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TRAITEMENT DU SIGNAL. DSP. SOMMAIRE. I) PRESENTATION II)architecture de VAN NEWMAN et architecture de HAVARD III) Performance IV) Méthode et outils de.

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1 TRAITEMENT DU SIGNAL. DSP

2 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) Lapplication des DSP VII) Conclusion

3 Introduction

4 Introduit en 1982 Introduit en 1982 Conçu pour être efficace Conçu pour être efficace programmable programmable Il est toujours embarqué Il est toujours embarqué Traitement du signal:application dopérations mathématiques sur des signaux Traitement du signal:application dopérations mathématiques sur des signaux Représentation des signaux sous formes déchantillons Représentation des signaux sous formes déchantillons Signaux numeriques obtenus grace aux signaux physiques et des CAN puis des CNA Signaux numeriques obtenus grace aux signaux physiques et des CAN puis des CNA

5 I.PRESENTATION DU DSP

6 1.Définition dun DSP DSP: Digital Signal Processor (processeur de signal numérique) DSP: Digital Signal Processor (processeur de signal numérique) Composant électronique de type microprocesseur pour les calculs Composant électronique de type microprocesseur pour les calculs Application principale : traitement de signaux numérique Application principale : traitement de signaux numérique

7 2.Role dun DSP dans un traitement de signal Utilisé pour le traitement du signal Utilisé pour le traitement du signal Un DSP est associé à de la mémoire (RAM ROM) et à des périphériques Un DSP est associé à de la mémoire (RAM ROM) et à des périphériques DSP fonctionne sous 2 modes : DSP fonctionne sous 2 modes : *mode microcontrôleur:fonctionne sur sa mémoire programme interne rapide *mode microcontrôleur:fonctionne sur sa mémoire programme interne rapide *mode microprocesseur:fonctionne sur une memoire programme externe *mode microprocesseur:fonctionne sur une memoire programme externe

8 Schema general dutilisation dun DSP permettant de developper un traitement de signal simple

9 Schéma électrique dun traitement du signal CAN CNA DSP BLOQUEUR Signal Capteur Ve Vs Entrée direct numérique Sortie directe numérique F F2 F=filtre operationnel anti-repliement F2=passe bas filtre de lissage

10 Avantage du traitement numérique Les machines numériques :obtention d1 meilleure précision et donc réalisation de différents filtres Les machines numériques :obtention d1 meilleure précision et donc réalisation de différents filtres Permet denchaîner des algorithmes de traitement beaucoup plus complexes (ex transformée de Fourier Permet denchaîner des algorithmes de traitement beaucoup plus complexes (ex transformée de Fourier Grande résistance aux bruits Grande résistance aux bruits Précisions arbitraire Précisions arbitraire Stabilité dans le temps Stabilité dans le temps Stockage des données Stockage des données …. ….

11 3.Utilité de lutilisation dun DSP Flexibilité de la programmation Flexibilité de la programmation Stabilité Stabilité Redondance Redondance

12 4.Architecture DSP DSP: conçus pour permettre une implémentation la plus parallèle possible des algorithmes préférés. DSP: conçus pour permettre une implémentation la plus parallèle possible des algorithmes préférés. permettre la réalisation séquentielle des opérations : architecture Von Neuman permettre la réalisation séquentielle des opérations : architecture Von Neuman permettre la réalisation simultanée de plusieurs calculs : multiplication des registres. permettre la réalisation simultanée de plusieurs calculs : multiplication des registres. permettre plusieurs accès mémoire simultanée, multiplication des zones mémoire : Architecture de Harvard. permettre plusieurs accès mémoire simultanée, multiplication des zones mémoire : Architecture de Harvard. lorsquon ne peut plus rendre une instruction plus rapide, entrelacer lexécution de plusieurs instructions : pipe-line. lorsquon ne peut plus rendre une instruction plus rapide, entrelacer lexécution de plusieurs instructions : pipe-line.

13 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 x(n-i) Accumulateur A.L.U.

14 . Un microprocesseur a un temps trop important pour faire un traitement rapide de signal Un microprocesseur a un temps trop important pour faire un traitement rapide de signal DSP : conçus pour optimiser le temps de calcul 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 opérations/ s DSP moyen effectue une opération MAC sur des données de 16 bits en moins de 25 nS, soit opérations/ s

15 . MAC :multiplication suivie dune addition MAC :multiplication suivie dune 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)+...+aN-1*x(n-N-1)

16 Architecture des DSP

17 Deux modeles

18 PERFORMANCE DES DSP 1) Mesure de vitesse de calcul pure 1) Mesure de vitesse de calcul pure

19 PERFORMANCE DES DSP 2) Mesure du temps d'exécution 2) Mesure du temps d'exécution (« Benchmark ») (« Benchmark »)

20 Format de calcul des DSP.

21 Les avantages des processeurs 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 négative de 2. Ce type de processeurs lisent les bits comme des fractions en puissance négative de 2. Ainsi le nombre 0.75 est traité comme , Ainsi le nombre 0.75 est traité comme , 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 leur coût est donc plus faible. Par contre, l'architecture de calcul, notamment la multiplication de deux nombres en virgule fixe, est relativement simple, leur coût est donc plus faible.

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23 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

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25 4. Méthodes et outils de développements. 4

26 4. Méthodes et outils de développements La souplesse du développement dapplications 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 dune chaîne dacquisition et/ou de restitution du signal (parfois des signaux) à traiter. Partie logicielle : elle sappuie sur des outils classiques adaptés aux spécificités des DSP. Lapproche est différente de celle utilisée pour la partie matérielle. Partie logicielle : elle sappuie sur des outils classiques adaptés aux spécificités des DSP. Lapproche est différente de celle utilisée pour la partie matérielle.

27 4.1. Définition des ressources nécessaires 4.1. Définition des ressources nécessaires Cette phase doit permettre dévaluer 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 dacquisition et de restitution du signal Cette phase doit permettre dévaluer 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 dacquisition et de restitution du signal

28 4.2. La sélection du DSP le plus adapté 4.2. La sélection du DSP le plus adapté La sélection dun 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 nest pas le seul critère à prendre en compte La sélection dun 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 nest pas le seul critère à prendre en compte

29 4.3. Structure matérielle de développement 4.3. Structure matérielle de développement Un environnement (ou système) de développement pour DSP peut être scindé en deux parties principales: 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 lapplication (création du source, utilisation des bibliothèques, assemblage). Un environnement de développement pour créer et mettre en forme le logiciel de lapplication (création du source, utilisation des bibliothèques, assemblage). Un environnement de développement utilisant des outils spécifiques pour tester et déboguer le logiciel de lapplication (simulateur, module dévaluation, émulateur). Un environnement de développement utilisant des outils spécifiques pour tester et déboguer le logiciel de lapplication (simulateur, module dévaluation, émulateur).

30 Le simulateur 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. Linterface 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. 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. Linterface 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.

31 Le module dévaluation Le module dévaluation Le module dévaluation se présente sous la forme dune 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 nest pas (ou alors très peu) évolutive. Un module dévaluation sutilise donc généralement « tel quel », et est surtout utile quand ses caractéristiques recouvrent celles de lapplication à développer. Le module Le module dévaluation se présente sous la forme dune 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 nest pas (ou alors très peu) évolutive. Un module dévaluation sutilise donc généralement « tel quel », et est surtout utile quand ses caractéristiques recouvrent celles de lapplication à développer. Le module

32 Lémulateur temps réel Lémulateur temps réel Lémulateur temps réel est loutil privilégié pour développer des applications DSP. Cest loutil le plus souple et le plus performant, car il ne souffre pas des limitations dun simulateur ou dun module dévaluation. Son rôle consiste à émuler en temps réel le fonctionnement du DSP au sein même du prototype de lapplication à développer. Toutes les ressources du DSP cible sont libres pour tester non seulement le code du programme de lapplication, mais également le fonctionnement du prototype. Lémulateur temps réel est loutil privilégié pour développer des applications DSP. Cest loutil le plus souple et le plus performant, car il ne souffre pas des limitations dun simulateur ou dun module dévaluation. Son rôle consiste à émuler en temps réel le fonctionnement du DSP au sein même du prototype de lapplication à développer. Toutes les ressources du DSP cible sont libres pour tester non seulement le code du programme de lapplication, mais également le fonctionnement du prototype.

33 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. Les deux principales méthodes pour écrire un programme DSP consistent à utiliser un assembleur dédié ou un langage de haut niveau.

34 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 lapproche logicielle des DSP classiques. 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 lapproche logicielle des DSP classiques.FPGAPLDASICFPGAPLDASIC

35 5.1. Avantage des réseaux logiques programmables 5.1. Avantage des réseaux logiques programmables L'approche classique pour effectuer un traitement numérique du signal consiste à utiliser un DSP traditionnel. L'approche classique pour effectuer un traitement numérique du signal consiste à utiliser un DSP traditionnel.

36 5.2. Utilisation pratique 5.2. Utilisation pratique Bien que moins universel quun 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... Bien que moins universel quun 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 Filtre FIR (8 pôles)Filtre IIR (8 pôles)PLD gamme Altéra Flex75 Mèche./s25 Mécha./sDSP 20 MIPS< 1 Mécha./s< 1 Mécha./s

37 APPLICATIONS.

38 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.

39 Les DSP dans le GSM. La conception générale d'un mobile GSM La conception générale d'un mobile GSM Les mobiles GSM peuvent être décomposés en 4 parties principales: Les mobiles GSM peuvent être décomposés en 4 parties principales: Le codage/décodage de la voix appelé aussi traitement en bande passante Le codage/décodage de la voix appelé aussi 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, porteuse, puissance, alimentation,...) Les circuits de contrôle (émission/réception, porteuse, puissance, alimentation,...)

40 Evolution de la complexité des algorithmes de traitement du signal dans les téléphones.

41 Chaîne d'émission des données. Les données (analogique) du micro sont tout d'abord numérisées par l'intermédiaire d'un convertisseur analogique/numérique (CAN). 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. 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. 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. Ce signal est ensuite prêt à être envoyé par l'intermédiaire de l'antenne.

42 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.

43 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. 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. On trouve ces modes DSP dans les amplificateurs audio vidéo multicanaux.

44 LES DSP AUJOURD HUI

45 Conclusion Le marché des DSP Le marché des DSP


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