Cap 1

1. Introducere în domeniul procesoarelor numerice de semnal

1.1 Definire. Caracteristici Procesoarele numerice de semnal, numite în literatura de specialitate DSP-uri (DSP - Digital Signal Processors), sunt sisteme de calcul programabile de tip "singlechip", destinate prelucrării complexe a semnalelor digitale. Deşi se numesc procesoare, ele înglobează într-un singur circuit integrat principalele subsisteme componente ale unui sistem de calcul (unitate centrală, subsistem de memorie, subsistem de intrare / ieşire, etc.), realizând funcţii complexe de transfer şi de prelucrare a datelor. Pentru efectuarea unor prelucrări în timp real asupra datelor, procesoarele de semnal lucrează la frecvenţe mari şi dispun de un set complex de instrucţiuni, putând astfel executa zeci de milioane de operaţii în virgulă mobilă pe secundă (MFLOPS - Million Floating-Point Operations per Second). Totodată, structura internă paralelă permite efectuarea mai multor operaţii simultan, ceea ce creşte considerabil puterea de calcul a DSP-ului. Evoluţia în timp a procesoarelor de semnal a fost condiţionată de dezvoltarea tehnologiei de fabricaţie a circuitelor integratedigitale. În general, tendinţele dezvoltării tehnologice au în vedere următoarele aspecte: • mărirea densităţii de integrare, prin creşteea numărului de tranzistoare pe unitatea de suprafaţă a cipului. Aceasta permite creşterea numărului unităţilor funcţionale integrate şi a complexităţii acestora; • creşterea frecvenţei interne de lucru a procesoarelor, care se poate face explicit prin îmbunătăţirea calităţii tranzistoarelor şi, implicit, prin micşorarea dimensiunilor tranzistoarelor şi a distanţelor dintre ele pe cip; • realizarea mai multor unităţi paralele de prelucrare şi mărirea cuvintelor prelucrate şi respectiv, memorate; • micşorarea consumului energetic şi a puterii disipate, factori care tind să crească odată cu creşterea frecvenţei de lucru a procesoarelor; • păstrarea compatibilităţii software cu modelele anterioare din aceeaşi familie de procesoare. Procesoare numerice de semnal - Cap.1

1

Astăzi, marile firme producătoare de DSP-uri au în vedere două aspecte majore: • asigurarea unei game largi de produse şi de soluţii complete cu DSP-uri, adaptându-se permanent la cerinţele pieţii; • crearea suportului software pentru dezvoltarea aplicaţiilor cu DSP-uri.

1.2 Producători de DSP-uri Prelucrarea numerică a semnalelor este unul dintre cele mai dinamice domenii ale electronicii, atât din punct de vedere tehnologic, cât şi economic. După o statistică din 1992 a firmei Forword Concept Co., pe piaţa cipurilor dedicate acestui domeniu s-au comercializat în 1991 componente în valoare de peste 1 miliard de USD. Dintre acestea, 36% (395 milioane USD) au reprezentat procesoare numerice de semnal de uz general. Acest segment al pieţii este dominat de cinci mari firme: Texas Instruments (57%) Motorola (13%) AT&T (13%) NEC (8%) Analog Devices (6%) În ultimii ani, firma Analog Devices a câştigat mult teren, ajungând să-şi dispute cu Motorola locul al doilea pe piaţa vânzărilor de DSP-uri şi chiar să o depăşească în anumite zone. Poziţia dominantă, unanim recunoscută, a firmei Texas Instruments (TI) nu este întâmplătoare. În 1982, când a lansat primul său procesor de semnal digital, TMS32010, TI era pionier în domeniu. Succesul iniţial nu a acoperit însă în totalitate slăbiciunile primului procesor DSP al firmei şi a impus un ritm accelerat de evoluţie a noii familii. Astăzi, firma TI are în producţie mai mult de 100 de tipuri de DSP-uri, utilizate în domenii diverse, cum ar fi: comunicaţii, calculatoare, produse de larg consum, conducerea proceselor industriale, instrumentaţie, aplicaţii militare, etc. Urmând o strategie orientată spre utilizator şi spre cerinţele sale, TI a ajuns să realizeze şi să ofere cea mai largă linie de procesoare DSP de uz general într-un singur cip şi să aibă cea mai extinsă reţea de utilizatori experimentaţi. Aceasta se datorează nu numai aplicării celor mai avansate tehnologii şi arhitecturi, ci, în primul rând, suportului eficient şi complex creat şi oferit pentru fiecare procesor DSP, care cuprinde: • sisteme de dezvoltare hardware şi software de înaltă calitate; 2

Procesoare numerice de semnal - Cap.1

• asistenţă tehnică permanentă (telefonic, sau direct la utilizator); • buletine de informaţii, ghiduri de utilizare, cărţi; • mii de pagini de note de aplicaţii; şi • un volum impresionant de cod sursă oferit gratuit. Toate acestea sunt completate cu produse şi servicii oferite în domeniul prelucrărilor numerice de semnal cu procesoare TI de către peste 200 de alte firme (third-party). De asemenea, se poate observa faptul că la realizarea setului de instrucţiuni au contribuit şi specialişti din domeniul calculului numeric, deoarece se regăsesc instrucţiuni care sunt necesare unor proceduri de calcul standard. Familiile de procesoare se caracterizează şi printr-un grad ridicat în ceea ce priveşte paralelismul operaţiilor aritmetice şi al celor de transfer. Procesoarele dispun de magistrale multiple care permit calculul paralel, încât pot exista situaţii în care structurile de calcul realizează 11 operaţii în acelaşi timp. O altă caracteristică întâlnită la aceste procesoare se referă la faptul că starea perifericelor poate fi cunoscută în orice moment, iar sincronizarea activităţii acestora se poate programa în prealabil.

1.3 Aplicaţii ale DSP-urilor Datorită performanţelor în timp real şi a capacităţii mari de prelucrare, procesoarele de semnal sunt utilizate astăzi într-o gamă foarte variată de aplicaţii. Tehnicile DSP tind să înlocuiască metodele clasice de procesare analogică a semnalelor în multe domenii. Procesarea numerică a semnalelor a devenit o tehnică standard în multe domenii, printre care: telecomunicaţiile, analiza şi prelucrarea semnalelor biomedicale, controlul numeric, procesarea vorbirii şi a semnalelor audio / video, instrumentaţia numerică, tehnicile radar, sonar, etc. Câteva exemple de aplicaţii în care se utilizează procesarea numerică a semnalelor sunt prezentate în continuare. Prelucrare de semnale (procese) Filtrare digitală, Convoluţie şi corelaţie, Transformări Hilbert, Transformări Fourier rapide, Filtrare adaptivă, Generare de semnale, Ferestre de timp.

Procesoare numerice de semnal - Cap.1

3

Grafică şi prelucrări de imagine Transformări 3D / Renderizare, Recunoaştere de forme, Transmisie / Compresie de imagini, Îmbunătăţirea calitativă a imaginilor, Scanare coduri de bare, Staţii de lucru grafice, Animaţie / Hărţi digitale, Vedere artificială, Camere digitale. Instrumentaţie Analiza spectrală, Generare de funcţii, Potrivire de şabloane, Simulări seismice, Filtrare digitală Recunoaştere vocală Scrisoare vocală (Voice Mail), Recunoaştere după voce, Verificare amprentă vocală, Îmbunătăţirea vorbirii, Sinteza vocală, Controlul incintelor acustice, Conversia text / vorbire (Text-to-Speech), Videoconferinţe, Protocoale de transfer voce pe Internet (Voice Over Internet). Comandă şi control Controlul discului, Comandă servo, Comanda roboţilor, Imprimante laser, Comanda motoarelor, Filtre Kalman. Aplicaţii industriale Comanda numerică, Robotică, Securitatea accesului, Monitorizarea surselor de putere, Inspecţie vizuală, CAM (Computer-Aided Manufacturing). Procesare audio Codificare şi decodificare (codec), Generatoare de efecte, Sintetizare de sunet tridimensional, Procesare de sunet spaţial (Surround-Sound). Transporturi Controlul activ al zgomotului şi al vibraţiilor, Securitatea comunicaţiilor, Controlul adaptiv al rulării, Sisteme anti-coliziune, GPS (Global Positioning System), Comanda vocală a autovehicolelor, Radio digital, Sisteme audio / video pentru transporturi. Comunicaţii Securitatea comunicaţiilor, Detecţie, Codificare şi decodificare, Radiouri software, Sintetizatoare de unde. Telecomunicaţii Suprimarea ecoului, Transcodere, Multiplexarea canalelor, Modemuri, Codare / decodare, Criptare date, Comunicaţii în spectru larg, Egalizatoare adaptive, FAX, Telefonie celulară, Telefoane inteligente, Interpolare, Videoconferinţe, Sisteme de comunicaţii personale (PCS - Personal Communication System), PDA-uri (Personal Digital Assistants), etc. 4

Procesoare numerice de semnal - Cap.1

Aplicaţii militare Securitatea comunicaţiilor, Procesare de semnale radar, Procesare sonar, Procesare imagini, Instrumente de navigaţie, Ghidare rachete, Modemuri în radiofrecvenţă. Domeniul medical Echipamente de diagnostic, Proteze, Echipamente cu ultrasunete, Proteze auditive, Monitorizare pacienţi Bunuri de larg consum Detectoare de radar (anti-radar), Instrumente de putere, Audio/TV digitale, Sintetizatoare muzicale, Jucării inteligente, Roboţi telefonici, Produse educaţionale, Pagere, PDA-uri, etc. Acestă sumară trecere în revistă a domeniilor şi a aplicaţiilor în care procesarea numerică a semnalelor şi-a găsit o largă aplicabilitate nu este nici pe departe completă; mai mult, aria de utilizare a DSP-urilor se lărgeşte odată cu trecerea timpului. Aici s-au evidenţiat doar aplicaţiile în care aportul utilizării procesoarelor numerice de semnal a fost unul revoluţionar. Se poate observa şi că domeniul procesării numerice a semnalelor este unul interdisciplinar, bazându-se pe noile descoperiri din diverse alte domenii. Aşa cum se poate vedea în Fig.1.1, graniţele dintre domeniul DSP şi al altor discipline tehnice nu sunt bine delimitate, existând multe puncte comune.

Fig.1.1 Interdisciplinaritatea domeniului DSP

Procesoare numerice de semnal - Cap.1

5