Autor: Branko Petljanski

E-mail: brankop@uns.ns.ac.yu

D S P - DIGITAL SIGNAL PROCESSOR

Ove godine navršava se 15 godina od prvog proizvedenog Digitalnog Signal Procesora(DSP). Danas, samo nekoliko inovacija čine tako brze promene u načinu života ljudi kao što to čini DSP. Specijalizovan za rad sa velikim količinama podataka u realnom vremenu, DSP čini mogućim novi zamah razvoju industrijske kontrole i proizvodnje, brzim modemima, bežičnim komunikacijama, prepoznavanju govora, automobilima, hard-disk kontrolerima, navigaciji i mnogim drugim područjima. DSP u poslednje vreme predstavlja najbrže rastući segment u poluprovodničkoj tehnologiji. Na početku 21. veka, DSP tehnologija je ključ za povezivanje sa digitalnim svetom.

Analogno i digitalno

Kao što samo ime kaže, digitalni signal procesori (DSP) vrše obradu digitalnih signala koji mogu biti različtog porekla: govor, tekst, slike, ali i jednostavniji kao sto su temperatura, brzina, pozicija itd. Postoje dva načina obrade: analogna obrada i digitalna obrada signala. Kao primer analogne obrade signala može se uzeti ljudsko telo. Naše telo pretvara informacije primljenje ušima, očima, i kožom u električne signale različitih inteziteta, koji prolaze kroz nervni si-stem do mozga. Naš mozak obrađuje te promenljive koje su u ovom slučaju kontinualni ili analogni signali. Zovu se kontinualni zato što mogu imati beskonačno mnogo vrednosti između minimalne i maksimale vrednosti. Posle obrade tako primljenih informacija i donešenih odluka na osnovu njih, on šalje električne signale u druge delove tela kao odgovor na spoljne podražaje.Digitalna obrada signala sadrži još jedan međukorak. Pošto računar koji vrši obradu signala “ne razume” analogne vrednosti, potrebno je iste pretvoriti u njemu prihvatljiv “jezik”. Kada se složimo sa tim da nam nisu važne sve vrednosti, već samo određen, unapred dogovoren broj nivoa analognog signala, dolazimo do kvantizovanja analognog signala. Tako “preveden” analogni signal je “razumljiv” za računar. Ulogu prevodioca ima npr. mikrofon koji pretvara energiju zvučnih talasa u električne, električne signali se zatim kvantizuju (digitalizuju) pomoću konvertora i kao takvi predaju računaru. Posle obrade se preko zvučnika ponovo pretvaraju u zvučne signale. Neke obrade analognih signala mogu se grubo obrađivati analognim procesorima po niskoj ceni, ali za implementaciju kvalitetnog analognog procesora, sa veoma preciznim komponentama, potrebno je oko 300$. Za otprilike istu sumu, moguće je implementirati digitalno rešenje, uključujući i digitalni signal procesor (DSP). Digitalni signal procesor se može korisiti i za mnoge primene gde analogni procesori nisu u stanju da budu primenjeni.

Prednosti digitalne obrade signala

Digitalna obrada signala ima nekoliko prednosti nad analognom obradom signala:

Povećanje pouzdanosti obrade signala digitalnih kola nad analognim kolima sastoji se u:

a) Smanjenju promena radne tačke usled promene okolne temperature. Karakterisitke analognih komponenata kao što su otpornici, kondenzatori, operacioni pojačavači menjaju se sa promenom temeperature. Digitalna kola ne pokazuju nikakve promene sa promenom radne temperature u opsegu njihovog područja rada.

b) Smanjivanje efekata starenja. Starenje komponenata također utiče na performanse analognih kola. Dielektrici u kondenzatorima su posebno osetljivi na starenje, tako što menjaju impedansu kondenzatora, a samim tim i njegove performanse.
 
c) Smanjivanje osetljivosti na šum. Kako su iz jednog logičkog stanja u drugi kod digitalnih kola prelazi kada je dostignut neki prag, ona su manje osetljiva na šumove koji se pojavljuju u kolima, kao i na elektomagnetna zračenja koja dolaze iz okoline uređaja.

Smanjenje troškova kao veoma važna stavka u današnjoj prizvodnji se postiže:

a) Smanjenjem hardverskih zahteva, jer menjanjem programa u jednoj hardverskoj konfiguraciji mogu se rešavati različiti problemi obrade signala, dok je kod analogne obrade signala za svaki problem potrebna drugačije analogno kolo.
 
b) Smanjenjem potrebe za preciznim komponentama. Analogna kola se proizvode sa različitim tolerancijama. Na primer, tipični otpornik ima toleranciju ispod 5% od svoje nominalne vrednosti, dok skuplji ima toleranciju ispod 1% ili 2%. Tipični kondenzator ima toleranciju od 20% i više od svoje nominalne vrednosti. Kombinujući takve komponente dolazimo do toga da analogna kola nemaju zadovoljen uslov ponovljivosti, tj za iste ulazne promenljive dobijamo različite izlaze vrednosti. Stvar je našeg kompromisa s kojim tolerancijama izlaznih parametara smo zadovoljni. Za razliku od analognih kola, digitalna kola imaju svojstvo stalne ponovljivosti.
 
c) Smanjenjem broja čipova. Tehnologija izrade današnjih digitalnih kola uspela je da smanji veličinu gejta tranzistora na 0.18um. Zbog tako male geometrije tranzistora, proizvode se kola na koja staju više od 125 miliona tranzistora na jedan komad silikona. Sa tom tehnologijom današnja proizvodnja teži da sve elemente digitalne obrade signala smesti na što manji broj čipova, ili ako je moguće na samo jedan!
 
d) Smanjenjem vremena potrebnog za razvoj. Smanjene troškova se također postiže povećanjem produktivnosti i smanjenjem vremena porebnog da se proizvod predstavi tržištu. Razvojni alat kao što je starter kit, C-prevodioci, debageri, programse biblioteke, emulatori, i mnogi drugi alati za podršku, pomažu pri implementaciji sistema baziranog na DSP-u.

Pored prethodno navedenih prednosti digitalne obrade signala nad analognom postoje i područja gde je primena analognih procesora skupa ili nemoguća:

a) “Nemogući” sistemi. Naravno, nemogući su samo sa stanovišta analognih procesora. Klasični primeri takve vrste obrade signala su neke vrste filtera u prenosu signala, a kod sistema za upravljanje je “deadbeat” kontroler - kontroler sa aperiodičnim odzivom i veoma brzim postavljanjem upravljane promenljive na zahtevanu vrednost.
 
b) Prepoznavnje i sinteza govora uključuje obradu govornog signala i odlučivanje na osnovu dobijenih rezultata. Takvu kombinacija obrade signala i upravljanja je veoma teško realizovati pomoću analognih procesora.
 
c) Adaptivno upravljanje. DSP sistem se može lako prilagoditi promenama ulaznih promenljivih tako što upiše nove vrednosti umesto starih. Primer adaptivnog upravljanja je poništavanje šuma, gde procesor stvara isti signal samo suprotnog predznaka tako da je zbir ta dva signala nula.
 
d) Korekcija greške. Informacijama u binarnoj formi dodaju se “redundantni” bitovi da bi se detektovale greške koje nastaju pri prenosu. U naprednijim algoritmima, ti bitovi se koriste za rekonstrukciju originalne poruke ako je nastala greška pri prenosu.

Digitalnim signal procesorima rešavaju se problemi koji su nastali početkom digitalne obrade signala:

a) Matematički intenzivne algoritme kao što su filteri FIR (sa konačnim impulsnim odzivom) i IIR (sa beskonačnim impulsnim odzivom).
 
b) Operacije u realnom vremenu tj, obrada signala mora držati korak sa ulaznim signalima koji se dešavaju asinhrono u odnosu na rad procesora, tako da je brzina rada procesora veoma važna da se ne bi propustila neka značajna promena ulaznog signala.

Digitalni signal procesori

Digitalni signal procesori su mikroračunari smešteni u jednom čipu, specijalno dizajnirani za obradu digitalnih signala po algoritmu koji je stvorio korisnik. Prednost digitalnih signal procesora je u pružanju mogućnosti da se zadnji primljeni signal obradi što više dok se ne pojavi novi ulazni signal. To je postignuto sa specifičnom arhitekturom koju svaki digitalni signal procesor ima:

a) Višestruke magistrale. U realnim obradama signala, brz tok signala u i iz procesora veoma je važan. Koristeći višestruke magistrale za program i podatke dozvoljava se da je pristup instrukcijama i podacima iz memorije istovremen.
 
b) Pipeline struktura unapređuje mogućnosti procesora tako što se izvršavanje jedne instrukcije podeli u više manjih operacija koje se izvršavaju paralelno ako je to moguće.
 
c) Hardversko množenje. Pošto je množenje binarnih brojeva osnova vektorske matematike korištene kod npr. digitalnih filtera, Furijeove transformacije, itd množenje je rešeno hardverski, a ne pomoću mikroinstrukcija kao kod klasičnih procesora. Takvo rešenje omogućuje množenje dva binarna broja i sabiranje sa trećim u samo jednom ciklusu procesora!
 
d) Specijalne DSP instrukcije. Da bi se omogućila maksimalna brzina obrade signala, uvedene su i neke specijalne DSP instrukcije, koje u kombinaciji sa višestrukim magistralama, pipeline strukturom i ostalim hardverskim unapređenjima povećava broj instrukcija koje se izvršavaju između dva odabiranja ulaznog signala.

I druge vrste procesora mogu vršiti obradu signala, ali oni nisu specijalno dizajnirani za taj posao. Tako su mikroprocesori namenjeni za izvršavanje različitih programa kao što su Windows, Word, itd. Zbog toga su optimizovani za rad sa velikom količinom podataka za koje je porebna velika memorije reda MB i GB. Mikrokontroleri su namenjeni za jednu primenu: upoređivanje spoljnih signala sa znanim vrednostima i na osnovu tih rezultata upravljanje periferijama. Periferije se odnose na ulazno/izlazne interfejse poput serijskog porta, brojača, paralelni portovi, komunikacioni portovi, A/D i D/A konvertori, itd. Kako tehnologija izrade integrisanih kola napreduje, mnoge od tih periferalnih funkcija se ugrađuju i u DSP čipove.Texas Instruments je 1982 godine predstavio fixed-point TMS320C10, njihov prvi DSP opšte namene za komercijalnu upotrebu. Ostale TI-ove DSP generacije predstavljane su sledećih nekoliko godina, neke kao unapređene fixed-point arhitekture, ostale kao floating-point procesori. Familija TMS320 trenutno ima šest generacija DSP-a, koji predstavljaju različite kombninacije cena i performansi. Poslednji iz serije DSP-a TMS320C6x, predstavljen u januaru 1997, radi brzinom od 1600 MIPS-a, što je desetak puta brže od prethodnika. Koliki je to napredak u brzini očigledno je iz primera da je vreme potrebno za skidanje neke datoteke sa Interneta smanjeno sa 10 minuta (DSP prve generacije) na manje od 5 sekundi sa najnovijim procesorom. U isto vreme DSP procesori koji su koštali nekoliko stotina dolara početkom osamedesetih, sada se mogu nabaviti za manje od 5$.U narednim brojevima će biti opisani najpopularniji procesori tog proizvođača, njihove primene i poređenja sa mikrokontrolerima kao što su 68HC11 i 80C51.

Autor: Branko Petljanski saradnik na institutu za primenu informacionih tehnologija fakulteta tehničkih nauka u Novom Sadu.

Pročitajte više o ovoj temi

Digital signal procesori vs. univerzalni mikroprocesori DSP u akviziciji podataka TMS 320C54x PC DSP Starter Kit (DSK) Plus V1 za Windows MS 320 DSP solutions CD rom

C o p y r i g h t  1998 mikroElektronika. All Right Reserved. Za sva pitanja obratite se redakciji