El procesamiento de señales digitales (DSP) es un tema emergente que involucra muchas disciplinas y se usa ampliamente en muchos campos. Desde la década de 1960, con el rápido desarrollo de la tecnología informática y de la información, surgió y se desarrolló rápidamente la tecnología de procesamiento de señales digitales. En las últimas dos décadas, el procesamiento de señales digitales se ha utilizado ampliamente en las comunicaciones y otros campos.
El procesamiento de señales digitales es el uso de computadoras o equipos de procesamiento especiales para recopilar, transformar, filtrar, estimar, mejorar, comprimir e identificar señales en forma digital para obtener una forma de señal que satisfaga las necesidades de las personas. El procesamiento de señales digitales se desarrolla en torno a la teoría, implementación y aplicación del procesamiento de señales digitales. El desarrollo teórico del procesamiento de señales digitales ha promovido el desarrollo de aplicaciones de procesamiento de señales digitales. Por el contrario, la aplicación del procesamiento de señales digitales ha promovido la mejora de la teoría del procesamiento de señales digitales. La realización del procesamiento de señales digitales es un puente entre la teoría y la aplicación.
El procesamiento de señales digitales se basa en muchas disciplinas y su alcance es extremadamente amplio. Por ejemplo, en el campo de las matemáticas, el cálculo, la probabilidad y la estadística, los procesos estocásticos y el análisis numérico son herramientas básicas para el procesamiento de señales digitales y están estrechamente relacionados con la teoría de redes, señales y sistemas, cibernética, teoría de la comunicación y diagnóstico de fallas . Algunas disciplinas emergentes, como la inteligencia artificial, el reconocimiento de patrones, las redes neuronales, etc., son inseparables del procesamiento de señales digitales. Se puede decir que el procesamiento de señales digitales toma como base teórica muchos sistemas teóricos clásicos, y al mismo tiempo se convierte en la base teórica de una serie de disciplinas emergentes.
Los métodos de realización del procesamiento de señales digitales son generalmente los siguientes:
(1) Realice con software (como Fortran, lenguaje C) en una computadora de uso general (como una PC);
(2) Agregar un procesador acelerado dedicado al sistema informático de uso general;
(3) Se realiza mediante un microordenador de un solo chip de uso general (como MCS-51, serie 96, etc.). Este método se puede utilizar para un procesamiento de señales digitales menos complicado, como el control digital, etc .;
(4) Realice con un chip DSP programable general. En comparación con las microcomputadoras de un solo chip, los chips DSP tienen recursos de software y hardware más adecuados para el procesamiento de señales digitales y se pueden utilizar para algoritmos complejos de procesamiento de señales digitales;
(5) Realice con un chip DSP dedicado. En algunas ocasiones especiales, la velocidad de procesamiento de la señal requerida es extremadamente alta, lo que es difícil de lograr con chips DSP de propósito general, como chips DSP dedicados a FFT, filtrado digital, convolución y algoritmos relacionados. Este chip integra los algoritmos de procesamiento de señales correspondientes. El chip se implementa en hardware sin programación.
Entre los métodos anteriores, la desventaja del primer método es que es más lento y generalmente se puede usar para la simulación de algoritmos DSP; los métodos segundo y quinto son muy específicos y su aplicación está muy restringida. El segundo método también es inconveniente para el funcionamiento independiente del sistema; el tercer método solo es adecuado para implementar algoritmos DSP simples; solo el cuarto método abre nuevas posibilidades para la aplicación del procesamiento de señales digitales
Aunque la teoría del procesamiento de señales digitales se ha desarrollado rápidamente, antes de la década de 1980, debido a la limitación de los métodos de implementación, la teoría del procesamiento de señales digitales no se ha utilizado ampliamente. No fue hasta el nacimiento del primer chip DSP programable de un solo chip del mundo a fines de la década de 1970 y principios de la de 1980 que los resultados de la investigación teórica se aplicaron ampliamente a sistemas prácticos de bajo costo y promovieron el desarrollo de nuevas teorías y campos de aplicación. No es exagerado decir que el nacimiento y el desarrollo de los chips DSP han jugado un papel muy importante en el desarrollo tecnológico de las comunicaciones, las computadoras, el control y otros campos en los últimos 20 años.
En un sistema DSP, la señal de entrada puede tener varias formas. Por ejemplo, puede ser una señal de voz emitida por un micrófono o una señal de datos modulada desde una línea telefónica, o una señal de imagen de cámara que se codifica y transmite en un enlace digital o se almacena en una computadora.
La señal de entrada se somete primero a un filtrado y muestreo de banda limitada, y luego se realiza la conversión A / D (analógica a digital) para convertir la señal en un flujo de bits digital. De acuerdo con el teorema de muestreo de Nyquist, para garantizar que no se pierda información, la frecuencia de muestreo debe ser al menos el doble de la frecuencia más alta de la señal de entrada limitada por banda.
La entrada del chip DSP es la señal digital expresada en forma de muestreo obtenida después de la conversión A / D. El chip DSP realiza algún tipo de procesamiento en la señal digital de entrada, como una serie de operaciones de multiplicación y acumulación (MAC). El procesamiento digital es la clave del DSP, que es muy diferente de otros sistemas (como los sistemas de conmutación telefónica). En el sistema de conmutación, la función del procesador es realizar la selección de enrutamiento y no modifica los datos de entrada. Por lo tanto, aunque ambos son sistemas de tiempo real, sus limitaciones de tiempo real son bastante diferentes. Finalmente, las muestras digitales procesadas se convierten en muestras analógicas mediante conversión D / A (digital a analógica), y luego se realiza la interpolación y el filtrado de suavizado para obtener formas de onda analógicas continuas.
Debe señalarse que el modelo de sistema DSP que se proporciona anteriormente es un modelo típico, pero no todos los sistemas DSP deben tener todos los componentes del modelo. Por ejemplo, el sistema de reconocimiento de voz no es una forma de onda continua en la salida, sino el resultado del reconocimiento, como números, texto, etc .; Algunas señales de entrada son señales digitales (como CD Compact Disk), por lo que no es necesario realizar una conversión de analógico a digital.
El sistema de procesamiento de señales digitales se basa en el procesamiento de señales digitales, por lo que tiene todas las ventajas del procesamiento digital:
(1) Interfaz conveniente. Los sistemas DSP son compatibles con otros sistemas o dispositivos basados en tecnología digital moderna. Es mucho más fácil interactuar con tales sistemas para implementar ciertas funciones que con sistemas analógicos para interactuar con estos sistemas;
(2) Fácil de programar. El chip DSP programable en el sistema DSP permite a los diseñadores modificar y actualizar el software de manera flexible y conveniente durante el proceso de desarrollo;
(3) Buena estabilidad. El sistema DSP se basa en el procesamiento digital, se ve menos afectado por la temperatura ambiente y el ruido y tiene una alta fiabilidad;
(4) Alta precisión. El sistema digital de 16 bits puede alcanzar una precisión de 10 ^ (- 5);
(5) Buena repetibilidad. El rendimiento del sistema analógico se ve muy afectado por los cambios de rendimiento de los parámetros de los componentes, mientras que el sistema digital básicamente no se ve afectado, por lo que el sistema digital es conveniente para pruebas, depuración y producción en masa;
(6) Integración conveniente. Los componentes digitales del sistema DSP están altamente estandarizados, lo que facilita la integración a gran escala.
Por supuesto, el procesamiento de señales digitales también tiene ciertas deficiencias. Por ejemplo, para tareas simples de procesamiento de señales, como una interfaz telefónica con una línea de conmutación analógica, el uso de DSP aumentará el costo. El reloj de alta velocidad del sistema DSP puede causar problemas como interferencias de alta frecuencia y fugas electromagnéticas, y el sistema DSP consume mucha energía. Además, la tecnología D SP se actualiza rápidamente, requiere muchos conocimientos matemáticos y las herramientas de desarrollo y depuración no son perfectas.
Aunque el sistema DSP tiene algunas deficiencias, sus ventajas sobresalientes lo han hecho cada vez más utilizado en muchos campos como la comunicación, la voz, la imagen, el radar, la biomedicina, el control industrial y la instrumentación.
En general, no existe un método de diseño formal muy bueno para el diseño de sistemas DSP.
Antes de diseñar un sistema DSP, primero debe determinar los indicadores de rendimiento del sistema y los requisitos de procesamiento de señales de acuerdo con los objetivos del sistema de aplicación, que generalmente se pueden describir mediante diagramas de flujo de datos, secuencias de operaciones matemáticas, símbolos formales o lenguaje natural.
El segundo paso es simular el lenguaje de alto nivel de acuerdo con los requisitos del sistema. En términos generales, para lograr el objetivo final del sistema, la señal de entrada debe procesarse correctamente y los diferentes métodos de procesamiento conducirán a un rendimiento diferente del sistema. Para obtener el mejor rendimiento del sistema, debe determinar cuál es el mejor en este paso. El método de procesamiento es el algoritmo de procesamiento de señales digitales (algoritmo), por lo que este paso también se denomina etapa de simulación del algoritmo. Por ejemplo, el algoritmo de codificación de compresión de voz es para obtener la mejor voz sintetizada con una determinada relación de compresión. Los datos de entrada utilizados para la simulación del algoritmo se obtienen mediante la recopilación de señales reales y, por lo general, se almacenan como un archivo de datos en forma de archivo de computadora. Por ejemplo, la señal de voz utilizada en la simulación del algoritmo de codificación de compresión de voz se recopila y almacena realmente como un archivo de datos de voz en forma de archivo de computadora. Los datos de entrada utilizados en algunas simulaciones de algoritmos no tienen que ser necesariamente los datos reales de la señal recopilada. Siempre que se pueda verificar la viabilidad del algoritmo, también es posible ingresar datos hipotéticos.
Después de completar el segundo paso, el siguiente paso es diseñar un sistema DSP en tiempo real. El diseño de un sistema DSP en tiempo real incluye diseño de hardware y diseño de software. El diseño del hardware debe seleccionar primero el chip DSP apropiado de acuerdo con el tamaño de los cálculos del sistema, los requisitos para la precisión del cálculo, las restricciones de costos del sistema y los requisitos de volumen y consumo de energía. Luego diseñe el circuito periférico y otros circuitos del chip DSP. El diseño y la programación del software se basan principalmente en los requisitos del sistema y el chip DSP seleccionado para escribir el programa de ensamblaje DSP correspondiente. Si el sistema tiene una pequeña cantidad de cálculo y es compatible con un compilador de lenguaje de alto nivel, también se puede programar en un lenguaje de alto nivel (como el lenguaje C). Dado que la eficiencia de los compiladores de lenguaje de alto nivel existentes no es tan eficiente como la de escribir manualmente el lenguaje ensamblador, a menudo se usa un método de programación mixto de lenguaje de alto nivel y lenguaje ensamblador en los sistemas de aplicación reales. El método de escritura es escribir en lenguaje ensamblador, mientras que el lenguaje de alto nivel se usa cuando la cantidad de cálculo no es grande. El uso de este método no solo puede acortar el ciclo de desarrollo de software, mejorar la legibilidad y la portabilidad del programa, sino también cumplir con los requisitos de operación en tiempo real del sistema.
Una vez completado el diseño del hardware y software del DSP, es necesario depurar el hardware y el software. La depuración de software generalmente recurre a herramientas de desarrollo DSP, como simuladores de software, sistemas de desarrollo DSP o emuladores. Al depurar algoritmos DSP, generalmente se adopta el método de comparar resultados en tiempo real y resultados de simulación. Si la entrada del programa en tiempo real y el programa de simulación son iguales, la salida de los dos debería ser la misma. Otro software del sistema de aplicación se puede depurar de acuerdo con la situación real. La depuración de hardware generalmente utiliza un emulador de hardware para depurar. Si no hay un emulador de hardware correspondiente y el sistema de hardware no es muy complicado, también se puede depurar con la ayuda de herramientas generales.
Una vez que el software y el hardware del sistema se depuran por separado, el software puede separarse del sistema de desarrollo y ejecutarse directamente en el sistema de la aplicación. Por supuesto, el desarrollo del sistema DSP, especialmente el desarrollo de software, es un proceso que debe repetirse. Aunque el rendimiento del sistema en tiempo real se puede conocer básicamente a través de la simulación de algoritmos, de hecho, el entorno de simulación no puede ser completamente coherente con el entorno del sistema en tiempo real. Al migrar un algoritmo de simulación a un sistema en tiempo real, es necesario considerar si el algoritmo puede ejecutarse en tiempo real. Si la complejidad computacional del algoritmo es demasiado grande para ejecutarse en el hardware en tiempo real, el algoritmo debe revisarse o simplificarse.
El chip DSP, también conocido como procesador de señales digitales, es un microprocesador especialmente adecuado para operaciones de procesamiento de señales digitales. Su principal aplicación es realizar varios algoritmos de procesamiento de señales digitales en tiempo real y rápidamente. De acuerdo con los requisitos del procesamiento de señales digitales, los chips DSP generalmente tienen las siguientes características principales:
(1) Se puede completar una multiplicación y una suma en un ciclo de instrucción;
(2) El programa y el espacio de datos están separados y se puede acceder a las instrucciones y los datos al mismo tiempo;
(3) Hay una RAM rápida en el chip, a la que generalmente se puede acceder simultáneamente en dos bloques a través de buses de datos independientes;
(4) Soporte de hardware con poca sobrecarga o sin bucle y salto;
(5) Procesamiento de interrupciones rápidas y soporte de E / S de hardware;
(6) Múltiples generadores de direcciones de hardware que operan en un solo ciclo;
(7) Se pueden realizar múltiples operaciones en paralelo;
(8) Apoyar la operación de la canalización, de modo que las operaciones como la obtención, decodificación y ejecución se puedan realizar superpuestas.
Por supuesto, en comparación con los microprocesadores de propósito general, otras funciones de propósito general de los chips DSP son relativamente débiles.
Desarrollo de chips DSP
El primer chip DSP de un solo chip del mundo debería ser el S2811 lanzado por AMI en 1978. El dispositivo comercial programable 2920 lanzado por Intel en 1979 fue un hito importante para los chips DSP. Ninguno de los chips tiene el multiplicador de ciclo único necesario para los chips DSP modernos. En 1980, el μP D7720 introducido por NEC Corporation de Japón fue el primer chip DSP comercial con un multiplicador.
Después de eso, los chips DSP de mayor éxito fueron una serie de productos de Texas Instruments (TI). TI lanzó con éxito su chip DSP de primera generación TMS32010 y sus productos de la serie TMS32011, TMS320C10 / C14 / C15 / C16 / C17 en 1982, y luego introdujo sucesivamente el chip DSP de segunda generación TMS32020, TMS320C25 / C26 / C28 y la tercera generación Chip DSP TMS320C30 / C31 / C32, chip DSP de cuarta generación TMS320C40 / C44, chip DSP de quinta generación TMS320C5X / C54X, chip DSP de segunda generación mejorado TMS320C2XX, chip DSP de alto rendimiento TMS320C8X que integra varios chips DSP Y actualmente el chip DSP de sexta generación más rápido TMS320C62 / C67X, etc. TI resume los chips DSP de uso común en tres series, a saber: la serie TMS320C2000 (incluida la serie TMS320C2X / C2XX), la serie TMS320C5000 (incluida la TMS320C5X / C54X / C55X) y la serie TMS320C6000 (TMS320C62X / C67X). Hoy en día, la serie de productos DSP de TI se ha convertido en los chips DSP más influyentes del mundo. TI también se ha convertido en el proveedor de chips DSP más grande del mundo, y su participación en el mercado de DSP representa casi el 50% de la participación mundial.
La primera en utilizar la tecnología CMOS para producir chips DSP de punto flotante fue la empresa japonesa Hitachi, que introdujo chips DSP de punto flotante en 1982. En 1983, el MB8764 lanzado por Fujitsu, Japón, tenía un ciclo de instrucción de 120 n y tenía buses internos duales. , que dio un gran salto en el rendimiento del procesamiento. El primer chip DSP de punto flotante de alto rendimiento debería ser el DSP32 lanzado por AT&T en 1984.
En comparación con otras empresas, Motorola está relativamente tarde en el lanzamiento de chips DSP. En 1986, la empresa presentó el procesador de punto fijo MC56001. En 1990, introdujo el chip DSP de punto flotante MC96002 compatible con el formato de punto flotante IEEE.
American Analog Devices (Analog Devices, AD para abreviar) también ocupa una cierta participación en el mercado de chips DSP, y ha introducido sucesivamente una serie de chips DSP con características propias. Sus chips DSP de punto fijo incluyen ADSP2101 / 2103/2105, ASDP2111 / 2115, ADSP2161 / 2162/2164 y ADSP2171 / 2181, los chips DSP de punto flotante incluyen ADSP21000 / 21020, ADSP21060 / 21062, etc. desarrollado a pasos agigantados, y los chips DSP se han vuelto cada vez más utilizados. Desde la perspectiva de la velocidad de cálculo, el tiempo de MAC (una multiplicación y una adición) se ha reducido de 1980ns (como TMS400) a principios de la década de 32010 a menos de 1980ns (como TMS10C320X, TMS54C320X / 62X, etc.), y el La capacidad de procesamiento se ha incrementado varias veces. Los componentes clave del multiplicador dentro del chip DSP han caído de alrededor del 67% del área del diearea en 40 a menos del 1980%, y la cantidad de RAM en el chip ha aumentado en más de un orden de magnitud. En términos de proceso de fabricación, 5μm se adoptó en 4
El proceso MOS de canal N (NMOS) se adopta generalmente, pero ahora se usa generalmente el proceso CMOS submicrónico (Micron). El número de pines de un chip DSP ha aumentado de un máximo de 64 en 1980 a más de 200 ahora. El aumento en el número de pines significa un aumento en la flexibilidad estructural, como la expansión de la memoria externa y la comunicación entre procesadores. Además, el desarrollo de chips DSP ha reducido en gran medida el costo, el volumen, el peso y el consumo de energía de los sistemas DSP. La Tabla 1.1 es una tabla comparativa de los chips DSP de TI en 1982, 1992 y 1999. La Tabla 1.2 contiene algunos datos de chips representativos de los principales proveedores de chips DSP del mundo.
Los chips DSP se pueden clasificar de las siguientes tres formas.
1. Según características básicas
Esto se clasifica según el reloj de trabajo y el tipo de instrucción del chip DSP. Si en cualquier frecuencia de reloj dentro de un cierto rango de frecuencia de reloj, el chip DSP puede funcionar normalmente, excepto por el cambio en la velocidad de cálculo, no hay degradación del rendimiento. Este tipo de chip DSP generalmente se denomina chip DSP estático. Por ejemplo, el chip DSP de Japan OKI Electric Company, el chip de la serie TMS320C2XX de TI Company pertenecen a este tipo de categoría.
Si hay dos o más chips DSP, sus conjuntos de instrucciones y las correspondientes estructuras de pines de máquina de código de máquina son compatibles entre sí, entonces este tipo de chip DSP se denomina chip DSP consistente. Por ejemplo, el TMS320C54X de TI de los Estados Unidos entra en esta categoría.
2. Según formato de datos
Esto se clasifica según el formato de datos de trabajo del chip DSP. Los chips DSP cuyos datos funcionan en un formato de punto fijo se denominan chips DSP de punto fijo, como los de TI TMS320C1X / C2X, TMS320C2XX / C5X, TMS320C54X / C62XX series, AD's ADSP21XX series, AT&T's DSP16 / 16A y Motolora's MC56000. Los chips DSP de punto flotante que funcionan en formato de punto flotante se denominan chips DSP de punto flotante, como TMS320C3X / C4X / C8X de TI, la serie ADSP21XXX de AD, DSP32 / 32C de AT&T, MC96002 de Motolora, etc.
Los formatos de punto flotante utilizados por diferentes chips DSP de punto flotante no son exactamente los mismos. Algunos chips DSP utilizan formatos de punto flotante personalizados, como TMS320C3X, mientras que algunos chips DSP utilizan formatos de punto flotante estándar IEEE, como el MC96002 de Motorola, el MB86232 de FUJITSU y el ZR35325 de ZORAN, etc.
3. Según finalidad
Según el propósito de DSP, se puede dividir en chip DSP de uso general y chip DSP de propósito especial. Los chips DSP de uso general son adecuados para aplicaciones DSP ordinarias. Por ejemplo, una serie de chips DSP de TI Company son chips DSP de uso general. El chip DSP dedicado está diseñado para operaciones DSP específicas y es más adecuado para operaciones especiales, como filtrado digital, convolución y FFT. Por ejemplo, el DSP56200 de Motorola, el ZR34881 de Zoran, el IMSA100 de Inmos, etc. pertenecen al chip DSP dedicado.
Este libro analiza principalmente los chips DSP de uso general.
La elección del sistema de aplicación DSP del diseño del chip DSP, la elección del chip DSP es un vínculo muy importante. Solo cuando se selecciona el chip DSP, se pueden diseñar más los circuitos periféricos y otros circuitos del sistema. En general, la elección del chip DSP debe determinarse de acuerdo con las necesidades reales del sistema de aplicación. Los diferentes sistemas de aplicación DSP tienen diferentes opciones de chips DSP debido a diferentes ocasiones de aplicación y propósitos de aplicación. En términos generales, se deben considerar los siguientes factores al elegir un chip DSP.
1. La velocidad de funcionamiento del chip DSP.
La velocidad de operación es uno de los indicadores de rendimiento más importantes de los chips DSP, y también es un factor importante que debe tenerse en cuenta al elegir los chips DSP. La velocidad de cálculo de los chips DSP se puede medir mediante los siguientes indicadores de rendimiento:
(1) Ciclo de instrucción: el tiempo requerido para ejecutar una instrucción, generalmente en ns (nanosegundos). Por ejemplo, el ciclo de instrucción de TMS320LC549-80 cuando la frecuencia principal es 80MHz es 12.5ns;
(2) MAC time: el tiempo de una multiplicación más una suma. La mayoría de los chips DSP pueden completar una operación de multiplicación y suma en un ciclo de instrucción. Por ejemplo, el tiempo MAC de TMS320LC549-80 es 12.5ns;
(3) Tiempo de ejecución de FFT: el tiempo necesario para ejecutar un programa FFT de N puntos. Dado que las operaciones involucradas en la operación FFT son muy representativas en el procesamiento de señales digitales, el tiempo de operación FFT se usa a menudo como un indicador para medir la potencia de cálculo del chip DSP;
(4) MIPS: es decir, se ejecutan millones de instrucciones por segundo. Por ejemplo, la capacidad de procesamiento de TMS320LC549-80 es 80 MIPS, es decir, se pueden ejecutar 80 millones de instrucciones por segundo;
(5) MOPS: Es decir, se realizan millones de operaciones por segundo. Por ejemplo, la potencia de cálculo de TMS320C40 es 275 MOPS;
(6) MFLOPS: Es decir, se realizan millones de operaciones de punto flotante por segundo. Por ejemplo, la capacidad de procesamiento de TMS320C31 cuando la frecuencia principal es 40MHz es 40 MFLOPS;
(7) BOPS: Es decir, se realizan mil millones de operaciones por segundo. Por ejemplo, la capacidad de procesamiento de TMS320C80 es 2 BOPS.
2. El precio de los chips DSP.
El precio del chip DSP también es un factor importante a considerar al elegir un chip DSP. Si se usa un chip DSP costoso, incluso si el rendimiento es alto, su rango de aplicación definitivamente será limitado, especialmente para productos civiles. Por lo tanto, de acuerdo con la aplicación del sistema real, es necesario determinar un chip DSP asequible. Por supuesto, debido al rápido desarrollo de los chips DSP, el precio de los chips DSP tiende a bajar con relativa rapidez. Por lo tanto, se selecciona un chip DSP un poco más caro en la etapa de desarrollo. Cuando se desarrolla el sistema, su precio puede haber bajado a la mitad o más.
3. Los recursos de hardware del chip DSP.
Los recursos de hardware proporcionados por diferentes chips DSP son diferentes, como la cantidad de RAM y ROM en el chip, espacio de datos y programa expandible externamente, interfaz de bus, interfaz de E / S, etc. Incluso si es la misma serie de chips DSP (como la serie TMS320C54X de TI), los diferentes chips DSP de la serie tienen diferentes recursos de hardware internos y pueden adaptarse a diferentes necesidades.
4. La precisión aritmética del chip DSP.
La longitud de palabra de los chips DSP de punto fijo generales es de 16 bits, como la serie TMS320. Pero algunas empresas tienen chips de punto fijo de 24 bits, como el MC56001 de Motorola. La longitud de palabra de un chip de coma flotante es generalmente de 32 bits y el acumulador es de 40 bits.
5. Herramientas de desarrollo para chips DSP.
En el proceso de desarrollo del sistema DSP, las herramientas de desarrollo son indispensables. Sin el apoyo de herramientas de desarrollo, es casi imposible desarrollar un sistema DSP complejo. Si existe el soporte de herramientas de desarrollo poderosas, como el soporte del lenguaje C, el tiempo de desarrollo se acortará considerablemente. Por lo tanto, al elegir un chip DSP, se debe prestar atención al soporte de sus herramientas de desarrollo, incluidas las herramientas de desarrollo de software y hardware.
6. El consumo de energía del chip DSP.
En algunas aplicaciones de DSP, el consumo de energía también es un problema que requiere una atención especial. Por ejemplo, los dispositivos DSP portátiles, los dispositivos portátiles y los dispositivos DSP para aplicaciones de campo tienen requisitos especiales para el consumo de energía. En la actualidad, los chips DSP de baja potencia y alta velocidad alimentados por 3.3V se han utilizado ampliamente.
7. otro.
Además de los factores anteriores, la elección del chip DSP también debe considerar la forma de empaque, estándares de calidad, disponibilidad, ciclo de vida, etc. Algunos chips DSP pueden tener múltiples formas de empaque como DIP, PGA, PLCC y PQFP. Algunos sistemas DSP pueden, en última instancia, requerir estándares de grado industrial o militar. Al elegir, debe prestar atención a si el chip seleccionado tiene un producto similar de grado industrial o militar. Si el sistema DSP diseñado no es solo un sistema experimental, sino que necesita producción en masa y puede tener un ciclo de vida de varios años o incluso más de diez años, entonces debe considerar el suministro del chip DSP seleccionado y si tiene el mismo o incluso un ciclo de vida más largo y así sucesivamente.
Entre los muchos factores mencionados anteriormente, en términos generales, el precio del chip DSP de punto fijo es más barato, el consumo de energía es menor, pero la precisión del cálculo es ligeramente menor. Las ventajas de los chips DSP de punto flotante son la alta precisión de operación y la programación y depuración convenientes en lenguaje C, pero son un poco más costosos y consumen más energía. Por ejemplo, las series TMS320C2XX / C54X de TI son chips DSP de punto fijo, con bajo consumo de energía y bajo costo como características principales. El TMS320C3X / C4X / C67X es un chip DSP de punto flotante con alta precisión aritmética, programación conveniente en lenguaje C y ciclo de desarrollo corto, pero al mismo tiempo su precio y consumo de energía son relativamente altos.
La carga computacional del sistema de aplicación DSP es la base para determinar la elección de un chip DSP con capacidad de procesamiento. Si la cantidad de cálculo es pequeña, puede elegir un chip DSP con menos potencia de procesamiento, lo que puede reducir el costo del sistema. Por el contrario, un sistema DSP con una gran cantidad de cálculos debe elegir un chip DSP con una gran capacidad de procesamiento. Si la capacidad de procesamiento del chip DSP no puede cumplir con los requisitos del sistema, debe utilizar varios chips DSP para el procesamiento en paralelo. Entonces, ¿cómo determinar la cantidad de cálculo del sistema DSP para seleccionar el chip DSP? Consideremos dos casos a continuación.
1. Procesamiento de muestras
El denominado procesamiento de puntos de muestra es que el algoritmo DSP realiza un bucle una vez para cada punto de muestra de entrada. Este es el caso del filtrado digital. En los filtros digitales, generalmente es necesario calcular una vez para cada punto de muestra de entrada. Por ejemplo, un filtro FIR adaptativo de 256 tomas que utiliza el algoritmo LMS, asumiendo que el cálculo de cada toma requiere 3 ciclos MAC, el cálculo de 256 tomas requiere 256 × 3 = 768 ciclos MAC. Si la frecuencia de muestreo es de 8 kHz, es decir, el intervalo entre muestras es de 125 ms y el ciclo MAC del chip DSP es de 200 ns, 768 ciclos MAC requieren 153.6 ms, que obviamente no se pueden procesar en tiempo real, y un DSP de mayor velocidad. es necesario seleccionar el chip. La Tabla 1.3 muestra los requisitos de procesamiento de los dos anchos de banda de señal en los tres chips DSP. Los ciclos MAC de los tres chips DSP son 200ns, 50ns y 25ns, respectivamente. Se puede ver en la tabla que los dos últimos chips DSP se pueden implementar en tiempo real para la aplicación del cinturón de diálogo. Para aplicaciones de audio, solo el tercer chip DSP puede procesar en tiempo real. Por supuesto, en este ejemplo, no se consideran otros cálculos.
2. Procesamiento por cuadro Algunos algoritmos de procesamiento de señales digitales no se repiten una vez para cada muestra de entrada, sino que se repiten una vez cada cierto intervalo de tiempo (generalmente llamado marco). Por ejemplo, el algoritmo de codificación de voz de velocidad media y baja generalmente toma 10 ms o 20 ms como trama, y el algoritmo de codificación de voz se repite una vez cada 10 ms o 20 ms. Por lo tanto, al elegir un chip DSP, debe comparar la capacidad de procesamiento del chip DSP en una trama con la cantidad de cálculo del algoritmo DSP. Suponga que el ciclo de instrucción del chip DSP es p (ns) y el tiempo de una trama es Dt
(Ns), entonces la cantidad máxima de cálculo que el chip DSP puede proporcionar en un cuadro son instrucciones Dt / p. Por ejemplo, el ciclo de instrucción de TMS320LC549-80 es 12.5ns, y si la longitud de la trama es 20ms, la cantidad máxima de operaciones que TMS320LC549-80 puede proporcionar en una trama es 1.6 millones de instrucciones. Por lo tanto, siempre que la cantidad de cálculo del algoritmo de codificación de voz no supere los 1.6 millones de instrucciones, se puede ejecutar en tiempo real en el TMS320LC549-80.
Aplicación de chip DSP
Desde el nacimiento de los chips DSP a fines de la década de 1970 y principios de la de 1980, los chips DSP se han desarrollado rápidamente. El rápido desarrollo de los chips DSP se ha beneficiado del desarrollo de la tecnología de circuitos integrados por un lado y del enorme mercado por el otro. En los últimos 20 años, los chips DSP se han utilizado ampliamente en muchos campos, como el procesamiento de señales, las comunicaciones y el radar. En la actualidad, el precio de los chips DSP es cada vez más bajo, y la relación precio-rendimiento aumenta día a día, lo que tiene un enorme potencial de aplicación. Las principales aplicaciones de los chips DSP son:
(1) Procesamiento de señales, como filtrado digital, filtrado adaptativo, transformada rápida de Fourier, cálculo de correlación, análisis de espectro, convolución, coincidencia de patrones, creación de ventanas, generación de formas de onda, etc .;
(2) Comunicación, como módem, ecualización adaptativa, cifrado de datos, compresión de datos, cancelación de eco, multiplexación, fax, comunicación de espectro ensanchado, codificación de corrección de errores, videoteléfono, etc .;
(3) Voz, como codificación de voz, síntesis de voz, reconocimiento de voz, mejora de voz, identificación de orador, confirmación de orador, correo de voz, almacenamiento de voz, etc .;
(4) Gráficos / imágenes, como procesamiento de gráficos bidimensionales y tridimensionales, compresión y transmisión de imágenes, mejora de imágenes, animación, visión de robot, etc .;
(5) Militar, como comunicaciones confidenciales, procesamiento de radar, procesamiento de sonar, navegación, guía de misiles, etc .;
(6) Instrumentos y medidores, como análisis de espectro, generación de funciones, bucle de bloqueo de fase, procesamiento sísmico, etc .;
(7) Control automático, como control de motor, control de voz, conducción automática, control de robot, control de disco, etc .;
(8) Tratamiento médico, como audífonos, equipos de ultrasonido, herramientas de diagnóstico, monitoreo de pacientes, etc .;
(9) Electrodomésticos, como audio de alta fidelidad, síntesis de música, control de tono, juguetes y juegos, teléfonos / televisores digitales, etc.
Con la mejora continua de la relación rendimiento-precio de los chips DSP, es previsible que los chips DSP se utilicen más ampliamente en más campos.
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