تبلیغات
باران الکترونیک - معرفی DSP
دوشنبه 2 دی 1392  05:57 ب.ظ
نوع مطلب: (DSP ،) توسط: امیرحسین رستمی

مقدمه:

سیگنال ها به سه دسته سیگنال های زمان پیوسته(آنالوگ)، سیگنال های زمان گسسته و سیگنال های دیجیتال تقسیم می شوند. سیگنال هایی که روزانه با آن ها روبرو می شویم، سیگنال های آنالوگ اند. سیگنال های آنالوگ متغییرهای پیوسته هستند.  این سیگنال ها دارای گستره تغییرات بی نهایت در دامنه هستند و برای پردازش آن ها می توان از الکترونیک آنالوگ که شامل قطعات مداری اکتیو و پسیو است، استفاده نمود.هركدام از حواس پنجگانه ما به سیگنال های آنالوگ مختلفی حساس است. برای مثال گوش های ما به صدا، چشم های ما به نور و ... حساس هستند.  وقتی كه ما یك سیگنال دریافت می كنیم،  اندام های حسی ما آن را به یك سیگنال الكتریكی تبدیل كرده و به كامپیوتر آنالوگ ما، یعنی مغز می فرستند. مغز ما یك كامپیوتر بسیار قدرتمند است كه عملكرد آن نسبت به كامپیوتر های دیجیتال بی همتا است. مغر ما نه تنها اطلاعات رسیده را تحلیل می كند بلكه با استفاده از این داده ها تصمیم گیری نیز می كند.

سیگنال های زمان گسسته فقط در یک سری از فاصله های زمانی مشخصی تعریف شده هستند. بنابراین آن ها می توانند توسط یک رشته از اعداد که دارای مقدارهای پیوسته هستند، بیان شوند.

 سیگنال های دیجیتال دارای مقدارهای گسسته هم در زمان و هم در دامنه هستند. بنابراین آن ها می توانند توسط کامپیوترها و میکروپروسسورها پردازش شوند.

مزیت های سیستم های آنالوگ:

·         قیمت ارزان و سادگی در بعضی از کاربردها:

o       تضعیف کننده ها و تقویت کننده ها

o       فیلترهای ساده

·         پهنای باند وسیع(GHz)

·         میزان سیگنال کم

·         نرخ نمونه برداری موثر بی نهایت

o       دقت بی نهایت در فرکا نس

o       عدم وجود مشکلات مربوط به اختلاط فرکانسی و باز سازی آن

·         دقت بی نهایت در دامنه

o       نبود نویز کوا نتیزایسیون

مزیت های پردازش سیگنال های دیجیتال (DSP):

·         تکرارپذیری

o       حساسیت کم به خطای مولفه ها

o       حساسیت کم به تغیرات دما

o       حساسیت کم به عوامل زمانی

§         عملکرد تقریباً یکسان در همهء دستگاه ها

§         مدارهای تطبیق یافته با قیمت کمتر

·         مصونیت از اختلال بالا

·         در بسیاری از کاربردها DSP، عملکرد بهتر و قیمت ارزان تر را فراهم می کند. برای مثال:

o       پخش کننده های CD در برابر صفحه های گرامافون

الگوریتم های DSP  می توانند توسط زبان های سطح بالا از قبیل  C/C++  و   MATLAB  کامل، تحلیل و شبیه سازی شوند. عملکرد الگوریتم ها می توانند توسط یک کامپیوتر شخصی بررسی شوند. بنابراین یک سیستم DSP از نظر طراحی، تکامل، تحلیل، شبیه سازی، آزمایش و نگه داری نسبتاً آسان است.

محدودیت های DSP:

·         پهنای باند یک سیستم DSP به خاطر نرخ نمونه برداری و وسایل سخت افزاری جانبی محدود است.

·         یک سیستم DSP دارای خطای کوانتازیسیون و محاسباتی است چون الگوریتم های DSP توسط تعداد ثابتی، بیت با دقت و گستره محدود پیاده سازی می شوند.

گزینه های موجود برای پردازش سیگنال های دیجیتال:

5 پلاتفرم(platform) سخت افزاری که به طور گسترده برای سیستم های DSP استفاده می شوند عبارتند از:

1)     تراشه های تک منظوره از قبیل ASIC (application-specific integrated circuits)

2)     FPGA(field-programmable gate arrays)

3)     میکروپروسسورها و میکروکنترولرهای همه منظوره(μP/μC)

4)     پردازشگرهای سیگنال های دیجیتال همه منظوره(DSP processors)

5)     پردازشگرهای DSP با شتاب دهنده های سخت افزاری کابرد مشخص(application-specific hardware (HW) accelerators)

ASIC:

دستگاه های ASIC معمولاًبرای وظایف مشخصی از قبیل مودم های DSL و یا محصولاتی که از الگوریتم های توسعه یافته ای مانند FFT استفاده می کنند، طراحی شده اند. این وسایل با بهره گیری از معماری اختصاصی خودشان قادرند که وظایف محدودشان را  خیلی سریع تر از پردازشگرهای همه منظوره انجام دهند.

·         مزیت ها:

o       سرعت مناسب

o       مصرف توان کم

o       قیمت مناسب به ازای عملکردی که دارد

o       انعطاف پذیری طرح

·         عیب ها:

o       قیمت زیاد برای توسعه دادن

o       مدت زمان زیادی برای توسعه دادن آن ها طول می کشد

o       عدم انعطاف پذیری برای برنامه نویسى مجدد

FPGA

FPGAها با استفاده از معماری موازی عالیشان قدرت محاسباتی چشمگیری را برای کارایی خیلی بالا فراهم می کنند. سخت افزار  FPGA ها قابل پیکربندی مجدد می باشد، بنابراین به طراحان سیستم این اجازه را می دهد که برای پیاده سازی الگوریتم هایی که نیازمند عملکرد بالا و  قیمت تولید کم هستند، معماری سخت افزاری را بهینه سازی کنند.

·         مزیت ها:

o       انعطاف پذیری بیشتر نسبت به ASIC

o       عملکرد بالا در بعضی از کاربردها

o       قابلیت استفاده از سخت افزار یکسان برای کاربردهای مختلف

·         عیب ها:

o       مدت زمان زیادی برای توسعه دادن آن ها طول می کشد

o       نسبت به DSPها گران تر هستند

o       نسبت به DSPها توان بیشتری مصرف می کنند

o       نسبت به DSPها زمان عرضهء آن ها به بازار کندتر است

میکروپروسسورها و میکروکنترولرهای همه منظوره(General-purpose μP/μC)

میکروپروسسورها و میکروکنترولرهای همه منظوره روز به روز سریع تر می شوند و می توانند برای بعضی از کاربردهای پردازش سیگنال های دیجیتال به کارروند. تعداد زیادی از محصولات الکترونیکی که هم اکنون تولید می شوند از این پردازشگرها استفاده می کنند. برای مثال، کنترل کننده های خودکار از میکروکنترولرها برای کنترل موتور، ترمز و محور تعلیق خودرو استفاده می کنند. ابزارهایی که برای توسعهء نرم افزاری دستگاه های μPC  استفاده می شوند به طور کلی از آن هایی که برای سیستم های DSP در دسترس هستند، پیشرفته تر و قدرتمندتر هستند. بنابراین برای تعدادی از کاربردها که کمتر نیازمند کارایی و مصرف توان پردازنده هستند، مراحل توسعه را ساده تر می کنند. 

DSP چیست؟

واژه DSP مخفف Digital Signal Processing یا Digital Signal Processor می باشد.

پردازش سیگنال های دیجیتال(Digital signal processing) شامل نمایش دیجیتالی سیگنال ها و استفاده از سیستم های دیجیتالی برای تحلیل کردن، تغییر دادن، ذخیره سازی یا استخراج اطلاعات از سیگنال های دیجیتالی می باشد.

DSP  (digital signal processor) مدار مجتمعی است كه برای پردازش دیتا با سرعت بالا طراحی شده است و در صدا، تصویر، مخابرات و ... كاربرد دارد.

در مقایسه با ASIC و FPGA، پردازنده های DSP دارای برتری هایی از قبیل سادگی توسعه هستند و دارای قابلیت برنامه ریزی مجدد در مدار برای بروز رسانی و برطرف کردن باگ، می باشند. DSPها از نظر اقتصادی از ASIC و FPGA به خصوص در کاربردهای کم حجم با صرفه تر هستند. در مقایسه با μP/μc همه منظوره، پردازنده های DSP  سریع تر، دارای بازده بیشتر و ارزان تر هستند.

نحوهء عملکرد پردازش سیگنال های دیجیتالی:

جهان ما آنالوگ است و متأسفانه كامپیوتر های آنالوگ الكتریكی همچون كامپیوتر های دیجیتال همه كاره نیستند.  بنابراین  برای این كه بتوانیم از قدرت زیاد پردازشی كه تكنولوژی دیجیتال در اختیار ما می گذارد، استفاده كنیم باید:

  • از یك مبدل جهت تبدیل سیكنال آنالوگ به سیگنال الكتریكی استفاده كنیم. مانند: میكروفن.
  • این سیگنال را دیجیتالى كنیم. برای این كار از یك ADC  (analog-to-digital covertor) استفاده می كنیم.

كامپیوتر می تواند این سیگنال دیجیتالی را پردازش كند. پس از این كه عمل پردازش اطلاعات به پایان رسید،  سیگنا ل خروجی باید دوباره به آنالوگ تبدیل شود تا برای ما قابل درك باشد.  برای این منظور از یك DAC(digital-to-analog convertor) استفاده می كنیم. برای مثال بلندگو می تواند سیگنال آنالوگی را كه از یك DAC دریافت می كند را به صدا تبدیل كند.

دلیل استفاده از Digital Signal Processors :

میكروپروسسورهای همه كاره در انجام عملیات ضرب و تقسیم خیلی كند هستند.  آن ها برای انجام یك عمل ضرب، یك سری عملیات شیفت، جمع و تفریق را به طور متوالی اجرا می كنند. بنابراین عمل ضرب به سیكل های زیادی نیاز دارد. اما DSP با انجام همهء عملیات شیفت و جمع به طور موازی،‌ در یك سیكل عمل ضرب را انجام می دهد. مداربندی آن نسبتاً پیچیده است و به مقدار قابل توجهی ترانزیستور نیاز دارد. اما مزیت آن ضرب كردن خیلی سریع است كه برای پردازش سیگنال های دیجیتال حیاتی می باشد.

پردازش سیگنال های دیجیتالی به طور طبیعی نیازمند تعداد زیادی محاسبات به صورت A=B×C+D می باشد. شاید این عمل ساده به نظر برسد، اما وقتی كه به سرعت نیز نیازمندیم، اختصاص دادن یك سخت افزار برای اجرای این عمل خیلی مفید خواهد بود.

بیشتر DSP ها دستور عمل ویژه ای دارند كه به آن ها اجازه می دهد كه عملیات ضرب، جمع و ذخیره كردن نتیجه را در یك سیكل انجام دهند. این دستور عمل معمولاً MAC (Multiply,Accumulate) نامیده می شود.

تاریخچه ضرب كننده:

در سال 1971 آزمایشگاهای لینكلن با استفاده از 10000 مدار مجتمع، یك ضرب كننده طراحی كردند كه فقط در 600 نانو ثانیه عمل ضرب را انجام می دادند. در اواسط دههء 70، ضرب كردن در 200 نانو ثانیه به یك كار معمولی تبدیل شد. با این كار طراحی digitaln signal processors قابل قبول، امكان پذیر شد. طرح های اولیه خیلی گران و حجیم بودند اما ضرب كردن سریع امكان پذیر شد.

تاریخچه DSP

در اوایل سال های 1980، تراشه های DSP با عملكرد مناسب به وجود آمدند. از آن زمان به بعد، زمان ضرب كردن به طور پیوسته كاهش یافت. "DSP1"، اولین تراشه  DSP که از نظر تجاری موفق بود، در سال 1980 توسط AT&T Bell Laboratories روانهء بازار شد و بیشتر در طراحی های داخلی استفاده شد. TI، اولین DSP موفق تجاری را در سال 1982 تولید کرد. نام این تراشه TMS32010 بود و در فرکانس MHz5 (ns200) کار می کرد. امروزه یك DSP 16 بیتی با ممیزثابت (16-bit fixed-point)  می تواند در 5 نانو ثانیه عمل ضرب را انجام دهند.


نظرات()   
   
پسر ایران
چهارشنبه 28 اسفند 1392 08:29 ب.ظ
سلام
جالب بود ممنون بابت نشر مطلب
 
لبخندناراحتچشمک
نیشخندبغلسوال
قلبخجالتزبان
ماچتعجبعصبانی
عینکشیطانگریه
خندهقهقههخداحافظ
سبزقهرهورا
دستگلتفکر
آخرین پست ها