Procesor de Semnal Digital si Procesarea de Semnal Digital

Procesor de Semnal Digital si Procesarea de Semnal Digital

Digital signal processing (DSP) este un subdomeniu al prelucrarii de semnal, aparul in urma dezvoltarii rapide a tehnologiei VLSI (Verry-Large Scale Integration) care a permis calcul numeric in timp real. Procesarea digitala de semnal implica discretizatrea semnalelor atat in timp (esantioare) cat si in amplitudine (cuantificare) si are la baza teoria semnalelor si a sistemelor in timp discret.

Avantejele prelucrarii de semnal numerice fata de cea analogica sunt:

flexibilitate datorita operatiilor DSP programabile,

prelucrare off-line,

sensibilitate redusa la tolerante/imprecizii hardware,

capacitate mare de prelucrare a datelor din medii complexe,

posibilitatea codificarii in aplicatiile din telecomunicatii

Dezavantajele sunt urmatoarele:

necesita (uzual) sisteme de banda larga si procesoare rapide.

Procesarea de semnale digitale este o metoda de procesare a semnalelor din lumea reala (reprezentate numeric) utilizand tehnica matematica pentru a realiza transformarea sau extragerea informatiei. Nu putem comunica prin semnale digitale. Un semnal digital este o informatie caracterizata de doua stari "0" si "1" care pot fi procesate matematic. Comunicarea in lumea reala se face prin semnale analogice cum ar fi: sunetele, lumina, temperatura, presiunea. Un semnal digital este o reprezentare numerica a unui semnal analogic. Trecerea de la forma analogica a semnalului la cea digitala se face prin convertoare analog - numerice, dupa care semnalul poate fi procesat si daca este nevoie readus la forma analogica prin convertoarele numeric - analogice.

Algoritmii prelucrarii semnalelor digitale:

convolutia:, (1.1) unde h(-k) reprezinta secventa pondere,

prelucrare recursiva-descrisa de ecuatia cu diferente finite: (1.2)

calcul TFD: (1.3)

prelucrari neliniare: p=intreg (1.4)

prelucrari logice: (1.5)

Pornind de la acesti algoritmi putem trage urmatoarele concluzii:

algoritmii de prelucrare necesita un numar mare de operatii simple: adunari, scaderi, operatii logice simple, deplasari , intarzieri;

algoritmii de prelucrare digitala implica transformarea unor semnale analogice in semnale digitale prin intermediul convertoarelor A/D si D/A;

pentru sistemele care lucreaza in timp real este necesar ca viteza de lucru a procesorului sa fie foarte mare

precizia cu care opereaza un sistem de proceare digitala e determinat de calitatea semnalului prelucrat.

Aceste observatii derivate din algoritmul de prelucrare au impus caracteristici pentru procesoarele de semnal digital:

adoptarea unor arhitecturi cu un grad mare de paralelism in prelucrare. Se utilizeaza in mod curent arhitectura Harvard impreuna cu principiul pipe-line pentru date si coduri. Arhitectura Harvard impune ca procesorul sa aiba cai de transfer si blocuri separate pentru date si coduri ceea ce permite transmiterea simultana a datelor si codurilor. Principiul pipe-line presupune fragmentarea unei actiuni in subactiuni si executarea lor pe unitati distincte. Astfel vor fi executate mai multe instructiuni intr-un singur tact si prin urmare creste productivitatea.

includerea in procesor a unor module hard pentru cresterea vitezei (prezenta unor multiplicatoare rapide, circuite pentru realizarea deplasarilor de cuvinte binare cu una sau mai multe deplasari intr-un singur tact, prevederea de memorii interne pentru date si coduri, prevederea unor interfete specifice: controlere de intrerupere, timer-e, porturi, includerea de convertoare A/D si D/A in sistenul DSP-ului).

precizia de prelucrare 16 - 32biti si > 32biti. Precizia interna de lucru poate fi mai mare decat numarul de biti necesari pentru reprezentarea datelor. Datele sunt reprezentate in virgula fixa sau in virgula mobila.

Unitatea ALU a unui DSP este caracterizata de existenta unui multiplicator hardware ceea ce permite efectuarea unei operatii de tip MAC (Multiply and Accumulate) pe durata unui singur ciclu instructiune, aspect deosebit de important in implementarea algoritmilor de prelucrare a semnalelor. O imbunatatire importanta adusa odata cu folosirea DSP-urilor este si existenta unui set de instructiuni orientat spre tehnicile specifice procesarii semnalelor. Astfel dimensiunea programului si timpul de calcul se reduc considerabil.

Arhitectura DSP-urilor a cunoscut modificari importante, de fapt perfectionari plus completari cu implementari de noi functii. Daca, spre exemplu, primul procesor al firmei Texas Instruments, TMS320C10 continea doar unitatea CPU, RAM pentru date, ROM pentru programe si porturi I/O, unul dintre ultimele procesoare in virgula fixa venit in cadrul familiei, TMS320C54, contine unitatea CPU, RAM pentru date si pentru programe, ROM pentru programe, porturi I/O, ceas programabil, port serial full-duplex, optiune pentru Boot ROM, posibilitate de a adresa un spatiu mai mare de memorie exterioara si altele. Adaugand la toate aceste aspecte si faptul ca timpul pe ciclu instructiune a fost micsorat de la 160 ns la 6.67 ns, ne putem da seama cat de larga este gama de procesoare de semnal disponibile la aceasta ora. Facilitatile de control ale intreruperilor sunt destul de limitate in cazul procesoarelor DSP. In aceste conditii este necesara prevederea cu un hard suplimentar, care sa se poata permite programului aplicatiei sa depisteze rapid cine a cerut o intrerupere si sa stabileasca matricea prioritatii de tratare a intreruperilor, daca este cazul.

Introducerea tehnicilor numerice in Procesoarele de Semnal Digital a fost stimulata de:

evolutia tehnologica in domeniul circuitelor integrate,

aparitia si dezvoltarea calcalculatoareleor numerice,

evolutia pe plan teoretic a algoritmilor de procesare digitala,

dezvoltarea circuitelor integrate VLSI a dus la aparitia primului procesor specializat pentru procesoare de semnal de ordinul 2.

Tendinte recente in domeniul procesoarelor de semnal digital:

adoptarea unor noi tehnologii bazate pe Ga-As, care permit realizarea unor structuri cu timpi de propagare redusi.

dezvltarea in paralel cu procesoarele specializate, a unor coprocesoare orientate pe realizarea unor operatii aritmetice si logice complexe (criptare, codare MPEG).

folosirea, in locul arhitecturilor traditionale, a unor arhitecturi noi, bazate pe flux de date, arhitecturi sistolice, arhitectira RISC (Reduced Instruction Set Computer construit dupa arhitectura de tip load-store: operatiile de baza sunt efectuate intre registre, operatiile ce implica transfer cu memoria sunt efectuate dupa ce data a fost incarcata intr-un registru; incorporeaza structuri pipe-line care permit executia catorva instructiuni in paralel, conducand la reducerea semnificativa a timpilor de executie).

optimizarea structurala a circuitelor.

scaderea costurilor.

circuitele de procesarea semnalelor digitale pentru aplicatii dedicate se vor realiza la cerere.

Caracteristicile sistemului DSP:

Algoritmi: sistemele DSP sunt caracterizate de algoritmul pe care il implementeaza. Acesta specifica tipurile de operatii care se pot efectua (adunare, multiplicare, intarzieri), dar nu specifica aritmetica utilizata. Algoritmul poate fi implementat fie software pe un sistem cu procesor de semnal, fie pe un sistem cu procesor de semnal dedicat (proiectat la cerere). Selectia modului de implementare a algoritmului este determinata de viteza necesara si precizia ceruta de operatia respectiva.

Frecventa de esantionare (rata de esantionare) este parametrul de baza in sistemul DSP. Impreuna cu gradul de complexitate al algoritmului, acesta decide viteza de prelucrare care trebuie obtinuta pentru algoritm. Exista sisteme de prelucrare care pot accepta mai multe rate de esantionare.

Rata de tact - fiecare sistem digital are o rata de tact de baza, care determina viteza cu care sistemul efectueaza operatiile de baza. In sistemele simple (aplicatii comerciale) sunt comune rate mai mici de 100MHz, in timp ce in aplicatiile complexe, rata de tact poate ajunge la 1GHz. Rata de tact depinde de tehnologia folosita pentru realizarea procesoarelor de semnal digital.

Tipul de reprezentare numerica:

a)     reprezentarea in virgula fixa - numerele intre [-1,1] sunt reprezentate cu numar finit de biti; numerele in afara domeniului de reprezentare sunt fie limitate la una din valorile extreme(saturare), fie bitii excedentari sunt eliminati. Aceasta orientare ofera o gama dinamica mai redusa de reprezentare a marimilor. Pentru efectuarea operatiilor aritmetice se utilizeaza componente hard mai simple.

b)     reprezentarea in virgula mobila - numerele sunt reprezentate prin mantisa si exponenti: .

Mantisa este normata (<1) si exponentul arata cum trebuie sa obtinem corect numarul. Realizarea calculelor cu astfel de numere este complexa.

Domeniile de utilizare ale procesoarelor digitale de semnal sunt:

telecomunicatiile,

sistemele pentru transmisia de date,

domenil instrumentelor medicinale,

domeniul bunurilor de larg consum,

tehnica de calcul,

automobile,

robotica,

domeniul militar etc.

In general DSP-urile sunt circuite integrate dedicate anumitor aplicatii.