Budowa i pomiary układów DSP działających na procesorze sygnałowym ADSP 2181

Katedra Telekomunikacji Morskiej

Założenia

Budowa i pomiary układów DSP działających na procesorze sygnałowym ADSP 2181 wykonywane są w celach dydaktycznych

Celem wykonywanych pomiarów jest przedstawienie zjawisk i urządzeń omawianych na wykładach i w podręcznikach

Wykonywanie pomiarów powinno być proste i nie zajmować dużo czasu tak, aby studenci skupiali się na działaniu badanych urządzeń DSP, a nie na obsłudze przyrządów pomiarowych

Wyniki pomiarów powinny być prezentowane w formie graficznej i być łatwe do zapisania w formie elektronicznej

Budowa rzeczywistych urządzeń i wykonywanie ich pomiarów, nawet ułomnymi przyrządami, jest lepsze od samej tylko symulacji urządzeń

Procesor ADSP 2181

16 bitowy stałoprzecinkowy Częstotliwość pracy 33MHz Oddzielna pamięć programu (24 bitowa) i

oddzielna pamięć danych (16 bitowa)

ADSP-2181 EZ-KIT Lite

Dwukanałowe wejście analogowe (stereo) Dwukanałowe wyjście analogowe (stereo) Maksymalna częstotliwość próbkowania

48KHz Możliwość programowania przez łącze

RS-232 z komputera PC za pomocą środowiska programistycznego VisualDSP++

ADSP-2181 EZ-KIT Lite

Rozkład elementów na płytce ADSP-2181 EZ-KIT Lite

Środowisko programistyczne VisualDSP++

Edycja kodu Debugowanie

Wykonywanie programu krok po kroku Możliwość sprawdzenia stanu rejestrów Możliwość zaglądania do pamięci z

możliwością analizy Fouriera zawartości

Układy DSP realizowane w ramach laboratorium (projektu)

Generatory przebiegów okresowych sinusoida, prostokąt i trójkąt

Modulatory i mieszacze – mnożenie sygnałów Filtry FIR Filtry adaptacyjne – filtr predykcyjny

Potrzebne przyrządy pomiarowe

Oscyloskop Analizator widma Zestaw do pomiary charakterystyk

amplitudowych filtrów wobuloskop generator i woltomierz

Zestaw do pomiary filtrów adaptacyjnych Odpowiedni zestaw kabli

Karta dźwiękowa komputera PC

Typowa maksymalna częstotliwość próbkowania Wejście karty 96kHz Wyjście karty 48kHz

Wejście i wyjście stereo – 2 kanałowe Gniazda stereo takie same jak w EZ-KIT

Oscyloskop z analizatorem widma

Pobiera z wejścia karty dźwiękowej 2048 próbek sygnału

Praca dwukanałowa Możliwość obliczenia widma amplitudowego

pobranego sygnału – stosuje się FFT, w celu zmniejszenia przecieków widma zastosowano okno Humminga

Możliwość zapisu wyników pomiarów w formie pliku graficznego

Okno programu Oscyloskop

Oscylogram przedbiegu sinusoidalnego wygenerowanego przez urządzenie EZ-KIT

Obliczone widmo amplitudowe przebiegu sinusoidalnego

2sf

Wynik rekonstrukcji sygnału sinusoidalnego o częstotliwości 3840Hz

próbkowanego z częstotliwością 8kHz

Widmo amplitudowe zrekonstruowanego sygnału sinusoidalnego o częstotliwości 3840Hz próbkowanego z częstotliwością 8kHz

2sf

Wynik rekonstrukcji sygnału prostokątnego o częstotliwości 1280Hz próbkowanego bez filtru antyaliazingowego z częstotliwością 32kHz

Widmo amplitudowe zekonstruowanego sygnału prostokątnegoo częstotliwości 1280Hz próbkowanego bez filtru antyaliasingowego z częstotliwością 32kHz

2sf

1

3

5

7

9 11

1313’15’17’19’21’23’

Schemat układu do pomiaru charakterystyk częstotliwościowych

Komputer PC

Program do pomiaru

charakterystyk

Karta dźwiękowa EZ-KIT 2181

AC

H(z)

CA

CA

AC

x(t)

y(t)

x(n)

y(n)

fskfsn

x’(k)

y’(k)

Pomiar odpowiedzi impulsowej

Założena: RzeczywistośćKarta dźwiękowa i zestaw EZ-KIT są dwoma różnymi urządzeniami cyfrowymi taktowanymi różnymi niezsynchronizowanymi zegarami, a

oba urządzenia są połączone przez złącze analogowe.

)()()()( nhnynnx

))((DTFT)( nheH j

))((DFT)( nhkH )()(')()( nxkxnnx

Sygnały impulsowe są źle przenoszone przez połączenie analogowe układów cyfrowych, znacznie lepiej przenoszone są sygnały sinusoidalne

Pomiar odpowiedzi na wymuszenie sinusoidalne

)(

)()(

X

YH

i

ii X

YH )(

Przy odpowiednim doborze zbioru częstotliwości Ωi wartości amplitud Yi

można obliczać dokonując szybkiej transformacji Fouriera ciągu y(n) .

)sin()()sin()( nYnynXnx

m

iyiii

m

ixiii nYnynXnx

11

)sin()()sin()(

Liczenie charakterystyki punkt po punkcie jest czasochłonne i kłopotliwe, dlatego wygodniej jest policzyć wszystkie punkty w jednym kroku

Przyjęte założenia

Jeśli sygnał x(n) jest sygnałem okresowym o okresie N, to pobierając N kolejnych próbek odpowiedzi y(n) otrzymuje się okres tego sygnału.

Przyjęto N=2048, fs=48000Hz, f1=23,44Hz, f938=21987Hz Fazy φxi dobrano losowo, w taki sposób, aby dla równych Xi

uzyskać najmniejszą maksymalną wartość bezwzględną sygnału x(n) – dla Xi=1 uzyskano maksimum równe 64

Przed pomiarem filtru cyfrowego należy dokonać pomiaru zwartej karty dźwiękowej pomiar pozwala obliczyć rzeczywiste amplitudy składowych

sygnału wymuszającego Xi oraz pozwala wyeliminować wpływ filtrów analogowych karty

dźwiękowej na wyniki pomiarów filtrów cyfrowych

938 ..., 3, 2, 1, , ifN

if si

Wymuszenie szerokopasmowe

Widmo amplitudowe odpowiedzi zwartej karty dźwiękowej na pobudzenie szerokopasmowe

Widmo amplitudowe odpowiedzi zwartej karty dźwiękowej na pobudzenie szerokopasmowe

Wynik pomiaru charakterystyki amplitudowej zwartej karty dźwiękowej

Wynik pomiaru charakterystyki amplitudowej zwartej karty dźwiękowej

Przykład pomiaru charakterystyki amplitudowej filtru FIR

Przykład pomiaru charakterystyki amplitudowej filtru FIR

Przykład pomiaru charakterystyki amplitudowej filtru FIR

Przykład pomiaru charakterystyki amplitudowej filtru FIR

Filtr adaptacyjny – predykcja liniowa

Sygnał wejściowy x(n) ma postać: )()()( nznsnx

gdzie: s(n) jest sygnałem sinusoidalnym lub sumą sygnałów sinusoidalnych,z(n) jest szumem nieskorelowanym z sygnałem s(n) ani z samym sobą.

Z-1 +x(n)

y(n)

e(n)

+

_Filtr adaptacyjny stopnia M

(predyktor)

Sygnał wyjściowy y(n) jest prognozą części zdeterminowanej sygnału x(n), czyli:

)(ˆ)( nsny

Rys. Struktura blokowa jednokrokowego predyktora liniowego

Jednokrokowy liniowy filtr predykcyjny

_

Z-1 Z-1

+

h1(n) h2(n)

Z-1

+

Z-1

+

hM-1(n) hM(n)

x(n) x(n-1) x(n-2) x(n-M-1) x(n-M)

+

+

d(n)=x(n)

e(n)algorytm LMS )()()()1( inxnenhnh ii

)(ˆ)( ndny

Okno programu do badania filtrów adaptacyjnych

Pomiar jednokrokowego predyktora liniowegosygnał wejściowy x(n) – zielony, sygnał wyjściowy y(n) – czerwony

Pomiar jednokrokowego predyktora liniowegowidmo amplitudowe sygnału wej. x(n) – zielone,widmo amplitudowe sygnału wyj. y(n) – czerwone

Pomiar jednokrokowego predyktora liniowegosygnał wejściowy x(n) – zielony, sygnał wyjściowy y(n) – czerwony

Pomiar jednokrokowego predyktora liniowegowidmo amplitudowe sygnału wej. x(n) – zielone,widmo amplitudowe sygnału wyj. y(n) – czerwone

Pomiar charakterystyki amplitudowej liniowego filtru predykcyjnego

kanał 1

Filtr FIRkanał 2

kanał 1Filtr predykcyjny

kanał 2

Kanał 1 – x1(n)=s(n)+z(n) – sygnał sinusoidalny plus szum

Kanał 2 – x2(n) – sygnał szerokopasmowy jak przy pomiarze charakterystykamplitudowych filtrów, zasada pomiaru taka jak poprzednio

Przykładowy pomiar charakterystyki amplitudowej liniowego filtru predykcyjnego

Przykładowy pomiar charakterystyki amplitudowej liniowego filtru predykcyjnego

Przykładowy pomiar charakterystyki amplitudowej liniowego filtru predykcyjnego

Wnioski

Wirtualne przyrządy wykorzystujące kartę dźwiękową komputera PC nadają się do wykorzystania w laboratorium do celów dydaktycznych

Zastosowanie tych przyrządów pozwala na zbadanie istotnych, ze względów dydaktycznych, właściwości realizowanych układów DSP