1. Принципы и базовые алгоритмы обработки сигналов в цифровых системах. Требования к аппаратной базе для выполнения базовых операций цос.

Цифровая обработка сигналов (ЦОС) – это арифметическая обработка в реальном времени последовательности значений амплитуды сигнала, определяемых через равные временные промежутки.

Принципы цифровой обработки сигналов:

1. Цифровое представление сигналов с необходимой точностью.

2. Выполнение в реальном, или близком к реальному, масштабе времени большого количества вычислительных операций надо потоками данных (массивами), в том числе и бесконечными во времени.

Основными алгоритмами ЦОС являются:

• БИХ- и КИХ-фильтрация сигнала;

• корреляционная функция двух сигналов или автокорреляционная функция сигнала;

• прямое/обратное преобразование Фурье;

• помехоустойчивое (канальное) кодирование;

• формирование пакетов для передачи по каналам связи;

• векторное квантование;

• модуляция и демодуляция узкополосных сигналов.

Фильтрация сигналов

В области ЦОС выделяют фильтры следующих видов:

• с конечной импульсной характеристикой (КИХ);

• с бесконечной импульсной характеристикой (БИХ).

В КИХ-фильтре отсчет выходного сигнала определяется только значениями входного сигнала и задается уравнением вида:

где x_n и y_n – соответственно отсчеты входного и выходного сигналов, N – порядок фильтра (количество коэффициентов), b_k – коэффициенты фильтра.

В БИХ-фильтре отсчет выходного сигнала определяется значениями входного сигнала и предыдущими значениями выходного сигнала:

Для эффективной реализации необходимы:

• выполнение операций «умножения с накоплением»;

• одновременная выборка из памяти двух операндов;

• доступ к памяти с автоматической модификацией указателя;

• циклическая организация буфера (кольцевые буферы);

• аппаратная поддержка циклов.

Фурье-преобразование сигнала

В системах цифровой обработки сигналов чаще используется быстрое преобразование Фурье. Его реализация приводит к существенному уменьшению вычислительной сложности. Основная идея быстрого преобразования Фурье состоит в том, чтобы разбить исходный N-отсчетный сигнал x(n) на два более коротких сигнала, преобразования которых далее комбинируются таким образом, чтобы получить преобразование исходного N-отсчетного сигнала.

Вычисление N-точечного (отсчетного) преобразования можно произвести путем вычисления двух N/2-точечных. Для указанных условий Фурье-преобразование имеет следующий вид:

; ;

Аналогично, два N/2-точечных преобразования можно свести к четырем N/4-точечным и так далее. При этом сокращение объема вычислений составит:

.

Для эффективной реализации необходимы:

• бит-реверсная адресация;

• дуальное сложение/вычитание;

• умножение с накоплением;

• аппаратная поддержка циклов;

• табличная реализация функций sin, cos.

Пример: порядок адресации элементов при выполнении, например, четырех 2-х точечных преобразования (при N=8) будет такой:

Представим адреса элементов в двоичном коде и переставим биты в обратном (реверсном) порядке:

Прямой:	000	001	010	011	100	101	110	111
Реверсный:	000	100	010	110	001	101	011	111
Значение:	0	4	2	6	1	5	3	7

Формирование пакетов данных

Формирование тела пакета, а также его заголовка и хвостовика в соответствии с требованиями конкретного приложения и протоколом обмена данными. Реализация депонирования битовых полей – при формировании пакета, когда требуемое значение помещается в формируемое слово в нужную позицию и занимает правильное количество битов без использования дополнительных операций сдвигов. Выделение битовых полей – при распознавании пакета, обратная операция.

Требования к аппаратной базе для выполнения базовых операций ЦОС:

• выполнение операций «умножения с накоплением»;

• одновременная выборка из памяти двух операндов;

• доступ к памяти с автоматической модификацией указателя;

• циклическая организация буфера (кольцевые буферы);

• аппаратная поддержка циклов (автоматическая проверка условия выхода из цикла без потери тактов);

• дуальное сложение/вычитание;

• бит-реверсная адресация;

• повышенная точность представления операндов;

• табличная реализация элементарных функций;

• эффективный доступ к битовым полям.

2. Обобщенная архитектура сигнальных процессоров: фундаментальные особенности. Способы взаимодействия DSP-процессора с внешними устройствами различных типов. Методы оценки производительности процессоров.

Цифровой сигнальный процессор представляет собой специализированный процессор с RISC-архитектурой (архитектура процессора, в котором быстродействие увеличивается за счёт упрощения инструкций, сокращён объём (и время) работы, выполняемый каждой инструкцией), предназначенный для решения задач цифровой обработки сигналов.

Принципиальные особенности архитектуры сигнальных процессоров:

• принцип «детерминированного выполнения» - можно заранее сказать, как долго тот или иной фрагмент кода будет выполняться на сигнальном процессоре;

• Гарвардская архитектура – предполагает наличие двух раздельных пространств для хранения данных и инструкций и отдельных шин для каждого из них. Шины функционируют независимо, инструкция и данные могут быть извлечены одновременно. Следующий уровень - Супер-Гарвардская архитектура (SHARC – Super Harvard ARChitecture, термин введен фирмой Analog Devices), отличающаяся наличием кэша команд и контроллера ввода/вывода:

  • Контроллер ввода/вывода. Чтобы обеспечить ввод/вывод данных из процессора с высокой скоростью, не снижая вычислительных возможностей процессора, контроллер ввода/вывода посредством механизма прямого доступ к памяти (Direct Memory Access, DMA) позволяет записывать и считывать данные напрямую из внутренней памяти процессора.

• элементы RISC-архитектуры. Конвейеризация и сокращение длительности командного цикла – обычно применяется двух- или трехкаскадный конвейер – выполняются одновременно две или три инструкции, размещение операндов в регистрах, использование теневых регистров, аппаратная поддержка циклов;

• аппаратная реализация типовых операций ЦОС – аппаратный умножитель для сокращения времени операции умножения;

• специализированные команды ЦОС – оптимизированы для выполнения базовых задач цифровой обработки сигналов;

• расширенные коммуникационные возможности – наличие встроенных АЦП и ЦАП.

Взаимодействие с внешними устройствами

Обычно система ЦОС представляет собой комплексную аппаратную схему, включающую кроме DSP ряд внешних устройств. В нормальном режиме DSP работает синхронно с АЦП или КОДЕКОМ, принимая или выдавая данные с постоянным временным интервалом синхронно с сигналами тактового генератора, расположенного на плате.

В то же время DSP может обмениваться данными с хост-процессором или от схемы управления пользователем. Эти события происходят асинхронно, т.е. в произвольные моменты времени. Для обработки таких событий могут использоваться две схемы:

1. ввод/вывод данных с последовательным опросом (POLLED I/O), когда процессор просто "регулярно" проверяет состояния на определенных ножках и принимает решение в зависимости от уровня сигнала. Хотя эта схема проста, она приводит к снижению производительности, т.к. часть опросов выполняется "вхолостую";

2. управление с использованием прерываний. Как обычно, такая схема требует выделения таблицы векторов прерываний для обработки каждого внешнего сигнала и написания программно обработчика прерывания.

3. механизмы прямого доступа к памяти, которые позволяют организовать обмен большими объемами (блоками) данных между коммуникационными портами процессора и внутренней памятью без использования ресурсов процессорного ядра параллельно с ходом выполнения основной программы.

Также поддерживается отладка в реальном времени.

Методы оценки производительности

Производительность процессоров может оцениваться по нескольким критериям:

- MIPS – количество инструкций, выполняемых в секунду;

- MFLOPS, MOPS – оценки количества операций в секунду, которое может выполнить процессор, также без учета конкретного алгоритма.

- MMACS – количество операций умножения с накоплением в секунду.

Более комплексные метрики учитывают также стоимость, объем памяти и энергопотребление. Соответственно каждый процессор может представляться в виде параллелепипеда в системе координат с осями, соответствующими единицам энергопотребления (mA), производительности (MIPS), требуемого размера памяти (Кб).

Более реалистичные оценки производительности получают путем прогона на DSP определенных задач - типовых алгоритмов ЦОС, например, векторное произведение, сложение векторов, фильтры. Такая оценка позволяет оценить производительность всей системы.

Также используются оценки на наборах тестов (BDTImark2000 и др.) и оценки на типовых приложениях (Full Application Benchmark).