Budowa i pomiary układów DSP działających na procesorze sygnałowym ADSP 2181

1. Budowa i pomiary układów DSP działających na procesorze sygnałowym ADSP 2181 Katedra Telekomunikacji Morskiej

2. Założenia • Budowa i pomiary układów DSP działających na procesorze sygnałowym ADSP 2181 wykonywane są w celach dydaktycznych • Celem wykonywanych pomiarów jest przedstawienie zjawisk i urządzeń omawianych na wykładach i w podręcznikach • Wykonywanie pomiarów powinno być proste i nie zajmować dużo czasu tak, aby studenci skupiali się na działaniu badanych urządzeń DSP, a nie na obsłudze przyrządów pomiarowych • Wyniki pomiarów powinny być prezentowane w formie graficznej i być łatwe do zapisania w formie elektronicznej • Budowa rzeczywistych urządzeń i wykonywanie ich pomiarów, nawet ułomnymi przyrządami, jest lepsze od samej tylko symulacji urządzeń

3. Procesor ADSP 2181 • 16 bitowy stałoprzecinkowy • Częstotliwość pracy 33MHz • Oddzielna pamięć programu (24 bitowa) i oddzielna pamięć danych (16 bitowa)

4. ADSP-2181 EZ-KIT Lite • Dwukanałowe wejście analogowe (stereo) • Dwukanałowe wyjście analogowe (stereo) • Maksymalna częstotliwość próbkowania 48KHz • Możliwość programowania przez łącze RS-232 z komputera PC za pomocą środowiska programistycznego VisualDSP++

5. ADSP-2181 EZ-KIT Lite

6. Rozkład elementów na płytce ADSP-2181 EZ-KIT Lite

7. Środowisko programistyczne VisualDSP++ • Edycja kodu • Debugowanie • Wykonywanie programu krok po kroku • Możliwość sprawdzenia stanu rejestrów • Możliwość zaglądania do pamięci z możliwością analizy Fouriera zawartości

9. Układy DSP realizowane w ramach laboratorium (projektu) • Generatory przebiegów okresowych sinusoida, prostokąt i trójkąt • Modulatory i mieszacze – mnożenie sygnałów • Filtry FIR • Filtry adaptacyjne – filtr predykcyjny

10. Potrzebne przyrządy pomiarowe • Oscyloskop • Analizator widma • Zestaw do pomiary charakterystyk amplitudowych filtrów • wobuloskop • generator i woltomierz • Zestaw do pomiary filtrów adaptacyjnych • Odpowiedni zestaw kabli

11. Karta dźwiękowa komputera PC • Typowa maksymalna częstotliwość próbkowania • Wejście karty 96kHz • Wyjście karty 48kHz • Wejście i wyjście stereo – 2 kanałowe • Gniazda stereo takie same jak w EZ-KIT

12. Oscyloskop z analizatorem widma • Pobiera z wejścia karty dźwiękowej 2048 próbek sygnału • Praca dwukanałowa • Możliwość obliczenia widma amplitudowego pobranego sygnału – stosuje się FFT, w celu zmniejszenia przecieków widma zastosowano okno Humminga • Możliwość zapisu wyników pomiarów w formie pliku graficznego

13. Okno programu Oscyloskop

14. Oscylogram przedbiegu sinusoidalnego wygenerowanego przez urządzenie EZ-KIT

15. Obliczone widmo amplitudowe przebiegu sinusoidalnego

16. Wynik rekonstrukcji sygnału sinusoidalnego o częstotliwości 3840Hz próbkowanego z częstotliwością 8kHz

17. Widmo amplitudowe zrekonstruowanego sygnału sinusoidalnego o częstotliwości 3840Hz próbkowanego z częstotliwością 8kHz

18. Wynik rekonstrukcji sygnału prostokątnego o częstotliwości 1280Hz próbkowanego bez filtru antyaliazingowego z częstotliwością 32kHz

19. Widmo amplitudowe zekonstruowanego sygnału prostokątnegoo częstotliwości 1280Hz próbkowanego bez filtru antyaliasingowego z częstotliwością 32kHz 1 3 5 7 9 11 23’ 17’ 15’ 21’ 19’ 13’ 13

20. Komputer PC Program do pomiaru charakterystyk Karta dźwiękowa EZ-KIT 2181 x(t) x(n) CA AC x’(k) fsn fsk H(z) y(t) y(n) AC CA y’(k) Schemat układu do pomiaru charakterystyk częstotliwościowych

21. Rzeczywistość Karta dźwiękowa i zestaw EZ-KIT są dwoma różnymi urządzeniami cyfrowymi taktowanymi różnymi niezsynchronizowanymi zegarami, a oba urządzenia są połączone przez złącze analogowe. Pomiar odpowiedzi impulsowej • Założena: Sygnały impulsowe są źle przenoszone przez połączenie analogowe układów cyfrowych, znacznie lepiej przenoszone są sygnały sinusoidalne

22. Pomiar odpowiedzi na wymuszenie sinusoidalne Liczenie charakterystyki punkt po punkcie jest czasochłonne i kłopotliwe, dlatego wygodniej jest policzyć wszystkie punkty w jednym kroku Przy odpowiednim doborze zbioru częstotliwości Ωiwartości amplitud Yi można obliczać dokonując szybkiej transformacji Fouriera ciągu y(n) .

23. Przyjęte założenia • Jeśli sygnał x(n) jest sygnałem okresowym o okresie N, to pobierając N kolejnych próbek odpowiedzi y(n) otrzymuje się okres tego sygnału. • Przyjęto N=2048,fs=48000Hz, • f1=23,44Hz, f938=21987Hz • Fazy φxidobrano losowo, w taki sposób, aby dla równych Xi uzyskać najmniejszą maksymalną wartość bezwzględną sygnału x(n) – dla Xi=1 uzyskano maksimum równe 64 • Przed pomiarem filtru cyfrowego należy dokonać pomiaru zwartej karty dźwiękowej • pomiar pozwala obliczyć rzeczywiste amplitudy składowych sygnału wymuszającego Xi oraz • pozwala wyeliminować wpływ filtrów analogowych karty dźwiękowej na wyniki pomiarów filtrów cyfrowych

24. Wymuszenie szerokopasmowe

25. Widmo amplitudowe odpowiedzi zwartej karty dźwiękowej na pobudzenie szerokopasmowe

26. Widmo amplitudowe odpowiedzi zwartej karty dźwiękowej na pobudzenie szerokopasmowe

27. Wynik pomiaru charakterystyki amplitudowej zwartej karty dźwiękowej

28. Wynik pomiaru charakterystyki amplitudowej zwartej karty dźwiękowej

29. Przykład pomiaru charakterystyki amplitudowej filtru FIR

30. Przykład pomiaru charakterystyki amplitudowej filtru FIR

31. Przykład pomiaru charakterystyki amplitudowej filtru FIR

32. Przykład pomiaru charakterystyki amplitudowej filtru FIR

33. y(n) + Filtr adaptacyjny stopnia M (predyktor) x(n) Z-1 + _ e(n) Filtr adaptacyjny – predykcja liniowa Sygnał wejściowy x(n) ma postać: gdzie: s(n) jest sygnałem sinusoidalnym lub sumą sygnałów sinusoidalnych, z(n) jest szumem nieskorelowanym z sygnałem s(n) ani z samym sobą. Rys. Struktura blokowa jednokrokowego predyktora liniowego Sygnał wyjściowy y(n) jest prognozą części zdeterminowanej sygnału x(n), czyli:

34. x(n-2) x(n) x(n-1) x(n-M-1) x(n-M) Z-1 Z-1 Z-1 Z-1 h1(n) h2(n) hM-1(n) hM(n) + + + _ e(n) algorytm LMS + + d(n)=x(n) Jednokrokowy liniowy filtr predykcyjny

35. Okno programu do badania filtrów adaptacyjnych

36. Pomiar jednokrokowego predyktora liniowegosygnał wejściowy x(n) – zielony, sygnał wyjściowy y(n) – czerwony

37. Pomiar jednokrokowego predyktora liniowegowidmo amplitudowe sygnału wej. x(n) – zielone,widmo amplitudowe sygnału wyj. y(n) – czerwone

38. Pomiar jednokrokowego predyktora liniowegosygnał wejściowy x(n) – zielony, sygnał wyjściowy y(n) – czerwony

39. Pomiar jednokrokowego predyktora liniowegowidmo amplitudowe sygnału wej. x(n) – zielone,widmo amplitudowe sygnału wyj. y(n) – czerwone

40. kanał 1 kanał 1 Filtr predykcyjny kanał 2 kanał 2 Filtr FIR Pomiar charakterystyki amplitudowej liniowego filtru predykcyjnego Kanał 1 – x1(n)=s(n)+z(n) – sygnał sinusoidalny plus szum Kanał 2 – x2(n) – sygnał szerokopasmowy jak przy pomiarze charakterystyk amplitudowych filtrów, zasada pomiaru taka jak poprzednio

41. Przykładowy pomiar charakterystyki amplitudowej liniowego filtru predykcyjnego

42. Przykładowy pomiar charakterystyki amplitudowej liniowego filtru predykcyjnego

43. Przykładowy pomiar charakterystyki amplitudowej liniowego filtru predykcyjnego

44. Wnioski • Wirtualne przyrządy wykorzystujące kartę dźwiękową komputera PC nadają się do wykorzystania w laboratorium do celów dydaktycznych • Zastosowanie tych przyrządów pozwala na zbadanie istotnych, ze względów dydaktycznych, właściwości realizowanych układów DSP