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Unit9DigitalSignalProcessing PassageCComparisonofDSPandASP 9单元数字信号处理 C篇比较DSP和ASP 学号 20107600姓名 章太元 PassageCComparisonofDSPandASP Signalsmaybeprocessedusinganalogtechniques analogsignalprocessing orASP digitaltechniques digitalsignalprocessing orDSP oracombinationofanaloganddigitaltechniques mixedsignalprocessing orMSP Insomecases thechoiceoftechniquesisclear inothers thereisnoclearcutchoice andsecond orderconsiderationsmaybeusedtomakethefinaldecision WithrespecttoDSP thefactorthatdistinguishesitfromtraditionalcomputeranalysisofdataisitsspeedandefficiencyinperformingsophisticateddigitalprocessingfunctionssuchasfiltering FFTanalysis anddatacompressioninrealtime 信号可以用模拟技术处理 模拟信号处理 数字技术 或ASP 数字信号处理 或DSP 或一个组合的模拟和数字技术 混合信号处理 或MSP 在某些情况下 技术的选择是明确的 在其他情况下 没有明确的选择 和二阶考虑可以用来做最后的决定 对于DSP 使得它与传统计算机数据分析是它的速度和效率 进行复杂的数字处理功能 如滤波 FFT分析 数据的实时压缩 Thetermmixedsignalprocessingimpliesthatbothanaloganddigitalprocessingisdoneaspartofthesystem Thesystemmaybeimplementedintheformofaprintedcircuitboardorasingleintegratedcircuitchip Inthecontextofthisbroaddefinition ADCsandDACsareconsideredtobemixedsignalprocessors sincebothanaloganddigitalfunctionsareimplementedineach RecentadvancesinVeryLargeScaleIntegration VLSI processingtechnologyallowcomplexdigitalprocessingaswellasanalogprocessingtobeperformedonthesamechip TheverynatureofDSPitselfimpliesthatthesefunctionscanbeperformedinreal time 术语混合信号处理意味着 模拟和数字处理系统的一部分 该系统可在印刷电路板或一个单一的集成电路芯片的形式实现 在这个广泛的定义下 ADC和DAC被认为是混合信号处理器 由于模拟和数字功能的实现在每个 在超大规模集成电路 VLSI 处理技术的进展使得复杂的数字信号处理和模拟处理的是在同一芯片上进行 DSP本身的性质意味着 这些功能可以在实时执行 ASPvs DSPToday sengineerfacesachallengeinselectingthepropermixofanaloganddigitaltechniquestosolvethesignalprocessingtaskathand Itisimpossibletoprocessreal worldanalogsignalsusingpurelydigitaltechniques sinceallsensors microphones thermocouples straingages piezoelectriccrystals diskdriveheads etc areanalogsensors Therefore somesortofsignalconditioningcircuitryisrequiredinordertopreparethesensoroutputforfurthersignalprocessing whetheritbeanalogordigital Signalconditioningcircuitsare inreality analogsignalprocessors performingsuchfunctionsasmultiplication gain isolation instrumentationamplifiersandisolationamplifiers detectioninthepresenceofnoise highcommon modeinstrumentationamplifiersetc dynamicrangecompression logamps LOGDACs andprogrammablegainamplifiers andfiltering bothpassiveandactive SeveralmethodsofaccomplishingsignalprocessingareshowninFigure9 5 Thetopportionofthefigureshowsthepurelyanalogapproach ThelatterpartsofthefigureshowtheDSPapproach NotethatoncethedecisionhasbeenmadetouseDSPtechniques thenextdecisionmustbewheretoplacetheADCinthesignalpath ASP与DSP今天的工程师在选择适当的混合模拟和数字技术来解决手头的信号处理任务所面临的挑战 这是不可能的真实世界的模拟信号处理采用纯数字技术 因为所有的传感器 麦克风 热电偶 应变计 压电晶体 磁盘驱动器的磁头 等 是模拟传感器 因此 某种形式的信号调理电路是为了准备传感器输出信号进一步处理 无论是模拟或数字 信号调理电路 在现实中 模拟信号处理器 如乘法执行这些功能 增益 隔离 仪表放大器和隔离放大器 在存在噪声检测 高共模仪表放大器等 动态范围压缩 对数放大器 logdacs 和可编程增益放大器 和过滤 包括被动和主动的 完成信号处理的几种方法 如图9 5所示 图中的顶部显示纯模拟方法 图中的一部分显示的数字信号处理方法 请注意 一旦决定已经做出 采用DSP技术 未来的决定必须在什么地方ADC的信号路径 Figure9 5SomeMethodsofAccomplishingSignalProcessing Ingeneral astheADCismovedclosertotheactualsensor moreoftheanalogsignalconditioningburdenisnowplacedontheADC TheaddedADCcomplexitymaytaketheformofincreasedsamplingrate widerdynamicrange higherresolution inputnoise rejection inputfilteringandprogrammablegainamplifiers PGAs on chipvoltagereferences etc allofwhichaddfunctionalityandsimplifythesystem Withtoday shigh resolution highsamplingratedataconvertertechnology significantprogresshasbeenmadeinintegratingmoreandmoreoftheconditioningcircuitrywithintheADC DACitself Inthemeasurementarea forinstance 24 bitADCsareavailablewithbuilt inprogrammablegainamplifiers PGAs whichallowfull scalebridgesignalsof10mVtobedigitized directlywithnofurtherconditioning Atvoicebandandaudiofrequencies completecoder decoders CodecsorAnalogFrontEnds areavailablewhichhavesufficienton chipanalogcircuitrytominimizetherequirementforexternalconditioningcomponents Atvideospeeds analogfrontendsarealsoavailableforsuchapplicationsasCCDimageprocessingandothers 在一般情况下 作为ADC接近实际的传感器 更多的模拟信号调理的负担 现在放在ADC 增加ADC的复杂性可以增加采样率的形式 更宽的动态范围 高分辨率 输入噪声 排斥 输入滤波和可编程增益放大器 PGA 片上的参考电压 等等 所有这些新增功能和简化系统 今天的高分辨率 高采样率的数据转换技术 在集成越来越多的调理电路内的ADC DAC本身取得了明显的进展 在测量领域 例如 24位ADC提供内置的可编程增益放大器 PGA 允许10MV全桥被数字化的信号直接 没有进一步的调节 在音频和音频解码器 编解码器或编码器 完整模拟前端 可有足够的片上模拟电路 以尽量减少对外部条件的要求 在视频的速度 模拟前端也可用于CCD图像处理和其他的应用程序 ApracticalexampleAsapracticalexampleofthepowerofDSP considerthecomparisonbetweenananalogandadigitallowpassfilter eachwithacutofffrequencyof1kHz ThedigitalfilterisimplementedinatypicalsampleddatasystemshowninFigure9 6 Notethatthere areseveralimplicitrequirementsinthediagram First itisassumedthatanADC DACcombinationisavailablewithsufficientsamplingfrequency resolution anddynamicrangetoaccuratelyprocessthesignal Second theDSPmustbefastenoughtocompleteallitscalculationswithinthesamplinginterval 1 fs Third analogfiltersarestillrequiredattheADCinputandDACoutputforanti aliasingandanti imaging buttheperformancedemandsarenotasgreat Assumingtheseconditionshavebeenmet the followingoffersacomparisonbetweenthedigitalandanalogfilters 一个实际的例子作为一种实用的DSP的电源的例子 考虑一个模拟和数字低通滤波器之间的比较 各有一个截止频率为1千赫 ThedigitalfilterisimplementedinatypicalsampleddatasystemshowninFigure9 6 注意 图中的一些隐含的要求there are First itisassumedthatanADC DACcombinationisavailablewithsufficientsamplingfrequency resolution anddynamicrangetoaccuratelyprocessthesignal 第二 DSP必须足够快的采样间隔内完成所有的计算 1 FS 第三 模拟滤波器仍在ADC的输入和抗混叠和反成像DAC输出所需的 但性能的要求是不一样大 Assumingtheseconditionshavebeenmet the followingoffersacomparisonbetweenthedigitalandanalogfilters Figure9 6ATypicalSampledDataSystem Therequiredcutofffrequencyofbothfiltersis1kHz Theanalogfilterisrealizedasa6 poleChebyshevType1filter rippleinpassband norippleinstopband andtheresponseisshowninFigure9 7 Inpractice thisfilterwouldprobablyberealizedusingthree2 polestages eachofwhichrequiresanopamp andseveralresistorsandcapacitors ModernfilterdesignCADpackagesmakethe6 poledesignrelativelystraightforward butmaintainingthe0 5dBripplespecificationrequiresaccuratecomponent selectionandmatching 两个滤波器的截止频率是1千赫的要求 模拟滤波器的实现为6极切比雪夫型滤波器 1通带阻带纹波 无纹波 和响应如图9 7所示 在实践中 该过滤器可能会使用三极阶段实现 每一个都需要一个运算放大器 和几个电阻和电容器 现代CAD软件包过滤器的设计使六极设计相对简单 但保持0 5dB的纹波规格要求准确的组件 选择与匹配 Figure9 7TheMagnitudeResponseindB Ontheotherhand the129 tapdigitalFIRfiltershownhasonly0 002dBpassbandripple linearphase andamuchsharperrolloff Infact itcouldnotberealizedusinganalogtechniques Anotherobviousadvantageisthatthedigitalfilterrequiresnocomponentmatching anditisnotsensitivetodriftsincetheclockfrequenciesarecrystalcontrolled The129 tapfilterrequires129MACsinordertocomputeanoutputsample Thisprocessingmustbecompletedwithinthesamplinginterval 1 fs inordertomaintain real timeoperation Inthisexample thesamplingfrequencyis10kSPS therefore100 sisavailableforprocessing assumingnosignificantadditionaloverheadrequirement MostDSPscancompletetheentiremultiply accumulateprocess andotherfunctionsnecessaryforthefilter inasingleinstructioncycle 另一方面 129个抽头的FIR数字滤波器具有0 002dB通带纹波 线性相位 和一个更清晰的滚 事实上 它不可能使用模拟技术的实现 另一个明显的优势是 数字滤波器不需要匹配 它是不敏感的漂移由于时钟频率晶体控制 129抽头滤波器需要129个苹果来计算的输出样本 这样的处理必须在采样间隔内完成 1 FS 为了保持 实时操作 在本例中 采样频率为10kSPS的 因此100 的有