diplomski rad iz pdsp

MMMiii llloooššš LLLaaadddiiičččooorrrbbbiiiććć ::: PPPrrraaakkkttt iiičččnnnaaa rrreeeaaalll iiizzzaaaccciii jjjaaa dddiiigggiii tttaaalllnnnoooggg aaauuudddiiiooo---kkkaaannnaaalllaaa pppooommmoooćććuuu DDDSSSPPP

VISOKA ŠKOLA ELEKTROTEHNIKE I RAČUNARSTVA STRUKOVNIH STUDIJA

VISOKA ŠKOLA ELEKTROTEHNIKE I RAČUNARSTVA STRUKOVNIH STUDIJA

Ladičorbić Miloš Ladičorbić Miloš PRAKTIČNA REALIZACIJA DIGITALNOG AUDIO-KANALA PRAKTIČNA REALIZACIJA DIGITALNOG AUDIO-KANALA

POMOĆU DSP POMOĆU DSP

– specijalistički rad – – specijalistički rad –

Beograd, 2012

1


Kandidat: Ladičorbić Miloš Kandidat: Ladičorbić Miloš Broj indeksa: S/NRT-5/10 Broj indeksa: S/NRT-5/10 Smer: SS Nove računarske tehnologije Smer: SS Nove računarske tehnologije Predmet: PRIMENA DIGITALNIH SIGNAL-PROCESORA Predmet: PRIMENA DIGITALNIH SIGNAL-PROCESORA Tema: PRAKTIČNA REALIZACIJA DIGITALNOG AUDIO-

KANALA POMOĆU DSP Tema: PRAKTIČNA REALIZACIJA DIGITALNOG AUDIO-

KANALA POMOĆU DSP Osnovni zadaci: Osnovni zadaci:

1. Opis primenjenog DSP i korišćenih periferija 1. Opis primenjenog DSP i korišćenih periferija 2. Razvoj ulaznog i izlaznog audio-stepena 2. Razvoj ulaznog i izlaznog audio-stepena 3. Praktična realizacija kompletnog audio-kanala sa 3. Praktična realizacija kompletnog audio-kanala sa filtriranjem i čuvanjem signala filtriranjem i čuvanjem signala

Hardver: 40% Softver: 50% Teorija: 10% Hardver: 40% Softver: 50% Teorija: 10% Beograd, Mentor: Beograd, Mentor: 05.03.2012. _____05.03.2012. _____ dr Milan Mijalković, prof. VETŠ

2


IZVOD U diplomskom radu opisan je uređaj za digitalizaciju audio signala. Uređaj radi na bazi „Texas Instruments“ DSP (digitalni signal procesor) „TMS320F28027“ i vrši digitalizaciju i snimanje audio signala. Opisan je način rada realizovanog uređaja, izvršeno sastavljanje i prikazani su eksperimentalni rezultati dobijeni njegovim ispitivanjem u laboratoriji za signal procesore Visoke škole elektrotehnike i računarstva strukovnih studija u Beogradu.

ABSTRACT

This thesis describes a device for audio signal digitalization. It is based on „Texas Instruments“ digital signal-processor TMS320F28027, and, besides the digitalization, it performs an audio signal recording as well. The working principals of the device are described. The device is assembled and implemented at the School of Electrical and Computer Engineering laboratory. The experimental results, obtained there, are shown and discussed.

3


SADRŽAJ

1. UVOD ........................................................................................................ 05

2. DSP – DIGITALNI SIGNAL-PROCESOR ................................................. 07 2.1. ARHITEKTURE MIKROPROCESORA .............................................. 08 2.2. ISTORIJAT I PRIMENE DSP ............................................................. 11 2.3. TIPOVI DSP ....................................................................................... 15 2.4. DSP – TMS320F28027 ....................................................................... 17 2.5. RAZVOJNO OKTUŽENJE .................................................................. 19 2.6. SOFTVERSKO OKRUŽENJE ............................................................. 22

3. A/D-D/A KONVERZIJA .............................................................................. 26 3.1. VRSTE SIGNALA ................................................................................ 26 3.2. ANALOGNO DIGITALNI KONVERTOR .............................................. 30 3.3. IZBOR UČESTANOSTI UZORKOVANJA ........................................... 38 3.4. ANTI-ALIAS FILTRI ............................................................................. 40

3.4.1. Analogni filtri ................................................................................ 40 3.4.2. Digitalni filtri ................................................................................. 42

3.5. DIGITALNO ANALOGNA KONVERZIJA ............................................. 45 3.6. PWM MODULACIJA ............................................................................ 47

4. ČUVANJE PODATAKA U DIGITALNOM OBLIKU ................................... 50 4.1. SPI – „Serial Peripheral Interphace“ .................................................... 50 4.2. „microSD“ MEMORIJSKA KARTICA ................................................... 53 4.3. FAT FILE SYSTEM .............................................................................. 55

4.3.1. „WAV“ audio format ..................................................................... 57

5. LCD DISPLAY ............................................................................................ 60

6. TASTATURA – KEYPAD ........................................................................... 62

7. OPIS RADA I ORGANIZACIJA PROGRAMA ............................................ 65

8. ZAKLJUČAK ............................................................................................... 67

9. INDEKS POJMOVA .................................................................................... 68

10. LITERATURA ........................................................................................ 69

11. DODATAK ............................................................................................. 70

4


1. UVOD Uglavnom, signali u prirodi su kontinualni (analogni) u vremenskom domenu. Analogni signali imaju beskonačan broj nivoa u nekom skupu mogućih vrednosti i definisani su u svakom vremenskom trenutku. Većina pojava u prirodi je kontinualna i reprezentovana analognim signalom. Zvučni pritisak koji se u mikrofonu pretvara u električni signal je takođe analogna veličina, slika 1.1. Ako je mikrofon spojen na zvučnu karticu računara ili neki drugi uređaj za digitalizaciju, tada se taj signal pretvara u digitalni oblik i može se dalje obrađivati.

Slika 1.1 . Pretvaranje zvuka u električni signal

Diskretna informacija je određena konačnim brojem nivoa i u tačno definisanim vremenskim trenucima. Postupak pridruživanja digitalnih vrednosti diskretnoj informaciji naziva se digitalno analogna konverzija ili digitalno kodiranje. Digitalni oblik informacije može biti njen izvorni oblik ili može nastati diskretizacijom kontinualne informacije. U digitalnoj obradi signala se upotrebljava binarni oblik digitalne informacije. Ona je predstavljena sekvencom koja se sastoji od dva simbola označenih sa ''0'' ili ''1''. Digitalni signali su u odnosu na analogne manje osetljivi na šum (mogu im se dodati zaštitni kodovi), lakše se mogu smeštati u memoriju te su pogodniji za digitalnu obradu signala (DSP, eng. Digital Signal Processing) . Pod obradom signala podrazumeva se skup operacija koje se izvršavaju nad signalom. Jedna od najvažnijih operacija u obradi signala je linearno filtriranje signala, kako zbog toga što nalazi veliku primenu u algoritmima za obradu signala, tako i zbog toga što ima relativno jednostavnu matematičku osnovu, pogodnu za implementaciju. Filtriranje se koristi u obradi audio i video signala, za razdvajanje signala sa različitim učestanostima, kombinovanje više signala u jedan signal, za otklanjanje šuma iz signala, izdvajanje signala u određenom frekventnom opsegu, predviđanje promena signala, podešavanje opsega kanala, otklanjanje eha, itd. Svi uređaji za snimanje i reprodukciju zvuka i slike, bez izuzetka, sadrže filtre.

5


Osnovni zadatak koji je postavljen na početku rada je razvijanje jednog kompletnog ulazno-izlaznog audio stepena. Da se praktično realizuje kompletan audio-kanal sa analognim i digitalnim filtrima i da se obezbedi čuvanje podataka. Diplomski rad se sastoji iz nekoliko faza. Najpre je opisan primenjeni digitalni signal procesor (DSP) i njegove periferije korišćene u ovom radu. Zatim razvoj ulazno-izlaznog stepena i na kraju praktična realizacija kompletnog audio kanala sa filtriranjem i čuvanjem podataka. Zadatak uređaja je da ima mogućnost obrade i snimanja audio signala u realnom vremenu. Snimanje na memorijsku karticu je potrebno realizovati u FAT fajl sistemu (FAT – File Allocation Table). Treba podržati neki od standardnih formata za audio zapis i obezbediti kompatibilnost između uređaja za snimanje audio-signala i PC računara. Digitalni signal procesor koji je izabran za praktičnu realizaciju diplomskog rada sasvim zadovoljava hardverske uslove postavljene na početku razvoja ulazno-izlaznog stepena audio-kanala. Zamišljeno je da uređaj ima više različitih audio ulaza sa različitim analognim filtrima kao i mogućnost da se ulazni signal naknadno obrađuje pomoću digitalnog signal procesora. Audio signal će nakon digitalizacije moći direktno da se prosleđuje na jedan od izlaza (PWM, DAC) ili da se skladišti na „flash“ microSD memorijsku karticu. Pored ovih osnovnih osobina, uređaj će imati ulazno izlazne stepene kao što su tastatura i displej. U uvodnom tekstu su predstavljeni neki od osnovnih zadataka, a u daljem opisu je detaljno, teorijski i praktično predstavljen jedan uređaj za digitalizaciju audio signala.

6


2. DSP – digitalni signal procesor

Digitalna obrada signala se bavi obradom (processing) signala govora (voice), audio signala, video signala i multimedija (integracija više različitih signala). Da bi se maksimalno optimizovao postupak i da bi se zadatak obavio najbrže i najjeftinije, koriste se digitalni signal procesori. Digitalni signal procesori (DSP) su suština svake obrade signala.

Digitalni signal procesor (DSP) je vrsta mikroprocesora, jako su brzi i mogu da obrade signale u realnom vremenu. Zato se koriste za aplikacije kod kojih ne sme da bude kašnjenja.

Postoje neke alternative DSP-a: FPGA

Field-Programmable Gate Arrays se mogu rekonfigurisati u sistemu, što je jako važno u fazi razvoja nekog softvera. S obzirom da se pravi namenski hadver, poseduje veće mogućnosti za specifičnu primenu.

FPGA su značajno skuplji i često imaju veću disipaciju snage nego odgovarajući DSP.

Čak i kada se FPGA koristi u nekim primenama, kao što je wireless tehnologija, DSP se takođe koristi zajedno sa FPGA da bi obezbedio veću fleksibilnost, bolji odnos cena-performanse i manju snagu.

ASIC Integrisana kola koja su specifična za određenu aplikaciju mogu se koristiti

za neke specifične funkcije i mogu biti jako moćna. Međutim, ASIC kola ne menjaju svoju funkcionalnost iterativno u razvoju

proizvoda. Svaka nova verzija proizvoda zahteva ponovno projektovanje. Programabilni DSP, sa druge strane, menja svoju funkciju promenom

softvera. Obično se ASIC koristi u aplikacijama za realnu obradu signala ili za

ubrzavanje sistema koji je baziran na DSP-u. GPP

General-purpose microprocessor (GPP) je prilagođen izvođenju više različitih zadataka, ali je inferioran u pogledu brzine u odnosu na DSP.

7


2.1 Arhitekture mikroprocesora GPP – poseduje zajedničku memoriju za program i podatke „Von Neuman archictecture “

Slika 2.1. Prikaz „Von Neuman“ arhitekture

Razlikujemo dva tipa memomorijske organizacije kod mikroprocesora, „Von Neuman“ arhitektura i „Harvard“ arhitektura. Odvajanje skladištenja od procesorske jedinice je u Fon Nojmanovoj arhitekturi implicitno. Kod „Von Neuman“ arhitekture samo jedna magistala služi za prenos podataka i instrukcija, dakle imamo samo jednu memoriju koju dele instrukcije i podaci. Najranije računske mašine su imale fiksne programe. Neki veoma jednostavni računari i danas koriste ovakav dizajn, bilo zbog jednostavnosti, bilo u svrhu obuke. Na primer, stoni kalkulator je (u principu) računar sa fiksnim programom. On može da izvršava proste matematičke funkcije, ali ne može da se koristi za obradu teksta, ili neku drugu funkciju. Kako bi se promenio program ovakve mašine, neophodno je prespajanje žica, restruktuiranje, ili čak redizajniranje mašine. Najraniji računari su u stvari više bili "dizajnirani" nego što su bili "programirani". Ako je "re-programiranje" i bilo moguće, ono je predstavljalo fizički posao sa prethodnim planiranjem i pravljenjem nacrta. Koncept računara sa uskladištenim programom je promenio ovu praksu. Stvaranjem seta instrukcija, i odnosom prema izračunavanjima kao prema serijama instrukcija (računarski program), računar postaje fleksibilniji. Tretiranjem ovih instrukcija na isti način kao i ostalih podataka, računar lako može da menja program koji izvršava. Izrazi "Fon Nojmanova arhitektura" i "računar sa uskladištenim programom" se često koriste sinonimno. Međutim, Hardvardska arhitektura predstavlja takođe koncept dizajna, kod koga se program skladišti na način koji ga čini lako izmenjivim, ali se ne koristi ista memorija kao i za ostale podatke.

8


DSP TMS320F28027– poseduje zasebnu memoriju za program i podatke „Harvard archictecture“

Slika 2.2. Prikaz „Harvard“ arhitekture

– DSP čip je mikroprocesor specijalno dizajniran za brze aplikacije – „Harvard “ arhitektura ima dve magistrale, jedna služi za prenos podataka

„data“, a druga za prenos instrukcija „instructions“. Dakle, ovde postoji posebna memorija za podatake i instrukcije.

– „Harvard“ arhitektura omogućava istovremeno čitanje memorije podataka „data memory“ i memorije programa „program memory“.

– Jedna od najbitnijih osobina koja karakteriše jedan DSP (digitalni signal procesor) je „MAC“. Arhitektura optimizovana da obezbedi brzu obradu diskretnih vremenskih signala, kao što je „Multiply and Accumulate“ (MAC) u samo jednom ciklusu.

Harvardska arhitektura (za razliku od Fon Nojmanove) podrazumeva postojanje dva zasebna memorijska prostora. Memoriju za smeštanje podataka, tj. memoriju podataka i memoriju za smeštanje programa, tj. programsku memoriju. Obe memorije poseduju zasebne magistrale tj. razlikujemo magistralu podataka i programsku magistralu. Preko programske magistrale instrukcije programa dospevaju do upravljačke jedinice gde se dekodiraju. Na osnovu dekodirane instrukcije (adrese operanda), preko magistrale podataka, doprema se zahtevani operand. Razdvajanje memorije na dva zasebna memorijska prostora je učinjeno radi povećanja brzine obrade podataka, jer se mogu istovremeno dopremati instrukcije i operandi. Ova arhitektura se najčešće sreće u DSP-ovima (digitalni signal procesor) od kojih se zahteva brza obrada podataka i rad u realnom vremenu.

9


Pored Hardvardske arhitekture razvijena je i Poboljšana Harvard arhitektura kod koje je memorija podataka podeljena na A i B deo koji takođe poseduju zasebne magistrale kako bi se u jednom taktu mogla dopremiti dva operanda procesoru. 2.2 Istorijat i primene DSP Digitalni signal procesori su ključne komponente kod velikog broja komercijalnih, komunikacionih, medicinskih, industrijskih i vojnih uredjaja. Specijalizovani hardver i skup instrukcija čini ih efikasnim kod izvršenja matematičkih izračunavanja koja se koriste kod procesiranja digitalnih signala. Na primer, pošto se kod digitalnog signal procesiranja koriste repetitivna množenja, DSP (digitalni signal procesori) imaju ugradjene brže hardveske množače, eksplicitne instrukcije za množenje, i veći broj magistrala koje se koriste za istovremeno izbavljanje iz memorije većeg broja podataka.

Digitalna obrada signala - Digital Signal Processing se razlikuje od drugih oblasti kompjuterskih nauka jer radi sa signalima.

Radi se o signalima iz realnog života: seizmičke vibracije, slika, zvuk itd. DSP obuhvata matematiku, algoritme i tehnologiju koji se koriste za

manipulaciju nad realnim signalima posle njihove digitalizacije. Cilj obrade je:

- poboljšati kvalitet zvuka i slike, - kompresija podataka za skladištenje, prenos itd.

Počeci DSP-a su bili 60-tih i 70-tih kada su se pojavili digitalni kompjuteri, posebno, od 80-tih pojavom PC-a.

– Dva važna čovekova čula su: vid i sluh. – Srazmerno tome, dosta primene digitalne obrade srećemo kod obrade slike i zvuka.

Audio obrada – Audio Processing

Primene DSP u obradi govora: Kompresija govora Prepoznavanje govora, identifikacija, verifikacija Poništenje eha (Echo cancellation)

Primene DSP u obradi zvuka: Kompresija 3-D reprodukcija

- Put od mikrofona do zvučnika je relativno dug. Digitalni podaci se koriste da bi se sprečila degradacija pri analognom skladištenju i manipulaciji podacima. To je uočljivo ako se uporedi kvalitet snimka sa kasete u odnosu na onaj sa CD-a.

10


- Najčešće se muzika snima u više kanala. - Najčešće se muzika snima u više kanala. - Nad signalom se mogu sprovoditi razne obrade, kao na primer filtriranje. Mogu mu se dodavati razni efekti, kao što je veštački eho i reverberacija, gde se u zavisnosti od primenjenih kašnjenja, dobijaju impresije različitih prostora.

- Nad signalom se mogu sprovoditi razne obrade, kao na primer filtriranje. Mogu mu se dodavati razni efekti, kao što je veštački eho i reverberacija, gde se u zavisnosti od primenjenih kašnjenja, dobijaju impresije različitih prostora. Primer obrade signala: Primer obrade signala:

Slika 2.7. Tipičan primer obrade audio signala

Korak 1: Analogni senzor prikuplja analogne signale (na primer mikrofon prikuplja signale govora) Korak 2: Analogno digitalni konvertor konvertuje sidnal iz analognog u digitalni oblik Korak 3: DSP obrađuje digitalni signal (na primer kompresuje signal ili vrši poništenje šuma) Korak 4: Digitalno analogni konvertor vraća signal u analogni domen

- DSP obrađuje digitalni signal i poboljšava neku od njegovih performansi. Cilj može biti: čistiji zvuk, oštrija slika ili brži podaci.

- DSP se koristi u komunikacijama, bežičnim (wireless) aplikacijama, obradi slike, reprodukciji audio signala, itd.

11


Obrada slike – Image Processing Slike su signali koji imaju specifične karakteristike: - Njih karakteriše da su to signali koji imaju prostornu zavisnost, ne samo vremensku. - Sadrže veliku količinu podataka. Više od 10 MB je potrebno za smeštanje jedne sekunde TV signala, što je više od hiljadu puta više nego za smeštanje 1 sekunde govora. - konačan sud o kvalitetu slike nije apsolutna mera, nego je subjektivna kategorija.

Primene DSP u obradi slike: Kompresija slike Smanjenje šuma Izoštravanje slike

Slika 2.8. Primer obrade slike - izoštravanje

- Ogromna količina podataka, koja podrazumeva velike memorije i velike brzine prenosa, kad su slike u pitanju u suprotnosti je sa zahtevom da proizvod bude jeftin. Jedno od rešenja je kompresija slike. - Kao i kod govornog signala i slike sadrže veliku količinu redundantnih podataka pa se mogu podvrgnuti algoritmima koji će smanjiti količinu podataka za njihovo predstavljanje. - TV signali i druge pokretne slike su posebno pogodne za kompresiju jer mnoge slike ostaju iste, ne menjaju se od slike (frame-a) do slike (frame-a). - Komercijalni proizvodi koji koriste prednost ove tehnologije su: video telefoni, računarski programi za prikazivanje pokretnih slika i digitalna TV.

12


2.3 Tipovi DSP (digitalni signal procesor) - DSP (digitalni signal procesor) sa fiksnim zarezom (Fixed point) - DSP (digitalni signal procesor) sa pokretnim zarezom (Floating point)

- Fixed point - Neke od osobina procesora sa fiksnim zarezom (Fixed point):

jeftiniji su manji troše manje energije teži su za programiranje koriste se u 95% potrošačkih proizvoda

Neke od aplikacija DSP-a (digitalni signal procesor) sa fiksnim zarezom: prenosni uređaji 2G, 2.5G i 3G mobilni telefoni digitalni audio plejeri digitalni fotoaparati elektronske knjige prepoznavanje glasa GPS prijemnici biometrija, otisak prsta ...

- Floating point - Neke od osobina procesora sa pokretnim zarezom (Floating point):

skuplji su lakši su za programiranje Interna arhitektura floating point DSP-a je komplikovanija nego kod fixed

point. Neke od aplikacija DSP-a sa pokretnim zarezom:

funkcije modema digital subscriber line (DSL) bežične bazne stanice fiksna telefonija digitalne fotografije 3D grafika prepoznavanje govora internet telefonija (voice IP)

13


- Audio sistemi Treba zadovoljiti vrlo zahtevne potrošače koji traže višefunkcionalne proizvode visokog kvaliteta, sa što više funkcija, a da su efikasni. Potrošači očekuju jako dobar kvalitet audio formata, bilo kog izvora i kućnih i mobilnih audio sistema. Veliki proizvođači DSP-a nude digitalne audio komponente, kao i digitalna i analogna audio rešenja. Audio sistemi su po svojoj strukturi slični, na slici 2.9 je prikazana jedna tipična struktura kompletnog audio sistema.

Slika 2.9. Struktura jednog kompletnog tipičnog audio sistema

14


2.4 DSP – TMS320F28027 DSP (digitalni signal procesor) kompanije „Texas Instruments“ koji je korišćen u ovom diplomskom radu pripada C2000 seriji mikrokontrolera. Na slici 2.10 je prikazana jedna kompletna familija TI DSP (digitalnih signal procesora) iz 2003 godine.

Slika 2.10. Kompletna familija TI DSP iz 2003 godine

TMS320C28x ™ DSP Generacija, 16-bit Fixed Point – Control Optimized DSP Specifikacija Karakteristike Aplikacije - 32-bit fixed-point C28x™ DSP - Ultra brzi 20–40 ns interapt - Osvetljenje

- 150-MIPS operacija - Optičke mreže

- 1.8-V jezgro and 3.3-V - Visoke performanse ADC -Power supplies

periferije - 32 ×32 single-cycle fixed-point MAC -El. široke potrošnje -Flesh na čipu -Ind. automatika

- I/O moduli: SPI, SCI, CAN

Slika 2.11. Karakteristke C2000 familije DSP

15


Još neke karakteristike DSP TMS32F28027 koji je korišćen u diplomskom radu:

- 32 bit CPU 60 MHz (16.67-ns Cycle Time) - 3.3V radni rapon, integrisani Power-on i Power-out reset - 22 GPIO linije, tri 32-bitna CPU tajmera - sadrži Flash na čipu 64k, SARAM 12k i OTP 2k - code-security modul - serijski portovi SCI, SPI, I2C - Kontrolne periferije

Poboljšani impulsno širinski modulator (Enhanced Pulse Width Modulator) (ePWM)

Impulsno širinski modulator visoke rezolucije (High-Resolution PWM) (HRPWM)

12-bit Analogno digitalni konvertor (Analog to Digital Converter) (ADC) Temperaturni senzor na čipu (On-Chip Temperature Sensor) Komparator

- 16 x 16 and 32 x 32 MAC Operations, 16 x 16 Dual MAC - Harvard Bus Architecture - Fast Interrupt Response and Processing - Code-Efficient (in C/C++ and Assembly) - Watchdog Timer Module - Missing Clock Detection Circuitry - Peripheral Interrupt Expansion (PIE) Block That Supports All Peripheral

Interrupts - Independent 16-Bit Timer in Each ePWM Module - 128-Bit Security Key/Lock

16


DSP kontroleri su vrlo pogodni za izradu audio uređaja jer su malih dimenzija, velikih mogućnosti i pristupačnih cena. Oni omogućavaju da se uz vrlo mali broj eksternih komponenti izgradi uređaj koji obavlja složene funkcije. Osnovni delovi su procesor, memorija, periferije i ulazno/izlazni portovi. Oni poseduju dodatne mogućnosti kao što su: serijska komunikacija preko UART-a (Universal Asynchronous Receiver Transmiter) koja se koristi za komunikaciju sa računarom, hardverski podržan rad sa I2C protokolom, USB podršku, SPI (Serial Peripheral Interface), interni RC oscilator, A/D konvertor itd... DSP TMS320F28027 raspolaže sa maksimalno 22 GPIO linije koje su grupisane u dva porta (GPIOA i GPIOB), velikom programskom i radnom memorijom. Ima 32 kilobajta programske memorije, 6k SRAM-a, 1k OTP memorije i zadovoljava sve funkcionalne zahteve. Ovaj DSP raspolaže sa jednim SCI-om, ePWM (impulsnom širinskom modulacijom), HRPWM, WDT (watchdog timer), 16 A/D kanala 12 bitne rezolucije, 3 32-bitna tajmera (tajmeri 0,1,2), I2C i SPI modulima, MAC množačem itd. Na slici 2.12. prikazan je raspored pinova za ovaj DSP u 48-Pin PQFT kućištu, a na slici 2.13 blok dijagram tms320f28027 DSP.

Slika 2.12. Izgled TMS320f28027 DSP u PQFT kućištu

17


Slika 2.13. Blok dijagram tms320f28027 DSP

18


2.5 Razvojno okruženje DSP TMS320F28027 je implementiran na piccolo razvojnom okruženju koje se koristilo kao glavni hardverski deo ovog uređaja. Na sledeće tri slike 2.14, 2.15 i 2.16 prikazan je “piccolo control stick”, njegova šema vezivanja, pin out i PCB pločica.

Slika 2.14. Izgled “Piccolo sontrol stick” pločice

19


1 ADC-A7

2 ADC-A2

COMP1 (+VE)

3 ADC-A0 Vref-HI

4 3V3

5 ADC-A4

COMP2 (+VE)

6 ADC-B1

7 EPWM-4B GPIO-07

8 TZ1

GPIO-12

9 SCL

GPIO-33

10 ADC-B6

11 EPWM-4A GPIO-06

12 ADC-A1

13 SDA

GPIO-32

14 ADC-B7

15 EPWM-3B GPIO-05

16 5V0

(Disabled by Default)

17 EPWM-1A GPIO-00

18 ADC-B4

COMP2 (-VE)

19 EPWM-3A GPIO-04

20 SPISOMI GPIO-17

21 EPWM-1B GPIO-01

22 ADC-B3

23 EPWM-2B GPIO-03

24 SPISIMO GPIO-16

25 SPISTE GPIO-19

26 ADC-B2

COMP1 (-VE)

27 EPWM-2A GPIO-02

28 GND

29 SPICLK GPIO-18

30 GPIO-34

(LED)

31 PWM1A-DAC

(Filtered)

32 GND

Slika 2.15. Raspored izvedenih pinova sa “piccolo control stick” pločice

20


Slika 2.16. Šema control stick pločice

21


2.6 Softversko okruženje Obzirom na izabranu tehnologiju korišćeno je razvojno okruženje iz

laboratorije Visoke škole elektrotehnike i računarstva strukovnih studija u Beogradu. Kao razvojno okruženje korišćen je „Code Composer Studio“ V4.0 firme Texas Instruments, a u okviru njega programski jezik „C“. Asembler je programski jezik niskog nivoa koji omogućava da se izvršni kod konkretnog mikroprocesora piše u simboličkom obliku. Neke od glavnih mana takvih programa su teško praćenje programa, (posebno izraženo pri velikim projektima), te kompleksnost koda i nemogućnost konvertovanja istog koda u izvršni kod za drugi tip mikroprocesora što nije slučaj kod viših programskih jezika. Zato se danas mikroprocesori programiraju u višim programskim jezicima, a najpoznatiji i najčešce korišćeni je programski jezik C. Efikasnost programiranja je povećana i zbog upotrebe elemenata strukturalnog programiranja i širokog skupa operatora. U odnosu na ANSI („American National Standards Institute“) C programski jezik, C za mikroprocesore je prilagođena varijanta koja koristi specijalizovan kompajler (prevodilac). Primer specijalizovanog kompajlera je „Code Composer Studio“ koji se koristi za prevođenje programa DSP baziranih na C2000 mikroprocesorima. C je naročito pogodan za generisanje programa lako prenosivih izmedu različitih platformi. Upravo iz ovog razloga ceo projekat je napisan kao objektno orjentisan kod koji se može, uz minimalne modifikacije, preneti na neki drugi procesor. Ukratko, interakcija programa sa okolinom u programskom jeziku C je sadržana u njegovoj standardnoj biblioteci, a „Code Composer Studio“ kompajler je specijalizovan za ugrađene (embedded) mikroprocesore. Prednost programa napisanih na asembleru je mogućnost kontrole na nivou signala kao i maksimalno korišćenje performansi mikroprocesora. Pošto, ovako pisani, programi rade, praktično, na nivou mašinskog koda, i ne sadrže instrukcije viših programskih jezika mnogo su kraći i brže se izvršavaju od programa napisanih u nekom od viših programskih jezika. Tipovi podataka kod TMS320F28x:

Slika 2.17. Tipovi podataka na TMS302F28027 DSP

Slike 3.17 i 3.18 predstavljaju tipove podataka na TMS320f28027 DSP kao i način prevođenja i upisivanja softverskog koda u DSP.

22


Slika 2.18. Standardna procedura kompajliranja i upisivanja koda u DSP

Za razvoj softvera korišćen je “Code composer studio” verzija 4.0 koji je besplatan za programski kod veličine do 32 kB. Izgled programskog okruženja je prikazan na slici 2.19.

Slika 2.19. Originalno softversko okruženje koje je korišćeno u izradi diplomskog rada

23


3. ADC - DAC ►Analogno digitalna - Digitalno analogna konverzija

3.1 Vrste signala Razmatrali smo četiri vrste signala čije je osobine u vremenskom i frekventnom domenu potrebno razumeti kako bi se mogao shvatiti postupak A/D i D/A konverzije i njegova ograničenja pri ponovnoj rekonstrukciji analognog iz digitalnog signala. Nakon što se signal u digitalnom obliku prenese sa mesta A na mesto B, ponovo ga je potrebno pretvoriti u analogni oblik. D/A konverzija se izvodi propuštanjem signala kroz niskopropusni filtar određene granične učestanosti. Ukoliko granična učestanost filtra nije dobro odabrana s obzirom na učestanost uzorkovanja, onda ni rekonstrukcija analognog signala neće biti dobra. Prvi tip signala je periodični kontinualni signal koji traje beskonačno vreme. Na slici 3.1 prikazan je jedan takav signal u ograničenom vremenskom intervalu. Sastoji se od različitih frekvencijskih komponenata različitih amplitudama (A1 = 0,25, f1 = 100 Hz, A2 = 0,25, f2 = 100 Hz, A3 = 0,3, f3 = 200 Hz, A4 = 0,25, f4 = 400 Hz, A4 = 0,3, f5 = 500 Hz, A6 = 0,4, f6 = 1000 Hz) i definisan je izrazom (3.1). x(t) = A1 * cos(2 ·pi·f1·t) + A2 * cos(2 ·pi·f2·t) + A3 * cos(2 ·pi·f3·t) + A4 * cos(2 ·pi·f4·t) + A5 * cos(2 ·pi·f5·t) + A6 * cos(2 ·pi·f6·t) (3.1) Frekvencijska analiza signala je napravljena pod pretpostavkom da se signal ponavlja periodično u beskonačnosti. Amplitudni spektar periodičnog kontinualnog signala je diskretan i aperiodični, kao što se vidi na slici 3.1. U amplitudnom spektru se vide samo komponente na učestanostima koje postoje u signalu. Amplitudni spektar ovakvog signala dobija se razvojem odsečka signala (jedne njegove periode) u Fourierov red.

Slika 3.1. Periodični kontinualni signal u a) vremenskom b) frekventnom domenu

Drugi tip kontinualnog signala je aperiodični signal koji ima ograničeno trajanje u vremenskom domenu. Na slici 3.2 je dat primer amplitudno modulisanog sinusnog

24


signala učestanosti f = 6 kHz koji je modulisan Gaussovim zvonom. Amplitudni spektar ovog signala je aperiodični i kontinualan te je glavnina signala sadržana oko učestanosti sinusnog signala unutar Gaussovog zvona (slika 3.2).

Slika 3.2. Aperiodični kontinualni signal u a) vremenskom i b) frekventnom domenu

Osim kontinualnih signala postoje i diskretni signali po vremenu i amplitudi. Svi signali na računaru su diskretizovani po vremenu i amplitudi jer bi za prikaz kontinualnih signala bila potrebna memorija beskonačnog kapaciteta. Periodični diskretni signal u vremenskom domenu uzorkovan sa učestanošću fs = 5 kHz, tj. razmakom između susednih uzoraka ∆t = 1/fs, prikazan je na slici 3.3.

Slika 3.3. Periodični diskretni signal u a) vremenskom i b) frekventnom domenu

25


Četvrti tip signala je aperiodični diskretni signal u vremenskom domenu. Njegov je spektar kontinualan i periodičan. Primer diskretizovanog Gaussovog moduliranog sinusnog signala sa učestanošću uzorkovanja fs = 50 kHz i njegov amplitudni spektar prikazani su na slici 3.4. Amplitudni spektar se ponavlja u frekvencijskom domenu sa periodom fs.

Slika 3.4. Aperiodični diskretni signal u a) vremenskom domenu i b) njegov amplitudni spektar u

frekvencijskom domenu

Na svim slikama signala koje se odnose na frekvencijski domen prikazan je jednostrani prikaz amplitudnog spektra s pozitivnim frekvencijama. Ukoliko se koristi dvostrani spektar, tada su magnitude signala na pojedinim frekvencijskim komponentama dvostruko manje . U dosadašnjem razmatranju prikazani su različiti tipovi signala s obzirom na vremenski i frekvencijski domen. Da bi se dobio pravi digitalni signal potrebno je diskretizovati i domen amplituda. U sledećem poglavlju su objašnjene tri osnovne faze A/D konverzije i mogućnosti ponovne rekonstrukcije analognog signala iz digitalnog, tj. diskretizovanog signala.

26


3.2 Diskretizacija po vremenu i nivou - ADC Analogno-digitalni konvertor (ADC) je elektronsko kolo koje ulazni analogni signal pretvara u digitalni oblik. ADC se primjenjuju u svim digitalnim instrumentima, gde se rezultat merenja analogne veličine prikazuje na brojnom indikatoru. Ako je digitalni instrument namenjen samo za prikazivanje izmerene veličine, tada brzina konverzije nije od značaja, već samo rezolucija, linearnost i tačnost. Za ovu primenu pogodan je ADC sa suksesivnom aproksimacijom, koji se odlikuje jednostavnom konstrukcijom i velikom rezolucijom. Tačnost konverzije ADC sa suksesivnom aproksimacijom zavisi od stabilizacije referentnog napona, a vreme konverzije je proporcijalno brzini kloka sa kojom može da radi konvertor kao i rezoluciji.

Slika 3.5. Diskretizacija po vremenu i nivou 3-bitnog AD konvertora

27


Vrste Analogno Digitalnih konvertora: - Suksesivna aproksimacija

„Binarno traženje“ - Sigma – delta - Flesh - Dvostrukom Nagibom („dual slope“)

ADC implementiran na DSP TMS320F28027 je konvertor sa „Suksesivnom aproksimacijom“. Na slici ispod je prikazan osnovni princip rada konvertora i neke njegove osnovne karakteristike:

Slika 3.8. Princip rada AD konvertora sa suksesivnom aproksimacijom

28


Karakteristika idealnog ADC prikazana na slici 3.9.

Slika 3.9. Karakteristike idealnog ADC

• Osnovne kategorije – Broj bita : 12 (4096 vrednosti) , 1 LSB : 3.3v/4096 – Greška maksimalne vrednosti (full scale error) – Razdešenost nule (zero offset) – Maksimalna greška (absolute error) – Diferencijalna nelinearnost (koliko se opseg ul. napona koji daje isti kod

razlikuje od 1LSB) , propušteni kodovi (missing codes) Karakteristike realnog i idealnog AD konvertora su prikazane na slici 3.10.

Slika 3.10. Karakteristike realnog i idealnog ADC

29


Blok šema AD konvertora na TMS320F28027 DSP je prikazana na slici 3.11.

Slika 3.11. Blok šema AD konvertora TMS320F28027 DSP

Svaki digitalni audio sistem možemo podeliti na pet osnovnih delova. To su: analogni ulazni deo koji se sastoji od pojačavača i niskopropusnog filtra (on ograničava amplitudni spektar ulaznog signala s obzirom na učestanost uzorkovanja). A/D konverzija se obavlja u tri faze (uzorkovanje, kvantovanje i kodiranje), digitalna obrada kao priprema za spremanje ili prenos signala, te nakon željene operacije D/A konverzija (NF filtar i izlazni deo u analognoj tehnici koji pretvara diskretni signal u analogni signal). Blok šema jednog takvog digitalnog sistema je data na slici 3.12.

Slika 3.12. Osnovna blok šema audio kanala

30


Uzorkovanje analognog signala i njegova rekonstrukcija Postupak uzorkovanja je vrlo kritičan ako se ne zna koje se frekvencijske komponente pojavljuju u signalu koji se uzorkuje. Ukoliko se uzorkuje signal govora, maksimalne učestanosti koje se pojavljuju u spektru ne prelaze 5 kHz. Ako se uzorkuje signal muzike, maksimalna učestanost koja se pojavljuje u spektru ne prelazi 20-ak kHz (zavisno od instrumenata koji se koriste). Maksimalna učestanost u signalu određuje minimalnu dozvoljenu učestanot uzorkovanja kojom se signal može uzorkovati, a da se u rekonstrukcionom signalu (nakon D/A konverzije ) ne pojave greške koje mogu biti naročito čujne u audio signalu. Zbog toga je potrebno detaljnije obraditi postupak uzorkovanja. Ulazni signal može biti bilo koja vremenski promenljiva funkcija, ali je važno da je frekvencijski ograničena, tj. da nema frekvencijskih komponenata iznad fc. Svi realni signali (govor, muzika , video) su frekvencijski ograničeni i dvostrani spektar im je prikazan na slici 3.13.

Slika 3.13. Dvostrani amplitudni spektar realnog signala

Kada se napravi frekvencijska analiza signala uzorkovanog sa nizom Diracovih impulsa, vidi se da se amplitudni spektar osnovnog pojasa ponavlja oko učestanosti uzorkovanja fs (slika 3.14). Množenje u vremenskom domenu odgovara konvoluciji u frekvencijskom domenu prema teoriji signala. Spektar uzorkovanog signala se u frekvencijskom domenu ponavlja od -∞ do +∞, a na slikama je prikazan samo ograničeni deo oko osnovnog pojasa jer njegovi susedni pojasevi imaju najviše uticaja na greške pri rekonstrukciji analognog signala iz digitalnog.

31


Slika 3.14. Amplitudni spektar uzorkovanog signala (pravilno odabrana učestanost uzorkovanja)

Vrlo je bitno odabrati učestanost uzorkovanja barem dvostruko veću od

maksimalne učestanosti koja se pojavljuje u signalu (fs - fc ≥ fc → fs ≥ 2·fc). Važnost ovog zahteva vidi se na primeru nepravilnog uzorkovanja jer se u frekvencijskom domenu preklapaju spektri korisnog signala i susednog pojasa zbog ponavljanja spektra uzorkovanog signala u frekvencijskom domenu (slika 3.15). Usled toga, dolazi do izobličenja koja nazivamo „aliasing“ izobličenjima.

Slika3.15. Amplitudni spektar uzorkovanog signala (nepravilno odabrana učestanost uzorkovanja)

Slika 3.16. Izgled sinusoide sa oko 11 uzoraka po periodi

32


Slika 3.17. Izgled sinusoide sa oko 3.2 uzoraka po periodi

Slika 3.18. Izgled sinusoide sa oko 1.05 uzoraka po periodi

Iz poslednje slike 3.18 možemo jasno uočiti šta se dešava sa rekonstruisanim signalom ako učestanost uzorkovanja nije pravilno odabrana. Početni signal dobija izgled perfektne sinusoide ali oko 20 puta veće periode od originala. Obično je učestanost uzorkovanja fiksno zadana pa se frekvencijski sadržaj signala ograničava preko ulaznog analognog filtra koji dolazi pre sklopa za uzorkovanje. U realnom slučaju pravougaoni impulsi kojima se izvodi uzorkovanje nisu beskonačno uski nego imaju neku širinu, a to dovodi do smanjivanja amplitude harmonika (niza Diracovih impulsa u frekvencijskom domenu) povećanjem učestanosti. Ovakav način uzorkovanja s kratkim pravougaonim impulsima se naziva PAM (eng. Pulse Amplitude Modulation) i prikazan je na slici 3.19.

33


Slika 3.19. a) Analogni signal b) uzorkovan pravougaonim impulsima

Na slici 3.20 je prikazan amplitudni spektar realnog signala s ograničenom širinom pojasa uzorkovanog s pravougaonim impulsima. Amplituda komponenti oko učestanosti uzorkovanja je sve manja i manja jer amplitudni spektar pravougaonih impulsa prati zakon │sin (x)/x│.

Slika 3.20. Spektar signala uzorkovanog s pravougaonim impulsima konačne širine

34


3.3 Izbor učestanosti uzorkovanja Učestanost odabiranja određuje broj odbiraka (semplova, uzoraka) u sekundi, koji će biti uzeti kako bi se opisao analogni signal. Što je broj odbiraka veći, tj. što je sample rate viši, to će signal biti vernije prenet. Signal u analognom domenu je kontinualan, što znači da ima beskonačno mnogo tačaka odabiranja koje se mogu iskoristiti da bi se signal opisao, međutim da bi ovakav signal mogli zapisati u računar, potrebno ga je diskretizovati u vremenskom domenu, tj. uzeti određeni broj odbiraka, iz beskonačno mnogo mogućih. Frekvencija odabiranja upravo određuje taj broj odbiraka. Nikvistova teorema odabiranja (Nyquist–Shannon sampling theorem) nalaže da frekvencija odabiranja mora biti najmanje dva puta veća od frekvencije signala koji želimo da prenesemo u digitalni oblik, inače se javlja aliasing efekat opisan u poglavlju 3.2. Dakle, učestanost uzorkovanja je određena sledećom 3.3.1. relacijom: fs - fc ≥ fc → fs ≥ 2·fc [3.3.1] Gledano sa stajališta signala koji želimo digitalizovati, izbor učestanosti uzorkovanja određen je pojasom učestanosti koji se želi obraditi. S druge strane, učestanost uzorkovanja određuje se na osnovu potreba povezivanja s drugim uređajima i postojećih normi. Prema teoremi uzorkovanja, učestanost uzorkovanja audio signala bi trebala biti barem 40 kHz. Uzimajući u obzir realne karakteristike ulaznih filtara, treba izabrati vrednost nešto veću od teoretske. Povećanje ne sme biti preveliko, jer dolazi do neekonomičnog prenosa zbog proširenja spektra digitalnog signala. Razvoj zapisivanja digitalnog audio signala je vezan za snimanje na magnetoskope s kasetama, pa je učestanost uzorkovanja tako odabirana za svaki pojedini TV sistem (PAL, SECAM, NTSC). Za sisteme sa 25 slika u sekundi, koji su prevladavali u vreme razvoja digitalnog zapisa audio signala, korišćena je učestanost 44,1 kHz. Ova učestanost uzorkovanja se zadržala kao norma za audio CD medije, pa je iz istog razloga korišćena i u ovom diplomskom radu. Dodatni razlog zadržavanja ove učestanosti je bilo izbegavanje presnimavanja CD ploča na digitalnu mediju, tj. bez upotrebe A/D i D/A konvertora, a dobijeni zapis bi bio jednak originalu i mogao bi se koristiti za dalje umnožavanje. Diskografske kuće su uslovile ovaj izuzetak kako bi se zaštitile od nelojalne konkurencije. Naime, u ranim danima digitalnih audio sistema, presnimavanje na digitalnoj mediji je bilo omogućeno samo na učestanosti 48 kHz. Korišćenjem obrade signala na računarima, više nema svrhe niti efikasnog načina korišćenja ovog ograničenja. Ista učestanost je odgovarala i za C/B TV sistem s 30 slika/s, ali se zbog različitog standarda za TV u boji (29,97 slika/s) morala koristiti učestanost od 44,056kHz. Javila se potreba standardizacije učestanosti uzorkovanja koja bi odgovarala svim potrebama. Čvrsta povezanost javnih komunikacijskih organizacija i radio i TV-difuznih stanica (naročito u Evropi) uslovila je da izabrana učestanost uzorkovanja bude kompatibilna s integrisanom digitalnom mrežom (ISDN), budući da se ta mreža može iskoristiti za razmenu digitalnih programa. Uzimajući u obzir sve zahteve, za profesionalne potrebe izabrana je učestanost 48 kHz s tačnošću od ±10 ppm. Ona omogućava obradu pojasa od 20 kHz i relativno jednostavnu sinhronizaciju na postojeće TV sisteme i javne sisteme digitalnih komunikacija. Učestanost odabiranja od 32 kHz je predviđena za pojas do 15 kHz što je jednako kvalitetu FM radiodifuzije.

35


Pregled učestanosti uzorkovanja u nekim sistemima je dat tablicom 3.1.

8.000 Hz telefon mobilne mreže

11.025 Hz PCM niskog kvaliteta. MPEG audio

22.050 Hz PCM nižeg i srednjeg kvaliteta. MPEG audio i audio analiza niskofrekvencijskog područja. Dovoljno za digitalizaciju starih audio zapisa (npr fram. ploče na 78 okr/min)

32.000 Hz Mini DV digitalni video. video zapis s dodatnim audio kanalima (nprDVCAM). DAT (LP mode). DSR. NICAM digital audio.

44.056 Hz PCM adapter za NTSC video sistem

44.100 Hz Audio CD audio zapis temeljen na PAL video sistemu. Najčešće korišćen

47.250 Hz prvi komercijalni digitalni audio snimač kompanije Denon

48.000 Hz najniža frekv. uzorkovanja za profesionalnu primenu digitalnog audio signala (DAT, DASH, digitalni audio mikseri, efekti, ...)

50.000 Hz idealna učestanost uzorkovanja za audio signal. Nije široko prihvaćena

50.400 Hz korišćena jedino u Mitsubishi-evom X-80 digital audio magnetofonu

88.200 Hz u profesionalnoj primeni kod snimanja CD-a.

96.000 Hz DVD-Audio. kvalitetno poluprofesionalno i profesionalno snimanje

176.400 Hz u profesionalnoj primeni kod snimanja CD-a.

192.000 Hz DVD-Audio. visoko-kvalitetno profesionalno snimanje i uređivanje audio zapisa

2.822.400 Hz

SACD. 1-bit sigma-delta modulacija u postupku Direct Stream Digital. patentiranom od strane SONY-a i Philips-a

Tab 3.1. Pregled učestanosti uzorkovanja u nekim sistemima

36


3.4 Anti – alias filtri Da bi obezbedili graničnu učestanost od minimum fs/2 svaki signal, pa i oni najčistiji, se na neki način mora ograničiti. Filtri koji imaju ulogu da ograniče ulazni signal na potrebnu vrednost se nazivaju „Anti-alias filtri“. Osnovna podela ovih filtara je na digitalne i analogne filtre. Analogni se mogu grubo podeliti na „aktivne“ i „pasivne“, a neki od najpoznatijih digitalnih filtara su „FIR, IIR i MOVING AVERAGE“. 3.4.1 Analogni Filtri U ovom diplomskom radu korišćeni su aktivni ulazni „anti-alias filtri“. Na sledećoj slici su prikazane karakteristike u frekventnom domenu nekih najpoznatijih anti-alias filtara.

Slika 3.21. Karakteristike „Bessel, Butterworth, Chebyshev“ filtara

Uređaj poseduje nekoliko analognih ulaza sa „Butterworth“-ovim filtrima 2, 4 i 6 reda. Sledeća tabela pokazuje parametre za dizajniranje ovih aktivnih filtara pomoću kojih su isprojektovani konkretni filtri i realizovani prilikom izrade PCB pločice uređaja za digitalizaciju, a slika 3.23 predstavlja isprojektovane filtre na osnovu tabele 3.2.

37


Tab 3.2. Parametri za dizajniranje “Bessel, Butterworth i Chebyshev” filtara Tab 3.2. Parametri za dizajniranje “Bessel, Butterworth i Chebyshev” filtara

Slika 3.23. Aktivni filtri na ulazu u A/D konvertor

Napomena: Kompletna šema uređaja data je na kraju rada u prilogu 1

38


3.4.2 Digitalni filtri Digitalni filtri imaju sve veću primenu u digitalnoj obradi signala. Sa povećanjem performansi mikroprocesora raste i njihova sposobnost dobre i brze obrade signala u realnom vremenu pa se povećava mogućnost implementiranja filtara višeg reda. U današnje vreme teži se ka što manjim i fleksibilnijim uređajima koji se sastoje od svega par mikročipova. Opšta podela najpoznatijih digitalnih filtara se može razgraničiti na dva tipa: 1.) FIR „Finite impulse response“,ne rekurzivni filtar sa konačnim impulsnim odzivom 2.) IIR„Infinite impulse response“,rekurzivni filtar sa beskonačnim impulsnim odzivom

Slika 3.24. Blok diagram FIR i IIR filtra

Upravo iz ovog razloga IIR filtri imaju mnogo bolji frekventni odziv od FIR filtara istog reda. IIR filtri (filtri sa beskonačnim impulsnim odzivom) se najčešće projektuju tako što se prvo projektuje kontinualni IIR filtar, a zatim se nekom tehnikom diskretizacije filtar digitalizuje. To je posledica već razvijenih algoritama za dizajn kontinunalnih IIR filtara i izrazitih poteškoća prilikom projektovanja IIR filtara direktno u diskretnom domenu. Za razliku od njih, FIR filtri (Finite Impulse Response Filters – filtri sa konačnim impulsnim odzivom) se skoro isključivo projektuju u diskretnom domenu. Tehnike projektovanja FIR filtara se zasnivaju na direktnoj aproksimaciji željenog frekvencijskog odziva diskretnog sistema. Osnovna pretpostavka koja se mora ispuniti prilikom projektovanja je da dobijeni FIR filtar mora imati linearnu faznu karakteristiku. To je ujedno i osnovna karakteristika svih FIR filtara i osnovna prednost u odnosu na IIR filtre. Linearnost faze je simetrija dna i vrha prenosne krive. Svaki od ovih filtara se mogu projektovati kao nisko-propusni „Low pass, visoko propusni „High pass“, propusnici opsega „Band pass“, ne propusnici opsega Band reject“.

Slika 3.25. Frekvencijske karakteristike „Low-pass, Band-pass, High-pass i Band-reject“ filtara

39


Još jedan često korišćen digitalni filtar je „Moving Average“ filtar. Ovaj filtar se najčešće koristi za redukciju šuma u digitalnom signalu i može se posmatrati kao filtar propusnik niskih učestanosti „Low pass“ filtar. Karakteristike ovog filtra su predstavljene na slici 3.27.

Slika 3.27. Karakteristike “Moving Average” filtra

40


Slika 3.28. Poređenje analognih i digitalnih filtara

U ovom diplomskom radu isprobani su „FIR“ i „Moving average“ digitalni filtri. Za izračunavanje koeficijenata FIR filtra može se koristiti „Matlab“ ili neko drugo softversko okruženje. Ovde je korišćen „ScopeFIR“ program. Na slici 3.29 dat je primer izračunavanja koeficijenata za „Low pass“ FIR filtra 13-tog reda, granične učestanosti 10kHz i Fs = 44100 Hz.

Slika 3.29. Primer izračunavanja koeficijenata FIR filtra

41


Slika 3.30. Izgled digitalizovanog signala pre i nakon propuštanja kroz FIR filtar

Na slici 3.30 prikazan je izgled digitalizovanog audio-signala pre i nakon propuštanja kroz digitalni FIR filtar. Grafik „DualTimeA-0“ predstavlja čist digitalizovani signal sa Analogno-Digitalnog konvetrora uzet sa učestanošću odabiranja od 44 kHz, a grafik „Magnitude-1“ predstavlja spektralnu analizu ulaznog signala (FFT-„Fast Fourier Transformation”). Grafik „DualTimeB-0“ predstavlja filtrirani ulazni signal propušten kroz FIR filtar, a „Magnitude-0“ spektralnu analizu nakon propuštanja signala kroz FIR filtar sa koeficijentima sa slike 3.29.

42


3.5 Rekonstrukcija signala – Digitalno analogni konvertor DAC Prilikom digitalno analogne (D/A) konverzije, korišćenjem niskopropusnog filtra, možemo izdvojiti samo deo spektra uzorkovanog signala koji je jednak spektru ulaznog signala (slika 3.31). Impulsni odziv svakog uzorka na niskopropusnom filtru se tada superponira sa ostalima i na izlazu dobijamo analogni signal. Dakle, D/A konverzija je potpuno suprotna A/D konverziji ali su ipak na neki način vezane učestanošću uzorkovanja signala.

Slika 3.31. Rekonstrukcija uzorkovanog signala propuštanjem kroz niskopropusnifiltar

Na osnovu slike 3.31 zaključujemo da je ostvareno očuvanje informacije sadržane u ulaznom signalu samo ako je učestanost uzorkovanja odabrana na pravilan način s obzirom na maksimalnu učestanost koja se pojavljuje u ulaznom signalu. Da bi se izbeglo preklapanje spektara, učestanost uzorkovanja fs treba da bude barem dva puta veća od najviše učestanosti koju želimo preneti (fs/2) u ulaznom signalu. To je definicija Nyquistove teoreme uzorkovanja. Zbog konačnog nagiba niskopropusnih filtara u području gušenja, u stvarnim sistemima se obično uzima da je učestanost uzorkovanja viša od minimalne koju zahteva teorema uzorkovanja. Na osnovu ovih razmatranja i s obzirom na zahteve rekonstrukcijskog filtra, možemo napraviti blok šemu dela sistema u kojem se obavlja D/A konverzija, tj. povratak digitalizovanog signala u analogni domen (slika 3.32). Digitalni signal (niz 0 i 1) se prvo pretvara u diskretizovani signal (''PAM'', odnosno ''Sample & Hold'' oblik) pa se onda takav signal propušta kroz niskopropusni filtar.

Slika 3.32. Blok šema digitalno analognog konvertora

43


Na slici 3.33 je prikazana šema vezivanja D/A konvertora i izgled niskopropusnog filtra nakon digitalno analogne konverzije. „Low pass“ filtar koji se nalazi u izlaznom stepenu D/A konvertora trebalo bi da ima propusni opseg od najviše polovine učestanosti uzorkovanja fs.

Slika 3.33. Šema izlaznog stepena za generisanje audio signala pomoću D/A konvertora

D/A konvertor koji je korišćen za rekonstrukciju analognog signala je „MCP4921“ firme „Microchip“ sa rezolucijom od 12-bita i serijskim SPI interfejsom za komunikaciju sa DSP. Blok šema ovog konvertora je data na slici 3.34.

Slika 3.34. Blok šema „MCP4921“ D/A konvertora

44


3.6 PWM – IMPULSNO ŠIRINSKA MODULACIJA

PWM „Pulse Width Modulation“ je jako moćna tehnika kontrolisanja analognih kola preko digitalnih izlaza procesora (mikrokontrolera). Napon se dovodi do analognog primaoca (NF - filtra) kao serija impulsa, a informacija o amplitudi analognog signala se predstavlja širinom (trajanjem) impulsa PWM signala. PWM ima vrlo široku primenu, koristi se pri merenju, komunikaciji, kontroli napajanja, kontroli motora, kao i u raznim vrstama pretvarača. U našem slučaju PWM će poslužiti kao alternativa za generisanje audio signala. Amplituda PWM signala je najčešće fiksna i nije od značaja, ali se u nekim slučajevima može koristiti za prenos dodatnih informacija. U suštini, PWM predstavlja način digitalnog kodiranja nivoa analognih signala. Korišćenjem brojača visoke rezolucije, četvrtasti signal se moduliše tako da predsvavlja specifični nivo analognog signala. Analogni naponi i struje se mogu koristiti za direktnu kontrolu uređaja, to je jako jednostavan i jasan način kontrole, ali nije uvek praktičan i isplativ. Analogna kontrola ima razne mane kao što su velike dimenzije komponenti i njihova težina, promenljive karakteristike komponenti tokom vremena, velika potrošnja, grejanje, osetljivost na šum itd. Digitalnim kontrolisanjem analognih kola, cena sistema za kontrolu i potrošnja energije se mogu drastično smanjiti jer PWM predstavlja ekonomičan, energetski efikasan i imun na šum način za kodiranje analognih signala. Mnogi današnji mikroprocesori imaju ugrađene PWM periferije što dodatno olakšava implementaciju. Slika 3.35 predstavlja primer generisanja signala pomoću PWM-a.

Slika 3.35. PWM signal i rezultujući analogni signal

DSP TMS320F28027 poseduje četiri „Enhanced Pulse Width Modulator“ (ePWM) tj. „High Resolution Pulse Width Modulator“ HRPWM jedinice. Sva četiri PWM modula su podeljena na A/B i svaki se može zasebno kontrolisati. Za generisanje audio signala korišćen je HRPWM čija je osnovna učestanost (učestanost nosioca) oko 1,6

45


MHz sa rezolucijom od oko 12 bita. Na slici 33.36 prikazana je blok šema PWM periferije „TMS320F28027“ DSP, a na slici 3.37 blok šema HRPWM modulatora.

Slika 3.36. Blok šema PWM modula na „TMS320F28027“ DSP

46


Slika 3.37. Blok šema „HRPWM system interface“

Na izlazu iz PWM modulatora izvedena su dva kanala. Na jednom izlaznom stepenu iz PWM modulatora nalaze se „Active Low Pass“ filtar sedmog reda sa graničnom učestanošću fc od oko 10 kHz, a na drugom „Passive Low Pass - RC“ filtar prvog reda sa graničnom učestanošću od oko 80 kHz. Na slici 3.38 predstavljena je šema aktivnog filtra na izlazu iz PWM modulatora koji ima važnu ulogu u rekonstrukciji izlaznog signala.

Slika 3.38. Izlazni filtar za rekonstrukciju analognog signala

47


4.0 Čuvanje podataka u digitalnom obliku Za čuvanje audio zapisa korišćena je memorijska kartica „MicroSD“ sa SPI interfejsom i računarskim fajl sistemom „FAT (File allocation table) file system“ o kojem će biti nešto više u narednom poglavlju. 4.1 SPI – „Serial Peripheral Interphace“ SPI („Serial Peripheral Interphace“) predstavlja serijski protokol za brzu sinhronu komunikaciju između uređaja. Uređaji komuniciraju na bazi master-slave odnosa, tako da master uređaj inicira početak razmene podataka. On generiše takt i selektuje uređaj sa kojim se uspostavlja komunikacija. Takođe, master uređaj određuje brzinu i format podataka. Podaci se mogu istovremeno prenositi u oba smera, od „master“ uređaja prema „slave“ uređaju i obrnuto. Za serijsku SPI komunikaciju koriste se 4 signala (slika 4.1):

Slika 4.1. Veza između master i slave uređaja u SPI protokolu

SCK- „Serial clock“ (takt serijske veze) SS – „Slave select“ (definisanje master/slave kontrolera) MISO – „Master in, slave out“ (ulaz master uređaja, izlaz slave-a) MOSI- „Master out, slave in“ (izlaz mastera uređaja, ulaz slave-a)

48


Moguće je ostvariti i SPI komunikaciju između više uređaja. U ovom slučaju postoji jedan master i više slave uređaja. Master mora generisati poseban signal za selekciju svakog slave-a. (slika 4.2) Par parametara Clock Polarity (CPOL) i Clock hase (PCHA) definišu ivicu takt signala na koju će se podaci odmeravati i razmenjivati, odnosno definišu odnos između takta i podataka. Svaki od ova 2 parametra ima 2 moguća stanja, koji omogućavaju definisanje 4 moguće kombinacije, koje su međusobno nekompatibilne. To znači da svaki master/slave par mora koristiti isti par vrednosti ovih paramatara, pri međusobnoj komunikaciji.

Slika 4.2. Komunikacija jednog master sa više slave uređaja

Jedan ovakav sklop (primer sa slike 4.2) korišćen je i u diplomskom radu gde postoje jedan master uređaj (DSP) i tri slave uređaja (dva D/A konvertora i jedna „microSD“ memorijska kartica). Komunikacija se obavlja naizmenično pri brzini SPIclk od 15 MHz. Blok šema SPI modula prikazana je na slici 4.3.

49


Slika 4.3. Blok šema SPI modula na „TMS320F28027“ DSP

50


4.2 „MicroSD“ memorijska kartica SD („Secure Digital“) kartice su memorijske kartice na bazi fleš memorije razvijene 2000. godine od strane SanDisc, Toshiba i MEI korporacija za upotebu u prenosnim uređajima kao što su fotoaparati, digitalne kamere, ručni računari, PDA („Personal Digital Assistant“) uređaji, mobilni telefoni, aparati za reprodukciju muzičkog sadržaja. Njihova mala veličina, relativna jednostavnost korišćenja, niska potrošnja električne energije i niska cena omogućile su da ove kartice budu idealna rešenja za mnoge aplikacije. Standadni kapacitet SD kartica je u opsegu od 8MB do 4GB, za SDHC („Secure Digital High Capacity“) kartice visokog kapaciteta od 4GB do 32GB, a za SDXC („Secure Digital eXtended Capacity“) od 32GB do 2TB . Brzina prenosa podataka standardnih SD memorijskih kartica je do 10MB/s, dok je ta brzina za kartice sa velikim brzinama (High Speed SD cards) preko 22,5MB/s. Za razliku od ostalih memorijskih kartica zasnovanih na fleš memorijama, SD kartice u sebi imaju integrisan kontroler koji rukovodi protokolima prenosa podataka sigurnosnim algoritmima za zaštitu autorskih prava („copyright protection“), rukovanjem i oporavkom od grešaka. SD kartice podržavaju najmanje tri načina prenosa podataka: • Jednobitni SD način (odvojene fizičke linije komandi i podataka i odgovarajući format prenosa podataka) • Četvorobitni SD način (koristi dodatne konektore) • SPI način (u osnovi, pojednostavljeni SD protokol koji se koristi u mikrokontrolerima) . Ovaj način prenosa podataka je korišćen u realizaciji uređaja. Sve SD memorijske kartice moraju da podržavaju SPI protokol. Kartica mora da podržava učestanost takta do 25MHz za standardne kartice, odnosno 50MHz za kartice sa velikim brzinama prenosa podataka. Pored SD kartica, postoje miniSD i mikroSD (microSD), razlikuju se po fizičkom obliku i veličini. Na slici 4.4 je predstavljena šema vezivanja „microSD“ kartice.

Slika 4.4. Šema vezivanja „microSD“ kartice

51


Slika 4.5. Blok dijagram procesa inicijalizacije SD/MMC memorijskih kartica

Na slici 4.5 prikazan je uopšteni dijagram inicijalizacije SD i MMC kartica. Nakon dovođenja napona SD ulazi u priprodni operativni mod rada. Da bi kartica ušla u SPI mod mora se ispratiti dijagram sa slike 4.5. Nakon što je napon na kartici dostigao minimalno 2.2 V moramo sačekati najmanje jednu milisekundu, a zatim setovati SPI klok između 100 i 400 kHz. Zatim setovati pinove DI i CS na logičku jedinicu i poslati najmanje 74 SPI – SCK kloka. Kartica će nakon ovoga biti spremna za prihvatanje komandi. Slanjem CMD0, sada sa CS na logičkoj nuli, kartica se resetuje i ulazi u SPI mod rada. Nakon ove procedure sledi ispitivanje o kom tipu kartice se radi, da li je u pitanju katica verzije 1 ili 2. U ovom stanju kartica može prihvatiti samo neke osnovne komande za inicijalizaciju kartice, sve ostale komande će biti odbijene. Kartica inicira inicijalizaciju kada primi komandu ACMD41, a inicijalizacija može uzeti i stotinak milisekundi. Nakon inicijalizacije kartica je spremna za prihvatanje ostalih komandi (čitanje, upis). Treba podesiti i najmanju veličinu bloka za čitanje i upis podataka (za FAT file system to je 512 bajtova). Sada se SPI klok može povećati na maksimum 20/25 MHz i kartica je spremna za komunikaciju. Slika 4.6 predstavlja samo neke od važnih komandi za upravljanje SD katicom.

Slika 4.6. Važne SD/MMC komande

52


4.3 FAT (File allocation table) file system

Podaci se na sekundarnim memorijama mogu organizovati korišćenjem različitih mehanizama. Za većinu korisnika, sistem datoteka je nevidljiv aspekt operativnog sistema koji obezbeđuje mehanizam za čuvanje i pristup datotekama i programima koji pripadaju operativnom sistemu ili korisnicima. Sistem datoteka se sastoji od dva dela: kolekcije datoteka i kolekcije direktorijumima, tj. kataloga koji obezbeđuju informacije o datotekama. Za korisnika, datoteka („file“) predstavlja kolekciju povezanih informacija, tj. logičku celinu sa značenjem. Za operativni sistem, to je objekat koji se čuva u sekundarnoj memoriji. Definisaćemo datoteku kao organizovan skup podataka sa imenom, koji se prema određenom prostornom rasporedu čuva u sekundarnoj memoriji. Datoteku osim sadržaja i imena, opisuju i dodatni atributi, koji se čuvaju u kontrolnom bloku datoteke (file control block, FCB). Kontrolni blok datoteke najčešće je direktorijumska struktura, ali se može implementirati i kao zasebna tabela (na primer, indeksni čvor u sistemu datoteka ext2). U značajne atribute datoteke spadaju: - Tip datoteke, pomoću koga operativni sistem preliminarno određuje vrstu datoteke i po potrebi je povezuje sa nekom aplikacijom - Opis prostornog rasporeda blokova koji čine datoteku ili pokazivač na lokaciju prvog bloka datoteke - Tekuća veličina datoteke - Informacije o vlasništvu i pravima pristupa tj. atributi koji regulišu kontrolu pristupa datoteci (kao što su kontrola čitanja i modifikacija datoteke) - Vreme i datum

Slika 4.7. Grafički primer čitanja jednog fajla u „FAT file system“-u

53


FAT je jednostavan sistem datoteka zasnovan na principu mape datoteka (realizovane u vidu FAT tabele sa 16-bitnim adresiranjem). FAT je zbog ograničenja ukupne veličine sistema datoteka zadovoljavao potrebe većine korisnika u periodu kada su kapaciteti diskova na XT (extended technology, 8086) i AT (advanced technology, 80286) računarima bili reda veličine 10-20 MB. Naime, FAT je ograničen na 16535 klastera, što će reći da se veličinom klastera praktično određuje i maksimalna veličina sistema datoteka. Korisnik je mogao dobiti sistem datoteka najvećeg kapaciteta samo ako koristi klastere veličine 64 KB, što unosi značajne gubitke kroz internu fragmentaciju. Svaka datoteka u sistemu datoteka FAT ima svoje ime, datum i vreme i osnovne atribute. Ime datoteke se može zadati isključivo korišćenjem 7-bitnog ili 8-bitnog ASCII ili ANSI strandarda. Ime se zadaje u formatu 8.3 – 8 znakova za ime, a 3 za oznaku tipa. Pouzdanost sistema je relativno niska: postoje dve identične FAT tabele, sadržaj jedne se ažurira na osnovu sadržaja druge. Međutim, ove tabele su fizički smeštene jedna do druge na disku. Ukoliko se prilikom fizičkog oštećenja diska ošteti jedna FAT tabela, velika verovatnoća je da će i druga biti oštećena. Sistem datoteka FAT danas se koristi pri formatiranju disketa. Potpuni pristup sistemu datoteka FAT tj. aktiviranje u režimu čitanja i pisanja, može se ostvariti iz gotovo svih poznatijih operativnih sistema (DOS, sve verzije Windowsa, UNIX, Linux). Sa porastom kapaciteta diskova, Microsoft je ponudio FAT32 kao proširenje sistema datoteka FAT16. Osnovna promena u odnosu na stari FAT predstavlja 32-bitno adresiranje, čime je omogućeno formiranje većih sistema datoteka sa klasterima prihvatljive veličine. Tabela za alokaciju fajlova (file allocation fable – FAT) sadrži informacije o tome gde se fajlovi i delovi fajlova fizički nalaze. FAT16 za lociranje fajlova koristi 16-bitne adrese klastera (cluster). Operativni sistem smešta novi fajl na disk tražeći prvi slobodan klaster na disku, a zatim rezerviše onoliko klastera koliko je potrebno za smeštanje fajla. Operativni sistem koristi FAT za beleženje klastera koji su zauzeti fajlovima. Optimalno, operativni sistem će uspeti da pronađe dovoljno slobodnih susednih klastera da bi smestio ceo fajl na jedno kontinualno područje na disku. To tako i radi na novom, nefragmentiranom drajvu. Ali, nakon duže upotrebe, drajv nije toliko dobro organizovan. Operativni sistem počinje sa prvim slobodnim klasterom; ako ne postoji dovoljno mesta za ceo fajl, preskače se deo diska koji je zauzet i zapisivanje fajla se nastavlja na prvom sledećem slobodnom klasteru. Fajl koji je ovako razbijen na delove i ne nalazi se na kontinualnom delu diska naziva se fragmentiranim fajlom. FAT16 ima značajna ograničenja. Disk formatiran ovim sistemom ima maksimalnu veličinu particije od 2 GB. Takođe, FAT16 gubi dosta slobodnog prostora, pogotovo na diskovima koji se približavaju limitu od 2 GB. FAT16 menja minimalnu veličinu klastera u zavisnosti od veličine particije, koristeći klastere veličine od 512 bajtova do 32 KB. Što je veća particija, to se gubi više prostora. Na primer, particija od 500 MB koristi klastere velicine 8 KB, ali particija od 2 GB koristi klastere od 32 KB. Ako operativni sistem zapiše jedan mali fajl od 1 KB na particiju od 2 GB, izgubi se 31 KB prostora. Ako snimite puno ovakvih malih fajlova, izgubljeni prostor se vrlo brzo nagomilava.

54


Razlika izmedu fajl sistema FAT16 i FAT32 - FAT32 za particije do 8 GB koristi klastere od 4 KB, za particije od 8 GB do 16 GB klastere od 8 KB, za particije od 16 GB do 32 GB klastere od 16 KB, a za particije preko 32 GB klastere od 32 KB. Teorijski maksimum za jednu particiju za FAT32 je 2 TB, tj. 2048 GB. Zahvaljujući svojim manjim klasterima FAT32 u odnosu na FAT16 mnogo efikasnije koristi prostor na disku. Ranije pomenuti fajl od 1 KB sada zauzima još 3 KB na FAT32 particiji od 8 GB. Međutim, FAT32 particije bez posebnih drajvera ne mogu da vide Win3.x, rane verzije Win95 kao i sve verzije NT-a. Takođe, sa ovim fajl sistemom ne možete da koristite ni softver za kompresiju diska. Microsoft predviđa da se na prosečnom disku korišćenjem FAT32 fajl sistema umesto FAT16, može uštedeti 10% do 15% prostora. 4.3.1 „WAV“ audio format Baš kao sto je to slučaj sa mnogobrojnim slikovnim formatima koji definišu na koji način se obrađuju slike, formati audio datoteka koriste razne načine obrađivanja podataka. Najčešće se možete susresti sa 3 vrste audio datoteka: WAV, MP3 i WMA. Razlog za relativno velik broj različitih formata za zapis zvuka leži u činjenici da je zvuk memorijski vrlo zahtevan. Dobavljanje informacija o nekom zvuku zahteva velike količine podataka. Neki formati datoteka, poput Microsoftovog WAV formata, ne koriste nikakvo sažimanje (kompresiju), pa su datoteke velike i neprimenjive za korišćenje na Internetu ili za slanje elektronskom poštom. Drugi pak formati datoteka koriste sažimanje. Sažimanje može biti izvedeno na način da nema gubitka informacija (lossless sazimanje). Formati datoteka koji nude ovakve algoritme sažimanja uvek imaju manju učesnost, pa su datoteke veće. Prednost takvih datoteka je taj da je zvuk uvek moguće rekonstruirati u originalnom obliku. Danas su najpopularniji formati koji koriste lossy tehniku sažimanja zvuka. Prilikom takvog sažimanja ne čuvaju se svi podaci o zvuku, vec algoritam za sažimanje odbacuje manje važne podatke koji predstavljaju zvukove koje ljudsko uho ionako ne bi moglo čuti. Konačna veličina takvih datoteka mnogo je manja u odnosu na nesažete datoteke (ponekad i do 20 puta). Primer takvog zapisa je MP3 audio format.

Slika 4.8. Najčešće vrste audio zapisa

WAV (od enleske reči “wave”, talas) je matični format zvuka na operativnom sistemu Windows. Sve Windows aplikacije koje imaju ikakve veze sa zvukom znaju raditi sa WAV datotekama. Nesažete WAV datoteke mogu biti vrlo velike. Jedan minut muzike u WAV formatu, zapisane u CD kvalitetu, biće više od 10 MB podataka na disku. Za snimanje jednog muzičkog CD-a na tvrdom disku u WAV formatu stoga bi bilo potrebno oko 600 MB. A to je i uz današnje kapacitete tvrdih diskova vrlo mnogo. Prilikom prenošenja muzike sa audio CD-a na računar koristi se WAV format za zapis zvuka koji se onda može kodirati u neki drugi sažeti format, na primer MP3.

55


Slika 4.9. Tipične vrednosti za jedan minut zvuka u wav formatu

Na sledećim slikama je prikazano je teoretsko heder zaglavlje i njegov izgled u hex editoru.

Slika 4.10. Izgled „header“ zaglavlja „wav“ audio zapisa

Slika 4.11. Teoretski izgled heder zaglavlja, prva 72 bajta „wave“ fajla

56


Header zaglavlje sadrži sve bitne informacije vezane za „wave“ audio format. Neke od najbitnijih informacija su:

- audio format („wave - pcm“) - broj kanala (2 kanala) - učestanost uzorkovanja (44100 – standard za CD kvalitet zapisa) - veličina uzorka (broj kanala * broj bajtova po uzorku = 4) - rezolucija uzorkovanja (16 bita)

Slika 4.12. Otvoren „wave“ fajl u „HexEdit“ programskom okruženju

Podatak o rezoluciji uzorkovanja (broju bita po uzorku) nam ne govori samo o kvalitetu zapisa već i o načinu skladištenja podataka na medij. Tako za 8-bitne uzorke vrednosti su zapisanje kao neoznačeni brojevi i vrednosti se mogu kretati od 0 - 255, dok se za 16-bitnu rezoluciju podatak čuva kao označeni broj u opsegu od -32768 – 32767.

57


5.0 LCD Displej LCD “liquid crystal display” displej koji se koristi u ovom diplomskom radu je AC-202A firme Ampire. Displej se koristi za ispisivanje poruka, rezultata i upozorenja, na primer za prikaz menija, stanja uređaja itd. Na slici 5.1 prikazan je način vezivanja LCD displeja, a na slici 5.2 prikazana je detaljna šema vezivanja LCD displeja sa digitalnim signal procesorom.

Slika 5.1. Način vezivanja LCD displeja

Displej se napaja jednosmernim naponom od +5V, a logički naponi (naponi

logičke nule i jedinice su „0V“ i „3.3V“). Problem sa slabim kontrastom zbog niskog napona napajanja od 3.3V se pojavio prilikom izrade projekta jer displej zahteva dodatno (hardversko) DC/DC kolo kako bi radio sa naponom od 3.3V. Napon napajanja je povećan na 5V uz zadržavanje istih logičkih nivoa DSP. Zbog ove izmene čitanje podataka sa displeja nije omogućeno. Displej sadrži 2 reda od po dvadeset karaktera. Inteligentan LCD baziran na poznatom HD44780 kontroleru sa 2 reda po 20 karaketra, bez pozadinskog osvetljenja. Postoji dvosmerni data bus (D7 - D0), tri kontrolna pina E, RW i RS. Generisanjem opadajuće ivice na kontrolnom pinu E (enable) omogućava se pristup LCD-u. Pomoću RW (read/write) pina kontroliše se upis ili čitanje (RW=1 za čitanje, RW=0 za upis). Treći kontrolni RS pin određuje da li se obraćamo instrukcijskom ili data registru. Upisom podataka u instrukcijski registar (RS=0) definišemo mesto pojave karaktera na LCD-u, možemo obrisati ceo ekran, postaviti kursor na početak DDRAM-a itd. Kada je RS=1, vrši se upis ili čitanje DDRAM-a (Display Data RAM) ili CGRAM-a (Character Generator RAM ). Upisom u DDRAM podaci se prikazuju na ekranu LCD-a. LCD je moguće povezati tako da ne koristimo svih osam linija data bus-a već četiri. Tako smo broj potrebnih linija sveli na 7 i podaci se ka displeju sada šalju u dva paketa po četiri bita. Ako se LCD koristi samo za prikaz poruka pin RW je moće povezati na masu (naš slučaj) i broj potrebnih pinova je tako smanjen na 6. Data bitovi LCD-a su respektivno povezani na pinove D7-GPIO7, D6-GPIO6, D5-GPIO5, D4-GPIO33. Pin E je na pinu GPIO12, a pin RS na pinu GPIO32.

58


Slika 5.2. Šema vezivanja LCD displeja

Kompletan softver za upravljanje LCD displejom je napisam na “C”

programskom jeziku. Softver je generički organizovan tako da se uz izmene samo najnižeg nivoa može prebaciti na neki drugi kontroler. Napisana je kompletna softverska podrška za ceo displej, kao i podrška za 4-bitni i 8-bitni interfejs. Softver raspolaže funkcijama za upisivanje jednog karaktera, stringa ili tačno određenog broja karaktera u stringu, brisanje karaktera, kreiranje specifičnih karaktera, pomeranje displeja itd. Prilikom inicijalizacije i kreiranja LCD objekta može se odrediti sa kojim interfejsom kreirani objekat treba da radi kao i fizička veza sa spoljnim LCD-om. Može se kreirati veći broj LCD objekata tako da se svaki objekat obraća određenom LCD-u. Ovakav koncept programiranja je organizovan u kompletnom radu tako da softver ima osobinu podrške više LCD-displeja, SD-kartica, može imati više menija, tastatura itd..

59


6.0 Matrična tastatura - Keypad

Svaki iole složeniji uređaj zahteva unošenje ili promenu pojedinih parametara. Jedan od načina da se to obavi je korišćenje tastature. Postoje različiti tipovi tastatura kao i različiti nazivi za njih. U engleskom jeziku se mogu sresti termini “keyboard” i “keypad” . “Keyboard” predstavlja obično veliku, najčešće alfanumeričku tastaturu. Takve tastature se koriste kod PC-ja. Keypad je izraz za malu tastaturu koja sadrži brojeve od 0 do 9 i neke tastere posebne namene. Od oznaka na tim tastaturama se mogu sresti i neki simboli specijalno kreirani za određenu funkciju. Tipičan predstavnik keypad tastatura je tastatura na telefonu. Ovaj rad se odnosi na takve vrste tastature.

Pri odabiru tastature treba utvrditi u kakvim će uslovima da radi uređaj koji projektujemo (vlažnost, temperatura, prljavština, tehnička kultura korisnika, itd.), a takođe koliko će se često tastatura upotrebljavati. Značajan faktor pri odabiru tastature je i mogućnost priključivanja na uređaj i cena. Faktor cene je jasan sam po sebi i uglavnom zavisi od prethodno navedenih faktora. Povezivanje predstavlja najveću dilemu. Tastaturu je najlakše povezati tako da svaki taster koristi po jedan digitalni ulaz. U tom slučaju je program najjednostavniji. Ovo rešenje je praktično ako se ima dovoljan broj digitalnih ulaza na mikrokontroleru ili ako se koristi mali broj tastera. Sa povećanjem broja tastera povećava se komplikovanost štampane pločice, mora se koristiti više I/O linija na mikrokontroleru, a to sve dodatno povećava cenu uređaja. Zbog svih ovih razloga, kod tastatura sa većim brojem tastera (5- 20) se pribegava nekim rešenjima koja štede novac, prostor i vreme. Ako uređaj treba da radi u sredini gde je velika vlažnost vazduha ili postoji mogućnost polivanja tastature vodom ili nekom drugom tečnošću, treba odabrati tastaturu koja je hermetički zatvorena. U slučaju da se uređaj koristi u sredini gde ima puno čestica prašine (rudnici, prehrambena industrija itd.) pogodne su folijske tastature. Na mestima gde se može očekivati eventualno mehaničko oštećenje tastature koriste se tastature sa posebnim kostruktivnim rešenjima. Ovakve tastature izrađuju firme KEYMAT i SECME. Tipična upotreba ovih tastatura je u javnim telefonskim govornicama. Još jedna grupa tastatura su kapacitivne i induktivne tastature.

Prednosti tastera na dodir u odnosu na klasične mehaničke tastere su sledeće:

1) Brzo spajanje, kod njih nema varničenja i ne proizvode lažne impulse 2) Otporni su na trošenje, jer nemaju pokretnih delova koji se mogu istrošiti 3) Neograničen broj korišćenja 4) Pogodni za opasne okoline (na primer, za područja u kojima postoji opasnost od eksplozija) Ako u sredini u kojoj uređaj treba da radi postoji opasnost od elektrostatičkog pražnjenja treba odabrati tastaturu koja je konstruisana za tu namenu. Ovo je vrlo važan uslov jer elektrostatičko pražnjenje može izazvati nepouzdan rad pa i trajno oštećenje uređaja! Tastature za često korišćenje, tasteri na ovim tastaturama treba da daju pouzdan kontakt posle više stotina hiljada aktiviranja. Na raspolaganju nam stoje folijske, membranske i tastature sa provodnom gumom.

60


Folijske tastature imaju tu manu da pucaju na mestu tastera koji se često koristi (obično je to ENTER taster). Njihova dobra osobina je ta da se mogu lako očistiti od prašine, veoma su tanke i obično su samolepljive, tako da se mogu montirati na uređaj bez velikih bušenja i mehaničkog pričvršćivanja zavrtnjima. Zgodno rešenje predstavljaju tastature koje imaju mogućnost izmene pojedinih tastera. Na taj način se znatno produžava radni vek tastature. Uobičajene karakteristike tastatura proizvođači često deklarišu sledećim podacima: životni vek, koji predstavlja broj uključenja i obično je milion ciklusa po tasteru, radni napon i struju i prelazni otpor kontakta u zatvorenom stanju. Izabrana tastatura je vezana u matricu 2x2, smd impulsni tasteri sa maksimalnim radnim naponom do 12V DC i maksimalnom jačinom struje do 50 mA. Važan podatak je i vreme istitravanja kontakata po uključenju i isključenju. Istitravanje, koje je ustvari treperenje kontakta tastera, može biti protumačeno od strane mikrokontrolera kao višestruko aktiviranje datog tastera. Ovo vreme se povećava sa starošću tastera tako da u nekim slučajevima iznosi i više od 20ms. Premoštavanje vremena istitravanja (eng. debouncing) se može izvršiti hardverski (monostabilnim multivibratorom) ili programski. Programsko premoštavanje se izvodi tako što po detekciji zatvorenosti kontakta program “čeka” određeno vreme, definisano vremenom smirivanja kontakta, pa opet ispituje da li je taj kontakt zatvoren. Ako jeste, taster je stvarno zatvoren.

Slika 6.1. Najjednostavniji oblik povezivanja tastature

Na slici 6.1. prikazan je najjednostavniji način povezivanja tastature. Svaki taster je povezan na po jedan ulazni pin mikrokontrolera. Ulazni pinovi su povezani i sa pull-up otpornicima. Njihova vrednost je od 10K do 100K. Program ispituje ulaz po ulaz.

61


Povezivanje tastera u matricu značajno redukuje broj ulaznih pinova mikrokontrolera. Kod ovog tipa tastature treba koristiti ulazno-izlazne pinove mikrokontrolera. Postoje različiti načini povezivanja tastera u matricu. Najčešće se tasteri povezuju po vrstama i kolonama (slika 6.2.). Određivanje aktiviranog tastera je komplikovanije nego u prethodnom slučaju. Dobijeni kod cifre se obično ne koristi u ovom obliku, pa je potrebno da se prevede u heksa-decimalni oblik.

Slika 6.2. Povezivanje tastera u matricu

Softver za čitanje tastature glavnom programskom tasku „Appl_task()“ može

javiti pet različitih stanja očitavanja. Napisan softver eleminiše „debouncing“ i pri pritisku i pri optustu tastera. „Keypad_task()“ može javiti stanje pritiska, otpusta, kratkog zadržavanja i zaglavljivanja tastera. Može se primetiti da se tasteri GPIO32 i GPIO33 koji se istovremeno koriste i za upravljanje LCD displejom ovde koriste kao digitalni izlazi za upravljanje matričnom tastaturom. GPIO02 i GPIO03 su takozvane „scan“ linije i one predstavljaju digitalne ulaze matrične tastature.

62


7. OPIS RADA I ORGANIZACIJA PROGRAMA Realizovan je osnovni zadatak koji je bio postavljen na početku rada (razvijanje kompletnog ulazno-izlaznog audio stepena). Praktično realizovan kompletan audio-kanal sa analognim i digitalnim filtrima i obezbeđeno čuvanje podataka. Opisan primenjeni digitalni signal procesor (DSP) i njegove periferije. Razvijeno i realizovano je osam ulazno-izlaznih kanala sa filtriranjem i čuvanjem podataka. Sve funkcije obrađuju podatke u realnom vremenu. Snimanje na memorijsku „microSD“ karticu je realizovano u FAT16 fajl sistemu (FAT – File Allocation Table). Podržan je standardni „wav“ audio format i obezbeđena kompatibilnost između uređaja za snimanje audio-signala (diplomski rad) i PC računara. Digitalni signal procesor koji je izabran za praktičnu realizaciju diplomskog rada sasvim zadovoljio hardverske potrebe postavljene na početku razvoja. Audio signal nakon digitalizacije može direktno da se prosleđuje na jedan od izlaza (PWM - DAC), da se dodatno filtrira pomoću FIR filtra ili da se skladišti na „flash – microSD“ memorijsku karticu sa koje je kasnije omogućeno puštanje audio zapisa. Pored osnovnih karakteristika jednog audio snimača uređaj poseduje ulazno izlazne stepene kao što su tastatura i displej. Po priključenju uređaja na napajanje (USB konektor računara) na izlaznoj strani stabilizatora dobija se stabilisani napon od +3.3V. DSP po upisivanju koda iz „Code Composer Studija“ i pokretanjem programa otpočinje inicijalizaciju postavljanjem odgovarajućih sistemskih bitova u registrima koji definišu funkcije pojedinih pinova. Nakon inicijalizacije uključen je i podešen SPI za komunikaciju sa eksternim uređajima, uključen i inicijalizovan PWM „Pulse Width Modulation“ i ADC „Analog to digital converter“, inicijalizovana „microSD“ memorija, LCD displej, tajmeri i podešeni su dozvoljeni interapti. Odmah po inicijalizaciji na displej se šalje pozdravna poruka, a signalna LED dioda LD2 (crvena) počinje da trepće. Ovo stanje traje nekoliko sekundi jer je potrebno da se uređaj inicijalizuje nakon čega se na LCD-u ispisuje poruka (glavnog menija) i uređaj je spreman za rad. Ulaskom u meni, korisnik se može kretati kroz isti i odabrati jednu od tri ponuđene opcije. Korisnik može puštati muziku direktno sa jednog od osam ulaznih ponuđenih kanala, zatim, može puštati muziku sa „microSD“ memorijske kartice ili snimati muziku na „microSD“ karticu u „wave“ audio formatu.

Odabirom prve opcije „direktno puštanje sa jednog od osam ulaznih kanala“ korisnik dobija meni sa mogućnošću prosleđivanja jednog od tačno osam unapred definisanih audio ulaza. Nakon odabira željenog kanala korisniku se otvaraju nove opcije gde može uključiti „FIR ON“ ili isključiti „FIR OFF“ FIR digitalni filtar sa unapred određenim parametrima. Nakon odabira FIR funkcije korisnik dolazi do ciljanih opcija, a to su puštanje i stopiranje audio zvuka sa odabranog audio ulaza. Višeputnim izborom tastera „back“ mogu se izmeniti neke od odabranih opcija ili se vratiti na početni displej i odabrati drugu funkciju. Kompletna organizovanost menija i njegovih funkcionanosti je prikazana na slici 7.1.

63


Sledeća funkcija je snimanje ulaznog signala na „SD“ memorijsku karticu. Odabirom ove opcije kao i u prethodnom slučaju prvo se mora odabrati željeni audio ulaz (jedan od osam, unapred definisanih). Zatim se mora odabrati fajl u koji se želi snimati audio signal. Fajlovi za smeštanje novih audio zapisa su takođe unapred definisani i ima ih isto kao i audio ulaza (osam). Korisnik može odabrati bilo koji od ponuđenih fajlova za bilo koji audio ulaz ali ne može kreirati novi „wave“ fajl i menjati dužinu trajanja snimanja. Snimanje se vrši presnimavanjem već postojećih fajlova fiksne dužine i maksimalno vreme snimanja u jednom fajlu je određeno veličinom već otvorenog „wave“ fajla. Jedan fajl se može presnimavati neograničeni broj puta, tj. svaki put kada odaberemo fajl, stari sadržaj će se presnimiti novim. Kada se započne procedura zapisivanja, korisnik može zaustaviti snimanje, ali ga ne može nastaviti. U slučaju da se u toku audio zapisivanja snimanje prekine, ostatak memorije otvorenog fajla se ne popunjava već se vrši izmena podatka o veličini zapisa u hederu otvorenog „wav“ audio fajla.

Slika 7.1. Skica menija digitalnog audio-kanala realizovanog pomoću DSP

64


Treća funkcionalnost je puštanje „wave“ audio zapisa sa „SD“ memorijske kartice. Kada želimo pustiti neki „wave“ audio zapis, korisnik, kao i u predhodnom slučaju, mora prvo otvoriti željeni fajl. Fajlovi za puštanje su takođe unapred definisani i ne može se otvoriti ni jedan drugi sem onih osam koji su bili ponuđeni prilikom snimanja. Kada se dođe do sledećih opcija „play“ i “pause“ korisnik može pustiti, stopirati ili pauzirati, a zatim opet nastaviti čitanje istog istog fajla sa iste pozicije nakon pauze. Kada jednom izađe iz menija „play and pause“ mora od početka otvoriti željni fajl i započeti novo puštanje odabirom opcije „play“.

65


7.1 PROBLEMI PRILIKOM IZRADE DIPLOMSKOG RADA Najveći problem kod ovako osetljivih uređaja jeste pojava šuma u signalu.

Šum kod audio obrade je jako ozbiljan problem. Svaki otpornik i svaki operacioni pojačavač u šemi doprinosi pravljenju šuma. Najčešći uzrok lošeg signala je problem oko povezivanja digitalne i analogne mase. Kontroler, sam za sebe, unosi šum prema masi. Digitalna i analogna masa moraju biti odvojeno vođene i smeju se spojiti samo u jednoj tački, što bliže nožici mikrokontrolera. Mnoštvo kondenzatora za blokadu (bar 0.1uF keramički), što bliže nožicama gde su napajanja, može malo da pomogne. Mnogo može da utiče raspored elemenata i način kako su mase razvedene i spojene. Takođe je poželjno izbegavati elektrolitske kondenzatore i stavljati keramičke gde god je to moguće jer su se elektroliti pokazali kao nekvalitetni i visoko-šumni. Linije za dovođenje signala moraju biti što je moguće kraće i treba izbegavati bilo kakvo bockanje na pločici već odmah lemiti komponente. Ako već imamo analognu masu, poželjno je da imamo i analogno napajanje (Vcc). Pa je tako još jedan stepen u poboljšanju zvuka dobijen analognim Vcc. Na slici 7.2 je prikazan 3D model gotovog diplomskog rada.

Slika 7.2. 3D Izgled funkcionalnog modela uređaja

66


8. ZAKLJUČAK

U okviru ovog rada je isprojektovan, realizovan, ispitan i opisan uređaj za digitalizaciju audio signala. Uređaj je eksperimentalnog tipa, a kao takav može se koristi za snimanje i reprodukovanje „wave“ audio zapisa sa „microSd“ memorijskih kartica. Praksa je pokazala da se za ovakav vid snimanja zvuka uglavnom opredeljuju manje i srednje zahtevne aplikacije ali i profesionalni snimači, sa naravno mnogo većom rezolucijom. Ovakvi uređaju se mogu primeniti i za višekanalno snimanje signala govora između portirskih stanica, stražarskih službi, interfonskih i telefonskih uređaja itd. Ovom prilikom bih želeo i da se zahvalim kompletnoj laboratoriji za DSP, Visoke škole elektrotehnike i računarstva na ustupanju kompletne tehničke opreme na raspolaganje i na pomoći pri realizaciji ovog projekta. Testiranje uređaja je obavljeno u laboratoriji za DSP u Visokoj školi elektrotehnike i računarstva strukovnih studija. Nakon testiranja utvrđeno je da je postignut zadovoljavajući odziv audio snimača kao i da uređaj zadovoljava sve funkcionalne zahteve postavljene na početku ovog rada. U toku realizacije i faze ispitivanja uočeno je da bi na uređaju mogla da se urade sledeća poboljšanja:

– optimizacija koda i štampane pločice, – izrada aplikacije za računar, za evidenciju snimanja, – u slučaju potrebe može se povećati kapacitet memorije za čuvanje podataka, – može se povećati rezolucija i učestanost uzorkovanja radi što boljih rezultata, – dodati MP3 modulator/demodulator radi primene kompresije i veće efikasnosti

memorijske kartice istog kapaciteta

67


9. INDEKS POJMOVA A A/D konvertor 14,15,19,27,28

D DSP – Digitalni Signal Procesor 3,6,9,10,14,16,22,30,46

I I/O pinovi 14,60 integrisano kolo 15

K konektor 6,16,35,67

L LCD displej 22

M mikrokontroler 14,45,51,60,61,65 CodeComposerStudio 21,22,63

O oscilator 16,67

P port 9, 10, 11, 14, 15, 17, 20

R reset 15,16

LCD displej 58,59,62,63

68


10. LITERATURA

1. Steven W. Smith “The Scientist and Engineer's Guide to Digital Signal Processing” 2. P.Bošnjaković: “Osnovi elektronike”, Viša elektrotehnička škola, Beograd, 2001. 3. Lj.Stanimirović, Digitalizovanje signala, VETŠ, 2007.3. 4. Lj. Milić, Z. Dobrosavljević, "Uvod u digitalnu obradu signala, Akademska misao", Beograd 2001 5. S. Mitra, "Digital Signal Processing: A Computer-Based Approach", McGraw-Hill, 2002. 6. http://www.alldatasheet.com

4. http://www.fulton.asu.edu/~karam/realdsp5. http://en.wikipedia.org/wiki/Secure_Digital#SDIO6. https://www.sdcard.org/downloads/pls/7. http://en.wikipedia.org/wiki/Serial_Peripheral_Interface_Bus8. http://en.wikipedia.org/wiki/File_Allocation_Table9.http://www.hitachigst.com/tech/techlib.nsf/techdocs/BB4945CEAAE4DAD986256D890016E8F4/$file/FAT_White_Paper_FINAL.pdf10. https://ccrma.stanford.edu/courses/422/projects/WaveFormat/11. http://netghost.narod.ru/gff/graphics/summary/micriff.htm12. http://www.mikroe.com/sr/magazine/5broj/5broj13.htm13. http://www.lightlink.com/tjweber/StripWav/WAVE.html14. http://www.dspguide.com/

69

http://www.alldatasheet.com/

http://www.fulton.asu.edu/~karam/realdsp/

https://www.sdcard.org/downloads/pls/

http://en.wikipedia.org/wiki/Serial_Peripheral_Interface_Bus

http://en.wikipedia.org/wiki/File_Allocation_Table

http://www.hitachigst.com/tech/techlib.nsf/techdocs/BB4945CEAAE4DAD986256D890016E8F4/$file/FAT_White_Paper_FINAL.pdf

http://www.hitachigst.com/tech/techlib.nsf/techdocs/BB4945CEAAE4DAD986256D890016E8F4/$file/FAT_White_Paper_FINAL.pdf

https://ccrma.stanford.edu/courses/422/projects/WaveFormat/

http://netghost.narod.ru/gff/graphics/summary/micriff.htm

http://www.mikroe.com/sr/magazine/5broj/5broj13.htm

http://www.lightlink.com/tjweber/StripWav/WAVE.html

http://www.dspguide.com/


11. DODATAK PRILOG 1 - Kompletna šema uređaja

70


71


72


PRILOG 2 - Izgled PCB pločice

73


74

diplomski rad iz pdsp

Documents