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TRAITEMENT DU SIGNAL.TRAITEMENT DU SIGNAL.
DSPDSP
SOMMAIRE. I) PRESENTATION II)architecture de VAN NEWMAN et
architecture de HAVARD III) Performance IV) Méthode et outils de
développements V) une alternative aux DSP
généralistes : les réseaux VI) L’application des DSP VII) Conclusion
IntroductionIntroduction
Introduit en 1982Introduit en 1982 Conçu pour être efficaceConçu pour être efficace programmableprogrammable Il est toujours embarquéIl est toujours embarqué Traitement du signal:application Traitement du signal:application
d’opérations mathématiques sur des d’opérations mathématiques sur des signauxsignaux
Représentation des signaux sous Représentation des signaux sous formes d’échantillonsformes d’échantillons
Signaux numeriques obtenus grace Signaux numeriques obtenus grace aux signaux physiques et des CAN aux signaux physiques et des CAN puis des CNApuis des CNA
I.PRESENTATION I.PRESENTATION DU DSPDU DSP
1.Définition d’un DSP1.Définition d’un DSP
DSP: Digital Signal Processor DSP: Digital Signal Processor (processeur de signal numérique)(processeur de signal numérique)
Composant électronique de type Composant électronique de type microprocesseur pour les calculsmicroprocesseur pour les calculs
Application principale : traitement de Application principale : traitement de signaux numériquesignaux numérique
2.Role d’un DSP dans un 2.Role d’un DSP dans un traitement de signaltraitement de signal
Utilisé pour le traitement du signalUtilisé pour le traitement du signal
Un DSP est associé à de la mémoire (RAM Un DSP est associé à de la mémoire (RAM ROM) et à des périphériquesROM) et à des périphériques
DSP fonctionne sous 2 modes :DSP fonctionne sous 2 modes : *mode microcontrôleur:fonctionne sur sa *mode microcontrôleur:fonctionne sur sa
mémoire programme interne rapidemémoire programme interne rapide *mode microprocesseur:fonctionne sur *mode microprocesseur:fonctionne sur
une memoire programme externe une memoire programme externe
Schema general d’utilisation Schema general d’utilisation d’un DSP permettant de d’un DSP permettant de
developper un traitement de developper un traitement de signal simplesignal simple
Schéma électrique d’un Schéma électrique d’un traitement du signaltraitement du signal
CAN CNADSP
BLOQUEUR
Signal
Capteur
Ve
Vs
Entrée direct numériqueSortie directe numérique
F
F2
F=filtre operationnel anti-repliementF2=passe bas filtre de lissage
Avantage du traitement Avantage du traitement numériquenumérique
Les machines numériques :obtention d’1 Les machines numériques :obtention d’1 meilleure précision et donc réalisation de meilleure précision et donc réalisation de différents filtresdifférents filtres
Permet d’enchaîner des algorithmes de Permet d’enchaîner des algorithmes de traitement beaucoup plus complexes (ex traitement beaucoup plus complexes (ex transformée de Fouriertransformée de Fourier
Grande résistance aux bruitsGrande résistance aux bruits Précisions arbitrairePrécisions arbitraire Stabilité dans le tempsStabilité dans le temps Stockage des donnéesStockage des données ……..
3.Utilité de l’utilisation d’un 3.Utilité de l’utilisation d’un DSPDSP
Flexibilité de la programmationFlexibilité de la programmation
StabilitéStabilité
RedondanceRedondance
4.Architecture DSP4.Architecture DSP DSP: conçus pour permettre une implémentation la plus DSP: conçus pour permettre une implémentation la plus
parallèle possible des algorithmes préférés.parallèle possible des algorithmes préférés.
permettre la réalisation séquentielle des opérations : permettre la réalisation séquentielle des opérations : architecture Von Neumanarchitecture Von Neuman
permettre la réalisation simultanée de plusieurs calculs :permettre la réalisation simultanée de plusieurs calculs : multiplication des registres.multiplication des registres.
permettre plusieurs accès mémoire simultanée, permettre plusieurs accès mémoire simultanée, multiplication des zones mémoire multiplication des zones mémoire : Architecture de : Architecture de Harvard.Harvard.
lorsqu’on ne peut plus rendre une instruction plus lorsqu’on ne peut plus rendre une instruction plus rapide, entrelacer l’exécution de plusieurs instructions rapide, entrelacer l’exécution de plusieurs instructions : : pipe-line.pipe-line.
Le DSP est capable de traiter une somme de Le DSP est capable de traiter une somme de produit en cycle machine ce qui implique 2 bus, produit en cycle machine ce qui implique 2 bus,
un multiplieur, une alu et un accu.un multiplieur, une alu et un accu.
Signal original
x(n-i)
Accumulateur
A.L.U.
.. Un microprocesseur a un temps trop Un microprocesseur a un temps trop important pour faire un traitement rapide important pour faire un traitement rapide de signal de signal
DSP : conçus pour optimiser le temps de DSP : conçus pour optimiser le temps de calcul calcul
DSP moyen effectue une opération MAC sur DSP moyen effectue une opération MAC sur des données de 16 bits en moins de 25 nS, des données de 16 bits en moins de 25 nS, soit 40.106 opérations/ s soit 40.106 opérations/ s
.. MAC :multiplication suivie d’une additionMAC :multiplication suivie d’une addition
Accès mémoire simultanée Accès mémoire simultanée
Filtre RIF à N éléments : équation Filtre RIF à N éléments : équation
y(n)=a0*x(n)+a1*x(n-1)+a2*x(n-2)+...y(n)=a0*x(n)+a1*x(n-1)+a2*x(n-2)+...+aN-1*x(n-N-1)+aN-1*x(n-N-1)
Architecture des DSPArchitecture des DSP
Deux modelesDeux modeles
PERFORMANCE DES DSPPERFORMANCE DES DSP
1) Mesure de vitesse de calcul 1) Mesure de vitesse de calcul purepure
PERFORMANCE DES DSPPERFORMANCE DES DSP
2) Mesure du temps d'exécution2) Mesure du temps d'exécution
(« Benchmark »)(« Benchmark »)
Format de calcul des DSP .Format de calcul des DSP .
Les avantages des processeursLes avantages des processeurs virgule fixe.virgule fixe.
Leur architecture simple donc leur faible coût, et leur faible consommation.Leur architecture simple donc leur faible coût, et leur faible consommation.
Ce type de processeurs lisent les bits comme des fractions en puissance Ce type de processeurs lisent les bits comme des fractions en puissance négative de 2.négative de 2.
Ainsi le nombre 0.75 est traité comme 0.5 + 0.25, Ainsi le nombre 0.75 est traité comme 0.5 + 0.25, soit 6000 en hexadécimal (0110|0000|0000|0000), au format 16 bits.
La principale limitation de ce format est la plage de variation, comprise en -1.0 et +1.0.
Par contre, l'architecture de calcul, notamment la multiplication de deux nombres en virgule fixe, est relativement simple, leur coût est donc plus leur coût est donc plus faible.faible.
Les processeurs à Les processeurs à virgule virgule flottante.flottante.
En virgule flottante, les données sont codées sous la forme d'une mantisse, multipliée par un exposant.
Les nombres sont alors limités de 5.8 x10e- 39 à 3.4x10e38.
Ils utilisent une notation des nombre sous forme d'exposant Ils utilisent une notation des nombre sous forme d'exposant et de mantisse, ils ont en général une puissance de calcul et de mantisse, ils ont en général une puissance de calcul beaucoup plus élevée et sont donc plus cher. beaucoup plus élevée et sont donc plus cher.
Les processeurs à virgule flottante ne sont utilisés que dans Les processeurs à virgule flottante ne sont utilisés que dans les applications à grande puissance de calcul, et pour les applications à grande puissance de calcul, et pour traiter des signaux de très grande dynamique traiter des signaux de très grande dynamique
4. Méthodes et outils de 4. Méthodes et outils de développements.développements.
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4. Méthodes et outils de 4. Méthodes et outils de développementsdéveloppements
La souplesse du développement La souplesse du développement d’applications à base de DSP est un d’applications à base de DSP est un
avantage important en termes de temps, avantage important en termes de temps, de facilité, de fiabilité, et donc de coût. de facilité, de fiabilité, et donc de coût.
La partie matérielle : elle inclut la mise en La partie matérielle : elle inclut la mise en œuvre du DSP lui-même, mais aussi la œuvre du DSP lui-même, mais aussi la
création d’une chaîne d’acquisition et/ou création d’une chaîne d’acquisition et/ou de restitution du signal (parfois des de restitution du signal (parfois des
signaux) à traiter. signaux) à traiter. Partie logicielle : elle s’appuie sur des Partie logicielle : elle s’appuie sur des
outils classiques adaptés aux spécificités outils classiques adaptés aux spécificités des DSP. L’approche est différente de celle des DSP. L’approche est différente de celle
utilisée pour la partie matérielle. utilisée pour la partie matérielle.
4.1. Définition des ressources 4.1. Définition des ressources nécessaires nécessaires
Cette phase doit permettre d’évaluer Cette phase doit permettre d’évaluer les besoins nécessaires à la mise en les besoins nécessaires à la mise en œuvre du système de traitement œuvre du système de traitement numérique du signal voulu. Elle numérique du signal voulu. Elle consiste notamment à définir les consiste notamment à définir les spécifications de la chaîne spécifications de la chaîne d’acquisition et de restitution du d’acquisition et de restitution du signalsignal
4.2. La sélection du DSP le 4.2. La sélection du DSP le plus adapté plus adapté
La sélection d’un DSP se base avant La sélection d’un DSP se base avant tout sur la puissance de traitement tout sur la puissance de traitement nécessaire, et sur le résultat de nécessaire, et sur le résultat de benchmarks réalisant des fonctions benchmarks réalisant des fonctions représentatives des traitements à représentatives des traitements à réaliser. Toutefois, la performance du réaliser. Toutefois, la performance du DSP n’est pas le seul critère à DSP n’est pas le seul critère à prendre en compteprendre en compte
4.3. Structure matérielle de 4.3. Structure matérielle de développement développement
Un environnement (ou système) de Un environnement (ou système) de développement pour DSP peut être scindé en développement pour DSP peut être scindé en deux parties principales:deux parties principales:
Un environnement de développement pour Un environnement de développement pour créer et mettre en forme le logiciel de créer et mettre en forme le logiciel de l’application (création du source, utilisation l’application (création du source, utilisation des bibliothèques, assemblage). des bibliothèques, assemblage).
Un environnement de développement Un environnement de développement utilisant des outils spécifiques pour tester et utilisant des outils spécifiques pour tester et déboguer le logiciel de l’application déboguer le logiciel de l’application (simulateur, module d’évaluation, (simulateur, module d’évaluation, émulateur).émulateur).
4.3.1. Le simulateur 4.3.1. Le simulateur
Le simulateur est un programme particulier Le simulateur est un programme particulier exécuté par un PC ou une station de travail. exécuté par un PC ou une station de travail. Son rôle consiste à simuler le plus Son rôle consiste à simuler le plus exactement possible le fonctionnement du exactement possible le fonctionnement du DSP cible. L’interface utilisateur du DSP cible. L’interface utilisateur du simulateur permet de consulter les mémoires, simulateur permet de consulter les mémoires, tous les registres internes du DSP, ses tous les registres internes du DSP, ses entrées/sorties, etc. Le simulateur exécute entrées/sorties, etc. Le simulateur exécute chaque instruction DSP comme le ferai le DSP chaque instruction DSP comme le ferai le DSP lui-même, et en répercute les résultats dans lui-même, et en répercute les résultats dans les mémoires et les registres simulés. les mémoires et les registres simulés.
4.3.2. Le module d’évaluation 4.3.2. Le module d’évaluation Le module d’évaluation se présente sous Le module d’évaluation se présente sous
la forme d’une carte électronique la forme d’une carte électronique incorporant le DSP cible et le minimum incorporant le DSP cible et le minimum des ressources nécessaires à sa mise en des ressources nécessaires à sa mise en œuvre, telles que des mémoires œuvre, telles que des mémoires externes, un AIC, le cas échéant une externes, un AIC, le cas échéant une liaison série RS232, et une alimentation. liaison série RS232, et une alimentation. La partie matérielle est figée et n’est pas La partie matérielle est figée et n’est pas (ou alors très peu) évolutive. Un module (ou alors très peu) évolutive. Un module d’évaluation s’utilise donc généralement d’évaluation s’utilise donc généralement « tel quel », et est surtout utile quand ses « tel quel », et est surtout utile quand ses caractéristiques recouvrent celles de caractéristiques recouvrent celles de l’application à développer. Le modulel’application à développer. Le module
4.3.3. L’émulateur temps réel 4.3.3. L’émulateur temps réel
L’émulateur temps réel est l’outil privilégié L’émulateur temps réel est l’outil privilégié pour développer des applications DSP. C’est pour développer des applications DSP. C’est l’outil le plus souple et le plus performant, l’outil le plus souple et le plus performant, car il ne souffre pas des limitations d’un car il ne souffre pas des limitations d’un simulateur ou d’un module d’évaluation. simulateur ou d’un module d’évaluation. Son rôle consiste à émuler en temps réel le Son rôle consiste à émuler en temps réel le fonctionnement du DSP au sein même du fonctionnement du DSP au sein même du prototype de l’application à développer. prototype de l’application à développer. Toutes les ressources du DSP cible sont Toutes les ressources du DSP cible sont libres pour tester non seulement le code du libres pour tester non seulement le code du programme de l’application, mais programme de l’application, mais également le fonctionnement du prototype. également le fonctionnement du prototype.
4.4. Structure logicielle de 4.4. Structure logicielle de développementdéveloppement
Les deux principales méthodes pour Les deux principales méthodes pour écrire un programme DSP consistent écrire un programme DSP consistent à utiliser un assembleur dédié ou un à utiliser un assembleur dédié ou un langage de haut niveau. langage de haut niveau.
5. Une alternative aux DSP 5. Une alternative aux DSP généralistes : les réseaux logiques généralistes : les réseaux logiques
programmables programmables Les réseaux logiques programmables (ou Les réseaux logiques programmables (ou
plus généralement les circuits plus généralement les circuits apparentés : apparentés : FPGAFPGA, , PLDPLD, mais également , mais également les les ASICASIC), incluant de la SRAM peuvent le ), incluant de la SRAM peuvent le cas échéant également faire office de cas échéant également faire office de DSP. Des fonctions de traitement DSP. Des fonctions de traitement numérique du signal simples peuvent numérique du signal simples peuvent être réalisées par des circuits dédiés, être réalisées par des circuits dédiés, plutôt que par l’approche logicielle des plutôt que par l’approche logicielle des DSP classiques. DSP classiques.
5.1. Avantage des réseaux 5.1. Avantage des réseaux logiques programmables logiques programmables
L'approche classique pour effectuer un L'approche classique pour effectuer un traitement numérique du signal traitement numérique du signal consiste à utiliser un DSP traditionnel. consiste à utiliser un DSP traditionnel.
5.2. Utilisation pratique 5.2. Utilisation pratique
Bien que moins universel qu’un DSP, Bien que moins universel qu’un DSP, un circuit dédié peut néanmoins un circuit dédié peut néanmoins réaliser un certain nombre de réaliser un certain nombre de fonctions, telles que des filtres FIR et fonctions, telles que des filtres FIR et IIR, des corrélateurs, des extracteurs IIR, des corrélateurs, des extracteurs de données... de données...
Filtre FIR (8 pôles)Filtre IIR (8 Filtre FIR (8 pôles)Filtre IIR (8 pôles)PLD gamme Altéra Flex75 pôles)PLD gamme Altéra Flex75 Mèche./s25 Mécha./sDSP 20 MIPS< 1 Mèche./s25 Mécha./sDSP 20 MIPS< 1 Mécha./s< 1 Mécha./sMécha./s< 1 Mécha./s
APPLICATIONS.APPLICATIONS.
Le rôle des DSP dans les Le rôle des DSP dans les mobiles GSM. mobiles GSM.
Dans un téléphone portable le processeur de traitement du signal n'occupe que 10% à 20% du logiciel embarqué, mais requiert 80% de la puissance, souvent notée en MIPS (Million of instructions per second).
De multiples algorithmes de traitement du signal sont
inclus dans les téléphones, depuis le codage / décodage du son dans les premières versions (dite
1G pour génération 1), jusqu'à la compression / décompression de l'image en génération 3.
Les DSP dans le GSM .Les DSP dans le GSM .
La conception générale d'un mobile GSMLa conception générale d'un mobile GSM
Les mobiles GSM peuvent être décomposés en 4 Les mobiles GSM peuvent être décomposés en 4 parties principales: parties principales:
Le codage/décodage de la voix appelé aussi Le codage/décodage de la voix appelé aussi traitement en bande passante traitement en bande passante
Les circuits de modulation et d'émission Les circuits de modulation et d'émission les circuits de réception et de modulation les circuits de réception et de modulation Les circuits de contrôle (émission/réception, Les circuits de contrôle (émission/réception,
porteuse, puissance, alimentation, ...) porteuse, puissance, alimentation, ...)
Evolution de la complexité des algorithmes de traitement du signal dans les téléphones.
Chaîne d'émission des Chaîne d'émission des données.données.
Les données (analogique) du micro sont tout Les données (analogique) du micro sont tout d'abord numérisées par l'intermédiaire d'un d'abord numérisées par l'intermédiaire d'un convertisseur analogique/numérique (CAN). convertisseur analogique/numérique (CAN).
Ces données passent ensuite par le DSP pour Ces données passent ensuite par le DSP pour traiter le signal. traiter le signal.
Le DSP restitue deux signaux ( TXI(t) et TXQ(t) ). Le DSP restitue deux signaux ( TXI(t) et TXQ(t) ). Ces deux signaux sont ensuite multipliés par une Ces deux signaux sont ensuite multipliés par une tension de référence et additionnés. tension de référence et additionnés.
Ce signal est ensuite prêt à être envoyé par Ce signal est ensuite prêt à être envoyé par l'intermédiaire de l'antenne.l'intermédiaire de l'antenne.
Circuit DSP.Circuit DSP.
Dans les GSM, le DSP à plusieurs rôles: Vocodeur ,Cryptage Codage Filtre passe bas gaussien
Intégrateur numérique Calculateur numérique Le calculateur numérique restitue deux signaux
TXI(t) et TXQ(t) qui sont ensuite convertis en signaux analogiques.
DSP dans le son.DSP dans le son.
Sigle signifiant Sigle signifiant Digital Sound ProcessingDigital Sound Processing. Il . Il désigne les effets acoustiques recréés par un désigne les effets acoustiques recréés par un processeur numérique pour donner processeur numérique pour donner l'impression à l'utilisateur qu'il se trouve dans l'impression à l'utilisateur qu'il se trouve dans une salle de concert, une église, ou un bar de une salle de concert, une église, ou un bar de quartier, à partir d'un signal stéréo quartier, à partir d'un signal stéréo traditionnel. traditionnel.
On trouve ces modes DSP dans les On trouve ces modes DSP dans les amplificateurs audio vidéo multicanaux. amplificateurs audio vidéo multicanaux.
LES DSP AUJOURD HUILES DSP AUJOURD HUI
ConclusionConclusion
Le marché des DSPLe marché des DSP
