Preview

Вопросы радиоэлектроники

Расширенный поиск
№ 8 (2018)
Скачать выпуск PDF

ЭЛЕКТРОННАЯ КОМПОНЕНТНАЯ БАЗА

6-12 80
Аннотация
В данной статье описывается метод преобразования аналогового сигнала в цифровой код при помощи контура фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Рассматривается функциональная структура схемы преобразования напряжения в цифровой код. Исследуется применение принципа фазовой автоподстройки частоты для регулирования скважности выходного сигнала фазового детектора при изменении напряжения на положительном входе операционного усилителя, входящего в состав фильтра нижних частот (ФНЧ). В современном мире аналогоцифровые преобразователи (АЦП) имеются почти в каждом электронном устройстве. Применение различных архитектур АЦП определяется их параметрами и особенностями схемотехнической и технологической реализации. Контур фазовой автоподстройки частоты в совокупности с цифровой частью (16-разрядного счетчика, регистра хранения и интерфейса передачи данных) позволяет получить прецизионный преобразователь аналогового сигнала на основе относительно несложной схемотехнической реализации, который имеет высокую точность и низкий уровень шумовых показателей. Отрицательная обратная связь контура ФАПЧ позволяет нивелировать погрешность пассивных элементов ФНЧ и генератора, управляемого напряжением (ГУН). Результатом данной работы является проведенный анализ характеристик АЦП в технологическом базисе 250 нм.
13-19 148
Аннотация
В статье представлены архитектура и основные характеристики разрабатываемой по технологии 90 нм радиационно стойкой СБИС MCDE50F, представляющей собой многопроцессорную гетерогенную систему на кристалле (СнК), в состав которой входят управляющий RISC-процессор MIPS64, графический ускоритель GPU, а также цифровой сигнальный процессор Elcore50. Ввод-вывод данных может выполняться с помощью интерфейсов SpaceWire/ GigaSpaceWire/SpaceFibre, объединенных со встроенным многоканальным коммутатором, либо с помощью набора других стандартных интерфейсов. СБИС MCDE50F предназначена для многофункционального применения в интеллектуальных космических системах сбора и обработки данных, включая цифровую обработку сигналов, в том числе обработку изображений с поддержкой функций компьютерного зрения, и обеспечивает передачу высокоскоростных потоков данных по протоколам Ethernet, SpaceWire/GigaSpaceWire/SpaceFibre. Приведен пример построения бортовой сети передачи данных на основе СБИС MCDE50F. Дан анализ производительности цифрового сигнального процессора Elcore50 в составе СБИС MCDE50F при реализации функций стандарта OpenVX.
20-26 51
Аннотация
Любое функционально законченное изделие должно быть верифицировано на кристалле на соответствие выполняемой функции и заявленным электрическим параметрам. К таким изделиям относятся и библиотеки стандартных цифровых элементов (СЦЭ). Несоответствие реальных значений задержек элементов может привести к снижению выхода годных изделий. В данной статье рассмотрен один из эффективных методов верификации задержек СЦЭ. Описан вариант реализации данного метода, проанализированы основные источники погрешности определения задержек с использованием разработанного блока, даны рекомендации по проектированию и тестированию аналогичных блоков. Предложена схема для верификации задержек триггеров. Разработанный блок позволяет верифицировать задержки 20 различных СЦЭ. Ожидаемая погрешность, вносимая измерительной схемой, составляет не более 3 пс. Всего в блоке установлено 72 измерительные ячейки для оценки случайных локальных вариаций на кристалле. Размер одного блока составляет 105x145 мкм2 на проектных нормах 90 нм. Блок интегрирован в состав тестового кристалла в количестве четырех штук для оценки пространственно-коррелированных вариаций.
27-32 69
Аннотация
Представлены обзор и сравнение способов обработки особых ситуаций, возникающих на входе высокоскоростных приемников сигналов с последовательных линий связи. Особое внимание уделено ситуации, когда амплитуда входного сигнала оказывается ниже заданного порога и решается задача раннего обнаружения и индикации этой ситуации на физическом уровне (в интерфейсной части приемника). Обработка особых ситуаций предусмотрена в популярных стандартах последовательной передачи, однако ее практическая реализация для высокоскоростных приемопередатчиков на физическом уровне затруднена в связи с отсутствием готовых решений, учитывающих весь комплекс требований к подсистеме обработки особых ситуаций. Исходя из сформулированных требований произведен анализ возможных решений и обоснована структура специального блока обнаружения особой ситуации указанного типа, вырабатывающего соответствующий служебный сигнал в реальном времени. Предлагаемый блок обнаружения особой ситуации представляет собой вспомогательный диапазонный компаратор, который работает параллельно с компаратором в основном канале, не влияет на скважность сигналов в этом канале и построен на основе асимметричных дифференциальных каскадов в составе двух модифицированных компараторов. Показано, что такое решение в сочетании с детектором огибающей на выходе вспомогательного канала позволяет обеспечить стабильные пороги срабатывания приемника и выработку корректного (бессбойного) сигнала, индицирующего возникновение особой ситуации. Представлены результаты моделирования такого блока в составе CML-приемника, выполненного по КМОП-технологии с нормами 90 нм и работающего на скорости не менее 3 Гбит/с.
33-39 60
Аннотация
Резервирование - наиболее используемый способ увеличения устойчивости системы к ошибкам и сбоям. Устойчивость к ошибкам в современных встраиваемых системах - это важная функция ввиду ускоренного старения в системе или дефектов производства, детектирование которых в процессе тестирования чипа не представляется возможным. Кроме того, различные области применения системы требуют различной степени устойчивости к ошибкам. С точки зрения разработки интегральных схем специального назначения (ASIC), резервирование означает пространственную избыточность, т.е. увеличение площади и энергопотребления кристалла. На ранних стадиях разработки необходимо оценивать взаимосвязь между описанием компонента на языке описания аппаратуры и его синтезом. В статье рассмотрено несколько вариантов синтеза компонентов с резервированием, которые показывают влияние структуры компонента на его площадь и энергопотребление. Основной целью исследования является анализ корреляции между моделью и ее синтезом.
40-48 87
Аннотация
Возникновение квадратурного дисбаланса в приемниках прямого преобразования вследствие неидеальности характеристик аналогового тракта оказывает негативное влияние на качество принимаемого сигнала и серьезно сказывается на производительности системы в целом. По этой причине перед разработчиками подобного рода устройств стоит задача создания и усовершенствования компактных и автономных методов компенсации квадратурного дисбаланса, обеспечивающих лучшее подавление зеркальной составляющей сигнала. Наиболее перспективными являются методы, основанные на применении цифровой обработки сигналов. В данной статье описан вариант автономного и адаптивного алгоритма компенсации частотно-независимого квадратурного дисбаланса приемника, который может быть реализован в виде цифрового сложно-функционального блока, интегрируемого в различные системы на кристалле (СнК), используемые для приема радиочастотных сигналов. Метод расчета основан на оценке статистических параметров оцифрованных сигналов, поступающих из аналогового приемного тракта, с последующим постепенным схождением значений коэффициентов компенсации к некоторым целевым значениям, при которых достигается наибольшее подавление возникающей вследствие наличия квадратурного дисбаланса зеркальной составляющей в принятом сигнале. Представлены результаты работы алгоритма с входными сигналами с произвольными установленными значениями квадратурного дисбаланса, проведена оценка максимальной и минимальной степеней подавления зеркальной составляющей.
49-55 167
Аннотация
Одним из факторов, ограничивающих производительность вычислительного конвейера процессора, является конвейеризация команд программного управления. В данной статье рассматриваются проблемы повышения эффективности конвейера при выполнении программных переходов на примере микроархитектуры, реализующей набор команд открытой архитектуры RISC-V. Описываются различные методы борьбы с конфликтами по управлению. Представлены реализации различных схем статического и динамического предсказания программных переходов, а также схемы вычисления адреса перехода. Для динамических схем оценивается зависимость точности предсказания от размера таблиц истории выполнения переходов. Дается сравнительный анализ реализованных схем на основе их влияния на производительность конвейера. Кроме того, приводятся результаты синтеза, позволяющие оценить аппаратные затраты на реализацию данных схем. Показано, что наличие в вычислительном конвейере блока динамического предсказания программных переходов позволяет повысить эффективность конвейерной обработки.
56-63 88
Аннотация
Для решения ряда задач радиолокации требуются аналого-цифровые преобразователи (АЦП), обладающие одновременно и высоким отношением сигнала к шуму, и большой полосой пропускания сигнала. Задача проектирования подобного АЦП является настоящим вызовом при разработке аналоговой части, цифровой части и ее верификации. Маршрут разработки цифровой части должен учитывать возможность изменения спецификации аналоговой части на всех этапах проектирования, предоставлять возможность быстро получить синтезируемый RTL-код устройства и провести его функциональную верификацию. Для уменьшения временных затрат на разработку и верификацию в маршруте были использованы средства автоматизации. В данной статье описан разработанный программный комплекс, генерирующий синтезируемый RTL (Register Transfer Level) код и конфигурации верификационного окружения для каждого этапа разработки аналоговой части многостадийного сигма-дельта АЦП.

ИСПЫТАНИЯ

64-72 68
Аннотация
Для обеспечения сходимости проекта СнК по критерию эффективности на реальных задачах весь маршрут разработки СнК, начиная с архитектурного проектирования и заканчивая квалификационными тестами топологического списка цепей, должен быть ориентирован на раннюю локализацию проблем с производительностью и подтверждение потребительских характеристик СнК перед ее выпуском на фабрику (tapeout). В статье раскрываются некоторые детали маршрута верификации СнК, ориентированного на сходимость по требованиям задания по производительности, и приводятся результаты работы инструментария, используемого при исследованиях СнК и ее компонент на различных уровнях абстракции. В основе маршрута лежит использование шаблонных тестовых окружений и унифицированных средств анализа производительности. В статье предложен метод описания входных воздействий на основе графов, позволяющий точно восстановить сценарии, при которых возникла ошибка, а также смоделировать реальный трафик. Описаны этапы маршрута верификации и валидации системы, ориентированные на получение модели СнК, способной гарантированно исполнять целевые задачи и алгоритмы с заданными характеристиками, и приведен пример системы, верифицированной по принципу контроля метрик производительности.

АЛГОРИТМЫ И ПРОГРАММЫ

73-78 63
Аннотация
Представлен опыт автоматизации создания обучающей выборки для нейронной сети, распознающей автомобильные номера. Главная проблема обучения нейронной сети данными, полученными с помощью реальных съемок, заключается в значительных временных затратах на формирование выборки необходимого объема. Кроме того, после обучения нейронная сеть недостаточно эффективно распознает редкие форматы номеров. Целью работы является повышение качества распознавания и скорости обучения нейронной сети. Для достижения поставленной цели обучающая выборка формируется из автоматически сгенерированных изображений номерных знаков автомобилей. Для имитации искажений съемки используются проективные преобразования. Полученная таким образом выборка включает все стандарты номеров, причем доля редких видов достаточна для эффективного их распознавания. Применение предлагаемого генератора позволяет не только значительно ускорить создание обучающей выборки, но и повысить качество распознавания редко используемых стандартов номеров.
79-86 97
Аннотация
В статье рассматривается сложившаяся проблемная ситуация, связанная с отсутствием нересурсоемких алгоритмов шумоподавления, способных в условиях действия шумов разной интенсивности получать выходное изображение хорошего качества без размытия границ, контуров и основной структуры. Предложенный в статье адаптивный алгоритм позволяет решить указанную проблему за счет разработанных алгоритмов разбиения области поиска на два набора схожих и отличных от исследуемого пикселя точек и адаптации типа ядра к исследуемой области. Проведено сравнение результатов работы предложенного алгоритма и стандартного метода нелокальных усреднений по метрикам пикового отношения сигнала к шуму и структурного сходства. Установлено, что разработанный адаптивный алгоритм значительно лучше стандартного метода как по численным результатам, так и по качеству обработки самого изображения.
87-93 82
Аннотация
В статье предложен алгоритм генерации данных о городских объектах для формирования графической сцены системы визуализации авиатренажеров. С помощью алгоритма выполняется кластеризация кварталов, чтобы определить их принадлежность к конкретному городу. В зависимости от площади города выбираются параметры для генерации. Параметры задают критерии выбора квартала в зависимости от его отдаленности от центра города и некоторых случайных факторов. Каждому типу застройки квартала соответствует список трехмерных моделей зданий. Модели зданий представляют собой заранее подготовленные шаблоны, которые занимают площадь, состоящую из клеток фиксированного размера. В зависимости от правил расстановки и вероятностей распределения объекты заполняют квартал, занимая области, разбитые на клетки. Разработанный алгоритм позволяет придать разнообразия виртуальному городу, сделать его более детализированным и реалистичным для глубокого погружения в процесс обучения на авиатренажере.
94-98 75
Аннотация
Алгоритмы оценки глубины изображений до настоящего времени не применялись в системах охранного видеонаблюдения, поскольку они либо имеют невысокую точность, либо обладают большой вычислительной сложностью, что приводит к невозможности эксплуатации данных алгоритмов в охранных системах из-за ограничения стоимости оборудования. В данной работе предложен новый быстродействующий алгоритм восстановления глубины стереоизображений для надежной и достоверной идентификации событий в поле зрения систем видеонаблюдения. Предлагаемый способ обработки потока видео в реальном времени основан на применении быстрого алгоритма выделения изменений на сцене видеонаблюдения в каскаде с алгоритмом оценки глубины SGBM, который производит обработку только тех областей изображения, в которых произошло изменение. Предложенный способ многократного сокращения вычислительной сложности алгоритма оценки глубины позволяет использовать расстояние от камер до подвижных объектов на сцене наблюдения как дополнительный признак, что снижает эксплуатационную стоимость и повышает надежность систем охранного видеонаблюдения.
99-103 65
Аннотация
Современные архитектуры сверточных нейронных сетей обеспечивают высокую точность при решении большого круга задач. Как правило, это достигается за счет значительного увеличения их вычислительной сложности и представления параметров сети в числах с плавающей точкой одинарной точности. Однако в силу ограниченности ресурсов применение сетей во встраиваемых системах и мобильных приложениях в режиме реального времени является проблематичным. Одним из способов решения этой проблемы является уменьшение разрядности данных и использование целочисленной арифметики. Переход к целочисленной арифметике осуществляется путем квантования параметров сети. Выполняя квантование, необходимо обеспечить минимальные потери точности распознавания. В статье предлагается использовать оптимальный равномерный квантователь с адаптивным шагом. Шаг квантователя зависит от функции распределения квантуемых параметров. Это позволяет уменьшить влияние ошибки квантования на точность распознавания сетей. В статье приводятся подходы к улучшению качества квантования. Предложенный метод квантования оценивается на выборке CIFAR-10. Показано, что оптимальный равномерный квантователь на выборке CIFAR-10 при 8-битном представлении параметров сети позволяет достичь точности исходной обученной сети.
104-111 70
Аннотация
Расширение NNE стандарта OpenVX 1.2 добавляет функции, реализующие слои нейронных сетей. Каждый слой принимает на вход объект тензора, обрабатывает его и передает результирующий тензор в следующий слой. В данной работе предложены рекомендации по реализации и аппаратной оптимизации примитивных функций обработки тензоров. Приведены типы данных, поддерживаемые стандартом OpenVX для создания тензоров, и описаны операции для работы с ними. Подробно описаны математические и программные модели тензоров, позволяющие выполнять поэлементную обработку. Предложена новая программная модель тензора, позволяющая свести реализацию функций для обработки тензоров к перевызову функций для обработки изображений стандарта OpenVX. Приведено подробное описание алгоритма работы функций из расширения NNE с использованием предложенного метода. Рассмотрены достоинства и недостатки предложенного подхода к реализации функций.
112-119 77
Аннотация
Существует множество фреймворков для построения, обучения и исполнения нейронных сетей. Каждый из них предлагает свой формат для хранения архитектуры сети. В работе рассмотрены два фреймворка: Caffee и Torch. Они предлагают следующие форматы для хранения архитектуры нейронных сетей: Google Protocol Buffer (protobuf) и встроенный формат Torch соответственно. Существование разных форматов приводит к сложностям портиро-вания нейронных сетей на конечные устройства разных производителей. Чтобы устранить эти неудобства, разработчиками Khronos был предложен универсальный формат NNEF, который должен стать посредником между фреймворками и проприетарными низкоуровневыми библиотеками. Формат NNEF позволяет хранить описание нейронной сети с помощью вычислительного графа. Были исследованы два основных подхода разработки библиотеки импорта (парсинга) нейронных сетей формата NNEF: online- и offline-парсинг. Для каждого из подходов обозначены достоинства и недостатки, которые помогут разработчикам выбрать подход к разработке NNEF-парсера. Основным преимуществом offline-парсера является его простота для отладки, а online-парсера - низкая вычислительная сложность.
120-123 75
Аннотация
Рассмотрены существующие модели связывания поворотных видеокамер с географическими картами, отражены их основные недостатки и сложности реализации. Привязка поворотной камеры к картографическим координатам, в свою очередь, может служить основой для оценки параметров калибровки камеры в ряде других задач, например при нахождении дополнительных признаков объектов, их геометрических размеров и т.д. Предложены модели оценки калибровочных параметров видеокамер, требующие в ряде случаев ввода единственной пары точек оператором для преобразования координат изображения камеры и карты. Получены соотношения для перехода между координатами поворотной камеры и карты. Представлен метод формирования отображения по известным координатам карты и угловым координатам pan - tilt - zoom камер (PTZ-камер), сводящийся к решению соответствующих линейных систем уравнений. Приведены эвристические оценки для параметров калибровки в условиях недостатка данных для учета неравномерностей подстилающей поверхности.

ПРИКЛАДНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

124-132 75
Аннотация
Предлагается эффективный комплексный подход к моделированию функциональных устройств (ФУ), бортовых вычислителей и встраиваемых систем на этапе проектирования аппаратуры. Он применим на предприятиях с полным циклом производства промышленных систем, в частности СнК, приборов для бортовых комплексов управления и обработки информации, космических и авиационных систем и др. В традиционном подходе драйвер и бортовое программное обеспечение (БПО) отлаживаются и верифицируются после изготовления изделия или вычислителя, что значительно увеличивает сроки выпуска готового изделия. Комплексный подход к моделированию аппаратуры на уровне транзакций с использованием библиотеки SystemC [1], инкапсуляция работы посредством драйвера с контроллерами SpaceWire и SpaceFibre позволяет ускорить разработку ФУ и вычислителей, а также обнаружить ряд ошибок и ограничений проектируемой системы.
133-144 64
Аннотация
Различные категории задач на рынке встраиваемых систем и его потребности вынуждают производителей встроенных систем проектировать неоднородные многоядерные аппаратные платформы. Такие платформы включают десятки и сотни различных ядер: CPU, GPU, DSP и т.д. Это крайне затрудняет процесс их программирования. Кроме того, в процесс разработки вовлекается все больше экспертов предметных областей. Как правило, эксперт обладает знаниями в своей предметной области, но не имеет полного представления о специфике программирования для неоднородных параллельных платформ. В данной статье мы предлагаем комплексную технологию и инструменты, которые дают возможность вовлечения экспертов предметной области в разработку программного обеспечения (ПО) для встроенных систем. Предлагаемая технология имеет различные возможности и средства, которые могут быть использованы для создания верифицируемого и портируемого ПО для широкого ряда неоднородных встраиваемых платформ.
145-153 139
Аннотация
Современные бортовые космические сети состоят из большого количества элементов, которые взаимодействуют друг с другом через коммуникационную сеть. SpaceWire является сетевой технологией нового поколения, которая сейчас активно внедряется в космические аппараты. Для проверки работы сети на ранних этапах проектирования целесообразно проводить ее программное моделирование. В статье представлен анализ существующих программ для моделирования бортовых сетей и сетей общего назначения. Мы рассматриваем их основные возможности и предлагаем новую систему автоматизированного проектирования и моделирования сетей SpaceWire - SANDS. Данный программный продукт решит важные задачи, с которыми разработчики космических аппаратов сталкиваются по время создания спутников и других летательных аппаратов. SANDS будет поддерживать полный маршрут разработки и моделирования, который начинается с построения топологии сети и заканчивается получением результатов моделирования и статистики ее работы.
154-162 103
Аннотация
В статье рассматривается применение сетевого стандарта SpaceFibre и потокового транспортного протокола ESDP (предыдущее название - STP-2) для организации передачи потоковых данных в бортовых сетях перспективных космических аппаратов. Показана необходимость управления потоками данных в сетях SpaceFibre. Для решения данной задачи предложено использовать Адаптивный сервис передачи потоковых данных (ADSS). Сервис ADSS осуществляет управление трафиком путем изменения конфигурационных параметров SpaceFibre, а также для этого используются особенности механизмов передачи данных протокола ESDP. В качестве алгоритма, определяющего новые конфигурационные параметры SpaceFibre, предложено использовать Гзнетический алгоритм. Ключевой частью алгоритма является количественная оценка передачи потоковых данных по SpaceFibre. Разработан математический метод, позволяющий получить такую оценку, поскольку в открытой литературе, насколько нам известно, отсутствует аналогичный математический метод для сетей SpaceFibre. Представлена математическая модель передачи потоковых данных, основанная на теории марковских цепей, необходимая для предлагаемого метода. Приведены примеры вычислений. Предложено использовать приведенный метод и для сетей SpaceWire с применением протокола СТП-ИСС-14.


ISSN 2218-5453 (Print)
ISSN 2686-7680 (Online)