Цифрова обробка сигналів (DSP) - це нова тема, яка охоплює багато дисциплін і широко використовується в багатьох галузях. Починаючи з 1960-х років, з бурхливим розвитком комп'ютерних та інформаційних технологій, технологія цифрової обробки сигналів з'явилася і швидко розвивалася. Протягом останніх двох десятиліть цифрова обробка сигналів широко використовувалася у зв'язку та інших сферах.
Цифрова обробка сигналів - це використання комп’ютерів або спеціального обробного обладнання для збору, перетворення, фільтрування, оцінки, посилення, стиснення та ідентифікації сигналів у цифровій формі для отримання форми сигналу, яка відповідає потребам людей. Цифрова обробка сигналів розроблена навколо теорії, впровадження та застосування цифрової обробки сигналів. Теоретичний розвиток цифрової обробки сигналів сприяв розвитку програм цифрової обробки сигналів. І навпаки, застосування цифрової обробки сигналів сприяло вдосконаленню теорії цифрової обробки сигналів. Реалізація цифрової обробки сигналів - це місток між теорією та застосуванням
Цифрова обробка сигналів базується на багатьох дисциплінах, і сфера її застосування надзвичайно широка. Наприклад, у галузі математики, обчислення, ймовірності та статистики, стохастичні процеси та чисельний аналіз є основними інструментами цифрової обробки сигналів і тісно пов’язані з теорією мережі, сигналом та системою, кібернетикою, теорією зв’язку та діагностикою несправностей . Деякі нові дисципліни, такі як штучний інтелект, розпізнавання образів, нейронні мережі тощо, невіддільні від цифрової обробки сигналів. Можна сказати, що цифрова обробка сигналів бере за теоретичну основу багато класичних теоретичних систем, і в той же час робить себе теоретичною основою низки нових дисциплін.
Методи реалізації цифрової обробки сигналу, як правило, такі:
(1) реалізувати за допомогою програмного забезпечення (наприклад, Fortran, мова C) на комп'ютері загального призначення (наприклад, ПК);
(2) додати спеціальний прискорений процесор до комп’ютерної системи загального призначення;
(3) Він реалізований мікрочипом з одним мікросхемою загального призначення (наприклад, MCS-51, серії 96 тощо). Цей метод може бути використаний для деяких менш складних процесів цифрової обробки сигналів, таких як цифрове управління тощо;
(4) Реалізуйте за допомогою загальнопрограмованого чіпа DSP. Порівняно з однокристальними мікрокомп'ютерами мікросхеми DSP мають програмні та апаратні ресурси, більш придатні для цифрової обробки сигналів, і можуть використовуватися для складних алгоритмів цифрової обробки сигналів;
(5) Реалізуйте за допомогою виділеного чіпа DSP. У деяких особливих випадках необхідна швидкість обробки сигналу надзвичайно висока, чого важко досягти за допомогою мікросхем DSP загального призначення, таких як мікросхеми DSP, призначені для ШПФ, цифрової фільтрації, згортки та відповідних алгоритмів. Цей мікросхем інтегрує відповідні алгоритми обробки сигналів. Чіп реалізований в апаратному забезпеченні без програмування.
Серед вищезазначених методів недоліком першого методу є те, що він повільніший і, як правило, може бути використаний для моделювання алгоритмів DSP; другий і п'ятий методи є дуже специфічними, і їх застосування значно обмежено. Другий спосіб - це також незручно для незалежної роботи системи; третій метод підходить лише для реалізації простих алгоритмів DSP; лише четвертий метод відкриває нові можливості для застосування цифрової обробки сигналів
Хоча теорія цифрової обробки сигналів розвивалася стрімко, до 1980-х років через обмеження методів реалізації теорія цифрової обробки сигналів не мала широкого застосування. Лише до народження першого у світі програмованого мікросхеми DSP в кінці 1970-х - початку 1980-х років результати теоретичного дослідження широко застосовувались до недорогих практичних систем і сприяли розробці нових теорій та галузей застосування. Не буде перебільшенням сказати, що за останні 20 років народження та розвиток мікросхем DSP зіграли дуже важливу роль у технологічному розвитку зв'язку, комп'ютерів, управління та інших галузей.
У системі DSP вхідний сигнал може мати різну форму. Наприклад, це може бути голосовий сигнал, що виводиться мікрофоном, або модульований сигнал даних з телефонної лінії, або сигнал зображення камери, який кодується і передається за цифровим посиланням або зберігається в комп'ютері.
Спочатку вхідний сигнал піддається фільтруванню та дискретизації з обмеженим діапазоном, а потім виконується A / D (аналого-цифрове) перетворення для перетворення сигналу в цифровий бітовий потік. Відповідно до теореми дискретизації Найквіста, щоб гарантувати, що інформація не втрачається, частота дискретизації повинна бути принаймні вдвічі більшою за частоту вхідного обмеженого смуги сигналу.
Вхід мікросхеми DSP - це цифровий сигнал, виражений у формі дискретизації, отриманий після АЦП перетворення. Мікросхема DSP виконує певну форму обробки вхідного цифрового сигналу, наприклад, серію операцій множення та накопичення (MAC). Цифрова обробка є ключем до DSP, який сильно відрізняється від інших систем (таких як телефонні комутаційні системи). У системі комутації роль процесора полягає у виконанні вибору маршрутизації, і вона не змінює вхідні дані. Тому, хоча обидві є системами реального часу, їх обмеження в реальному часі досить різні. Нарешті, оброблені цифрові вибірки перетворюються в аналогові вибірки шляхом цифрового / аналогового (Digital toAnalog) перетворення, а потім виконуються інтерполяція та згладжуюча фільтрація для отримання безперервних аналогових сигналів.
Слід зазначити, що модель системи DSP, наведена вище, є типовою моделлю, але не всі системи DSP повинні мати усі компоненти в моделі. Наприклад, система розпізнавання голосу - це не суцільна форма сигналу на виході, а результат розпізнавання, наприклад цифри, текст тощо; деякі вхідні сигнали є цифровими (наприклад, компакт-диск CD), тому немає необхідності виконувати аналого-цифрове перетворення.
Система цифрової обробки сигналів заснована на цифровій обробці сигналів, тому вона має всі переваги цифрової обробки:
(1) Зручний інтерфейс. Системи DSP сумісні з іншими системами або пристроями, заснованими на сучасних цифрових технологіях. Набагато простіше взаємодіяти з такими системами для реалізації певних функцій, ніж з аналоговими системами для взаємодії з цими системами;
(2) Просте програмування. Програмований чіп DSP в системі DSP дозволяє дизайнерам гнучко та зручно модифікувати та модернізувати програмне забезпечення під час процесу розробки;
(3) Хороша стабільність. Система DSP заснована на цифровій обробці, на неї менше впливає температура навколишнього середовища та шум і має високу надійність;
(4) Висока точність. 16-розрядна цифрова система може досягати точності 10 ^ (- 5);
(5) Хороша повторюваність. На продуктивність аналогової системи сильно впливають зміни продуктивності параметрів компонента, тоді як цифрова система в основному не впливає, тому цифрова система зручна для тестування, налагодження та масового виробництва;
(6) Зручна інтеграція. Цифрові компоненти системи DSP високо стандартизовані, що сприяє широкомасштабній інтеграції.
Звичайно, цифрова обробка сигналу також має певні недоліки. Наприклад, для простих завдань обробки сигналів, таких як телефонний інтерфейс з аналоговою комутаційною лінією, використання DSP збільшить вартість. Високошвидкісний годинник у системі DSP може спричинити такі проблеми, як високочастотні перешкоди та електромагнітні витоки, і система DSP споживає багато енергії. Крім того, технологія D SP швидко оновлюється, вимагає багатьох математичних знань, а засоби розробки та налагодження не є досконалими.
Незважаючи на те, що система DSP має деякі недоліки, її видатні переваги роблять її все більш широко використовуваною у багатьох галузях, таких як зв'язок, голос, зображення, радар, біомедицина, промисловий контроль та контрольно-вимірювальні прилади.
Взагалі, не існує дуже хорошого формального методу проектування для проектування систем ЦСП.
Перш ніж проектувати систему DSP, ви повинні спочатку визначити показники продуктивності системи та вимоги до обробки сигналів відповідно до цілей прикладної системи, які зазвичай можна описати за допомогою діаграм потоків даних, послідовностей математичних операцій, формальних символів або природної мови.
Другим кроком є імітація мови високого рівня відповідно до вимог системи. Взагалі кажучи, для досягнення кінцевої мети системи вхідний сигнал повинен бути належним чином оброблений, а різні методи обробки призведуть до різної продуктивності системи. Щоб отримати найкращу продуктивність системи, на цьому кроці потрібно визначити найкращу. Методом обробки є алгоритм цифрової обробки сигналів (алгоритм), тому цей етап також називається етапом моделювання алгоритму. Наприклад, алгоритм кодування стиснення мови полягає у отриманні найкращої синтезованої мови при певному ступені стиснення. Вхідні дані, що використовуються для моделювання алгоритму, отримуються шляхом збору фактичних сигналів і зазвичай зберігаються як файл даних у вигляді комп'ютерного файлу. Наприклад, голосовий сигнал, що використовується при моделюванні алгоритму кодування стиснення голосу, фактично збирається і зберігається як файл голосових даних у вигляді комп'ютерного файлу. Вхідні дані, що використовуються в деяких моделюваннях алгоритмів, не обов'язково повинні бути фактично зібраними даними сигналу. Поки можливість алгоритму може бути перевірена, можна також вводити гіпотетичні дані.
Після завершення другого кроку наступним кроком є проектування системи цифрових цифрових сигналів у реальному часі. Проектування системи DSP в режимі реального часу включає дизайн апаратного забезпечення та дизайн програмного забезпечення. Спочатку апаратне проектування має вибрати відповідний чіп DSP відповідно до розміру розрахунків системи, вимог до точності розрахунків, обмежень на вартість системи та вимог до обсягу та енергоспоживання. Потім спроектуйте периферійну схему та інші схеми мікросхеми DSP. Розробка та програмування програмного забезпечення в основному базуються на системних вимогах та обраному чіпі DSP для написання відповідної програми збірки DSP. Якщо система має невелику кількість обчислень і підтримується компілятором мови високого рівня, вона також може бути запрограмована мовою високого рівня (наприклад, мовою С). Оскільки ефективність існуючих компіляторів мови високого рівня не настільки ефективна, як ефективність ручного написання мови асемблера, у реальних прикладних системах часто використовується змішаний метод програмування мови високого рівня та мови асемблера. Методом написання є написання асемблерної мови, тоді як мова високого рівня використовується там, де обсяг обчислення не є великим. Застосування цього методу може не тільки скоротити цикл розробки програмного забезпечення, поліпшити читабельність і портативність програми, а й задовольнити вимоги роботи системи в режимі реального часу.
Після завершення проектування апаратного та програмного забезпечення DSP необхідно налагодити апаратне та програмне забезпечення. Налагодження програмного забезпечення, як правило, вдається до засобів розробки DSP, таких як програмні симулятори, системи розробки DSP або емулятори. При налагодженні алгоритмів DSP зазвичай застосовується метод порівняння результатів у реальному часі та результатів моделювання. Якщо вхідні дані програми реального часу та програми моделювання однакові, вихід двох даних повинен бути однаковим. Інше програмне забезпечення прикладної системи може бути налагоджено відповідно до фактичної ситуації. Налагодження обладнання зазвичай використовує апаратний емулятор для налагодження. Якщо відповідного апаратного емулятора немає, а апаратна система не дуже складна, її також можна налагодити за допомогою загальних інструментів.
Після окремого налагодження програмного та апаратного забезпечення системи програмне забезпечення можна відокремити від системи розробки та запустити безпосередньо в прикладній системі. Звичайно, розробка системи DSP, особливо розробка програмного забезпечення, - це процес, який потрібно повторити. Хоча продуктивність системи реального часу в основному може бути відома за допомогою моделювання алгоритму, насправді, середовище моделювання не може повністю відповідати середовищу системи реального часу. При міграції алгоритму моделювання до системи реального часу необхідно враховувати, чи може алгоритм працювати в режимі реального часу. Якщо обчислювальна складність алгоритму занадто велика, щоб працювати на апаратному забезпеченні в режимі реального часу, алгоритм повинен бути переглянутий або спрощений.
Мікросхема DSP, також відома як цифровий процесор сигналу, є мікропроцесором, особливо придатним для операцій цифрової обробки сигналів. Основним його застосуванням є реалізація різних алгоритмів цифрової обробки сигналів у режимі реального часу та швидко. Відповідно до вимог цифрової обробки сигналів, мікросхеми DSP, як правило, мають такі основні характеристики:
(1) Одне множення та додавання можуть бути виконані за один цикл інструкцій;
(2) Програма та простір даних розділені, і інструкції та дані можуть бути доступні одночасно;
(3) На мікросхемі є швидка оперативна пам’ять, до якої зазвичай можна отримати одночасний доступ у два блоки через незалежні шини даних;
(4) Апаратна підтримка з низькими накладними витратами або відсутністю накладних циклів та стрибків;
(5) Швидка обробка переривань та підтримка апаратного вводу-виводу;
(6) Кілька апаратних генераторів адрес, які працюють за один цикл;
(7) Багато операцій можна виконувати паралельно;
(8) Підтримка роботи конвеєра, так що такі операції, як отримання, декодування та виконання, можуть виконуватися внахлест.
Звичайно, у порівнянні з мікропроцесорами загального призначення, інші загальні функції мікросхем DSP відносно слабкі.
Розробка мікросхем DSP
Першим у світі чіпом DSP з одним чіпом повинен бути S2811, випущений AMI в 1978 році. Комерційний програмований пристрій 2920, випущений Intel в 1979 році, став важливою віхою для мікросхем DSP. Жоден чіп не має одноциклового множника, необхідного для сучасних мікросхем DSP. У 1980 р. ΜP D7720, представлений японською корпорацією NEC, був першим комерційним чіпом DSP з множником.
Після цього найуспішнішими мікросхемами DSP стала серія продуктів від Texas Instruments (TI). У 32010 році TI успішно випустила свій чіп DSP TMS32011 першого покоління та серійну продукцію TMS320, TMS10C14 / C15 / C16 / C17 / C1982, а потім послідовно представила мікросхему DSP другого покоління TMS32020, TMS320C25 / C26 / C28 і третє покоління Мікросхема DSP TMS320C30 / C31 / C32, чіп DSP четвертого покоління TMS320C40 / C44, мікросхема DSP п’ятого покоління TMS320C5X / C54X, вдосконалений чіп DSP другого покоління TMS320C2XX, високопродуктивний чіп DSP TMS320C8X з інтеграцією чипів DSP І на сьогоднішній день найшвидший чіп DSP TX320C C62 / C67X та ін. TI узагальнює часто використовувані мікросхеми DSP у три серії, а саме: серії TMS320C2000 (включаючи TMS320C2X / C2XX), серії TMS320C5000 (включаючи TMS320C5X / C54X / C55X) та серії TMS320C6000 (TMS320C62X / C67X). Сьогодні серія продуктів DSP від TI стала найвпливовішими чіпами DSP у світі сьогодні. TI також став найбільшим у світі постачальником мікросхем DSP, і його частка на ринку DSP становить майже 50% світової частки.
Першою, яка застосувала технологію CMOS для виробництва мікросхем DSP з плаваючою крапкою, була японська компанія Hitachi, яка представила мікросхеми DSP з плаваючою точкою в 1982 році. У 1983 році MB8764, випущений Fujitsu, Японія, мав цикл інструкцій 120 нс і мав подвійні внутрішні шини , що зробило великий стрибок у пропускній здатності обробки. Першим високопродуктивним чіпом DSP з плаваючою точкою повинен стати DSP32, випущений AT&T в 1984 році.
Порівняно з іншими компаніями, Motorola порівняно пізно випускає чіпи DSP. У 1986 році компанія представила процесор з фіксованою точкою MC56001. У 1990 році він представив мікросхему DSP з плаваючою комою MC96002, сумісну з форматом плаваючої крапки IEEE.
Американські аналогові пристрої (коротше Analog Devices, AD) також займають певну частку на ринку мікросхем DSP і послідовно представляють серію мікросхем DSP зі своїми характеристиками. Його чіпи DSP з фіксованою точкою включають ADSP2101 / 2103/2105, ASDP2111 / 2115, ADSP2161 / 2162/2164 і ADSP2171 / 2181, мікросхеми DSP з плаваючою точкою включають ADSP21000 / 21020, ADSP21060 / 21062 і т. Д. З 1980 року чіпи DSP розроблені стрибкоподібно, і чіпи DSP набувають все більшого і більш широкого застосування. З точки зору швидкості обчислень, час MAC (одне множення та додавання) скорочено з 400 нс (наприклад, TMS32010) на початку 1980-х років до менш ніж 10 нс (наприклад, TMS320C54X, TMS320C62X / 67X та ін.) І обробна потужність збільшена в кілька разів. Ключові компоненти множника всередині мікросхеми DSP зменшились з приблизно 40% площі в 1980 році до менш ніж 5%, а кількість вбудованої оперативної пам'яті збільшилася більш ніж на порядок. З точки зору виробничого процесу, 4 мкм був прийнятий в 1980 році
Загальноприйнятий процес N-канального MOS (NMOS), але зараз зазвичай використовується субмікронний (мікронний) CMOS-процес. Кількість висновків мікросхеми DSP зросла з максимум 64 у 1980 році до більш ніж 200 зараз. Збільшення кількості висновків означає збільшення структурної гнучкості, наприклад, розширення зовнішньої пам'яті та зв'язку між процесорами. Крім того, розробка мікросхем DSP значно знизила вартість, обсяг, вагу та енергоспоживання систем DSP. Таблиця 1.1 - таблиця порівняння чіпів DSP TI у 1982, 1992 та 1999 рр. Таблиця 1.2 - деякі дані про репрезентативні чіпи від основних постачальників мікросхем DSP у світі.
DSP-мікросхеми можна класифікувати наступними трьома способами.
1. За основними характеристиками
Це класифікується відповідно до робочого годинника та типу інструкції мікросхеми DSP. Якщо на будь-якій тактовій частоті в межах певного діапазону тактових частот мікросхема DSP може працювати нормально, за винятком зміни швидкості обчислення, погіршення продуктивності не відбувається. Цей тип чіпа DSP зазвичай називають статичним чіпом DSP. Наприклад, мікросхема DSP японської компанії OKI Electric Company, чіп серії TMS320C2XX компанії TI належать до цієї категорії.
Якщо є два або більше мікросхем DSP, їх набори інструкцій та відповідні структури машинних кодів машинних штифтів сумісні між собою, тоді цей тип мікросхеми DSP називається послідовним чіпом DSP. Наприклад, TMS320C54X TI Сполучених Штатів відноситься до цієї категорії.
2. Відповідно до формату даних
Це класифікується відповідно до формату робочих даних мікросхеми DSP. Мікросхеми DSP, дані яких працюють у форматі з фіксованою точкою, називаються чіпами DSP з фіксованою точкою, такі як TI TMS320C1X / C2X, TMS320C2XX / C5X, серії TMS320C54X / C62XX, AD AD21X, AT&T DSP16 / 16A та Motolora MC56000. DSP-мікросхеми з плаваючою крапкою, які працюють у форматі з плаваючою точкою, називаються мікросхемами DSP з плаваючою точкою, наприклад TMS320C3X / C4X / C8X від TI, ADSP21XXX серії від AD, DSP32 / 32C від AT&T, MC96002 від Motolora тощо.
Формати з плаваючою точкою, що використовуються різними мікросхемами DSP з плаваючою комою, не зовсім однакові. Деякі мікросхеми DSP використовують власні формати з плаваючою комою, такі як TMS320C3X, тоді як деякі мікросхеми DSP використовують стандартні формати з плаваючою комою IEEE, такі як Motorola MC96002, FUJITSU MB86232 та ZORAN ZR35325 тощо.
3. За призначенням
За призначенням DSP його можна розділити на мікросхему загального призначення DSP і спеціальний чіп DSP. DSP-мікросхеми загального призначення підходять для звичайних DSP-програм. Наприклад, серія мікросхем DSP компанії TI - це мікросхеми DSP загального призначення. Спеціальний чіп DSP розроблений для конкретних операцій DSP і більше підходить для спеціальних операцій, таких як цифрова фільтрація, згортка та ШПФ. Наприклад, DSP56200 від Motorola, ZR34881 від Zorana, IMSA100 від Inmos тощо належать до виділеного чіпа DSP.
У цій книзі в основному розглядаються мікросхеми DSP загального призначення.
Вибір конструкції мікросхеми DSP Система застосування DSP, вибір мікросхеми DSP є дуже важливою ланкою. Тільки коли обрано мікросхему DSP, периферійні схеми та інші схеми системи можуть бути надалі розроблені. Загалом, вибір мікросхеми DSP повинен визначатися відповідно до фактичних потреб системи застосування. Різні системи застосування DSP мають різний вибір мікросхем DSP через різні випадки застосування та цілі застосування. Взагалі кажучи, при виборі мікросхеми DSP слід враховувати наступні багато факторів.
1. Робоча швидкість мікросхеми DSP.
Швидкість роботи є одним з найважливіших показників продуктивності мікросхем DSP, а також є основним фактором, який потрібно враховувати при виборі мікросхем DSP. Швидкість обчислення мікросхем DSP можна виміряти за такими показниками продуктивності:
(1) Цикл інструкцій: час, необхідний для виконання інструкції, зазвичай у нс (наносекундах). Наприклад, цикл інструкцій TMS320LC549-80, коли основна частота становить 80 МГц, становить 12.5 нс;
(2) Час MAC: час одного множення плюс одне додавання. Більшість мікросхем DSP можуть виконати операцію множення та додавання за один цикл інструкцій. Наприклад, час MAC TMS320LC549-80 становить 12.5 нс;
(3) Час виконання БПФ: час, необхідний для запуску N-точкової програми ШПФ. Оскільки операції, пов'язані з операцією ШПФ, є дуже репрезентативними при цифровій обробці сигналу, час роботи БПФ часто використовується як індикатор для вимірювання обчислювальної потужності мікросхеми DSP;
(4) MIPS: Тобто мільйони інструкцій виконуються в секунду. Наприклад, обчислювальна здатність TMS320LC549-80 становить 80 MIPS, тобто за секунду можна виконати 80 мільйонів інструкцій;
(5) MOPS: Тобто мільйони операцій виконуються в секунду. Наприклад, обчислювальна потужність TMS320C40 становить 275 MOPS;
(6) MFLOPS: Тобто мільйони операцій з плаваючою комою виконуються в секунду. Наприклад, обчислювальна здатність TMS320C31, коли основна частота становить 40 МГц, становить 40 MFLOPS;
(7) BOPS: Тобто один мільярд операцій виконується в секунду. Наприклад, обробна потужність TMS320C80 становить 2 BOPS.
2. Ціна мікросхем DSP.
Ціна мікросхеми DSP також є важливим фактором, який слід враховувати при виборі мікросхеми DSP. Якщо використовується дорогий чіп DSP, навіть якщо продуктивність висока, діапазон його застосування, безумовно, буде обмежений, особливо для цивільних продуктів. Отже, відповідно до фактичного застосування системи, необхідно визначити доступний чіп DSP. Звичайно, через швидкий розвиток мікросхем DSP, ціна мікросхем DSP має тенденцію до відносного падіння. Тому на стадії розробки вибирається трохи дорожчий чіп DSP. Коли система розроблена, ціна може впасти вдвічі і більше.
3. Апаратні ресурси мікросхеми DSP.
Апаратні ресурси, що надаються різними мікросхемами DSP, різні, такі як об'єм вбудованої оперативної пам'яті та ПЗУ, програмне забезпечення та простір даних, що розширюються зовні, інтерфейс шини, інтерфейс вводу-виводу тощо. Навіть якщо це одна і та ж мікросхема DSP (такі як серія TMS320C54X від TI), різні мікросхеми DSP цієї серії мають різні внутрішні апаратні ресурси і можуть адаптуватися до різних потреб.
4. Арифметична точність мікросхеми DSP.
Довжина слова загальних мікросхем DSP з фіксованою точкою становить 16 біт, наприклад, серія TMS320. Але деякі компанії мають 24-розрядні мікросхеми з фіксованою точкою, такі як MC56001 від Motorola. Довжина слова мікросхеми з плаваючою точкою, як правило, становить 32 біти, а акумулятор - 40 біт.
5. Засоби розробки мікросхем DSP.
У процесі розробки системи DSP необхідні засоби розробки. Без підтримки засобів розробки практично неможливо розробити складну систему ЦСП. Якщо існує підтримка потужних засобів розробки, таких як підтримка мови С, час розробки значно скоротиться. Тому при виборі мікросхеми DSP необхідно звернути увагу на підтримку його засобів розробки, включаючи засоби розробки програмного та апаратного забезпечення.
6. Енергоспоживання мікросхеми DSP.
У деяких програмах DSP споживання енергії також є проблемою, яка вимагає особливої уваги. Наприклад, портативні пристрої DSP, портативні пристрої та пристрої DSP для польових застосувань мають особливі вимоги щодо енергоспоживання. В даний час широко використовуються малопотужні високошвидкісні мікросхеми DSP з живленням від 3.3 В.
7. інші.
На додаток до вищезазначених факторів, при виборі мікросхеми DSP слід також враховувати форму упаковки, стандарти якості, доступність, життєвий цикл тощо. Деякі мікросхеми DSP можуть мати кілька форм упаковки, такі як DIP, PGA, PLCC та PQFP. Деякі системи DSP в кінцевому підсумку можуть вимагати промислових чи військових стандартів. Вибираючи, потрібно звернути увагу на те, чи має вибраний чіп подібний продукт промислового чи військового класу. Якщо розроблена система DSP є не просто експериментальною системою, а потребує масового виробництва і може мати життєвий цикл від декількох років або навіть більше десяти років, тоді вам потрібно врахувати постачання обраного чіпа DSP і чи є вона такою ж або навіть довший життєвий цикл тощо.
Серед вищезазначених багатьох факторів, загалом кажучи, ціна чіпа DSP з фіксованою точкою дешевша, енергоспоживання нижче, але точність розрахунку дещо нижча. Перевагами мікросхем DSP з плаваючою комою є висока точність роботи та зручне програмування та налагодження мовою C, але вони трохи дорожчі та споживають більше енергії. Наприклад, серії TMS320C2XX / C54X від TI - це чіпи DSP з фіксованою точкою, основними характеристиками яких є низьке споживання енергії та низька вартість. TMS320C3X / C4X / C67X - це мікросхема DSP з плаваючою точкою з високою арифметичною точністю, зручним програмуванням мовою C та коротким циклом розробки, але в той же час його ціна та енергоспоживання відносно високі.
Обчислювальне навантаження системи застосування DSP є основою для визначення вибору мікросхеми DSP з обробною здатністю. Якщо обсяг розрахунку невеликий, ви можете вибрати мікросхему DSP з меншою обчислювальною потужністю, що може зменшити вартість системи. Навпаки, система DSP з великою кількістю обчислень повинна вибирати мікросхему DSP з потужними можливостями обробки. Якщо можливості обробки мікросхеми DSP не можуть відповідати системним вимогам, він повинен використовувати кілька мікросхем DSP для паралельної обробки. То як визначити суму розрахунку системи DSP для вибору мікросхеми DSP? Давайте розглянемо два випадки нижче.
1. Обробка зразків
Так звана обробка точки вибірки полягає в тому, що алгоритм DSP повторюється один раз для кожної вхідної точки вибірки. Це стосується цифрової фільтрації. У цифрових фільтрах зазвичай потрібно обчислювати один раз для кожної вхідної точки вибірки. Наприклад, адаптивний фільтр FIR із 256-крановим використанням, що використовує алгоритм LMS, припускаючи, що для розрахунку кожного крана потрібні 3 цикли MAC, для розрахунку 256-кранів потрібно 256 × 3 = 768 циклів MAC. Якщо частота дискретизації становить 8 кГц, тобто інтервал між вибірками становить 125 мс, а цикл MAC мікросхеми DSP становить 200 нс, 768 циклам MAC потрібно 153.6 мс, які, очевидно, неможливо обробити в режимі реального часу, і більш високошвидкісний DSP чіп потрібно вибрати. У таблиці 1.3 наведено вимоги до обробки двох смуг пропускання сигналу на трьох мікросхемах DSP. Цикли MAC трьох мікросхем DSP складають 200 нс, 50 нс та 25 нс, відповідно. З таблиці видно, що два останні мікросхеми DSP можуть бути реалізовані в режимі реального часу для застосування діалогового пояса. Для аудіо-додатків лише третій чіп DSP може обробляти в режимі реального часу. Звичайно, у цьому прикладі ніякі інші розрахунки не розглядаються.
2. Обробка за кадрами Деякі алгоритми цифрової обробки сигналу не повторюють один раз для кожного вхідного зразка, а один раз за кожний певний проміжок часу (зазвичай його називають кадром). Наприклад, алгоритм кодування мови середньої та низької швидкості зазвичай приймає 10 мс або 20 мс як кадр, а алгоритм кодування мови циклічно повторюється раз на 10 мс або 20 мс. Тому, вибираючи мікросхему DSP, слід порівняти обчислювальну здатність мікросхеми DSP у кадрі з обчислювальною величиною алгоритму DSP. Припустимо, цикл інструкцій мікросхеми DSP дорівнює p (ns), а час одного кадру - Dt
(Ns), тоді максимальна кількість обчислень, яку мікросхема DSP може забезпечити в одному кадрі, - це інструкції Dt / p. Наприклад, цикл інструкцій TMS320LC549-80 становить 12.5 нс, а якщо довжина кадру 20 мс, максимальна кількість операцій, які TMS320LC549-80 може виконати в одному кадрі, становить 1.6 мільйона інструкцій. Отже, поки обчислювальний обсяг алгоритму кодування мови не перевищує 1.6 мільйона інструкцій, його можна запускати в режимі реального часу на TMS320LC549-80.
Застосування мікросхеми DSP
З моменту народження мікросхем DSP наприкінці 1970-х - на початку 1980-х років, чіпи DSP швидко розвивалися. Швидкий розвиток мікросхем DSP виграв від розвитку інтегральної мікросхеми, з одного боку, та величезного ринку, з іншого. За останні 20 років мікросхеми DSP широко використовувались у багатьох сферах, таких як обробка сигналів, зв'язок та радіолокація. В даний час ціна мікросхем DSP стає все нижчою та нижчою, а співвідношення продуктивності та ціни зростає з кожним днем, що має величезний потенціал застосування. Основними застосуваннями мікросхем DSP є:
(1) Обробка сигналів, така як цифрова фільтрація, адаптивна фільтрація, швидке перетворення Фур'є, розрахунки кореляції, аналіз спектра, згортка, узгодження шаблонів, вікна, генерація сигналу тощо;
(2) такі комунікації, як модем, адаптивне вирівнювання, шифрування даних, стиснення даних, приглушення луни, мультиплексування, факс, зв’язок із розширеним спектром, кодування з виправленням помилок, відеотелефон тощо;
(3) Голос, такий як кодування голосу, синтез голосу, розпізнавання голосу, покращення голосу, ідентифікація динаміка, підтвердження спікера, голосова пошта, зберігання голосу тощо;
(4) Графіка / зображення - наприклад, двовимірна та тривимірна обробка графіки, стиснення та передача зображень, покращення зображення, анімація, робот-зір тощо;
(5) Військові, такі як конфіденційний зв’язок, радіолокаційна обробка, обробка сонарів, навігація, наведення ракет тощо;
(6) Прилади та лічильники, такі як аналіз спектра, генерація функцій, фазовий контур, сейсмічна обробка тощо;
(7) Автоматичне управління, таке як управління двигуном, голосове управління, автоматичне керування автомобілем, управління роботом, управління дисками тощо;
(8) Медичне лікування, таке як слухові апарати, ультразвукове обладнання, засоби діагностики, спостереження за пацієнтами тощо;
(9) Побутова техніка, така як аудіо високої точності, синтез музики, регулювання тембру, іграшки та ігри, цифрові телефони / телевізори тощо.
З постійним вдосконаленням співвідношення продуктивності та ціни мікросхем DSP, можна передбачити, що мікросхеми DSP будуть ширше використовуватися в більшості галузей.
Наш інший продукт:
