1W0

Systemy cyfrowego przetwarzania sygnałów



Typowy system CPS

– budowa, zadania poszczególnych bloków



Wymagania aplikacji algorytmów CPS



Ogólna struktura procesorów sygnałowych w aspekcie CPS



p

orównanie z mikroprocesorami ogólnego przeznaczenia

1W1

Procesory sygnałowe



Procesory Sygnałów Cyfrowych



Digital Signal Processors

– DSP



DSP (algorytmy)

- przetwarzanie

sygnałów cyfrowych

DSP

(układy)

- procesory

sygnałów cyfrowych

Mikroprocesory (mikrokontrolery) specjalnie projektowane do

realizacji zadań cyfrowego przetwarzania sygnałów

(Digital Signal Processing

– DSP)

1W2

Rys.
Miejsce procesorów DSP
w dziedzinie
przetwarzania sygnałów

Procesory DSP

Procesory

uniwersalność

ASIC szybkość

Przetwarzanie

sygnałów

Sygnał cyfrowy

Dyskretny w czasie i dyskretny w zakresie

wartości

Reprezentacja numeryczna sy

gnału

rzeczywistego

Przetwarzanie

w czasie

rzeczywistym

Przetwarzanie

off-line

Technika analogowa

Przetwarzanie sygnałów

rzeczywistych, analogowych

Sygnał analogowy

Ciągły w czasie i ciągły w

zakresie wartości

Ciągłe przetwarzanie

sygnału

w czasie rzeczywistym

Real-time processing

Przetwarzanie on-line

Technika cyfrowa

Przetwarzanie

sygnałów cyfrowych

ASIC

Aplication

Specific

Integrated

Circuits

Procesory

DSP

Procesory

ogólnego

przeznaczenia

przetwarzanie on-line w dziedzinie cyfrowej -

wykonywanie ciągłych operacji

na sygnale w czasie pomiędzy akwizycjami kolejnych próbek sygnału lub w
czasie pomiędzy rejestracjami kolejnych bloków sygnału.

1W3

Technika cyfrowa i analogowa w przetwarzaniu sygnałów

Świat jest analogowy, dla wykorzystania możliwości, które oferują
komputery cyfrowe musimy kolejno:

1.

Zamienić zewnętrzny sygnał analogowy na sygnał elektryczny

używając do tego różnych przetworników;

2.

Zamienić sygnał elektryczny z postaci analogowej na cyfrową;

3.

Przetworzyć sygnał według określonego algorytmu;

4.

Zamienić sygnał z powrotem z postaci cyfrowej na analogową.

Miejsce techniki analogowej w systemach DSP



Większość przetworników sygnału jest w swojej naturze
analogowa



Konieczność wzmacniania sygnałów niskiego poziomu przed
przetwarzaniem a/c



Wyma

gana filtracja analogowa dla ograniczenia pasma sygnału:



filtr antyaliasingowy



filtr rekonstrukcyjny



Potrzeba driverów dla sterowania przetworników wyjściowych



wzmacniacze do sterowania głośników, słuchawek

1W4

Technika analogowa

Zalety



Niższy koszt i prostota konstrukcji w niektórych aplikacjach:



wzmacniacze, proste filtry



Szerokie pasmo, rzędu GHz



Praca z małym poziomem sygnału



Nieskończona, efektywna częstotliwość próbkowania:



nieskończona rozdzielczość w dziedzinie częstotliwości



brak problemów aliasingu i rekonstrukcji sygnału



Nieskończona rozdzielczość w amplitudzie:



brak szumu kwantyzacji

Wady



Wysoki koszt i skomplikowana konstrukcja w złożonych
aplikacjach



Podatność na zakłócenia



Każda zmiana algorytmu pociąga za sobą zmianę układu

1W5

Technika cyfrowa

Zalety



Programowalność – łatwa zmiana algorytmu przetwarzania, bez
zmiany układu w wielu aplikacjach



Stabilność w długim okresie czasu, odporność na starzenie się



Powtarzalność realizacji w seriach układów



Większa odporność na zakłócenia



Wyższa jakość, przy niższym koszcie w wielu aplikacjach



Możliwość kompresji danych, korekcji błędów

Wady



Skończona częstotliwość próbkowania:



skończona rozdzielczość w dziedzinie częstotliwości



problem aliasingu

i rekonstrukcji sygnału



Skończona rozdzielczość w amplitudzie:



szumy kwantyzacji



Ograniczone pasmo sygnału

1W6

Typowy system DSP

PAMIĘĆ

ADC

DAC

PORTY

DSP

AIC

1W7

Wymagania stawiane procesorom DSP

Najprostszy schemat działania procesora

Manipulacja danymi

Obliczenia matematyczne

Typowe

aplikacje

Procesory słów, edytory

Zarządzanie bazami danych

Systemy operacyjne

Cyfrowe przetwarzanie sygnałów

Sterowanie i automatyka

Obliczenia naukowe i symulacje

Podstawowe

operacje

A B

If A = B then …

A + B = C

A



B = C

Podstawowe zadania systemów cyfrowych

Dwie kategorie systemów DSP



moduły przetwarzania pracujące pod kontrolą komputera
nadrzędnego



niezależne systemy zamknięte w dedykowanych aplikacjach
wymagania na przetwarzanie sygnałów w czasie rzeczywistym

Pobierz instrukcję

Pobierz operandy

źródłowe

Wykonaj instrukcję

Zapisz operand

docelowy

1W10

Wymagania algorytmów DSP

Buforowanie kołowe
Cyfrowy filtr o skończonej odpowiedzi impulsowej (Finite Impulse
Response FIR

) rzędu m opisany równaniem

)

(

...

)

2

(

)

1

(

)

(

)

(

)

(

2

1

0

1

m

n

x

a

n

x

a

n

x

a

n

x

a

r

n

x

a

n

y

m

m

r

r



































Wymaganie ciągłego dostępu do zbioru próbek sygnału wejściowego
i zbioru ośmiu współczynników filtru.

Metoda zarządzania przychodzącymi próbkami?



bufor kołowy

(circular buffer)

Rys.
Wyznaczanie próbki sygnału
wyjściowego w filtrze typu FIR
o 8 w

spółczynnikach

Zadanie procesora DSP:

cykliczne obliczanie w
czasie rzeczywistym

sygnału na wyjściu filtru

na podstawie zbioru

próbek wejściowych i

zbioru współczynników

filtru.

1W11

Ilustracja bufora kołowego o długości 8 słów

Cztery parametry do zarządzania buforem:



wskaźnik adresu początkowego;



wskaźnik adresu końcowego;



krok adresu, w przykładzie 1;



wskaźnik bufora

Metoda bufora kołowego efektywna w aplikacjach algorytmów DSP.

Wymaga wspomaganej programowo-

sprzętowej logiki adresowej.

Procesory DSP wspomagają buforowanie i adresowanie kołowe.

1W12

Oszczędność czasu dla filtru o 100 współczynnikach i długości cyklu
maszynowego procesora 40ns

(5



40



100) = 20000 ns = 20



s

NIE

TAK

Algorytm wyznaczania
próbki sygnału wyjściowego

Zapisz próbkę sygnału

wyjściowego

Zapisz nową próbkę sygnału

wejściowego do bufora kołowego

Ustaw wskaźnik bufora na adres

najstarszej próbki

Zeruj akumulator

Koniec pętli dla 8

współczynników

Pobierz współczynnik z bufora

Ustaw wskaźnik bufora współczynników

Pobierz próbkę sygnału z bufora

Ustaw wskaźnik bufora sygnału

Wykonaj mnożenie próbki przez

w

spółczynnik

Dodaj wynik do akumulatora

Początek

1W13

Adresowanie według odwróconej kolejności bitów

Uszeregowanie próbek wejściowych według odwróconej kolejności bitów

dla 8-punktowej FFT

Porządek

naturalny

Układ

bitów

Krok odwracania kolejności

bitów

dodaj 4 od lewej do prawej

Odwrócona

kole

jność

bitów

Porządek wg.

odwróconej

kolejności bitów

0

000

-

000

0

1

001

000

+100 = 100

100

4

2

010

100

+100 = 010

010

2

3

011

010

+100 = 110

110

6

4

100

110

+100 = 001

001

1

5

101

001

+100 = 101

101

5

6

110

101

+100 = 011

011

3

7

111

011

+100 = 111

111

7

Porządkowanie próbek według odwróconej kolejności bitów

x(0)

x(4)

x(2)

x(6)

x(1)

x(5)

x(3)

x(7)

X(0)

X(1)

X(2)

X(3)

X(4)

X(5)

X(6)

X(7)

Próbki sygnału

wejściowego

uszeregowane

według

odwróconej

kolejności bitów

Próbki
transformaty
Fouriera
sygnału
wejściowego
uszeregowane
w kolejności
naturalnej

FFT

1W16

Architektura procesorów DSP



Modyfikowany typ Harwardzki;



Wielodostęp do obszaru pamięci;



Podręczna pamięć instrukcji (cache);



Kontroler bezpośredniego dostępu do pamięci
(Direct Memory Access - DMA);



Bardzo wydajne jednostki obliczeniowe;



Pipeline przetwarzanie potokowo-

równoległe.

Podsumowanie

Procesory DSP to mikrokomputery, których konstrukcja sprzętowo-
programowa jest optymalizowana dla przetwarzania sygnałów cyfrowych
w czasie rzeczywistym.

Kombinacja takich elementów jak: operacje matematyczne, zarządzanie
pamięcią, zbiór instrukcji, równoległość zadań, metody adresowania
różni je od mikrokomputerów ogólnego przeznaczenia.