Signalprozessoren

Sind spezielle Rechner, die Analogsignale digital verarbeiten können (Digital-Signal-Processing) DSP). Darunter versteht man die

• Eingabe von analogen Signalen in einem Digitalrechner,
• Verarbeitung der Signale im Rechenwerk
• Ausgabe des modifizierten Analogsignals

Prinzipieller Aufbau: 1. Folie

Analoges Eingangssignal wird periodisch abgetastet.

Jeder Abtastwert AD binären Zahlenwert umgewandelt zum Rechenwerk

modifiziertes Signal DA am Ausgang abnehmen

Signale müssen in Echtzeit bearbeitet werden.

zeitgleiche Eingabe, Verarbeitung und Ausgabe von Signalen.

Möglichkeiten: Modulation, Mischung, Filterung, Impulsformung, Sprachanalyse usw. Programmgesteuert in einem Computer durchführbar

Vorteile: Verstärkung, Bandbreite, Flankensteilheit u. andere Signalparameter per Programm einstellbar.

Echtzeitbedingung mit üblichen µP nur niederfrequente Signale Spezielle µP angepasst an die Forderungen der digitalen Signalaufbereitung

Vorraussetzung für Programmierung: Kenntnis der theoretischen Grundlagen für die zeitdiskrete Bearbeitung analoger Signale, die fundierte mathematische Kenntnisse erfordert.

Daher nur Grundlagen u. Prinzipien besprochen

Grundlagen der digitalen Signalverarbeitung

Aufbereitung des Signals:

Analoge Signale Computerbearbeitung zuvor in digitale Signale umwandeln.

In Echtzeit z.B. Spracherkennung, digitale Filter mit konstantem Intervall abtasten

Theorem von SHANNON: Abtastfrequenz min. doppelt so

groß wie maximal zu erfassende Signalfrequenz.

Analoge Abtastwert (Sample) AD Digitalwert (Dualzahl). Periodische Folge von umgewandelten Abtastwerten (binäre Zahlenfolge) nennt man PCM.

PAM (Puls-Amplitudenmod.) entsteht beim Abtasten Multiplikation zweier Signale.

Frequenzspektrum der PAM enthält Signalfrequenzen sowie Frequenzen, die aus Summen- und Differenzbildung mit der Abtastfrequenz gebildet werden.

Enthält die abgetastete Signalschwingung Frequenzen die höher sind als halbe

f_T Frequenzen die im ursprünglichem Signal nicht vorhanden waren.

Fehlanalyse

z.B. f_T = 10kHz f_S = 7kHz à PCM-Signal f_T - f_S =3kHz. Aliasing Frequ. Fallen in genutztes Frequenzband, verursachen starke nichtlineare Verzerrungen.

Vermeidung: vor Abtastschaltung steilflankiges TP-Filter (Antialiasing Filter)

Weitere Qualitätsbeeinflussung durch: Breite des Abtastimpulses, Frequenzkonstanz des Abtastsignals, Auflösung des AD-Wandlers.

Breite des Abtastimpulses beeinflusst die bei der Aufbereitung verfügbare obere Grenzfrequenz.. Anderungen der Signalamplitude können nicht mehr erfasst werden. Bein AD-Wandlung entsteht in der letzten Stelle Unsicherheit von ½ Bit. Verursacht im Ausgang ein Quantisierungsrauschen.

Verarbeitung des Signals:

Messwerte werden im einem vorgegebenen Zeitraster eingelesen. Weitere Bearbeitung des Wertes muss in der Zwischenzeit erfolgen. Echtzeit

FIR-Filter (Finite Impulse Response) Audiobereich (20Hz - 20kHz) Abtastrate 44kHz

Zw. 2 Werten 22µs.

Filter n-ter Ordnung: während dieser Zeit zwei Tabellen * die n letzten Abtastwerte

* n Filterkoeffizienten

miteinander multiplizieren und die n Produkte addiert werden.

Altester Wert mit neuem Wert überschrieben

Gesamtergebnis normiert und ausgegeben

Mit 16-Bit Operanden, sonst Rundungsfehler zu Verzerrungen oder sogar Instabilität

z.B. steilflankiges Filter, Ordnung 100 22µs 100 Multiplikationen, 100 Additionen

Stereo das Doppelte

Allgemeine Formel:

y_(n) Ausgangswert zum Zeitpunkt t_n

x_(n) Einganswert zum Zeitpunkt t_n

h_K Filterkoeffizient

N Ordnung des Filters (Anzahl der Filterkoeffizienten)

Signalprozessor ADSP 2181 von Analog Devices

Beinhaltet:

• interne Programmspeicher (16K x 24 Bit) und Datenspeicher (16K x 16 Bit)
• Harvard Architektur, zwei getrennte Busse für Programm Memory (PMD/PMA) und Data Memory (DMD/DMA)
• Effektive Adressierung von Tabellen mit 8Zeigern (DAG1 und DAG2)
• Zusätzlich zur ALU (Arithmetic Logic Unit) noch spezielle Rechenwerke zum Multiplizieren mit anschließender Summenbildung (MAC) und zum Schieben (Shifter)
• Schnelle serielle Ports zur schnellen Übertragung von Abtastwerten und Ergebnissen (SPORT0 und SPORT1)
• Besitzt schon einige Eigenschaften von RISC Architekturà Hammerl

PMA: Program Memory Adrdess Bus

PMD: Program Memory Data Bus

DMA: Data Memory Address Bus

DMD: Data Memory Data Bus

Befehlsstruktur

Benötigt Quarz 16,67 MHz durch interne Phase-locked-loop-Schaltung verdoppelt;

Interne Taktperiode ist 30ns lang, in 4 Phasen unterteilt TAFELBILD

• Alle Befehle gleich lang (24 Bit)
• Jeder Befehl wird in einem Zyklus durchgeführt (30ns)

z.B. f_S = 44kHz 22,7µs. 1 Befehl 30ns ca. 757 Befehle in 22,7µs

zum Vergleich: FIR-Filter n=100 Koeff. Berechnung eines Ausgangswertes ca. 106 Befehle bzw. 212 bei Stereo.

Interner Programm- und Datenspeicher

Interner Zugriff wesentlich schneller als externe Speicher über Systembus.

Anwenderprogramm EPROM mit 8 Bit Datenbreite autom. Nach jedem Reset in den internen Programmspeicher geladen

Harvard-Architektur

Alle Rechenwerke durch zwei unabhängige Bussysteme mit internen Programm- und Datenspeicher verbunden.

Im Programmspeicher auch z.B. Filterkoeffizienten abgelegt werden können

In einem Maschinenzyklus einen Operanden über DMD und einen anderen über PMD in Multipliziereinheit.

DAG (Data Address Generator)

Zwei Sätze mit 8 Zeigern DAG1 und DAG2 schnelle Bearbeitung von Tabellen

Jeder der 8 Zeiger besteht aus drei Teilen (TAFELBILD)

I0I7              Index- oder Zeigerregister enthält aktuelle Adresse eines Tabellenplatzes

L0..L7             Längenregister enthält die Lage der Tabelle

M0..M7          Moduloregister gibt an, um wie viel die Tabellenadresse nach Zugriff erhöht/erniedrigt wird

Die Multipliziereinheit (MAC Multiplier-Accumulator)

Parallel zur ALU auch MAC

16-Bit-Operatoren und 40 Bit langes Ergebnisregister MR. (FOLIE MAC)

Da MR auf Addiereinheit zurückgeführt ist, können Befehle, wie sie zur Berechnung von Integralen benötigt werden, in einem Maschinenzyklus (30ns) ausgeführt werden.

MR = MR + MX0*MY0 (SS);          neuer Wert von MR ergibt sich aus altem Wert von MR plus Produkt der Werte in Registern MX0 und MY0 (SS: signed-signed; Zahlenformat)

ALU, MAC und Shifter zusätzlicher Datenbus (R-Bus, Result-Bus) Ergebnisse ohne zusätzliche Ladeoperation stehen in anderen Einheiten zur Verfügung

MR = AR*MY0;                    AR Ergebnisregister der ALU

AR = MR1 + AY1;                MR0 Ergebnisregister der MAC

Multifunktionsanweisungen

Durchgeführt in einem Maschinenzyklus (30ns). Auch 24 Bit lang!!

Zwei Befehle in verschiedene Einheiten der CPU!!!

Beispiele:

AR = AX0 + AY0,    AX0 = MR1

Zuerst Summe berechnen, anschließend AX0 mit Ergebnis aus MR1 geladen.

AR = AX0 + AY0,   AX0 = DM (I0,M0);

Zuerst Summe, danach AX0 aus Data Memory laden, I0 um den Wert von M0 erhöhen