110302_Исследование эффектов ограничения разрядной сетки при цифровой обработке сигналов

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТОВ ОГРАНИЧЕНИЯ РАЗРЯДНОЙ СЕТКИ

ПРИ ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКЕ СИГНАЛОВ

ПРАКТИКУМ

МОСКВА, 2017 г.

Федеральное агентство связи Ордена Трудового Красного Знамени федеральное государственное

бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«МОСКОВСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ СВЯЗИ И ИНФОРМАТИКИ»

Кафедра многоканальных телекоммуникационных систем

ПРАКТИКУМ

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТОВ ОГРАНИЧЕНИЯ РАЗРЯДНОЙ СЕТКИ

ПРИ ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКЕ СИГНАЛОВ

МОСКВА, 2017 г.

1

Составители:

Мельник С.В., зав. кафедрой ПТТиУ, к.т.н.

Зуйкова Т.Н., старший преподаватель кафедры МТС

Мусатова О.Ю., старший преподаватель кафедры МТС

Шаврин С.С., профессор кафедры МТС, д.т.н.

Рецензент: Портнов Э.Л., д.т.н., профессор

Практикум «Исследование эффектов ограничения разрядной сетки при цифровой обработке сигналов» подготовлен на основании рабочей программы дисциплины «Техника микропроцессорных систем в инфокоммуникациях», которая разработана в соответствии с требованиями ФГОС ВО по направлению 11.04.02 Инфокоммуникационные технологии и системы связи (уровень магистратуры).

Дисциплина «Техника микропроцессорных систем в инфокоммуникациях» относится к вариативной части образовательных программ «Инфокоммуникационные технологии и системы связи. Сети, системы и устройства телекоммуникаций» и «Инфокоммуникационные технологии и системы связи. Мультисервисные инфокоммуникационные технологии».

Издание утверждено Советом факультета СиСС протокол №3 от 17 октября 2017 г.

2

1. ЦЕЛИ ПРАКТИКУМА

Главной целью практикума является обучение студентов правилам оценки разрядной сетки, необходимой для корректного представления данных при реализации основных операций цифровой обработки сигналов, а также оценки эффектов ограничения разрядной сетки со стороны старших и младших разрядов — искажений перегрузки и шумов округления.

Кроме того, поскольку настоящий практикум следует первым в цикле занятий на базе сигнального процессора ADSP-2181, его целью является также обучение студентов навыкам работы с пакетом отладки прикладного программного обеспечения.

Практикум составлен на основе [2] и дополнен пояснениями и рисунками, необходимыми для обучения студентов магистратуры.

2. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ

Практикум выполняется в несколько этапов, реализующих различные части рабочей программы дисциплины и ориентированных на формирование у студентов различных компетенций.

Часть 1. Изучение архитектуры и системы команд сигнального процессора.

Эта часть работы выполняется студентами самостоятельно в рамках и за счет времени, отведенного на самостоятельную работу по освоению соответствующего раздела дисциплины.

Часть 2. Освоение пакета программ, предназначенного для отладки

прикладного программного обеспечения на языке ассемблера для сигнальных процессоров семейства ADSP-21ХХ.

Эта часть работы также выполняется студентами в рамках и за счет времени самостоятельной работы, а также в компьютерном классе самостоятельно под руководством преподавателя.

Часть 3. Исследование эффектов ограничения разрядной сетки со стороны

старших разрядов.

Эта часть работы выполняется студентами в компьютерном классе под руководством преподавателя с использованием материалов, подготовленных студентами в процессе выполнения предшествующих частей.

Часть 4. Исследование эффектов ограничения разрядной сетки со стороны

младших разрядов.

Выполняется аналогично части 3.

3

3. ЗАДАНИЯ И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ПРАКТИКУМУ

Часть 1. Изучение архитектуры и системы команд сигнального процессора

В процессе выполнения необходимо выполнить следующие задания: 1.Изучить архитектуру и взаимодействие основных узлов сигнального

процессора ADSP-2181.

2.Изучить систему команд арифметико-логического устройства (АЛУ).

3.Изучить правила формирования признаков AV, AN, AC, AZ и AS арифметико-логическим устройством и их использование для организации ветвлений в программах.

4.Разработать блок-схему алгоритма и реализующую ее на языке ассемблера ADSP-21XX программу 1 удвоения с помощью АЛУ значения операнда, записанного в регистр AX0 в знаковом целочисленном формате.

5.Дополнить разработанную программу функцией ограничения результата при переполнении знаковой разрядной сетки (реализовать в виде отдельной программы 2).

6.Изучить архитектуру и систему команд умножителя-накопителя (MAC).

7.Изучить правила формирования признака MV умножителя-накопителя.

8.Разработать блок-схему алгоритма и реализующую ее на языке ассемблера ADSP-21XX программу 3 удвоения с помощью умножителя значения операнда MX0 в знаковом дробном формате.

9.Дополнить разработанную программу функциями округления и ограничения результата при переполнении знаковой разрядной сетки (реализовать в виде отдельной программы 4).

10.Разработать блок-схему алгоритма и реализующую ее на языке ассемблера ADSP-21XX программу 5 удвоения с помощью умножителя значения операнда MX0 в знаковом целочисленном формате.

При изучении архитектуры и системы команд следует использовать [1] и краткие сведения в разделе 6 (стр.13). При изучении АЛУ особое внимание следует уделить формату команды сложения, целочисленному формату данных

иправилам формирования и хранения признаков. Кроме того, внимание следует обратить на команду ena ar_sat — включения режима ограничения при переполнении разрядной сетки в знаковом формате.

При изучении умножителя-накопителя следует особое внимание уделить особенностям умножения чисел в знаковом целочисленном и в знаковом дробном форматах, а также правилам формирования процессором признака MV.

Блок-схемы алгоритмов должны быть представлены в графическом виде в соответствии с действующими стандартами. При разработке алгоритма следует

4

иметь в виду пределы представления чисел умножителем. В дробном формате для удвоения допускается умножение на ( 2 - 2-15 ).

Часть 2. Освоение пакета программ, предназначенного для отладки прикладного программного обеспечения на языке ассемблера для сигнальных процессоров семейства ADSP-21ХХ

В процессе выполнения необходимо выполнить следующие задания:

1.Изучить правила написания программ на языке ассемблера процессоров семейства ADSP-21XX.

2.В рабочем поле редактора UltraEdit32 набрать тексты программ, разработанные в рамках первой части практикума.

3.Сохранить каждую из программ в форме файла с расширением .dsp в директории, указанной преподавателем.

4.Выполнить трансляцию разработанных программ. Исправить при необходимости синтаксические ошибки и повторить трансляцию. Ознакомиться

слистинговым файлом, отражающим результаты трансляции (файл с расширением .lst), открыв его в редакторе UltraEdit32.

5.Выполнить редакцию связей (линковку) разработанных программ.

6.Для каждой программы ознакомиться с картой распределения памяти (файл с расширением .map), загрузив ее в редактор UltraEdit32.

7.Ознакомиться с файлом итоговой программы (файл с расширением

.exe), загрузив его в редактор UltraEdit32. Убедиться, что файл имеет текстовый вид, предназначенный для дальнейшей загрузки в симулятор или формирователь загрузочных модулей, но не для исполнения компьютером или процессором.

8.Загрузить файл с расширением .exe в симулятор Debugger.

9.Изучить возможности симулятора по представлению (отображению) данных и выполнению команд сигнального процессора.

10.Провести симуляцию разработанных программ для значений исходного операнда минус 0.4; 0.7; 16500 и минус 8000, обратив особое внимание на значения признаков результатов операций. Занести в таблицы значения исходного операнда и результаты операций по всем пяти программам в шестнадцатеричном, десятичном беззнаковом, десятичном знаковом, целочисленном и дробном форматах представления, а также значения всех признаков.

5

Часть 3. Исследование эффектов ограничения разрядной сетки со стороны старших разрядов

В рамках третьей части необходимо выполнить следующие задания:

1.Изучить (вспомнить) правила изменения разрядной сетки в процессе выполнения арифметических (алгебраических) операций.

2.Изучить по материалам раздела 7 (стр.17) возможности звукового редактора CoolEdit96 в части генерации сигналов синусоидальной формы и оценки спектральной плотности и статистических характеристик случайных процессов.

3.Подготовить файл входного сигнала синусоидальной формы в текстовом формате знаковых целых чисел с частотой дискретизации 8 кГц при длине разрядной сетки 16 бит. Сигнал должен представлять отрезок синусоидальной формы, содержащий 200 периодов синусоиды с частотой 100 Гц с амплитудой 17000 шагов квантования.

4.Дополнить разработанные и отлаженные в предшествующих частях практикума программы операциями ввода информации в регистр AX0 (MX0) из порта IO(0), вывода результата обработки в порт IO(1) и командой циклического исполнения программы.

5.Выполнить операции трансляции и линковки программ.

6.Поочередно каждую из программ загрузить в симулятор, подключить подготовленный файл входного синусоидального сигнала к порту IO(0). К порту IO(1) подключить файл для вывода результатов обработки.

7.Провести пошаговое выполнение нескольких циклов обработки входного сигнала, и, убедившись в корректности исполнения, запустить симуляцию в автоматическом режиме. Программа симуляции остановится автоматически по достижении конца входного файла.

8.Отключить входной и выходной файлы от симулятора.

9.Загрузить выходной файл, созданный каждой из программ, в звуковой редактор CoolEdit96. Зафиксировать форму сигнала для включения в отчет по практикуму.

10.Средствами редактора CoolEdit96, поочередно для каждой из программ, вычесть отсчеты входного файла из соответствующих отсчетов увеличенного вдвое выходного файла, сформировав таким образом разностный сигнал. Зафиксировать форму разностного сигнала. Средствами звукового редактора CoolEdit96 провести анализ статистических характеристик и спектральной плотности разностного сигнала. Результаты занести в отчет по практикуму.

6

11. Сравнить характеристики разностных сигналов, полученных с помощью разных программ, и сформулировать выводы о последствиях переполнения разрядной сетки – искажениях перегрузки и нелинейных искажениях ограничения по амплитуде.

Часть 4. Исследование эффектов ограничения разрядной сетки со стороны младших разрядов

Необходимость исследований по части 4 практикума связана с использованием в технике цифровой обработки сигналов некоторых механизмов, создающих внутренне усиление сигнала. Одним из таких механизмов является положительная обратная связь, используемая при реализации цифровых фильтров, интеграторов и других устройств.

Наличие внутреннего усиления в каком-либо функциональном блоке обработки может приводить к исследованным ранее в части 3 искажениям перегрузки, во избежание которых на вход блока вынужденно подается ослабленный сигнал. Ослабление входного сигнала при обработке приводит к снижению его защищенности от шумов квантования.

Выполнение части 4 практикума разбивается на следующие задания:

1.На языке ассемблера процессора ADSP-2181 составить программу, реализующую ослабление входного сигнала в 100 раз и последующее его усиление до исходного напряжения. Программу реализовать средствами умножителя-накопителя. Ввод входного сигнала осуществить через порт IO(0),

авывод выходного сигнала – через порт IO(1). Программу составить в двух вариантах – с использованием и без использования функции округления, заложенной в возможностях умножителя-накопителя.

2.Выполнить процедуру трансляции и линковки разработанных программ.

3.Средствами звукового редактора CoolEdit96 сформировать файл входного сигнала синусоидальной формы с частотой 1500 Гц (при частоте дискретизации 8 кГц) и амплитудой 6000 шагов квантования. Эта амплитуда в эксперименте отражает минимальной значение пикфактора речевого сигнала, равное 14 дБ, по отношению к порогу перегрузки канала. Размер разрядной сетки представления сигнала должен составить 16 дБ, объем файла должен соответствовать отрезку синусоиды продолжительностью 0,5 секунды. Сохранить сформированный файл в текстовом формате целых знаковых чисел.

4.Разработанными в соответствии с п.1 программами провести обработку сформированного файла. Зафиксировать форму выходного сигнала для обеих программ.

7

5.Средствами звукового редактора CoolEdit96 сформировать разностный сигнал (между входным и выходным сигналами).

6.Средствами звукового редактора CoolEdit96 провести анализ статистических характеристик и спектральной плотности разностных сигналов, результаты занести в отчет по практикуму.

7.Сформулировать выводы о степени проявления и средствах снижения шумов округления.

4. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

Отчет по практикуму должен содержать:

1. По части 1:

- блок-схемы алгоритмов и тексты разработанных пяти программ на языке ассемблера процессоров семейства ADSP-21ХХ.

2. По части 2:

- тексты листингов трансляции разработанных программ; - таблицы по п.10; - выводы.

3. По части 3:

- дополненные тексты пяти программ по п.4; - осциллограммы сигналов по п.п. 3, 9 и 10;

- статистические характеристики сигналов по п. 10; - спектрограммы спектральной плотности сигналов по п. 10; - выводы.

4. По части 4:

- разработанные тексты двух программ по п.1; - осциллограмму сигнала по п.3; - осциллограммы сигналов по п.п. 4 и 5;

- статистические характеристики сигналов по п.6; - спектрограммы спектральной плотности сигналов по п.6;

-выводы.

5.КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ И ТЕХНИКИ ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ

Приложения цифровой обработки сигналов можно условно разделить на две категории по отношению к размеру разрядной сетки и формату результата обработки.

8

Одна из таких категорий не накладывает строгих ограничений на размер разрядной сетки и формат результата, или, во всяком случае, допускает превышение размера разрядной сетки результата над размером разрядной сетки операндов при одинаковом формате. К таким приложениям относятся, прежде всего, измерения значений физических величин, корреляционный прием и другие. Обычно подобные приложения оперируют с информационными блоками известного объема и при этом разрядность результата, определяющая точность обработки, заранее известна. Во многих случаях для удобства обработки и представления при вычислениях и выводе результата используется формат с плавающей точкой, ограничивающий разрядную сетку по критерию заданной (постоянной) относительной погрешности.

Альтернативная категория приложений предъявляет строгие требования к размеру разрядной сетки и формату результата. К приложениям этой категории относятся все типы внутриканальной обработки сигналов систем передачи – цифровую фильтрацию, подавление эхосигналов и др. Часто обработка сигналов в таких приложениях проводится над непрерывным информационным потоком теоретически бесконечной длины – например, при реализации фильтров с бесконечной импульсной характеристикой. Поскольку результат обработки подлежит дальнейшей передаче в том же канале, по которому приняты (получены) операнды, обычно размер разрядной сетки и формат результата приводят к размеру разрядной сетки и формату операндов, искусственно его ограничивая. Выход разрядности результата за пределы принятой разрядной сетки в сторону старших разрядов чреват появлением искажений перегрузки (часто традиционно ошибочно называемых шумами перегрузки), обладающих большой мощностью, поэтому все значения результата, превышающие по модулю предельно допустимое, заменяют на предельно допустимое с соответствующим знаком. Такая операция называется ограничением по переполнению (saturation). Отброс младших разрядов, выходящих за пределы выходной разрядной сетки, приводит к некоторому повышению уровня шумов квантования; эта составляющая шума называется шумами округления. Для снижения шума обычно используется операция округления результата по значению отбрасываемых младших разрядов по общепринятым правилам.

Обработке сигналов в цифровой форме предшествует операция аналогоцифрового преобразования (АЦП). Если обработка предполагает использование стандартных арифметических, логических и алгебраических операций, но не криптографических, то аналогово-цифровое преобразование осуществляется с постоянным шагом квантования ∆ (линейное преобразование по терминологии

9