CC BY
61
Elements: Bursting and Intermitteny Oscillations Generated by Frustration in the Network Text/ M. Inoue, K. Kaneko // Phys. Rev. -2010. -Vol. 81. -P. 126-203.
15. Пригожим, И.Р. Порядок из хаоса. Новый диалог человека с природой [Текст] / И.Р. Пригожин, И. Стенгерс. -М., 1986.
16. Колмогоров, А.Н. О представлении непрерывных функций нескольких переменных суперпозициями
непрерывных функций меньшего числа переменных [Текст] / А.Н. Колмогоров. -ДАН СССР, 1956. -Т. 108. -С. 2- 9.
17. Потапов, А.Б. Нелинейная динамика обработки информации в нейронных сетях [Текст] / А.Б. Потапов, М.К. Али // Изв. вузов. Сер. Прикладная нелинейная динамика. -2001. - Т. 9. - Вып. 6. -С. 3-44.
УДК 004.383
Ю.И. Лыпарь, С.А. Молодяков
методология системного проектирования аналогоцифровых оптоэлектронных процессоров
обработки сигналов
Один из подходов системного проектирования устройств - подход, который можно назвать целевым, позволяющий осуществить проектирование объекта, идя от целей (сверху) к конечной структуре и ее параметрам (вниз) [1]. Данный подход можно применить и к проектированию оптоэлектронных процессоров (ОЭ-процессоров). Он позволяет не только формализовать этапы разработки, но и выявить недостающие элементы стадий проектирования, синтезировать новые устройства.
Особенность проектированияОЭ-процессоров связана с тем, что они являются функционально сложными устройствами, состоящими из разнородных компонент: оптических и электронных, аналоговых и цифровых. Трудно определить уровень элемента системы. Для описания компонент применяют разный математический аппарат.
В данной статье ставится задача не только разработки системного подхода к проектированию ОЭ-процессоров, но и рассмотрения конкретных примеров на разных уровнях проектирования, что упрощает будущее применение описываемой методологии.
Основы системного проектирования
Рассмотрим базовые принципы системного проектирования в рамках спиралевидной модели [1]. При проектировании используется сжимающаяся спиралевидная модель, содержащая четыре аспекта: технологический (7), функциональный (¥"), структурный (5) и конструктор-
ский (С). На каждом аспекте порождается множество решений, что позволяет соответствующему проектировщику принимать наиболее эффективные из них. Подчеркнем, структурный аспект является системообразующим, его результаты последовательно используются на конструкторском и технологическом аспектах проектирования. Результаты проектирования одного этапа указанных аспектов суммируются на функциональном аспекте. На нем выполняется анализ полученных результатов на соответствие функции выбора Е(Е) и формулируются в виде функций и ограничений выбора для следующих этапов. Начинается проектирование с потребности в новом устройстве и формулировки технических, технологических, эксплуатационных, экономических и экологических требований (ТЭТ).
Множество решений, которое не удовлетворяет функции выбора, из дальнейшего проектирования исключается. Оставшиеся элементы множества решения с помощью функции выбора /-го этапа оказываются неразличимыми. Это множество называется эффективным, т. к. любой его элемент может быть использован для дальнейшего проектирования. Лицо, принимающее решение (ЛПР), выбирает из множества одно решение для дальнейшего проектирования. На этом же аспекте новая информация об объекте, полученная на /-м этапе, используется для формирования более детальной функции выбора следующего этапа Щ (/+1)).
Особо отметим, что на первых этапах в функцию выбора входит больше вербальных переменных, чем численных. Именно из-за этого попытки решить проблемы синтеза структур с помощью численных методов терпят неудачу. Число возможных решений по разработанной модели превышает 4-10101 [2], что позволяет говорить о ее универсальности. Одновременно это дает основание для использования в функциях выбора шкал наименования, сравнения [3] и только на конечных этапах функции выбора начинают содержать большее число численных критериев. Как показано в работе [3], при большом числе вариантов решения использование абсолютной шкалы и двух нечисленных приводит в более чем 90 % решений к одинаковому результату.
Формальное обоснование этапов проектирования изложено в [1, 2]. Число этапов, их последовательность обоснована необходимостью получения информации на г этапе, достаточной для решения задач синтеза на г + 1 этапе. Первый весьма непростой этап - этап формирования требований 5ТЭТ, которым должен удовлетворять проектируемый объект.
Так как предполагается изготовление нового объекта, то необходимо определить технологическую базу, ее элементный состав, который будет использован при проектировании, и технологические ограничения. Затем идут этапы: синтез принципов построения 5 аппроксимация 5Д желаемого облика объекта проектирования или его характеристик; синтез способов построения 5 синтез структуры 5 параметров 5раг ее элементов и допусков на них 5
Таким образом, композиция отображений этапов проектирования структур имеет вид
П = 5То1 ° ^Раг ° ^ ° ^ ° 5Д ° 5Рг ° 5ТЭТ. (1)
Композиция начинается с формализации ТЭТ, а заканчивается проектированием допусков на параметры элементов. Заметим, что три этапа 5Рг, 5Дрр и порождают решения как известные, так и патентуемые.
Учет остальных аспектов проектирования (Р, С и Т) приводит к спиралевидной модели [1], начинающейся с этапа формализации задания и заканчивающейся получением объекта. После решения задач каждого этапа появляются новые данные, необходимые для формирования функции выбора следующих этапов.
Как часто бывает по разным причинам, не все
ограничения и условия могут быть сформулированы и включены в функции выбора на первых этапах, что приводит к невозможности на одном из этапов какого-либо аспекта синтезировать решение, удовлетворяющее соответствующей функции выбора. Поэтому возникает необходимость после уточнения данных для построения уточненной функции выбора вернуться по контуру обратной связи на один этап назад.
Системное проектирование ОЭ-процессоров
Опишем отображение (1) по двум аспектам F и S. Начинают процесс проектирования с функционального аспекта, преобразуя ТЭТ в функциональные соотношения и разделения их по аспектам. Выполняя отображения F , описывающие процесс постепенной формализации ТЭТ для всех последующих этапов, сокращают число вербальных ограничений и увеличивают численные ограничения и показатели качества системы. В результате сформируются первые функции выбора для каждого из аспектов:
ТЭТ ^ F(as); F(as) =^ТЭТ, FS, Fc F) (2)
где F(as) - совокупность функций выбора, каждая из которых содержит функциональные соотношения, условия и ограничения в задачах принятия решения.
Для каждого аспекта и этапа i формируются критерии эффективности Efi в результате выполнения отображений i - 1 уровней и ТЭТ, отражающих представление о качестве проектируемой структуры данного уровня. Для i = 1 все критерии (вербальные и формальные) формируются из исходных ТЭТ и общих представлений проектировщика о предметной области.
ОЭ-процессоры являются процессорами обработки сигналов, поэтому ТЭТ функционального аспекта определяется требованиями (задачей) по обработке сигналов в процессоре. Опишем стандартные ТЭТ (f) для задачи проектирования устройства обработки сигналов радиоизлучения пульсаров.
Пульсары представляют собой нейтронные звезды с высокой и очень стабильной скоростью вращения [4]. Импульсное шумоподобное радиоизлучение пульсаров наблюдается в широком диапазоне частот от 100 МГц до 10 ГГц ( f1) с периодом повторения импульсов Tp от единиц миллисекунд до единиц секунд (f). У большинства пульсаров отношение сигнал-шум много меньше 1 (f) Особенность радиоизлучения пульса-
ров заключается в дисперсии радиоизлучения в межзвездной среде. Из-за дисперсии короткий импульс радиоизлучения пульсара дрейфует (/4) по частоте в полосе приема Д/с центральной частотой / от высоких частот к низким со скоростью /3 МГц
а см = 8 3-^ВМ—, где °М - мера дисперсии пульсара, в парсек/см3, / - частота, в МГц.
Для изучения радиоизлучения пульсаров требуется создавать специальные устройства - пуль-сарные процессоры или компенсаторы дисперсии, работающие в приемных комплексах больших полноповоротных радиотелескопов [4]. Основная задача пульсарных процессоров - построение временного профиля импульсов радиоизлучения (/). Полоса частотного анализа радиоизлучения у пульсарного процессора Д/ должна соответствовать полосе частот приемного устройства радиотелескопа (/6). Для выделения сигнала из-под шума требуется использовать максимально возможные (/7) на текущем уровне технологий частотные полосы (100 МГц - 1 ГГц).
Известны несколько типов пульсарных процессоров, построенных на основе аналоговых, цифровых и оптоэлектронных элементов. ОЭ-процессоры имеют ряд преимуществ перед другими устройствами, прежде всего из-за их простоты (/) и надежности работы (/), низкого энергопотребления (/10), малых размеров (/11) и массы (/12)
[5].
ОЭ-процессоры используют последетектор-ной метод компенсации дисперсии [4], который включает операции по спектральному преобразованию, разделению на каналы, суммированию кадров с компенсацией частотной дисперсии (со сдвигом в частотной области). В результате другие ТЭТ функционального аспекта определяются следующим образом. ОЭ-процессор должен проводить операции по получению профилей импульсов радиоизлучения за минимальное время (/13) с использованием последетекторной компенсации дисперсии (/14); временное разрешение 5? должно позволять различать элементы структуры профиля пульсара (/15), время полного накопления должно позволять выделять импульсы радиоизлучения как ярких, так и слабых пульсаров (/16). ОЭ-процессор должен позволять получать профили импульсов для всех известных пульсаров от миллисекундных до секундных (/17) в полном диапазоне изменения ВМ (1-100 парсек/см3) (/18). Уровень сигнала с антенны радиотелескопа
может изменяться, поэтому необходима автоматическая регулировка усиления в тракте прохождения сигнала (/19). Необходимо поддерживать интерактивность процесса наблюдения (/,0): наблюдатель должен видеть процесс получения и уточнения профиля пульсара и иметь возможность в этот процесс вмешаться, например, с целью отстройки сигнала от шумов (/1). Критерием эффективности Е^. 1 является минимизация /10 - /13 при заданном отношении сигнал-шум и соблюдении остальных требований.
ТЭТ структурного аспекта определяет общие требования к структуре ОЭ-процессора. Он должен включать минимальное количество элементов (/51). В соответствии с задачей обработки сигналов таких последовательно соединенных элемента три: оптический вычислитель, выполняющий спектральное преобразование; фотоприемник и цифровой узел (/52). Последние два элемента выполняют дискретизацию, компенсацию дисперсии и накопление кадров с целью их выделения из-под шума. Здесь же определяются требования к цифровой части: наличие локальной сети (/,3), общего или локального компьютера для каждого процессора (/4) и др. Критерием эффективности Е/^ может быть минимизация /51 при удовлетворении остальных ТЭТ.
Выбор принципов построения
На следующем этапе реализуется отображение 5Рг, соответствующее выбору одного из известных принципов построения Рг или синтезу нового принципа. Отображение 5 имеет область определения на функции выбора функционального аспекта Е и множестве универсум структур, при этом учитывается исходная функция выбора ^ТЭТ. Значение отображения лежит во множестве версий структур {КРг}, способных реализовать синтезированный (выбранный) принцип:
5Рг: ^ТЭТП^РгПРГ ^ КР, (3)
КРг = { КРг, }, /" = 1-М
где М - число принципов, удовлетворяющих критериям эффективности Е/Рг для одной из компонент. Известны следующие независимые принципы: последовательный (каскадный), параллельный, иерархический, с обратной связью, квазикаскадный, распределенный и др.
Дополнительно для ОЭ-процессоров на данном этапе решается задача выбора принципа построения оптического узла. Можно выделить
следующие принципы построения оптических вычислителей: с непрерывным введением сигнала (Рг1); с дискретным введением сигнала (Рг2); с одним лазером (Рг3); с вектором (матрицей) лазеров (Рг4); с динамическим транспарантом (на транспарант, например, на акустооптический (АО) модулятор подается сигнал) (Рг5); со статической маской (сигнал подается на лазер) (Рг6) и др. Однако могут возникать практические задачи, не решаемые с помощью известных оптических вычислителей, тогда следует разрабатывать новый принцип построения. Системное проектирование нового вычислителя должно также соответствовать спиралевидной модели.
Для задачи обработки сигналов радиоизлучения пульсаров, как уже было сказано, минимальный набор элементов предполагает включение в ОЭ-процессор трех элементов: оптический вычислитель, фотоприемник (ФП) и цифровой вычислитель. Функция выбора функционального аспекта определяет уже не вербальные, а числовые требования к принципам построения устройства. Для пульсарного ОЭ-процессора: полоса анализа с учетом частотных характеристик приемного тракта радиотелескопа РТ-64 Д/=100-300 МГц (/Рг1) [4], временное разрешение 5? должно позволять получать не мене 100 точек на периоде (/Рг2) радиоизлучения пульсара (15 мкс - 0,1 с), время накопления в зависимости от яркости пульсара должно меняться от 1 мс до 2 ч (/Рг3).
Таким образом, функция выбора принципов построения после лексикографического упорядочивания имеет вид Р(Е/)=Е/О1;../^/Рг1... /Рг3). Указанные параметры ^ выбора могут потребовать выбрать другие принципы построения. Определим основные из них и укажем особенности, связанные с ОЭ-процессором.
Параллельность (многопоточность). Принцип параллельности (Рг7) применяется в двух случаях. Во-первых, для увеличения полосы частотного анализа, в этом случае используется несколько параллельно работающих оптических
вычислителей (анализаторов спектра), причем оптические вычислители могут быть выполнены как в виде отдельных устройств, так и в едином модуле. Во-вторых, для повышения скорости обработки сигналов с выхода оптического узла. Так, в японском пульсарном ОЭ-процессоре Института связи в Кашиме используется четыре параллельно работающих отдельных оптических вычислителя [6], а в немецком ОЭ-радиометре центра KOSMA четыре канала обработки сигналов находятся в едином оптическом модуле [7].
Параллельно-иерархический принцип (Pr8). В этом случае используются также несколько параллельно работающих оптических вычислителей, но при этом они используются не для увеличения полосы, а для спектрального анализа выбранного диапазона с разной степенью детализации (частотного разрешения).
Конвейерность является средством обеспечения непрерывности обработки сигналов (Pr9). Она поддерживается за счет распределенной по узлам последовательной обработки данных (рис. 1).
Конвейер ОЭ-процессоров имеет ряд особенностей по сравнению с конвейером цифровых процессоров [8]. Во-первых, по конвейеру продвигаются не команды, а вектора данных, число элементов в которых задается разрешением в первую очередь оптического узла. Во-вторых, отдельные узлы имеют разное время выполнения операций. В большинстве известных процессоров с АО-узлами входной вектор (матрица) C. поступает каждые 1 мкс, вектор Q . из оптического узла появляется через 1 нс, с выхода фотоприемника R. - через 10 мс, а задержка в цифровом узле определяется выбранным алгоритмом потоковой обработки. В результате частота продвижения данных по конвейеру не выровнена, частоту конвейера задает самое медленное устройство -ФПЗС. В-третьих, схема конвейера может быть более сложной.
Принцип применения ФП для обработки
Оптический узел Фотопр.
Цифр, узел
— п х т — iz т — ф
— — —
Этапы конвейера:
1. Интегральное преобразование
2. Накопление и суммирование
3. Функцисн. преобразование
д, R, к,
Рис. 1. Схема конвейерного ОЭ-процессора
fi h А и
/
оптических сигналов (Рг10). В работах [8, 9] предлагается использовать в ОЭ-процессорах возможностей по обработке сигналов в фотоприемниках. КМОП-фотоприемники широко используются для обработки изображений в фотокамерах [10]. Современные фотоприемники на КМОП-матрицах являются практически гибридным процессором, включающим сенсорное поле, набор АЦП и цифровую логику, определяющую тот или иной алгоритм обработки. Фотоприемники на приборах с зарядовой связью (ПЗС-фотоприемники или ФПЗС) также можно рассматривать в качестве процессоров обработки сигналов, алгоритм работы которых легко перестраивать, в отличие от КМОП-фотоприемников. ПЗС-фотоприемники могут выполнять частично другой набор операций, чем КМОП-фотоприемники.
За счет обработки сигналов в ФП можно сжать поток данных, уменьшить время вывода кадров из ФП, тем самым поднять частоту конвейера в ОЭ-процессоре. Так, используя режим временной задержки и накопления, можно на несколько порядков поднять частоту работы конвейера.
Управляемость (Рг11). Данный принцип возникает из необходимости изменения параметров или алгоритмов обработки в зависимости от параметров сигналов и решаемой задачи. Управляемость (реконфигурируемость) можно получить за счет изменения работы оптического узла, в этом случае переключают пути прохождения оптического пучка, состав и параметры элементов. Однако в подавляющем большинстве случаев смену алгоритмов обработки достигают за счет смены режимов работы фотоприемника и программ обработки в цифровом узле.
В рассматриваемом примере пульсарного ОЭ-процессора изменяются параметры обрабатываемых сигналов (для каждого пульсара свой поток радиоизлучения и своя мера дисперсии пульсаров) и переключаются задачи [11]. Управляемость в первом случае достигается за счет изменения частоты работы ФП и смены параметров алгоритма обработки в цифровом узле (ЦУ), а во втором случае - за счет изменения всего алгоритма обработки оптических сигналов как в ФП, так и в цифровом узле.
Можно указать и другие принципы построения, в частности, принцип обратной связи, однако они не являются специфическими для ОЭ-процессоров и не рассматриваются в статье.
Некоторые принципы могут возникнуть в процессе проектирования на другом слое спирали, о них будет сказано ниже.
Аппроксимация, создание математической модели
Отображение SА соответствует этапу создания математической модели компонента для известных из (3) принципов построения. Оно реализуется с помощью известных методов аппроксимации и моделей.
Отображение имеет область определения на множестве значений Kрг. и функции выбора ЕA, задающей характерные точки аппроксимирующей функции для компонента с выбранным принципом построения. В нее же входят критерии оптимальной аппроксимации и физической реализуемости на заданных в ТЭТ ограничениях и элементном базисе. В результате решения задачи ЕA(Kрг¡, Е^) выделяют из множества Крн подмножество версий структур КА, а область значений во множестве функций О(Я) и данных для формирования критериев выбора Е :
^ КгЯЕ ^ ЯД); ] =
(4)
где Я - вектор сигнала.
Если в базе знаний имеется структура, позволяющая решить задачу (4), то переходят к синтезу параметров Sрaг. В противном случае переходят к синтезу способов построения.
Модель ОЭ-процессора представлена на рис. 2. Она включает операторы, соответствующие преобразованиям в оптическом узле (АО-анализаторе спектра), в фотоприемнике и цифровом узле. Если в оптическом узле это непрерывное преобразование Е[ ], то в ФП и цифровом узле это дискретные или матричные преобразования.
На первом этапе когерентное излучение Е(?) проходит через АО-транспарант: Е(?)5(—х/у(?)), где 5 - входной сигнал; х - координата в плоскости транспаранта; V - скорость волны в звукопро-воде АО-модулятора. На выходе оптического узла наблюдается сигнал, близкий к спектру входного сигнала S(Q) = Е[5(0]. Этот сигнал взвешен аппаратной функцией к(х,0). В плоскости фотоприемника наблюдается сигнал:
да
1(х, ?) =| S(Q, ?) - к(х,О) ¿О.. (5)
—да
На втором этапе происходит детектирование, дискретизация и интегрирование оптического
4
сигнала в элементах ФПЗС; формируется набор элементарных кадров (0}:
Рис. 2. Модель ОЭ-процессора с ПЗС-фотоприемником
Отображение £ЛС™ имеет область определе-
ЛССБ
ния на множестве значений схем операционного блока КР и функции выбора Р задающей
Г Г | 12 . Рпсси —■ -I ЛССУ
О, (и) = ^ \1 (?, х)| ■ г (X'- х) , (6) алгоритм преобразования (0} ^ {Я}:
где О(п) - заряд в ,-м элементе ФПЗС в и-й момент времени (0}=0 ,(и); г(х) - апертурная функция элемента.
Третий этап - этап преобразований векторов в операционном блоке ФП (0} ^ {Я}.
Четвертый этап связан с передачей зарядовых пакетов к выходному узлу.
Пятый этап соответствует преобразованию зарядового пакета в цифровой отсчет. Заряд q претерпевает преобразование в выходном узле с емкостью С, усиливается (О - коэффициент усиления) и преобразуется в АЦП. Окончание преобразований связано с обработкой сигнала в цифровом узле (Я} ^ {К}.
Описанная модель преобразований соответствует работе ПЗС-фотоприемника. В КМОП-фотоприемнике операционный блок ФП хотя и располагается на кристалле ФП, но в схеме (рис. 3) переносится в цифровой узел ОЭ-процессора. Методы и средства проектирования цифровых устройств можно считать известными [12], поэтому рассмотрим модель преобразования зарядов в операционном блоке ФПЗС.
Модель преобразования зарядовых пакетов в ФПЗС. При разработке ОЭ-процессоров мы вынуждены включить этап проектирования зарядового операционного блока ФПЗС, т. к. он в отличие от цифрового процессора не является универсальным (произвольно программируемым). Каждая модель преобразования матрицы зарядовых пакетов (0} ^ {Я} требует синтезирования своей схемы операционного блока.
^ЛССБ: ^РпССБ^^ЛССБ ^ (DPrCCD(Qг, Я^)'РтССВ). (7)
Математическая модель или формализация преобразования (7) определяется набором операций, который выносится на ФП. Первый шаг определения модели - построение графа операций. Основными операциями, которые можно осуществлять в ФПЗС являются:
1) элементарное накопление (накопление кадра массива (0});
2) суммирование кадров во времени (возможно до четырех буферов);
3) объединение зарядов элементов массива;
4) сброс (обнуление) зарядов элементов;
5) перенос кадра в одном или другом направлении на одну или несколько строк;
6) вывод из ФПЗС с аналого-цифровым преобразованием одной или нескольких строк.
Набор операций может расширяться, что связано с разработкой новых ПЗС-структур и освоением соответствующих технологий изготовления.
Приведем пример трех графов операций (рис. 3). Первый граф (а) соответствует операциям алгоритма временной задержки и накопления (ВЗН) [10], второй (б) - покадрового накопления, которые осуществляются в пульсарном процессоре [8]. Третий граф (в) соответствует алгоритму синхронного накопления четных и нечетных кадров, который используется в модуляционных радиометрах [13].
Т
0 Ах
Рис. 3. Графы операций, проводимых в ФПЗС: а - временной задержки и накопления; б - покадрового накопления; в - синхронного накопления
В соответствии с графами операций можно построить граф продвижения зарядовых пакетов по элементам ФПЗС. Граф (рис. 4) соответствует операциям алгоритма синхронного накопления (см. рис. 3 в). Элементами являются ПЗС-структуры, накапливающие, передающие, коммутирующие, суммирующие зарядовые пакеты. Включение элементов происходит при подаче соответствующих импульсов 70-76. Данный граф отражает приблизительно схему операционного блока ФПЗС. Он уже позволяет определить преобразование (7), он же определяет требования к способу построения и синтез структуры
Можно построить целый набор схем, выполняющих алгоритм синхронного накопления. Они будут отличаться набором ПЗС-структур и последовательностью продвижения зарядовых пакетов. Одна из схем описана в работе [13]. Основными критериями эффективности этих схем являются: максимальные скорости обработки мини-
мальный набор элементов (/А2), минимальные искажения зарядовых пакетов при переносах (fA), технологическая реализуемость (^4).
Для реализации некоторых алгоритмов мож-
но выбрать уже существующие ФП. Так, выпускаются ВЗН-фотоприемники, работающие по алгоритму (см. рис. 3 а) [10]. В этом случае выбирается такой ФП.
Выбор способов построения
Оператор синтеза способов построения структур выделяет из множества КА подкласс ККез с КА структур, соответствующих эффективным способам построения .
(8)
Способы соединяют в себе математическую модель (структура коэффициентов и взаимосвязи между ними) и модель наиболее важных фрагментов структуры (описывает веса путей прохождения сигналов, способы перестройки параметров цепей, способы уменьшения постоянных времени, снижающих быстродействие, варианты тестирования). Анализ ^ независимых способов и их сочетаний проводится с помощью функций относительной чувствительности и ее инвариантов На данном этапе формулируются способы, закладывающие базу для эффективного решения
Рис. 4. Граф продвижения зарядовых пакетов по ПЗС-элементам для одного канала операционного блока
задач эксплуатации и технологии, связанных с перестройкой характеристик.
Для ОЭ-процессоров выбор способов построения структур связан с выбором алгоритмов функционирования ФП и ЦУ и с распределением функций между ними. Для ФПЗС алгоритм функционирования определяется временной диаграммой сигналов управления элементами ФП, в примере на рис. 5 - это импульсы Т0-Т6. Для цифровой части алгоритм функционирования связан с построением программ. При распределении функций между ФП и ЦУ в первую очередь в качестве критерии выбора рассматриваются временные ограничения.
Рассмотрим вопрос распределения функций между ФП и ЦУ. Максимальные требования к быстродействию ЦУ возникают при отсутствии зарядовой обработки в ФП. В этом случае элементарные кадры (0} регулярно считываются с ФП, а вся многоуровневая обработка проходит в ЦУ и требование к тактовой частоте /т ПРОц цифрового процессора определяется в виде
/Т_проц — /Т_ФП (^УПР т' Л^вв +
(9)
где N - количество тактов процессора, затраченных на управление, ввод отсчетов, обработку по алгоритмам разных уровней.
Обычно быстродействия цифрового процессора недостаточно. Так, в пульсарном ОЭ-процессоре элементарные кадры нужно считывать с периодом 1-10 мкс, поэтому тактовая частота/Т ПРОц цифрового процессора должна превосходить 1010 Гц.
Преодоление указанной сложности лежит в двух направлениях: применение обработки в ФП и использование параллельно работающих каналов цифровой обработки. Любая обработка в ФП снижает поток данных в ЦУ, и, следовательно, требования к/т прОц. Требование обработки в ФП связано со специальным управлением ФП и вызывает необходимость создания ПЗС-контроллера, который бы работал по программе, формируя необходимую временную диаграмму сигналов управления Т0-Т6.
На этом же уровне проектирования выбираются способы калибровки параметров. Калибровка - обязательный элемент большинства ОЭ-процессоров, т. к. параметры оптического вычислителя изменяются (плавают) во времени. В работе [11] описан метод калибровки частотной
шкалы пульсарного ОЭ-процессора. Он сводится к переключению входного сигнала, к смене алгоритмов зарядовой обработки в ФПЗС и в ЦУ. Преобразование в оптическом узле не меняется. Применение калибровки заключается в регулярном переключении временной диаграммы сигналов управления ФПЗС (переключение с графа рис. 3 а на граф рис. 3 б) и смене программы обработки в ЦУ.
Этап синтеза структуры
После завершения формирования функции выбора РЛрр переходят к синтезу структуры. Выполнение этого отображения порождает множество эквивалентных, с точки зрения области значений V структур Кр = {кр1' К^ ..., КРУ}
^ ^ ЭДП ^ К. (10)
Для ОЭ-процессоров синтез структуры сводится к созданию схемы ПЗС-фотоприемника со своим операционным блоком и к разработке схемы и программ функционирования цифрового узла. Схем ФПЗС, работающих в соответствии с графами, изображенными на рис. 3 и 4, может быть несколько. Они отличаются реализацией сумматоров, коммутаторов, узлов вывода и др. Одна из возможных схем линейного ФПЗС, работающего по алгоритмам, показанным на рис. 3 а, б, включает два ПЗС-регистра и электроды управления (рис. 5). В ПЗС-регистре 1 накапливается элементарный кадр, а ПЗС-регистр 2 служит для суммирования элементарных кадров и вывода зарядовых пакетов из фотоприемника. Основные критерии эффективности схем: высокий (до 90 %) коэффициент заполняемости сенсорного поля (Улрр1), минимальные (менее 100 нс) задержки при передаче (УЛрр2), минимальные (менее 10 электронов) шумы считывания (УЛрр3) [10].
Проектирование структуры цифрового узла сводится к выбору базовых узлов обработки. Выделим два всегда необходимых блока - это ПЗС-контроллер и два модуля буферной памяти размером на один кадр каждая. ПЗС-контроллер формирует сигналы управления ФП в соответствии с выбранным способом. Буферная память обеспечивает непрерывность потока обрабатываемых данных: пока обрабатывается текущий кадр из фотоприемника считывается следующий. Для реализации указанных цифровых узлов имеется большой набор вариантов, начиная от использования одного сигнального процессора [5], до
Рис. 5. Схема двухрегистрового ФПЗС
набора модулей, каждый из которых выполняет свою операцию [14]. Выбор из предложенных вариантов связан не только с требованием быстродействия, но и с выбором уровня аппаратно-программного решения ЦУ.
Этапы определения параметров и допусков на них
Множество Кр совместно с функцией выбора ^ является областью определения отображения 5р, имеющего область значений во множестве структур с оптимальными параметрами X *
5раг: кр П ^ кр(х*). (11)
Завершает проектирование структурного аспекта исследование чувствительности характеристик к вариациям параметров элементов, которые наряду с точностными, стоимостными и эксплуатационными факторами формируют критерии выбора для этапа определения допусков й £ на параметры X* элементов. Этап описывается отображением £ имеющим область определения на множестве К*(Х *) эффективных структур с оптимальными параметрами элементов, а область значений во множестве эффективных структур К*(Х *, d £) с оптимальным допуском й £:
5То1: Кр П ^ ^ (К*р (X*, d£)). (12)
Для ОЭ-процессоров имеется ряд особенностей проектирования на этих этапах. Они, прежде всего, связаны с функционированием оптического вычислителя. Основные параметры - полоса частотного анализа и частотное разрешение (для
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
пульсарного процессора - временное разрешение) задаются характеристиками АО-модулятора и настройкой узлов оптического вычислителя. Задание этих параметров производится путем последовательного выбора АО-модуляторов и настройки процессора. Экспериментальная настройка и тестирование являются элементом в процессе синтезирования параметров.
Допуски на точность измерения частоты й£ входного сигнала определяются допусками на изменения (по полю ФП и во времени) аппаратной функции и частотной шкалы процессора. Допуски на точность измерения амплитуды й £А входного сигнала связаны со стабильностью лазерного излучения. В работах [14, 15] описаны методы измерения, позволяющие оценить долговременную стабильность указанных параметров. В работе [11] предложен метод калибровки частотной шкалы ОЭ-процессора, позволяющий на порядок повысить точность временной привязки профиля радиоизлучения пульсаров.
В данной статье описана методология системного проектирования применительно к ОЭ-процессорам. В качестве элементного базиса выбраны аналоговый оптический вычислитель, многоэлементный фотоприемник и цифровой вычислитель. Разработаны модель и способы применения ПЗС-фотоприемника для обработки сигналов. Представленная методология позволяет пройти этапы проектирования от формулировки ТЭТ до реализации ОЭ-процессора.
1. Лыпарь, Ю.И. Структурный синтез интеллектуальных блоков на примере передатчика дифференциальных сигналов стандарта LVDS [Текст] / Ю.И. Лыпарь, Н.Н. Балтруков, А.Н. Скворцов // Научно-
технические ведомости СПбГПУ Сер. Информатика. Телекоммуникации. Управление. -2011. -№ 6.1 (138)
2. Лыпарь, Ю.И. Теория системно-структурного проектирования - основа интеллектуализации разра-
ботки моделей и систем поддержки принятия решений [Текст] / Ю.И. Лыпарь, И.А. Кацко, Г.Ф. Бершицкая. -Краснодар: Изд-во КГАУ -2010. -44 с.
3. Загоруйко, Н.Г. Проблема выбора в задачах анализа данных и управления [Текст] / Н.Г. Загоруйко, Г.С. Лбов // Сиб. журн. индустр. матем. -2000. -Т. 3. -№1. -С. 101-109.
4. Манчестер, Р. Пульсары [Текст] / Р. Манчестер, Дж.Тейлор. -М.: Мир, 1980. -315 с.
5. Есепкина, Н.А. Акустооптический компенсатор дисперсии для наблюдения радиоизлучения пульсаров [Текст] / Н.А. Есепкина, А.П. Лавров, С.А. Молодяков // Антенны. -2006. -№ 7. -С. 69-76.
6. Hanado, Y. Millisecond Pulsar Observation System Using Acousto-Optic Spectrometer [Text] / Y. Hanado, M. Imae, M. Sekido // IEEE Trans. On Instrum. and Measurement. -1995. -Vol. 44. -№ 2. -P. 107-109.
7. Horn, J. A 4 x 1 GHz Array Acousto-Optical Spectrometer [Text] / J. Horn, O. Siebertz, F. Schmfulling [et al.] // Experimental Astronomy. -1999. -Vol. 9. -№ 1. -P. 17-38.
8. Молодяков, С.А. Оптоэлектронные процессоры с ПЗС-фотоприемниками. Конвейерная обработка сигналов [Текст] / С.А. Молодяков // Информационно-управляющие системы. -2008. -№ 6. -С. 2-8.
9. Есепкина, Н.А. Рассмотрение ПЗС-фотоприем-
ника в качестве аналогового процессора [Текст] / Н.А. Есепкина, С.А. Молодяков // Сб. науч. тр. Вычислительные, измерительные и управляющие системы. -СПб.: Изд-во СПбГПУ -1998. -С. 50-54.
10. Holst, G.C. CMOS/CCD Sensors and Camera Systems [Text] / G.C. Holst, T.S. Lomheim. -SPIE Press, 2007. -376 p.
11. Esepkina, N.A. Acoustooptical pulsar processor: application of frequency scale calibration [Text] / N.A. Esepkina, A.P. Lavrov, S.A. Molodyakov [et al.] // Proc. SPIE. -2007. -Vol. 6594. -9 p.
12. Угрюмов, Е.П. Цифровая схемотехника [Текст] / Е.П. Угрюмов. -СПб.: БХВ, 2010. -798 с.
13. Есепкина, Н.А. Организация синхронного накопления на матричном ПЗС-фотоприемнике в модуляционном спектрометре [Текст] / Н.А. Есепкина, С.А. Молодяков, И.И. Саенко // Письма в ЖТФ. -1986. -Т. 12. -№ 2. -С. 118-123.
14. Esepkina, N.A. Acoustooptical pulsar processor for radioastronomy [Text] / N.A. Esepkina, F.P. Lavrov, S.A. Molodyakov // Proc. SPIE. -2004. -Vol. 5381. -P. 258-265.
15. Ivanov, S.I. Acousto-optical spectrometers' frequency performance stability [Text] / S.I. Ivanov, A.P. Lavrov, S.A. Molodyakov, I.I. Saenko // Proc. SPIE. - 2004. -Vol. 5381. -P. 253-257.
УДК 517.958:532.5
Д.Х. Нгуен, В.Н. Козлов, А.Н. Фирсов
решение задачи об управлении нестационарной транспортировкой вязкой жидкости по системе трубопроводов
В статье дается аналитическое решение задачи о нестационарной транспортировке вязкой жидкости по системе трубопроводов при умеренных скоростях движения и при наличии регулирующих устройств (регуляторы расхода и давления, насосных и компрессорных стаций) с нестационарным режимом работы в начале трубопроводной системы и в узлах ветвления труб. За основу моделирования процесса берется уравнение движения капельной жидкости в длинных трубопроводах, иными словами, - аппроксимируемое уравнение Навье-Стокса для одномерного движения жидкости при условиях, предполагающих ламинарный режим движения жидкости, с нестационарными граничными условиями на
концах элементов трубопровода.
Рассматривается система трубопродов для транспортировки вязких жидкостей (в частности, нефти), содержащая последовательности и разветвления труб (рис. 1). Жидкость предполагается вязкой и слабо сжимаемой (р « const), а движение жидкости по системе трубопроводов происходит в изотермическом режиме.
Для построения математической модели гидродинамики течения жидкости в системе разделим исходную систему на элементарные линейные участки трубопроводов и запишем систему уравнений динамики жидкости для каждого линейного участка, при этом для простоты пренебрежем потерями в точках соеденений между элементами
