Procesoare de Semnal Numeric în Telefonie Mobilă

INTRODUCERE

Procesoarele digitale de semnal (DSP) sunt procesoare sau microcalculatoare ale căror seturi de instrucțiuni, software sau hardware sunt optimizate pentru aplicaţii de procesare numerică de mare viteză, esenţiale pentru prelucrarea datelor digitale care reprezintă semnale analogice în timp real, astfel ceea ce realizeaza un DSP este simplu. În cazul în care acţionează ca un filtru digital, de exemplu, DSP-ul primeşte valorile digitale bazate pe eşantioane dintr-un semnal, calculează rezultatele unui filtru cu o funcţiei de operare pe baza acestor valori, şi prezinta valori digitale, care apar la iesirea filtrului, putând oferi de asemenea semnale de control pe baza proprietăţilor acestor valori. Aritmetica de mare viteză şi hardware-ul logic al DSP-ului este programat pentru a executa rapid algoritmi de modelare al transformării filtrului.

Combinaţia de operatori de aritmetica ale elementelor de design, manipularea de memorie, seturi de instrucţiuni, paralelism sau adresarea datelor face diferenta esenţială dintre DSP-uri si alte tipuri de procesoare. Înţelegerea relaţiei dintre semnalele in timp-real si viteza de calcul a DSP-urilor oferă câteva idei de cât de bună este această combimnație. Semnalul in timp-real ajunge la DSP ca un tren de eşantioane individuale de la un convertor analog-numeric (ADC). Pentru a face filtrare in timp real, DSP-ul trebuie să realizeze toate calculele şi operaţiile de prelucrare necesare pentru fiecare semnal înainte de sosirea următorului eşantion. Pentru a efectua filtrare de ordin mare a semnalelor reale care au o frecvenţă semnificativă, sunt necesare procesoare foarte rapide.

Microprocesoare generale sau sistemele de operare pot executa algoritmi DSP cu succes, dar nu sunt potrivite pentru utilizarea în dispozitive portabile, cum ar fi telefoanele mobile şi PDA-uri, din cauza sursei de alimentare şi a constrângerilor legate de spaţiu.

Un procesor digital de semnal specializat, însă, va oferi o soluţie fiabila de costuri mai mici, cu o performanţă mai bună, latență mai mică, şi astea fără necesitatea unor metode de racire specializate sau baterii de mari dimensiuni.

Arhitectura unui procesor digital de semnal este optimizat în mod specific pentru prelucrarea de semnal digital. Cele mai multe DSP-uri prezintă, de asemenea, unele caracteristicile specifice procesoarelor sau microcontrolerelor, de vreme ce prelucrarea de semnale este rareori singura operație realizată intr-un sistem.

1. Generalități.

Pentru a se putea face o idee asupra tipurilor de calcule pe care le face un DSP şi pentru a obţine o idee despre modul în care un circuit analogic se compara cu un sistem DSP, s-ar putea compara cele două sisteme cu ajutorul unei funcţii de filtru. Filtru analogic obisnuit foloseste rezistenţe, condensatori, inductori și amplificatoare. Acesta poate fi ieftin si usor de asamblat, dar dificil de a calibra, modifica, şi menţine o dificultate care creşte exponenţial cu ridicarea ordinului filtrului. Pentru multe scopuri, se pot proiecta, modifica, şi utiliza mai uşor filtre care utilizează un DSP, deoarece funcţia filtrului intr-un DSP este bazat pe un software flexibil si repetabil. În plus, pentru a crea filtre flexibile de ordin mare necesită doar unele modificări software, fără a fi necesare modificări hardware suplimentare, spre deosebire de circuitele pur analogice. Un filtru ideal trece bandă, cu frecvenţa de răspuns prezentată în figura 1, ar avea următoarele caracteristici:

- un răspuns în filtrul trece-bandă care este complet plat cu deplasare de fază zero;

- o atenuare infinită în filtrul oprește-bandă.

Figura 1 prezintă cum o abordare analogică prin două filtre de ordinul doi ar crea o dificultate de reglare.

Figura 1. Un filtru trece-bandă ideal și aproximările de ordinul doi.

Cu software-ul DSP, există două abordări de bază la proiectarea unui filtru: răspuns cu impuls finit (FIR) şi răspuns cu impuls infinit (IIR). Răspuns în timp al unui filtru FIR la un impuls este suma ponderată a unui număr finit de eşantioane de intrare. Răspunsul acestuia la un eşantion dat se termină atunci când semnalul ajunge la capăt "de linie" (figura 2). Răspunsul frecvenţei unui filtru FIR nu are nici un pol, ci doar zerouri. Un filtru IIR, prin comparaţie, este numit infinit, pentru că este o funcţie recursivă: ieșirea sa este o sumă ponderată a intrărilor şi ieşirilor. Din moment ce este recursivă, răspunsul său poate continua la nesfârşit, astfel răspunsul frecvenţei unui filtru IIR are atât poli cât şi zerouri.

Figura 2. Ecuatiile unui filtru si reprezentarea liniilor de întarziere

X-urile sunt semnale de intrare, y-urile sunt semnale de iesire, a-urile sunt coeficienţii de intrare de sondaj şi b-urile sunt coeficienţii eşantioanelor de ieşire, astfel n-ul este timpul semnalului prezent, iar M şi N sunt numărul de semnale programate (ordinul filtrului). Astfel operaţiile aritmetice indicate pentru ambele tipuri sunt pur şi simplu sume şi produse în număr potenșial mare. De fapt, înmulţitul şi adăugatul sunt utilizate in cazul multelor algoritme DSP, care reprezintă operaţii matematice de mare complexitate.