Signálové procesory

Prednášajúci: prof.Ing. Miloš Drutarovský, CSc.

Cvičiaci: prof.Ing. Miloš Drutarovský, CSc. 

Anotácia predmetu (3/2s)

Predmet je zameraný na zvládnutie vybraných technických prostriedkov číslicového spracovania signálov a ich využitie pri realizácii základných funkčných blokov Číslicového Spracovania Signálov (ČSS). Úvodná časť je venovaná základným pojmom, klasifikácii technických prostriedkov pre ČSS a trendom vo vývoji VLSI technológie. Ťažiskom predmetu sú programovateľné signálové procesory (DSPs - Digital Signal Processors), ich architektúry, vlastnosti, vývojové trendy a aplikačné možnosti predovšetkým v telekomunikačných aplikáciách, spotrebnej a automobilovej elektronike. Podrobne sa analyzujú výhody a modifikácie harvardskej architektúry, architektúry VLIW (Very Long Instruction Word) a SIMD (Single Instruction Multiple Data) rozšírení z pohľadu využitia v komerčných signálových procesoroch. Pozornosť sa tiež venuje moderným architektúram procesorov pre ČSS na báze VLSI technológie, ako sú systolické polia a zákaznícké obvody na báze obvodov FPGA (Field Programmable Gate Arrays). V závere sa poukazuje na trendy v riešení blokov vysielačov a prijímačov softvérovo definovaného rádia s využitím moderných programovateľných a rekonfigurovateľných systémov ČSS. Absolvent okrem teoretických znalostí získa aj praktické skúsenosti a návyky v práci s modernými vývojovými prostriedkami pre signálové procesory Analog Devices a zvládne základné metódy a postupy návrhu programovateľných systémov pre číslicové spracovanie signálov, najmä číslicových FIR a IIR filtrov a transformačných procesorov FFT (Fast Fourier Transform).

Hlavné tématické okruhy:

• Trendy vo vývoji VLSI technológie
• Klasifikácia technických prostriedkov pre ČSS
• Harvardská architektúra
• Paralelizmus a zreťazenie
• Architektúry a klasifikácia programovateľných DSP
• Zlomkový formát, špeciálne adresové módy využívané v DSP
• VLIW architektúry moderných DSP
• SIMD rozšírenia moderných DSP
• DSP koprocesory
• Vývojové prostriedky pre DSP
• Implementácia základných algoritmov (FIR a IIR filtrov, FFT),
• Základné vlastnosti sigma-delta prevodníkov a ich využitie v ČSS
• Synchrónne a asynchrónne systolické polia
• Algoritmy a procesory ČSS na báze obvodov FPGA
• Vybrané bloky ČSS pre softvérovo definované rádio
• Typické aplikácie signálových procesorov (GSM, audio technika, autoelektronika)

Vybrané témy budú prakticky precvičované na vývojových doskách (BF533EZ-KIT a EZ-KIT21535 pre DSP s jadrom Blackfin) so signálovými procesormi firmy Analog Devices – ADSP BF533 a ADSP21535 (patriacimi do rodiny najmodernejších 16-bitových  DSP optimalizovaných pre aplikácie v spotrebnej elektronike, autoelektronike a telematických systémoch). Uvedené vývojové dosky boli poskytnuté KEMT v rámci Univerzitného programu firmou Analog Devices, Inc. V rámci cvičení bude využívané vývojové prostredie VisualDSP++, ktoré je možné voľne stiahnuť a otestovať (po bezplatnej registrácii je funkčnosť obmedzená na 90 dní). Informácie o cvičeniach, prednáškach a podmienkach udelenia zápočtu nájdete v dokumente SP.pdf. 

Vybrané kapitoly k prednáškam [PDF]
Blackfin processor workshop slides [PDFs] - podklady k prednáškam o procesoroch Blackfin (kópia zo servra Analog Devices)

 

Podklady pre cvičenia (v lab V102b, Vysokoškolská 4):

Témy zadaní

Prehľad vybraných DSP firmy Analog Devices
Blackfin Embedded Processor ADSP-BF533 datasheet [PDF], manuály
SP_cv1 (testIIR.m), SP_cv2, SP_cv3, SP_cv4, SP_cv5, SP_cv6, SP_cv7 
Projekty preberané v rámci cvičení: SP_cv2.zip, SP_cv3.zip, SP_cv4.zip, SP_cv5.zip, SP_cv7.zip. 
BF533EZ-Kit (manuál, schéma), EZ extender (manuál, schéma)
Zaopjenie konektorov BF533EZ-Kitu: UART, AUDIO. 

FilterExpress (Digital Filter Synthesis v5.1) - program pre návrh číslicových filtrov (bezplatná registrácia bola funkčná do roku 2005), funkčná verzia je dostupná v učebni V102b
Nuhertz (FilterSolutions-Pro softvérový balík) - komplexný program pre návrh analógových aj číslicových filtrov, funkčná licencovaná verzia je dostupná v učebni V102b
Grafické programovanie audio aplikácií v prostredí VisualAudio - príloha DP

Podklady cvičení pre procesor ADSP2181 (využívané do roku 2005 v predmete Signálové procesory v telekomunikáciách)
DSP Microcomputer ADSP-2181 datasheet (Rev. D, 1998) [PDF]
SPvT_cv2, SPvT_cv3, SPvT_cv4, SPvT_cv5, SPvT_cv6, SPvT_cv7, ADSP2181EZ-Kit (manuál, schéma )
Projekty preberané v rámci cvičení: FIR_Filter, IIR_Filter, FFT, AD-DA_kodek

Zaujímavé linky:

Moorov zákon - pohľad firmy Intel na rast úrovne integrácie (originálny článok Gordona Moora)
BDTI - stránka firmy zaoberajúcej sa nezávislym auditom DSP rôznych výrobcov
Pocket Guide to Processors for DSP - prehľad vlastností komerčných čipov a jadier DSP
Blackfin_Summary_Report - podrobnejší opis architektúry procesorv
Blackfin Technical Articles - príklady technických riešení s využitím procesorov Blackfin
Blackfin Application Notes - aplikačné príručky pre proceory Blackfin
Blackfin Processor Manuals - dostupné on-line manuály pre procesory Blackfin a vývojové prostriedky pre tieto DSP
Blackfin Online Learning and Development Video Tutorials - video-prezentácie
VisualAudio - nástroj pre vývoj audio aplikácii s podporou grafického programovania
DSP Solution Center - riešenia firmy Altera pre ČSS na báze obvodov FPGA
Analog Devices in Automotive Electronics - príklady riešení vložených sytémov v autoelektronike (DSP, gyroskopy, akcelerometre, navigačné systémy, ...)
Softvérovo definované rádio - príklady praktických riešení
Real-Time Digital Signal Processing - kurz o využití DSP techník (zaujímavé prezentácie v PDF formáte)
Altera’s FPGA Floating-point DSP Design Flow - analýza výkonnosti FPGA obvodov firmy Altera v DSP aplikáciách s pohyblivou rádovou čiarkou