Раздел: Документация
0 1 2 3 ... 78 интегральные схемы и современная обработка сигналов VLSI and Modem Signal Processing S.Y. KUNG, H.J. WHITEHOUSEandT. KAILATH Editors PRENTICE-HALL, INC., Englewood Cliffs, New Jersey 07632 Сверхбольшие интегральные схемы и современная обработка сигналов ПОД РЕДАКЦИЕЙ С. ГУНА, X. УАЙТХАУСА, Т. КАЙЛАТА ПЕРЕВОД С АНГЛИЙСКОГО ПОД РЕДАКЦИЕЙ В. А. ЛЕКСАЧЕНКО (2) Москва «Радио и связь» 1989 ББК 32.811.3 С 24 УДК 621.3.049.771.14:681.3 Переводчик и: /0. С. Малофеев, К Т. Михайлуца, В. В. Никонов, В, Г. Челпанов ISBN 5-256-00179-5. Книга специалистов из многих стран является введением в круг разнообразных проблем, возникающих при создании высокопроизводительных систем обработки информации. Рассмотрены типичные задачи обработки сигналов, иллюстрирующие возможности организации параллельных вычис-лений. Проведен обзор перспективных разработок специализированных процессоров на основе применения сверхбольших интегральных микросхем: в виде систолической матрицы и со связью через систему программируемых коммутаторов. Приведены примеры различного применения параллельных вычислительных систем и их конкретной реализации. Для инженерно-технических работников. г1402030000-183 ISBN 5-256-00179-5 (рус.) ISBN 0-13-942699-Х (англ.) 1985 by Prentice-Hall, Inc., Englewood Cliffs, New Jersey 07632 © Перевод на русский язык, примечания. Малофеев Ю. С, Михайлуца К. Т., Никонов В. В., Челпанов В. Г., 1989 © Предисловие, примечания. Лексаченко В. А. 1989 ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРА ПЕРЕВОДА После нескольких десятилетий развития теории и техники радиосистем в среде радиоинженеров созрело понимание того, что эти системы состоят в основном из двух частей: датчика сигналов и вычислительного устройства, осуществляющего обработку сигналов. Все остальное по сути предназначено для сопряжения этих частей и вывода информации. Первые радиосистемы выполняли скромные задачи. Поэтому их вычислительная часть была проста и обработка сигналов осуществлялась аналоговыми устройствами. Разрабатываемые в настоящее время радиосистемы будут выполнять сложные задачи, решение которых под силу только современным цифровым вычислительным машинам. В связи с этим радиоинженеры - разработчики современных радиосистем оказались в ситуации, когда им необходимо быть и специалистами по вычислительной технике, и программистами, и математиками-прикладниками. К сожалению, эта ситуация осложняется острым дефицитом научно-технической литературы по вопросам применения средств вычислительной техники в современных радио системах. Предлагаемая книга, являющаяся одной из первых в указанной области, представляет собой сборник статей известных зарубежных (в основном -американских) специалистов, написанных в форме научно-технических отчетов. Она является но существу введением в круг разнородных проблем, возникающих перед создателями современных высокопроизводительных систем обработки информации. Технической основой решения этих проблем являются новые возможности, предоставляемые технологией сверхбольших интегральных схем. Но не технологии, а математическим и алгоритмическим аспектам создания вычислительных систем обработки сигналов посвящена эта книга. Здесь нет необходимости характеризовать ее содержание, которое кратко изложено в предисловии редакторов к книге и во введениях к отдельным ее частям. Необходимо только отметить, что широкий круг рассмотренных вопросов и "отчетный" стиль отдельных глав не способствуют легкому чтению. Однако этот недостаток является обратной стороной главных достоинств - актуальности рассматриваемых проблем и новизны предлагаемых решений. Активный исследователь может найти в книге много новых идей, которые окажут стимулирующее влияние на его деятельность. Книга полезна также студентам старших курсов радиотехнических специальностей и инженерам, желающим повысить свою квалификацию в области обработки сигналов. Переводчики приложили немало усилий по согласованию английских и русских терминов. Предисловие к книге, введение к части I и гл. 1, 2, 3, 6 перевел К.Т.Михайлуца; гл. 4, 5, 19 - В. Г. Челпанов; введение к части II, главы 7-16, 20. 26 - В. В. Никонов; введение к части III, гл. 17, 18, 21-25 -Ю. С. Малофеев. ЧАСТЬ I ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ: ТЕОРИЯ И АЛГОРИТМЫ Современная обработка сигналов характеризуется усилением взаимодействия нескольких областей науки и техники: анализа сигналов, теории систем, статистических методов и численного анализа. Революция в технологии СБИС способствует слиянию областей разработки интегральных схем и вычислительной техники. Объединение СБИС и современной обработки сигналов приводит к еще более поразительному взаимопроникновению этих областей знаний. В каждой из них нам приходится пересматривать заново традиционные решения, которые когда-то были "оптимальными" в своей области. Это основная тема гл. 1, в которой приводится несколько примеров плодотворного взаимодействия между математическими решениями и существующими многообещающими технологическими возможностями. В качестве примера рассмотрен известный алгоритм Левинсона, используемый в технике кодирования с линейным предсказанием (КЛП) для анализа и синтеза речи. В алгоритме Левинсона используется свойство стационарности процесса для уменьшения количества вычислительных операций с 0(п3) до с7(и2) при построении его модели и-го порядка. В том случае, когда используется один процессор, время вычисления пропорционально количеству вычислительных операций. Естественно возникает вопрос о том. нельзя ли с появлением СБИС использовать параллельную обработку для увеличения скорости вычислений. Оказывается, что поскольку алгоритм Левинсона требует формирования скалярных произведений «-мерных векторов, то даже при параллельной работе п процессоров время вычислений можно уменьшить только с 0(п ) до 0(п log п). Однако, используя другой, менее известный (но более старый) алгоритм, можно избежать формирования скалярных произведений и уменьшить время вычисления при применении п процессоров до 0(п). Более того, эта структура вполне удовлетворяет требованиям ее реализации в виде СБИС и в действительности образец такой СБИС уже создан (см. гл. 17). Этот другой алгоритм - алгоритм Шура обладает многими интересными свойствами, включая тесную связь с теорией длинных линий. В эпоху СБИС, когда стоимость запоминающих устройств резко снижается, модели линейных систем в виде длинных линий оказываются полезными альтернативами совремештым, более популярным, по крайней мере в теории систем и управления, моделям, основанным на понятиях пространства состояний. Некоторые из этих положений рассмотрены в гл. 1 и работах, указанных в списке литературы к ней. 8 Удивительной особенностью современной обработки сигналов является широкий диапазон математических идей, которые возникают при решении кажущихся ясными проблем. Однако основу составляют линейная алгебра и теория линейных операторов. К специфическим задачам, которые необходимо решать в реальном масштабе времени в современных системах обработки сигналов, относятся матричные умножения для оценки ковариации, решение линейных уравнений для адаптивной обработки, вычисление собственных значений и векторов для определения направления с высокой разрешающей способностью и адаптивного формирования лучей. Для каждого мерного вектора входных данных эти задачи обычно требуют от Л3 до А4 элементарных операций (умножений и сложений). Выполнение этих вычислений с достаточной скоростью, для того чтобы справиться с потоком входных данных, трудно даже в случае очень узкополосных сигналов. Глава 2 начинается с формулировки этих проблем, а затем в ней обсуждается архитектура параллельных матричных процессоров, позволяющая надеяться на решение этих проблем. Однако, прежде чем ринуться изобретать новые изящные структуры параллельных вычислителей для решения множества линейных алгебраических задач, следует учесть болезненный урок, полученный в теории цифровой фильтрации за последние два десятилетия: необходимо обращать самое пристальное внимание на такие вопросы, как накопление погрешностей округлении даже в простых численных расчетах, появление осцилляции, вызванных переполнением, а также на предельные циклы в цифровых фильтрах. Было установлено, что ряд предложенных систолических матричных процессоров, предназначенных для умножения матрицы на вектор и матрицы на матрицу, рекуррентного оценивания, нахождения наибольшего общего делителя и т.д., по существу, представляют собой вариант прямой реализации цифровых фильтров. Основное отличие этих процессоров от указанных цифровых фильтров состоит в "конвейеризации" вычислений, обеспечивающей более высокую скорость обработки данных. Однако из теории цифровых фильтров хорошо известно, что прямые способы реализации всегда были уязвимы с точки зрения ошибок вычислений, в связи с чем от них отказывались в пользу каскадных способов реализации. Каскады ортогональных секций особенно предпочтительны в связи с отсутствием проблем, связанных с предельным циклом и осцилляциями, вызванными переполнением. Можно получить конвейерные структуры каскадных ортогональных фильтров, и они могут оказаться достаточно эффективными на практике. В гл. 15 и работе [1.46] описан расчет и анализ таких структур. Численные задачи другого рода входят составной частью в проблему вычисления собственных значений и собственных векторов, в особенности больших матриц. В гл. 3 - 5 рассматриваются развитие и современное состояние спектрального оценивания с высокой разрешающей способностью и методов измерения угловых координат. Эти новые методы оценивания угловых координат и гесно связанные с ними методы адаптивного формирования луча оказались очень эффективными. Удивительно, что они основаны главным 0 1 2 3 ... 78
|
