Сигнальные микропроцессоры и их применение в системах телекоммуникаций и электроники (В.С. Сперанский, 2008). Сигнальные микропроцессоры и их применение в системах телекоммун. УМссэ дгбо Jdjcov p f f f
 Скачать 14.91 Mb.
|
\ Рекомендовано УМО по образованию в области телекоммуникаций в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальностям Радиосвязь, радиовещание и телевидение Средства связи с подвижными объектами Многоканальные телекоммуникационные системы I библиотек МТУСИ Москва Горячая линия - Телеком 2008 ББК 32.84 C 7 I Сперанский В. С. С 7 1 Сигнальные микропроцессоры и их применение в системах телекоммуникаций и электроники. Учебное пособие для вузов. -М Горячая линия- Телеком, 2008. - 168 е ил. ISBN 978-5-9912-0035-6. Рассмотрены необходимые теоретические вопросы и практика использования цифровых микропроцессоров обработки сигналов. Кратко рассмотрены основные операции цифровой обработки сигналов, архитектура, классификация и характеристики современных сигнальных процессоров. Существенное внимание уделено процессорам фирмы Analog Devices, приведены алгоритмы реализации типовых устройств. Описаны процессоры фирм Motorola, Texas Instruments, векторный процессор НТЦ Модуль и микроконтроллер Мультикор (НПЦ Элвис). Отдельный раздел посвящен программируемым логическим интегральным схемами системе на кристалле. В приложениях содержатся программы реализации нере- курсивного фильтра, формирователя гармонического колебания, быстрого преобразования Фурье, а также описания отладочной платы процессора и его симулятора. Для студентов, обучающихся по специальностям Радиосвязь, радиовещание и телевидение, Средства связи с подвижными объектами, Многоканальные телекоммуникационные системы, будет полезна специалистам. ББК 32.84 Адрес издательства в Интернет WWW. TECHBOOK.RU Учебное издание Сперанский Валентин Сергеевич Сигнальные микропроцессоры и их применение в системах телекоммуникаций и электроники Учебное пособие для вузов О^юШГЩожника В. Г. Снтникова Подписано в печать 22:12.07. Формат 60*90/16. Гарнитура Times. Усл. печ. л. 9. O O Q «Научно-техническое издательство Горячая линия- Теле ком Отпечатано в ООО" Типография Полимаг" 127242. Москва, Дмитровское шоссе, 107. Заказ Сперанский В. С, 2008 © Оформление издательства Горячая линия-Телеком», 2008 Analog Devices, его структура, характеристики, применение. Далее подробно рассмотрены вычислительные блоки, формирователи адресов, устройство управления программой, периферия и система команд. Отдельная глава содержит реализации на указанном процессоре типовых устройств фильтров, формирователей гармонического колебания и вычислителя быстрого преобразования Фурье. Программы на языке Макроассемблера ADSP2181 приведены в приложениях. Столь большое внимание к процессору объясняется тем, что данный ЦСП методически один из наиболее подходящих для изучения и освоения. Кратко описано семейство процессоров с фиксированной точкой нового поколения ADSP2153* Blackfin. В следующей главе представлены высокопроизводительные процессоры с плавающей точкой типа SHARC. Отдельный раздел пособия посвящен процессорами микроконтроллерам фирмы Моих классификации, особенностями характеристикам. В частности, рассмотрим прицессор известный DSP 56300, его ядро и его система команд. Описаны структура и назначение микроконтроллеров, и применение в системах телекоммуникаций. Процессоры разных поколений фирмы Texas Instruments описаны в следующем разделе. Особое внимание уделено платформам С, Си С, применяющимся в системах телекоммуникаций. Большое внимание уделено процессорам Си С, предназначенных для подвижной связи и систем радиодоступа. Представлены высокопроизводительные процессоры платформы С с параллельными вычислениями и длинной командой. Особое место занимает мультимедиа-видео ДСП С, предназначенный для обработки изображений и трехмерной графики. Далее описаны микроконтроллеры Мультикор фирмы «Элвис» и процессор с векторным сопроцессором фирмы Модуль (Москва, разработанные российскими инженерами. Сигнальный процессор Мультикор представляет собой двухпроцессорную систему, содержащую центральный процессор и цифровой сигнальный процессор, решающую одновременно задачи управления и цифровой обработки. На процессоре фирмы Модуль реализованы ряд устройств, в частности, рассмотрена обработка в нейросети. Заключительный раздел содержит классификацию, характеристики, порядок проектирования и примеры применения программируемых логических интегральных схем (ПЛИС реализация вычислителя БПФ и нерекурсивных фильтров. Также рассмотрены основные направления развития цифровых сигнальных процессоров система на кристалле и перспективные архитектуры ЦОС, реализуемые на них. При написании пособия использован опыт преподавания данной дисциплины в МТУ СИ в течение ряда лет. Автор выражает признательность за труд по ознакомлению с рукописью и ценные замечания рецензентам проф. Шемаханову ММ, проф. Витязеву В.В., инж. Жвания А.Г., благодарит директора фирмы Кирпичникова А.П. за поддержку и помощь в организации лаборатории цифровой обработки сигналов на кафедре радиотехнических систем МТУСИ, а также доц. Косичкину Т.П. за помощь в подготовке рукописи и обсуждении материалов. Пособие может быть полезно студентам радиотехнических специальностей, радиоинженерами преподавателям. 4 • 1.1. Основные операции ЦОС Как правило, на вход устройства цифровой обработки (УЦО) поступают аналоговые сигналы, поэтому необходимо произвести аналого-цифровое преобразование (АЦП) и после обработки, если необходимо, обратное - цифро-аналоговое преобразование (ЦАП. На рис 1.1 показана обобщенная структурная схема устройства, в котором обработка сигналов производится цифровыми методами. Аналого-цифровое преобразование сигнала происходит в три этапа (рис. 1.2): временная дискретизация сигнала, квантование амплитуды и преобразование выборок в многоразрядные (в частном случае - одноразрядные) двоичные коды. Фильтр нижних частот необходим ввиду того, что реальные сигналы имеют бесконечный спектр. Во избежание наложения спектров при дискретизации входной сигнал ограничивают по полосе Сигнальные микропроцессоры у дтттт ФНЧ ИД Рис. 1.1. Структурная схема устройства с ЦОС: ИД - импульсы дискретизации АЦП - аналого-цифровой преобразователь УЦО - устройство цифровой обработки сигналов ЦАП - цифро- аналоговый преобразователь ФНЧ - фильтр нижних частот, выделяющий спектр сигнала Согласно теореме о выборках, сигнал с ограниченной полосой, не имеющий спектральных компонент с частотами выше fe, однозначно определяется отсчетами, следующими через равные промежутки времени 1 2/. л СО. (1.1) таким образом, д = 1 /Т д - частота дискретизации. Увеличение частоты дискретизации упрощает реализацию входных и выходных фильтров. Вид спектра аналогового и соответствующего ему дискретного сигналов показан на рис. 1.3,а,б. Спектр дискретного сигнала периодический, он повторяется в точках, кратных/ д Если условие (1.1) не выполняется, то спектры перекрываются и возникают искажения сигнала рисе. Полностью восстановить аналоговый сигнал можно, используя ряд В.А. Котельникова [1]. sinn 5 ( 0 = £ 5(пГ д )- tkT a Т п tkT (1.2) где Та - период дискретизации. Операция квантования заключается в замене всех возможных значений сигнала набором разрешенных значений - уровней квантования. Операция квантования, в отличие от дискретизации, приводит к появлению искажений. 6 x ( t ) ФНЧ *ОП>М Кванто- ФНЧ тизацпя вание Кодирование Цифровой код 1 ИД Рис. 1.2. Аналого-цифровое преобразование Процесс квантования можно представить как прохождение сигнала через устройство со ступенчатой амплитудной характеристикой (рис. 1.4), в результате к сигналу добавляется шум квантования. Шкалы квантования могут быть равномерные и неравномерные, отличаться по положению относительно начала координат. На рисунке Д - шаг квантования, £/ вых - выходной цифровой сигнал. Кодирование - закон, устанавливающий соответствие между номером уровня квантования и структурой кодовой группы. Наиболее простым методом кодирования является импульсно-кодовая модуляция - каждый уровень кодируется двоичным кодом (подробнее о форматах представления чисел см. разд. 1.2.) Преобразования Фурье, Лапласа, преобразование Преобразование Фурье - непрерывного сигнала а) 6) в) гл. л / -/л-Л 0 / , д Рис. 1.3. Процесс дискретизации. На левых рисунках сигналы представлены во временной области, справа - в частотной 7 SO'CD) = J x(t)e iu "dt. (1.3) Дискретное преобразование Фурье периодического сигнала N-1 = (nt)e ,2mik i N (1.4) п где па- размер выборки. Обратное ДПФ: N ^ т (1.5) Преобразование Лапласа получаем, заменив у'со на S = а + у'со а - const) X (s) — J x(t)e s 'dt, (1.6) >/Im(*) ,/Im(*) i а со О" Re(*) Re(*) плоскость плоскость Рис. 1.5. S- и плоскости где x(t) - оригинал X(s) - изображение. Для дискретных систем используется дискретное преобразование где Z - e S T , Z _1 = e ST - единичная задержка. При преобразовании Лапласа x(t) проектируется на S плоскость, а при преобразовании - на плоскость. Линейная дискретная система обладает всеми свойствами линейной системы, основные из них проиллюстрированы на рис. 1.6. Умножение отсчетов входного сигнала на константу определяет умножение выходных отсчетов на туже константу. Отклик линей) 1) Ь-(п) * Дискретная система ^ куп) к = const 2)л-,(п) + А) Дискретная система 3) х(п+р) Дискретная к ф + система Рис. 1.6. Свойства линейной системы 9 1 ь const Линейная операция X Ф) f Нелинейная операция Пример ФД x l (nT) = A(t) cos (i> 0 nT у) х 2 (пТ) = B(t)cos(O 0 nT ФД - фазовый детектор Хт(п) Xj (t)x 2 (t) = ^ A(t)B(t) + i A(t)B(t) cos 2w 0 ? Первое слагаемое является полезной составляющей, содержащей информацию, а второе, нелинейная составляющая, относится к помехами далее фильтруется (ФНЧ). Для непрерывной системы импульсная характеристика является откликом на функцию. Импульсной характеристикой линейной дискретной системы является отклик на единичный импульс (рис. 1.7). 6(0 Линейная система КпТ) 1(пТ) Дискретная h(nJ) система Рис. 1.7. Импульсная характеристика дискретной системы 10 у(п) = а + a l x(n) + a 2 x(n-l) + ... + a N _ l x(n-N-1), (1.8) где а п - коэффициенты фильтра, равные отсчетам импульсной характеристики Передаточная функция КИХ фильтра H(z) = a 0 +a l z l +a 2 z' 2 +... + a N _ 1 z N i . (1.9) Схема такого фильтра показана на рис. 1.8 Рекурсивный фильтр описывается разностным уравнением у(п) = a 0 x(n) + a 2 x(n-l) + ... + b 0 y(n - l ) + b 2 y(n - 2 ) + ..., (1.10) где Ь п - коэффициент обратной связи. Передаточная функция рекурсивного фильтра может быть представлена несколькими способами, в том числе с помощью пря- Х(п) Z" 1 Z" 1 ... Z 4 Z" 1 Z" 1 ... Z 4 и ^ и Рис. 1.8. Схема нерекурсивного фильтра 11 мого деления числителя на знаменатель [2]. Для примера, передаточная функция рекурсивного фильтра второго порядка (биквадратная секция) имеет видна Схема фильтра, реализованного поэтому уравнению показана на рис 1.9. Рис. 1.9. Схема рекурсивного фильтра второго порядка 1.2. Форматы представления данных при обработке При обработке операндов в ЦСП могут использоваться различные представления чисел беззнаковые и со знаком, целые и дробные. Также имеется два формата представления данных с фиксированной точкой и с плавающей. Формат с фиксированной точкой Для процессоров сигналов с фиксированной точкой старший разряд - знаковый. Если в старшем разряде 0, то число положительное, если 1 - отрицательное. Далее следуют разряды целой части числа и за ними после точки - дробной. 12 =-10000, 20000 + 30000 = 50000. В последнем случае появляется переполнение, процессор должен произвести операцию ограничения результата. В процессорах удобно чисто дробное представление чисел 1,15 - один разряд знаковый, затем точка и 15 разрядов мантисса (значение чисел ±1). Такое представление удобно для уменьшения вероятности переполнения при вычислениях. Смещение разрядов при вычислениях устраняется операцией сдвига. Вычисления со знаковыми операндами проводятся в виде дополнения дох (в дополнительном коде. Пример. Число 4 - 0110. Первая операция преобразования- инверсия 0110—>1001, далее добавляется 1 к младшему разряду - 1010, что и дает дополнение 2. Положительные числа в форме дополнения доне отличаются от обычного двоичного представления. Приумножении с фиксированной точкой надо учитывать, что произведение двух дробных чисел также является дробным числом, а произведение двух целых чисел - это целое число. Число разрядов после умножения удваивается. Для удаления дополнительного бита производится сдвиг влево на один разряд. При сложении дробей с фиксированной точкой операнды должны представляться водном формате, также возможно переполнение. Формат с плавающей точкой Двоичное число X в формате с плавающей точкой представляется в виде произведения двух чисел со знаком - мантиссы и экспоненты Х Мх2", где М - мантисса (дробная часть, п - порядок, 2 - основание двоичной системы. Мантисса не должна превышать 1. Экспонента определяет диапазона мантисса точность чисел. Отрицательные числа имеют ман- 13 тиссу со знаком (старший разряд. Числа представляются в нормализованном виде, например. 60 как 0,6хЮ 2 , 0,0015 - х- 2 ,. В памяти данных хранятся мантисса со знаком и порядок со знаком. При 32 разрядном процессоре число занимает 4 байта. Старший разряд определяет знак мантиссы, 23 следующих разряда занимает мантисса и 8 младших разрядов содержат знак экспоненты и показатель (7 разрядов).Числа имеют диапазон от -2x/V i : 7 доха дроби +1 |