Тема 3.1 Общие сведения о цифровой обработке сигналов
Цифровая обработка сигналов (ЦОС) – это математическое воздействие на последовательность мгновенных значений амплитуды обрабатываемого сигнала в реальном масштабе времени.
Примерами ЦОС являются:
- фильтрация сигналов;
- свертка сигналов (смешивание сигналов);
- вычисление значений корреляционной функции сигнала;
- изменение параметров сигналов;
- преобразования Фурье.
Аналоговая обработка сигналов, традиционно используемая во многих радиотехнических устройствах, является во многих случаях более дешевым способом достижения требуемого результата, но когда требуется миниатюрность, высокая точность и стабильность функционирования, цифровая обработка оказывается единственно приемлемым решением.
Цифровая обработка сигнала может быть выполнена при помощи цифровой схемы, содержащей следующие элементы:
- входной фильтр нижней частоты (ФНЧ), осуществляющий предварительное воздействие на спектр обрабатываемого сигнала;
- аналого-цифровой преобразователь (АЦП), преобразующий мгновенное значение амплитуды входного сигнала аналоговой формы в эквивалентный двоичный код;
- цифровой фильтр, математически воздействующий на спектр входного сигнала;
- выходной ФНЧ, удаляющий спектральные составляющие, возникшие в результате цифровых преобразований (в частности выделение шумов квантования и дискретизации ЦАП).
Для эффективной реализации алгоритмов цифровой фильтрации необходима аппаратная поддержка базовых операций ЦОС:
- умножение с накоплением (MAC – Multiplication Accumulation);
- модульная адресная арифметика;
- нормирование результатов арифметических операций.
Существует классификация цифровых фильтров по виду импульсной характеристики:
- фильтры с конечной импульсной характеристикой (КИХ), формирующие значения отсчетов выходных сигналов только на основе ограниченного значения входных сигналов;
- фильтры с бесконечной импульсной характеристикой (БИХ), формирующие значения отсчетов выходных сигналов на основе совокупности накопленных значений отсчетов как входных, так и выходных сигналов.
Тема 3.2 Сигнальные микропроцессоры
Для построения систем цифровой обработки сигналов используются специализированные микропроцессоры – цифровые сигнальные процессоры (ЦСП).
Неэффективность применения универсальных микропроцессоров для решения задач ЦОС связанна с их чрезмерной избыточностью. Для цифровой обработки сигналов используют так называемые сигнальные микропроцессоры. К их особенностям относятся малоразрядная обработка чисел с плавающей точкой (40 и менее разрядов), преимущественное использование чисел с фиксированной точкой разрядности 32 и менее, а также ориентация на несложную обработку больших массивов данных.
Отличительной особенностью задач цифровой обработки сигналов является поточный характер обработки больших объемов данных в реальном режиме времени, требующий высокой производительности процессора и обеспечения возможности интенсивного обмена с внешними устройствами. Соответствие данным требованиям достигается в настоящее время благодаря специфической архитектуре процессоров и проблемно – ориентированной системе команд.
ЦСП обладают высокой степенью специализации. В них широко используются методы сокращения длительности командного такта, характерные и для универсального RISC – процессора, такие, как конвейеризация на уровне отдельных команд и микрокоманд, размещение операндов большинства команд во внутренних регистрах процессора, использование теневых регистров для сохранения состояния вычислений при переключении контекста, разделение памяти команд и данных (гарвардская архитектура). В тоже время для ЦСП характерным является наличие аппаратного умножителя, позволяющего производить умножение двух чисел за один такт. Другой особенностью сигнальных процессоров является включение в систему команд таких операций, как умножение с накоплением, инверсия бит адреса, операции над битами. В сигнальных процессорах реализуется аппаратная поддержка программных циклов, кольцевых буферов, обработки прерываний.
ЦСП различных производителей в общем образуют два класса, существенно отличающихся по цене:
- более дешевые процессоры обработки данных в формате с фиксированной точкой;
- более дорогие микропроцессоры, аппаратно поддерживающие операции над данными в формате с плавающей точкой.
Для решения некоторых задач цифровой обработки сигналов требуется повышенная точность к представлению данных. Существенное упрощение подобных действий достигается за счет работы с данными в формате с плавающей точкой, поскольку в данном случае не требуется выполнения операций округления и нормализации данных, отслеживания ситуаций потери точности и переполнения.
Также увеличение быстродействия возможно за счет создания симметричной мультипроцессорной системы с более простыми процессорами, обрабатывающими целочисленные операнды.
Эти так называемые медийные процессоры создавались исходя из потребности обработки в реальном времени видео и аудио информации в мультимедийных устройствах.
Тема 3.3: Коммуникационные процессоры
Рассмотренные ранее сигнальные микропроцессоры предназначены для реализации протоколов физического и канального уровней. Существует еще одна категория специализированных микропроцессоров, достаточно близкая по архитектуре к сигнальным, но имеющая существенные отличия – коммуникационные процессоры.
Как и сигнальные микропроцессоры, коммуникационные микропроцессоры ориентированы на поточную обработку данных, а предназначены они, в основном, для обработки протоколов сетевых и транспортных уровней.
Данный тип микропроцессоров широко применяется в трактах телекоммуникационных систем и на их основе строятся такие устройства, как:
- серверы удаленного доступа;
- мосты LAN – WAN;
- базовые станции сотовой связи;
- маршрутизаторы локальных вычислительных сетей;
- точки доступа беспроводной связи;
- аппаратура сетей VPN;
- сетевые шлюзы;
- сетевые принтеры и так далее.
Тема 3.4: Медийые микропроцессоры
С ростом популярности мультимедийных технологий стала появляться поддержка алгоритмов сигнальной обработки на уровне команд микропроцессора.
На сегодняшний день можно выделить два класса микропроцессоров, обеспечивающих поддержку мультимедиа на аппаратном уровне, это универсальные микропроцессоры с мультимедийным расширением набора команд и мультимедийные микропроцессоры.
Универсальные микропроцессоры с мультимедийным набором команд преимущественно применяются там, где достаточно велика доля числовой обработки данных. Там, где мультимедийные операции превосходят числовые эффективней использование мультимедийных микропроцессоров.
Мультимедийные микропроцессоры в общем случае представляют собой некоторую совокупность архитектурных решений, характерных для традиционных сигнальных и универсальных микропроцессоров.
Медийные процессоры (или медиа процессоры) предназначены для обработки аудио сигналов, графики, видео изображений, а такэе для решения ряда коммуникационных задач.
Несмотря на расширение мультимедийных возможностей универсальных микропроцессоров, сфера использования медийных микропроцессоров остается довольно широкой.
