DSP System Toolbox - MATLAB › datasheets › Dsp-system-toolbox-Ru.pdf · преобразований Фурье (FFTs), многоскоростной обработки и техник

1

DSP System ToolboxПроектирование систем обработки сигналов

DSP System Toolbox (набор инструментов для проектирования систем обработки сигналов) содержит алгоритмы и средства для разработки и моделирования систем обработки сигналов. Эти возможности реализованы в виде системных объектов и функций MATLAB и блоков Simulink.

Набор инструментов включает средства для разработки специализированных фильтров как с конечной (КИХ), так и бесконечной (БИХ) импульсной характеристикой, а также быстрых преобразований Фурье (FFTs), многоскоростной обработки и техник цифровой обработки сигналов (ЦОС) для потоковой обработки данных и создания прототипов, работающих в реальном времени. С помощью DSP System Toolbox можно разработать адаптивные и много-скоростные фильтры, промоделировать работу фильтров в арифметике с плавающей точкой, а также реализовать их, подобрав наиболее вычислительно эффективную архитектуру. Для анализа поведения и производительности системы предусмотрены средства для генерации сигналов, спектрального анализа, ввода/вывода данных из файлов и устройств и интерактив-ной визуализации. Для быстрого прототипирования и разработки встраиваемых систем поддерживается работа с арифметикой с фиксированной точкой и генерация C- и HDL-кода.

Ключевые особенности:

• алгоритмы доступны как системные объекты MATLAB и блоки Simulink;

• моделирование потоковых, кадровых и многоскоростных систем;

• содержит генераторы сигналов и поддерживает ввод/вывод данных из мультимедийных файлов и устройств, включая драйверы ASIO и многоканального аудио;

• включены средства для разработки специализированных фильтров, включая параметризи-руемые эквалайзеры и адаптивные, многоскоростные, октавные и акустические взвешиваю-щие фильтры;

• имеются различные архитектуры реализаций фильтров, в том числе каскадная архитектура с блоками второго порядка и решетчатые фильтры;

• содержит алгоритмы БПФ, линейной алгебры, расчета статистики сигналов, спектрального анализа и оконных функций;

• алгоритмы могут работать с целочисленной арифметикой, а также с типами данных с фиксиро ванной и с плавающей точкой;

• поддерживается моделирование типов данных с фиксированной точкой и генерация C- и HDL-кода.

2

Алгоритм подавления акустического шума, реализованный с использованием системных объектов в MATLAB (слева). Коэффициенты фильтра до адаптации (справа сверху) и после нее (справа снизу) могут быть выведены на экран.

Алгоритмы ЦОС для системного проектирования и прототипирования

DSP System Toolbox позволяет математически прогнозировать поведение системы и затем смоделировать ее работу для более точного предсказания и улучшения характеристик системы. Используя этот toolbox, можно моделировать работу цифровых систем в MATLAB и Simulink. При работе в Simulink также появляется возможность моделирования более сложных систем, таких как системы со смешанными сигналами и многоскоростные системы.

Алгоритмы в DSP System Toolbox являются строительными блоками для систем обработки сигналов в системах управления, связи, радиолокации, а также обработки изображений, видео, речи и звука в медицинских и индустриальных приложениях.

Библиотеки алгоритмов для ЦОС

Все алгоритмы в DSP System Toolbox, которые реализованы в виде системных объектов и функций MATLAB или блоков Simulink, поддерживают работу с типами данных с плавающей точкой (float-point) с единичной (single) и двойной (double) точностью. Большинство из них также поддерживает целочисленный (integer) тип данных и арифметику с фиксированной точкой (fixed-point) (необходима лицензия на Fixed-Point Toolbox и/или Simulink Fixed Point).

В toolbox входят следующие категории алгоритмов:

• операции с сигналами, такие как перемежение, обработка оконной функцией, заполне-ние пропущенных значений, моделирование задержек, обнаружение пиков и переходов через нуль;

3

• трансформация сигналов: БПФ, дискретное косинусное преобразование (DCT), оконное преобразование Фурье (STFT) и дискретное вейвлет-преобразование (DWT);

• средства разработки и реализации цифровых БИХ- и КИХ-фильтров;

• инструменты статистической обработки для анализа и спектральной оценки сигналов;

• методы управления сигналами, такие как буферизация, индексирование, коммутация, создание стеков и очередей;

• операции линейной алгебры, включая решатели линейных систем, разложение и нахождение обратных матриц;

• кодирующие и декодирующие квантующие устройства, поддерживающие работу со скаляр-ными и векторными данными.

Частичный список системных объектов, доступных с MATLAB (сверху), и список категорий блоков для Simulink (посередине) с развернутым видом для категорий (снизу) источников сигналов (слева) и блоков преобразований (справа).

Разработка многоскоростных систем

DSP System Toolbox поддерживает многоскоростную обработку для преобразования частоты дискретизации и моделирования систем, требующих работы в различных доменах тактовой частоты. Функционал библиотеки включает работу с многоскоростными фильтрами и опера-ции с сигналами, такие как повышение/понижение частоты дискретизации, интерполяция, децимация и передискретизация.

4

Модель сигма-дельта АЦП в Simulink, демонстрирующая обработку сигналов на различных частотах дискретизации.

Сигналы переменной длины

Кроме того, поддерживается работа с входными сигналами, которые могут изменять размер и значение во время работы системы. Часть системных объектов и блоков Simulink обеспечивает поддержку сигналов переменной длины, которые изменяют размер во время моделирования или в момент специальных событий переключения режима, происходящих при инициализа-ции подсистем, выполняемых по условию. Поддержка сигналов переменной длины позволяет моделировать системы с различными возможностями, ограничениями и условиями.

Методы разработки адаптивных, многоскоростных и специализированных фильтров

DSP System Toolbox предлагает много методов для разработки и реализации цифровых фильтров. Имеются средства для проектирования фильтров низких (ФНЧ) и высоких частот (ФВЧ), полосовых, режекторных и фильтров с другими типами отклика, а также такие структуры их реализации, как прямая форма и метод перекрытия с суммированием (overlap-add) для КИХ-фильтров, прямая форма БИХ с обратной связью второго порядка, всепропускающие каскады (cascade allpass) и решетчатые структуры (lattice structures).

Разработать фильтр можно несколькими путями: из командной строки MATLAB, с помощью интерактивных инструментов FDA Tool или Filterbuilder или же в Simulink, используя библио-теку для создания фильтров.

Системный набор инструментов позволяет разрабатывать:

• расширенные фильтры Чебышева минимального порядка, ограниченной пульсации и с минимально-фазовой структурой;

• фильтры Найквиста и полуполосные КИХ- и БИХ-фильтры, обеспечивая линейно-фазовую, минимально-фазовую и квазилинейно-фазовую (БИХ) конструкцию, а также методы Чебышева, наклонной полосы задержки и оконной функции;

5

• оптимизированное многоэтапное проектирование позволяет оптимизировать число каскадов для достижения наименьшей вычислительной сложности;

• фильтры с дробной задержкой, включая реализацию структуры фильтра Фарроу, хорошо подходящую для приложений с настраиваемыми параметрами фильтрации;

• всепропускающие БИХ-фильтры с произвольной групповой задержкой, позволяющей скомпенсировать групповую задержку других БИХ-фильтров и получить аппроксимирован-ный отклик полосы пропускания, линейный по фазе;

• решетчатые волновые цифровые БИХ-фильтры для трудных решений с фиксированной точкой;

• КИХ- и БИХ-фильтры с произвольной фазой и амплитудой, позволяющие решать любые задачи фильтрования.

Показана разработка специализированных фильтров в MATLAB на примерах адаптивного LMS-фильтра, примененного к зашумленному звуковому сигналу (сверху слева), проектирования фильтра с произвольной амплитудой (сверху справа), отклика КИХ-фильтра с прямой структурой для различных типов данных с фиксированной точкой (внизу слева) и проектирования октавного фильтра (внизу справа).

Адаптивные фильтры

DSP System Toolbox обеспечивает несколько техник для разработки адаптивных фильтров, такие как LMS, RMS, афинные преобразования (affine projection), быстрая трансверсальная, частотная и решетчатая методики. Системный набор инструментов также включает алго-ритмы для анализа этих фильтров, включая отслеживание коэффициентов, изучение кривых и сходимости.

6

Многоскоростные фильтры

Кроме того имеются функции для проектирования и реализации многоскоростных фильтров, включая многофазовые интерполяторы, дециматоры, преобразователи частоты дискретизации, компенсаторы и каскады гребенчатых фильтров и интеграторов (CIC filters), а также техники, поддерживающие поэтапное проектирование. Еще системный набор инструментов предостав-ляет специализированные функции для оценки вычислительной сложности многоскоростных фильтров.

Интерактивная разработка ФНЧ с помощью инструмента Filterbuilder (слева) и визуализации амплитудного отклика (справа).

Специализированные фильтры для приложений, требующих ЦОС

DSP System Toolbox позволяет разрабатывать и реализовывать специализированные цифровые фильтры, такие как:

• звуковые взвешивающие фильтры, октавные фильтры и фильтры для параметрических эквалайзеров для приложений, работающих со звуком и речью;

• формирование импульсов, пиков или впадин и многоскоростные фильтры для систем связи;

• фильтры Калмана для аэрокосмических и навигационных систем.

Использование фильтров в системных моделях Simulink

Цифровые фильтры, разработанные в DSP System Toolbox, могут быть использованы в моделях Simulink системного уровня. Функции и системные объекты MATLAB позволяют с точностью до бита сгенерировать модели Simulink из разработок фильтров в MATLAB. Можно также использовать библиотеки блоков с фильтрами в DSP System Toolbox для разработки, модели-рования и реализации фильтров непосредственно в Simulink.

7

Потоковая и кадровая обработка в MATLAB

DSP System Toolbox позволяет эффективно моделировать системы обработки сигналов реаль-ного времени благодаря поддержке потоковой и фреймовой обработки в MATLAB и Simulink.

Техники потоковой и покадровой обработки ускоряют моделирование благодаря буфериза-ции входных данных во фреймы и одновременной обработке множества семплов данных. Ускорение достигается за счет сосредоточения фиксированного процесса над обработкой сразу многих данных. Несмотря на некоторую задержку в системе, вносимую этой техникой, в большинстве случаев имеется возможность настроить размер кадров и получить систему с улучшенными пропускными способностями без неприемлемых задержек.

В MATLAB потоковая обработка сигналов достигается с использованием System objects для представления управляемых данными алгоритмов, инструментов ввода и вывода данных из моделей. Системные объекты косвенным образом управляют многими параметрами работы системы, такими как индексирование данных, буферизация и регулирование состояния алгоритмов. В одной программе можно объединять системные объекты со стандартными функциями и операторами MATLAB. Программы MATLAB, использующие системные объекты, могут быть подключены в модели Simulink с помощью блока MATLAB Function. Для большин-ства системных объектов имеется аналог в виде блоков Simulink с соответствующими возмож-ностями.

В Simulink блоки из DSP System Toolbox обрабатывают входящие данные как фреймы, когда стоит соответствующая настройка. Поддерживается и обычная посемпловая обработка для процессов с маленькой задержкой и для приложений, требующих скалярной обработки. Многие блоки поддерживают оба режима обработки.

Алгоритм определения огибающей, иллюстрирующий потоковую обработку в MATLAB с помощью системных объектов. Результаты моделирования показаны для двух методов выявления огибающей: преобразование Гилберта и амплитудная модуляция.

8

Генерация сигналов, организация обмена и средства визуализации

Генерация и импорт сигналов

Сигналы, с которыми работает модель, могут быть получены из множества источников:

• импорт аудио из файлов мультимедиа;

• запись аудиоданных со звуковой карты;

• запись многоканальных аудиоданных в реальном времени;

• получение UDP-пакетов из порта IP-сети.

Результаты моделирования могут быть экспортированы в аудиофайлы, аудиоустройства или переданы в виде UDP-пакетов через IP-сеть.

Также можно сгенерировать двоичные сигналы, случайные данные или с помощью функций в DSP System Toolbox задать одну из распространенных форм сигнала, такую как синусоида или сигнал щебетания (chirp signal).

Визуализация сигналов во временном и частотном доменах

DSP System Toolbox обеспечивает несколько инструментов для вывода сигналов на экран во временном и частотном доменах: Time Scope, Spectrum Scope, Vector Scope и Waterfall Scope.

Визуализация сигналов, заданных во временной области, инструментом Time Scope. Контроль процесса моделирования (старт, пауза и остановка) можно осуществлять прямо из диалогового окна инструмента.

9

Time Scope показывает сигналы во временном домене и может работать с различными сигна-лами: непрерывными и дискретными, фиксированного и переменного размера, типами данных с фиксированной и плавающей точкой и N-мерными сигналами. На одной координатной оси можно выводить одновременно несколько сигналов, причем сигналы могут различаться метрикой, частотой дискретизации и типами данных. Кнопки управления в диалоговом окне Time Scope позволяют запустить, поставить на паузу, снять скриншот, продолжить или оста-новить моделирование, не переключаясь между окнами.

Spectrum Scope оценивает спектр временного сигнала и показывает его частотный спектр на линейной или логарифмической шкале. Параметрами можно задать длину БПФ, размер и перекрытие буфера и единицы измерения спектра.

Vector Scope — сложный инструмент визуализации, схожий с цифровым осциллографом. Он позволяет построить график последовательных временных выборок из векторных данных или изобразить векторы, содержащие такие данные, как коэффициенты фильтра или спектральные величины.

Waterfall Scope выводит на экран несколько векторов данных одновременно, где каждый вектор представляет непрерывную последовательность временных выборок из входных данных.

Реализация в арифметике с фиксированной точкой и генерация кода для моделей систем ЦОС

Для моделирования алгоритмов обработки сигналов с данными, заданными в арифметике с фиксированной точкой, и наблюдения эффектов квантования по изменению поведения и производительности системы можно использовать DSP System Toolbox в связке с Fixed-Point Toolbox или Simulink Fixed Point.

Поддержка типов данных с фиксированной точкой:

• размер слова от 1 до 128 бит;

• обработка переполнений и различные методы округления;

• запись переполнений, максимумов и минимумов внутренних переменных;

• настраиваемое и автоматическое масштабирование;

• опции перезаписи типов данных для контроля настроек типов данных системного уровня.

Моделирование арифметики с фиксированной точкой

Имеется возможность настроить системные объекты и блоки в toolbox для работы с арифме-тикой с фиксированной точкой, что позволит запустить моделирование с различными настрой-ками длины слова, масштабирования, округления и обработки переполнений и определить оптимальную конфигурацию системы до перехода на реальное оборудование.

Работа в арифметике с фиксированной точкой поддерживается для следующих алгоритмов ЦОС:

• БПФ, ОБПФ, DCT, IDCT и другие методы преобразования сигналов;

• цифровой, фильтр, LMS-фильтры и другие;

• среднее, дисперсия, автокорреляция, гистограмма и другие статистические операции;

• решатели линейных систем Левинсона-Дарбина, прямой и обратной подстановки (Forward and Backward Substitution) и другие;

• операции с матрицами: умножение, сложение, деление, нахождение нормы и другие;

• математические операции: умножение с накоплением, накопленная сумма (Cumulative Sum), разность, нормализация и другие.

10

DSP System Toolbox автоматизирует конфигурацию блоков для операций с арифметикой с фиксированной точкой в Simulink. Например:

• размеры сумматоров и умножителей подбираются в соответствии с требованиями к определенному оборудованию;

• автоматически определяется положение точки в коэффициентах фильтра, основываясь на заданных пользователем длине слова, точности и актуальных значениях;

• результат произведения сохраняет все биты в произведениях между коэффициентами фильтра и входными значениями;

• сумматор настраивается так, чтобы избежать переполнений.

Диалоговое окно блока БПФ в DSP System Toolbox, в котором можно настроить типы данных с фиксиро-ванной точкой для сумматора, умножителя и выходных сигналов (требуется Simulink Fixed-Point).

Арифметика с фиксированной точкой при разработке фильтров

Функции проектирования фильтров в DSP System Toolbox позволяют разработать фильтры, работающие с арифметикой с плавающей точкой, которые могут быть легко переведены в арифметику с фиксированной точкой с помощью Fixed-Point Toolbox. Это упрощает разработ-ку фильтров с фиксированной точкой и дает возможность легко проанализировать эффекты квантования.

11

Генерация C- и HDL-кода.

Используя DSP System Toolbox совместно с MATLAB Coder и Simulink Coder, можно легко сгенерировать C-код из разработанных алгоритмов и системных моделей. Полученный код может быть использован для верификации, быстрого прототипирования и реализации систе-мы в рамках процесса разработки продукта.

Используя DSP System Toolbox совместно с Filter Design HDL Coder, можно получить HDL-код из разработанных цифровых фильтров. Для генерации HDL кода из моделей Simulink необхо-дим инструмент HDL Coder.

Дополнительная информация

Ресурсы

Информация о продуктах, примеры и системные требования www.sl-matlab.ru/services/products/

Пробная версия www.sl-matlab.ru/services/request_trial.php

Лицензирование и цены www.sl-matlab.ru/services/request_price.php

Техническая поддержка www.sl-matlab.ru/services/service/ssms.php

Сообщество пользователей matlab.exponenta.ru

Обучение www.sl-matlab.ru/training

Сторонние продукты и сервисы www.sl-matlab.ru/services/products/ppartnership.php

Контакты www.sl-matlab.ru/aboutE-mail: [email protected] Тел.: +7 (495) 232-00-23, доб. 0609