Digital Signal Processor ( DSP ) [French]

1. Réalisé par: Assia MOUNIR Khadija BELMOUDDEN Imane BOULLAILI 2 ème année Génie Des Systèmes De Télécommunications et Réseaux Etude des antennes Encadré par: Mr. TALI Traitement de la parole Année Universitaire 2008-2009 DSP: D igital Signal Processor

2. PLAN Digital Signal Processing 2 I- Introduction II- Les DSP 1- Définitions 2- Architecture 3- Particularités des DSP 4- Types de DSP III- DSP en pratique 1- Fabricants 2- Applications IV- Simulation V- Conclusion

3. Introduction C’est quoi DSP? Digital Signal Processor : processeur de signal numérique, est un micro-processeur optimisé pour les calculs Application principale = traitement numérique du signal Filtrage , extraction de signaux, reconnaissance de la parole, etc … 3 Digital Signal Processing

4. Introduction Pourquoi le t raitement numérique du signal ? Grande résistance aux bruits Indépendance par rapport aux tolérances de fabrication Précision arbitraire Stabilité dans le temps Stockage des données sans dégradation Duplication des valeurs sans altération Programmation flexible Développement rapide 4 Digital Signal Processing

5. Introduction Structure générale des applications de TNS : ADC = Analog to Digital Converter DAC = Digital to Analog Converter 5 Digital Signal Processing

6. Introduction Besoins en TNS : Calculs rapides Contraintes temps réel Contraintes des systèmes embarqués Production de masse 6 Digital Signal Processing

7. Introduction 7 Digital Signal Processing Quel processeur utiliser pour le TNS ? ASIP = Application Specific Instruction set Processor ASIC = Application Specific Integrated Circuit microcontrôleurs : pas assez performants ASIC : beaucoup trop coûteux, mise en oeuvre complexe et longue ASIP : beaucoup trop coûteux, définition complexe processeurs généralistes : pas temps réel, trop coûteux, consomment trop d’énergie, difficilement embarquables Solution : Faire des processeurs spécifiques pour le traitement numérique du signal DSP

8. Définition La mise en œuvre d’un DSP se fait en lui associant la mémoire (RAM,ROM) et les périphériques. Un DSP est le cœur d’un système de traitement numérique audio 8 Digital Signal Processing

9. Architecture DSP Architecture interne La façon dont les éléments d'un système à microprocesseur sont interconnectés et échangent leur information Architecture de Von Neumann  Architecture de Harvard 9 Digital Signal Processing

10. Architecture de Von Neumann  Mémoire globale La caractéristique de cette architecture est qu'elle ne possède qu'un système de bus. Un microprocesseur basé sur une structure Von Neumann  stocke les programmes et les données dans la même zone mémoire. 10 Digital Signal Processing

11. Architecture de Harvard  mémoire séparé permet une exécution plus rapide des instructions. Il n'y a aucun risque que le processeur écrire des données dans la mémoire programme et corrompe le programme. 11 Digital Signal Processing

12. Utilisation de ces structures dans les DSP L’architecture généralement utilisée par les microprocesseurs classiques est la structure Von Neumann. L’architecture Harvard est plutôt utilisée dans des microprocesseurs spécialisés pour des applications temps réels, comme les DSP. coût supérieur de la structure de type Harvard Structure de Harvard modifiée 12 Digital Signal Processing

13. exemple 13 Digital Signal Processing

14. Particularités DSP  L’opération MAC le traitement numérique du signal revient à effectuer essentiellement des opérations arithmétiques de base du type A = (B x C) + D. Un microprocesseur classique nécessite plusieurs cycles d’horloge Les DSP disposent de fonctions optimisées permettant de calculer A beaucoup plus rapidement. Les DSP ont un jeu d’instructions spécialisé permettant de lire en mémoire une donnée, d’effectuer une multiplication puis une addition, et enfin d’écrire en mémoire le résultat, le tout en un seul cycle d’horloge 14 Digital Signal Processing

15. L’opération MAC  Actuellement, un DSP de gamme moyenne effectue une opération MAC sur des données de 16 bits en moins de 25 nS , soit 40 000 000 opérations par seconde. 15 Digital Signal Processing

16. Utilisation de l’instruction MAC 16 Digital Signal Processing

17. L’accès à la mémoire   Les DSP sont capable de réaliser plusieurs accès mémoire en un seul cycle. gain du temps Les modes d’adressages des données sont un point particulier des DSP Un DSP peut posséder plusieurs unités logiques de génération d’adresse, travaillant en parallèle avec la logique du cœur du DSP. Il existe plusieurs modes d’adressages pour les DSP. 17 Digital Signal Processing

18. Types de DSP : DSP à virgule fixe: Les données sont représentées comme étant des nombres fractionnaires à virgule fixe (exemple -1.0 à 1.0), ou comme des entiers classiques. DSP à virgule flottante: Les données sont représentées en utilisant une mantisse et un exposant: n=mantisse*2 exposant 18 Digital Signal Processing

19. Types de DSP : Sur les DSP à virgule fixe, le programmeur doit rester vigilant à chaque étape d’un calcul. Ces DSP sont plus difficiles à programmer. Les DSP à virgule flottante fournissent une très grande dynamique. Les DSP à virgule flottante sont plus chers et consomment plus d’énergie. En termes de rapidité, les DSP à virgule fixe se placent d'ordinaire devant leurs homologues à virgule flottante, ce qui constitue un critère de choix important. 19 Digital Signal Processing

20. DSP en pratique Digital Signal Processing 20 Etude de marché Domaines d’applications DSP et traitement de la parole

21. Etude de marché Fabricants : Il existe différents fabricants de DSP sur le marché . Analog Devices propose entre autre des DSP incorporant comme périphériques des ADC et des DAC. Freescale. Lucent. Microchip propose deux familles dénommées Digital Signal Contrôler (dsPIC30F et dsPIC33F), qui sont des microcontrôleurs avec des capacités de calcul renforcées et des périphériques de conversion analogique-numérique. Texas Instruments a une gamme étendue, comportant en particulier les familles C6000, C5000 et C2000. 21 Digital Signal Processing

22. Le classement du tableau est effectué selon le nombre de bits du bus de données et le temps d’exécution d’un cycle, puis d’une opération complexe, comme la transformée de Fourier rapide à 1024 points de calcul. Comparaison des DSP fabriqués par Texas Instrument et Analog Devices 22 Digital Signal Processing

23. Les microprocesseurs sont en perpétuelle évolution, chaque nouvelle génération est plus performante que l’ancienne, pour un coût moindre. Processeur de signal numérique [DSP] Pioneer DEQ-P800 Prix: $59.99 Carte DSP 8 canaux PRIX : 1 075$ Les prix 23 Digital Signal Processing

24. TELECOMMUNICATIONS Fonctions dsp : Modulation and Transmission, Démodulation and Réception, Compression, commutation, routage, DTMF, Encryptage, amélioration des signaux, annulation d'écho, multiplexage Applications : Modems, Fax, autocommutateurs publics et privés, accueils automatiques, radio-téléphones , Pagers, Systèmes GPS, Vidéo Téléphones, systèmes Satellite, boucle locale radio, faisceaux hertziens Domaines d’applications 24 Digital Signal Processing

25. INSTRUMENTATION ET MESURE Fonctions dsp : Transformée de Fourier rapide (FFT), Filtrage, synthèse de forme d'onde, filtrage adaptatif, calculs rapides Applications : Equipements de tests et mesures, analyse de vibration, Cartes d'entrées-sorties pour PCs , systèmes auto : injection contrôlée, ABS, contrôle actif du bruit (générateurs d' " anti-bruit "), systèmes de forage pétrolier, Instruments sismiques , mesure de puissance, simulateurs de vols, analyseurs de réseaux, générateurs de signaux Domaines d’applications 25 Digital Signal Processing

26. ELECTRONIQUE MEDICALE Fonctions dsp : Filtrage, annulation d'écho, FFT 2D et 3D, générateurs de signaux Applications : équipements d'assistance respiratoire et cardiaque, échographies, analyseurs biologiques, surveillance pré-natale , kinésithérapie, Scanners, IRM, oreillettes Domaines d’applications 26 Digital Signal Processing

27. TRAITEMENT D'IMAGE Fonctions dsp : Filtrage "spatial", FFT 2D et 3D, reconnaissance de forme, lissage, filtrage Applications : lecteurs de codes à barres, recherche sous-marine d'objets, systèmes d'inspection automatique, reconnaissance d'empreintes digitales, TV numérique, Sonars, Radars, Robotique. Domaines d’applications 27 Digital Signal Processing

28. INDUSTRIE - CONTROLE DE MOTEURS Fonctions dsp : Filtrage, FFT, PID, calculs rapides, réduction de bruit. Applications : contrôle de vitesse de moteur, Robotique, gestion de puissance, générateurs, ascenseurs, climatisations, contrôle de trafic, systèmes de Navigation, disques durs, analyseurs de Vibration Domaines d’applications 28 Digital Signal Processing

29. AUDIO Fonctions dsp : Réverbération, contrôle de tonalité, écho, filtrage, compression audio, égalisation en fréquence, transposition de fréquence, effets "spatiaux", surround Applications : Instruments de musiques et Amplificateurs, consoles de mixage, équipements d'enregistrement digitaux ou non, équipements de diffusion, cartes pour PC, jeux et jouets, auto-radios , lecteurs de CDRom , TV, hauts parleurs haut de gamme Domaines d’applications 29 Digital Signal Processing

30. TRAITEMENT DE LA PAROLE Fonctions dsp : synthèse et reconnaissance vocale, Compression, lecture de texte, emails, sms , transposition d fréquence, Filtrage, enregistrement et playback Applications : enregistreurs sans support magnétique, répondeurs-enregistreurs, boîtes vocales, systèmes de sécurité par reconnaissance vocale, interphones, cartes pour PC, jeux et jouets Domaines d’applications 30 Digital Signal Processing

31. Application DSP Présentation de visualdsp ++ Simulations 31 Digital Signal Processing

32. Conclusion Les bonnes raisons d'apprendre DSP : 1- C'est l'avenir 2- DSP peut arracher le succès de la gueule de l'échec 3- Les simples programmes informatiques 4- Digital Filters : simple à mettre en œuvre performance incroyable! 32 Digital Signal Processing

33. Merci pour votre attention! 33 Digital Signal Processing