PROCESORY SYGNAŁOWE Prowadzący: dr hab. inż. Janusz Smulko, prof. PG tel. (348) 6095 pok. 445 wykład: 30h, laboratorium: 15h

Transkrypt

1 PROCESORY SYGNAŁOWE Prowadzący: dr hab. inż. Janusz Smulko, prof. PG tel. (348) 6095 pok. 445 wykład: 30h, laboratorium: 15h konsultacje: środa Sposób zaliczenia: suma ocen za egzamin (*2/3) oraz lab. (*1/3) warunkiem zdania egzaminu jest uzyskanie min. 50% punktów egzamin termin zero dwie części, jedna w połowie semestru (???), druga na ostatnich zajęciach (???) EGZAMIN SESJA:

2 Treść wykładu: PROCESORY SYGNAŁOWE Podstawowe pojęcia cyfrowego przetwarzania sygnałów (CPS). Elementy struktury systemu CPS (filtry antyaliasingowe, przetworniki A/C i C/A, procesor sygnałowy). Porównanie technik analogowych i cyfrowych. Architektura procesorów sygnałowych (PS), ewolucja architektury PS na przykładzie wybranych producentów (Analog Devices, Texas Instruments). Sposoby reprezentacji liczb. Bloki funkcjonalne PS. Zasady przetwarzania danych dwu i wielopotokowego. Instrukcje assemblera dla wybranych PS (TMSC3206xxx, AD21xx). Techniki przygotowania i debuggowania programu sterującego PS, metody optymalizacji kodu. Zestaw DSK TMS320C6713, STM32F4 DISCOVERY. Środowisko Code Composer Studio. Algorytmy filtracji cyfrowej, zastosowanie programu Matlab. Filtry FIR i IIR. Algorytm FFT i Mallata (transformata falkowa). Wyznaczanie gęstości widmowej mocy według metody Welcha. Metody analizy czasowo-częstotliwościowej w CPS. Przykłady zastosowań PS. Kierunki rozwoju PS. 2

3 PROCESORY SYGNAŁOWE Treść laboratorium: Zapoznanie się ze środowiskiem programistycznym Code Composer Studio (CCS), przygotowanie przykładowego programu (3h). Przygotowanie programu generującego wybrany przez prowadzącego przebieg czasowy za pomocą zestawu uruchomieniowego DSK TMS320C6713 z procesorem sygnałowym (4h). Zaprojektowanie w środowisku Matlab filtru cyfrowego FIR oraz jego realizacja i badanie charakterystyki częstotliwościowej w zestawie uruchomieniowym DSK TMS320C6713 z procesorem sygnałowym (4h). Realizacja w zestawie uruchomieniowym DSK TMS320C6713 programu przetwarzania sygnału audio, z zastosowaniem algorytm FFT/kodowania sygnału (4h). Ćwiczenie dodatkowe (nieobowiązkowe) 3

4 PROCESORY SYGNAŁOWE Wyposażenie laboratorium: zestawy TMS320C6713 4

5 Zestawy uruchomieniowe TMS320C6713: Embedded JTAG support via USB High-quality 16-bit stereo codec Four 3.5 mm audio jacks for microphone, line in, speaker and line out 512K words of Flash and 8 MB SDRAM Expansion port connector for plug-in modules On-board standard IEEE JTAG interface +5V universal power supply Osiągi zestawu: PROCESORY SYGNAŁOWE częstotliwość taktowania zegara 225 MHz, do 1800 MIPS oraz 1350 MFLOPS; lepsze zestawy osiągają szybkości np MIPS 5

6 PROCESORY SYGNAŁOWE Do prac dyplomowych wykorzystujemy emulator uruchamianie systemu Przykładowy emulator dla PS firmy Texas Instruments Emulacja wymaga stosowania droższych wersji CCS 6

7 PROCESORY SYGNAŁOWE Elementy zestawu uruchomieniowego: codec, porty szeregowe, zasilanie, diody i przełączniki, rozszerzenia pamięci, wyjście na emulator 7

8 PROCESORY SYGNAŁOWE Zestawy do prac studenckich: Blackfin BF548 EZ-kit system operacyjny instalowany na HDD, złącza do obsługi strumieni video 8

9 PROCESORY SYGNAŁOWE Zestawy uruchomieniowe: STM32F4 DISCOVERY zawiera 32-bitowy ARM Cortex -M4 Dostępne moduły rozszerzające: wyświetlacz, kamera, interfejsy 9

10 PROCESORY SYGNAŁOWE Zestaw STM32F4 DISCOVERY 32-bit ARM Cortex-M4F core, 1 MB Flash, 192 KB RAM in an LQFP100 package, LIS302DL or LIS3DSH ST MEMS 3-axis accelerometer MP45DT02, ST MEMS audio sensor CS43L22, audio DAC with integrated class D speaker driver Eight LEDs: LD1 (red/green) for USB communication LD2 (red) for 3.3 V power on Four user LEDs, LD3 (orange), LD4 (green), LD5 (red) and LD6 (blue) 2 USB OTG LEDs LD7 (green) VBus and LD8 (red) over-current Two push buttons (user and reset) 10

11 PROCESORY SYGNAŁOWE Literatura: Materiały do wykładu, udostępnione przez prowadzącego Stranneby D.: Cyfrowe przetwarzanie sygnałów. BTC, Warszawa Zieliński T.P.: Cyfrowe przetwarzanie sygnałów. WKiŁ, Warszawa 2005 Smith S.W.: The Scientist and Engineer's Guide to Digital Signal Processing. California Technical Publishing, 1997 ( Blonstein S., Katorgi M.: ExpressDSP for Dummies. Wiley Publishing, Inc., New York Kester W.: Mixed-Signal and DSP Design Techniques. Newnes, New York, Analog Devices Inc., Bateman A., Paterson-Stephens I.: The DSP Handbook. Prentice Hall, Essex Strona www firmy Texas Instruments, DSP village: Strona www firmy Analog Devices analizy systemów DSP - wirtualne laboratorium DSP 11

12 Zastosowania procesorów sygnałowych Audio: AV Receivers Computing: Digital Radio, Home Audio, Flat Panel, Internet Audio Wireless, Automotive, Body Systems, Chassis Systems, Driver Information/Telematics Powertrain, Safety Systems, Security Systems, Broadband, Wireless LAN, Cable Solutions, DSL Solutions, VoIP Solutions, Control, Digital Power Supply, Embedded Sensing & Measurement, Industrial Drives, Motor Types, Ultra-low Measurement, White Goods, Medical, AED, Biophysical Monitoring, Digital Hearing Aids, Medical Imaging, Personal Medical Devices, Military, Avionics, Data Communications, Electronic Countermeasures, Imaging Systems, Munitions, Navigation, Radar/Sonar, Optical Networking, Optical Layer Applications Physical Layer Applications, Security, Biometrics, Intelligent Sensing, Telecom, HF Radios, Infrastructure Equipment, Navigation Systems, Telecom Accessories, Wired Terminals, Video and Imaging, DLP Solutions, Digital Still Cameras, Digital TV, Digital Video Recorders, IP Video Phone, Portable Media Devices, Set-Top Box, Streaming Media, Surveillance IP Cameras, Video Conferencing, Video Infrastructure, Wireless, Handsets and PDAs, Infrastructure Equipment, RF Identification, Ultra Wideband. 12

13 Struktura systemu cyfrowego przetwarzania Wejście Wyjście wykonywane operacje matematyczne: A*B+C przetwarzanie szeregowe z buforowaniem próbek proces może odbywać się równolegle dla kilku kanałów próbkowanych danych 13

14 Właściwości systemów cyfrowych programowalność stabilność parametrów powtarzalność łatwość implementacji algorytmów adaptacyjnych korekta błędów funkcje specjalne (np. filtry o liniowej charakterystyce fazowej, systemy sterowania) 14

15 Właściwości systemów cyfrowych większa odporność na szumy mniejsza liczba elementów mniejszy koszt wytworzenia mniejsza pobierana moc szybszy czas opracowania 15

16 Realizacje sprzętowe systemów cyfrowych konwencjonalny procesor, mikrokontroler procesor sygnałowy układy ASIC programowane matryce bramkowe FPGA rozwiązania segmentowe 16

17 Realizacje sprzętowe systemów cyfrowych Konwencjonalny procesor zasilany baterią o pojemności 2500 mah przy mocy 10 W będzie działał tylko ok. 20 min. koszt zakupu jest wysoki niska niezawodność i koszt systemu operacyjnego potrzeba dużej liczby układów zewnętrznych jeden układ CPU RISC (Reduced Instruction Set Computer), CISC (Complex Instruction Set Computer) 17

18 Realizacje sprzętowe systemów cyfrowych Mikrokontroler proste układy do zadań sterowania lub pomiarowych możliwości obliczeniowe są bardzo ograniczone (nieliczne mikrokontrolery posiadają układy do szybkich obliczeń) posiada CPU, RAM, ROM, Serial/Parallel Interface, Timer układy CISC 18

19 Realizacje sprzętowe systemów cyfrowych Procesor sygnałowy narzędzia do projektowania i programowania mogą być drogie posiada RAM, ROM, rozbudowane układy przerwań, Serial/Parallel Interface, Timer moduły obliczeniowe są optymalizowane do szybkich powtarzalnych obliczeń typu A*B+C architektura umożliwia wydajny przepływ danych między magistralami 19

20 Realizacje sprzętowe systemów cyfrowych Układy ASIC kosztowne i czasochłonne, dobre przy dużej liczbie aplikacji, bardzo drogie narzędzia do projektowania wykonają szybkie i złożone algorytmy Programowane matryce bramkowe FPGA szybkie i tanie programowanie, realizują tylko proste algorytmy, długo się programują co jest ograniczeniem przy masowej produkcji Rozwiązania segmentowe budowa z układów stanowiących podzespoły mikroprocesora technika kosztowna i żmudna (dobra do celów specjalnych); wzrasta jej popularność 20

21 Architektura systemu komputerowego Architektura według von Neumanna Procesor Pamięć Architektura typu Harward i jej odmiany Pamięć danych Procesor Pamięć programu We/Wy 21

22 Ograniczenia zastosowania procesorów sygnałowych Główne ograniczenie w przetwarzaniu sygnałów analogowych to szybkość ich próbkowania Typowe aplikacje audio wymagają próbkowania poniżej 50kHz Aplikacje video wymagają próbkowania ok. kilku MHz Aplikacja nie może być zbyt złożona, musi się wykonywać w czasie rzeczywistym System operacyjny DSP jest zwykle ubogi 22