Элементная база и параметры

Интенсивное развитие элементной базы привело к тому, что множество технических устройств производится на основе цифровых схем, приборов на поверхностных акустических волнах (ПАВ), приборов с зарядовой связью (ПЗС), оптических элементов, реализующих обработку сложных радиолокационных сигналов в реальном и близком к реальному масштабе времени. В современных РЛС, автоматизированных системах управления воздушным движением и воздушно-космической обороны, противосамолетных комплексах для решения задач обнаружения и сопровождения разнообразных целей, движущихся со скоростями от нулевой до М-5, картографирования земной поверхности, а также распознавания целей, могут быть использованы разные сигналы, как простые монохроматические синусоидальные и импульсные различной длительности, так и сложные пачечные широкополосные сигналы с линейной и нелинейной внутриимпульсной частотной модуляцией и переменным периодом повторения или фазоманипулированные импульсные, шумовые и шумоподобные сигналы с использованием различных кодовых последовательностей.

Обработка сложных сигналов в радиоэлектронных системах сводится обычно к согласованной фильтрации отраженного сигна­ла для каждой ячейки дальность — скорость в каждом угло­вом направлении, анализу спектра сигнала и пороговому обнару­жению для устранения помех. Сигнал на выходе согласованного фильтра представляет собой функцию неопределенности, которая на плоскости частота — дальность характеризует достижимую величину разрешения по дальности и скорости при использовании соответствующих видов сигналов. Вид функции неопределенности обусловлен главным образом произведением длительности сигнала Т на полосу занимаемых им частот AF. Для современных и перспективных радиолокационных средств характерна величина произведения TAF порядка 104... 105. Устройства обработки сигналов с таким значением TAF в первую очередь должны обладать гибкостью и адаптивностью, которые позволили бы использовать эти устройства в РЭС различных (классов, обеспечить работу в реальном масштабе времени, могли бы повысить вероятность обнаружения целей в сложных условиях. Для этого с успехом используются устройства обработки сигналов, в которых применяются цифровые и аналоговые методы. Цифровые устройства обработки сигналов, основаны на дискретизации (квантовании) аналоговых сигналов. Основными операциями обработки этих сигналов являются операции дискретного преобразования Фурье (ДПФ), операции дискретной и круговой свертки, высокоскоростной свертки и корреляции. Для уменьшения времени вычисления ДПФ используется специальный алгоритм быстрого преобразования Фурье (БПФ), который может рассматриваться как основной метод вычисления в цифровых схемах обработки сигналов.

Цифровые оптимальные фильтры в современных РЭС реализуются (синтезируются) с помощью мини-ЭВМ или специализированных вычислительных устройств. Обычно в цифровом фильтре число отсчетов дискретизованного сигнала равно произведению полосы сигнала на его длительность (ТБ), так как полная длительность сигнала T = NT_диск, где N — число отсчетов сигнала; Т_диск — период дискретизации (обычно принимается равным 1/F).

Импульсная характеристика фильтра, согласованного с сигналом, содержит столько же отсчетов, сколько и сигнал, поэтому N в общем случае определяется требованиями ко всей станции. Разделение сигналов по частоте и параллельная обработка во всех частотных каналах обеспечивается путем уплотнения по времени — мультиплексирования.

При создании цифровых фильтров необходимо учитывать соотношение между быстродействием вычислительных средств для реализации алгоритма БПФ и объемом запоминающего устройства. Ряд примеров находящихся в эксплуатации устройств цифровой обработки сигналов показывает, что часто специализированные программируемые цифровые процессоры радиолокационных сигналов позволяют быстрее выполнить алгоритм БПФ по сравнению с алгоритмами, запрограммированными на универсальной мини-ЭВМ.

В настоящее время созданы образцы программируемых цифровых процессоров радиолокационных сигналов высокой производительности. Так, процессор фирмы Raytheon, который используется в наземных импульсно-доплеровских РЛС, имеет быстродействие 10 млн комплексных операций в секунду. Кроме цифровых фильтров, синтезированных на основе алгоритма БПФ, процессор обеспечивает работу схем поддержания постоянства уровня ложных тревог и порогового обнаружения. Вычислительные средства этого процессора имеют два блока, работающих параллельно. Универсальный цифровой процессор той же фирмы для наземных РЛС имеет быстродействие 5 млн комплексных операций в секунду. При организации многопроцессорной структуры возможно увели­чение быстродействия до 20 млн. операций в секунду.

Широкое распространение РЭУ с применением цифровой обработки обусловливает повышенный интерес к вопросам диагностирования их технического состояния и качества работы. Естественно, что диагностирование должно охватывать те элементы цифровых РЭУ, в которых постепенно накапливаются предпосылки возникновения отказов [ ].

Основной элементной базой цифровых РЭУ являются интегральные микросхемы (ИМС), которые объединяются при производстве в микро сборки, узлы и блоки, описываемые ниже под общим наименованием «цифровые узлы» (ЦУ). К ним относят триггеры различных типов, регистры сдвига, счетчики, устройства синхронизации, устройства сравнения, сумматоры и преобразователи кодов и др.

Интегральные микросхемы (ИМС), составляющие основу ЦУ, имеют различные схемотехнические разновидности и степень интеграции (рис.5.1). Базой ИМС является транзисторная электро­ника. В элементах этих схем нормальное функционирование не связано с износовыми процессами и усталостными явлениями. Причиной их ограниченных ресурсов безотказности в процессе эксплуатации являются дефекты, обусловленные несовершенством технологических процессов, качеством материалов и их естественной деградацией, которые развиваются под воздействием различных дестабилизирующих факторов (температуры, механических нагрузок, влажности и др.).

Как объекты диагностирования ИМС, отличаются высокой интеграцией компонентов на кристалл, повышенной скрытностью процессов деградации, возникновения и развития дефектов. С применением ИМС резко сокращается количество используемых корпусов и доступность к внутренним точкам схем, а следовательно, количество контролируемых ДП. Именно это обстоятельство приводит к необходимости широкого применения косвенных методов диагностирования ЦУ, принципиально отличающихся от схемотехнических: электрофизических, тепловых, рентгеновских и др.

Еще одной особенностью диагностирования ИМС является относительная условность понятий «дефект» и «отказ». Учитывая многофункциональность ИМС, отдельные дефекты, определяющие потенциальный отказ РЭУ, могут быть глубоко скрыты и не обнаруживаться даже при проведении высококачественного диагностирования с большой глубиной. Их появление и перерастание в отказ РЭС оказывается маловероятным.

Особенности диагностики ИМС являются новым, но чрезвычайно важным развивающимся направлением науки и техники. Эксплуатацию ИМС в реальных условиях даёт для этого направления ценный статический материал.

Задачей инженерно-технических работников эксплуатации РЭО является изучение и применение на практике методов и средств диагностики ИМС и ЦУ.

Техническими параметрами ЦУ на этапе функционального проектирования являются: тактность, быстродействие, функциональная надежность, удельная информационная емкость, коэффициент объединения по входу, коэффициент разветвления на выходе

Тактность ЦУ определяется числом синхронизирующих сигналов, необходимых для функционирования устройства по заданному алгоритму.

Быстродействие ЦУ определяется:

минимальным временем задержки распространения сигналов , в течение которого завершается переходной процесс;

Рис. 5.1.Классификация интегральных микросхем

минимальным временем паузы между информационными или счетными сигналами ;

полным тактом Т_П, равным периоду следования информационных или счетных импульсов, или максимальной частотой следования этих импульсов f_max=1/T_{П min};

частотным коэффициентом j, показывающим уменьшение

f_max относительно максимальной частоты переключения логического элемента f_{л.э max}:

Для логических элементов , где — среднее время задержки распространения сигнала в логическом элементе. По логической цепи, формируемой из (2n+1) последовательно соединенных однотипных логических элементов, минимальное время распространения сигналов

,

где l = 0, 1, 2, 3, ... При четном 2n числе последовательностей элементов

.

Функциональная надежность характеризует способность ЦУ рабочий алгоритм при наличии разбросов задержек сигналов в логических элементах. Схема ЦУ функционально надежна, если в ней отсутствуют опасные состязания между сигналами, т. е. такие ситуации, при которых имеется возможность возникновения переходов, не заданных алгоритмом работы. Условием функциональной надёжности t_pa<t_pb где t_pa и t_pb – время распространения сигналов в состязающихся логических цепях А и В.