. Для программируемого распределения обрабатываемых данных по процессорам с целью максимального использования вычислительного ресурса ППС и сокращения временных затрат на передачу данных в модуль ППС введены один или несколько программируемых коммутаторов, каждый из которых подключен к входной и выходной высокоскоростным кольцевым шинам.

Для гидроакустических систем, не требующих высокой производительности, весь цифровой вычислительный комплекс конструктивно размещается внутри пульта (Фиг.3), при этом функции ППС выполняют модули-акселераторы, входящие в состав ЭВМ, которая одновременно является пультовой ЭВМ 5.

Для регистрации и документирования выходной информации пульт может быть дополнен накопителем на оптическом диске и цифропечатающим устройством, которые соединены с пультовой ЭВМ каналами SCSI и RS232С соответственно.

Входные сигналы в цифровой вычислительный комплекс поступают по высокоскоростным каналам передачи обрабатываемых сигналов на входы модулей ППС через программируемые коммутаторы, с помощью которых по входной высокоскоростной кольцевой шине распределяются по группам процессоров и внутри групп по индивидуальным процессорам, результаты вычислений через вторую высокоскоростную шину передаются в общую память группы, в другие процессоры группы и в выходную высокоскоростную кольцевую шину ППС для обмена обрабатываемыми данными между модулями ППС. Число модулей ППС в комплексе определяется необходимой вычислительной производительностью. Многопроцессорные ППС в ЦВК выполняют операции, требующие наибольших вычислительных затрат (пространственно-временной спектральный анализ, формирование частотных диапазонов, адаптивная фильтрация, осреднение результатов и др.).

Необходимый обмен данными между ППС осуществляется по высокоскоростным каналам. Результаты первичной обработки сигналов, выполненной ППС, через сеть Ethernet поступают в ЭВМ, где одновременно решается широкий класс задач (обнаружение, классификация, трассовый анализ, обмен информацией с внешними системами и др.). Из ЭВМ информация по другой сети Ethernet передается в пультовую ЭВМ и после предындикаторной обработки (цветовое кодирование, формирование цифровой и графической информации и др.) выводится на мониторы. Оператор, пользуясь манипулятором и клавиатурой, обеспечивает обнаружение целей, их классификацию, управление комплексом, регистрацию и документирование полученной информации.

Предлагаемое изобретение может быть реализовано на базе цифровых вычислительных средств, разработанных по программе "Интеграция СВТ" (Семейство ЭВМ для специальных применений. Каталог продукции КБ "Корунд-М". М. 2000.) В частности, в качестве модулей ППС могут быть применены многопроцессорные ЭВМ типа "Багет-25" или "Багет-55", в качестве модулей ЭВМ - ЭВМ типа "Багет-23" или "Багет-01" с модулями-акселераторами типа БТ01-206. При этом в пульте могут быть использованы стандартные мониторы, клавиатура, манипулятор, накопитель на оптическом диске и цифропечатающее устройство. Такой ЦВК в зависимости от назначения ГАК и ГАС может иметь различное число модулей и, соответственно, пиковую производительность от 50-100 Mflops до 50-100 Gflops и решать все функциональные задачи, связанные с обработкой сигналов, отображением информации на экранах дисплеев и управлением гидроакустическим комплексом или станцией.

Цифровой вычислительный комплекс (ЦВК) для обработки сигналов в гидроакустических системах относится к мультипроцессорным высокопроизводительным вычислительным системам и предназначен для обработки в реальном масштабе времени сигналов от многоэлементных антенных решеток гидроакустических комплексов (ГАК) и станций (ГАС) различного назначения. Техническим результатом является создание базового цифрового вычислительно комплекса, конкретное функциональное содержание которого определяется его аппаратным и программным наполнением, предназначенного для реализации широкого класса алгоритмов обработки и отображения гидроакустических сигналов. ЦВК имеет модульную реконфигурируемую архитектуру и включает в себя модули программируемых процессоров сигналов (ППС), модули ЭВМ и пульта - рабочего места оператора. Данные на вход комплекса и между ППС передаются по высокоскоростным каналам, все ППС и ЭВМ объединены сетями Ethernet и Манчестер 2, а для регистрации и документирования выходной информации пульт дополнен накопителем на оптическом диске и цифропечатающим устройством. 5 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Цифровой вычислительный комплекс (ЦВК) для обработки сигналов в гидроакустических системах в реальном масштабе времени, имеющий модульную, реконфигурируемую архитектуру, содержащий группу индивидуальных процессоров, объединенных одной высокоскоростной шиной, схемой управления и общей памятью, отличающийся тем, что индивидуальные процессоры выполнены на базе двухпортовых сигнальных микропроцессоров, ЦВК содержит несколько групп индивидуальных процессоров, группы индивидуальных процессоров объединены в один или несколько модулей программируемых процессоров (ППС), в ЦВК введены один или несколько модулей ЭВМ, выполненных на базе универсальных микропроцессоров, и модулей пульта, включающего один или два монитора, пультовую ЭВМ, клавиатуру и манипулятор, ко входам модулей ППС, являющимся входами ЦВК, и между модулями ППС включены радиальные каналы передачи обрабатываемых сигналов, в ЦВК введены две сети Ethernet, при этом модули ППС объединены с модулями ЭВМ одной, а модули ЭВМ объединены с модулями пультов другой сетью Ethernet, в ЦВК введены две магистральные шины последовательного интерфейса типа Манчестер-2 для обмена данными и управляющими воздействиями с внешними системами, причем все модули ППС соединены с одной, а модули ЭВМ и модули пультов с другой магистральной шиной интерфейса Манчестер-2. 2. Комплекс по п.1, отличающийся тем, что для объединения индивидуальных процессоров в группу введена вторая высокоскоростная шина, при этом один порт каждого индивидуального процессора в группе соединен с одной шиной, используемой для ввода и распределения обрабатываемых данных по индивидуальным процессорам группы, а другой порт - со второй шиной, используемой для обмена информацией между индивидуальными процессорами группы и ввода/вывода информации из общей памяти группы. 3. Комплекс по п.1, отличающийся тем, что группы индивидуальных процессоров объединены в модуль ППС входной и выходной высокоскоростными кольцевыми шинами, причем входная высокоскоростная кольцевая шина обеспечивает ввод и распределение обрабатываемых данных по группам индивидуальных процессоров в модуле ППС, а выходная высокоскоростная кольцевая шина - ввод/вывод и обмен обрабатываемыми данными между группами индивидуальных процессоров модуля ППС. 4. Комплекс по п.2 или 3, отличающийся тем, что при объединении групп индивидуальных процессоров в модуль ППС, в зависимости от интенсивности входных потоков обрабатываемых данных и/или распределения решаемых задач по группам индивидуальных процессоров в модули ППС, введены один или несколько программируемых коммутаторов, каждый из которых осуществляет прием по радиальному каналу передачи обрабатываемых сигналов и программируемую коммутацию обрабатываемых сигналов в любом направлении во входную высокоскоростную кольцевую шину модуля ППС, программируемую коммутацию в любом направлении обрабатываемых данных из выходной высокоскоростной кольцевой шины во входную высокоскоростную кольцевую шину модуля ППС, программируемое распределение обрабатываемых сигналов и обрабатываемых данных по индивидуальным процессорам в группах по входной высокоскоростной кольцевой шине модуля ППС, программируемую коммутацию обрабатываемых сигналов и обрабатываемых данных с высокоскоростных кольцевых шин в радиальный канал передачи обрабатываемых сигналов. 5. Комплекс по п. 1, отличающийся тем, что в системах с относительно небольшой вычислительной производительностью весь комплекс размещен в модуле пульта, при этом в пультовую ЭВМ введены акселераторы, выполненные на сигнальных двухпортовых микропроцессорах и используемые в качестве ППС, и одновременно пультовая ЭВМ реализует функции модуля ЭВМ, выполненного на базе универсальных микропроцессоров. 6. Комплекс по п.1, отличающийся тем, что для регистрации и документирования выходной информации пульт дополнен накопителем на оптическом диске и цифропечатающим устройством, которые соединены с пультовой ЭВМ интерфейсами SCSI и RS232C соответственно.