خانه / مقالات / DSP / مبانی پردازش بلادرنگ سیگنال‌های دیجیتال – DSP (بخش چهارم)
مبانی پردازش بلادرنگ سیگنال‌های دیجیتال DSP

مبانی پردازش بلادرنگ سیگنال‌های دیجیتال – DSP (بخش چهارم)

  ۴- مبدل‌های داده با کاربرد در سیستم‌های پردازش سیگنال‌های ( DSP ) صوتی:

در این پست به موراد زیر به صورت بسیار مختصر و کوتاه اشاره می‌شود :

  • روش‌های اتصال ADCها و DACها به آی‌سی‌های پردازنده‌ي سیگنال‌های دیجیتال ( DSP )
  • آ‌ی‌سی‌های واسط آنالوگ که شامل ADC و DAC و چند واحد بر تراشه‌ی مکمل دیگر هستند. این آی‌سی‌ها که در حوز‌ه‌ی صوت و تصویر با نام CODED‌ سخت‌افزاری هم شناخته می‌شوند، طراحی سیستم‌های پردازشی رو بسیار بهبود می‌بخشند.
  • ذکر نام چند آی‌سی CODEC معروف و پرکابرد
  • معرفی ۴ دسته‌ی معروف از ADCهای تجاری و ذکر اجمالی تفاوت هر یک از این ۴ دسته
  • اشاره‌ای مختصر به اجزای اصلی یک ADC از نوع Delta-Sigma
  • اشاره‌ای گذرا به اجزای اصلی تشکیل دهنده‌ی یک CODEC‌ صدا
  • در انتها به منظور آن‌که دید بهتری از یک اجزای قابل اتصال به یک برد که تنها شامل یک CODEC‌ صوت است، یک طرح شماتیک نمایش داده می‌شود تا بتوان به حسن استفاده از این آی‌سی‌ها در طراحی سیستم‌های پردازش صوت و قابلیت‌هایی که به طراح داده می‌شود، بهتر پی برد.

برای اتصال مبدل‌های ADC و DAC‌ به یک پردازشگر سیگنال دیجیتال دو روش ِ سریال و موازی وجود دارد. یک مبدل موازی تمام B‌ بیت دیتا را در یک گام ارسال یا دریافت می‌کند در حالی که مبدل سریال هر بیت را در یک گام و پشت سر هم منتقل می‌کند. مبدل‌های موازی داده برای برقراری ارتباط با پردازند‌ه‌های سیگنال دیجیتال DSP به باس‌های دیتا و آدرس بیرونی  اتصال می‌یابند. البته قابل ذکر است که پورت‌های واسط خارجی این پردازنده‌ها قابلیت اتصال با سایر تجهیزات به غیر از مبدل‌های داده را نیز دارند. در عوض مبدل‌های سریال داده به پورت‌های سریالی که مستقیماً به واحد ارسال و دریافت سریال دیتای پردازنده متصل است، ارتباط برقرار می‌کنند.

واحد سریال یک واحد بر تراشه و از امکانات جانبی تراشه‌های پردازشگر سیگنال دیجیتال است. شایان ذکر است که مبدل‌های سریال به دلیل استفاده‌ی کمتر ِ پین برای برقراری ارتباط با پردازنده‌ها، در بسیاری از سیستم‌های عملي DSP مورد استفاده قرار می‌گیرند.در بسیاری از کاربردهای عملی از یک تراشه‌ی واسط آنالوگ (Analog Interface Chip (AIC)) یا کدکننده/دیکدکننده (coder/decoder(CODEC)) استفاده می‌شود. این‌ تراشه‌های پرکاربرد متشکل از یک فیلتر antialiasing ، ADC ، DAC‌ و یک فیلتر بازسازی که دلایل وجود هر یک پیش از این بیان گردیده، می‌باشند. در صورت علاقه به مشاهده‌ی بلوک‌دیاگرام کلی یک سیستم‌ پردازش سیگنال‌های دیجیتال و نحوه‌ی ارتباط بین بلوک‌های ADC با فیلتر Antialiasing و DAC فیلتر بازسازی Reconstruction و سایر بلوک‌ها این‌جا را کلیک کنید.در بردهای DSP صنعتی و آزمایشگاهی که در این مجموعه به منظور کاربرد در کارت‌های پردازش صوت و گفتار، طراحی می‌شود از چند آی‌سی codec پرکابرد استفاده می‌شود.

به عنوان مثال می‌توان به آی‌سی‌های زیر اشاره‌ای داشت:

  • TLV320AIC24—-IC CODEC 16BIT DUAL PROG
  • TLV320AIC23—-IC STEREO AUDIO CODEC
  • TLV320AIC3104-Low-Power Stereo CODEC with 6 Inputs, 6 Outputs, HP Amp and Enhanced Digital Effects

ADC های تجاری موجود در بازار به شرح زیر هستند:

  • successive approximation
  • dual-slope
  • flash
  • sigma–delta

ADCهای successive approximation عموماً دقیق و سریع و نسبتاً ارزان هستند، اما به دلیل نرخ پایین کلاک داخلی،‌ امکان دنبال کردن تغییرات ناگهانی در ورودی محدود است. ADCهای dual-slope  بسیار دقیق هستند و عموماً‌ رزولوشن بالایی دارند اما اکثراً بسیار کند بوده و در مقایسه با ADCهای successive approximation گران‌تر می‌باشند. ADCهای flash بسیار سریع می‌باشند اما در موارد تجاری تعداد بیت‌های پایینی دارند. از طرف دیگر ADCهای sigma-delta با بهره‌گیری از دو تکنیک ِ بیش‌نمونه‌برداری (oversampling) و شکل‌دهی نویز کوانتیزاسیون (quantization noise shaping) توازنی بین رزولوشن و نرخ نمونه‌برداری برقرار کرده است.

همان‌طور که در شکل بالا مشاهده می‌شود، در بلوک دیاگرام یک ADC‌ از نوع sigma-delta از یک کوانتیزر 1 بیتی با سرعت نمونه‌برداری بالا استفاده می‌کند و این موجب می‌شود فیلتر antialiasing مورد نیاز که پیش از ADC واقع می‌گردد، مرتبه‌ی پایین‌تری داشته باشد و این خود به معنای کاهش هزینه و سهولت طراحی این فیلتر است. از سوی دیگر، در فرایند کوانتیزاسیون، طیف توانی نویز حاصله تقریباً تمام فرکانس‌های ممکن را در خود دارد لیکن با قرار دادن یک فیلتر پایین‌گذر به منظور تضعیف توان مؤلفه‌های فرکانس بالای نویز کوانتیزاسیون، می‌توان این مشکل را حل نمود. در نهایت برای اولاً تنظیم فرکانس نمونه‌برداری و ثانیاً افزایش رزولوشن،‌ یک کاهنده (decimator) قرار داده می‌شود که کار اصلی آن کاهش نرخ نمونه‌برداری است. با این پیش فرض‌ها به معرفی دقیق‌تر یکی از آی‌سی‌های CODEC مورد استفاده در طراحی‌های سخت‌افزاری بردهای پردازش صوت در این مجموعه، می‌پردازیم.

آی‌سی TLV320AIC23 یک codec صدای استریو که شامل موارد زیر می‌باشد:

  • مبدل ADC با تکتولوژی ِ multibit sigma-delta
  • مبدل DAC
  • فیلترهای بیش‌نمونه بردار و interpolation
  • قابلیت انتقال دیتای 16، 20، 24 و 32 بیتی
  • قابلیت تغییز نرخ نمونه‌برداری از 8 کیلوهرتز تا 96 کیلوهرتز
  • امکان کنترل نرم‌افزاری از طریق پورت سریال مولتی پروتکل McBSP که انحصاری شرکت TI می باشد.
  • امکان اتصال دو ورودی آنالوگ استریوی صدا
  • امکان اتصال دو خروجی آنالوگ استریوی صدا
  • امکان برقراری ارتباط با کامپیوتر تحت پورت موازی و تحت پورت USB
  • قابلیت ارتباط با انواع DSP

در شکل زیر برای نمایش بهتر قابلیت‌هایی که این ‌آی‌سی برای طراحی یک سیستم پردازش صوت یا گفتار ایجاد می‌کند، شماتیکی از انواع اتصالات ممکن قابل مشاهده است. با استفاده از این‌ آی‌سی طراحی یک سیستم “بلادرنگ پردازش سیگنال‌های دیجیتال” با کاربرد صوت، یک گام دیگر به واقعیت نزدیک‌تر می‌شود. در واقع به کمک یک CODEC امکان دریافت و ارسال سیگنال‌های صوتی برای پردازنده‌ی اصلی که DSP ما می‌باشد، فراهم می‌گردد.