Systemy cyfrowego przetwarzania sygnałów
·ð Typowy system CPS budowa, zadania poszczególnych bloków
·ð Wymagania aplikacji algorytmów CPS
·ð Ogólna struktura procesorów sygnaÅ‚owych w aspekcie CPS
-ð porównanie z mikroprocesorami ogólnego przeznaczenia
1W0
Procesory sygnałowe
ßð
Procesory Sygnałów Cyfrowych
ßð
Digital Signal Processors DSP
ßð
Mikroprocesory (mikrokontrolery) specjalnie projektowane do
realizacji zadań cyfrowego przetwarzania sygnałów
(Digital Signal Processing DSP)
DSP (algorytmy) - przetwarzanie sygnałów cyfrowych
DSP (układy) - procesory sygnałów cyfrowych
1W1
Przetwarzanie
sygnałów
Technika analogowa
Technika cyfrowa
Przetwarzanie sygnałów
Przetwarzanie
rzeczywistych, analogowych
sygnałów cyfrowych
Sygnał analogowy Sygnał cyfrowy
Ciągły w czasie i ciągły w Dyskretny w czasie i dyskretny w zakresie
zakresie wartości wartości
Reprezentacja numeryczna sygnału
rzeczywistego
Ciągłe przetwarzanie
sygnału
w czasie rzeczywistym
Przetwarzanie Przetwarzanie
Real-time processing
w czasie off-line
rzeczywistym
Przetwarzanie on-line
ASIC
Aplication Procesory
Procesory
Rys.
Specific
ogólnego
Miejsce procesorów DSP
DSP
Integrated
w dziedzinie
przeznaczenia
Circuits
przetwarzania sygnałów
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.
Procesory DSP
Procesory
ASIC szybkość
uniwersalność
1W2
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
·ð WiÄ™kszość przetworników sygnaÅ‚u jest w swojej naturze
analogowa
·ð Konieczność wzmacniania sygnałów niskiego poziomu przed
przetwarzaniem a/c
·ð Wymagana filtracja analogowa dla ograniczenia pasma sygnaÅ‚u:
-ð filtr antyaliasingowy
-ð filtr rekonstrukcyjny
·ð Potrzeba driverów dla sterowania przetworników wyjÅ›ciowych
-ð wzmacniacze do sterowania gÅ‚oÅ›ników, sÅ‚uchawek
1W3
Technika analogowa
Zalety
·ð Niższy koszt i prostota konstrukcji w niektórych aplikacjach:
-ð wzmacniacze, proste filtry
·ð Szerokie pasmo, rzÄ™du GHz
·ð Praca z maÅ‚ym poziomem sygnaÅ‚u
·ð NieskoÅ„czona, efektywna czÄ™stotliwość próbkowania:
-ð nieskoÅ„czona rozdzielczość w dziedzinie czÄ™stotliwoÅ›ci
-ð brak problemów aliasingu i rekonstrukcji sygnaÅ‚u
·ð NieskoÅ„czona rozdzielczość w amplitudzie:
-ð brak szumu kwantyzacji
Wady
·ð Wysoki koszt i skomplikowana konstrukcja w zÅ‚ożonych
aplikacjach
·ð Podatność na zakłócenia
·ð Każda zmiana algorytmu pociÄ…ga za sobÄ… zmianÄ™ ukÅ‚adu
1W4
Technika cyfrowa
Zalety
·ð Programowalność Å‚atwa zmiana algorytmu przetwarzania, bez
zmiany układu w wielu aplikacjach
·ð Stabilność w dÅ‚ugim okresie czasu, odporność na starzenie siÄ™
·ð Powtarzalność realizacji w seriach ukÅ‚adów
·ð WiÄ™ksza odporność na zakłócenia
·ð Wyższa jakość, przy niższym koszcie w wielu aplikacjach
·ð Możliwość kompresji danych, korekcji bÅ‚Ä™dów
Wady
·ð SkoÅ„czona czÄ™stotliwość próbkowania:
-ð skoÅ„czona rozdzielczość w dziedzinie czÄ™stotliwoÅ›ci
-ð problem aliasingu i rekonstrukcji sygnaÅ‚u
·ð SkoÅ„czona rozdzielczość w amplitudzie:
-ð szumy kwantyzacji
·ð Ograniczone pasmo sygnaÅ‚u
1W5
Typowy system DSP
PAMIĆ
ADC
DSP
AIC
DAC
PORTY
1W6
Wymagania stawiane procesorom DSP
Pobierz instrukcjÄ™
Zapisz operand
Wykonaj instrukcjÄ™
docelowy
Pobierz operandy
zródłowe
Najprostszy schemat działania procesora
Manipulacja danymi Obliczenia matematyczne
Procesory słów, edytory Cyfrowe przetwarzanie sygnałów
Typowe
ZarzÄ…dzanie bazami danych Sterowanie i automatyka
aplikacje
Systemy operacyjne Obliczenia naukowe i symulacje
Podstawowe A B A + B = C
operacje
If A = B then &
A ´ð B = C
Podstawowe zadania systemów cyfrowych
Dwie kategorie systemów DSP
qð moduÅ‚y przetwarzania pracujÄ…ce pod kontrolÄ… komputera
nadrzędnego
qð niezależne systemy zamkniÄ™te w dedykowanych aplikacjach
wymagania na przetwarzanie sygnałów w czasie rzeczywistym
1W7
Wymagania algorytmów DSP
Buforowanie kołowe
Cyfrowy filtr o skończonej odpowiedzi impulsowej (Finite Impulse
Response FIR) rzędu m opisany równaniem
m
y(n) =ð ×ð x(n -ð r) =ð a0 ×ð x(n) +ð a1 ×ð x(n -ð1) +ð a2 ×ð x(n -ð 2) +ð ...+ð am ×ð x(n -ð m)
åða
r
r=ð1
Rys.
Wyznaczanie próbki sygnału
wyjściowego w filtrze typu FIR
o 8 współczynnikach
Zadanie procesora DSP:
cykliczne obliczanie w
czasie rzeczywistym
sygnału na wyjściu filtru
na podstawie zbioru
próbek wejściowych i
zbioru współczynników
filtru.
Wymaganie ciągłego dostępu do zbioru próbek sygnału wejściowego
i zbioru ośmiu współczynników filtru.
Metoda zarzÄ…dzania przychodzÄ…cymi próbkami? Þð bufor koÅ‚owy
(circular buffer)
1W10
Ilustracja bufora kołowego o długości 8 słów
Cztery parametry do zarzÄ…dzania buforem:
·ð wskaznik adresu poczÄ…tkowego;
·ð wskaznik adresu koÅ„cowego;
·ð krok adresu, w przykÅ‚adzie 1;
·ð wskaznik bufora
Metoda bufora kołowego efektywna w aplikacjach algorytmów DSP.
Wymaga wspomaganej programowo-sprzętowej logiki adresowej.
Procesory DSP wspomagają buforowanie i adresowanie kołowe.
1W11
PoczÄ…tek
Zapisz nową próbkę sygnału
wejściowego do bufora kołowego
Ustaw wskaznik bufora na adres
najstarszej próbki
Zeruj akumulator
Zapisz próbkę sygnału
wyjściowego
Pobierz współczynnik z bufora
Ustaw wskaznik bufora współczynników
Pobierz próbkę sygnału z bufora
Ustaw wskaznik bufora sygnału
Wykonaj mnożenie próbki przez
współczynnik
Dodaj wynik do akumulatora
TAK
NIE
Koniec pętli dla 8
współczynników
Algorytm wyznaczania
próbki sygnału wyjściowego
Oszczędność czasu dla filtru o 100 współczynnikach i długości cyklu
maszynowego procesora 40ns
(5´ð40´ð100) = 20000 ns = 20 mðs
1W12
Adresowanie według odwróconej kolejności bitów
X(0)
x(0)
X(1)
x(4)
Próbki
Próbki sygnału
X(2)
x(2)
transformaty
wejściowego
Fouriera
X(3)
x(6)
uszeregowane
FFT sygnału
według
X(4)
x(1)
wejściowego
odwróconej
uszeregowane
X(5)
x(5)
kolejności bitów
w kolejności
X(6)
x(3)
naturalnej
X(7)
x(7)
Uszeregowanie próbek wejściowych według odwróconej kolejności bitów
dla 8-punktowej FFT
Porządek Układ Krok odwracania kolejności Odwrócona Porządek wg.
naturalny bitów bitów kolejność odwróconej
dodaj 4 od lewej do prawej bitów kolejności bitów
0 000 - 000 0
000
1 001 100 4
+100 = 100
100
2 010 010 2
+100 = 010
010
3 011 110 6
+100 = 110
110
4 100 001 1
+100 = 001
001
5 101 101 5
+100 = 101
101
6 110 011 3
+100 = 011
011
7 111 111 7
+100 = 111
Porządkowanie próbek według odwróconej kolejności bitów
1W13
Architektura procesorów DSP
qð Modyfikowany typ Harwardzki;
qð WielodostÄ™p do obszaru pamiÄ™ci;
qð PodrÄ™czna pamięć instrukcji (cache);
qð Kontroler bezpoÅ›redniego dostÄ™pu do pamiÄ™ci
(Direct Memory Access - DMA);
qð Bardzo wydajne jednostki obliczeniowe;
qð Pipeline przetwarzanie potokowo-równolegÅ‚e.
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.
1W16
Wyszukiwarka