Цифровая обработка сигналов и сигнальные процессоры в системах подвижной радиосвязи

Обновлено: 04.07.2024

Процессоры цифровой обработки сигналов представляют собой класс специализированных микропроцессоров, предназначенных для решения задач цифровой обработки сигналов (ЦОС), к которым относятся обработка звуковых сигналов, обработка изображений, распознавание речи, распознавание образов, цифровая фильтрация, спектральный анализ и др.

Часто в литературе такие микропроцессоры называются цифровыми сигнальными процессорами (ЦСП), или DSP ( Digital Signal Processors ).

Первые процессоры этого класса появились в конце 1970-х годов. Требования практики, связанные с широким развитием мобильной беспроводной связи, стационарных систем широкополосной связи, использованием цифровой обработки сигналов в бытовой аудио- и видеотехнике и устройствах компьютерной периферии , с одной стороны и колоссальный прогресс электронной промышленности с другой привели к тому, что к настоящему времени производительность ЦСП возросла до сотен миллионов операций в секунду, а цена упала более чем на 90 % и даже для самых мощных процессоров составляет в настоящее время менее $20. Низкая потребляемая мощность (менее 1 Вт на максимальной частоте работы процессора) обеспечивает их широкое использование в различных встраиваемых устройствах от бытовой электроники до бортовых систем специального назначения.

Цифровая обработка сигналов - это арифметическая обработка последовательности значений амплитуд сигнала, получаемых через равные промежутки времени. Главное, что отличает эту информацию, - она необязательно заносится в память и поэтому может оказаться недоступной в будущем. Следовательно, обрабатывать ее нужно в реальном масштабе времени (РМВ).

К основным особенностям цифровой обработки сигналов , которые во многом определяют архитектуру процессоров DSP , относятся:

поточный характер обработки больших объемов данных в РМВ;
обеспечение возможности интенсивного обмена с внешними устройствами.

Для эффективной реализации алгоритмов цифровой обработки сигналов необходима аппаратная поддержка базовых операций ЦОС. Поэтому рассмотрим вначале принципы цифровой обработки сигналов , оказывающие особое влияние на архитектуру ЦСП.

Любой аналоговый сигнал можно представить в виде характеристик -либо амплитуда-время, либо частота-амплитуда. Для перехода от одной формы представления к другой используется преобразование Фурье. Операции , выполняющие это преобразование, являются базовыми в цифровой обработке сигналов.

Преобразование Фурье представляет собой в общем случае работу с некоторой непрерывной функцией. С непрерывным преобразованием Фурье удобно работать в теории, но на практике мы обычно имеем дело с дискретными данными. Для обработки звуковых и видеосигналов в компьютере они сначала преобразуются в цифровую форму и представляются в виде некоторого набора отсчетов частот и амплитуд, производимых через определенные промежутки времени (период дискретизации ). Поэтому здесь стоит говорить не об интегральном, а о дискретном преобразовании Фурье (ДПФ).

Пусть дана конечная последовательность чисел x₀ , x₁ , x₂, . x_N-1 (в общем случае комплексных). Дискретное преобразование Фурье заключается в поиске другой последовательности X₀, X₁, X₂, . X_N-1 , элементы которой вычисляются по формуле:

$X_<k>=\sum_^x_e^<\frac<-j2\Pi*kn>>$

( 16.1)

Пусть дана конечная последовательность чисел X₀ , X₁ , X₂, . X_N-1 (в общем случае комплексных). Обратное дискретное преобразование Фурье заключается в поиске другой последовательности x₀ , x₁ , x₂, . x_N-1 , эле менты которой вычисляются по формуле:

$x_<n>=\frac\sum_^X_e^<\frac<-j2\Pi*kn>>$

( 16.2)

В общем случае гармоническое колебание, которое имеет вид, пред ставленный на рис. 16.1, описывается следующим выражением:

$x=A\sin<(\frac<2\pi*t>+\varphi)>$

( 16.3)

$\phi$

Где A 0 - амплитуда сигнала, Т - его период, - сдвиг фазы сигнала.

Это колебание можно описать также выражением:

$x=A\cos<(\omega<t>+\varphi)>$

( 16.4)

$\omega =2\pi/<T> где$
- круговая частота сигнала. Данное выражение будем называть гармоникой.

Преобразуем последнее выражение к виду:

$x=A\cos\cos<(2\pi/<T>)>-A\sin\sin<(2\pi/<T>)>$

( 16.5)

Выделим в (16.5) элементы, независимые от t , и обозначим их как Re и Im . В результате получим:

$x=\mbox<Re > \cos<(2\pi/<T>)>-\mbox\sin<(2\pi/<T>)>$

$Re=A\cos где ,Im=A\sin$

По величинам Re и Im можно однозначно восстановить амплитуду и фазу исходной гармоники:

$\varphi=\arctg<(\frac<Im>)>,A=\sqrt+Im^>$

( 16.6)

$X_ Разложим каждое комплексное число Xk из выражения обратного преобразования Фурье (16.2) на мнимую и действительную составляющие = R_ +\varphi Im_$
, а экспоненту - по формуле Эйлера на синус и косинус действительного аргумента. Получим:

Презентация на тему: " Цифровая обработка сигналов и сигнальные процессоры в системах подвижной радиосвязи Цифровые сигнальные процессоры TMS320C67x Витязев Сергей Владимирович." — Транскрипт:

1 Цифровая обработка сигналов и сигнальные процессоры в системах подвижной радиосвязи Цифровые сигнальные процессоры TMS320C67x Витязев Сергей Владимирович

3 Цифровая обработка сигналов – это преобразование сигналов, представленных в цифровой форме.

4 Что такое ЦОС ? Цифровая обработка сигналов – это преобразование сигналов, представленных в цифровой форме. Только небольшой ряд преобразований, получил очень широкое распространение:

5 Что такое ЦОС ? Цифровая обработка сигналов – это преобразование сигналов, представленных в цифровой форме. Только небольшой ряд преобразований, получил очень широкое распространение: (фильтрация, ДПФ, БПФ).

6 Что такое ЦОС ? Цифровая обработка сигналов – это преобразование сигналов, представленных в цифровой форме. Только небольшой ряд преобразований, получил очень широкое распространение: (фильтрация, ДПФ, БПФ). Цифровые сигналы – это сигналы, дискретные по времени и квантованные по уровню.

7 Что такое ЦОС ? Цифровая обработка сигналов – это преобразование сигналов, представленных в цифровой форме. Только небольшой ряд преобразований, получил очень широкое распространение: (фильтрация, ДПФ, БПФ). Цифровые сигналы – это сигналы, дискретные по времени и квантованные по уровню. Сигнал – это физический процесс, содержащий в себе некоторую информацию.

8 Цифровая обработка сигналов получила чрезвычайно широкое распространение в самых различных технических сферах. На рисунке показаны некоторые из областей, в которых ЦОС произвела революционные изменения. Возможной причиной такого успеха является высокая эффективность замены сложных физических процессов простым (для машины и человека) набором чисел!

9 Иллюстрация причины широкого распространения ЦОС Пример оцифровки сигнала в системе МАТЛАБ y = wavrecord(40000,8000);

10 Что такое ЦСП ? Цифровой сигнальный процессор, он же DSP (Digital Signal Processor), он же ЦПОС (цифровой процессор обработки сигналов).

11 Что такое ЦСП ? Цифровой сигнальный процессор, он же DSP (Digital Signal Processor), он же ЦПОС (цифровой процессор обработки сигналов). Цифровой процессор – устройство, служащее для выполнения арифметических и логических операций, задаваемых программой, управления вычислительным процессом, координации работы узлов системы. Цифровые процессоры разделяют на три основных класса в соответствии со спецификой выполняемых задач: микропроцессоры общего назначения, микроконтроллеры, цифровые сигнальные процессоры.

12 Что такое ЦСП ? Микропроцессоры –

13 Что такое ЦСП ? Микропроцессоры – ориентированы как на задачи работы с данными, так и на математические вычисления. Требуют наличия большого числа внешних компонентов. Примером являются: Pentium, PowerPC. Микроконтроллеры –

14 Что такое ЦСП ? Микропроцессоры – ориентированы как на задачи работы с данными, так и на математические вычисления. Требуют наличия большого числа внешних компонентов. Примером являются: Pentium, PowerPC. Микроконтроллеры – отличаются эффективностью реализации ввода-вывода и управления. Имеют большой набор разнообразной встроенной периферии. Скорость обработки данных менее важна. Цифровые сигнальные процессоры –

15 Что такое ЦСП ? Микропроцессоры – ориентированы как на задачи работы с данными, так и на математические вычисления. Требуют наличия большого числа внешних компонентов. Примером являются: Pentium, PowerPC. Микроконтроллеры – отличаются эффективностью реализации ввода-вывода и управления. Имеют большой набор разнообразной встроенной периферии. Скорость обработки данных менее важна. Цифровые сигнальные процессоры – оптимизированы для максимально эффективной реализации алгоритмов ЦОС. Скорость выполнения математических операций играет первостепенную роль.

16 Производители ЦСП Forward Concepts Co., 2007

17 Texas Instruments Inc. Компания Texas Instruments Inc. ( TI ) является мировым лидером в разработке и производстве интегральных микросхем. История компании TI - это длинный путь от сейсмической технологии в 1930 г. до создания первой интегральной микросхемы для электронного калькулятора в 1958 г. В 1982 году компания TI впервые представила на мировом рынке цифровой сигнальный процессор TMS320C10. Имея собственные исследовательские центры и мощное современное производство, компания TI постоянно предлагает рынку новые разработки в микроэлектронной технике. В настоящее время производственная деятельность TI представляет собой несколько крупных направлений: цифровые сигнальные процессоры, интегральные микросхемы, микроконтроллеры со сверхнизким энергопотреблением, электронные системы защиты, программы повышения производительности труда, принтеры, ПК-блокноты, калькуляторы и изделия бытовой электроники, средства электронного контроля. Компании TI принадлежит более половины всего мирового объема продаж цифровых сигнальных процессоров (DSP). Эффективные средства отладки, библиотеки исходных текстов, мощная информационная поддержка - все это делает DSP компании TI привлекательными для потребителей. DSP-процессоры TI находят широкое применение в сотовых телефонах, карманных компьютерах, бытовой электронике и множестве других устройств. Компанией TI финансируется Университетская программа TI, направленная на подготовку специалистов в области применения сигнальных процессоров.

18 ЦСП фирмы Texas Instruments Платформа С2000 – цифровые сигнальные контроллеры, совмещающие характеристики микроконтроллеров и ЦСП. Ориентированы на применение в системах управления. Платформа С5000 – процессоры для устройств широкого потребления, в том числе мобильных средств связи. Отличаются малым энергопотреблением, низкой ценой. Платформа С6000 – наиболее высокопроизводительные процессоры компании Texas Instruments. Архитектура ориентирована на использование языков высокого уровня (Си). Используются в системах обработки видео, аудиоданных и изображений, системах связи.

19 ЦСП TMS320C67x Семейство ЦСП TMS320C67x – это семейство процессоров с плавающей точкой платформы С6000. Включает модели: С6701, С6713, С671 х, С672 х, С674 х. Данные процессоры используются в: аудиосистемах высокого качества, различных аудио процессорах, системах биометрии, медицинском диагностическом оборудовании, системах обработки изображений, телекоммуникационном оборудовании, системах синтеза и обработки речи.

20 ЦСП TMS320C6713 Характеристики процессора TMS320C6713 (2Q 2008): Тактовая частота: 300 МГц Объем внутренней памяти: 4 Кбайт + 4 Кбайт Кбайт Командный цикл: 3.3 нс Производительность: 1800 MFLOPS Цена: $36.60

21 ОЦЕНКА TMS320C6713 BDTI 2007

22 ЛИТЕРАТУРА 1. Цифровая обработка сигналов. Практическое руководство для инженеров и научных работников / Стивен Смит. М.: Додэка-XXI, Солонина А.И. и др. Алгоритмы и процессоры цифровой обработки сигналов. – СПб.: БХВ-Петербург, Научно-технический журнал Цифровая обработка сигналов, ( 4. Цифровые процессоры обработки сигналов TMS320C67x компании Texas Instruments: Учебное пособие / В.В. Витязев, С.В. Витязев; Рязан. гос. Радиотехн. универ. Рязань, TMS320C6000 CPU and Instruction Set Reference Guide (SPRU189), Texas Instruments, TMS320C6000 DSP Peripherals Overview Reference Guide (SPRU190), Texas Instruments, 2003

Рабочая программа составлена на основе Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению подготовки дипломированного специалиста 654400 – «Телекоммуникации» (Утв. 10.03.2000г., Рег. № 20тех/дс).

Составили: д.т.н., доцент, проф. каф. ТОР Васюков В.Н.,

к.т.н., ст. преп. каф. ТОР Голещихин Д.В.

Рецензент: к.т.н., доц. каф. ТОР М.А. Райфельд

Работа подготовлена на кафедре Теоретических основ радиотехники

технический университет, 2005

Курс «Цифровая обработка сигналов и сигнальные процессоры в системах подвижной радиосвязи (ЦОСиСПвСПРС)» в учебном плане специальности 201200 – «Средства связи с подвижными объектами» отнесен к циклу специальных дисциплин и является базовым в подготовке дипломированных инженеров по указанной специальности.

Целью курса является изучение основных принципов цифровой обработки сигналов, особенностей сигнальных процессоров и способов их применения в системах подвижной радиосвязи. В курсе рассматриваются вопросы математического описания дискретных и цифровых сигналов, дискретных линейных цепей, методов их анализа и синтеза, преобразования детерминированных и случайных сигналов в дискретных и цифровых цепях, основы архитектуры процессоров цифровой обработки сигналов, вопросы разработки аппаратуры на их основе и др.

Курс ЦОСиСПвСПРС базируется на дисциплинах естественнонаучного цикла (математика, информатика, основы теории случайных процессов), общепрофессиональных дисциплинах «Основы теории цепей», «Схемотехника» и образует вместе с другими дисциплинами фундамент для изучения в последующем других общепрофессиональных и специальных дисциплин, а также дисциплин специализации.

Курс ЦОСиСПвСПРС изучается в течение двух семестров. Изучение первой части курса предполагает выполнение двух контрольных заданий, четырех лабораторных работ и сдачу экзамена. При изучении второй части курса предполагается выполнение контрольного задания, четырех лабораторных работ и сдача экзамена.

Содержанию курса наиболее полно соответствует учебник [1]. Для закрепления усвоенных знаний настоятельно рекомендуется решать задачи [2]. Это будет полезно также при выполнении контрольных заданий. При самостоятельном изучении курса следует использовать дополнительную литературу [3– 18].

Рабочая программа организована следующим образом: вначале дается название раздела, затем ссылки на литературные источники, перечень основных тем, изучаемых в данном разделе, краткие пояснения (методические указания) по наиболее важным вопросам и в конце – вопросы для самоконтроля. Эти вопросы необходимо продумать и найти на них ответы, т.к. они позволяют студенту-заочнику самостоятельно оценить уровень своей подготовки. Эти вопросы могут быть использованы преподавателем при защите контрольных заданий и лабораторных работ, а также при составлении экзаменационных билетов и в качестве дополнительных вопросов на экзаменах. Вместе с тем нужно иметь в виду, что приведенные вопросы ни в коей мере не исчерпывают изучаемого материала.

Аннотация научной статьи по компьютерным и информационным наукам, автор научной работы — Жаркой И.А., Шлафер Г.В.

Представлен обзор методов цифровой обработки сигналов , наиболее часто используемых в спутниковых системах связи . Приведены методы модуляции, помехоустойчивого кодирования , а также защиты от помех, применяемых при передаче информации по каналу связи между искусственным спутником Земли и земной станцией.

DIGITAL PROCESSING OF SIGNALS IN SATELLITE COMMUNICATION SYSTEMS

In this article provides on overview of the digital signal processing methods, which often used in satellite communication system. Examples of modulation methods, and error correction, and interference protection methods user during the transfer of information between satellites and Earth station are given.

Текст научной работы на тему «ЦИФРОВАЯ ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ В СПУТНИКОВЫХ СИСТЕМАХ СВЯЗИ»

Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2019. Том 1

ЦИФРОВАЯ ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ В СПУТНИКОВЫХ СИСТЕМАХ СВЯЗИ

И. А. Жаркой, Г. В. Шлафер Научный руководитель - В. В. Золотухин

Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева

Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

Представлен обзор методов цифровой обработки сигналов, наиболее часто используемых в спутниковых системах связи. Приведены методы модуляции, помехоустойчивого кодирования, а также защиты от помех, применяемых при передаче информации по каналу связи между искусственным спутником Земли и земной станцией.

Ключевые слова: цифровая обработка сигналов, спутниковые системы связи, квадратурно-амплитудная манипуляция, помехоустойчивое кодирование.

DIGITAL PROCESSING OF SIGNALS IN SATELLITE COMMUNICATION SYSTEMS

I. A. Zharkoy, G. V. Shlafer Scientific Supervisor - V. V. Zolotukhin

Keywords: digital signal processing, satellite communication system, quadrature amplitude modulation, error correction codes.

Интенсивное развитие спутниковых систем связи обусловлено глобальной зоной покрытия и возможностью обеспечения связью труднодоступных районов Земли. Эти системы используют для передачи данных беспроводные каналы связи, в которых на передаваемый сигнал действуют помехи, как внутренние, возникающие в трактах систем связи и узлах аппаратуры, так и внешние, происходящие от действия внешних по отношению к системе связи источников помех. Это приводит к тому, что полученные данные, вероятнее всего, будут содержать ошибки. Однако, для выполняемых задач в спутниковой связи возможна лишь малая доля ошибок в обрабатываемых дискретных данных. Цифровая обработка сигналов, включающая в себя преобразование аналогового сигнала в цифровой сигнал, менее подверженный искажениям, оптимальные методы модуляции и помехоустойчивого кодирования, позволяет повысить пропускную способность и увеличить отношение сигнал/шум, учитывая низкую энергетику данных систем [1].

Примерами реализации помехоустойчивого кода, используемого в спутниковых сетях связи является достаточно мощный каскадный код, внутренним кодом которого является двоичный код БЧХ с коррекцией ошибок, а внешним - недвоичный код Рида-Соломона, используемый чаще всего для исправления пакетов ошибок, а также каскадная схема, в которой внешним кодом является код Рида-Соломона, а внутренним - сверточный код, обычно декодируемый с помощью оптимального алгоритма Витерби. Кроме того, используются турбокоды, образуемые при

Секция «Электронная техника и технологии»

параллельном каскадировании двух или более составляющих систематических кодов. Применение циклических кодов ЬОРС предусмотрено стандартом цифрового спутникового телевизионного вещания, их особенностью является обеспечение высокой степени исправления ошибок при весьма легком и быстром алгоритме декодирования.

В системах спутниковой связи чаще используются такие виды манипуляции, как квадратурно-амплитудная манипуляция (РЛ8К) - манипуляция, при которой как фаза, так и амплитуда изменяется, что позволяет увеличить количество передаваемой информации за счет одного состояния сигнала.

Все перечисленные выше методы кодирования являются статическими с точки зрения неизменности во времени параметров используемых кодов, а особенностью любого канала связи, в том числе и канала спутниковой связи, является непрерывное изменение параметров канала, в частности, отношения сигнал/шум, что приводит к следующей проблеме: в случае большого значения отношения мощности сигнала к мощности шума выбранный метод кодирования является неэффективным, так как содержит избыточное количество служебной информации (проверочных битов), а в случае же малого отношения мощности сигнала к мощности шума - наоборот: выбранного количества проверочных битов не достаточно для исправления большого числа битовых ошибок. Всё это свидетельствует о необходимости применения в системах спутниковой связи адаптивных алгоритмов модуляции и кодирования, подстраивающихся под изменяющиеся параметры канала связи [2].

В настоящее время ситуация с распределением радиочастотного ресурса не гарантирует работу без помех, поэтому необходимы эффективные методы защиты от помех, а именно - организационные, энергетические и сигнальные. Организационный метод предполагает такое расположение источников сигналов и диапазоны частот, при которых они не будут создавать взаимные помехи. Однако, этот принцип в настоящее время себя исчерпал. Энергетический метод заключается в увеличении мощности передатчика до уровня, который гарантированно превысил бы все помехи. Сигнальный метод основан на цифровой обработке сигнала и позволяет обеспечить снижение воздействия помех на уровне 20. 30 дБ. Такой метод основан на применении псевдослучайных, многочастотных и широкополосных шумоподобных сигналов, а также включает в себя методы помехоустойчивого кодирования.

Рассмотренные методы цифровой обработки сигналов, применяемых в спутниковых системах связи, позволяют повысить пропускную способность, защитить сигналы от помех для качественной передачи информации, эффективно использовать полосы частот, а также увеличить отношение сигнал/шум, однако, в спутниковой связи не гарантированы постоянные параметры канала и можно увеличить качество передаваемой информации за счет адаптивной алгоритмов цифровой обработки сигналов. Из этого следует, что цифровая обработка сигналов в рассматриваемой области не реализовала себя в полной мере.

1. Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. М. : Издательский дом «Вильямс», 2003. - 1104 с.

2. Айфичер Э., Джервис Б. Цифровая обработка сигналов: практический подход, 2-е издание. М. : Издательский дом «Вильямс», 2004. - 992 с.

Читайте также:

Цифровая обработка сигналов и сигнальные процессоры в системах подвижной радиосвязи

Аннотация научной статьи по компьютерным и информационным наукам, автор научной работы — Жаркой И.А., Шлафер Г.В.

Похожие темы научных работ по компьютерным и информационным наукам , автор научной работы — Жаркой И.А., Шлафер Г.В.

DIGITAL PROCESSING OF SIGNALS IN SATELLITE COMMUNICATION SYSTEMS

Текст научной работы на тему «ЦИФРОВАЯ ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ В СПУТНИКОВЫХ СИСТЕМАХ СВЯЗИ»