Аксенов, В.П. Сигнальные процессоры

Подождите немного. Документ загружается.

Федеральное агентство по образованию

Дальневосточный государственный технический университет

(ДВПИ им. В.В. Куйбышева)

В.П. Аксенов

Сигнальные процессоры

Гриф ДВ РУМЦ

Владивосток

2006

Одобрено редакционно-издательским советом ДВГТУ

УДК 681.3.06

А42

Аксенов, В.П. Сигнальные процессоры: учеб. пособие / В.П. Аксенов. –

Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 2006. –135 с

ISBN 5-94157-011-2

В учебном пособии приведены теоретические сведения по архитектуре

цифрового процессора обработки сигналов ADSP-2189M. Особенности про-

граммирования, назначение сигналов микросхемы рассмотрены на примере

работы отладочного модуля ADSP-2189M EZ-Kit Lite, который используется

студентами при проведении лабораторных работ.

Пособие содержит задание, порядок выполнения курсовой работы, про-

граммы синтеза и анализа цифровых фильтров в среде MATLAB.

Предназначено для студентов радиотехнических специальностей вузов.

Рецензенты: И.М. Орощук д-р техн. наук, доцент (Радиоэлектронное обо-

рудование авиации ВМФ, ТОВМИ им. С.О. Макарова);

В. Кригер, ген. директор ЗАО «Информационные транкин-

говые системы»

Печатается с оригинал-макета, подготовленного автором.

ISBN 5-94157-011-2

 В.П. Аксенов, 2006

 ДВГТУ, изд-во ДВГТУ, 2006

ВВЕДЕНИЕ

Применение цифровых процессоров обработки сигналов в радиотехни-

ческих системах позволяет выполнять обработку поступающей информации в

реальном времени. Это означает, что все операции алгоритма обработки сигна-

ла должны выполняться за время, не превышающее период дискретизации

входного сигнала.

Отличительной особенностью сигнальных процессоров является обра-

ботка больших массивов поточной цифровой информации с высокой произво-

дительностью. Выполнение этого требования достигается за счет высокой спе-

циализации сигнальных процессоров. Для них характерно разделение шин ко-

манд и шин данных (гарвардская архитектура), аппаратная поддержка про-

граммных циклов, наличие аппаратного умножителя, включение в систему ко-

манд операции умножения с накоплением МАС (С = A * B + C) с указанным в

команде правилом изменения индекса элементов массивов.

Использование однотактного умножителя и ячеек памяти в качестве опе-

рандов обуславливает относительно низкие тактовые частоты работы этих про-

цессоров. За счет быстрого выполнения команд межрегистрового обмена R

→R

не удается повысить производительность вычислений, как это делается в уни-

версальных процессорах.

Малая разрядность (32 двоичных разряда и менее) сигнальных процессо-

ров с фиксированной запятой может привести к неустойчивости рекурсивных

фильтров. Более удобными для проектирования систем обработки являются

микропроцессоры с плавающей запятой, так как они не требуют выполнения

операций округления и нормализации данных, контроля переполнения суммы в

программе. Ведущие компании выпускают как дешевые сигнальные процессо-

ры с фиксированной запятой, так и более дорогие процессоры с плавающей за-

пятой.

Основными производителями специализированных микропроцессоров

DSP являются компании Texas Instruments, Analog Devices, Motorola. Примеры

наиболее распространенных сигнальных процессоров: Motorola 56002,96002,

Intel i960, Analog Devices 21xx,210xx, Texas Instruments TMS320Cxx. В пособии

приведены примеры расчета систем, использующих сигнальный процессор

ADSP-2189M (Analog Devices).

Глава 1. СТРУКТУРА И ЗАДАЧИ ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКИ

АНАЛОГОВЫХ СИГНАЛОВ

Структурная схема цифровой обработки аналогового сигнала Х(t) состоит

из антиэлайсингового фильтра (АФ), аналого-цифрового преобразователя

(АЦП), центрального процессора (ЦП), цифро-аналогового преобразователя

(ЦАП) и сглаживающего фильтра (СФ) (рис. 1).

Рис. 1. Схема цифровой обработки сигнала

В радиотехнических устройствах цифровая обработка обычно применя-

ется в низкочастотных блоках. Сигналом X(t) может быть выходное напряже-

ние микрофонного усилителя или выходное напряжение детектора (амплитуд-

ного, частотного, фазового). В настоящее время разработаны высокопроизводи-

тельные процессоры для обработки радиосигналов промежуточной частоты.

Отфильтрованный аналоговый сигнал X

(t) преобразуется в пропорцио-

нальный двоичный m-разрядный код аналого-цифровым преобразователем. На

выходе АЦП формируется двоичное представление аналогового сигнала (рис.

2), которое затем обрабатывается арифметически цифровым сигнальным про-

цессором (ЦП). Для 16-разрядного сигнального процессора ADSP 2189M раз-

X(t)

(t)

Y(t)

АФ

АЦП

ЦП

ЦАП

СФ

работаны микросхемы параллельных и последовательных АЦП и ЦАП соот-

ветствующей разрядности.

Рис. 2. Квантование аналогового сигнала по времени и уровню

Дискретные отсчеты аналогового сигнала хранятся в виде массива 16-

разрядных двоичных чисел в специально отведенной области памяти – памяти

данных (Data Memory), расположенной внутри микросхемы сигнального про-

цессора. Объем памяти данных ADSP-2189M составляет 48К 16-разрядных

слов. Максимальное количество дискретных отсчетов АЦП, хранящихся во

внутренней оперативной памяти данных процессора, не может превышать 49

152 (48х1024) точек. При выполнении программы элементы массива можно по-

очередно читать одной ассемблерной командой

MХ0 = DM (I0,M1),

где MX0 – регистр умножителя–накопителя;

I0 и M1 – индексные регистры генератора адреса, которые хранят адрес ячейки

памяти (I0) и – шаг изменения адреса (М1).

Например, если перед первым выполнением команды DM в регистрах были за-

писаны значения I0=5, М1=1, то после выполнения команды в регистр MХ0

процессор запишет 16-разрядное двоичное число пятой ячейки буфера данных

Квантование

по амплитуде

Квантование по времени

c частотой Fs

Ts = 1/Fs

Хф(t)

(I0=5) и увеличит адрес на единицу (М1=1). Повторный проход этой ветви

программы с командой MХ0=DM (I0,M1) вызовет запись в регистр МХ0

шестого элемента буфера в памяти и т.д.

Основной особенностью сигнальных процессоров является обработка

накопленного массива данных за время между соседними отсчетами T

. При

стандартной частоте квантования F

=8 кГц, принятой в телефонии, на обработ-

ку массива данных отводится время T

=1/F

=125 мкс.

Система, представленная на рис. 1, работает в реальном масштабе време-

ни. В ней АЦП непрерывно дискретизирует сигнал с частотой, равной F

, и вы-

дает новый отсчет процессору с такой же частотой. Для обеспечения работы в

реальном масштабе времени процессор должен закончить все вычисления в

пределах интервала дискретизации и передать выходной отсчет на ЦАП до по-

ступления следующего отсчета с АЦП.

В сотовых радиотелефонах массив цифровых данных звукового сигнала

накапливается в течение интервала времени 10-20 мс и на обработку отводится

намного большее время, чем период дискретизации T

. Тем не менее, програм-

ма выполнятся также в темпе поступающей информации и должна закончиться

до поступления нового блока данных.

Типичная функция цифровой обработки - реализация цифрового фильт-

ра. В случае использования алгоритма быстрого преобразования Фурье (БПФ),

блок данных загружается в оперативную память данных процессора. Пока ра-

ботает алгоритм БПФ, тем временем новый блок данных загружается в память

для обеспечения работы в реальном масштабе времени. Процессор должен вы-

числить преобразования Фурье в течение интервала передачи данных, чтобы

быть готовым к процессу обработки следующего блока данных.

Обычно, прежде чем подвергнуться реальному аналого-цифровому пре-

образованию, аналоговый сигнал проходит через цепи нормализации, которые

выполняют такие функции, как усиление, ослабление и фильтрацию. Для по-

давления нежелательных сигналов вне полосы пропускания и предотвращения

наложения спектров (aliasing) необходим фильтр нижних частот или полосовой

фильтр. Эту функцию выполняет аналоговый антиэлайсинговый фильтр (АФ).

Блок АФ необходим в системе и в том случае, когда процессор выполняет про-

грамму цифровой фильтрации.

На рис. 3 показаны графики АЧХ цифрового фильтра и аналогового анти-

элайсингового фильтра нижних частот. Цифровой фильтр должен пропустить

сигнал с частотами, расположенными в пределах полосы пропускания, т.е. от

нуля до f=f

. Кроме необходимого участка в полосе от нуля до F

/2 график

имеет и копию при частотах, превышающих половину частоты дискретизации.

Антиэлайсинговый фильтр устраненяет копии АЧХ проектируемого цифрового

фильтра. Характеристика АФ рассчитывается так, чтобы не пропустить сигна-

лы с частотами, большими половины частоты дискретизации.

Рис. 3. Амплитудно-частотные характеристики фильтров

После обработки процессором содержащаяся в сигнале информация пре-

образуется обратно в аналоговую форму с использованием n-разрядного цифро-

аналогового преобразователя (ЦАП). Сглаживающий фильтр необходим для

преобразования дискретного сигнала в непрерывный. Показанный на рис. 1

цифро-аналоговый преобразователь может не использоваться, если обработан-

ный процессором сигнал передается по радиоканалу в цифровой форме.

707

f/Fs

антиэлайсинговый

фильтр

цифровой фильтр

Главная цель цифровой обработки сигналов заключается в получении со-

держащейся в них информации. Эта информация обычно присутствует в ам-

плитуде сигнала (абсолютной или относительной), в частоте или в спектраль-

ном составе, в фазе или в относительных временных зависимостях нескольких

сигналов. Как только желаемая информация будет извлечена из сигнала, она

может быть использована различными способами.

В некоторых случаях желательно переформатировать информацию, со-

держащуюся в сигнале. В частности, смена формата имеет место при передаче

звукового сигнала в телефонной системе с многоканальным доступом и частот-

ным разделением (FDMA). В этом случае аналоговые методы используются,

чтобы разместить несколько голосовых каналов в частотном спектре для пере-

дачи через радиорелейную станцию микроволнового диапазона, коаксиальный

или оптоволоконный кабель. В случае цифровой связи аналоговая звуковая ин-

формация сначала преобразуется в цифровую с использованием АЦП. Цифро-

вая информация, представляющая индивидуальные звуковые каналы, мультип-

лексируется во времени (многоканальный доступ с временным разделением) и

передается по последовательной цифровой линии связи.

Фильтрация является одним из наиболее мощных инструментальных

средств цифровой обработки. Кроме очевидных преимуществ устранения оши-

бок в аналоговом фильтре, связанных с флуктуациями параметров компонентов

во времени и по температуре, цифровые фильтры способны удовлетворять та-

ким техническим требованиям по своим параметрам, которых, в лучшем слу-

чае, было бы чрезвычайно трудно или даже невозможно достичь в аналоговом

исполнении. Кроме того, характеристики цифрового фильтра могут быть легко

изменены программно. Поэтому они широко используются в телекоммуника-

циях, в приложениях адаптивной фильтрации, таких как подавление шума и

распознавание речи, подавление эха в модемах. Современные высокопроиз-

водительные модемы используют также методы цифровой обработки для вы-

полнения таких функций, как модуляция, демодуляция, обнаружение и исправ-

ление ошибок, настройка параметров передачи.

Пример применения сигнального процессора в двухдиапазонном сотовом

телефоне стандарта GSM приведен на рис. 4. Комплект микросхем, разработан-

ный компанией Analog Devices, содержит два процессора. Процессор цифро-

вой сигнальной обработки выполнен на базе ядра семейства ADSP218x. Он

выполняет функции речевого и канального кодирования. Микроконтроллер от-

вечает за формирование пакетов протокола передачи данных и обеспечивает

управление терминалом при вводе данных с клавиатуры.

Рис. 4. Структурная схема мобильного терминала с применением сигнального процессора

Еще одна причина обработки сигналов заключается в сжатии полосы час-

тот сигнала (без существенной потери информации) с последующим формати-

рованием и передачей информации на пониженных скоростях, что позволяет

сузить требуемую полосу пропускания канала. В высокоскоростных модемах и

системах адаптивной импульсно-кодовой модуляции (ADPCM) широко исполь-

зуются алгоритмы устранения избыточности данных (сжатия), также как и в

цифровых системах мобильной связи, системах записи звука MPEG, в телеви-

дении высокой четкости (HDTV).

900 МГц, 1.8 ГГц

AD6524

AD6523

AD6521

AD6522

Память DSP

ADSP218x

Порты вх./вых.

1 Мбит ОЗУ

КонтроллерARM7

Flash-

память

ПДП

Дисплей

Клавиатура

SIM

Вспомогательные

ЦАП, АЦП

каналов

Речевой кодек

Радиотракт

прямого

преобразования

Многополосный

синтезатор

Глава 2. ОРГАНИЗАЦИЯ МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМ

2.1. Состав вычислительной системы

Микропроцессор представляет собой универсальное программно-

управляемое устройство цифровой обработки данных, выполненное в виде

большой интегральной схемы (БИС). Конечная цель проектирования микро-

процессорных систем – создание работоспособного изделия на базе одного или

нескольких микропроцессоров (рис. 5).

Рис. 5. Типовая организация микропроцессорных систем

Система состоит обычно из одного процессора, основной памяти на мик-

росхемах ПЗУ и ОЗУ для хранения программ и данных, а также подсистемы

ввода/вывода для связи с внешней аппаратурой. Программа находится в ПЗУ

(постоянном запоминающем устройстве) или в ОЗУ (оперативном запоми-

нающем устройстве) в машинных кодах. В энергонезависимую память ПЗУ

машинные коды заносятся с помощью специального устройства – программа-

тора и могут храниться в течение нескольких лет. Все чаще в микропроцессор-

ных системах используется флэш-память, которая представляет собой ПЗУ с

возможностью записи программы в составе работающего устройства. В ПЗУ

обычно записываются программы начальной загрузки системы, тестовые, диаг-

ностические программы, которые не меняются в процессе эксплуатации обору-

дования.

Шина управления

Шина данных

Шина адреса

Процессор

Память

( ОЗУ, ПЗУ )

Подсистема

ввода/вывода

Внешние

устройства