Учебное пособие к практическим занятиям (Учебное пособие к практическим занятиям (М. Н. Ушкар)), страница 4

Время выполнения программы БО БПФ составит:ТБО= max(ТУМН ,ТПР),где ТУМН – время работы умножителя КР588ВР2: ТУМН=4 •2=8 (мкс);ТПР– время работы процессора КР588ВС2: ТПР=6 • 2+2 • 2=16(мкс).ТБО =16(мкс) превышает требуемые по заданию 12 мкс. Это превышение обусловлено производительностью процессора КР588ВС2.Рас-смотрим структуру из умножителя КР588ВР2 и двух процессоров26КР588ВС2, каждый из которых реализует по 3 операции сложений (вычитаний) и одной загрузке: ТУМН=4 •2=8 (мкс); ТПР1= ТПР2= 3 • 2+1 • 2=8(мкс).ТБО=8(мкс), что удовлетворяет требованиям задания.Серия КР1804. Для построения 16-ти разрядного процессора на базепроцессорных секций КР1804ВС2 необходимо 4 микросхемы КР1804ВС2 иодна микросхема ускоренного переноса КР1804ВР1 (табл.

5). Время выполнения операции сложения при этом будет равно: ТСЛ = ТСЛ1804ВС2+ТПЕР1804ВР1= 100+15=115(нс). Время выполнения программы умножения натаком процессоре: tу= 17 • 0,115=1,955 (мкс). Время выполнения программыБОБПФ,примерно,составит:ТБО=4 • 1,955+6 • 0,115=7,82+0,69=8,51(мкс), что удовлетворяет требованиямзадания.Сигнальный процессор ADSP-21365.Сигнальный процессорADSP-21365 реализует БПФ на 1024 отсчёта за 27,9 мкс.

Количество базовых операций массива из N отсчётов равно:К БО =Nlog 2 N . При N= 1024, КБО=5120.2Время выполнения одной БО: ТБО=27,9 мкс/5120 =5,45 нс, что удовлетворяет требованиям задания.Основные конструктивные параметры печатных плат для различныхструктурных вариантов МП БО приведены в таблице 6. Расчет конструктивных параметров проводился с учетом того, монтаж осуществляетсягибким печатным кабелем. Шаг установки микросхем определялся исходяиз среднего числа выводов на одну микросхему и шага выводов корпуса.Из анализа данных таблицы 7 следует, что 3 вариант не удовлетворяет по удельной рассеиваемой мощности. Корректируем значение площади из условия:27Таблица 7Вариант структуры12Тип используемых микросхемKР588ВС2 КР588ВР2 KP1804ВС2KP1804ВР1ADSP-21365.Число микросхем, шт211Период вычисления БО, мкс81438.510,00545Среднее число выводов одной микро- 36схемы, шт.38144Размер корпуса, мм28,25х14,912х12Размер краевых полей X1,X2,Y1,Y2), 5; 5; 5жмм22,55; 5; 5;22,55; 5; 5;22,5Размеры печатной платы, мм80х5080х10040х30Площадь печатной платы, см2408012Потребляемая мощность, Вт0,154,71,10,0580,092УдельнаяВт/см2потребляемая28,25х14,9мощность, 0,00375⎛ П⎞2.S ≥ ⎜ k ∑ K i p i ⎟ / p д = 0,8х4,7/0,07=12,57 см .

Ближайший типоразмер⎝ i =1⎠40х35 мм. Предпочтительным является вариант реализации МП БО насигнальном процессоре ADSP-21365. Необходимо заметить, что если бытребования по удельной мощности рассеивания были бы ниже 0, 025 Вт/см2. , то предпочтительным уже стал вариант на серии KР588.28Варианты заданий№Тд, мксd, дбσш, мВNП,дб10,4300,5643,0рд,Вт/см20,2234567891011121314151617180,60,81,01,21,41,62,02,52,83,03,43,64,04,55,06,010,0 .35404550603530254560706575405060350,70,80,91,01,21,41,61,82,02,22,32,42,52,83,03,23,564128128256256512512512512102410241024204820484096409640363,52,02,52,22,42,83,23,64,04,54,84,44,64,23,83,93.70,20,10,10,080,090,090,090,110,120,140,150,30,50,60,120,110,07293.

РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ И ВЫБОР АЦПАналого-цифровое преобразование входного сигнала s(t) заключается в дискретизации его по времени и квантованию получаемых дискретныхотсчетов по уровню. При выполнении этих процессов входной сигналпредставляется цифровым двоичным кодом. Неидентичность преобразования сигнала в цифровую форму называют шумами аналого-цифровогопреобразования. Источниками этих шумов являются временная дискретизация сигнала и его амплитудное квантование.

Для случая вероятностнойоценки шумов, когда ошибки дискретизации и квантования представляются как случайные шумоподобные процессы типа белый шум, причем любые два источника шума некоррелированы, шумы АЦП суммируются свходными шумами, шумами вычислений, снижая отношение сигнал/шум навыходе МПУ, т.е. образуя энергетические потери.Значения шумов аналого-цифрового преобразования зависят от параметров АЦП, которые обусловлены характеристиками входного сигнала.Среднее значение Мацп и дисперсия Dацп шума квантования в зависимости от выбранной системы счисления и способа округления результатаопределяются соотношениями:Мацп = 0 - при округлении и усечении прямого и обратного, кодов;Мацп = - 0,5Δацп - при усечении дополнительного кода;Dацп = Δ2ацп / 12 - при округлении и усечении дополнительного кода;Dацп = Δ2ацп / 3 - при усечении прямого и обратного кодов,где Δацп - шаг квантования.Зависимость значений шумов от частоты дискретизации и длительности выборки АЦП будет рассмотрена ниже.Итак, при решении задачи выбора АЦП на основании характеристикобрабатываемого сигнала определяют требуемые параметры АЦП: частоту дискретизации, длительность выборки, разрядность и потери, вносимыеаналого-цифровым преобразованием.

Затем из заданных серий АЦП (таб-30лица 8) выбираем серию, удовлетворяющую требованиям. Следует отметить, что небольшое число типов АЦП относительно типовмикросхем ЗУ или МП облегчает решение этой задачи и сводит ее практически к определению основных параметров АЦП, удовлетворяющих обрабатываемому сигналу.Выбор частоты дискретизации входного сигнала зависит от диапазона обрабатываемых частот.

В соответствий с теоремой Котельникова:Fд≥2fmax,(10)где fmax - максимальная частота спектра сигнала. Однако при дискретизации входного сигнала на несущей частоте огибающая его спектра S(f)состоит из двух симметричных относительно начала координат огибающихсоставляющих спектров S+(f) и S-(f), причем S(f)= S+(f)+S-(f). Если принять,что спектральная плотность сигнала равна нулю вне полос (-fc-ΔF, -fc+ ΔF)и (fc-ΔF, fc+ ΔF) для отрицательных и положительных частот соответственно, то можно выбрать Fд значительно ниже, чем fmax.При выборе Fд исходят из условия, что k и k+1 переносов огибающейспектра S-(f) не образуют пересечений c S+(f). Если нет пересечений с S+(f),то в силу цикличности спектра эти пересечения отсутствуют во всем диапазоне частот /3/.31Таблица 8РазрядСерия микроность,схембитВремяпреобразования,мксПотребляемаямощ- Тип корпусаность, ВтДифференциальнаянелинейность, %К1107ПВ1К1107ПВ2К1107ПВЗАК1107ПВЗБ68660,10,10,010,021,02,51,01.02207.48-12136.64-1201.16-13201.16-13±(0,5+0,8)±(0,2+0,4)±(0,5+0,8)±(0,5+0,8)К1108ПБ1101.00,8210Б.24-1±(0,1+0,4)К572ПВ1АК572ПВ1БК572ПВ1ВК1113ПВ1АK1113ПВ1БК1113ПВ1ВК1108ПА1АК1108ПА1БK594ПА1КР1100СК2AD9066AD7880AD7643121212101010121212612181701701703030300,40,73,5tхр = 5-100,0170,0150,80,090,090,090,350,350,350,80,80,50,060,40,0370,08±0,1±0,2±0,4±0,1±0,2±0,4±0,024±0,024±0,0240,1AD6650241,02.14134.48-24134.48-24134.48-2238.18-1238.18-1238.18-12105.24-12105.24-1405.24-2201.14-128 ld SOIC(1)24 SOIC W48 LQFP121 ball CSPBGA(12x12mm)(1)Чертежи корпусов приведены в приложенииПересечения спектров будут отсутствовать лишь в случае выполнения следующего условия:(11)− f c + ΔF + kFд < f c − ΔF− f c − ΔF + ( k + 1) Fд > f c + ΔFРешая систему неравенств (10) относительно Fд получаем2( f c + ΔF )2 ( f с − ΔF )〉 Fд 〉k +1k(12)Используя неравенство (11), можно построить области допустимыхзначений частот дискретизации, обеспечивающие отсутствие пересеченийсоставляющих спектра S+(f) и S-(f) , так как для всех частот, которые принадлежат этим областям, будет справедливым неравенство Fд >4ΔF.

Наибольший интерес представляет выбор минимально возможной частотыдискретизации. При этом необходимо учитывать, что при снижении Fдуменьшается -δf и δf , т.е. огибающие спектра сближаются.32Длительность выборки АЦП существенно влияет на величину потерьквантования. Обычно считается, что выборка происходит за время, значительно меньшее длительности периода входного сигнала и поэтому этивыборки условно можно считать дельта-функциями. При квантовании нанесущей частоте период входного сигнала уменьшается и становится соизмеримым с длительностью выборки АЦП.

С учетом конечной длительности выборки дискретизированный входной сигнал можно представитьследующим образом / 3/:S ( kTд) =1θkTkT∫дд−s ( t ) dtθ,(13)где θ - длительность выборки входного сигнала.Выполнив необходимые преобразования, получим выражение дляспектра сигнала с учетом длительности выборки:^S( f ) ≈ S( f )sin π f θexp( − j π f θ ) ,π fθ(14)где S(f) - спектр сигнала при длительности выборки сигнала, стремя^щейся к нулю; S ( f ) - спектр сигнала при длительности выборки, равной θ.Сомножительsinπ fθπ fθприводит к снижению амплитуды спек-тральных составляющих, что эквивалентно уменьшению отношения сигнал-шум, а следовательно, увеличению потерь энергии сигнала. Сомножительexp( − j π f θ ) приводит к сдвигу фазы спектральных отсчётов,поэтому с точки зрения отношения сигнал-шум определяющим являетсязначение первого сомножителя.В таблице 9 приведены основные результаты, показывающие ростпотерь энергии сигнала при увеличении длительности выборки АЦП.33Таблица 9π f θ , радsinπ fθπ fθП θ, дБ0,349 0,488 0,602 0,699 0,785 1,13 1,66,% 989694929080-0,18 -0,35 -0,54 -0,72 -0,91 -1,8601,910,755030-4,43 -6,02 -10,5Разрядность АЦП определяется динамическим диапазоном входногосигнала и допустимыми шумами квантования.

Если на вход АЦП подаетсясигнал с максимальной амплитудой Umax и дисперсией шума σ 2ш, то шагквантования Δацп обычно выбирается равным (1-3) σ ш .При увеличении Δацп снижается отношение сигнал-шум на выходеАЦП. Это снижение называют потерями квантования и определяют следующим образом:Пкв2⎛σ ацп= 10 lg ⎜⎜ 1 +σ ш2⎝⎞⎟ ,⎟⎠где Δацп, σ2ацп - шаг квантования и дисперсия шумов АЦП(при Δацп <=3 σш, σ2ацп= Δ2ацп/12)В таблице 10 приведены некоторые значения Пкв для различных соотношений Δацп и σш.Таблица 10.Δацп/ σш31,510,5Пкв, дБ2,430,750,340,01Выбрав из таблицы 10 значения Пкв с учетом заданного значения динамического диапазона d, , определим разрядность АЦП:⎡⎤10d / 10lацп = 1 + log 2 ⎢1⎥П ацп / 10− 1 ⎥⎦⎣⎢ 6 10()34Таким образом, можно рекомендовать следующий порядок выборатипа АЦП:1. В соответствии с (10-12) определяют Fд.2.

Исходя из заданного уровня потерь Пзад и fс определяют θ, Пθ, Пкв.При этом Пацп=Пθ+Пкв≤Пзад3. Определяют минимальное значение lацп , удовлетворяющее п. 2.4. Из таблицы 8 выбирают АЦП, удовлетворяющие пп. I, 2, 3.Пример 3. Определить параметры и выбрать серию АЦП, удовлетворяющего следующим исходным данным: 2ΔF = 200 кГц; fс = 0; Пзад=1 дБ; d= 50 дБ; частота дискретизации Fд≥4ΔF=400кГц.Принимаем Δацп= σш, тогда Пкв = 0,34 дБ. Пθ = 0,66 дБ.Для πfθ≈0,65, из таблицы 8 определяем θ:θ≤0,65Т пπ=0,64 ⋅ 5≈ 1,02 мкс3,14По формуле (14) находим lацп:⎡⎤105lацп = 1 + log 2 ⎢1 +⎥=90 ,1610−1⎥⎦⎣⎢()Из таблицы 8 выбираем АЦП: К1108ПВ1.Варианты заданий№2ΔF, кГцfc, кГцПзад, дБd , дБ1500100002352500100000,635320050001,5504100001,228580001,4456500002,53075080003558301000145354.