Солонина А., Улахович Д. Алгоритмы и процессоры цифровой обработки сигналов (2002), страница 9

Вокодеры данного типа обеспечивают хорошую (= 92%) словесную разборчивость; используются на скоростях 1,2; 2,4 и 4,8 Кбит/с. Г) Известна группа чрезвычайно сложных вокодеров с векторным квантованием параметров СЕКР (Соде Ехсйед Ыпеаг Ргегйс!!оп), из которой приведем три примера. ° Стандарт ТТ(/-Т С.723.! — двухскоростной вокодер лля мультимедийных коммуникаций, является частью семейства станлартов Н.324. Воколер работает на скоростях 5,3 и 6,3 Кбит/с. Применяется линейное предсказание ).РС- ! 0 с векторным квантованием параметров ЛП.

° Помимо собственно рекомендации О.723.! существует Приложение А, согласно которому в кодер добавляется классификатор входного сигнала УА)3 (Уо!се Ас!(и!!у Ое!ес!ог, определитель активности голоса). Классификатор выясняет, какой сигнал присутствует на входе: речь или пауза. Во время пауз скорость передачи понижается с 6,3 (или 5.3) Кбит/с до 1 Кбит/с и менее. ° Стандарт ПТ/-Т С.728.1 — вокодер с векторным квантованиел» сигналов возбужления и параметров линейного предсказания, предназначен для работы на скорости 16 Кбнт/с.

Входной сигнал (частота дискретизации 8 кГц) подвергается компандированию по А- или д-закону /си. главу 7). Для вычисления параметров линейного предсказания служит прелсказатель 50-го порядка, для вычисления коэффициентов усиления сигнала возбуждения используются линейные предсказатели 1О-го порядка. Кодовая книга имеет размерность 1024. Как вилно из привеленных примеров, алгоритмы адаптивной фпльтрации так или иначе включают в себя рассмотренные ранее алгоритмы и потому являются очень сложными как в функциональном, так и в вычислительном плане.

1.6. Способы реализации алгоритмов ЦОС Среди алгоритмов ((ОС, как следует из изложенного выше, с точки зрения организации вычислений можно выделить как простые, так и чрезвычайно сложныс. Тем не менее, независимо от сложности алгоритма вычисления 47 х(п) Момент выбор«н л Момент выбор«н л+1 1.6.1. Реальное время Алгоритмы н процессоры цифровой обработки силналов осушествлнются с помошью базовых пперашит. сложештя, вычитания и умножения.

Возвеленне в степень — это многократное умножение, а деление — многократное вычитание, причем частное может быть как целым, так и дробным числом, поэтому при организации леления пеобходилю залавать желаемую точность частного. Поскольку вычислительные операции производятся с ланнылти. задерживаемыми относительно друг друга на один и более периодов лнскретизации Т с полющыо элслтентов задержки, представляюших собой регистры (ячейки памяти), объединяемые в линии задержки, необходимо иметь возможность осушествлять пересылки и сдвиги ланных. Кролле того, для управления вычислительным процессом необходимо прелусмотреть и логические операции. Достаточно ли всего перечисленного для построения алгоритма? Оказывается, лостаточно.

В математической логике локазываетсн, что алгоритм любой сложности может быть построен и вычислен с использованием конечного числа только простейших мателтатических и лоп7ческих операций, а также операций сдвига и пересылки, причем вычисление одного отсчета выхолной последовательности осуШествляется за ограниченное число шагов. Сама процелура может пли продолжаться иснол7шться. повторяясь и никогда не останавлцвансь, или по какой-либо причине прерваться на каком-либо шаге, прекратить тскушис вычисления и обратиться к лругому алгоритму.

Такое обращение называют лрерывакием, а сиптал, вызываюший прерывание. называется запросци нл прерывание. Принципиальная возлюжность вычисли- мости того цлн иного алгоритма вовсе це означает. что ограниченное количество шагов всегда удовлетворит практическим нуждам. Важнейшим фактором, опрелеляюшнм пригодность созланной процедуры, является время вычисления одного отсчета.

Действительно, пусть один отсчет у(л) форлтируется за 0,1 с. Тогда, если это отсчет речевого сигнала, то процедура, будучи математически верной, практически абсолютно бесполезна; если жс это — отсчеты сигнала, поступаю7цсго от датчика температуры возлуха, изменяюшейся очень медленно, используеман процелура с лихвой удовлетворит самого взыскательного метеоролога. Таким образом, онрелеляюшим свойством процедуры становится ее практическая вычислимость, т. е. ее способность вычислять отсчет у(л) за разумное время, или. как принято говорить, за реальное время, при этом имеется в виду обязательное достижение заданной точности. Два рассматриваемых лалее примера показывают, что опрелеленне реального времени зависит от конкрепюй задачи и свнзано с объемом вычислений алгоритма, точностью вычислений и частотой дискретизации (периода дискретизации). Пусть Т вЂ” период чискретизацни (рис.

1.18), т, — время выполнения алгоритма Глава 7. 7«7етоды и алгоритмы цифровой обработки снпнвлов у(п) = ч~7 Ь,х(п — 7)- ~а«у(п — й) у(п) ;-о ' «7 Рис. 1.1В. К определению реального времени Определение Говорят, что цифровая система работает в реальном времени, если время выполнения алгоритл7а т, не превышает периода дискретизации. Рмо. 1.19. Определение реального времени Это означает, что остается еше некоторый запас времени, обычно называемый времеивм ожидания т .. Найти время выполнения алгоритлта можно.

если знать врелш выполнения элементарной (олноцнкловой) команды ттн называелюе камилднмм циклсттт, и количество командных циклов Ф„необхо- Глава 1. Методы и алгоритмы цифровой обработки сигналов Алгоритмы и процессоры цытрровой обработки сигналов димое для выполнения алгоритма (это можно определить в процессе опыадки). Тогда т =та.'тл, Г„. =Т вЂ” г (1.69) На рис. !.19 показано, что вычисление отсчета последовательности в рекурсивной систел1е происходит за время, не гревосхолящее периода дискретизации. Тактовая частота Тактовая частота Г„лт (тактовый псриол т„, = 1Д'лхт) показывает, как быстро процессор выполняет простейшую единицу работы, например пересылку в регистре из разряда а разряд. Тактовая частота должна существенно превышать частоту дискретизации.

Отношение тактовой частоты к частоте дискретизации относится к наиболее важным характеристикам, определяющим, каким образом будет реализована система. Это отношение частично определяет количество аппаратных средств, необходимое лля реализации алгоритлта заланной сложности в реальном времени. Если отношение указанных частот падает, то количество и сложность аппаратных средств, требуемых лля реализации алгоритлга, увеличивается. Например, вокодеры, являясь чрезвычайно сложными устройствами, при частоте дискретизации 8 кГц могут быть реализованы только на нескольких процессорах младшего поколения ТМБ320С10 (тактовая частота б МГц, командный цикл 200 нс, отношение частот 750) и всего на олпом (!) современном процессоре ТМБ320С67хх (тактовая частота 1б7 МГц, командный цикл 1 нс, отношение частот 20 875) можно реализовать несколько вокодеров.

Далее будет показано, что вместо тактовой частоты используются более универсальные единицы измерения производительности процессора. Время выполнения алгоритма т, зависит не только от процедуры, представляюшей этот алгоритм, по и от способа реализации алгоритма. Возможны три способа реализации алгоритмов ЦОС (рис. !.20): Гт аппаратный; П программный; О аппаратно-программный. 1лз.2. Аппаратная реализация Аллпрптлтатл реализация подразумевает использование разнообразных функциональных блоков: регистров, сумматоров, шифраторов и дешифраторов, счетчикоа, линий задержек, устройств памяти, умножителей, сдвигателей, логических элементов, интегральных и больших интегральных схем, программируемых логических матриц и т.

п. Совокупность функциональных блоков и связей между ними определяет реализуемый алгоритм. Сдвиг Сдвит Линия эадернаи н[а) Линия вадерэин трл Память неаффициентея Рис. 1.21. Прямая форма 1 Апторитл»ы и процессоры цифровой обработки сип<апов рассмотрим пример аппаратной реализации ВИХ-звена второго порядка, опи ' писываемого разностныл< уравнением у(п) = Ьдх(п) + Ь х(п — 1) + Ь» х(п — 2) + о,у(п — 1) + п,у(п — 2).

(1.70) В числения по этому уравнению можно организовать несколькил»и алгоритычи л мами, олин из которых, называемыг» прямой форд<ой /, в виде структур» ной схемы изображен на рис. 1.21, где задержка на один периса лискрегизации обозначена через с ', умножение — треугольником с соответствующим коэф"+" фициентом, а суммирование — кружком с внутренним знаком" Из у»авнення и структурной схемы следует, что цифровое устройство, реализуюшсе данный алгоритм, лолжно иметь: П память коэффициентов и память исходных и промежуточных данных; П систему ввола и вывода исхолных ланных х(п) и результата у(п) соответственно; П умножители; П сумматор; П генератор тактовой частоты (ГГЧ) с периодом следования импульсов тп,«Т Такое цифровое устройство изображено на рис.

1.22. Вместо нескольких умножителей используется один быстролействуюшнй умножитсль, па один вход которого последовательно согласно логике вычислений поступают данные х(п) или у(п), на другой — соответствующие коэффициенты. Получаемые произведения подаются в накапливающий сумматор, результат с которого считывается один раз за периол дискретизации Т. Вместо линий задержек обычно организуют Х-память н у-палить данных, а также пам»ль коэффициентов. По окончании вычислений очередного отсчета у(к) осуществляется его пересылка в у-пал<ать, откулл подается на устройство вывода. В Х-памяти и )спал»яти происхолит сдвиг данных, что означает готовность устройства к приему очередного отсчета х(п).