Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Применение цифровых форматов сжатого звука в спутниковом телевизионном вещании 10
1.1. Цифровое спутниковое теле- и радиовещание 11
1.1Л. Система цифрового вещания DSR
1.1.2. Система цифрового радиовещания DAB 14
1.1.3, Системы цифрового телевещания 18
1.2. Основные особенности стандартов АС-3 и MPEG и области их применения 19
1.2.1. Введение в MPEG 19
1.2.2. Возможности MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4 и MPEG-7 Аудио..20
1.2.3. Стандарт сжатия цифрового звука MPEG-1 Audio 22
1.2.4. Стандарт сжатия цифрового звука MPEG-2 Audio 23
1.2.5. Стандарт сжатия цифрового звука MPEG-4 Audio 28
1.2.6. Стандарт сжатия цифрового звука MPEG-7 Audio 29
1.2.7. Стандарт АС-3 30
ГЛАВА 2. Исследование и разработка методов взаимной цифровой перекодировки звуковых сигналов форматов mpeg и ас-3. правила их межформатных преобразований 34
2.1. Элементы верхнего уровня структуры цифровых потоков MPEG и АС-3 35
2.1.1. Цифровой поток MPEG 35
2.1.2. Цифровой поток АС-3 36
2.1.3. Сопоставление элементов верхнего уровня потоков MPEG и АС-3 37
2.2. Сравнительный анализ структуры заголовков кадров цифровых потоков MPEG и АС-3 38
2.2.1. Заголовок кадра MPEG 39
2.2.2. Заголовок кадра АС-3 44
2.2.3. Выделение совпадающих элементов цифрового потока. Разработка алгоритмов взаимного преобразования несовпадающих элементов 56
2.3. Сравнительный анализ структуры звуковых данных кадров цифровых потоков MPEG и АС-3 60
2.3.1. Звуковые данные кадра MPEG 60
2.3.2. Звуковые данные кадра АС-3 65
2.3.3. Выделение совпадающих элементов цифрового потока, разработка алгоритмов взаимного преобразования несовпадающих элементов 75
2.3.4. Кодирование стереофонических сигналов 80
2.3.5. Разработка алгоритмов взаимного преобразования элементов 88
2.4. Сравнительный анализ структуры дополнительных данных кадров цифровых потоков MPEG и АС-3 92
2.5. Сравнительный анализ структуры контроль ошибок кадров цифровых потоков MPEG и АС-3 95
2.6. Исследование методов преобразования информации о распределении битов при взаимной цифровой перекодировке звуковых сигналов форматов MPEG и АС-3 97
2.6.1. Известные стратегии распределения битов 97
2.6.2. Стратегии распределения битов, используемые в наиболее распространенных форматах сжатого звука 102
2.6.3. Общий подход к преобразованию информации о распределении битов при переходе от одного формата сжатого звука к другому 102
2.6.4. Распределение битов в цифровом потоке АС-3 103
2.6.5. Распределение битов в цифровом потоке MPEG 105
2.6.6. Алгоритм межформатного преобразования информации о
распределении битов 108
2.6.7. Моделирование метода преобразование форматов 114
ГЛАВА 3. Экспериментальное исследование эффективности метода преобразования форматов 117
3.1. Цель эксперимента 117
3.2. Средства проведения эксперимента 117
3.3. Состав группы экспертов 118
3.4. Методика испытаний 118
3.5. График выполнения испытаний 118
3.6. Кодер-декодеры, и вспомогательные оборудование и материалы, использованные для испытания 121
3.7. Испытательный материал 122
3.7.1. Выбор материалов для прослушивания 122
3.7.2. Итог выбора фрагментов, выполненного группой экспертов
122
3.8. План эксперимента 123
3.8.1. Обучение 123
3.8.2. Испытательная процедура 125
3.8.3. Характеристика помещение 126
3.8.4. Результаты испытания 127
3.9. Статистическая обработка результатов измерений 130
3.9.1. Обработка экспериментальных результатов 130
3.9.2. Проверка на однородность двух не зависимых выборок по
критерию Вилкоксона . 134
3.9.3. Обсуждение результатов эксперимента 137
ГЛАВА 4. Исследование возможности аппаратной реализаций преобразования форматов 138
4.1. Способы реализации алгоритмов ЦОС 138
4. 1. 1. Программная реализация 139
4. 1.2. Аппаратная реализация 140
4. 1,3. Аппаратно- программная реализация 142
4. 1, 4. Выбор способа реализации устройства преобразовании
форматов 144
4.2. Реализация цифровой обработки сигналов 145
4.3. Основные направления, задачи и алгоритмы ЦОС 147
4.4. Архитектура и общие принципы построения ЦПОС и их
осн овные типы 149
4.5. Обзор современных сигнальных процессоров 150
4.6. Аппаратный перекодировщик 153
Заключение
- Системы цифрового телевещания
- Сопоставление элементов верхнего уровня потоков MPEG и АС-3
- Кодер-декодеры, и вспомогательные оборудование и материалы, использованные для испытания
- Аппаратно- программная реализация
Введение к работе
Системы спутниковой связи позволяют на сравнительно недорогие и
достаточно портативные установки принимать радиосигналы почти со всего мира. В зависимости от типа земных станций и назначения системы различают следующие службы радиосвязи:
фиксированная спутниковая служба - служба радиосвязи между земными станциями, расположенными в определенных (фиксированных) пунктах, при использовании одного или нескольких спутников;
радиовещательная спутниковая служба — служба радиосвязи, в которой сигналы космических станций предназначены для непосредственного приема населением. Непосредственным считается как индивидуальный, так и коллективный прием. Спутниковое вещание - это передача вещательных программ (ТВ и звуковых) от передающих земных станций к приемным через космическую станцию — искусственный спутник земли, который представляет собой активный ретранслятор.
Магистральным направлением развития систем передачи информации, в том числе и спутникового телевидения (СТВ), как глобального, так и регионального уровня, является введение цифровой передачи сигналов.
В конце XX века в строй действующих вступили полностью цифровые системы СТВ, такие, как американская ATSC (Advanced Television Systems Committee) и европейская DVB (Digital Video Broadcasting) , а в самом начале XXI тысячелетия компанией NHK (Япония) разработана концепция цифрового вещания с интеграцией служб ISDB (Integrated Services Digital Broadcasting). В транспортных потоках этих систем мультиплексируются сигналы видео, звука и данных. В дальнейшем эти компоненты обрабатываются совместно в виде единого цифрового потока. Благодаря методам сжатия цифровых сигналов, применяемых в этих системах, удалось добиться сжатия цифрового представления телевизионного сигнала в 10-20 раз. Сжатию подвергаются и видео - и аудиосигналы.
Все методы сокращение звуковых данных основаны на использовании особенностей слухового восприятия, поэтому они являются одним из видов перцепционного кодирования. Для сжатия цифрового звука в теле- и радиовещании применяются чаще всего методы MPEG и АС-3. Первый из них используется в радио- и телевещании в Европе, а так же для записи кинофильмов на DVD, предназначенных для продажи в Европе. Метод АС-3 применяется в радио- и телевещании на территории США, в массовых фильмокопиях с фонограммой Dolby Digital и на DVD с фильмами, предназначенных для продажи в США и Японии. Оба метода обеспечивают примерно одинаковую эффективность сжатия. Существование конкурирующих алгоритмов сжатия объясняется не столько техническими, сколько патентными и коммерческими соображениями.
Широкое распространение сразу нескольких методов сжатия цифрового звука создает проблемы из-за несогласованности форматов цифровой информации в трактах вещания и на выходе некоторых источников цифрового сигнала, что означает отсутствие совместимости между ними. Для обеспечения совместимости необходимо привести сигналы к единому формату, то есть выполнить преобразование сигнала одного формата в сигнал другого формата. В зависимости от конкретного сочетания трактов и источников может понадобиться как преобразование AC-3->MPEG, так и обратное преобразование.
Обеспечить взаимное преобразование форматов сжатого цифрового звука можно двумя методами:
Преобразовать цифровое представление в аналоговый или цифровой декодированный сигнал и осуществить его кодирование желаемым методом.
Преобразовать цифровое представление, полученное одним методом, в сжатое цифровое представление другого формата,
Наиболее перспективным представляется второй из упомянутых подходов, не сопровождающийся ненужным ухудшением качества звука. Введение в
цифровой вещательный телевизионный тракт устройства, реализующего подобный алгоритм преобразования форматов цифрового сжатого звука, полностью решает проблему совместимости форматов трактов и источников, расширяя возможность использования для вещания носителей записи разного формата без ухудшения качества звукового сигнала. Точно также решается проблема коммутации разноформатных по звуку транспортных потоков. Таки образом, тракт телевизионного цифрового спутникового вещания становится более гибким и обеспечивает более высокое качество звука. Существующие методы преобразование цифровых форматов, используемые в настоящее время, выполняются с неизбежным ухудшением качества. Оно происходит или из-за дополнительных ступеней цифро-аналогового и аналого-цифрового преобразований, или из-за дальнейшего сокращения информации, содержащейся в звуковом сигнале, при выполнении дополнительной операции сжимающего кодирования. Возможен и вариант, когда оба нежелательных фактора действуют одновременно.
Поэтому целью настоящей работы является разработка методов и средств преобразования форматов цифрового представления звуковых сигналов с помощью специально разработанного алгоритма, подвергающего цифровой сигнал минимальной дополнительной обработке. Он основан на выполнении всех преобразований в цифровой области, без повторного кодирования, с использованием информации о распределении битов, полученной при первичном кодировании.
Для достижения поставленной цели в работы решаются следующие задачи: 1. Проводится исследование особенности цифровых стандартов MPEG и АС-3 и области их применения. Разрабатывается методика преобразование цифровых форматов, для чего требуется осуществить: выявление общих и различающихся этапов кодирования и декодирования звуковых данных;
исследование различий в параметрах преобразования время-частота;
исследование различий в стратегиях распределения битов в цифровых стандартах MPEG и АОЗ, и разработку алгоритма, позволяющего преобразовать информацию о распределении битов одного стандарта в другой и на оборот;
исследование различий в синтаксисе цифровых потоков и установление простых правил соответствия между аналогами в рассматриваемых форматах. Для тех элементов потока, которые не подчиняются простым правилам соответствия — выполнена разработка численных алгоритмов взаимного преобразования.
Проводится экспериментальное исследование эффективности метода преобразования форматов.
Формулируются предложения относительно аппаратной реализации предлагаемого метода преобразования форматов.
С целью решения поставленных задач были разработаны алгоритмы взаимного преобразования. Для моделирования алгоритмов преобразования форматов была создана компьютерная программа, и с ее помощью было проведено экспериментальное исследование субъективного качества звучания аудиофрагментов, перекодированных разными методами: с использованием многократного кодирования-декодирования и на основе разработанных алгоритмов. Исследование проводилось методами компьютерного моделирования и субъективных прослушиваний.
Системы цифрового телевещания
В конце XX века в строй действующих вступили полностью цифровые системы связи [7]: американская ATSC (Advanced Television Systems Committee) [8] и европейская DVB (Digital Video Broadcasting) [9], — а в самом начале XXI тысячелетия компанией NHK (Япония) разработана концепция цифрового вещания с интеграцией служб ISDB (Integrated Services Digital Broadcasting) [10-12].
В системе ISDB используется модификация частотного уплотнения каналов с ортогональными несущими BST-OFDM (где BST - Band Segmented Transmission - OFDM с уплотнением сегментов, образованных из общего множества ортогональных несущих). Модуляция OFDM (в варианте COFDM) хорошо зарекомендовала себя в европейских системах цифрового радиовещания DAB (Digital Audio Broadcasting) и упомянутой уже системе DVB (в том числе в ее спутниковом варианте DVB-S).
Эти системы объединяет, прежде всего, использование компьютерной технологии компрессии видеосигналов MPEG-2, в транспортных потоках которых мультиплексируются сигналы видео, звука и данных. В дальнейшем эти компоненты транспортного потока MPEG-2 обрабатываются совместно в виде единого цифрового потока.
Заметим, что системы СТВ имеют особенно большое значение как для стран и местностей со слабо развитой сетью наземной связи (проводной и радио), так и для крупных городов (мегаполисов) с разновысотной застройкой; в последнем случае наличие мощных эхо-сигналов существенно снижает качество приема в наземных радиосетях.
Системы спутниковой связи обеспечивают глобальный обмен информацией и являются лидером в применении цифровых систем радио - и ТВ-вещания. В этих вещательных системах применяются разнообразные алгоритмы компрессии видео и звука, что создает проблемы совместимости. В диссертационной работы проблема совместимости решается для наиболее распространенных форматов сжатого звука, MPEG и АС-3. Ниже рассмотрены их основные особенности.
Основные особенности стандартов АС-3 и MPEG и области их применения
С начала 90-х годов в ряде стран, в первую очередь в США, Франции, Германии и др. ведутся исследования по использованию цифровых сигналов в радиовещательных системах, наземных и спутниковых [13-15]. Приблизительно в конце 1996 г. началось цифровое спутниковое радиовещание по разным цифровым стандартам. В Европе применяется цифровой стандарт MPEG, а в США —- стандарт АС-3. Рассмотрим основные особенности этих стандартов
Введение в MPEG
MPEG — рабочая группа в подкомиссии ISO/IEC (Международной Организации Стандартизации/Международной электротехнической комиссии) отвечает за разработку международных эталонов для сжатия, декомпрессии, обработки, и кодированного представления движущихся изображений, звука и их комбинации.
В частности MPEG определяет синтаксис низкоскоростной передачи видео- и аудиоданных синтетических и естественных источников, описания их структуры и содержания, а также операции совместимого декодирования этих цифровых потоков. Алгоритмы кодера MPEG не определены. Это учитывает непрерывное усовершенствование кодеров и их адаптацию к определенным приложениям, в пределах определенного синтаксиса цифрового потока. Наряду с видео- и аудиокодированием, MPEG также определяют средства мультиплексирования нескольких видео-, аудио- и информационных потоков синхронно в единый цифровой поток, описывают методы проверки соответствия стандарту цифровых потоков и декодеров, и издают технические сообщения, содержащие программное обеспечение, описывающее операции Декодирования и программное обеспечение, описывающее примеры кодера.[16] MPEG Audio — подгруппа MPEG, работающая над всеми аудиоаспектами MPEG стандартов.
Имеются два различных вопроса, которые необходимо различать. Во-первых, MPEG разрабатывался этапами. Эти этапы обычно обозначаются арабскими числами, прибавляемыми к названию стандарта: MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4, MPEG-7. Они не относятся к различным версиям одного стандарта, а обозначают довольно существенно различающиеся сосуществующие стандарты. Поэтому, более поздние этапы не заменяют более ранние, но дополняют их.
Второй вопрос касается понятия уровней. И в MPEG-1 и в MPEG-2, определены три различных уровня. Эти уровни представляют семейство алгоритмов кодирования. Уровни обычно обозначают римскими числами, то есть уровень I, уровень II и уровень III.
Понятие версий используется в контексте MPEG-4. Версия 1 MPEG-4 обеспечивает набор инструментальных средств кодирования звука. В версии 2 добавлены новые инструментальные средства, чтобы обеспечить дополнительные функциональные возможности, в то время как ни одно из существующих инструментальных средств версии 1 не заменено. Версия 2 поэтому полностью обратно совместима с версией 1 [17].
Сопоставление элементов верхнего уровня потоков MPEG и АС-3
В заголовках содержатся информация, необходимая для выбора параметров процесса декодирования. Поскольку процесс декодирования в двух форматах отличается и некоторые элементы заголовков кадров цифровых потоков отличны, рассмотрим элементы каждого формата отдельно.
Заголовок цифрового потока MPEG содержится в первых 32 битах (4 байтах) кадра, которые имеются у всех уровней (подробное описание элементов можно найти в стандарте [19], из этого же источника позаимствованы приводимые ниже таблицы описания элементов заголовка). Заголовок включает следующие элементы: синхрослово, syncword - последовательность битов вида 1111 1111 1111 ; идентификатор ID - однобитовое поле, являющееся условным обозначением алгоритма. Оно равно 1 для 1SO/IEC 11172-3, 0 обозначает расширение для низких частот дискретизации в соответствии со стандартом 1SO/1EC 13818-3; уровень Layer — 2 бита, обозначающие используемый уровень, в соответствии со следующими правилами; "11" уровень 1 "10" уровень II "01" уровень III "00" зарезервировано бит защиты protection_bit — 1 бит, обозначающий содержится ли в цифровом потоке избыточность, предназначенная для облегчения обнаружения и исправления ошибок. Этот бит, равен 1, если избыточность не содержится в потоке, и равен 0, если она добавлена. индекс скорости цифрового потока bxt_rate_index — 4-разрядное битовое поле, обозначающее скорость цифрового потока. Нулевое значение соответствует случаю свободного формата («free format»), что следует понимать как использование фиксированной скорости цифрового потока, которая не обязательно взята из перечня разрешенных скоростей потока. Соответствие между значением 4-разрядного битового поля и значением скорости цифрового потока приведено в табл. 2.2, которая действует, если поле ID=1
Бит заполнения padding_bit — если этот бит, равен 1, то кадр содержит дополнительный слот для подстройки скорости цифрового потока в соответствии с частотой дискретизации. Нулевое значение свидетельствует об отсутствии дополнительных слотов. Заполнители необходимы только для частот дискретизации 44, 1 кГц, 22,05 кГц, а также иногда в свободном формате.
Приватный бит, private_bit — одноразрядное битовое поле, назначение которого не определено. Предполагается в дальнейшем отказаться от его использования.
Режим, mode — двухразрядное битовое поле, обозначающее звуковой режим. В уровне I для объединенного кодирования применяется интенсивностиая стереофония. В уровнях II и III, может использоваться как интенсивностная, так и MS-стереофония. Ниже приводятся наименования режимов, соответствующих различным значениям этого поля: стереофония объединенная стереофония (интенсивностная и/или MS) два канала
Режимное расширение, mode_extension — двухразрядное битовое поле, используемое в режиме объединенного стерео кодирования. В уровнях I и II оно обозначает, какой частотный диапазон закодирован в режиме интенсивностной стереофонии. Все остальные поддиапазоны содержат обычный стереосигнал. Соответствие между значением поля и номерами поддиапазонов приведено ниже: W поддиапазон 4-31 в интенсивностном стерео О Г поддиапазон 8-31 в интенсивностном стерео поддиапазон 12-31 в интенсивностном стерео поддиапазон 16-31 в интенсивностном стерео
В уровне III это поле обозначает применяемый метод объединенного стереофонического кодирования. Номера частотных поддиапазонов, в пределах которых применяются режимы интенсивностной или MS-стереофонии неявным образом заложены в алгоритм кодирования. Соответствие между значениями битового поля и используемыми режимами приводится в табл. 2.6.
Оригинал/дом, original/home — одноразрядное битовое поле, нулевое значение которого сигнализирует о том, что цифровой поток является копией, 1 обозначает оригинал. Предыскажения, emphasis — двухразрядное битовое поле, значение которого связано с типом применяемых предыскажений следующим образом: предыскажения не применяются ОТ предыскажения 50/15 мкс 10 зарезервировано
Заголовок цифрового потока АС-3 включает два элемента [27]: syncinfo, содержащий информацию, необходимую для синхронизации, то есть для правильного определения границ отдельных кадров, и bsi, описывающий внутреннюю структуру кадра.
Рассмотрим подробно элементы syncinfo (подробное описание элементов можно найти в стандарте [27], из этого же источника позаимствованы приводимые ниже таблицы описания элементов заголовка). Он включает следующие элементы:
Слово синхронизации, syncword - всегда равно ОхОВ77 (шестнадцатеричное значение) или 0000 1011 0111 0111 (двоичное значение). Передача слова синхронизации в цифровом потоке, так же, как и других элементов битовых полей, происходит, начиная с левого (в написании) бита.
Циклическая избыточная контрольная сумма, CRC1 - 16-разрядная относящаяся к начальным 5/8 кадра. Передача контрольной суммы, как и других числовых полей, происходит, начиная со старшего значащего разряда. Код частоты дискретизации fscod - занимает 2 бита и указывает частоту дискретизации. Соответствие между значениями кода и частоты дискретизации приведено в табл. 2,7. Если в цифровом потоке присутствует зарезервированное значение, то декодер не должен пытаться восстанавливать звук, ему следует выключить выходной сигнал,
Кодер-декодеры, и вспомогательные оборудование и материалы, использованные для испытания
Для проверки предлагаемого метода преобразования форматов был использован подход, основанный на компьютерном моделировании. Метод заключается в том, что разрабатывается некоторая программа, при помощи которой можно подготовить файлы со звуковыми материалами для оценки качества звука, получаемого при межформатных преобразованиях. Программа должна быть написана на языке программирования, соответствующем применяемым аппаратным средствам. Так, для персонального компьютера это будет любой из языков высокого уровня (Pascal, C++, Java и др.), а для микропроцессорного комплекта или цифрового процессора - соответствующий язык Ассемблера.
Конечно, все команды, составляющие программу, должны быть представлены в виде, понятном процессору и непосредственно им воспринимаемом. Команды предъявляются процессору как комбинация нулей и единиц; такие комбинации составляют машинный язык.
Перевод программы на машинный язык называется трансляцией и выполняется автоматически с помощью специальной программы - Ассемблера (от англ. Assembler -— сборщик).
Разработаны и все большее значение приобретают специальные весьма эффективные программы-трансляторы с языков высокого уровня на язык Ассемблеров. Эти программы называются компиляторами. К достоинствам компьютерного моделирования относятся: неизменная структура системы при различных алгоритмах и областях применения; хорошая гибкость, позволяющая достаточно легко изменять алгоритмы работы системы за счет коррекции или изменения программы; существенное ускорение, облегчение и удешевление процесса моделирования, поскольку вместо изготовления аппаратуры разрабатывается программа. Недостатком программой реализации является относительно низкое быстродействие по причине последовательного выполнения операций программы одним процессором: как бы ни увеличивали скорость выполнения команды, она будет оставаться ниже производительности соответствующего устройства, реализованного аппаратно. Для моделирования быстродействие не является определяющим фактором, поскольку материалы для прослушивания готовятся заранее и потому моделирование не обязано происходить в режиме реального времени.
В диссертационной работе во второй главе (Исследование и разработка методов взаимной цифровой перекодировки звуковых сигналов форматов MPEG-2 и АС-3 и правила их межформатных преобразований), была проделана работа по созданию алгоритмов и правил межформатных преобразований. Для экспериментальной проверки правильности предлагаемых методов была разработана компьютерная программа, называемая Project. Программа была написана на языке программирование C++. Она выполняет преобразование цифровых форматов сжатого звука MPEG и АС-3 в произвольном направлении. В приложении I содержится руководство по использованию программы преобразования форматов.
С помощью этой программы были подготовлены тестовые фонограммы и проведено экспериментальное исследование эффективности метода преобразования форматов.
На основании выше изложенного материала можно сделать следующие выводы:
Анализ элементов верхнего уровня структуры цифровых потоков MPEG и АС-3 показывает наличие между ними высокой степени функционального подобия, Это указывает на возможность межформатных преобразований в цифровой форме за счет использования сравнительно несложных алгоритмов.
Сопоставление структуры цифровых потоков MPEG и АС-3 указывает, на наличие трех вариантов соответствия. Во-первых, имеются совпадающие по назначению элементы, преобразование которых выполняется приравниванием или применений несложных правил соответствия. Во-вторых, имеются функционально похожие элементы, правила, преобразования которых неочевидны и требуют специальной разработки. Наконец, имеются элементы, у которых нет соответствия в заголовках другого формата. Выбор значений этих элементов требует принятия соответствующего решения при настройке аппаратуры или параметров компьютерной программы преобразования. сопоставление подходов к представлению информации о распределении битов в цифровых потоках разных форматов позволило выработать несложный алгоритм преобразования этих элементов потока при переходе от одного формата к другому. В алгоритме учтены как различия форм представления информации о распределении битов, так и различия самих процедур распределения, стандартизованных для форматов АС-3 и MPEG.
Алгоритмы использованы для разработки программного обеспечения, применявшегося в процессе подготовки тестовых фонограмм для субъективного прослушивания.
Аппаратно- программная реализация
Термин "архитектура " [59] обычно используется для описания состава, принципа действия, конфигурации и взаимного соединения основных узлов вычислительной системы. Этого термин включает в себя также изложение возможностей программирования, форматов данных, системы команд, способов адресации т. д. Таким образом, термин "архитектура " относится как к аппаратным средствам или программному обеспечению, так и к их комбинации.
Для того чтобы работать с высокой производительностью, процессор должен выполнять операцию MAC (базовая операция ЦОС: операция умножения и добавление (накопление) результатов умножения, а также устройство, осуществляющее эту операцию), за один цикл (такт) работы процессора. Отсчеты сигнала, коэффициенты фильтра и команды программы хранятся в памяти. Для выполнения операции требуется произвести три выборки из памяти команд и двух сомножителей. Следовательно, для работы с высокой производительностью эти три выборки необходимо произвести за один такт работы процессора. При этом подразумевается, что результат операции остается в устройстве выполнения операции (в центральном процессора устройстве ЦПУ), а не помещается в память, т. е. необходимы четыре обращения к памяти за цикл. Таким образом, производительность процессора, прежде всего, определяется возможностями обмена, данными между ЦПУ и памятью процессора и организацией их взаимодействия.
Исходя из написанного выше, существующие в настоящее время процессоры можно разделить, с точки зрения архитектуры, на следующие основные типы [60]:стандартные процессоры (conventional), в процессорах этого типа выполнение операции умножения с накоплением отличается в процессорах различных фирм. Для выполнения этой операции требуется произвести три выборки из памяти — команды и двух сомножителей. улучшенные стандартные процессоры (enhanced conventional), повышения производительности (помимо обычного метода увеличения тактовых частот), который используется при разработке ЦПОС, является расширение параллелизма работы, следующим образом: 1. увеличивать количество операций, производимых одновременно; 2. увеличивать количество команд, выполняемых одновременно. процессоры VL1W (с очень длинным словом команды), подобные процессоры используют упрощенную систему команд, каждая из которых определяет единственную операцию. суперскалярные процессоры (superscalar), в подобных процессоров команды предназначены для выполнения в отдельных операционных модулях. Модуль определяет, какие из команд выполнены параллельно, и группирует их в пакете. гибриды ЦПОС/микроконтроллер, класс микропроцессоров, которые называются микроконтроллерами, ориентирован на управление объектами в реальном масштабе времени,
Обзор современных сигнальных процессоров
Все варианты архитектуры ЦПОС имеют общие возможности, определяемые алгоритмами ЦОС и, прежде всего, все они хорошо "умеют" выполнять операции MAC - умножения с накоплением, характерные для всех задач ЦОС. Тем не менее, выпускаемые современной электронной промышленностью
ЦПОС разделяют с точки зрения возможностей применения на процессоры общего применение и проблемно-ориентированные (application specific) процессоры [56].
Проблемная ориентация ЦПОС заключается, в первую очередь, в использовании внутренних специализированных периферийных устройств и в меньшей степени в добавлении специализированных команд. Ниже рассмотрены примеры ряда современных ЦСП, ориентированных для решения задач обработки звуковых сигналов.
Процессор LST403Z (LSI Logic Corporation), оптимизированный для устройств инфраструктуры систем и сетей связи, передачи речи по сетям, обработке аудиосигналов. За счет наличия специализированных устройств ввода/вывода обеспечивается прямая связь со стандартными интерфейсами передачи данных. Специализированные команды; команды сравнения, выбора, сложения для декодирования Витерби, команды операций с отдельными разрядами, 32-разрядные логические операции.
Семейство DSP56600 (Motorola). Семейство предназначено для использования в радиосетях передачи информации, в сотовых сетях и других областях, где требуется реализация задач ЦОС и задач управления. В состав процессоров семейства входят ядро ЦПОС и микроконтроллер[61-62].
Процессор TMS320DRE200 (ТІ). Применяется для решения всех задач при приеме сигналов. Проектируемая система включает процессор ЦПОС и все компоненты, необходимые для реализации цифрового приема, включая аналоговые части и схемы АЦП, ЦАП, усилитель мощности и т. д. Процессор предназначен для производителей цифровой техники. Используя открытую программную часть, заказчики могут быстро добавлять различные прикладные программы, например заказчик, может добавить декодирование МРЗ к цифровому радио. Это позволяет изготовителям легко строить разные системы цифрового радио — от простейших до сложных[57].
