11325

Сигнальный процессор

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Занятие 5 Сигнальный процессор Учебные и воспитательные цели: Изучить устройство и принципы функционирования сигнального процессора. Прививать умение выделять главное для качественного конспектирования учебного материала. Прививать интерес к дисцип

Русский

2013-04-07

144 KB

51 чел.

Занятие 5 Сигнальный процессор

Учебные и воспитательные цели:

  1.  Изучить устройство и принципы функционирования сигнального процессора.
  2.  Прививать умение выделять главное для качественного конспектирования  учебного материала. 
  3.  Прививать интерес к дисциплине, к профессии офицера-связиста.

Время: 2 часа.

План лекции

п/п

Учебные вопросы

Время

(мин/)

I.

ВВОДНАЯ ЧАСТЬ

5

II.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

80

1. Общие сведения о сигнальных процессорах

10

2.Архитектура Сигнального процессора

35

3. Применение сигнальных процессоров в системах цифровой обработки сигналов.

35

III.

ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ

5

Литература:

  1.  Калабеков Б.А. Цифровые устройства и  микропроцессорные системы

2. Однокристальные микроЭВМ: Справочник / А. В. Боборыкин, Г. П. Липовецкий Г. В. Литвинский и др. — М.: МИКАП, 1994.

Материальное обеспечение:

  1.  Структурная схема цифрового процессора. КМ1813ВЕ1


ВВОДНАЯ ЧАСТЬ

Принять рапорт дежурного, проверить наличие и внешний вид курсантов, порядок в аудитории, готовность группы к занятию. Объявить тему, учебную цель и учебные вопросы лекции. Подчеркнуть важность изучаемого материала (Сигнальные процессоры – основной элемент современной и перспективной техники связи). Отметить связь с обеспечивающими дисциплинами (Электроника, ТЭС, ОПТКСС) и специальными дисциплинами (каф. № 4, 5, 7) (знание устройства и принципов функционирования сигнального процессора необходимо при изучении специально-технических дисциплин).

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ.

  1.  Общие сведения о сигнальных процессорах

Сигнальные процессоры отличаются от универсальных процессоров, рассмотренных на предыдущих занятиях:

способом представления числа;

работой в реальном масштабе времени;

наличием дополнительных аппаратных средств для обработки сигнала.

Способ представления числа

Существует два основных способа представления числа:

с фиксированной запятой;

с плавающей запятой.

В универсальных процессорах используется представления числа в форме с плавающей запятой. Эта форма предполагает запись числа в виде мантиссы (дробной части) умноженной на 10n . Разрядность мантиссы определяет точность вычисления, а наличие показателя степени защищает регистры записи промежуточного результата от переполнения разрядной сетки. Данное представление числа является универсальным и позволяет записать в регистры микропроцессора любое число. Однако, например, при выполнении операции умножения мантиссы чисел должны перемножаться, а показатели степеней складываться, т.е. операция умножения должна быть выполнена в два этапа, что снижает скорость работы процессора. Снижение работы скорости процессора, обеспечивающего прием радиосигнала в реальном масштабе времени недопустимо, так как приведет к частичным потерям передаваемого сообщения. Поэтому в сигнальных процессорах применяется представление числа в форме с фиксированной запятой. На этапе составления программы обработки цифрового сигнала программист анализирует уровни обрабатываемых сигналов и выбирает так называемые коэффициенты масштабирования. Этот коэффициент представляет собой константу, при умножении на которую модуль величины сигнала становится гораздо меньше единицы, причем в ходе дальнейших вычислений промежуточные результаты и конечные результаты по модулю ни при каких внешних условиях не должны превышать значение 1. По ходу вычислений масштабирование может выполняться неоднократно.

Универсальный микропроцессор использует универсальную систему ввода вывода. Если обрабатываемые данные отличаются по формату представления от допустимых значений, то задачу приведения их к требуемому формату решают дополнительные устройства. Сигнальный процессор наоборот включает в свой состав устройства, позволяющие привести входные сигналы к виду, удобному для обработки сигнала.

Универсальный процессор не имеет в своем составе долговременного запоминающего устройства, так как, программы, выполняющиеся в нем, постоянно меняются. Сигнальный процессор обслуживает узкий круг программ, поэтому в его состав вводится РПЗУ, которое обеспечивает запись, хранение и считывание, выполняемой программы.

Таким образом, можно сделать вывод, что сигнальный процессор относится к классу специализированных процессоров, предназначенных для выполнения специализированных задач.

  1.  Архитектура сигнального процессора

Структуру сигнального процессора рассмотрим на примере микросхемы КМ 181ЗВЕ1. Микросхема содержит процессор, память данных и программ, т.е. набор узлов, характерных для микроЭВМ. Кроме того, в ней имеются аналого-цифровой преобразователь (АЦП) для преобразования отсчетов, взятых из поданного на вход аналогового сигнала, в цифровую форму, и цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) для преобразования результатов проведенных в процессоре вычислений из цифровой формы в аналоговую для выдачи на выход.

Состав команд микросхемы и высокая точность выполнения операций позволяют с ее помощью строить сложные системы цифровой обработки сигналов и цифровые системы управления объектами.

Цифровая обработка сигналов включает много видов обработки. Среди них основными являются линейная цифровая фильтрация и спектральный анализ. Спектральный анализ предусматривает определение спектрального состава сигнала. При цифровой фильтрации по заданному закону изменяется спектральный состав сигнала, т. е. воспроизводятся те изменения сигнала, которые возникают при его прохождении через фильтр — линейную цепь с определенной частотной характеристикой.

На одной микросхеме КМ1813ВЕ1 можно построить фильтр достаточно высокого порядка — такого, какой в аналоговой форме достигается с использованием до 40 реактивных элементов. Либо можно построить систему фильтров более низкого порядка. Кроме фильтров микросхема позволяет реализовывать функции многих других типовых узлов аппаратуры: детекторов, ограничителей, генераторов колебаний различной формы, преобразователей частоты и др.

Микросхема выполнена по nМОП-технологии, корпус микросхемы имеет прозрачную крышку для стирания содержимого памяти программ ультрафиолетовым излучением перед записью в нее новой программы.

На слайде приведена структурная схема КМ1813ВЕ1. Она может быть разбита на три части: аналоговую часть (I), устройство цифровой обработки (II), память команд (III).

В устройство цифровой обработки входит сверхоперативное запоминающее устройство (СОЗУ), содержащее 40 ячеек для хранения 25-разрядных слов, 9-разрядный регистр данных DАR, через который осуществляется ввод и вывод данных (по содержимому отдельных разрядов этого регистра могут выполняться условные переходы), 16 ячеек для хранения констант. Адреса ячеек СОЗУ представляются 6-разрядными двоичными комбинациями. Начальные адреса соответствуют ячейкам, предназначенным для хранения значений переменных. Адреса, имеющие структуру 11хххх (т.е. содержащие 1 в двух старших разрядах), являются адресами ячеек, хранящих константы. Значения констант равны 0,125 т, где т может принимать целочисленные значения, лежащие в пределах -8...+7. Значения констант и соответствующие им мнемонические обозначения приведены в табл. 1.

 Таблица.1

Мнемоника константы

Значение константы

Мнемоника константы

Значение константы

Десятичное

Двоичное

Десятичное

Двоичное

КРО

КР1

КР2

КРЗ

КР4

КР5

КР6

КР7

0

+0,125

+0,250

+0,375

+0,500

+0,625

+0,750

+0,875

0.000

0.001

0.010

0.011

0.100

0.101

0.110

0.111

КМ1

КМ2

КМЗ

КМ4

КМ5

КМ6

КМ7

КМ8

-0,125

-0,250

-0,375

-0,500

-0,625

-0,750

-0,875

-1,000

1.111

1.110

1.101

1.100

1.011

1.010

1.001

1.000

Сверхоперативное ОЗУ снабжено двумя портами: А и В, через которые производится выдача операндов для их обработки в АЛУ. Результат выполненной в АЛУ операции передается в СОЗУ через порт В. Операнд, получаемый с порта В, подается на вход АЛУ непосредственно. Операнд, выдаваемый с порта А, поступает в АЛУ через масштабирующее устройство, в котором этот операнд умножается на 2n путем выполнения сдвига на соответствующее число разрядов влево или вправо. Коэффициент п имеет целочисленное значение в пределах -13...+2. Выбор одного из 16 значений этого коэффициента задается в команде.

АЛУ выполняет операции в модифицированном дополнительном коде. Старший разряд полученного из СОЗУ 25-разрядного операнда рассматривается как знаковый, остальные 24 разряда слова образуют дробную часть числа. В АЛУ знаковый разряд операнда дублируется в четырех знаковых разрядах для образования модифицированного кода и, таким образом, каждый операнд в АЛУ представляется в форме

ssss.-1а-2-,... а-24

где ssss — четыре знаковых разряда; а-1,... а-24—разряды дробной части числа со значениями разрядных коэффициентов, соответственно равными 2-1 ... 2-24. Над такими 28-разрядными операндами в АЛУ выполняются операции.

Использование модифицированного кода позволяет обнаруживать переполнение разрядной сетки. При возникновении переполнения АЛУ выдает сигнал на выход ОF. При выполнении некоторых команд в случае переполнения положительное значение результата заменяется максимально возможным (т. е. значение 0001. х...х заменяется на значение 0000. 1...1) и отрицательное значение результата заменяется минимально возможным (т.е. значение 1110. х...х заменяется на значение 1111.0...0, представляющее собой дополнительный код числа -1). В АЛУ могут использоваться два режима работы: с описанной выше коррекцией результата при возникновении переполнения и без коррекции результата.

Память команд построена на перепрограммируемом ПЗУ емкостью 192 24-разрядных команды. Для сокращения числа выводов микросхемы для ввода данных при записи информации в ППЗУ используются четыре аналоговых выхода (со старшими номерами). Таким образом, ввод в ППЗУ одного 24-разрядного слова команды требует 6 циклов записи.

  1.  Применение сигнальных процессоров в системах цифровой обработки сигналов

На слайде 2 приведена структура аналоговой части микросхемы.

Входной мультиплексор обеспечивает выборку одного из четырех аналоговых каналов. Эта операция выполняется по команде IN(k), в которой k указывает номер коммутируемого аналогового канала. Из сигнала, выделенного с помощью мультиплексора канала, схема выборки и хранения выбирает отсчет, значение которого запоминается в виде напряжения на конденсаторе. Затем производится преобразование полученного на конденсаторе напряжения в цифровую форму. По команде СVТS формируется знаковый разряд и выделяется абсолютное значение напряжения, подлежащего преобразованию. Абсолютное значение поступает в схему аналого-цифрового преобразования, работающую по методу последовательных приближений. Формирование каждого разряда цифрового представления абсолютного значения напряжения (начиная с его старшего разряда) производится по соответствующей команде СVТ(k), где k—номер разряда. Допустимый диапазон входных сигналов задается внешним источником опорного напряжения. Необходимый при аналого-цифровом преобразовании ЦАП используется для преобразования выводимых данных из цифровой формы в аналоговую. При выводе содержимое регистра DAR. (рис. 1) подвергается преобразованию в ЦАП и в аналоговой форме поступает в выходной мультиплексор. При поступлении команды вывода OUT(к) мультиплексор выдает преобразованное значение в kаналоговый канал.

Возможен прием и вывод сигналов в цифровой форме. Требуемый режим работы аналоговой части задается комбинацией напряжений на входах М1 и М2

В режиме М1 = +5 В, М2 = -5 В обеспечивается последовательный ввод и вывод цифровых данных через регистр DAR. В этом режиме для организации ввода-—вывода используются четыре входных канала. Через канал D1 осуществляется ввод информации по командам СVТS и СVT(k) в последовательности: знак, инверсные значения разрядов в последовательности от старшего (k = 7) к младшему (k = 0). Одновременно в процессе выполнения команды СVТ по каналу RD выдаются стробирующие импульсы. При последовательном выводе канал D0 используется для передачи информации и канал RD для выдачи стробирующих импульсов

СИСТЕМА КОМАНД

Команды имеют 24 разряда и представляются в следующем формате:

КОпЦ

(3 разряда)

Адрес операнда В

(6 разрядов)

Адрес операнда А

(6 разрядов)

Код сдвига

(4 разряда)

КОпА

(5 разрядов)

Поле кода цифровой операции (КОпЦ) определяет вид выполняемой цифровой операции (операции, выполняемой в цифровой части с помощью АЛУ

Поле КОпА определяет операции в аналоговой части схемы.

В команде ввода IN(k) к определяет номер одного из четырех входных аналоговых каналов. Для фиксации значения сигнала выбранного канала на конденсаторе схемы выборки и хранения с погрешностью, не большей 0,5 весового коэффициента младшего разряда, требуется 4,8 мкс. Поэтому при длительности цикла выполнения команд 0,6 мкс предусматривается восемь следующих подряд команд IN(k). Полученное на конденсаторе напряжение далее подвергается преобразованию в цифровую форму методом последовательного приближения при котором последовательно формируются разряды цифрового представления отсчета сигнала. Для получения каждого разряда числа после команды CVT используется не менее двух команд NOR ("Отсутствие операции"). Это необходимо, чтобы обеспечить паузу длительностью 1,2 мкс для установления процессов в ЦАП после преобразования каждого разряда. Результат преобразования фиксируется в регистре DAR

В команде вывода OUT(k) k — номер одного из каналов, используемого для вывода результата преобразования содержимого регистра DAR в аналоговую форму. После пересылки выводимого числа в регистр DAR следует в трех следующих командах предусмотреть операцию NOР (на время установления выходной схемы выборки и хранения) и далее в семи— восьми командах — операцию OUT(k).

Команда NОР указывает на отсутствие аналоговой операции.

Команда ЕОР является последней в программе. Она помещается в ячейку памяти, адрес которой делится на четыре. После этой команды выполняются следующие три команды четверки и производится передача управления из конца программы на начальную команду программы, хранящуюся в ячейке с адресом 0 памяти программ.

Таким образом, аналоговая часть устройства ввода вывода рассмотренного сигнального процессора позволяет осуществить цифровую обработку как цифрового так и аналогового сигнала

ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Изученные сигнальный процессор может быть использован для организации цифровой обработки любого сигнала после понижения его частоы в приемном устройстве. Также данный микропроцессор может быть применен для создания измерительной техники (осциллографа, генератора и т.д.). Задачу выполняемую процессором будет определять программа зашитая в РПЗУ. Более подробно о проблемах использовании сигнального процессора мы поговорим с вами на следующем семинарском занятии.

Задание на самостоятельную подготовку

1. Изучить материал по учебнику [Л1] страницы с.313 – 321.

Начальник кафедры N9

полковник                                                   Г.Журбин

Рецензент:

доцент

       Б.Степанов


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

27670. Понятие и социальная сущность преступления. Признаки преступления и его отличие от других правонарушений. Категории преступлений по УК РФ. Уголовно-правовое значение классификации преступлений на различные категории тяжести 35 KB
  Понятие и социальная сущность преступления. Признаки преступления и его отличие от других правонарушений. Понятие преступления ст. Признаки преступления: а общественная опасность – это свойство человеческого поступка причинить существенный вред охраняемым законом общечеловеческим ценностям а также создать угрозу такого вреда.
27672. Способы регулирования частоты вращения 3-фазных асинхронных двигателей 537.05 KB
  Основные сведения о регулировании частоты вращения асинхронных двигателей Регулирование скорости изменением числа пар полюсов обмотки статора. Принцип получения разного числа пар полюсов. Регулирование скорости изменением числа пар полюсов путем переключения обмотки статора со «звезды» на «двойную звезду» Регулирование скорости изменением числа пар полюсов путем переключения обмотки статора с «треугольника» на «двойную звезду»
27673. Посягательство на жизнь сотрудника правоохранительного органа (ст. 317 УК), его отличие от убийства 29.5 KB
  Общественная опасность преступления состоит в том что оно посягает на порядок управления и жизнь перечисленных в законе лиц в целях воспрепятствования их деятельности по охране общественного порядка и обеспечению общественной безопасности. которые постоянно или временно исполняют обязанности по охране общественного порядка и обеспечению общественной безопасности военнослужащие проходящие службу в Вооруженных Силах РФ других войсках например во внутренних войсках МВД России а равно их близкие. Преступление совершается чтобы...
27675. Похищение или повреждение документов, штампов, печатей либо похищение марок акцизного сбора? специальных марок или знаков соответствия (ст.325 УК). Отличие данного преступления от кражи (ст.158 УК) и грабежа (ст. 161 УК) 40 KB
  Кража определяется законодателем как тайное хищение чужого имущества 2. Корыстная цель при хищении предполагает незаконное удовлетворение материальных потребностей виновного или третьих лиц за счет чужого имущества т. Корыстная цель представляет собой также один из критериев отграничения хищения от злоупотребления полномочиями злоупотребления должностными полномочиями уничтожения или повреждения имущества самоуправства вандализма и др. Безвозмездность отграничивает хищение от эквивалентного изъятия сопряженного с возмещением стоимости...
27676. Похищение человека (ст. 126 УК). Условия освобождения от уголовной ответственности за данное преступление. Отличие этого преступления от незаконного лишения свободы (ст. 127 УК) 33 KB
  Отличие этого преступления от незаконного лишения свободы ст. Преступления против свободы чести и достоинства личности. Это преступление включает 2 элемента: непосредственно похищение и насильственное удержание связанное с лишением свободы. Похищение следует отличать от незаконного лишения свободы 127 которое предполагает удержание лица в месте где оно оказалось по собственному желанию.
27678. Привлечение заведомо невиновного к уголовной ответственности (ст. 299), отличие этого преступления от вынесения неправосудных приговора, решения или иного судебного акта (ст. 305) 28.5 KB
  299 отличие этого преступления от вынесения неправосудных приговора решения или иного судебного акта ст. 2 Объективная сторона применительно к рассматриваемому составу преступления конкретные действия должностных лиц выражаются в привлечении заведомо невиновного в качестве обвиняемого путем вынесения соответствующего процессуального документа. Квалифицирующим признаком данного преступления является привлечение заведомо невиновного к уголовной ответственности соединенное с обвинением в совершении тяжкого или особо тяжкого преступления....