Katedra Telekomunikacji Morskiej Budowa i pomiary układów DSP działających na procesorze sygnałowym ADSP 2181 Katedra Telekomunikacji Morskiej
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
Procesor ADSP 2181 16 bitowy stałoprzecinkowy Częstotliwość pracy 33MHz Oddzielna pamięć programu (24 bitowa) i oddzielna pamięć danych (16 bitowa)
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++
ADSP-2181 EZ-KIT Lite
Rozkład elementów na płytce ADSP-2181 EZ-KIT Lite
Środowisko programistyczne VisualDSP++ Edycja kodu Debugowanie Wykonywanie programu krok po kroku Możliwość sprawdzenia stanu rejestrów Możliwość zaglądania do pamięci z możliwością analizy Fouriera zawartości
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
Potrzebne przyrządy pomiarowe Oscyloskop Analizator widma Zestaw do pomiary charakterystyk amplitudowych filtrów wobuloskop generator i woltomierz Zestaw do pomiary filtrów adaptacyjnych Odpowiedni zestaw kabli
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
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
Okno programu Oscyloskop
Oscylogram przedbiegu sinusoidalnego wygenerowanego przez urządzenie EZ-KIT
Obliczone widmo amplitudowe przebiegu sinusoidalnego
Wynik rekonstrukcji sygnału sinusoidalnego o częstotliwości 3840Hz próbkowanego z częstotliwością 8kHz
Widmo amplitudowe zrekonstruowanego sygnału sinusoidalnego o częstotliwości 3840Hz próbkowanego z częstotliwością 8kHz
Wynik rekonstrukcji sygnału prostokątnego o częstotliwości 1280Hz próbkowanego bez filtru antyaliazingowego z częstotliwością 32kHz
Widmo amplitudowe zekonstruowanego sygnału prostokątnego o częstotliwości 1280Hz próbkowanego bez filtru antyaliasingowego z częstotliwością 32kHz 1 3 5 7 9 11 23’ 21’ 19’ 17’ 15’ 13’ 13
Schemat układu do pomiaru charakterystyk częstotliwościowych Komputer PC Program do pomiaru charakterystyk Karta dźwiękowa EZ-KIT 2181 AC H(z) CA x(t) y(t) x(n) y(n) fsk fsn x’(k) y’(k)
Pomiar odpowiedzi impulsowej Założena: Rzeczywistość Karta dźwiękowa i zestaw EZ-KIT są dwoma różnymi urządzeniami cyfrowymi taktowanymi różnymi niezsynchronizowanymi zegarami, a oba urządzenia są połączone przez złącze analogowe. Sygnały impulsowe są źle przenoszone przez połączenie analogowe układów cyfrowych, znacznie lepiej przenoszone są sygnały sinusoidalne
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 Ωi wartości amplitud Yi można obliczać dokonując szybkiej transformacji Fouriera ciągu y(n) .
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 φxi dobrano 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
Wymuszenie szerokopasmowe
Widmo amplitudowe odpowiedzi zwartej karty dźwiękowej na pobudzenie szerokopasmowe
Widmo amplitudowe odpowiedzi zwartej karty dźwiękowej na pobudzenie szerokopasmowe
Wynik pomiaru charakterystyki amplitudowej zwartej karty dźwiękowej
Wynik pomiaru charakterystyki amplitudowej zwartej karty dźwiękowej
Przykład pomiaru charakterystyki amplitudowej filtru FIR
Przykład pomiaru charakterystyki amplitudowej filtru FIR
Przykład pomiaru charakterystyki amplitudowej filtru FIR
Przykład pomiaru charakterystyki amplitudowej filtru FIR
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. Z-1 + x(n) y(n) e(n) _ Filtr adaptacyjny stopnia M (predyktor) Rys. Struktura blokowa jednokrokowego predyktora liniowego Sygnał wyjściowy y(n) jest prognozą części zdeterminowanej sygnału x(n), czyli:
Jednokrokowy liniowy filtr predykcyjny _ Z-1 + h1(n) h2(n) hM-1(n) hM(n) x(n) x(n-1) x(n-2) x(n-M-1) x(n-M) d(n)=x(n) e(n) algorytm LMS
Okno programu do badania filtrów adaptacyjnych
Pomiar jednokrokowego predyktora liniowego sygnał wejściowy x(n) – zielony, sygnał wyjściowy y(n) – czerwony
Pomiar jednokrokowego predyktora liniowego widmo amplitudowe sygnału wej. x(n) – zielone, widmo amplitudowe sygnału wyj. y(n) – czerwone
Pomiar jednokrokowego predyktora liniowego sygnał wejściowy x(n) – zielony, sygnał wyjściowy y(n) – czerwony
Pomiar jednokrokowego predyktora liniowego widmo amplitudowe sygnału wej. x(n) – zielone, widmo amplitudowe sygnału wyj. y(n) – czerwone
Pomiar charakterystyki amplitudowej liniowego filtru predykcyjnego kanał 1 Filtr FIR kanał 2 Filtr predykcyjny 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
Przykładowy pomiar charakterystyki amplitudowej liniowego filtru predykcyjnego
Przykładowy pomiar charakterystyki amplitudowej liniowego filtru predykcyjnego
Przykładowy pomiar charakterystyki amplitudowej liniowego filtru predykcyjnego
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