signalen

Digitale signaalverwerking en DSP processoren

Yolande Berbers

Structuur en Organisatie van Computersystemen: deel 2

slide 1

signalen 

analoge signalen komen voor in continue tijd  zijn een vorm van golf  amplitude is meestal ook continu 



voorbeelden elektrische signalen (volt, stroom, elektrische en magnetische velden)  mechanische signalen (verplaatsingen, snelheden, krachten)  akoestische signalen (trillingen, geluidsgolven)  signalen uit natuurkunde (temperatuur, concentratie, druk) 

Yolande Berbers

Structuur en Organisatie van Computersystemen: deel 2

slide 2

signalen (vervolg) 

analoge signaalverwerking omvat amplificatie, filtering, integratie, differentiatie, squaring, ...  gebeurt door versterker, resistors, capaciteiten, inductors, enz 



nadelen van analoge signaalverwerking beperkte nauwkeurigheid: toleranties van componenten, biases, …  beperkte herhaalbaarheid: variaties in omgeving, toleranties, … 

gevoelig aan ruis  beperkte dynamische range  beperkte snelheid door fysische delays  beperkte flexibiliteit voor veranderingen  moeilijk om niet-lineaire en tijdsvariërende operaties uit te voeren  hoge kost voor het opslaan van analoge informatie 

Yolande Berbers

Structuur en Organisatie van Computersystemen: deel 2

slide 3

signalen (vervolg) 

digitale signaalverwerking signalen worden door getallen voorgesteld in een computer  op deze signalen worden allerhande numerieke operaties uitgevoerd 



3 basisschema’s: zie volgende slide

Yolande Berbers

Structuur en Organisatie van Computersystemen: deel 2

slide 4

signalen (vervolg) analoog signal 

digitaal signal

sampling

digitaal signal

digitaal signal

reconstructie

analoog signal

DSP

digitaal signal

voorbeeld: touch-tone telefoon geeft een sinusoidaal signaal (combinatie van rij en kolom van nummer), dat in de centrale omgezet wordt naar een getal digitaal signal



DSP

voorbeeld: digitaal opnemen van muziek en afspelen

analoog signal 

sampling

DSP

digitaal signal

reconstructie

analoog signal

voorbeeld: tekst uit tekstverwerker omzetten in spraak

Yolande Berbers

Structuur en Organisatie van Computersystemen: deel 2

slide 5

signalen (vervolg) 

voordelen van digitale signaalverwerking hoge nauwkeurigheid is mogelijk door grotere woordlengte  onbeperkte herhaalbaarheid  ongevoelig (of toch bijna) aan ruis (bits kunnen vanzelf wijzigen, maar error codes helpen dit te detecteren en verbeteren)  onbeperkte dynamische range door lange woordlengte  beperkte snelheid die echter continu verbeterd  software biedt grote flexibiliteit voor veranderingen  eenvoudig om niet-lineaire en tijdsvariërende operaties uit te voeren  lage kost voor het opslaan van digitale informatie  digitale info kan geëncrypteerd en/of gecomprimeerd worden 

Yolande Berbers

Structuur en Organisatie van Computersystemen: deel 2

slide 6

signalen (vervolg) 

nadelen van digitale signaalverwerking sampling geeft altijd een klein verlies aan informatie  A/D en D/A convertoren kunnen duur zijn, en hebben last van ruis  software ontwikkeling is mooi maar kost ook  snelheid is soms nog een limiterende factor 



analoog versus digitale signaalverwerking digitaal heeft het duidelijk gewonnen  analoge signaalverwerking wordt beperkt door technologie  digitale signaalverwerking wordt alleen beperkt door onze verbeelding 

Yolande Berbers

Structuur en Organisatie van Computersystemen: deel 2

slide 7

signalen (vervolg) 

toepassingsdomeinen van digitale signaalverwerking medische toepassingen: patient monitoring, hartmetingen, enz.  communicatie: encoderen en decoderen van communicatie signalen, equalizing, filtering, …  beeldverwerking: filtering, verbetering, compressie, patroonherkenning  instrumentatie  multimedia: zenden v. geluid, beelden, digitale tv, video conf.  muziek: opnemen, manipulatie zoals mixing, speciale effecten  radar, sonar: filtering, doeldetectie, positie en snelheidsbepaling  spraak: filtering, codering, compressie, herkenning, synthetiseren  telefoontoep.: transmissie in digitale vorm, modems, gsms 

Yolande Berbers

Structuur en Organisatie van Computersystemen: deel 2

slide 8

toepassingen 

belangrijkste commerciele toepassingen GSM !!!!!  modems  spraak in embedded toestellen  multimedia in embedded toestellen, o.a. spelletjes, CD spelers, DVD spelers, … 

Yolande Berbers

Structuur en Organisatie van Computersystemen: deel 2

slide 9

belangrijke operaties 

FIR filtering

(finite impulse response)

N

y[n]   h[k ]x[n  k ] k 0

rij h bevat N+1 coëfficiënten; rij x bevat N+1 laatste samples  op tijdstip n doen we  init resultaat y[n] op 0 en teller k op 0  herhaling van – laad h[k] (k-de locatie van h) in CPU – laad x[n-k] (k-de locatie van x) in CPU – vermenigvuldig – laad y, tel het erbij, en berg weer weg; lus teller ophogen  shift alle elementen van x naar rechts  lees 1 nieuwe sample in x[n+1] 

Yolande Berbers

Structuur en Organisatie van Computersystemen: deel 2

slide 10

FIR operatie versnellen  

berekening vraagt veel tijd op normale hardware versnellen door extra hardware 2 geheugenplaatsen die tegelijk toegankelijke zijn (voor h en x)  y bijhouden in accumulator  accumulator met dubbele lengte, kan direct opgeteld worden  combinatie vermenigvuldiger, accumulator, adder = MAC  gebruik van hardware luscontrole  gebruik van circulaire buffer voor x 

Yolande Berbers

Structuur en Organisatie van Computersystemen: deel 2

slide 11

voorbeeld: Motorola DSP56301 movep clr rep mac macr movep     

y:input, y:(r4) a #N x0,y0,a x0,y0,a a,y:output

x:(r0)+,x0

y:(r4)+,y0

x:(r0)+,x0

y:(r4)+,y0 (r4)-

programma-tje in assembler voor FIR berekening meerdere instructies op één lijn worden in parallel uitgevoerd (VLIW) orde van filter is constante N X bevat de coëfficiënten h; Y bevat de samples x r0 en r4 worden telkens modulo verhoogd

Yolande Berbers

Structuur en Organisatie van Computersystemen: deel 2

slide 12

voorbeeld: Motorola DSP56301 movep clr rep mac macr movep 

  

y:input, y:(r4) a #N x0,y0,a x0,y0,a a,y:output

x:(r0)+,x0

y:(r4)+,y0

x:(r0)+,x0

y:(r4)+,y0 (r4)-

lijn 1 leest één nieuwe sample in lijn 2 cleart accumulator a; tegelijk worden registers x en y geladen: r0 en r4 worden modulo verhoogt lijn 3 zegt dat lijn 4 N maal uitgevoerd moet worden lijn 4 berekent product h[k]x[n-k] en telt het op bij a; volgende coëfficiënt en sample geladen in r0 en y0

Yolande Berbers

Structuur en Organisatie van Computersystemen: deel 2

slide 13

voorbeeld: Motorola DSP56301 movep clr rep mac macr movep  

y:input, y:(r4) a #N x0,y0,a x0,y0,a a,y:output

x:(r0)+,x0

y:(r4)+,y0

x:(r0)+,x0

y:(r4)+,y0 (r4)-

lijn 5 laatste vermenigvuldiging en optelling; r4 werd één maal teveel opgehoogd en wordt weer verlaagd lijn 6 schrijft y[n] uit op bv A/D convertor op uitgang

Yolande Berbers

Structuur en Organisatie van Computersystemen: deel 2

slide 14

Instructieset voor multimediaverwerking

Yolande Berbers

Structuur en Organisatie van Computersystemen: deel 2

slide 15

algemeen toepasbare processoren 

evolutie van GPP (general purpose processors) steeds complexer datapad  steeds grotere woordbreedte 



meer en meer GPP toepassingen: signaalverwerking 



deze toepassingen: performantie bottleneck

data voor media zoals geluid en beeld smalle data types: bytes en halve woorden  menselijke zintuigen niet gebaad bij hogere precisie 



GPP zijn niet geschikt onefficiënt gebruik van woordlengte bij mediaverwerking  duurder en trager dan DSP’s (Digital Signal Processor) of ASIC (Application Specific Integrated Circuit) 

Yolande Berbers

Structuur en Organisatie van Computersystemen: deel 2

slide 16

multimedia-extensies 

toevoegingen aan GPP op 2 manieren parallelle verwerking op smallere datatypes  klassieke instructies met gewijzigde semantiek 



SIMD (Single Instruction Multiple Data) data-elementen gegroepeerd in woord van standaard breedte  sub-woorden van 8, 16 of 32-bits vaste-kommagetallen (heet soms ingepakte woorden)  controlegedeelte van de processor vraagt nauwelijks aanpassing 



instructies traditionele aritmetische en logische bewerkingen (zie verder)  conversie tussen verschillende woordbreedtes  ordenen van sub-woorden op verschillende manieren  laden van sub-woorden 

Yolande Berbers

Structuur en Organisatie van Computersystemen: deel 2

slide 17

multimedia-extensies (vervolg) 

belangrijkste SIMD-instructies: optelling en aftrekking vraagt weinig aanpassing  overdrachtsbit op de sub-woordgrenzen moet opgevangen worden 



gewijzigde semantiek modulo-rekenen  overloop negeren  bv 0xFF + 0x02 = 0x101, te groot voor 1 byte, wordt 0x01  verzadigingsrekenen (saturation)  bij overloop grootsmogelijk resultaat  bv 0xFF + 0x02 wordt 0xFF  bv donkergrijs optellen bij een schaduw = pikzwart 

Yolande Berbers

Structuur en Organisatie van Computersystemen: deel 2

slide 18