phan i cau truc he xu ly tin hieu so
TRANSCRIPT
PHẦN I
CẤU TRÚC HỆ XỬ LÝ SỐ TÍN HIỆU
ebooks
@free4
vn.org
Chương 1BỘ XỬ LÝ SỐ TÍN HIỆU
Nội dung:1.1 Tổng quan về hệ thống xử lý số tín hiệu1.2 Ứng dụng của các bộ DSP1.3 Đặc điểm của các bộ DSP1.4 Giới thiệu các họ DSP của Motorola1.5 Họ cơ sở DSP560001.6 Họ DSP 563001.7 Họ DSP56800 1.8 Bộ xử lý MSC8101
1.1 Tổng quan về hệ xử lý số tín hiệu
a) Khái niệm XLSTH:– Xử lý tín hiệu bằng phương pháp tương tự - xử lý
tín hiệu bằng các mạch (lọc, khuyếch đại, chỉnh lưu, …)
– Ví dụ: Sơ đồ bộ lọc tín hiệu trên KĐTT. Hình 1.1.– XLSTH – quá trình xử lý toán học các tín hiệu
thời gian thực được lấy mẫu tại những thời điểm cách đều nhau và được lượng tử hoá.
– Mạch XLSTH tương đương. Hình 1.2.
b) Ưu điểm của XLSTH:ü Ít linh kiện hơnü Hoạt động ổn địnhü Ứng dụng rộng rãiü Độ kháng nhiễu caoü Ổn định với thay đổi nguồn nuôi.ü Khả năng tự kiểm traü Không cần hiệu chỉnhü Độ chính xác caoü Dễ thay đổi
c) Các bài toán XLSTH điển hình:
q Lọc số:§ Bộ lọc đáp ứng xung vô hạn (IIRF)
§ Bộ lọc đáp ứng xung hữu hạn (FIR)
∑∑−
=
−
=−−−=
1
1
1
0
M
jj
N
ii )jn(ya)in(xb)n(y
∑−
=−=
1
0
N
ii )in(xb)n(y
q Phân tích phổ:
• Biến đổi Fourier rời rạc ( DFT):
trong đó: • Biến đổi Fourier ngược: khôi phục tín hiệu
• Số lượng phép tính DFT: • Thuật toán FFT: số lượng phép tính
∑−
=
=1
0)()(
N
n
nkNWnxkX k = 0, 1, 2, ...., (N-1)
knN
jnkN eW
Π
=2-
∑−−
=−==
1
0
-
)1....(0)(1)1(
N
k
nkN
Nn
WkXN
nx
2NNN 2log
Nhận xét
• Trong các phương trình lọc số và biến đổi Fourier, phép tính cơ sở là phép nhân vàcộng (hay phép nhân tích luỹ).
• Thời gian xử lý phụ thuộc vào thuật toán vàtốc độ của Bộ xử lý.
• Để thực hiện thuật toán trong thời gian thực Bộ xử lý tín hiệu sử dụng cấu trúc Hardvard khác biệt với cấu trúc Von Neumann của các Bộ xử lý đa năng. Cấu trúc Harvard.
1.2 Ứng dụng của các bộ DSPa) Sử dụng DSP để thực hiện:• Các bộ lọc số (FIR, IIRF, thích nghi, ...)• Các hàm xử lý số: các phép số học, các phép
lượng giác, ma trận,...• Các hàm xử lý tín hiệu: nén tín hiệu, lấy trung
bình, tính năng lượng,...• Các hàm phân tích phổ: DFT, IDFT, biến đổi
sin, cosin,...• Các hàm xử lý dữ liệu: mã hoá/giải mã• Các hàm điều chế: điều biên (AM), điều tần
(FM), điều pha (PM) và kết hợp giữa chúng.
b) Các lĩnh vực ứng dụng DSP:
- Bưu chính viễn thông: Các bộ trộn kênh, tổng đài số, điện thoại có hình ảnh, bảo mật thông tin, các trạm thu phát vệ tinh v.v...
- Chuyển phát dữ liệu: Modem, máy fax, mạng LAN...- Xử lý tín hiệu âm thanh: tổng hợp âm thanh, các bộ trộn
và hoà âm.- Máy tính: Điều khiển servo đĩa quang, mạng máy tính, đồ hoạ hai chiều và ba chiều, bộ đồng xử lý toán học, máy tính laze, hệ thống đa nhiệm, âm thanh số v.v...
- Đo lường: lọc số, các bộ phân tích phổ, các máy phát tín hiệu.
- Xử lý ảnh: Nhận dạng ảnh, nhận dạng vân tay, nén ảnh v.v...
- Âm thanh số: Phát thanh số, thiết bị tự động trả lời, máy nhắn tin, nhạc cụ và các bộ tổng hợp âm thanh, thiết bị phòng thu âm.
- Các ứng dụng đặc biệt: Dẫn đường, truyền tin mật, các đài ra đa và ra đa thuỷ âm.
- Trong công nghiệp: Điều khiển tốc độ cao, phân tích rung động, kỹ thuật rôbốt, điểu khiển thích nghi, nén nhiễu, nhận dạng ảnh.
- Trong y tế: Khuyếch đại âm thanh, phân tích ảnh X–quang, chuẩn đoán siêu âm v.v...
- Truyền hình: Truyền hình số, màn hình độ phân giải cao.
- Xử lý tiếng nói: Tổng hợp tiếng nói, nhận dạng tiếng nói.
1.3 Đặc điểm của các bộ DSP• Thực hiện các phép tính số học nhanh, linh hoạt,
khả năng thực hiện phép nhân và nhân tích luỹtrong một chu kỳ lệnh.
• Có chế độ bảo vệ tràn khi tính tổng.• Khả năng mở rộng dải động đối với phép tính cộng
và phép nhân có tích luỹ với độ chính xác cao.• Khả năng nhận và thực hiện hai phép toán trong
một chu kỳ, do vậy tăng tốc độ tính toán.• Hệ thống định địa chỉ linh hoạt. Đặc biệt có chế độ định địa chỉ theo modulo và đảo bit để tổ chức các bộ đệm vòng.
• Tổ chức thực hiện vòng lặp và rẽ nhánh có hiệu quả.
1.4 Các họ DSP của hãng Motorola
• Motorola có 4 họ DSP56K: Bảng 1.1– Họ DSP56600 – 16 bit– Họ DSP56800 – 16 bit– Họ DSP56000 – 24 bit, là họ cơ sở– Họ DSP56300 – 24 bit
• Bộ xử lý MCS8101 – System-on-chip– Lõi Starcore AC140– Sử dụng trong mạng viễn thông
Các đặc tính của họ DSP cơ sở• Xử lý song song nhờ tổ chức bus hệ thống cải tiến.• Có hai vùng nhớ dữ liệu và hai thanh ghi tích luỹ để
xử lý đối xứng ví dụ như dữ liệu phức và tín hiệu âm thanh stereo v.v...
• Độ rộng dữ liệu 24 bit đảm bảo vùng động 144 dB.• Độ rộng thanh ghi tích luỹ 56 bit đảm bảo vùng động 336 dB.
• Thanh ghi mở rộng 8 bit của thanh ghi tích luỹ 56 bit (thanh chứa) cho phép xử lý dữ liệu kiểu thực cóphần nguyên.
• Không gian địa chỉ 16 bit.
• Các chế độ định địa chỉ khác nhau, khả năng định địa chỉ đảo bit và modulo.
• Tập lệnh mạnh.• Khả năng nhận và thực hiện 2 toán hạng trong
một chu kỳ lệnh.• Thực hiện vòng lặp DO bằng phần cứng.• Hệ thống ngắt linh hoạt.• Tiêu thụ năng lượng thấp nhờ công nghệ CMOS
và khả năng điều khiển mức năng lượng tiêu thụở trạng thái dừng và chờ.
Các đặc tính của họ DSP cơ sở
Cấu trúc chung của DSP56K
Vïng më réng
Vïng trung t©m
Module ngo¹i vi trªn chip
Më réngbé nhích¬ng tr×nh P
Më réngbé nhí d÷
liÖu X
Më réngbé nhí d÷
liÖu Y
Lâi
ALUd÷ liÖu
AGU PCU
TIGPLL
OnCE
JTAG
Cấu trúc chung của Bộ DSP56K
1.Module xử lý trung tâm.
2.Vùng mở rộng.
Module xử lý trung tâm là hạt nhân mọi bộ vi xử lý DSP 56K. Thành phần của nó gồm:•Đơn vị ALU dữ liệu.
•Đơn vị tạo địa chỉ AGU.
•Đơn vị điều khiển lập trình PCU.
•Bus dữ liệu DB.
•Bus địa chỉ AB.
•Các cổng giao diện A, B và C.
•Bộ tạo dao động trên chip OnCE
•Bộ phát xung nhịp GTI tự động chỉnh pha tần số PLL.
Hình 2.1 Sơ đồ khối DSP56K
1.5 Họ cơ sở DSP56K
• DSP 24 bit.• Cấu trúc chung: Sơ đồ khối DSP56004. H1.4• Ứng dụng: C¸c bé xö lý hä DSP56000 cã thÓ sö
dông ®Ó thùc hiÖn c¸c thuËt to¸n XLTHS, song chóng ®îc dïng chñ yÕu cho c¸c øng dông chuyªn dông, vÝ dô trong lÜnh vùc xö lý ©m thanh.
• Thành viên họ DSP56000: Bảng 1.5
1.6 Họ DSP56300
• DSP 24 bit.• Cấu trúc chung: Hình 1.5.• Phần mềm tương thích DSP56000• Ưu điểm:
– Tốc độ cao gấp đôi so với DSP56000– Tiết kiệm năng lượng, giá thành thấp– Thiết kế hệ thống đơn giản
• Ứng dụng: truyền thông, truyền hình, mạng điện thoại, âm thanh,...
• Thành viên họ DSP56300. Bảng 1.6.
1.7 Họ DSP56800
•DSP 16 bit, phiên bản rút gọn của DSP56000.•Cấu trúc: hình 1.6.•Đặc điểm:- 16 bit dữ liệu (thay cho 24 bit).- 3 thanh ghi đầu vào dữ liệu ALU (thay cho 4 thanh ghi).- Các thanh ghi tích luỹ 36 bit (họ cơ sở 56 bit).- Thanh ghi 4 bit mở rộng (họ cơ sở 8 bit).- Thanh ghi dịch song song 16 bit (họ cơ sở 58 bit).- Các chức năng được rút gọn trong AGU và CPU.
•Ứng dụng:- Các thiết bị số truyền thông không dây.- Điện thoại tự động trả lời.- Môdem.- Camera số.- Các hệ thống bám và điều khiển động cơ .......
1.8 Họ DSP56600• Tích hợp M-core (RISC) và DSP56600 16 bit• Cấu trúc: Hình 1.7.• Ứng dụng: Trong các ứng dụng mạng tổ ong họ DSP 56600 có
thể chia các thành viên như sau:- DSP 56651 và DSP 56652 thích hợp cho các thiết bị gọn nhẹ, mức độ tích hợp cao.- DSP 56654 - cho các hệ thống không dây dải hẹp như hệ (Time-Divison multiple Access/Advanced Mobile Phone System).- DSP 56690 - cho điện thoại không dây mức cao và mức trung. Trên một chip thực hiện giao thức của thế hệ 1, 2 và thế hệ 2,5 theo các chuẩn điện thoại di động không dây GSM, GPRS (General Packet Radio Service), TDMA, CDMA (Code Division Multiple Access), IDEN (Integrated Digital Enhanced Network) và cả những chuẩn của hệ truyền thông vệ tinh toàn cầu Iridium (Iridium Satellite Network), tối ưu cho GPRS với băng thông lớn.
• Thành viên: Bảng 1.8.
1.8 Bộ xử lý MSC8101
• Bộ xử lý 16 bit của hãng Motorola thế hệ mới • Phát triển cho ứng dụng viễn thông. Lõi là
Starcore AC140, cho phép tăng mạnh tốc bộxử lý (lên tới 1200 MIPS với tần số nhịp 300MHz), giảm đáng kể năng lượng tiêu thụ(500mW với điện áp làm việc khoảng 1V), các chương trình nhờ sử dụng trình biên dịch C.
• Kiến trúc MSC 8101 rất khác so với kiến trúc của DSP 56K (thậm chí lõi có thể chứa 4ALU dữ liệu và 2 AGU).
Câu hỏi1. Xử lý số tín hiệu là gì? Ưu điểm của nó so với xử
lý tương tự?2. Các bộ XLSTH (DSP) có cấu trúc khác gì so với
các bộ xử lý số đa năng?3. Phép tính cơ bản trong XLSTH là phép gì? Các bộ
DSP56K thực hiện nó trong mấy nhịp đồng hồ?4. Tính thời gian thực trong XLSTH là gì? Nhờ đâu
các bộ XLSTH có nó?5. Hãy thử nêu một bài toán XLSTH trong ĐTYS có
thể dùng DSP giải quyết?