İşaret ve Veri İşleme:

Kouelohab wiki sitesinden

İŞARET İŞLEME

İşaret & Sistemler • İşaret:

Fiziksel bir durum hakkında bilgi taşıyan, bir veya birden fazla değişkene bağlı fonksiyon. • Sistem:

İstenen niteliklerde işaret üretmekte veya sisteme verilen giriş işaretlerine belirli bir tepki verir.

DSP Sayısal işaret işleme, adı üstünde işaretlerin sayısal yöntemlerle işlenmesi anlamına gelmektedir. Sayısal İşaret İşleme, yaygın olarak İngilizce kısaltması ile DSP (Digital Signal Processing) olarak anılmaktadır. Mobil telefonlardan uçak elektroniğine kadar çok yaygın bir teknoloji alanında sayısal işaret işlemenin kullanımı mevcuttur.

Sayısal İşaret İşleyiciler • Sayısal işaret işleme, Hızlı Fourier Dönüşümü gibi yüksek miktarda işlem gerektiren uygulamaların bilgisayarlar ile gerçeklenmeye başlandığı 1960’lı yıllarda çıkmıştır. • 1970’li yılların sonu ve 1980’li yılların başında mikroişlemcilerin doğuşu ile birlikte DSP yöntemleri daha yaygın uygulama alanları bulmaya başlamıştır. Genel amaçlı mikroişlemcilerin yüksek miktarda hesap gücü gerektiren DSP uygulama ihtiyaçlarına cevap verememesi nedeniyle 1980’li yıllardan itibaren Texas Instruments™, Analog Devices™ ve Motorola™ gibi büyük üreticiler yapısı özel olarak sayısal işaret işleme uygulamalarının ihtiyaç duyduğu işlemleri yerine getirecek Sayısal işaret işleyiciler (Digital Signal Processor, DSP) geliştirmektedir. • DSP’lerin de kendine has direktif kodları mevcuttur ve DSP’ler istenen işlevi yerine getirmek üzere programlanabilmektedir. Sayısal işaret işleyiciler matematiksel işlemleri çok hızlı bir biçimde gerçekleştirmek üzere üretilmiştir.

İşareti İşle? • Sayısal işaret işleme ile uğraşacak birisi için üç farklı yol mevcuttur : • 1. sembolik DSP analizi, • 2. gerçek-zamanlı DSP: özel donanım (ASIC) veya programlanabilir donanım (DSP entegreleri), • 3. gerçek-zamanlı olmayan DSP olmak üzere üç farklı yol mevcuttur.

Sembolik DSP • Sembolik DSP analizi kağıt ve kalem ile denklemlerin kurulup işaretlerin tanımlanıp bir sistemin çalışmasının kağıt üstünde incelenmesi veya bir sistemin kağıt üstünde tasarlanmasıdır. • Avantajları: Sadece kağıt ve kaleme ihtiyaç duyulmaktadır. Hesaplamalar sonucu sistemin daha etkin olarak kavranması sağlanır. Kağıt üstündeki işaretlerin genlik, zaman ve frekans sınırlaması yoktur. • Dezavantajları: Sadece matematiksel olarak ifade edilebilen işaretlerin kullanımı mümkündür, ses, müzik, veri gibi rasgele değişen işaretler tam olarak ifade edilemez. Tecrübesiz kişilerin işlemlerin sonuçlarını takip etmesi zor olabilir. Örneğin bir süzgecin ne tür bir değişime neden olduğu tam olarak anlaşılmayabilir. Genelde sistem tasarımı için oldukça faydalı bir yöntem olmak beraber varolan bir sistemin çalıştırılmasında etkisiz kalabilir. Kağıt üstünde kolay olan işlemler ile pratikte gerçekleştirilecek işlemlerin zorluğu aynı olmayabilir, kağıt üstünde kolay olan bir işlemin pratikte gerçeklenmesi zor olabilir.

Gerçek-zamanlı DSP • Gerçek-zamanlı DSP için özel amaçlı uygulamaya özgü entegre devreler, • ASIC (application specific integrated circuits) veya • programlanabilir DSP entegreleri kullanmak mümkündür. • Bu entegreler istenen işlemleri donanımsal olarak yerine getirmek üzere tasarlanmaktadır.

ASIC • ASIC Avantajları: Sayısal işaret işlemenin en hızlı yolu ASIC, uygulamaya özgü entegre devreler kullanmaktır. Çok sayıda üretilecek sistemler için en ucuz yoldur, hafif bir sistem ve en düşük güç kullanımı sağlanır. • ASIC Dezavantajları: Entegrelerin tasarımı zaman alıcıdır ve zor olabilir. İşaret işleme bilgisine ek olarak entegre tasarım bilgisi gerektirmektedir. Bir kere tasarlanmış ve gerçekleştirilmiş sistemlerin değiştirilmesi zordur. Sistemlerin derlenmesi ve hata ayıklaması (debug) zordur, ve çoğu zaman test için özel donanıma gereksinim duyulur.

Programlanabilir DSP • Programlanabilir DSP Avantajları: Uygulamaya özgü donanıma göre daha esnek bir gerçeklenme sağlar. DSP entegresi istenen işlevi yerine getirmek üzere programlandığı için istendiği taktirde entegrenin programının değiştirilmesi ile modifikasyon yapılabilir. Geliştirme süresi daha kısadır. ASIC gibi entegre tasarımı gerekmediği için, sadece istenen işlevi yerine getirecek bir program yazılacağından daha hızlı bir sistem geliştirme süreci söz konusudur. Çoğu zaman belirli bir donanım, sadece DSP entegresinin programının değiştirilmesi ile farklı uygulamalar için kullanılabilmektedir. Tipik olarak program bir bilgisayarda yazılıp DSP entegresinin hafızasına yüklendiği için, bilgisayar programın derlenmesinde ve kontrolünde kullanılabilmekte ve bu sayede testler zahmetsiz olarak yapılabilir. • Programlanabilir DSP Dezavantajları: ASIC entegrelerine göre programlanabilir DSP entegreleri daha yavaştır. ASIC entegrelerinde gerçeklenebilen bazı işlevler donanım yetersizliğinden programlanabilir DSP entegreleri ile kullanılmayabilir. DSP entegrelerinin C gibi yüksek seviyeli bir programlama dili ile programlanması mümkün olmakla beraber en optimum performans programlama için DSP entegrelerinin kendi assembler dili kullanıldığı taktirde elde edilmektedir. DSP entegrelerinin assembler ile programlanması ise zahmetli, ve öğrenim süresi uzun süren bir uğraştır.

Gerçek-zamanlı olmayan DSP

• Gerçek-zamanlı olmayan sayısal işaret işlemede sayısal veriler bilgisayara veya diskete kaydedilmekte ve bir bilgisayar programı ile veriler okunarak işlendikten sonra tekrar aynı ortama geri saklanmaktadır. DSP programı genel amaçlı bir programlama dili ile yazılabileceği gibi MATLAB gibi özel amaçlı programların da kullanılması mümkündür. • Gerçek-zamanlı olmayan DSP Avantajları: DSP algoritmalarının geliştirilmesi için en esnek yöntemdir. Programlar istenen işlevi yerine getirecek şekilde yazılarak, değişiklikler kolayca yapılabilir. Derlenmesi ve çalıştırılması çok kolaydır. Kaydedilmiş veriler kullanıldığı için tamamen aynı veriler farklı DSP algoritmalarından geçirilerek sonuçlarının karşılaştırması sağlanabilir. Gerçek-zamanlı olmayan DSP en kısa geliştirme süresine sahiptir. • Gerçek-zamanlı olmayan DSP Dezavantajları: Gerçek-zamanlı işleme gerektiren uygulamalar için kullanılamaz. İşlem süresi DSP entegrelerine göre oldukça fazladır. DSP entegrelerinin matematiksel işlemleri hızlı bir biçimde yerine getirmek üzere tasarlanmış özel yapılarından faydalanılmadığı için işlem süresi gerçek-zamanlı işlemeye göre daha uzundur.

DSP kullanımı • DSP uygulamaları müzik sistemleri, elektronik oyuncaklar, modemler, görüntülü telefonlar, dijital televizyonlar, telefon sistemleri, mobil telefonlar, üç boyutlu grafik sistemleri ve görüntü işleme sistemleri gibi pratik sistemlerde yaygın biçimde kullanılmaktadır.

Tipik bir DSP sisteminin yapısı

SAYISAL İŞARET İŞLEMENİN ÜSTÜNLÜKLERİ • Gürültü ve bozulmalardan daha az etkilenir • Sayısal yöntemlerin kesinliği daha yüksektir • Sayısal işaretlerin saklanması daha kolaydır • Sayısal yöntemler daha esnektir • Sayısal sistemler daha kararlıdır • Bazı işlevler sadece sayısal yöntemlere uygundur • Bilgisayarların yaygın kullanımı mevcuttur