Grundlagen digitaler Signalprozessoren: Ein umfassender Leitfaden zu DSP

Was ist ein digitaler Signalprozessor?

• Die Taktrate von DSPs ist zunächst einmal deutlich höher als die von Allzweck-Mikroprozessoren. Dadurch können sie einen Datenstrom nun mithilfe mathematischer Prozesse deutlich schneller verarbeiten.
• ALUs, also Rechenwerke, sind in DSPs häufig in großer Zahl vorhanden. Sie können dadurch zahlreiche mathematische Berechnungen gleichzeitig durchführen.
• DSPs verfügen häufig über Speicher, der speziell für die digitale Signalverarbeitung entwickelt wurde. Im Allgemeinen ist dieser Speicher schneller als Allzweckspeicher.
• In DSPs sind häufig Befehlssätze zu finden, die speziell für die digitale Signalverarbeitung entwickelt wurden. In diesen Anweisungen werden gängige mathematische Operationen wie Addition, Subtraktion, Multiplikation und Division behandelt.

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Komponenten digitaler Signalprozessoren

• Programmspeicher: Hier werden die Datenverarbeitungsprogramme des DSP gespeichert.
• Datenspeicher: Im Datenspeicher werden zu verarbeitende Informationen aufbewahrt.
• Rechenmodul: Dieses führt die Berechnungen aus und nutzt den Programmspeicher und den Datenspeicher, um auf die Programme und den Datenspeicher zuzugreifen.
• Eingabe/Ausgabe: Unterstützt die Verbindung mit der Außenwelt auf verschiedene Weise.

Wie funktioniert ein DSP?

1. Ein Sensor oder ein anderes Eingabegerät sendet ein digitales Signal zur Verarbeitung an den DSP.
2. Um die gewünschten Informationen aus dem Signal zu extrahieren, führt der DSP mathematische Operationen durch.
3. Das Signal wird vom DSP an einen Lautsprecher, ein Display oder ein anderes Ausgabegerät ausgegeben.

Vorteile digitaler Signalprozessoren

• DSP bietet ein hohes Maß an Genauigkeit. Daher haben in DSP entwickelte Filter im Vergleich zu analogen Filtern eine feinere Kontrolle über die Ausgabegenauigkeit.
• Die Kosten der digitalen Implementierung sind niedriger als die der analogen.
• Da die gesamte Hardware und alle ihre Komponenten ersetzt werden müssen, ist die Neukonfiguration eines analogen Systems eine Herausforderung. Gleichzeitig ist die Neukonfiguration des DSP relativ einfach und erfordert nur das Flashen von Code oder ein DSP-Programm, sobald die erforderlichen Änderungen vorgenommen wurden.
• Der DSP bietet eine Vielzahl von Schnittstellentypen, darunter UART und I2C, um die Verbindung anderer ICs mit dem DSP zu erleichtern.
• DSP kann mit FPGA verbunden werden. Mit dieser Kombination kann der Protokollstapel für das komplette drahtlose System – einschließlich WiMAX, LTE usw. – entworfen werden. Bei dieser Art von Design werden einige Module je nach erforderlicher Verzögerung auf FPGA und einige auf DSP portiert.

Nachteile digitaler Signalprozessoren

• Bei Verwendung von DSP müssen vor ADCs Anti-Aliasing-Filter und nach DACs Rekonstruktionsfilter verwendet werden. Zusätzlich werden ADC- und DAC-Module benötigt. Die Verwendung dieser zusätzlichen Teile erschwert die Arbeit mit DSP-basierten Schaltkreisen.
• DSP verfügt über mehr interne Hardwareressourcen und verarbeitet Signale schnell. Dadurch verliert DSP mehr Energie als die analoge Signalverarbeitung. Passive Komponenten (R, L und C), die bei der analogen Verarbeitung verwendet werden, haben eine geringere Verlustleistung.
• Jeder DSP verfügt über einen einzigartigen Satz von Softwareanweisungen und Hardwaredesigns. Um für verschiedene Anwendungen programmieren zu können, ist eine DSP-Schulung erforderlich. Daher können nur Ingenieure mit fortgeschrittenen Kenntnissen das Gerät programmieren.
• Aufgrund der hohen Kosten der meisten DSP-Chips ist es wichtig, für jede Hardware- und Softwareanforderung den richtigen IC auszuwählen.

Wofür werden DSPs verwendet?

• Audio- und Videoverarbeitung: DSPs werden in Geräten wie digitalen Audio-Workstations, MP3-Playern und Spielekonsolen eingesetzt, die Audio- und Videoverarbeitung durchführen.
• Spracherkennung: DSPs werden in Sprachassistenten und Diktiersoftware verwendet, zwei Beispielen für Spracherkennungsanwendungen.
• Radar: Radaranwendungen wie Wetterradar und Flugsicherungsradar verwenden DSPs.
• Telekommunikation: DSPs werden in Telekommunikationsanwendungen wie Routern, Kabelmodems und Mobiltelefonen verwendet.
• Steuerungssysteme: DSPs werden in Steuerungssystemen verwendet, unter anderem für Industrieroboter und autonome Fahrzeuge.
• Medizinische Bildgebung: DSPs werden in Verfahren wie MRT und Ultraschall eingesetzt.
• Wissenschaftliche Forschung: Anwendungen in der Astronomie und Seismologie sind zwei Beispiele für den Einsatz von DSPs in diesem Forschungsbereich.

Was sind 4 Arten digitaler Signale?

• Pulsweitenmodulation (PWM): Pulsweitenmodulation (PWM) ist eine Art digitales Signal, das zur Regulierung der Leistungsabgabe eines Geräts verwendet wird. Typischerweise sind PWM-Signale Rechteckwellen mit einem sich ändernden Arbeitszyklus. Der Arbeitszyklus eines PWM-Signals ist der Anteil der Zeit, in der das Signal hoch ist. Beispielsweise wechselt ein PWM-Signal mit einem Arbeitszyklus von 50 % 50 % der Zeit zwischen hohen und niedrigen Pegeln. PWM-Signale werden verwendet, um die Helligkeit von LEDs, die Lautstärke von Geräuschen und die Geschwindigkeit von Motoren zu regeln.
• Pulscodemodulation (PCM): Analoge Signale werden mithilfe von PCM, einer Art digitaler Übertragung, in digitaler Form dargestellt. Zur Darstellung von PCM-Signalen werden häufig Binärzahlen verwendet. Die Amplitude des analogen Signals zu einem bestimmten Zeitpunkt wird durch die binären Ganzzahlen dargestellt. Audio- und Videodaten werden mithilfe von PCM-Signalen gespeichert und übertragen.
• Delta-Sigma-Modulation (DSM): DSM ist eine Art digitales Signal, das zur genauen Reproduktion analoger Signale verwendet wird. Deltas werden häufig zur Darstellung von DSM-Signalen verwendet. Die Differenz zwischen dem aktuellen Wert eines analogen Signals und seinem vorherigen Wert wird als Delta bezeichnet. Audio- und Videodaten mit hoher Wiedergabetreue werden mithilfe von DSM-Signalen gespeichert und übertragen.
• Kontinuierliches digitales Signal (CTDS): Eine Art digitales Signal namens CTDS wird verwendet, um analoge Signale im kontinuierlichen Format darzustellen. Normalerweise werden CTDS-Signale als eine Sammlung von Gleitkommazahlen dargestellt. Die Amplitude des analogen Signals zu einem bestimmten Zeitpunkt wird durch die Gleitkommazahlen dargestellt. CTDS-Signale werden verwendet, um Audio- und Videodaten zu transportieren und zu speichern, die in Echtzeit verarbeitet werden müssen.

Welcher ist der leistungsstärkste DSP-Prozessor?

• CEVA-XC16: Der CEVA-XC16 ist ein Hochleistungs-DSP-Prozessor mit geringer Latenz und hohem Durchsatz. Er ist für Anwendungen gedacht, die diese Eigenschaften benötigen. Seine Latenz beträgt weniger als 1 Mikrosekunde und er kann bis zu 1.600 Gigaoperationen pro Sekunde (GOPS) verarbeiten.

• Texas Instruments TMS320C6678: Der TMS320C6678 ist ein Hochleistungs-DSP-Prozessor, der für Anwendungen entwickelt wurde, die einen schnellen Durchsatz und eine geringe Latenz erfordern. Es hat eine Latenz von unter 1 Mikrosekunde und kann bis zu 1.200 GOPS verarbeiten.

• Analog Devices Blackfin BF709: Der Blackfin BF709 ist ein leistungsstarker DSP-Prozessor mit geringem Stromverbrauch und ist für den Einsatz in Anwendungen vorgesehen, die eine hohe Präzision erfordern. Es hat eine Latenz von unter 1 Mikrosekunde und kann bis zu 800 GOPS verarbeiten.

• Intel Cyclone V DSP: Der Intel Cyclone V DSP ist ein Hochleistungs-DSP-Prozessor und wurde für Anwendungen entwickelt, die hohe Leistung und Flexibilität erfordern. Es hat eine Latenz von unter 1 Mikrosekunde und kann bis zu 400 GOPS verarbeiten.

Warum ist DSP besser als Analog?

• Genauigkeit: Im Vergleich zu analogen Verfahren sind DSPs bei mathematischen Berechnungen wesentlich genauer.
• Geschwindigkeit: Im Vergleich zu analogen Verfahren sind DSPs bei mathematischen Berechnungen deutlich schneller.
• Flexibilität: Im Vergleich zu analogen Verfahren sind DSPs deutlich flexibler. In sie kann eine Vielzahl von Aufgaben programmiert werden.
• Kosten: Im Vergleich zu analogen Signalverarbeitungsgeräten sind DSPs oft wesentlich günstiger.

Fazit