Procesory sygnałowe

Wykład 1

Wprowadzenie

Dr inż. Robert
Wielgat

Tarnów 2014

Kontakt

[e-mail]

Godziny konsultacji

Czwartek godz. 11.15 – 13.15

pokój C200B

Literatura - część I

1. Analog Devices, ADSP-21065L. DSP Microcomputer,

Data Sheet, USA, 2003.

2. Analog Devices, ADSP-21065L SHARC

®

DSP. Technical

Reference, USA, 2003.

3. Analog Devices, ADSP-21065L SHARC

®

DSP. User’s

Manual, USA, 2003.

4. Jacek Augustyn, „Asemblery μC51, ADSP-21065L

SHARC”, Wydawnictwa Naukowo-Dydaktyczne PWSZ
w Tarnowie, Wyd. IGSMiE PAN, Kraków 2006,

5. Tomasz P. Zieliński, „Cyfrowe przetwarzanie sygnałów

– od teorii do zastosowań”, Wydawnictwo WKiŁ,
Warszawa 2005.

Literatura – część II

1. Analog Devices,

ADSP-21467/ADSP-21469, USA, 2011

2. Analog Devices ADSP-214xx SHARC® Processor -

Hardware Reference, USA, 2010

3. Analog Devices, ADSP-21469 EZ-Board ® Evaluation

System Manual, USA, 2012.

4. Analog Devices, Blackfin®/SHARC® USB EZ-Extender®

Manual, USA, 2012

5. Analog Devices, VisualDSP++ 5.0 Assembler and

Preprocessor Manual, USA, 2010

6. Analog Devices, VisualDSP++ 5.0 Linker and Utilities

Manual, USA, 2010

7. Analog Devices, VisualDSP++ 5.0 Run-Time Library

Manual, USA, 2010

8. Materiały z wykładów i laboratorium

Dokumentację można pobrać ze strony:

www.analog.com/en/processors-dsp/products/index.html

Definicja procesora

sygnałowego

Procesor sygnałowy (ang. DSP) jest to

wyspecjalizowane urządzenie cyfrowe

(procesor) przeznaczone do wysokiej

jakości przetwarzania sygnału

analogowego lub cyfrowego w czasie

rzeczywistym.

Typowy system cyfrowego

przetwarzania sygnałów

Procesor

(Układ scalony

DSP)

CPU

AAU

SP

IM

A/C

C/A

Porty

Sygnał

analogo

wy

t

k

Sygnał

cyfrow

y

CPU – central processing
unit

AAU – auxiliary
arithmetic unit

SP – serial ports

IM – internal
memory

Pamięć

zewnętrzn

a

Architektura typu Harward

Maszyna von Neumanna (komputery

uniwersalne)

CPU

I/O

Cechy maszyny
von Neumanna:

• Pojedyncza
pamięć

• praca szeregowa

Pamięć

program

u i

danych

adres

dane

Architektura typu Harward (procesory

sygnałowe)

CP

U

I/O

Cechy archiektury
harwardzkiej

• dwie pamięci

• praca równoległa

Pamięć

danych

adres

dane

Pamięć

Program

u

adres

dane

Różnice między procesorem

sygnałowym

a standardowym procesorem

•Równoległe mnożenie z akumulacją wykonywane w

jednym cyklu

•Generatory adresu ze specjalnymi trybami
•Wydajny zestaw instrukcji z jedno-cyklowymi

równoległymi operacjami matematycznymi i przesłań w

pamięci oraz sprawną realizacją pętli

•Zintegrowany wewnętrzny koprocesor DMA i RAM dla

jednoczesnych operacji wykonywanych przez CPU i układy

we/wy

•Architektura typu Harward

Zastosowania procesorów

sygnałowych

•

Konwolucja

• Korelacja
• Filtracja cyfrowa
• Filtracja adaptacyjna
• Szybka Transformata Fouriera - FFT
• Transformacje Hilberta
• Generacja przebiegów
• Okienkowanie sygnałów

Procesory sygnałowe znalazły zastosowanie

w wielu dziedzinach życia. Poniżej

przedstawiono wybrane zastosowania

procesorów sygnałowych.

Zastosowania procesorów

sygnałowych w cyfrowym

przetwarzaniu sygnałów

Zastosowania procesorów

sygnałowych – przetwarzanie

dźwięku

•

Korektory

• efekty specjalne

(echo, pogłos, dodawanie głębi),

• Filtracja

• usuwanie echa (ang.echo cancellation)

(telefony

komórkowe, łączność cyfrowa)

• Redukcja zniekształceń i szumów

• kodowanie

(CD, MP3, MP4, telefon i radio cyfrowe)

• systemy aktywnego wyciszania

(słuchawki obsługi

technicznej lotnisk, dźwięk transformatora
energetycznego, hałas wentylatora w komputerze PC, ...)

• echolokacja i lokalizacja bierna: sonary ultradźwiękowe,
wykrywanie, lokalizacja i identyfikacja obiektów

Zastosowania procesorów

sygnałowych – przetwarzanie

sygnału mowy

•

Poprawianie jakości sygnału mowy (ang. speech

enhancement)

• Synteza mowy (ang. speech synthesis)
• Rozpoznawanie mowy (ang. speech recognition)
• Identyfikacja i weryfikacja mówiącego
• Wokodery głosowe
• poczta głosowa (ang. voice mail)

Zastosowania procesorów

sygnałowych – przetwarzanie

obrazu

• regulacja parametrów

(barwa, nasycenie,kontrast)

• Cyfrowa filtracja obrazu
• Efekt „obraz w obrazie”
• Korektory

(np. korekcja Gamma)

• przechwytywanie i zatrzymywanie obrazu
• kodowanie/kompresja

(JPG, DIVX)

• rozpoznawanie obrazów

(rozpoznawanie odcisków

palców, skanery kodów paskowych, systemy wizyjne

robotów)

• zmiana rozdzielczości obrazu

Zastosowania procesorów

sygnałowych – metrologia i systemy

pomiarowe

• generatory funkcyjne z syntezą cyfrową
• generatory arbitralne – generatory przebiegów

dowolnych

• oscyloskopy cyfrowe
• analizatory widma

Zastosowania procesorów

sygnałowych – sterowanie maszyn

elektrycznych

• sterowanie silników elektrycznych
• wieloosiowe frezarki i tokarki numeryczne
• nowoczesny napęd pojazdów elektrycznych
• układy sterowania ruchu robotów

przemysłowych

• sterowanie serwomechanizmów

Zastosowania procesorów

sygnałowych – telekomunikacja

• modemy
• transkodery ADPCM
• telefony komórkowe
• Kodowanie i dekodowanie sygnału DTMF
• Faksy
• Wideo konferencje

Zastosowania procesorów

sygnałowych – aparatura medyczna

• sprzęt diagnostyczny
• monitorowanie pacjentów
• protetyka
• ultrasonografia

(USG)

• aparaty słuchowe
• logopedia

(echokorektor, transponder częstotliwości)

Przykłady procesorów sygnałowych

produkowanych na świecie

-Texas Instruments:

•

stałoprzecinkowe 16-bitowe:

TMSC32-2xx

•

zmiennoprzecinkowe 32-bitowe:

TMSC320-6xx

-Analog Devices:

•

stałoprzecinkowe 16-bitowe:

ADSP21xx

•

zmiennoprzecinkowe 32-bitowe:

ADSP21xxx

-Motorola:

•

stałoprzecinkowe 24-bitowe:

DSP56xx

-Freescale:

•

Zmiennoprzecinkowe 32-bitowe:

MSC81xx

Rodziny procesorów sygnałowych

produkowanych przez firmę Analog

Devices

- Procesory

Blackfin®

- Procesory

SHARC ®

- Procesory

TigerSHARC®

- Procesory

ADSP-21XX

- Procesory

SigmaDSP®

Procesory Blackfin®

Procesory

Blackfin®

stanowią rodzinę

procesorów 16- i 32-bitowych zawierających w
sobie stałoprzecinkowy procesor sygnałowy
wspomagany 16-bitową jednostką MAC oraz
mikrokontroler o obniżonym poborze mocy. Są
stosowane do przetwarzania sygnałów
dźwiękowych, wideo, głosu, obrazów w różnych
formatach, do sterowania procesami
przemysłowymi oraz w systemach ciągłego
monitoringu obiektów.

Przykłady procesorów z rodziny

Blackfin®

:

ADSP-BF606
ADSP-BF525
ADSP-BF536

Procesory SHARC®

Procesory

SHARC®

stanowią rodzinę

procesorów zmiennoprzecinkowych do
wydajnych i niskobudżetowych zastosowań w
cyfrowym przetwarzaniu sygnałów. Nazwa tej
rodziny jest skrótem od

Super Harvard

Architecture Single-Chip Computer

.

Oznaczenia procesorów z rodziny

SHARC®

:

ADSP-210XX – procesory I generacji
ADSP-211XX – procesory II generacji
ADSP-212XX, ADSP-213XX – procesory III
generacji
ADSP-214XX – procesory IV generacji

Architektura jednego z procesorów

SHARC pierwszej generacji ADSP-

210xx

Architektura procesorów SHARC drugiej

generacji – ADSP-211xx

Architektura procesorów SHARC czwartej

generacji – ADSP-214xx

Procesory TigerSHARC®

Procesory

TigerSHARC®

są procesorami

sygnałowymi szczególnie nadającymi się do
pracy wieloprocesorowej w zastosowaniach
przemysłowych. Wydajność obliczeniowa
systemów wieloprocesorowych z procesorami z
rodziny

TigerSHARC®

osiąga wartości powyżej

miliarda operacji zmiennoprzecinkowych na
sekundę.
Rodzaje procesorów z rodziny

TigerSHARC®

:

ADSP-TS101S
ADSP-TS201S
ADSP-TS202S
ADSP-TS203S

Procesory ADSP-21xx

Procesory rodziny

ADSP-21xx

są kompatybilne

ze względu na kod oraz wyprowadzenia.
Częstotliwość zegara może być do 160 MHz, a
pobór prądu około 190μA. Procesory te nadają
się szczególnie do zastosowań związanych z
przetwarzaniem i przesyłaniem sygnału mowy
oraz do sterowania w czasie rzeczywistym.

Przykłady procesorów z rodziny

ADSP-21xx

:

ADSP-218x
ADSP-219x
ADSP-219xx

Procesory SigmaDSP®

Procesory

SigmaDSP®

są w pełni

programowalnymi jedno-chipowymi
procesorami. Procesory z tej rodziny dają się
łatwo konfigurować za pomocą programu

SigmaStudio Graphical Development

. Nadają

się do zastosowań w przenośnych urządzeniach
audio oraz w radiach samochodowych. Niektóre
procesory

SigmaDSP®

zawierają w sobie

konwertery częstotliwości próbkowania,
przetworniki C/A i A/C oraz wzmacniacze
wyjściowe.

Przykłady procesorów z rodziny

SigmaDSP®

:

- Zastosowania audio

AD 1940
ADAU 1445

- Zastosowania audio do telewizorów

ADAV 4601

Koniec

Ogólny schemat blokowy

systemu rozpoznawania

izolowanych słów

BLOK

ANALIZY

TWORZENI

E

WZORCÓW

BAZA

WZORCÓW

KLASYFIKACJA

UKŁAD

DECYZYJNY

AKWIZYCJ

A

SYGNAŁU

Sygnał

mowy

Rozpoznan

e

słowo

Uczenie

Rozpoznawan

ie