Digitaalinen signaalinkäsittely (DSP) on nouseva aihe, johon liittyy monia tieteenaloja ja jota käytetään laajalti monilla aloilla. Tietokone- ja tietotekniikan nopean kehityksen jälkeen digitaalinen signaalinkäsittelytekniikka on syntynyt ja kehittynyt nopeasti 1960-luvulta lähtien. Kahden viime vuosikymmenen aikana digitaalista signaalinkäsittelyä on käytetty laajalti viestinnässä ja muilla aloilla.
Digitaalinen signaalinkäsittely on tietokoneiden tai erityisten käsittelylaitteiden käyttö digitaalisten signaalien keräämiseksi, muuntamiseksi, suodattamiseksi, arvioimiseksi, parantamiseksi, pakkaamiseksi ja tunnistamiseksi ihmisten tarpeita vastaavan signaalimuodon saamiseksi. Digitaalista signaalinkäsittelyä kehitetään digitaalisen signaalinkäsittelyn teorian, toteutuksen ja soveltamisen ympärille. Digitaalisen signaalinkäsittelyn teoreettinen kehitys on edistänyt digitaalisten signaalinkäsittelysovellusten kehittämistä. Päinvastoin, digitaalisen signaalinkäsittelyn soveltaminen on edistänyt digitaalisen signaalinkäsittelyteorian parantamista. Digitaalisen signaalinkäsittelyn toteutus on silta teorian ja sovelluksen välillä
Digitaalinen signaalinkäsittely perustuu moniin tieteenaloihin, ja sen soveltamisala on erittäin laaja. Esimerkiksi matematiikan, laskennan, todennäköisyyksien ja tilastojen, stokastiset prosessit ja numeerinen analyysi ovat kaikki digitaalisen signaalinkäsittelyn perustyökaluja, ja ne liittyvät läheisesti verkkoteoriaan, signaaliin ja järjestelmään, kybernetiikkaan, viestinnän teoriaan ja vian diagnosointiin. . Jotkut uudet tieteenalat, kuten tekoäly, mallintunnistus, hermoverkot jne., Ovat erottamattomia digitaalisesta signaalinkäsittelystä. Voidaan sanoa, että digitaalisen signaalinkäsittelyn teoreettisena perustana on monia klassisia teoreettisia järjestelmiä, ja samalla se tekee itsestään teoreettisen perustan uusille tieteenaloille.
Digitaalisen signaalinkäsittelyn toteutusmenetelmät ovat yleensä seuraavat:
(1) Toteuta ohjelmistoilla (kuten Fortran, C-kieli) yleiskäyttöisellä tietokoneella (kuten PC);
(2) Lisää oma kiihdytetty prosessori yleiskäyttöiseen tietokonejärjestelmään;
(3) Se toteutetaan yleiskäyttöisellä yhden sirun mikrotietokoneella (kuten MCS-51, 96-sarja jne.). Tätä menetelmää voidaan käyttää joihinkin vähemmän monimutkaisiin digitaalisiin signaalinkäsittelyihin, kuten digitaaliseen ohjaukseen jne .;
(4) Toteuta yleisesti ohjelmoitavalla DSP-sirulla. Yhden sirun mikrotietokoneisiin verrattuna DSP-siruilla on ohjelmisto- ja laitteistoresursseja, jotka soveltuvat paremmin digitaaliseen signaalinkäsittelyyn, ja niitä voidaan käyttää monimutkaisiin digitaalisen signaalin käsittelyalgoritmeihin;
(5) Toteuta omistetulla DSP-sirulla. Joissakin erikoistilanteissa vaadittu signaalin käsittelynopeus on erittäin suuri, mikä on vaikea saavuttaa yleiskäyttöisillä DSP-siruilla, kuten FFT: lle omistetuilla DSP-siruilla, digitaalisuodatuksella, konvoluutiolla ja niihin liittyvillä algoritmeilla. Tämä siru integroi vastaavat signaalinkäsittelyalgoritmit. Piiri on toteutettu laitteistossa ilman ohjelmointia.
Edellä mainittujen menetelmien joukossa ensimmäisen menetelmän haittana on, että se on hitaampaa ja sitä voidaan yleensä käyttää DSP-algoritmien simulointiin; toinen ja viides menetelmä ovat erittäin spesifisiä ja niiden soveltaminen on suuresti rajoitettua. Toinen menetelmä on myös Se on hankalaa järjestelmän itsenäiselle toiminnalle; kolmas menetelmä soveltuu vain yksinkertaisten DSP-algoritmien toteuttamiseen; vasta neljäs menetelmä avaa uusia mahdollisuuksia digitaalisen signaalinkäsittelyn soveltamiseen
Vaikka digitaalisen signaalinkäsittelyn teoria on kehittynyt nopeasti, digitaalisen signaalinkäsittelyn teoriaa ei ole juurikaan käytetty ennen 1980-lukua toteutusmenetelmien rajoitusten vuoksi. Vasta maailman ensimmäisen yhden sirun ohjelmoitavan DSP-sirun syntymästä 1970-luvun lopulla ja 1980-luvun alussa teoreettisia tutkimustuloksia sovellettiin laajalti edullisiin käytännön järjestelmiin ja edistettiin uusien teorioiden ja sovellusalojen kehittämistä. Ei ole liioiteltua sanoa, että DSP-sirujen syntymällä ja kehittämisellä on ollut erittäin tärkeä rooli viestinnän, tietokoneiden, ohjauksen ja muiden alojen teknologisessa kehityksessä viimeisten 20 vuoden aikana.
DSP-järjestelmässä tulosignaalilla voi olla erilaisia muotoja. Se voi olla esimerkiksi mikrofonin tuottama äänisignaali tai moduloitu datasignaali puhelinlinjalta, tai kameran kuvasignaali, joka on koodattu ja lähetetty digitaalisella linkillä tai tallennettu tietokoneeseen.
Tulosignaali altistetaan ensin kaistarajoitetulle suodatukselle ja näytteille, ja sitten A / D (analoginen digitaaliseksi) -muunnos suoritetaan signaalin muuntamiseksi digitaaliseksi bittivirraksi. Nyquist-näytelauseen mukaan näytteenottotaajuuden on oltava vähintään kaksinkertainen tulokaistarajoitetun signaalin korkeimpaan taajuuteen sen varmistamiseksi, ettei tietoa menetetä.
DSP-sirun tulo on digitaalinen signaali, joka ilmaistaan näytteenottomuodossa, joka saadaan A / D-muunnoksen jälkeen. DSP-siru suorittaa jonkinlaista prosessointia digitaaliselle sisääntulosignaalille, kuten sarjan kerroin- ja keräämisoperaatioita (MAC). Digitaalinen käsittely on avain DSP: hen, joka on hyvin erilainen kuin muut järjestelmät (kuten puhelinkytkentäjärjestelmät). Kytkentäjärjestelmässä prosessorin tehtävä on suorittaa reititysvalinta, eikä se muokkaa syötetietoja. Siksi, vaikka molemmat ovat reaaliaikaisia järjestelmiä, niiden reaaliaikaiset rajoitukset ovat melko erilaiset. Lopuksi käsitellyt digitaaliset näytteet muunnetaan analogisiksi näytteiksi muuntamalla D / A (Digital to Analog), ja sitten suoritetaan interpolointi ja tasoitussuodatus jatkuvien analogisten aaltomuotojen saamiseksi.
On huomattava, että yllä annettu DSP-järjestelmämalli on tyypillinen malli, mutta kaikissa DSP-järjestelmissä ei tarvitse olla kaikkia mallin komponentteja. Esimerkiksi puheentunnistusjärjestelmä ei ole jatkuva aaltomuoto lähdössä, vaan tunnistustulos, kuten numerot, teksti jne.; jotkut tulosignaalit ovat digitaalisia signaaleja (kuten CD Compact Disk), joten analogia-digitaalimuunnosta ei tarvitse suorittaa.
Digitaalinen signaalinkäsittelyjärjestelmä perustuu digitaaliseen signaalinkäsittelyyn, joten sillä on kaikki digitaalisen käsittelyn edut:
(1) Kätevä käyttöliittymä. DSP-järjestelmät ovat yhteensopivia muiden nykyaikaiseen digitaaliseen tekniikkaan perustuvien järjestelmien tai laitteiden kanssa. On paljon helpompaa olla vuorovaikutuksessa tällaisten järjestelmien kanssa tiettyjen toimintojen toteuttamiseksi kuin analogisten järjestelmien kanssa vuorovaikutuksessa näiden järjestelmien kanssa;
(2) Helppo ohjelmoida. DSP-järjestelmän ohjelmoitava DSP-siru antaa suunnittelijoille mahdollisuuden muokata ja päivittää ohjelmistoa joustavasti ja kätevästi kehitysprosessin aikana;
(3) Hyvä vakaus. DSP-järjestelmä perustuu digitaaliseen käsittelyyn, ympäristön lämpötila ja melu vaikuttavat siihen vähemmän ja sillä on korkea luotettavuus;
(4) Tarkka. 16-bittinen digitaalinen järjestelmä voi saavuttaa tarkkuuden 10 ^ (- 5);
(5) Hyvä toistettavuus. Komponenttien parametrien suorituskyvyn muutokset vaikuttavat suuresti analogisen järjestelmän suorituskykyyn, kun taas digitaaliseen järjestelmään se ei periaatteessa vaikuta, joten digitaalinen järjestelmä on kätevä testaamiseen, virheenkorjaukseen ja massatuotantoon.
(6) Kätevä integrointi. DSP-järjestelmän digitaaliset komponentit ovat erittäin standardisoituja, mikä helpottaa laajamittaista integraatiota.
Tietysti digitaalisella signaalinkäsittelyllä on myös tiettyjä puutteita. Esimerkiksi yksinkertaisissa signaalinkäsittelytehtävissä, kuten puhelinliitännässä analogisen kytkinlinjan kanssa, DSP: n käyttö lisää kustannuksia. DSP-järjestelmän nopea kello voi aiheuttaa ongelmia, kuten suurtaajuisia häiriöitä ja sähkömagneettisia vuotoja, ja DSP-järjestelmä kuluttaa paljon virtaa. Lisäksi D SP -teknologia päivitetään nopeasti, vaatii paljon matemaattista tietoa, eikä kehitys- ja virheenkorjaustyökalut ole täydellisiä.
Vaikka DSP-järjestelmässä on joitain puutteita, sen huomattavat edut ovat tehneet sen yhä laajemmaksi useilla aloilla, kuten viestinnässä, äänessä, kuvassa, tutkassa, biolääketieteessä, teollisessa valvonnassa ja instrumentoinnissa.
Yleensä DSP-järjestelmien suunnittelussa ei ole kovin hyvää muodollista suunnittelumenetelmää.
Ennen DSP-järjestelmän suunnittelua sinun on ensin määritettävä järjestelmän suorituskykyindikaattorit ja signaalinkäsittelyvaatimukset sovellusjärjestelmän tavoitteiden mukaisesti, jotka voidaan yleensä kuvata tietovuokaavioilla, matemaattisilla toimintasekvensseillä, muodollisilla symboleilla tai luonnollisella kielellä.
Toinen vaihe on simuloida korkean tason kieltä järjestelmän vaatimusten mukaisesti. Yleisesti ottaen järjestelmän perimmäisen tavoitteen saavuttamiseksi tulosignaali on käsiteltävä asianmukaisesti, ja erilaiset prosessointimenetelmät johtavat järjestelmän erilaiseen suorituskykyyn. Parhaan järjestelmän suorituskyvyn saavuttamiseksi sinun on määritettävä paras tässä vaiheessa. Käsittelymenetelmä on digitaalisen signaalinkäsittelyn algoritmi (algoritmi), joten tätä vaihetta kutsutaan myös algoritmin simulointivaiheeksi. Esimerkiksi puheen pakkauksen koodausalgoritmin tarkoituksena on saada paras syntetisoitu puhe tietyllä pakkaussuhteella. Algoritmien simulointiin käytetyt syöttötiedot saadaan keräämällä todellisia signaaleja, ja ne tallennetaan yleensä datatiedostona tietokonetiedostona. Esimerkiksi äänikompressointikoodausalgoritmin simulaatiossa käytetty äänisignaali kerätään ja tallennetaan puhedatatiedostona tietokonetiedostona. Joissakin algoritmisimulaatioissa käytetyn tulodatan ei välttämättä tarvitse olla todellinen kerätty signaalitieto. Niin kauan kuin algoritmin toteutettavuus voidaan varmistaa, on myös mahdollista syöttää hypoteettista tietoa.
Toisen vaiheen suorittamisen jälkeen seuraava vaihe on suunnitella reaaliaikainen DSP-järjestelmä. Reaaliaikaisen DSP-järjestelmän suunnittelu sisältää laitteistosuunnittelun ja ohjelmistosuunnittelun. Laitteistosuunnittelussa on ensin valittava sopiva DSP-siru järjestelmän laskelmien koon, laskentatarkkuuden vaatimusten, järjestelmän kustannusrajoitusten sekä volyymi- ja virrankulutusvaatimusten mukaan. Suunnittele sitten DSP-sirun oheispiiri ja muut piirit. Ohjelmiston suunnittelu ja ohjelmointi perustuvat pääasiassa järjestelmävaatimuksiin ja valitun DSP-sirun vastaavan DSP-kokoonpano-ohjelman kirjoittamiseen. Jos järjestelmässä on pieni määrä laskutoimituksia ja sitä tukee korkean tason kielen kääntäjä, se voidaan ohjelmoida myös korkean tason kielellä (kuten C-kielellä). Koska nykyisten korkean tason kielen kääntäjien tehokkuus ei ole yhtä tehokas kuin kokoonpanokielen manuaalisen kirjoittamisen, todellisissa sovellusjärjestelmissä käytetään usein korkean tason kielen ja kokoonpanokielen sekoitettua ohjelmointimenetelmää. Kirjoitustapa on kirjoittaa kokoonpanokieli, kun taas korkean tason kieltä käytetään silloin, kun laskennan määrä ei ole suuri. Tämän menetelmän käyttö voi paitsi lyhentää ohjelmistokehitysjaksoa, parantaa ohjelman luettavuutta ja siirrettävyyttä, mutta myös täyttää järjestelmän reaaliaikaisen käytön vaatimukset.
Kun DSP-laitteisto- ja ohjelmistosuunnittelu on valmis, laitteisto ja ohjelmisto on tarkistettava. Ohjelmistojen virheenkorjaus turvautuu yleensä DSP-kehitystyökaluihin, kuten ohjelmistosimulaattoreihin, DSP-kehitysjärjestelmiin tai emulaattoreihin. DSP-algoritmeja virheenkorjauksessa käytetään yleensä reaaliaikaisten tulosten ja simulointitulosten vertailumenetelmää. Jos reaaliaikaisen ohjelman ja simulointiohjelman tulo on sama, näiden kahden lähdön tulisi olla sama. Muita sovellusjärjestelmän ohjelmistoja voidaan virheenkorjata todellisen tilanteen mukaan. Laitteiston virheenkorjauksessa käytetään yleensä laitteistoemulaattoria virheenkorjauksessa. Jos vastaavaa laitteistoemulaattoria ei ole ja laitteistojärjestelmä ei ole kovin monimutkainen, se voidaan myös virheenkorjata yleisten työkalujen avulla.
Kun järjestelmän ohjelmisto ja laitteisto on erikseen viritetty, ohjelmisto voidaan erottaa kehitysjärjestelmästä ja suorittaa suoraan sovellusjärjestelmässä. Tietenkin DSP-järjestelmän kehittäminen, erityisesti ohjelmistokehitys, on prosessi, joka on toistettava. Vaikka reaaliaikaisen järjestelmän suorituskyky voidaan pohjimmiltaan tuntea algoritmisimulaation avulla, itse asiassa simulaatioympäristö ei voi olla täysin yhdenmukainen reaaliaikaisen järjestelmäympäristön kanssa. Kun siirrät simulointialgoritmia reaaliaikaiseen järjestelmään, on pohdittava, voiko algoritmi toimia reaaliajassa. Jos algoritmin laskennallinen monimutkaisuus on liian suuri toimiakseen laitteistossa reaaliajassa, algoritmi on tarkistettava tai yksinkertaistettava.
DSP-siru, joka tunnetaan myös nimellä digitaalinen signaaliprosessori, on mikroprosessori, joka soveltuu erityisesti digitaalisen signaalin prosessointiin. Sen pääasiallinen sovellus on toteuttaa erilaisia digitaalisia signaalinkäsittelyalgoritmeja reaaliajassa ja nopeasti. Digitaalisen signaalinkäsittelyn vaatimusten mukaan DSP-siruilla on yleensä seuraavat pääpiirteet:
(1) Yksi kertolasku ja yksi summa voidaan suorittaa yhdessä käskyjaksossa;
(2) Ohjelma ja datatila on erotettu toisistaan, ja ohjeisiin ja tietoihin pääsee käsiksi samanaikaisesti;
(3) On nopea RAM-siru, johon pääsee yleensä samanaikaisesti kahdessa lohkossa itsenäisten tietoväylien kautta;
(4) Laitteistotuki, jossa on alhainen yläpuolinen silmukka tai ei ylimääräistä silmukkaa ja hyppy;
(5) nopea keskeytysprosessointi ja laitteiston I / O-tuki;
(6) useita laitteisto-osoitegeneraattoreita, jotka toimivat yhdessä jaksossa;
(7) Useita toimintoja voidaan suorittaa rinnakkain;
(8) Tuki putkilinjan toiminnalle, jotta toiminnot, kuten nouto, dekoodaus ja toteutus, voidaan suorittaa päällekkäin.
Tietysti verrattuna yleiskäyttöisiin mikroprosessoreihin muut DSP-sirujen yleiskäyttöiset toiminnot ovat suhteellisen heikkoja.
DSP-sirujen kehitys
Maailman ensimmäisen yhden sirun DSP-sirun tulisi olla AMI: n julkaisema S2811 vuonna 1978. Kaupallinen ohjelmoitava laite 2920, jonka Intel julkaisi vuonna 1979, oli merkittävä virstanpylväs DSP-siruille. Kummallakaan sirulla ei ole yhden jakson kertojaa, joka tarvitaan nykyaikaisille DSP-siruille. Vuonna 1980 japanilaisen NEC Corporationin esittämä μP D7720 oli ensimmäinen kaupallinen DSP-siru, jossa oli kertoja.
Sen jälkeen menestyneimmät DSP-sirut olivat sarja Texas Instrumentsin (TI) tuotteita. TI lanseerasi ensimmäisen sukupolven DSP-sirunsa TMS32010 ja sen sarjatuotteet TMS32011, TMS320C10 / C14 / C15 / C16 / C17 onnistuneesti vuonna 1982 ja toi sitten toisen sukupolven DSP-sirun TMS32020, TMS320C25 / C26 / C28 ja kolmannen sukupolven DSP-siru TMS320C30 / C31 / C32, neljännen sukupolven DSP-siru TMS320C40 / C44, viidennen sukupolven DSP-siru TMS320C5X / C54X, parannettu toisen sukupolven DSP-siru TMS320C2XX, korkean suorituskyvyn DSP-siru TMS320C8X integroimalla useita DSP-siruja ja tällä hetkellä nopein kuudennen sukupolven DSPX-siru TMS320 / C62X jne. TI tiivistää yleisesti käytetyt DSP-sirut kolmeen sarjaan, nimittäin: TMS67C320-sarja (mukaan lukien TMS2000C320X / C2XX), TMS2C320-sarja (mukaan lukien TMS5000C320X / C5X / C54X) ja TMS55C320-sarja (TMS6000C320X / C62X). Tänään TI: n DSP-tuotesarjasta on tullut tämän päivän vaikutusvaltaisimmat DSP-sirut. TI: stä on myös tullut maailman suurin DSP-sirujen toimittaja, ja sen DSP-markkinaosuus on lähes 67% maailman osuudesta.
Ensimmäinen, joka käytti CMOS-tekniikkaa liukulukuisten DSP-sirujen tuottamiseen, oli japanilainen Hitachi-yritys, joka otti käyttöön liukulukuiset DSP-sirut vuonna 1982. Vuonna 1983 Japanin Fujitsun lanseeraamassa MB8764: ssä oli 120 s: n käskyjakso ja siinä oli kaksi sisäistä väylää , joka teki suuren harppauksen prosessointikapasiteetissa. Ensimmäisen korkean suorituskyvyn kelluvan pisteen DSP-sirun tulisi olla DSP32, jonka AT&T lanseerasi vuonna 1984.
Verrattuna muihin yrityksiin Motorola on melko myöhässä DSP-sirujen lanseerauksessa. Vuonna 1986 yritys esitteli kiinteän pisteen prosessorin MC56001. Vuonna 1990 se esitteli liukulukuisen DSP-sirun MC96002, joka on yhteensopiva IEEE-liukulukumuodon kanssa.
Amerikkalaiset analogiset laitteet (Analog Devices, lyhyesti sanottuna AD) vievät myös tietyn osuuden DSP-sirumarkkinoista, ja ne ovat peräkkäin esittäneet sarjan DSP-siruja, joilla on omat ominaisuutensa. Sen kiinteän pisteen DSP-sirut sisältävät ADSP2101 / 2103/2105, ASDP2111 / 2115, ADSP2161 / 2162/2164 ja ADSP2171 / 2181, kelluvat pisteet sisältävät ADSP21000 / 21020, ADSP21060 / 21062 jne. Vuodesta 1980 lähtien DSP-siruja on käytetty kehittyneet harppauksin, ja DSP-sirut ovat tulleet yhä laajemmalle. Laskennanopeuden näkökulmasta MAC-aika (yksi kertolasku ja yksi lisäys) on lyhennetty 400-luvun alun 32010ns: stä (kuten TMS1980) alle 10ns: iin (kuten TMS320C54X, TMS320C62X / 67X jne.) Ja jalostuskapasiteettia on lisätty useita kertoja. DSP-sirun tärkeimmät kerrannaiskomponentit ovat pudonneet noin 40%: sta dieareasta vuonna 1980 alle 5%: iin, ja sirussa olevan RAM-muistin määrä on kasvanut yli suuruusluokan. Valmistusprosessin osalta 4 μm hyväksyttiin vuonna 1980
N-kanavainen MOS (NMOS) -prosessi on yleensä omaksuttu, mutta nyt käytetään yleensä mikronin (Micron) CMOS-prosessia. DSP-sirun nastojen lukumäärä on kasvanut korkeimmasta 64: stä vuonna 1980 yli 200: een nyt. Nastojen määrän kasvu tarkoittaa rakenteellisen joustavuuden lisääntymistä, kuten ulkoisen muistin ja prosessorien välisen tiedonsiirron laajentamista. Lisäksi DSP-sirujen kehitys on vähentänyt huomattavasti DSP-järjestelmien kustannuksia, määrää, painoa ja virrankulutusta. Taulukko 1.1 on vertailutaulukko TI: n DSP-siruista vuosina 1982, 1992 ja 1999. Taulukko 1.2 on joitain tietoja edustavista siruista suurimmilta DSP-sirutoimittajilta maailmassa.
DSP-sirut voidaan luokitella seuraavilla kolmella tavalla.
1. Perusominaisuuksien mukaan
Tämä luokitellaan DSP-sirun käyttökellon ja käskytyypin mukaan. Jos millä tahansa kellotaajuudella tietyllä kellotaajuusalueella, DSP-siru voi toimia normaalisti, lukuun ottamatta laskennanopeuden muutosta, suorituskykyä ei heikennetä. Tämän tyyppistä DSP-sirua kutsutaan yleensä staattiseksi DSP-siruksi. Esimerkiksi Japanin OKI Electric Companyn DSP-siru, TI Companyn TMS320C2XX -sarjan siru kuuluvat tähän luokkaan.
Jos DSP-siruja on vähintään kaksi, niiden käskysarjat ja vastaavat konekoodikoneen pin-rakenteet ovat yhteensopivia keskenään, niin tämän tyyppistä DSP-sirua kutsutaan johdonmukaiseksi DSP-siruksi. Esimerkiksi Yhdysvaltain TI: n TMS320C54X kuuluu tähän luokkaan.
2. Tietomuodon mukaan
Tämä luokitellaan DSP-sirun työskentelytietomuodon mukaan. DSP-siruja, joiden data toimii kiinteän pisteen muodossa, kutsutaan kiinteän pisteen DSP-siruiksi, kuten TI: n TMS320C1X / C2X, TMS320C2XX / C5X, TMS320C54X / C62XX -sarja, AD: n ADSP21XX-sarja, AT & T: n DSP16 / 16A ja Motoloran MC56000. Kelluvia pisteitä käyttäviä kelluvia pisteitä kutsutaan kelluviksi DSP-siruiksi, kuten TMS320C3X / C4X / C8X TI: stä, ADSP21XXX-sarja AD: stä, DSP32 / 32C AT&T: stä, MC96002 Motolorasta jne.
Eri kelluvien pisteiden DSP-sirujen käyttämät liukulukumuodot eivät ole täysin samat. Jotkut DSP-sirut käyttävät mukautettuja liukulukumuotoja, kuten TMS320C3X, kun taas jotkut DSP-sirut käyttävät IEEE-standardin mukaisia liukulukumuotoja, kuten Motorolan MC96002, FUJITSUn MB86232 ja ZORANin ZR35325 jne.
3. Tarkoituksen mukaan
DSP: n tarkoituksen mukaan se voidaan jakaa yleiskäyttöön tarkoitetuksi DSP-siruksi ja erityiskäyttöiseksi DSP-siruksi. Yleiskäyttöiset DSP-sirut soveltuvat tavallisiin DSP-sovelluksiin. Esimerkiksi TI-yhtiön DSP-sirujen sarja on yleiskäyttöisiä DSP-siruja. Erillinen DSP-siru on suunniteltu tiettyjä DSP-operaatioita varten, ja se soveltuu paremmin erikoistoimintoihin, kuten digitaaliseen suodatukseen, konvoluutioon ja FFT: hen. Esimerkiksi Motorolan DSP56200, Zoranin ZR34881, Inmosin IMSA100 jne. Kuuluvat omistettuun DSP-siruun.
Tässä kirjassa käsitellään pääasiassa yleiskäyttöisiä DSP-siruja.
DSP-sirun suunnittelun DSP-sovellusjärjestelmän valinta, DSP-sirun valitseminen on erittäin tärkeä linkki. Vasta kun DSP-siru on valittu, voidaan oheispiirejä ja muita järjestelmän piirejä suunnitella edelleen. Yleensä DSP-sirun valinta tulisi määrittää todellisten sovellusjärjestelmän tarpeiden mukaan. Eri DSP-sovellusjärjestelmillä on erilaiset DSP-sirujen valinnat johtuen erilaisista sovellustapauksista ja sovellustarkoituksista. Yleisesti ottaen seuraavat monet tekijät tulisi ottaa huomioon valittaessa DSP-siru.
1. DSP-sirun toimintanopeus.
Toimintanopeus on yksi DSP-sirujen tärkeimmistä suorituskykyindikaattoreista, ja se on myös merkittävä tekijä, joka on otettava huomioon valittaessa DSP-siruja. DSP-sirujen laskentanopeus voidaan mitata seuraavilla suorituskykyindikaattoreilla:
(1) Käskyjakso: käskyn suorittamiseen tarvittava aika, yleensä ns (nanosekunteina). Esimerkiksi TMS320LC549-80: n käskysykli, kun päätaajuus on 80 MHz, on 12.5ns;
(2) MAC-aika: yhden kertolaskun ja yhden lisäyksen aika. Suurin osa DSP-siruista voi suorittaa kertolasku- ja summaustoiminnon yhdessä käskyjaksossa. Esimerkiksi TMS320LC549-80: n MAC-aika on 12.5ns;
(3) FFT-suoritusaika: aika, joka tarvitaan N-pisteen FFT-ohjelman suorittamiseen. Koska FFT-operaatioon liittyvät toiminnot ovat hyvin edustavia digitaalisessa signaalinkäsittelyssä, FFT-toiminta-aikaa käytetään usein indikaattorina DSP-sirun laskentatehon mittaamiseen;
(4) MIPS: Toisin sanoen miljoonia käskyjä suoritetaan sekunnissa. Esimerkiksi TMS320LC549-80-prosessointikapasiteetti on 80 MIPS, eli 80 miljoonaa käskyä voidaan suorittaa sekunnissa;
(5) MOPS: Toisin sanoen miljoonia operaatioita suoritetaan sekunnissa. Esimerkiksi TMS320C40: n laskentateho on 275 MOPS;
(6) MFLOPS: Toisin sanoen miljoonia liukulukuoperaatioita suoritetaan sekunnissa. Esimerkiksi TMS320C31: n prosessointikapasiteetti, kun päätaajuus on 40 MHz, on 40 MFLOPS;
(7) BOPS: Toisin sanoen suoritetaan miljardi operaatiota sekunnissa. Esimerkiksi TMS320C80: n prosessointikapasiteetti on 2 BOPS.
2. DSP-sirujen hinta.
DSP-sirun hinta on myös tärkeä tekijä, joka on otettava huomioon valittaessa DSP-siru. Jos käytetään kallista DSP-sirua, vaikka suorituskyky olisi korkea, sen sovellusalue on ehdottomasti rajallinen, etenkin siviilituotteille. Siksi todellisen järjestelmäsovelluksen mukaan on määritettävä edullinen DSP-siru. Tietysti DSP-sirujen nopean kehityksen takia DSP-sirujen hinnalla on taipumus laskea suhteellisen nopeasti. Siksi kehitysvaiheessa valitaan hieman kalliimpi DSP-siru. Kun järjestelmää kehitetään, sen hinta voi olla laskenut puoleen tai enemmän.
3. DSP-sirun laitteistoresurssit.
Eri DSP-sirujen tarjoamat laitteistoresurssit ovat erilaiset, kuten piirissä olevan RAM-muistin ja ROM-muistin määrä, ulkoisesti laajennettava ohjelma- ja datatila, väylärajapinta, I / O-liitäntä jne. Vaikka kyseessä olisi sama DSP-sirujen sarja (kuten TI: n TMS320C54X-sarja), sarjan eri DSP-siruilla on erilaiset sisäiset laitteistoresurssit ja ne voivat sopeutua erilaisiin tarpeisiin.
4. DSP-sirun aritmeettinen tarkkuus.
Yleisten kiinteän pisteen DSP-sirujen sanan pituus on 16 bittiä, kuten TMS320-sarja. Mutta joillakin yrityksillä on 24-bittiset kiinteän pisteen sirut, kuten Motorolan MC56001. Kelluvan pisteen sirun sanan pituus on yleensä 32 bittiä ja akku 40 bittiä.
5. DSP-sirujen kehittämistyökalut.
DSP-järjestelmän kehitysprosessissa kehitystyökalut ovat välttämättömiä. Ilman kehitystyökalujen tukea on melkein mahdotonta kehittää monimutkaista DSP-järjestelmää. Jos käytettävissä on tehokkaita kehitystyökaluja, kuten C-kielen tuki, kehitysaika lyhenee huomattavasti. Siksi DSP-sirua valittaessa on kiinnitettävä huomiota sen kehitystyökalujen, mukaan lukien ohjelmisto- ja laitteistokehitystyökalut, tukeen.
6. DSP-sirun virrankulutus.
Joissakin DSP-sovelluksissa virrankulutus on myös ongelma, joka vaatii erityistä huomiota. Esimerkiksi kannettavilla DSP-laitteilla, kädessä pidettävillä laitteilla ja kenttäsovelluksia varten tarkoitetuilla DSP-laitteilla on erityiset vaatimukset virrankulutukselle. Tällä hetkellä pienitehoisia ja nopeita 3.3 V: n virtalähteisiä DSP-siruja on käytetty laajasti.
7. muu.
Edellä mainittujen tekijöiden lisäksi DSP-sirun valinnassa on otettava huomioon myös pakkauksen muoto, laatustandardit, saatavuus, elinkaari jne. Joillakin DSP-siruilla voi olla useita pakkausmuotoja, kuten DIP, PGA, PLCC ja PQFP. Jotkut DSP-järjestelmät saattavat viime kädessä vaatia teollisuus- tai sotilastason standardeja. Kun valitset, sinun on kiinnitettävä huomiota siihen, onko valitulla sirulla teollisuuslaatua vai sotilaallista vastaavaa tuotetta. Jos suunniteltu DSP-järjestelmä ei ole vain kokeellinen järjestelmä, vaan se tarvitsee massatuotantoa ja sen elinkaari voi olla useita vuosia tai jopa yli kymmenen vuotta, sinun on otettava huomioon valitun DSP-sirun tarjonta ja onko sillä sama tai jopa pidempi elinkaari ja niin edelleen.
Edellä mainituista monista tekijöistä yleisesti ottaen kiinteän pisteen DSP-sirun hinta on halvempi, virrankulutus on pienempi, mutta laskentatarkkuus on hieman alhaisempi. Kelluvien pisteiden DSP-sirujen edut ovat korkea toimintatarkkuus ja kätevä ohjelmointi ja virheenkorjaus C-kielellä, mutta ne ovat hieman kalliimpia ja kuluttavat enemmän virtaa. Esimerkiksi TI: n TMS320C2XX / C54X-sarjat ovat kiinteän pisteen DSP-siruja, joiden pääominaisuudet ovat alhainen virrankulutus ja alhaiset kustannukset. TMS320C3X / C4X / C67X on kelluva piste DSP-siru, jolla on suuri aritmeettinen tarkkuus, kätevä ohjelmointi C-kielellä ja lyhyt kehitysjakso, mutta samalla sen hinta ja virrankulutus ovat suhteellisen korkeat.
DSP-sovellusjärjestelmän laskennallinen kuormitus on perusta määritettäessä käsittelykapasiteetilla varustetun DSP-sirun valinta. Jos laskennan määrä on pieni, voit valita DSP-sirun, jolla on vähemmän prosessointitehoa, mikä voi vähentää järjestelmän kustannuksia. Päinvastoin, DSP-järjestelmän, jolla on paljon laskelmia, on valittava DSP-siru, jolla on vahva prosessointikyky. Jos DSP-sirun käsittelyominaisuudet eivät pysty täyttämään järjestelmävaatimuksia, sen on käytettävä useita DSP-siruja rinnakkaiskäsittelyyn. Joten miten määritetään DSP-järjestelmän laskentamäärä DSP-sirun valitsemiseksi? Tarkastellaan kahta tapausta alla.
1. Näytteen käsittely
Niin sanottu näytepistekäsittely on, että DSP-algoritmi silmukkaa kerran kutakin syötettyä näytepistettä kohti. Tämä pätee digitaaliseen suodatukseen. Digitaalisissa suodattimissa on yleensä tarpeen laskea kerran jokaiselle tulopisteelle. Esimerkiksi 256 napautuksen mukautuva FIR-suodatin, joka käyttää LMS-algoritmia, olettaen, että jokaisen napautuksen laskeminen vaatii 3 MAC-sykliä, 256 napautuksen laskenta vaatii 256 × 3 = 768 MAC-jaksoa. Jos näytteenottotaajuus on 8 kHz, ts. Näytteiden väli on 125 ms ja DSP-sirun MAC-sykli on 200ns, 768 MAC-sykliä tarvitaan 153.6 ms, jota ei tietenkään voida käsitellä reaaliajassa, ja nopeampi DSP siru on valittava. Taulukko 1.3 esittää kolmen DSP-sirun kahden signaalin kaistanleveyden käsittelyvaatimukset. Kolmen DSP-sirun MAC-syklit ovat vastaavasti 200ns, 50ns ja 25ns. Taulukosta voidaan nähdä, että kaksi viimeksi mainittua DSP-sirua voidaan toteuttaa reaaliajassa vuoropuheluhihnan käyttämistä varten. Äänisovelluksissa vain kolmas DSP-siru voi käsitellä reaaliajassa. Tässä esimerkissä ei tietenkään oteta huomioon muita laskelmia.
2. Käsittely kehyksittäin Jotkut digitaalisen signaalin käsittelyalgoritmit eivät silmukkaa kerran kutakin tulonäytettä kohti, vaan silmukkasivat kerran tietyn aikavälin (kutsutaan yleensä kehykseksi). Esimerkiksi keskipitkän ja matalan nopeuden puhekoodausalgoritmi vie yleensä 10 ms tai 20 ms kehyksinä, ja puhekoodausalgoritmi silmukkaa kerran 10 ms tai 20 ms välein. Siksi, kun valitset DSP-sirun, sinun tulisi verrata kehyksen DSP-sirun käsittelykapasiteettia DSP-algoritmin laskentamäärään. Oletetaan, että DSP-sirun käskyjakso on p (ns) ja yhden kehyksen aika on Dt
(Ns), niin suurin laskentamäärä, jonka DSP-siru voi tarjota yhdessä kehyksessä, on Dt / p-ohjeet. Esimerkiksi TMS320LC549-80: n käskyjakso on 12.5ns, ja jos kehyksen pituus on 20ms, toimintojen enimmäismäärä, jonka TMS320LC549-80 voi tarjota yhdessä kehyksessä, on 1.6 miljoonaa käskyä. Siksi, niin kauan kuin puhekoodausalgoritmin laskentamäärä ei ylitä 1.6 miljoonaa käskyä, se voidaan suorittaa reaaliajassa TMS320LC549-80: lla.
DSP-sirun käyttö
DSP-sirujen syntymisestä 1970-luvun lopulla ja 1980-luvun alusta lähtien DSP-sirut ovat kehittyneet nopeasti. DSP-sirujen nopea kehitys on hyötynyt integroidun piirin tekniikan kehityksestä ja toisaalta valtavista markkinoista. Viimeisten 20 vuoden aikana DSP-siruja on käytetty laajalti monilla aloilla, kuten signaalinkäsittelyssä, viestinnässä ja tutkassa. Tällä hetkellä DSP-sirujen hinta laskee ja laskee, ja suorituskyky-hinta-suhde kasvaa päivä päivältä, jolla on valtava sovelluspotentiaali. DSP-sirujen tärkeimmät sovellukset ovat:
(1) Signaalinkäsittely - kuten digitaalinen suodatus, adaptiivinen suodatus, nopea Fourier-muunnos, korrelaation laskeminen, spektrianalyysi, konvoluutio, kuvion sovitus, ikkunointi, aaltomuodon generointi jne .;
(2) Tiedonsiirto, kuten modeemi, adaptiivinen taajuuskorjaus, datan salaus, datan pakkaus, kaiun peruutus, multipleksointi, faksi, hajaspektriyhteys, virheenkorjauskoodaus, videopuhelin jne .;
(3) Ääni, kuten äänikoodaus, äänisynteesi, äänentunnistus, äänenparannus, kaiuttimien tunnistus, kaiuttimien vahvistus, vastaaja, äänitallennus jne .;
(4) Grafiikka / kuvat, kuten kaksi- ja kolmiulotteinen grafiikan käsittely, kuvan pakkaus ja siirto, kuvanparannus, animaatio, robotin visio jne .;
(5) sotilaallinen, kuten luottamuksellinen viestintä, tutkan käsittely, kaikuluotaimen käsittely, navigointi, ohjusohjaus jne .;
(6) instrumentit ja mittarit, kuten spektrianalyysi, toimintojen tuottaminen, vaihelukittu silmukka, seismiset prosessit jne .;
(7) Automaattinen ohjaus - kuten moottorin ohjaus, ääniohjaus, automaattinen ajo, robotin ohjaus, levyn ohjaus jne .;
(8) lääketieteellinen hoito, kuten kuulolaitteet, ultraäänilaitteet, diagnostiikkatyökalut, potilaan seuranta jne .;
(9) Kodinkoneet, kuten korkealaatuinen ääni, musiikin synteesi, äänensäätö, lelut ja pelit, digitaaliset puhelimet / televisiot jne.
DSP-sirujen suorituskyvyn ja hinta-suhteen jatkuvan parantamisen myötä on ennakoitavissa, että DSP-siruja käytetään laajemmin useilla aloilla.
Meidän muiden tuotteiden:
