Digitale signaalverwerking (DSP) is een opkomend onderwerp waarbij veel disciplines betrokken zijn en dat op veel gebieden veel wordt gebruikt. Sinds de jaren zestig, met de snelle ontwikkeling van computer- en informatietechnologie, is de digitale signaalverwerkingstechnologie opgekomen en snel ontwikkeld. In de afgelopen twee decennia is digitale signaalverwerking op grote schaal gebruikt in communicatie en andere gebieden.
Digitale signaalverwerking is het gebruik van computers of speciale verwerkingsapparatuur om signalen in digitale vorm te verzamelen, transformeren, filteren, schatten, verbeteren, comprimeren en identificeren om een signaalvorm te verkrijgen die aan de behoeften van mensen voldoet. Digitale signaalverwerking is ontwikkeld rond de theorie, implementatie en toepassing van digitale signaalverwerking. De theoretische ontwikkeling van digitale signaalverwerking heeft de ontwikkeling van digitale signaalverwerkingstoepassingen bevorderd. Omgekeerd heeft de toepassing van digitale signaalverwerking de verbetering van de theorie van digitale signaalverwerking bevorderd. De realisatie van digitale signaalverwerking is een brug tussen theorie en toepassing
Digitale signaalverwerking is gebaseerd op vele disciplines en het toepassingsgebied is extreem breed. Op het gebied van bijvoorbeeld wiskunde zijn calculus, waarschijnlijkheid en statistiek, stochastische processen en numerieke analyse allemaal basisinstrumenten voor digitale signaalverwerking en zijn ze nauw verwant aan netwerktheorie, signaal en systeem, cybernetica, communicatietheorie en foutdiagnose . Sommige nieuw opkomende disciplines, zoals kunstmatige intelligentie, patroonherkenning, neurale netwerken, enz., zijn onlosmakelijk verbonden met digitale signaalverwerking. Het kan worden gezegd dat digitale signaalverwerking veel klassieke theoretische systemen als theoretische basis neemt, en tegelijkertijd de theoretische basis vormt van een reeks opkomende disciplines.
De realisatiemethoden van digitale signaalverwerking zijn over het algemeen als volgt:
(1) Realiseren met software (zoals Fortran, C-taal) op een computer voor algemeen gebruik (zoals pc);
(2) Voeg een speciale versnelde processor toe aan het algemene computersysteem;
(3) Het wordt gerealiseerd door een microcomputer met één chip voor algemeen gebruik (zoals MCS-51, 96-serie, enz.). Deze methode kan worden gebruikt voor minder gecompliceerde digitale signaalverwerking, zoals digitale besturing, enz.;
(4) Realiseer met een algemeen programmeerbare DSP-chip. Vergeleken met microcomputers met één chip, hebben DSP-chips software- en hardwarebronnen die meer geschikt zijn voor digitale signaalverwerking en kunnen ze worden gebruikt voor complexe algoritmen voor digitale signaalverwerking;
(5) Realiseer met een speciale DSP-chip. In sommige speciale gelegenheden is de vereiste signaalverwerkingssnelheid extreem hoog, wat moeilijk te bereiken is met DSP-chips voor algemene doeleinden, zoals DSP-chips speciaal voor FFT, digitale filtering, convolutie en gerelateerde algoritmen. Deze chip integreert de bijbehorende signaalverwerkingsalgoritmen. De chip is hardwarematig geïmplementeerd zonder te programmeren.
Van de bovenstaande methoden is het nadeel van de eerste methode dat deze langzamer is en in het algemeen kan worden gebruikt voor de simulatie van DSP-algoritmen; de tweede en vijfde methode zijn zeer specifiek en hun toepassing is zeer beperkt. De tweede methode is ook Het is onhandig voor de onafhankelijke werking van het systeem; de derde methode is alleen geschikt voor het implementeren van eenvoudige DSP-algoritmen; alleen de vierde methode opent nieuwe mogelijkheden voor de toepassing van digitale signaalverwerking
Hoewel de theorie van digitale signaalverwerking zich vóór de jaren tachtig snel heeft ontwikkeld, vanwege de beperking van implementatiemethoden, is de theorie van digitale signaalverwerking niet op grote schaal gebruikt. Pas bij de geboorte van 's werelds eerste programmeerbare DSP-chip met één chip in de late jaren zeventig en vroege jaren tachtig werden de theoretische onderzoeksresultaten op grote schaal toegepast op goedkope praktische systemen en bevorderden ze de ontwikkeling van nieuwe theorieën en toepassingsgebieden. Het is niet overdreven om te zeggen dat de geboorte en ontwikkeling van DSP-chips de afgelopen 1980 jaar een zeer belangrijke rol hebben gespeeld in de technologische ontwikkeling van communicatie, computers, controle en andere gebieden.
In een DSP-systeem kan het ingangssignaal verschillende vormen hebben. Het kan bijvoorbeeld een spraaksignaal zijn dat wordt uitgevoerd door een microfoon of een gemoduleerd datasignaal van een telefoonlijn, of een camerabeeldsignaal dat wordt gecodeerd en verzonden via een digitale link of wordt opgeslagen in een computer.
Het ingangssignaal wordt eerst onderworpen aan bandbeperkte filtering en bemonstering, en vervolgens wordt A/D-conversie (analoog naar digitaal) uitgevoerd om het signaal om te zetten in een digitale bitstroom. Volgens de bemonsteringsstelling van Nyquist moet de bemonsteringsfrequentie ten minste tweemaal de hoogste frequentie van het ingangsbandbeperkte signaal zijn om ervoor te zorgen dat er geen informatie verloren gaat.
De ingang van de DSP-chip is het digitale signaal, uitgedrukt in bemonsteringsvorm, verkregen na A/D-conversie. De DSP-chip voert een of andere vorm van verwerking uit op het digitale ingangssignaal, zoals een reeks vermenigvuldig- en accumulatiebewerkingen (MAC). Digitale verwerking is de sleutel tot DSP, dat heel anders is dan andere systemen (zoals telefoonschakelsystemen). In het schakelsysteem is de rol van de processor het uitvoeren van routeringsselectie en wijzigt het de invoergegevens niet. Daarom, hoewel beide real-time systemen zijn, zijn hun real-time beperkingen behoorlijk verschillend. Ten slotte worden de verwerkte digitale samples omgezet in analoge samples door middel van D/A (digitaal naar analoog) conversie, en vervolgens worden interpolatie en afvlakkingsfiltering uitgevoerd om continue analoge golfvormen te verkrijgen.
Opgemerkt moet worden dat het hierboven gegeven DSP-systeemmodel een typisch model is, maar niet alle DSP-systemen moeten alle componenten in het model hebben. Het spraakherkenningssysteem is bijvoorbeeld geen continue golfvorm aan de uitgang, maar het herkenningsresultaat, zoals cijfers, tekst, enz.; sommige ingangssignalen zijn digitale signalen (zoals CD Compact Disk), dus het is niet nodig om een analoog-naar-digitaal conversie uit te voeren.
Het digitale signaalverwerkingssysteem is gebaseerd op digitale signaalverwerking en heeft dus alle voordelen van digitale verwerking:
(1) Handige interface. DSP-systemen zijn compatibel met andere systemen of apparaten op basis van moderne digitale technologie. Het is veel gemakkelijker om met dergelijke systemen te communiceren om bepaalde functies te implementeren dan met analoge systemen om met deze systemen te communiceren;
(2) Eenvoudig te programmeren. Dankzij de programmeerbare DSP-chip in het DSP-systeem kunnen ontwerpers de software tijdens het ontwikkelingsproces flexibel en gemakkelijk aanpassen en upgraden;
(3) Goede stabiliteit. Het DSP-systeem is gebaseerd op digitale verwerking, wordt minder beïnvloed door omgevingstemperatuur en ruis en heeft een hoge betrouwbaarheid;
(4) Hoge precisie. Het 16-bits digitale systeem kan een nauwkeurigheid van 10^(-5) bereiken;
(5) Goede herhaalbaarheid. De prestaties van het analoge systeem worden sterk beïnvloed door de prestatieveranderingen van de componentparameters, terwijl het digitale systeem in principe niet wordt beïnvloed, dus het digitale systeem is handig voor testen, debuggen en massaproductie;
(6) Handige integratie. De digitale componenten in het DSP-systeem zijn sterk gestandaardiseerd, wat grootschalige integratie mogelijk maakt.
Natuurlijk heeft digitale signaalverwerking ook bepaalde tekortkomingen. Voor eenvoudige signaalverwerkingstaken, zoals een telefooninterface met een analoge schakellijn, zal het gebruik van DSP bijvoorbeeld de kosten verhogen. De snelle klok in het DSP-systeem kan problemen veroorzaken zoals hoogfrequente interferentie en elektromagnetische lekkage, en het DSP-systeem verbruikt veel stroom. Bovendien wordt de DSP-technologie snel bijgewerkt, vereist veel wiskundige kennis en zijn de ontwikkelings- en foutopsporingstools niet perfect.
Hoewel het DSP-systeem enkele tekortkomingen heeft, hebben de uitstekende voordelen ervoor gezorgd dat het steeds meer op veel gebieden wordt gebruikt, zoals communicatie, spraak, beeld, radar, biogeneeskunde, industriële controle en instrumentatie.
Over het algemeen is er geen erg goede formele ontwerpmethode voor het ontwerpen van DSP-systemen.
Voordat u een DSP-systeem ontwerpt, moet u eerst de prestatie-indicatoren en signaalverwerkingsvereisten van het systeem bepalen in overeenstemming met de doelen van het applicatiesysteem, die gewoonlijk kunnen worden beschreven door gegevensstroomdiagrammen, wiskundige bewerkingsreeksen, formele symbolen of natuurlijke taal.
De tweede stap is om de taal op hoog niveau te simuleren volgens de vereisten van het systeem. Over het algemeen moet het ingangssignaal, om het uiteindelijke doel van het systeem te bereiken, op de juiste manier worden verwerkt en verschillende verwerkingsmethoden leiden tot verschillende systeemprestaties. Om de beste systeemprestaties te krijgen, moet u in deze stap bepalen wat de beste is. De verwerkingsmethode is het algoritme van digitale signaalverwerking (algoritme), dus deze stap wordt ook wel de algoritme-simulatiefase genoemd. Het codeeralgoritme voor spraakcompressie is bijvoorbeeld bedoeld om de beste gesynthetiseerde spraak te verkrijgen onder een bepaalde compressieverhouding. De invoergegevens die voor algoritmesimulatie worden gebruikt, worden verkregen door feitelijke signalen te verzamelen en worden meestal opgeslagen als een gegevensbestand in de vorm van een computerbestand. Het spraaksignaal dat bij de simulatie van het coderingsalgoritme voor spraakcompressie wordt gebruikt, wordt bijvoorbeeld daadwerkelijk verzameld en opgeslagen als een spraakgegevensbestand in de vorm van een computerbestand. De invoergegevens die in sommige algoritmesimulaties worden gebruikt, hoeven niet noodzakelijk de daadwerkelijk verzamelde signaalgegevens te zijn. Zolang de haalbaarheid van het algoritme kan worden geverifieerd, is het ook mogelijk om hypothetische gegevens in te voeren.
Na het voltooien van de tweede stap, is de volgende stap het ontwerpen van een realtime DSP-systeem. Het ontwerp van een realtime DSP-systeem omvat hardwareontwerp en softwareontwerp. Het hardwareontwerp moet eerst de juiste DSP-chip selecteren op basis van de grootte van de systeemberekeningen, de vereisten voor de berekeningsnauwkeurigheid, de systeemkostenbeperkingen en de vereisten voor volume en stroomverbruik. Ontwerp vervolgens het perifere circuit en andere circuits van de DSP-chip. Het ontwerp en de programmering van software zijn voornamelijk gebaseerd op de systeemvereisten en de geselecteerde DSP-chip om het bijbehorende DSP-assemblageprogramma te schrijven. Als het systeem een kleine hoeveelheid rekenwerk heeft en wordt ondersteund door een taalcompiler op hoog niveau, kan het ook worden geprogrammeerd in een taal op hoog niveau (zoals C-taal). Aangezien de efficiëntie van bestaande taalcompilers op hoog niveau niet zo efficiënt is als die van het handmatig schrijven van assembler, wordt in de werkelijke toepassingssystemen vaak een gemengde programmeermethode van taal op hoog niveau en assembleertaal gebruikt. De schrijfmethode is om assembler te schrijven, terwijl de taal op hoog niveau wordt gebruikt waar de hoeveelheid rekenwerk niet groot is. Het gebruik van deze methode kan niet alleen de softwareontwikkelingscyclus verkorten, de leesbaarheid en draagbaarheid van het programma verbeteren, maar ook voldoen aan de vereisten van realtime werking van het systeem.
Nadat het hardware- en softwareontwerp van de DSP is voltooid, is het noodzakelijk om de hardware en software te debuggen. Voor het opsporen van fouten in software wordt over het algemeen gebruik gemaakt van DSP-ontwikkeltools, zoals softwaresimulators, DSP-ontwikkelsystemen of emulators. Bij het debuggen van DSP-algoritmen wordt over het algemeen de methode gebruikt voor het vergelijken van realtime resultaten en simulatieresultaten. Als de invoer van het real-time programma en het simulatieprogramma hetzelfde zijn, zou de uitvoer van beide hetzelfde moeten zijn. Andere software van het applicatiesysteem kan worden gedebugd op basis van de werkelijke situatie. Hardware-foutopsporing gebruikt over het algemeen een hardware-emulator voor foutopsporing. Als er geen bijbehorende hardware-emulator is en het hardwaresysteem niet erg ingewikkeld is, kan het ook worden opgespoord met behulp van algemene tools.
Nadat de software en hardware van het systeem afzonderlijk zijn gedebugd, kan de software worden gescheiden van het ontwikkelsysteem en rechtstreeks op het applicatiesysteem worden uitgevoerd. Natuurlijk is de ontwikkeling van een DSP-systeem, met name softwareontwikkeling, een proces dat herhaald moet worden. Hoewel de prestaties van een realtime systeem in principe bekend kunnen worden door middel van algoritmesimulatie, kan de simulatieomgeving in feite niet volledig consistent zijn met de realtime systeemomgeving. Bij het migreren van een simulatie-algoritme naar een realtime systeem, moet worden overwogen of het algoritme in realtime kan draaien. Als de computationele complexiteit van het algoritme te groot is om in realtime op de hardware te draaien, moet het algoritme worden herzien of vereenvoudigd.
DSP-chip, ook bekend als digitale signaalprocessor, is een microprocessor die speciaal geschikt is voor digitale signaalverwerking. De belangrijkste toepassing ervan is om verschillende digitale signaalverwerkingsalgoritmen in realtime en snel te realiseren. Volgens de vereisten van digitale signaalverwerking hebben DSP-chips over het algemeen de volgende hoofdkenmerken:
(1) Eén vermenigvuldiging en één optelling kunnen worden voltooid in één instructiecyclus;
(2) De programma- en gegevensruimte zijn gescheiden en instructies en gegevens kunnen tegelijkertijd worden geopend;
(3) Er is snel RAM-geheugen op de chip, dat meestal tegelijkertijd in twee blokken toegankelijk is via onafhankelijke databussen;
(4) hardware-ondersteuning met lage overhead of geen overhead loop en jump;
(5) Snelle interruptverwerking en hardware I / O-ondersteuning;
(6) Meerdere hardware-adresgeneratoren die in één cyclus werken;
(7) Meerdere bewerkingen kunnen parallel worden uitgevoerd;
(8) Ondersteuning van pijplijnbewerking, zodat bewerkingen zoals ophalen, decoderen en uitvoeren overlappend kunnen worden uitgevoerd.
Natuurlijk zijn andere algemene functies van DSP-chips, vergeleken met microprocessors voor algemeen gebruik, relatief zwak.
DSP-chip ontwikkeling
'S Werelds eerste single-chip DSP-chip zou de S2811 moeten zijn die in 1978 door AMI werd uitgebracht. Het commerciële programmeerbare apparaat 2920 dat in 1979 door Intel werd uitgebracht, was een belangrijke mijlpaal voor DSP-chips. Geen van beide chips heeft de single-cycle multiplier die nodig is voor moderne DSP-chips. In 1980 was de μP D7720, geïntroduceerd door NEC Corporation uit Japan, de eerste commerciële DSP-chip met een vermenigvuldiger.
Daarna waren de meest succesvolle DSP-chips een reeks producten van Texas Instruments (TI). TI lanceerde met succes zijn eerste generatie DSP-chip TMS32010 en zijn serieproducten TMS32011, TMS320C10/C14/C15/C16/C17 in 1982, en introduceerde vervolgens achtereenvolgens de tweede generatie DSP-chip TMS32020, TMS320C25/C26/C28 en de derde generatie DSP-chip TMS320C30/C31/C32, DSP-chip van de vierde generatie TMS320C40/C44, DSP-chip van de vijfde generatie TMS320C5X/C54X, verbeterde DSP-chip van de tweede generatie TMS320C2XX, hoogwaardige DSP-chip TMS320C8X die meerdere DSP-chips integreert En momenteel de snelste DSP-chip van de zesde generatie TMS320C62X /C67X, enz. TI vat de veelgebruikte DSP-chips samen in drie series, namelijk: TMS320C2000-serie (inclusief TMS320C2X/C2XX), TMS320C5000-serie (inclusief TMS320C5X/C54X/C55X) en TMS320C6000-serie (TMS320C62X/C67X). Tegenwoordig zijn de DSP-producten van TI de meest invloedrijke DSP-chips ter wereld geworden. TI is ook 's werelds grootste leverancier van DSP-chips geworden en zijn DSP-marktaandeel is goed voor bijna 50% van het wereldaandeel.
De eerste die CMOS-technologie gebruikte om DSP-chips met drijvende komma te produceren, was het Japanse Hitachi-bedrijf, dat in 1982 drijvende-komma DSP-chips introduceerde. In 1983 had de MB8764, gelanceerd door Fujitsu, Japan, een instructiecyclus van 120ns en had dubbele interne bussen , wat een grote sprong voorwaarts maakte in de verwerkingscapaciteit. De eerste hoogwaardige DSP-chip met drijvende komma zou de DSP32 moeten zijn die in 1984 door AT&T werd gelanceerd.
In vergelijking met andere bedrijven is Motorola relatief laat met de lancering van DSP-chips. In 1986 introduceerde het bedrijf de fixed-point processor MC56001. In 1990 introduceerde het de floating-point DSP-chip MC96002 die compatibel is met het IEEE floating-point-formaat.
American Analog Devices (Analog Devices, kortweg AD) heeft ook een zeker aandeel in de DSP-chipmarkt en heeft achtereenvolgens een reeks DSP-chips met eigen kenmerken geïntroduceerd. De vaste-punt DSP-chips omvatten ADSP2101/2103/2105, ASDP2111/2115, ADSP2161/2162/2164 en ADSP2171/2181, drijvende-komma DSP-chips omvatten ADSP21000/21020, ADSP21060/21062, enz. Sinds 1980 zijn DSP-chips met grote sprongen ontwikkeld en DSP-chips worden steeds meer gebruikt. Vanuit het perspectief van rekensnelheid is de MAC-tijd (één vermenigvuldiging en één optelling) teruggebracht van 400 ns (zoals TMS32010) in het begin van de jaren tachtig tot minder dan 1980 ns (zoals TMS10C320X, TMS54C320X/62X, enz.), en de verwerkingscapaciteit is meerdere malen verhoogd. De belangrijkste multipliercomponenten in de DSP-chip zijn gedaald van ongeveer 67% van het gebied in 40 tot minder dan 1980%, en de hoeveelheid on-chip RAM is met meer dan een orde van grootte toegenomen. Wat het productieproces betreft, werd in 5 4μm aangenomen
Het N-kanaal MOS (NMOS)-proces wordt over het algemeen gebruikt, maar nu wordt het submicron (Micron) CMOS-proces algemeen gebruikt. Het aantal pinnen van een DSP-chip is gestegen van maximaal 64 in 1980 tot meer dan 200 nu. De toename van het aantal pinnen betekent een toename van structurele flexibiliteit, zoals de uitbreiding van extern geheugen en communicatie tussen processors. Bovendien heeft de ontwikkeling van DSP-chips de kosten, het volume, het gewicht en het stroomverbruik van DSP-systemen sterk verminderd. Tabel 1.1 is een vergelijkingstabel van TI's DSP-chips in 1982, 1992 en 1999. Tabel 1.2 bevat enkele gegevens van representatieve chips van grote DSP-chipleveranciers in de wereld.
DSP-chips kunnen op de volgende drie manieren worden ingedeeld.
1. Volgens basiskenmerken:
Dit wordt geclassificeerd volgens de werkende klok en het instructietype van de DSP-chip. Als bij elke klokfrequentie binnen een bepaald klokfrequentiebereik de DSP-chip normaal kan werken, behalve de verandering in de berekeningssnelheid, is er geen prestatievermindering. Dit type DSP-chip wordt over het algemeen een statische DSP-chip genoemd. Bijvoorbeeld, DSP-chip van Japan OKI Electric Company, TMS320C2XX-serie chip van TI Company behoren tot dit soort categorie.
Als er twee of meer DSP-chips zijn, zijn hun instructiesets en corresponderende machinecode-machinepinstructuren compatibel met elkaar, dan wordt dit type DSP-chip een consistente DSP-chip genoemd. De TMS320C54X van TI uit de Verenigde Staten valt bijvoorbeeld in deze categorie.
2. Volgens gegevensformaat:
Dit is geclassificeerd volgens het werkgegevensformaat van de DSP-chip. DSP-chips waarvan de gegevens in een vast-puntformaat werken, worden vast-punt-DSP-chips genoemd, zoals TI's TMS320C1X/C2X, TMS320C2XX/C5X, TMS320C54X/C62XX-serie, AD's ADSP21XX-serie, AT&T's DSP16/16A en Motolora's MC56000. DSP-chips met drijvende komma die in drijvende-komma-indeling werken, worden DSP-chips met drijvende komma genoemd, zoals TMS320C3X/C4X/C8X van TI, ADSP21XXX-serie van AD, DSP32/32C van AT&T, MC96002 van Motolora, enz.
De drijvende-komma-indelingen die door verschillende DSP-chips met drijvende komma worden gebruikt, zijn niet precies hetzelfde. Sommige DSP-chips gebruiken aangepaste drijvende-komma-indelingen, zoals TMS320C3X, terwijl sommige DSP-chips IEEE-standaard drijvende-komma-indelingen gebruiken, zoals Motorola's MC96002, FUJITSU's MB86232 en ZORAN's ZR35325, enz.
3. Volgens doel
Volgens het doel van DSP kan het worden onderverdeeld in DSP-chips voor algemene doeleinden en DSP-chips voor speciale doeleinden. DSP-chips voor algemene doeleinden zijn geschikt voor gewone DSP-toepassingen. Een reeks DSP-chips van TI Company zijn bijvoorbeeld DSP-chips voor algemene doeleinden. De speciale DSP-chip is ontworpen voor specifieke DSP-bewerkingen en is meer geschikt voor speciale bewerkingen, zoals digitale filtering, convolutie en FFT. Zo behoren Motorola's DSP56200, Zoran's ZR34881, Inmos's IMSA100, etc. tot de speciale DSP-chip.
In dit boek worden voornamelijk DSP-chips voor algemene doeleinden besproken.
De keuze van het DSP-chipontwerp DSP-toepassingssysteem, het kiezen van een DSP-chip is een zeer belangrijke schakel. Pas wanneer de DSP-chip is geselecteerd, kunnen de randcircuits en andere circuits van het systeem verder worden ontworpen. Over het algemeen moet de keuze van de DSP-chip worden bepaald op basis van de werkelijke behoeften van het applicatiesysteem. Verschillende DSP-toepassingssystemen hebben verschillende keuzes van DSP-chips vanwege verschillende toepassingsmomenten en toepassingsdoeleinden. Over het algemeen moeten de volgende factoren in overweging worden genomen bij het kiezen van een DSP-chip.
1. De werksnelheid van de DSP-chip.
Werksnelheid is een van de belangrijkste prestatie-indicatoren van DSP-chips en het is ook een belangrijke factor waarmee rekening moet worden gehouden bij het kiezen van DSP-chips. De rekensnelheid van DSP-chips kan worden gemeten aan de hand van de volgende prestatie-indicatoren:
(1) Instructiecyclus: de tijd die nodig is om een instructie uit te voeren, meestal in ns (nanoseconden). Bijvoorbeeld, de instructiecyclus van TMS320LC549-80 wanneer de hoofdfrequentie 80 MHz is, is 12.5 ns;
(2) MAC-tijd: de tijd van één vermenigvuldiging plus één optelling. De meeste DSP-chips kunnen een bewerking van vermenigvuldigen en optellen in één instructiecyclus voltooien. De MAC-tijd van TMS320LC549-80 is bijvoorbeeld 12.5 ns;
(3) FFT-uitvoeringstijd: de tijd die nodig is om een N-punts FFT-programma uit te voeren. Aangezien de bewerkingen die betrokken zijn bij de FFT-bewerking zeer representatief zijn bij digitale signaalverwerking, wordt de FFT-bewerkingstijd vaak gebruikt als een indicator om de rekenkracht van de DSP-chip te meten;
(4) MIPS: dat wil zeggen, miljoenen instructies worden per seconde uitgevoerd. De verwerkingscapaciteit van TMS320LC549-80 is bijvoorbeeld 80 MIPS, dat wil zeggen dat er 80 miljoen instructies per seconde kunnen worden uitgevoerd;
(5) MOPS: dat wil zeggen, miljoenen bewerkingen worden per seconde uitgevoerd. De rekenkracht van de TMS320C40 is bijvoorbeeld 275 MOPS;
(6) MFLOPS: dat wil zeggen, miljoenen drijvende-kommabewerkingen worden per seconde uitgevoerd. De verwerkingscapaciteit van TMS320C31 wanneer de hoofdfrequentie 40 MHz is, is bijvoorbeeld 40 MFLOPS;
(7) BOPS: Dat wil zeggen, er worden één miljard bewerkingen per seconde uitgevoerd. De verwerkingscapaciteit van de TMS320C80 is bijvoorbeeld 2 BOPS.
2. De prijs van DSP-chips.
De prijs van een DSP-chip is ook een belangrijke factor om te overwegen bij het kiezen van een DSP-chip. Als een dure DSP-chip wordt gebruikt, zelfs als de prestaties hoog zijn, zal het toepassingsgebied ervan zeker beperkt zijn, vooral voor civiele producten. Daarom moet volgens de daadwerkelijke systeemtoepassing een betaalbare DSP-chip worden bepaald. Natuurlijk, als gevolg van de snelle ontwikkeling van DSP-chips, heeft de prijs van DSP-chips de neiging relatief snel te dalen. Daarom wordt in de ontwikkelingsfase gekozen voor een iets duurdere DSP-chip. Wanneer het systeem is ontwikkeld, kan de prijs met de helft of meer zijn gedaald.
3. De hardwarebronnen van de DSP-chip.
De hardwarebronnen die door verschillende DSP-chips worden geleverd, zijn verschillend, zoals de hoeveelheid on-chip RAM en ROM, extern uitbreidbare programma- en dataruimte, businterface, I/O-interface, enz. Zelfs als het dezelfde serie DSP-chips is (zoals de TMS320C54X-serie van TI), hebben verschillende DSP-chips in de serie verschillende interne hardwarebronnen en kunnen ze zich aanpassen aan verschillende behoeften.
4. De rekenkundige nauwkeurigheid van de DSP-chip.
De woordlengte van algemene fixed-point DSP-chips is 16 bits, zoals de TMS320-serie. Maar sommige bedrijven hebben 24-bits fixed-point-chips, zoals de MC56001 van Motorola. De woordlengte van een drijvende-kommachip is over het algemeen 32 bits en de accumulator is 40 bits.
5. Ontwikkelingstools voor DSP-chips.
In het ontwikkelingsproces van het DSP-systeem zijn ontwikkeltools onmisbaar. Zonder de ondersteuning van ontwikkeltools is het bijna onmogelijk om een complex DSP-systeem te ontwikkelen. Als er ondersteuning is van krachtige ontwikkeltools, zoals C-taalondersteuning, zal de ontwikkeltijd aanzienlijk worden verkort. Daarom moet bij het kiezen van een DSP-chip aandacht worden besteed aan de ondersteuning van de ontwikkeltools, inclusief software- en hardware-ontwikkeltools.
6. Het stroomverbruik van de DSP-chip.
In sommige DSP-toepassingen is het stroomverbruik ook een probleem dat speciale aandacht vereist. Draagbare DSP-apparaten, handheld-apparaten en DSP-apparaten voor veldtoepassingen hebben bijvoorbeeld speciale vereisten voor stroomverbruik. Op dit moment zijn low-power, high-speed DSP-chips aangedreven door 3.3V op grote schaal gebruikt.
7. andere.
Naast de bovenstaande factoren, moet bij de keuze van de DSP-chip ook rekening worden gehouden met de verpakkingsvorm, kwaliteitsnormen, beschikbaarheid, levenscyclus, enz. Sommige DSP-chips kunnen meerdere verpakkingsvormen hebben, zoals DIP, PGA, PLCC en PQFP. Sommige DSP-systemen kunnen uiteindelijk industriële of militaire normen vereisen. Bij het kiezen moet u erop letten of de geselecteerde chip een vergelijkbaar product van industriële of militaire kwaliteit heeft. Als het ontworpen DSP-systeem niet alleen een experimenteel systeem is, maar massaproductie nodig heeft en een levenscyclus van meerdere jaren of zelfs meer dan tien jaar kan hebben, dan moet u de levering van de geselecteerde DSP-chip overwegen en of deze dezelfde of zelfs een langere levenscyclus enzovoort.
Van de bovengenoemde vele factoren is over het algemeen de prijs van een DSP-chip met een vast punt goedkoper, het stroomverbruik is lager, maar de berekeningsnauwkeurigheid is iets lager. De voordelen van DSP-chips met drijvende komma zijn een hoge bedieningsnauwkeurigheid en handig programmeren en debuggen in C-taal, maar ze zijn iets duurder en verbruiken meer stroom. De TMS320C2XX/C54X-serie van TI zijn bijvoorbeeld fixed-point DSP-chips, met een laag stroomverbruik en lage kosten als belangrijkste kenmerken. De TMS320C3X/C4X/C67X is een DSP-chip met drijvende komma met een hoge rekenkundige nauwkeurigheid, handig programmeren in C-taal en een korte ontwikkelingscyclus, maar tegelijkertijd zijn de prijs en het stroomverbruik relatief hoog.
De rekenbelasting van het DSP-toepassingssysteem is de basis voor het bepalen van de keuze voor een DSP-chip met verwerkingscapaciteit. Als de hoeveelheid berekening klein is, kunt u een DSP-chip kiezen met minder verwerkingskracht, wat de systeemkosten kan verlagen. Integendeel, een DSP-systeem met veel rekenwerk moet een DSP-chip kiezen met een sterke verwerkingscapaciteit. Als de verwerkingscapaciteit van de DSP-chip niet aan de systeemvereisten kan voldoen, moet deze meerdere DSP-chips gebruiken voor parallelle verwerking. Dus hoe de hoeveelheid berekening van het DSP-systeem te bepalen om de DSP-chip te selecteren? Laten we hieronder twee gevallen bekijken.
1. Monsterverwerking
De zogenaamde bemonsteringspuntverwerking is dat het DSP-algoritme één keer doorloopt voor elk invoerbemonsteringspunt. Dit is het geval bij digitale filtering. Bij digitale filters is het meestal nodig om voor elk ingangsbemonsteringspunt één keer te berekenen. Bijvoorbeeld, een adaptief FIR-filter met 256 tikken dat het LMS-algoritme gebruikt, ervan uitgaande dat de berekening van elke tik 3 MAC-cycli vereist, vereist de berekening van 256 tikken 256 × 3 = 768 MAC-cycli. Als de bemonsteringsfrequentie 8 kHz is, dat wil zeggen, het interval tussen de monsters is 125 ms, en de MAC-cyclus van de DSP-chip is 200 ns, 768 MAC-cycli vereisen 153.6 ms, wat uiteraard niet in realtime kan worden verwerkt, en een DSP met hogere snelheid chip moet worden geselecteerd. Tabel 1.3 toont de verwerkingsvereisten van de twee signaalbandbreedtes op de drie DSP-chips. De MAC-cycli van de drie DSP-chips zijn respectievelijk 200ns, 50ns en 25ns. Uit de tabel blijkt dat de laatste twee DSP-chips in realtime kunnen worden geïmplementeerd voor de toepassing van de dialoogband. Voor audiotoepassingen kan alleen de derde DSP-chip in realtime verwerken. Uiteraard wordt in dit voorbeeld geen rekening gehouden met andere berekeningen.
2. Verwerking per frame Sommige digitale signaalverwerkingsalgoritmen lussen niet één keer voor elke invoersample, maar één keer per bepaald tijdsinterval (meestal een frame genoemd). Het spraakcoderingsalgoritme met gemiddelde en lage snelheid duurt bijvoorbeeld gewoonlijk 10 ms of 20 ms als frame, en het spraakcoderingsalgoritme herhaalt elke 10 ms of 20 ms. Daarom moet u bij het kiezen van een DSP-chip de verwerkingscapaciteit van de DSP-chip in een frame vergelijken met de rekenhoeveelheid van het DSP-algoritme. Stel dat de instructiecyclus van de DSP-chip p (ns) is en de tijd van één frame Dt . is
(Ns), dan is de maximale hoeveelheid berekening die de DSP-chip in één frame kan bieden Dt/p-instructies. De instructiecyclus van de TMS320LC549-80 is bijvoorbeeld 12.5 ns en als de framelengte 20 ms is, is het maximale aantal bewerkingen dat de TMS320LC549-80 in één frame kan leveren 1.6 miljoen instructies. Daarom, zolang de berekeningshoeveelheid van het spraakcoderingsalgoritme niet 1.6 miljoen instructies overschrijdt, kan het in realtime worden uitgevoerd op de TMS320LC549-80.
Toepassing van DSP-chip:
Sinds de geboorte van DSP-chips eind jaren zeventig en begin jaren tachtig hebben DSP-chips zich snel ontwikkeld. De snelle ontwikkeling van DSP-chips heeft geprofiteerd van de ontwikkeling van de technologie voor geïntegreerde schakelingen enerzijds en de enorme markt anderzijds. In de afgelopen 1970 jaar zijn DSP-chips op grote schaal gebruikt in veel gebieden, zoals signaalverwerking, communicatie en radar. Op dit moment wordt de prijs van DSP-chips steeds lager en de prijs-prestatieverhouding neemt met de dag toe, wat een enorm toepassingspotentieel heeft. De belangrijkste toepassingen van DSP-chips zijn:
(1) Signaalverwerking, zoals digitale filtering, adaptieve filtering, snelle Fourier-transformatie, correlatieberekening, spectrumanalyse, convolutie, patroonovereenkomst, windowing, golfvormgeneratie, enz.;
(2) Communicatie, zoals modem, adaptieve egalisatie, gegevenscodering, gegevenscompressie, echo-onderdrukking, multiplexing, fax, communicatie met gespreid spectrum, foutcorrectiecodering, videotelefoon, enz.;
(3) Stem, zoals spraakcodering, spraaksynthese, spraakherkenning, spraakverbetering, sprekeridentificatie, sprekerbevestiging, voicemail, spraakopslag, enz.;
(4) Afbeeldingen/afbeeldingen, zoals tweedimensionale en driedimensionale grafische verwerking, beeldcompressie en -overdracht, beeldverbetering, animatie, robotvisie, enz.;
(5) militairen, zoals vertrouwelijke communicatie, radarverwerking, sonarverwerking, navigatie, raketgeleiding, enz.;
(6) Instrumenten en meters, zoals spectrumanalyse, functiegeneratie, fasevergrendelde lus, seismische verwerking, enz.;
(7) Automatische besturing, zoals motorbesturing, spraakbesturing, automatisch rijden, robotbesturing, schijfbesturing, enz.;
(8) Medische behandelingen, zoals gehoorapparaten, ultrasone apparatuur, diagnostische hulpmiddelen, patiëntbewaking, enz.;
(9) Huishoudelijke apparaten, zoals hifi-audio, muzieksynthese, toonregeling, speelgoed en games, digitale telefoons/tv's, enz.
Met de voortdurende verbetering van de prestatie-prijsverhouding van DSP-chips, is het te voorzien dat DSP-chips op grotere schaal in meer gebieden zullen worden gebruikt.
Onze andere producten:
