- •3) Частотно-временной анализ
- •4) Нелинейная обработка
- •5) Адаптивная фильтрация
- •6) Многоскоростная обработка
- •1.3. Реализация алгоритмов цос
- •1.4. Особенности цос
- •17. Особенности архитектуры цпос. Основные свойства цпос (л3: р.2.1, 2.2)
- •2. Особенности архитектуры цпос
- •2.1. Основные свойства цпос
- •2.2. Архитектура цпос
- •18. Цпос с фиксированной и плавающей точкой. Основные типы цпос (л3: р.2.3, 2.4)
- •2.3. Цпос с фиксированной и плавающей точкой
- •2.4. Основные типы цпос
- •1) Стандартные цпос (Conventional dsp).
- •2) Улучшенные стандартные цпос (Enhanced-Conventional dsp).
- •3) Процессоры с архитектурой vliw
- •4) Суперскалярные процессоры
- •5) Гибридные процессоры
- •19. Микропроцессоры семейства adsp21xx (л3: р.3.1)
- •3.1. Микропроцессоры семейства adsp21xx
16. Основные направления ЦОС. Особенности реализации алгоритмов ЦОС (Л3: р.1.2, 1.3, 1.4).
1.2. Основные направления ЦОС
ЦОС позволяет решать множество различных задач, причем каждая из них
может быть решена путем использования различных методов и алгоритмов.
Сейчас выделяют следующие шесть основных направлений ЦОС:
1) Линейная фильтрация.
К направлению линейной фильтрации относятся задачи частотной селек-
ции сигнала, частотного разделения каналов, синтеза цифровых КИХ - и БИХ -
фильтров и дифференциаторов, преобразования Гильберта и др.
2) Спектральный анализ
Спектральный анализ – это совокупность различных методов (в данном
случае методов ЦОС) для оценки спектра исследуемого сигнала.
Он применяется для решения таких задач, как, например, обработка звуко-
вых, сейсмических, радиолокационных и гидроакустических сигналов, сжатие
изображений, подавление помех.
При этом в основном используются различные алгоритмы дискретного
(ДПФ) и быстрого (БПФ) преобразования Фурье, дискретного косинусного
преобразования (ДКП) и дискретного преобразования Хартли (ДПХ).
Не вдаваясь подробно в эти алгоритмы, следует отметить, что для решения
задач спектрального анализа необходимы ЦПОС, способные с очень высокой
скоростью обрабатывать значительные числовые массивы и быстро произво-
дить вычисления.
3) Частотно-временной анализ
Задачами частотно-временного анализа являются сжатие изображений,
обнаружение, локация и другие. Эти задачи требуют быстрых и объемных вы-
числений.
4) Нелинейная обработка
Типичные примеры нелинейной обработки – это вычисление квадратного
корня, тригонометрических функций и полиномов, медианная фильтрация, век-
торное квантования. Задачи нелинейной обработки, как и задачи спектрального
анализа, связаны с довольно сложной обработкой больших числовых массивов.
5) Адаптивная фильтрация
Главная задача адаптивной фильтрации – это повышение качества приема
сигналов и их обработки.
Для этого применяется так называемый адаптивный фильтр (АФ). В отли-
чие от обычного цифрового фильтра коэффициенты АФ не постоянны во вре-
мени, а изменяются в соответствии с определенным алгоритмом, ставящим
АЧХ и ФЧХ этого фильтра в зависимость от спектров входных сигналов.
Адаптивная фильтрация может использоваться, для коррекции искажений
принимаемых сигналов, для подавления помех. Отдельная ее разновидность –
так называемое линейное предсказание (ЛП) – широко используется при по-
строении вокодеров, обработке изображений. Алгоритмы адаптивной фильт-
рации очень сложные, поэтому к ЦПОС, которые применяются для решения
задачи адаптивной фильтрации, предъявляются высокие требования.
6) Многоскоростная обработка
Многоскоростная обработка – это специфическое направление, связанное с
повышением и понижением частоты дискретизации в многоскоростных теле- и
аудиосистемах.
1.3. Реализация алгоритмов цос
Любой алгоритм, начиная от самого простого и кончая самым сложным,
может быть построен и выполнен с помощью определенного числа простейших математических и логических операций, операций сдвига и пересылки.
При этом количество шагов, требуемое для вычисления одного отсчета
выходной последовательности y(n) , конечно. Но такой алгоритм может ока-
заться непригодным для решения практических задач, и вот почему.
Время выполнения алгоритма τA – время вычисления одного отсчета вы-
ходной последовательности – есть время выполнения одной элементарной ко-
манды (командный цикл) τк , помноженное на количество командных циклов NA:
τA =τK * NA .
Если алгоритм сложный и количество командных циклов составляет сотни
или даже тысячи единиц, время выполнения такого алгоритма достаточно ве-
лико и может превысить период дискретизации входного аналогового сигнала.
Это недопустимо, так как практически все ЦПОС должны работать в ре-
альном времени, то есть время вычисления одного отсчета не должно превы-
шать периода дискретизации. Другими словами, отсчет y(i) выходной последо-
вательности должен сформироваться на выходе вычислителя раньше, чем на
его вход поступит отсчет x(i +1) исходной последовательности.
Поэтому тактовая частота fтакт = 1/τтакт должна превышать частоту дис-
кретизации, как минимум, на два-три порядка.
Надо заметить, что время выполнения алгоритма зависит не только от его
структуры и сложности, но и от способа его реализации. На рисунке 2 пред-
ставлена классификация способов реализации алгоритмов ЦОС.
Существуют три способа реализации алгоритмов ЦОС:
1) Аппаратный способ реализации заключается в использовании разно-
образных функциональных блоков.
Это могут быть сумматоры, умножители, счетчики, регистры, ИС, БИС,
ПЛМ и прочие цифровые устройства. Совокупность таких блоков и взаимосвя-
зей между ними и определяет реализуемый алгоритм.
Главным и, пожалуй, единственным достоинством такого способа реали-
зации является очень высокое быстродействие. Достаточно сказать, что частота
дискретизации обрабатываемых сигналов может составлять десятки мегагерц.
Такой результат достигается весьма узкой специализацией блоков, распаралле-
ливанием операций, применением устройств на основе ТТЛ.
Но при таком способе реализации для внесения каких-либо изменений в
алгоритм необходимо менять структуру всего устройства, что крайне неудобно,
дорого, занимает много времени, а иногда просто невозможно.
К другим недостаткам можно отнести большое энергопотребление и, как
следствие, необходимость организации хорошего теплоотвода, высокую стои-
мость и трудоемкость проектирования, изготовления и отладки.
Тем не менее, аппаратная реализация незаменима при решении узкоспе-
циализированных задач, где особенно необходимо высокое быстродействие.
2) Программная реализация алгоритма ЦОС – это его представление в
виде программы, которая последовательно выполняется одним или нескольки-
ми блоками. Программа, естественно, должна быть написана на языке про-
граммирования, соответствующем блоку, в котором она должна выполняться.
Для ПК это может быть любой язык высокого уровня, для МПК или циф-
рового процессора – ассемблеры.
К достоинствам программной реализации относятся независящая от алго-
ритма постоянная структура всего устройства, гибкость, относительная просто-
та и дешевизна проектирования, изготовления и отладки системы.
Недостатком такого способа реализации алгоритма является невысокое
быстродействие.
3) Аппаратно-программная реализация – своеобразный гибрид аппарат-
ной и программной реализаций – подразумевает, что часть алгоритма выполня-
ется аппаратными средствами, а часть – программными. При их разумном соче-
тании аппаратно-программная реализация сочетает положительные свойства
аппаратной и программной.