Detail předmětu

Signálové procesory

FEKT-MSPRAk. rok: 2014/2015

Definice signálového procesoru, jeho odlišnosti od ostatních mikroprocesorů. Generace signálových procesorů a jejich výrazné znaky, trendy vývoje. Základní architektury signálových procesorů - harvardská architektura, architektura typu VLIW. Formáty čísel s pevnou a pohyblivou řádovou čárkou, standard IEEE-754. Signálové procesory s pevnou řádovou čárkou firmy Texas Instruments řady TMS320C6400. Jádro procesoru, rozdělení funkčních jednotek, adresovací režimy. Instrukční soubor a způsob jeho použití. Návaznost na vyšší programovací jazyky, intrinsic funkce, implementačně závislé příkazy pragma. Implementace číslicových filtrů FIR a IIR v signálovém procesoru, nekanonické a kanonické struktury, analýza vlivu kvantování pomocí Masonova pravidla, úprava přenosové funkce pro implementaci v pevné řádové čárce. Implementace adaptivních filtrů s algoritmem typu LMS. Generace harmonického signálu a harmonická analýza, Goertzelův algoritmus, struktura algoritmu FFT. Souhrn periferií, mapování paměti, komunikace s vnějšími obvody, přímý přístup do paměti DMA. Algoritmy zpracování v reálném čase, použití kruhové vyrovnávací paměti a double buffering.

Jazyk výuky

čeština

Počet kreditů

6

Garant předmětu

doc. Ing. Petr Sysel, Ph.D.

Zajišťuje ústav

Ústav telekomunikací (UTKO)

Výsledky učení předmětu

Absolvent bude schopen:
- vysvětlit význam jednotlivých parametrů mikroprocesorů a signálových procesorů a zvolit procesor vhodný pro danou aplikaci,
- vysvětlit průběh překladu oddělených zdrojových souborů jazyka C včetně linkování s dalšími knihovnami,
- připravit kvantované koeficienty číslicového systému,
- zkontrolovat stabilitu číslicového systému i po kvantování koeficientů,
- navrhnout vhodnou strukturu algoritmu pro implementaci v pevné řádové čárce,
- analyzovat vliv kvantování v dané struktuře a posoudit vhodnou strukturu z hlediska kvantování,
- posoudit výhodnost algoritmu rychlé Fourierovy transformace a Goertzelova algoritmu,
- využít přímý přístup do paměti DMA pro přenos vzorků v reálném čase.

Prerekvizity

Jsou požadovány základní znalosti z oblasti číslicového zpracování signálů a mikroprocesorové techniky. Student by měl být schopen:
- popsat funkce základních bloků mikroprocesorového systému (procesor, paměť, vstupně/výstupní obvody, atd.),
- vysvětlit základní příkazy jazyka ANSI C,
- aplikovat základní příkazy jazyka ANSI C a implementovat jednoduchý program,
- vypočítat vyjádření čísel v různých číselných soustavách (binární, hexadecimální,
- vysvětlit průběh vzorkování spojitého signálu,
- vysvětlit význam stability systému,
- aplikovat Fourierovu transformaci.

Plánované vzdělávací činnosti a výukové metody

Přednášky mají charakter výkladu základních principů, metodologie dané disciplíny, problémů a jejich řešení.
Cvičení na počítači probíhá ve vývojovém prostředí Code Composer Studio. K dispozici jsou vývojové kity TMDSDSK6416 Texas Instruments TMDSDSK6416, funkční generátory a osciloskopy Agilent.

Způsob a kritéria hodnocení

Řešení zadaného projektu 20 bodů
Test ve cvičeních 10 bodů
Úlohy ve cvičeních 10 bodů
Ústní zkouška 60 bodů

Osnovy výuky

1. Dělení signálových procesorů do generací, společné vlastnosti signálových procesorů, von Neumannova a harvardská architektura, paralelní architektura a architektura VLIW.
2. Formáty zobrazení čísel, formáty záporných čísel, vlastnosti signálových procesorů s pevnou řádovou čárkou.
3. Architektura signálových procesorů firmy Texas Instruments řady TMS320C6400, jádro procesoru, funkční jednotky, registry, specifické instrukce.
4. Adresovací jednotka, modulo adresování, bitově reverzní adresování.
5. Instrukční soubor, zápis programu v asembleru.
6. Návaznost na vyšší programovací jazyky, vývojová prostředí, intrinsic funkce, pragma příkazy.
7. Řadič programu, časový popis činnosti, zřetězené zpracování instrukcí.
8. Vliv kvantování na vlastnosti číslicových filtrů, mezní cykly, úprava číslicových filtrů pro signálové procesory.
9. Implementace číslicových filtrů typu FIR a IIR v signálových procesorech.
10. Generace harmonického signálu a harmonická analýza, Goertzelův algoritmus, implementace algoritmu rychlé Fourierovy transformace.
11. Periferie na čipu, řadič DMA, obsluha přerušení.
12. Sběrnice, připojení vnějších prvků.
13. Signálové procesory s pohyblivou řádovou čárkou.

Učební cíle

Cílem předmětu je seznámit studenty s architekturou a základními vlastnostmi signálových procesorů s pevnou a pohyblivou čárkou, popsat způsob programování v asembleru a uvést souvislost s vyššími programovacími jazyky. Je uvedena implementace algoritmů lineární a adaptivní číslicové filtrace a spektrální analýzy s FFT.

Vymezení kontrolované výuky a způsob jejího provádění a formy nahrazování zameškané výuky

Účast na přednáškách je nepovinná
Účast na počítačových cvičení je povinná
Odevzdání samostatného projektu je povinné
Závěrečná písemná zkouška je povinná

Základní literatura

Smékal, Z., Sysel, P. Signálové procesory. 1. vydání. Praha: Sdělovací technika, 2006. 283 s. ISBN 80-86645-08-8 (CS)
SMÉKAL, Z., VÍCH, R.: Signal Processing on Digital Signal Processors (Zpracování signálů se signálovými procesory). Radix spol. s.r.o, Praha 1998. ISBN 80-86031-18-7 (In Czech) (CS)

Zařazení předmětu ve studijních plánech

  • Program EEKR-M1 magisterský navazující

    obor M1-BEI , 2 ročník, zimní semestr, volitelný mimooborový
    obor M1-EST , 2 ročník, zimní semestr, volitelný oborový
    obor M1-TIT , 2 ročník, zimní semestr, volitelný oborový
    obor M1-SVE , 1 ročník, zimní semestr, volitelný mimooborový

  • Program EEKR-M magisterský navazující

    obor M-SVE , 1 ročník, zimní semestr, volitelný mimooborový
    obor M-TIT , 2 ročník, zimní semestr, volitelný oborový
    obor M-BEI , 2 ročník, zimní semestr, volitelný mimooborový
    obor M-EST , 2 ročník, zimní semestr, volitelný oborový

  • Program EEKR-CZV celoživotní vzdělávání (není studentem)

    obor ET-CZV , 1 ročník, zimní semestr, volitelný oborový

  • Program AUDIO-P magisterský navazující

    obor P-AUD , 2 ročník, zimní semestr, volitelný oborový

Typ (způsob) výuky

 

Přednáška

26 hod., nepovinná

Vyučující / Lektor

doc. Ing. Petr Sysel, Ph.D.

Osnova

1. Skladba programu, postup překladu, rozdělení typů pamětí, nastavení linkování programu, specifika jazyka C pro signálové procesory TMS20C6000.
2. Základy real-time operačního systému DSP/BIOS, vlákna, časovače, softwarová přerušení.
3. Vlastnosti A/D a D/A převodníků, připojení A/D, D/A převodníku, sběrnice SPI, McBSP.
4. Systém přerušení, obsluha přerušení, základy real-time operačního systému DSP/BIOS.
5. Kruhová vyrovnávací paměť, dvojitá vyrovnávací paměť, paměťový prostor, adresovací jednotka procesoru TMS320C6416.
6. Implementace základních algoritmů číslicového zpracování, úprava číslicových filtrů pro implementaci v pevné řádové čárce.
7. Algoritmy adaptivních filtrů, implementace adaptivních filtrů.
8. Generování a detekce harmonických signálů, implementace Goertzelova algoritmu.
9. Spektrální analýza, implementace rychlé Fourierovy transformace.
10. Rozdělení generací signálových procesorů, signálové procesorů s harvardskou architekturou.
11. Architektura VLIW, signálové procesory s pevnou řádovou čárkou TMS320C6400.
12. Optimalizace výpočetní náročnosti, princip SIMD, zřetězené zpracování instrukcí - pipelining, paměť CACHE.
13. Vývojové prostředky, ladicí nástroje, JTAG.

Laboratorní cvičení

39 hod., povinná

Vyučující / Lektor

doc. Ing. Petr Sysel, Ph.D.

Osnova

1. Základy prostředí Code Composer Studio, zápis programu, průběh překladu, vývojový kit TMDSDSK6416.
2. Využití BSP knihovny, obsluha DIP přepínačů a LED diod.
3. Systém DSP/BIOS, základní prvky systému, vlákna, synchronizace vláken.
4. Komunikace s A/D převodníkem a D/A převodníkem pomocí McBSP sběrnice. Využití CSL knihovny.
5. Systém přerušení, komunikace s převodníkem s využitím přerušení.
6. Řadič DMA, nastavení přenosu pro McBSP port, přenos vzorků pomocí DMA kanálu.
7. Dvojitá vyrovnávací paměť, kruhová vyrovnávací paměť, řízení přístupu ke sdíleným proměnným v systému DSP/BIOS.
8. Jádro signálového procesoru, registry, aritmeticko-logické operace, formáty čísel, implementace lineární konvoluce (filtry typu FIR).
9. Implementace číslicových filtrů typu IIR, kanonické formy, rozdělení na sekce 2. řádu.
10. Implementace adaptivních filtrů, algoritmus LMS.
11. Generace harmonického signálu, Goertzelův algoritmus.
12. Rychlá Fourierova transformace, implementace motýlku.
13. Odevzdání samostatných projektů, zápočet.