Ahoj! Ako dodávateľ DSP sa ma často pýtajú, ako DSP (Digital Signal Processor) vykonáva konvolučné operácie. Je to celkom fajn téma a som nadšený, že vám ju rozoberiem.
Najprv si povedzme, čo je konvolúcia. Vo svete spracovania signálov je konvolúcia ako magická operácia, ktorá kombinuje dva signály a vytvára tretí. Môžete si to predstaviť ako spôsob, ako spojiť charakteristiky dvoch rôznych signálov. Používa sa v množstve aplikácií, od spracovania zvuku až po filtrovanie obrazu.
Ako teda DSP v skutočnosti vykonáva tieto konvolučné operácie? Všetko to začína hardvérovou a softvérovou architektúrou DSP. Väčšina moderných DSP je navrhnutá so špecifickými funkciami a pokynmi, vďaka ktorým sú výpočty konvolúcie rýchle a efektívne.
Jednou z kľúčových vecí, ktorá pomáha DSP vykonávať konvolúciu, je jeho schopnosť rýchlo zvládnuť operácie multiplikácie - akumulácie (MAC). Operácie MAC sú jadrom konvolúcie. Keď robíte konvolúciu, v podstate násobíte zodpovedajúce prvky dvoch signálov a potom sčítate výsledky. Napríklad, ak máte dve postupnosti (x[n]) a (h[n]), konvolúcia (y[n]) je daná vzorcom:
[y[n]=\sum_{k = -\infty}^{\infty}x[k]h[n - k]]
V praxi to znamená, že pre každú výstupnú vzorku (y[n]) musí DSP vynásobiť prvky (x[k]) a (h[n - k]) a potom ich sčítať. Jednotka MAC procesora DSP je optimalizovaná na vykonanie týchto násobení a sčítaní v jedinom hodinovom cykle alebo vo veľmi malom počte hodinových cyklov.
Pozrime sa na jednoduchý príklad konečného filtra s impulznou odozvou (FIR), ktorý je bežnou aplikáciou konvolúcie. FIR filter má konečný počet koeficientov (h[n]). Na výpočet výstupu filtra FIR v konkrétnom časovom kroku (n) DSP vezme okno vstupného signálu (x[n]) a vynásobí každý prvok okna zodpovedajúcim koeficientom filtra (h[n - k]) a potom tieto produkty spočíta.
Tu je nejaký pseudokód na ilustráciu základnej myšlienky:
# Predpokladajme, že x je vstupný signál, h sú koeficienty filtra # a N je dĺžka filtra def fir_filter(x, h, N): y = [] pre n v rozsahu(len(x)): súčet = 0 pre k v rozsahu(N): ak n - k >= 0: súčet = súčet + x[n - k] * h[k] y.appendV reálnom svete DSP by sa tento kód preložil do inštrukcií na strojovej úrovni, ktoré využívajú MAC jednotku DSP.
Ďalším dôležitým aspektom toho, ako DSP vykonáva konvolúciu, je správa pamäte. Pretože konvolúcia zahŕňa prístup k prvkom dvoch rôznych signálov (vstupný signál a koeficienty filtra), DSP musí byť schopný rýchlo čítať a zapisovať dáta z pamäte. Väčšina procesorov číslicových signálov má vyhradenú pamäťovú architektúru, ako je pamäť s dvoma portami, ktorá umožňuje procesoru číslicových signálov pristupovať k dvom rôznym pamäťovým miestam súčasne. To pomáha skrátiť čas potrebný na získanie vstupných údajov a filtračných koeficientov počas procesu konvolúcie.
Teraz si povedzme o niektorých optimalizáciách, ktoré je možné vykonať, aby sa konvolúcia na DSP ešte zrýchlila. Jedna populárna technika sa nazýva rýchla konvolúcia, ktorá využíva rýchlu Fourierovu transformáciu (FFT). Základnou myšlienkou rýchlej konvolúcie je transformovať vstupné signály z časovej oblasti do frekvenčnej oblasti pomocou FFT, vykonať násobenia po prvkoch vo frekvenčnej oblasti a potom transformovať výsledok späť do časovej oblasti pomocou inverznej FFT.
Výhodou použitia FFT na konvolúciu je, že môže znížiť výpočtovú zložitosť z (O(N^2)) (pre priamu konvolúciu) na (O(N\log N)). Avšak implementácia rýchlej konvolúcie na DSP vyžaduje starostlivé zváženie FFT algoritmu a dostupných hardvérových zdrojov.
Okrem optimalizácie na úrovni hardvéru môžu pri zlepšovaní výkonu konvolučných operácií zohrávať veľkú úlohu aj optimalizácie na úrovni softvéru. Napríklad kód môže byť optimalizovaný tak, aby využíval architektúru inštrukčnej sady procesora číslicových signálov. To môže zahŕňať použitie vektorových inštrukcií alebo rozvinutie slučky na zníženie počtu réžií slučky.
Teraz by som chcel spomenúť niektoré súvisiace produkty, ktoré by vás mohli zaujímať. Ak ste v potravinárskom priemysle, možno budete chcieť vyskúšať tieto skvelé produkty:Šunka s fosforečnanom vápenatým 7758 - 87 - 4 TCP,Fosforečnan monosodný MSP potravinárska trieda CAS:7558 - 80 - 7 potravinárska prídavná látka, aSTPP zadržiavanie vody v koreňoch kuracích krídel 7758 - 29 - 4.
Ak hľadáte vysokovýkonný DSP pre vaše aplikácie na spracovanie signálu, máme pre vás všetko. Naše DSP sú navrhnuté s najnovšou technológiou na zabezpečenie rýchlej a efektívnej konvolučnej operácie. Či už pracujete na spracovaní zvuku, filtrovaní obrazu alebo akejkoľvek inej úlohe spracovania signálu, naše produkty vám môžu poskytnúť výkon, ktorý potrebujete.
Ak máte záujem dozvedieť sa viac o našich DSP alebo máte nejaké otázky o tom, ako vykonávajú operácie konvolúcie, neváhajte nás kontaktovať. Sme tu, aby sme vám pomohli urobiť najlepšiu voľbu pre váš projekt.
Referencie:
- Oppenheim, AV, Schafer, RW, & Buck, JR (1999). Diskrétne - spracovanie časového signálu. Prentice Hall.
- Lyons, RG (2011). Pochopenie digitálneho spracovania signálu. Prentice Hall.