17Elektronika Praktyczna 10/97

S P R Z Ę T

RozwÛj cyfrowego przetwarzania sygna-³Ûw zosta³ zapocz¹tkowany przez projektan-tÛw systemÛw analogowego przetwarzaniasygna³Ûw, ktÛrzy usi³owali symulowaÊ pro-cesy zachodz¹ce w†tych uk³adach bez bu-dowania bardzo kosztownych prototypÛw.Nikt z†prowadz¹cych te pionierskie pracenie przewidywa³, øe mog¹ one byÊ przy-czynkiem do powstania w†latach 80-tychduøego dzia³u elektroniki zajmuj¹cego siÍcyfrow¹ obrÛbk¹ sygna³Ûw.Wprowadzenie cyfrowego przetwarzania

sygna³Ûw by³o uzaleønione od moøliwoúciobliczeniowych stosowanych komputerÛworaz odpowiednich algorytmÛw, nad ktÛrymipracowali matematycy juø od pocz¹tku lat50. Gdy wybrano grupÍ algorytmÛw stano-wi¹cych podstawÍ dzia³ania przysz³ego uk³a-du, projektanci rozpoczÍli poszukiwania op-tymalnej architektury komputera, ktÛra po-zwoli³aby na osi¹gniÍcie maksymalnej efek-tywnoúci. Wczesne systemy potrafi³y jedy-nie gromadziÊ dane w pamiÍci, aby pÛüniejmÛc przeprowadziÊ obliczenia. Dzisiaj reali-zuje siÍ uk³ady pracuj¹ce w†czasie rzeczy-wistym, na bieø¹co reaguj¹ce na zmianyprzetwarzanego sygna³u.Podstawowe algorytmy modelowania syg-

na³Ûw, wykorzystywane w†dzisiejszych uk³a-dach DSP, bazuj¹ na przekszta³ceniach Lap-lace'a i†Fouriera powsta³ych w†XIX wieku.Jean Fourier by³ francuskim matematy-

kiem i†fizykiem. Szereg Fouriera jest uøy-wany do opisu dowolnych sygna³Ûw okre-sowych, zaú transformata Fouriera do opisusygna³Ûw nieokresowych.Pierre Simon de Laplace by³ z†kolei fran-

cuskim astronomem, matematykiem i†fizy-kiem, ktÛry pracowa³ nad opisem matema-tycznym ruchu planet. Jednak jego praceznalaz³y zastosowanie rÛwnieø w†innychdziedzinach. Za pomoc¹ transformaty Lap-lace'a opisuje siÍ pojedyncze sygna³y, zaúpo odpowiednim rozszerzeniu i w³aúciwejinterpretacji jest nazywana transformat¹ Z,bÍd¹c¹ podstawow¹ zaleønoúci¹ opisuj¹c¹bloki filtrÛw cyfrowych. Prace nad wyko-rzystaniem tych przekszta³ceÒ by³y prowa-dzone w†ramach rozwoju cyfrowych maszyn

licz¹cych w†latach 40-tych i†50-tych. Dopie-ro jednak w†roku 1965 opracowano nowyalgorytm, znany jako fast Fourier transform(FFT), ktÛry zasadniczo ograniczy³ liczbÍwykonywanych operacji mnoøenia, wyma-ganych dla uzyskania wyniku. By³o to szcze-gÛlnie istotne, poniewaø operacja mnoøeniajest w¹skim gard³em w†obliczeniach wiÍk-szoúci algorytmÛw DSP.Dzisiejsze procesory DSP to pojedyncze

uk³ady scalone. Podstawowe bloki funkcjo-nalne tych uk³adÛw by³y dobrze znanewczeúniej, lecz dopiero na pocz¹tku lat 80-tych wymyúlono technologie, dziÍki ktÛrymmoøliwe by³o zrealizowanie i zamkniÍcieich w jednej strukturze. Generalnie archi-tektury wewnÍtrzne procesorÛw moøna po-dzieliÊ na dwie grupy. Architektura pierw-szego, elektromechanicznego komputeramia³a oddzieln¹ pamiÍÊ przeznaczon¹ naprogram i†oddzieln¹ przeznaczon¹ dla da-nych, tak øe by³ moøliwy rÛwnoczesny do-stÍp do obu tych pamiÍci. Jest ona znanajako architektura typu Harvard (rys.1a) i†po-wsta³a w†koÒcu lat 30-tych. Pierwszy kom-puter Harvard Mark I†rozpocz¹³ pracÍw†1944 roku. Pierwszym naprawdÍ elektro-nicznym komputerem by³ ENIAC (ang. Elec-tronic Numerical Integrator and Calculator)i†rÛwnieø przy jego budowie wykorzystanoarchitekturÍ typu Harvard. Jednakøe z†po-wodu z³oøonej budowy dwÛch niezaleønychuk³adÛw pamiÍci, architektura ta sta³a siÍma³o popularn¹ przy projektowaniu kolej-nych komputerÛw (procesorÛw).W†czasie powstawania ENIACA-a jednym

z†konsultantÛw by³ John von Neumann, ma-tematyk wÍgierskiego pochodzenia. By³ ontwÛrc¹ nowej i†zupe³nie rÛøni¹cej siÍ archi-tektury procesora. W†opublikowanej w†1946roku pracy przedstawi³ ideÍ opieraj¹c¹ siÍna dwÛch przes³ankach: nie ma øadnychwewnÍtrznych rÛønic pomiÍdzy instrukcja-mi i†danymi oraz, øe instrukcja moøe zostaÊpodzielona na dwie czÍúci zawieraj¹ce po-lecenie czyli rozkaz oraz adres operandu.DziÍki temu moøna by³o uøywaÊ tylko jed-nej pamiÍci dla instrukcji i†danych. Archi-tektura von Neumanna (rys.1b) sta³a siÍstandardow¹ dla projektowanych systemÛwkomputerowych w³aúciwie do dzisiaj. Pier-wszy komputer, o†nazwie IAS (ang. Instituteof Advanced Studies), wykorzystuj¹cy tenrodzaj architektury powsta³ w†1951 rokuw†Princeton, USA.Nowy typ architektury znacznie u³atwi³

projektowanie komputerÛw, lecz mia³ jedn¹istotn¹ wadÍ: procesor mia³ w danej chwilidostÍp tylko do programu (instrukcji) lubdo danych. Jednakøe okaza³o siÍ, øe w†ogÛl-nym rozwoju komputerÛw fakt ten nie mia³prawie znaczenia. Popularne procesory x86Intela wykorzystuj¹ rÛwnieø ten typ archi-tektury. Podstawowy blok licz¹cy zawieraALU (ang. arithmetic logic unit) oraz rejes-try. Operacje takie jak dodawanie, przenie-sienia czy odejmowanie s¹ wykonywanew†pojedynczych cyklach maszynowych. Z³o-øone operacje mnoøenia czy dzielenia s¹

Początki DSP

Po wakacyjnej przerwiewracamy do tematyki DSP. Tymrazem omawiamy pocz¹tki tej,

bardzo nowej, technologii obrÛbkisygna³Ûw analogowych.

Na pytania dlaczego i†jakpowsta³y specjalizowane procesory

sygna³owe odpowiadamyw†artykule.

Rys. 1. Schemat architektury procesora: a) typu Harvard, b) von Neumana.

S P R Z Ę T

Elektronika Praktyczna 10/9718

realizowane jako ci¹g dodawaÒ, odejmowaÒlub przeniesieÒ i†s¹ realizowane w†wielutaktach zegara.Przy cyfrowym przetwarzaniu sygna³Ûw,

wiele obliczeÒ przyjmuje formÍ: A=B+CD.Ten prosty wzÛr zawiera zarÛwno opera-

cjÍ dodawania jak i†mnoøenia. Poniewaø jed-nak w†procesorach o†architekturze von Neu-manna operacja ta zajmuje relatywnie duøoczasu, nie s¹ one idealnym narzÍdziem doprzeprowadzania tego typu obliczeÒ. Wprocesorach sygna³owych jest bowiem waønejak najszybsze wykonanie takich operacji,najlepiej w†jednym takcie zegara.Pierwsze systemy DSP by³y budowane ze

standardowych podzespo³Ûw uøywanych donormalnych elektronicznych maszyn cyfro-wych. Jednakøe d³ugi czas potrzebny doobliczeÒ dramatycznie obnaøy³ s³aboúÊi†ograniczenia tych systemÛw. ZwiÍkszeniewydajnoúci prÛbowano osi¹gn¹Ê poprzez za-stosowanie technik pipeliningu, uøywanegoobecnie powszechnie w†procesorach Pen-tium. Pierwsze uk³ady wykorzystuj¹ce pipe-lining pojawi³y siÍ na pocz¹tku lat 70.W†tych latach przodowa³o w†dziedzinieDSP Lincoln Laboratories . Zbudowanyw†1971 roku Lincoln FDP (ang. Fast DigitalProcessor) mia³ czas wykonywania operacji600ns, ale zbudowany zosta³ z†10000 uk³a-dÛw scalonych! PrÛba rÛwnoleg³ego wyko-nywania kilku dzia³aÒ, przy wykorzystaniuarchitektury von Neumanna, by³a przyczy-n¹ tak duøej z³oøonoúci uk³adu.Nauczona doúwiadczeniem firma zbudo-

wa³a urz¹dzenie LSP/2 wykorzystuj¹ce star¹i†prawie zapomnian¹ architekturÍ Harvard.DziÍki temu osi¹gniÍto 4-krotne skrÛcenieczasu wykonywania operacji, przy rÛwno-czesnym zmniejszeniu liczby elementÛw do1/3. Jednakøe nadal systemy DSP by³y nie-s³ychanie z³oøone oraz bardzo drogie. Ko-niec lat 70-tych przyniÛs³ uk³ady scalone N-MOS wykonane w†technologii 3µm, ktÛraumoøliwia³a upakowanie 100 000 tranzys-torÛw w†jednym takim uk³adzie. Sprawi³oto, øe w†latach 1980-82 pojawi³y siÍ aø czte-ry jednouk³adowe procesory sygna³owe.Ostatnim z†nich by³ procesor firmy TexasInstruments TMS32010 i†od tego czasu mo-øemy mÛwiÊ o†pojawieniu siÍ prawdziwychjednouk³adowych procesorÛw DSP. Jego po-przednicy wykorzystywali architekturÍ Har-vard z†dwoma niezaleønymi uk³adami pa-miÍci. Dopiero w†TMS32010 zastosowanozmodyfikowan¹ architekturÍ typu Harvard -uøytkownik do³¹cza do procesora jedn¹ pa-miÍÊ zawieraj¹c¹ program i†dane, ktÛre s¹rozdzielane na niezaleøne magistrale dopie-ro wewn¹trz procesora (rys.2). Tego typuzmodyfikowana architektura jest stosowanapowszechnie do dzisiaj praktycznie wewszystkich procesorach DSP.Wiedz¹c juø ile wysi³ku w³oøono w†po-

wstanie procesorÛw DSP moøemy zadaÊ py-tanie: po co to wszystko? Przecieø moønaw†wielu przypadkach uøyÊ zwyk³e uk³adyanalogowe zamiast tychøe procesorÛw. CowiÍc sprawia, øe procesory DSP staj¹ siÍcoraz bardziej popularne? Odpowiedü niejest prosta.Jednym z†powodÛw jest programowalnoúÊ

tych uk³adÛw. Przecieø powszechnie uøywa-ne komputery PC moøna uøywaÊ do pisania

tekstÛw (jak w†tym przypadku), by po kilkusekundach przeistoczyÊ go w†konsolÍ dogrania. Podobne moøliwoúci maj¹ rÛwnieøuk³ady DSP. Moøliwe jest zaprojektowanieuk³adu, ktÛry przy nie zmienianej konfigu-racji bÍdzie realizowa³ rÛøne funkcje, w†za-leønoúci od za³adowanego programu. Dob-rym przyk³adem jest uk³ad filtru cyfrowego,ktÛry moøe byÊ filtrem dolno-, gÛrnoprze-pustowym lub pasmowym, w†zaleønoúci odprogramu - w†technice analogowej rzeczpraktycznie nie do zrealizowania.Systemy cyfrowe w†porÛwnaniu z†syste-

mami analogowymi charakteryzuj¹ siÍ znacz-nie lepsz¹ stabilnoúci¹ parametrÛw, zarÛ-wno czasowych, jak i†temperaturowych.W†uk³adach cyfrowych nie psuj¹ paramet-rÛw starzej¹ce siÍ kondensatory i†rezystoryo†zmieniaj¹cej siÍ z†czasem rezystancji. Po-nadto, procesory DSP mog¹ byÊ tak zapro-gramowane, øe identyfikuj¹ i†automatyczniekompensuj¹ zmiany parametrÛw elementÛwanalogowych systemu.Niezaprzeczaln¹ zalet¹ uk³adÛw cyfro-

wych jest ich powtarzalnoúÊ. DziÍki temumoøemy gotowe urz¹dzenie znacznie ³atwiejuruchomiÊ (praktycznie brak operacji stro-jenia) oraz zapewniÊ powtarzalnoúÊ para-metrÛw wejúciowych i†wyjúciowych urz¹-dzenia.Kilka lat temu zaprojektowano uk³ady do

t³umienia ha³asu w†kabinie samochodu, sa-molotu lub úmig³owca. System opiera³ siÍna generacji düwiÍku o†identycznej czÍstot-liwoúci lecz o†przeciwnej fazie, co powodo-wa³o znoszenie siÍ fal düwiÍkowych. Czuj-nikami by³y umieszczone w†kabinie mikro-fony, ktÛre wykrywa³y zmiany natÍøeniai czÍstotliwoúci düwiÍku. Opieraj¹c siÍ nazmianach wykrywanych przez mikrofonysystem reagowa³ zmianami parametrÛw ge-nerowanego sygna³u, stopniowo dostosowu-j¹c go do nowego ürÛd³a ha³asu.Uk³ady DSP bardzo szybko znalaz³y za-

stosowanie w†systemach redukcji ha³asu.DziÍki wykorzystaniu adaptacyjnych algo-rytmÛw uda³o siÍ, przy rÛønych poziomachha³asu, zachowaÊ podobny sposÛb reagowa-

nia na zmieniaj¹cy siÍ sygna³ z†mikrofonÛw.Z†innych dziedzin øycia: praktycznie kaø-

dy z†posiadanych przez nas odtwarzaczy CDzawiera specjalizowany procesor DSP s³u-ø¹cy do korekcji b³ÍdÛw. Podobnie rzeczwygl¹da z†nowoczesnymi modemami,w ktÛrych oprÛcz korekcji b³ÍdÛw nastÍpujerÛwnieø kompresja danych. Systemy tele-konferencyjne, dziÍki ktÛrym za pomoc¹ zin-tegrowanej sieci cyfrowej ISDN moøna prze-sy³aÊ obraz z†düwiÍkiem z†bardzo ma³ymopÛünieniem (rzÍdu kilkunastu milisekund)rÛwnieø zbudowane s¹ w†oparciu o†proce-sory DSP.Istniej¹ rÛwnieø uk³ady, ktÛrych praktycz-

na realizacja w†postaci analogowej nie jestmoøliwa. Klasycznym przyk³adem jest filtrpasmowy o†zerowym k¹cie przesuniÍcia.W†typowych filtrach (np. LC) jedynie dlaczÍstotliwoúci úrodkowej filtr ma charakterrezystancyjny i†nie nastÍpuje przesuniÍciefazowe miÍdzy pr¹dem a†napiÍciem sygna-³u. Im bardziej odstroimy siÍ od czÍstotli-woúci úrodkowej, tym bardziej filtr zmieniaswÛj charakter na pojemnoúciowy lub in-dukcyjny, przez co zwiÍksza siÍ k¹t prze-suniÍcia, pomimo iø ci¹gle znajdujemy siÍw†paúmie przepustowym. W†przypadku re-alizacji filtru na procesorze DSP tego typuzjawisko nie wystÍpuje.Oczywiúcie, uk³ady DSP nie s¹ idealne.

Ich podstawow¹ wad¹ jest ograniczone pas-mo pracy. Ograniczenie to wynika zarÛwnoz†czasÛw wykonywania pojedynczych ope-racji, jak rÛwnieø z†samej szybkoúci prze-twarzania uk³adÛw wejúciowych i†wyjúcio-wych, ktÛrymi najczÍúciej s¹ przetwornikiA/C i†C/A. Jednakøe sta³y rozwÛj technikicyfrowej (telefonia komÛrkowa, telewizjacyfrowa, wideofony itp.) sprawia, øe uk³adyDSP staj¹ siÍ coraz bardziej popularne i†czÍú-ciej zaczn¹ pojawiaÊ siÍ w†naszych domach.Krzysztof Różyc, AVTRyszard Szymaniak, AVT

Autorzy dziÍkuj¹ firmom: Motorola i†Te-xas Instruments za nades³ane materia³y wy-korzystane podczas pisania tego artyku³u.

Rys. 2. Zmodyfikowana architektura typu Harvard zastosowana w procesorze TMS32010firmy Texas Instruments.