Introduction - PolytechGii

TRAITEMENT DU SIGNAL.
DSP
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
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Introduction
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Introduit en 1982
Conçu pour être efficace
programmable
Il est toujours embarqué
Traitement du signal:application
d’opérations mathématiques sur des
signaux
Représentation des signaux sous formes
d’échantillons
Signaux numeriques obtenus grace aux
signaux physiques et des CAN puis des
CNA
I.PRESENTATION DU
DSP
1.Définition d’un DSP



DSP: Digital Signal Processor (processeur
de signal numérique)
Composant électronique de type
microprocesseur pour les calculs
Application principale : traitement de
signaux numérique
2.Role d’un DSP dans un
traitement de signal

Utilisé pour le traitement du signal

Un DSP est associé à de la mémoire (RAM ROM)
et à des périphériques

DSP fonctionne sous 2 modes :
*mode microcontrôleur:fonctionne sur sa
mémoire programme interne rapide
*mode microprocesseur:fonctionne sur une
memoire programme externe
Schema general d’utilisation d’un
DSP permettant de developper un
traitement de signal simple
Schéma électrique d’un traitement
du signal
Capteur
F2
BLOQUEUR
F
CAN
DSP
CNA
Signal
Vs
Ve
Entrée direct numérique
F=filtre operationnel anti-repliement
F2=passe bas filtre de lissage
Sortie directe numérique
Avantage du traitement numérique
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
Les machines numériques :obtention d’1
meilleure précision et donc réalisation de
différents filtres
Permet d’enchaîner des algorithmes de
traitement beaucoup plus complexes (ex
transformée de Fourier
Grande résistance aux bruits
Précisions arbitraire
Stabilité dans le temps
Stockage des données
….
3.Utilité de l’utilisation d’un DSP

Flexibilité de la programmation

Stabilité

Redondance
4.Architecture DSP

DSP: conçus pour permettre une implémentation la plus
parallèle possible des algorithmes préférés.

permettre la réalisation séquentielle des opérations :

permettre la réalisation simultanée de plusieurs calculs :


architecture Von Neuman
multiplication des registres.
permettre plusieurs accès mémoire simultanée, multiplication
des zones mémoire : Architecture de Harvard.
lorsqu’on ne peut plus rendre une instruction plus rapide,
entrelacer l’exécution de plusieurs instructions : pipe-line.
Le DSP est capable de traiter une somme de produit en
cycle machine ce qui implique 2 bus, un multiplieur, une
alu et un accu.
Signal
original
A.L.U.
Accumulateur
x(n-i)

Un microprocesseur a un
. temps trop important
pour faire un traitement rapide de signal

DSP : conçus pour optimiser le temps de calcul

DSP moyen effectue une opération MAC sur des
données de 16 bits en moins de 25 nS, soit
40.106 opérations/ s

MAC :multiplication suivie d’une addition

Accès mémoire simultanée

Filtre RIF à N éléments : équation
.
y(n)=a0*x(n)+a1*x(n-1)+a2*x(n-2)+...+aN-1*x(n-N-1)
Architecture des DSP
Deux modeles
PERFORMANCE DES DSP

1) Mesure de vitesse de calcul pure
PERFORMANCE DES DSP

2) Mesure du temps d'exécution

(« Benchmark »)
Format de calcul des DSP .
Les avantages des processeurs
virgule fixe.

Leur architecture simple donc leur faible coût, et leur faible
consommation.

Ce type de processeurs lisent les bits comme des fractions en
puissance négative de 2.
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 faible.
Les processeurs à virgule 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 et de
mantisse, ils ont en général une puissance de calcul beaucoup plus
élevée et sont donc plus cher.
Les processeurs à virgule flottante ne sont utilisés que dans les
applications à grande puissance de calcul, et pour traiter des
signaux de très grande dynamique
4. Méthodes et outils de développements.
4
4. Méthodes et outils de
développements
La souplesse du développement d’applications à
base de DSP est un avantage important en
termes de temps, de facilité, de fiabilité, et donc
de coût.
La partie matérielle : elle inclut la mise en œuvre
du DSP lui-même, mais aussi la création d’une
chaîne d’acquisition et/ou de restitution du signal
(parfois des signaux) à traiter.
Partie logicielle : elle s’appuie sur des outils
classiques adaptés aux spécificités des DSP.
L’approche est différente de celle utilisée pour la
partie matérielle.
4.1. Définition des ressources
nécessaires

Cette phase doit permettre d’évaluer les
besoins nécessaires à la mise en œuvre du
système de traitement numérique du
signal voulu. Elle consiste notamment à
définir les spécifications de la chaîne
d’acquisition et de restitution du signal
4.2. La sélection du DSP le plus
adapté

La sélection d’un DSP se base avant tout
sur la puissance de traitement nécessaire,
et sur le résultat de benchmarks réalisant
des fonctions représentatives des
traitements à réaliser. Toutefois, la
performance du DSP n’est pas le seul
critère à prendre en compte
4.3. Structure matérielle de
développement



Un environnement (ou système) de
développement pour DSP peut être scindé en
deux parties principales:
Un environnement de développement pour
créer et mettre en forme le logiciel de
l’application (création du source, utilisation des
bibliothèques, assemblage).
Un environnement de développement utilisant
des outils spécifiques pour tester et déboguer
le logiciel de l’application (simulateur, module
d’évaluation, émulateur).
4.3.1. Le simulateur

Le simulateur est un programme particulier
exécuté par un PC ou une station de travail.
Son rôle consiste à simuler le plus exactement
possible le fonctionnement du DSP cible.
L’interface utilisateur du simulateur permet de
consulter les mémoires, tous les registres
internes du DSP, ses entrées/sorties, etc. Le
simulateur exécute chaque instruction DSP
comme le ferai le DSP lui-même, et en
répercute les résultats dans les mémoires et les
registres simulés.
4.3.2. Le module d’évaluation

Le module d’évaluation se présente sous la
forme d’une carte électronique incorporant le
DSP cible et le minimum des ressources
nécessaires à sa mise en œuvre, telles que des
mémoires externes, un AIC, le cas échéant une
liaison série RS232, et une alimentation. La
partie matérielle est figée et n’est pas (ou alors
très peu) évolutive. Un module d’évaluation
s’utilise donc généralement « tel quel », et est
surtout utile quand ses caractéristiques
recouvrent celles de l’application à développer.
Le module
4.3.3. L’émulateur temps réel

L’émulateur temps réel est l’outil privilégié pour
développer des applications DSP. C’est l’outil le
plus souple et le plus performant, car il ne
souffre pas des limitations d’un simulateur ou
d’un module d’évaluation. Son rôle consiste à
émuler en temps réel le fonctionnement du
DSP au sein même du prototype de l’application
à développer. Toutes les ressources du DSP
cible sont libres pour tester non seulement le
code du programme de l’application, mais
également le fonctionnement du prototype.
4.4. Structure logicielle de
développement

Les deux principales méthodes pour
écrire un programme DSP consistent à
utiliser un assembleur dédié ou un
langage de haut niveau.
5. Une alternative aux DSP généralistes
: les réseaux logiques programmables

Les réseaux logiques programmables (ou
plus généralement les circuits apparentés :
FPGA, PLD, mais également les ASIC),
incluant de la SRAM peuvent le cas
échéant également faire office de DSP.
Des fonctions de traitement numérique du
signal simples peuvent être réalisées par
des circuits dédiés, plutôt que par
l’approche logicielle des DSP classiques.
5.1. Avantage des réseaux
logiques programmables

L'approche classique pour effectuer un
traitement numérique du signal consiste à
utiliser un DSP traditionnel.
5.2. Utilisation pratique
Bien que moins universel qu’un DSP, un
circuit dédié peut néanmoins réaliser un
certain nombre de fonctions, telles que
des filtres FIR et IIR, des corrélateurs, des
extracteurs de données...
 Filtre FIR (8 pôles)Filtre IIR (8 pôles)PLD
gamme Altéra Flex75 Mèche./s25
Mécha./sDSP 20 MIPS< 1 Mécha./s< 1
Mécha./s

APPLICATIONS.
Le rôle des DSP dans les 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 .

La conception générale d'un mobile GSM

Les mobiles GSM peuvent être décomposés en 4 parties
principales:




Le codage/décodage de la voix appelé aussi traitement
en bande passante
Les circuits de modulation et d'émission
les circuits de réception et de modulation
Les circuits de contrôle (émission/réception, porteuse,
puissance, alimentation, ...)
Evolution de la complexité des algorithmes de
traitement du signal dans les téléphones.
Chaîne d'émission des données.




Les données (analogique) du micro sont tout d'abord
numérisées par l'intermédiaire d'un convertisseur
analogique/numérique (CAN).
Ces données passent ensuite par le DSP pour traiter le
signal.
Le DSP restitue deux signaux ( TXI(t) et TXQ(t) ). Ces
deux signaux sont ensuite multipliés par une tension de
référence et additionnés.
Ce signal est ensuite prêt à être envoyé par
l'intermédiaire de l'antenne.
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.


Sigle signifiant Digital Sound Processing. Il
désigne les effets acoustiques recréés par un
processeur numérique pour donner l'impression
à l'utilisateur qu'il se trouve dans une salle de
concert, une église, ou un bar de quartier, à
partir d'un signal stéréo traditionnel.
On trouve ces modes DSP dans les
amplificateurs audio vidéo multicanaux.
LES DSP AUJOURD HUI
Conclusion

Le marché des DSP