[회로설계] 디지털 신호처리의 기초와 DSP 응용 실무

[국제테크노연구소]

디지털 신호처리의 기초와 DSP 응용 실무

동역메카트로닉스연구소 편저  B5/551P

무료제공: TI코리아 DSP 설계 우수 논문집(최근 3년간 합본)

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DSP는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 실시간으로 고속처리하는 전용 프로세서로, 현재 DSP의 응용기술은 CD, MP3 플레이어, MD, 영상가요반주 시스템 등의 AV기기, 휴대전화단말기, 팩스밀리, 전화기, 등의 통신기기, 자동차분야에서는 앤티록 브레이크, 액티브 노이즈 컨트롤러 등, 그 활용범위는 너무 광범위하다.
특히 최근들어 음성/화상 압축 등, 멀티미디어 분야에서는 실시간 처리, 디지털 휴대전화에 있어서 음성압축 등에 필수적인 디바이스가 되고 있다.

디지털 신호처리분야에 대해서는 많은 문헌이 발표되고 있지만, 그 대부분이 수학적인 기술이 많아 디지털 신호처리를 시작하려는 사람에 따라서는 난해한 부분이 많을 것으로 생각한다. 그러나 기본적인 사고방법을 실례를 통하여 일단 이해하면 보다 고수준의 디지털 신호처리의 이해는 결코 어려운 것이 아니다.
이와 같은 관점에서 본서 제1부 입문편에서는 아날로그 소자, 즉 저항, 콘덴서, 코일, OP 앰프 등을 사용하여 아날로그 기술에 의한 필터의 조작, 스펙트럼 분석, 신호의 합성 등을 디지털 기술로 실현하는 것을 전제로 이해하기 쉽도록 신호도 1차원으로 하고, 음성신호와 같이 시간적으로 변동하는 신호, 즉 시간신호로 했다. 따라서 디지털 필터와 이산적 푸리에 변환에 역점을 두고 해설하고 있다.

제2부에서는 아날로그 디바이세스사의 스타트키트를, 제3부에서는 TI사의 스타트키트에 대해 해설하고, 이것을 이용한 각종 기본적인 디지털 신호처리의 기본 지식과 각종 디지털 필터처리 기법, 각종 알고리즘, 스펙트럼 해석 등을 실험을 통해 실시하고, 그 진행과정과 프로그램 예, 결과 등을  많은 화면과 그림으로 해설하므로 스타트키트를 구입하지 않고도 DSP 기술을 습득할 수 있도록 배려했다.

많은 비중을 TI사의 TMS320 시리즈를 중심으로 해설하고 있는데, 제4부에서는 DSP와 D-A/A-D 컨버터 인터페이스 기법, 모터제어를 위한 DSP 활용, 적응 노이즈 캔슬러 설계, 리얼타임 FFT 애널라이저 설계 등을 예로 들어, 그 하드웨어와 소프트웨어를 공개하고 자세히 해설하고 있다.

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주요 내용 

제1부: 디지털 신호처리 입문

■ 디지털 신호처리의 기초지식

디지털 신호처리의 개요, 디지털 신호와 샘플링 정리, 연속신호의 재생, 이산적 시스템,
임펄스 응답, 전달함수, 오일러의 공식(Euler's formula), 전달함수의 z 평면 표현, z변환의 정의, 역 z변환

■ 디지털 필터의 기초지식

필터에 관한 기초 사항, 디지털 필터의 정의와 디지털 필터의 종류와 장단점, 사례와 간단한 디지털 필터,
이동평균, 시그널 플로그래프(signal flow graph), 디지털 공진기,
FIR 필터(비순회형 필터)의 구성(직접,종속,격자형)과 장단점
IIR 필터(순회형 필터)의 구성(직접,종속,격자형)과 장단점
격자형 FIR 필터와 IIR 필터의 계수 계산 방법

■ 디지털 필터의 설계

FIR 필터의 설계, 윈도우 함수를 이용한 직선위상필터의 설계, 윈도우 함수에 대해, FIR 필터의 설계 예와 프로그램
IIR 필터의 설계, 아날로그 필터의 설계, 버터워스(Butterworth) 필터, 체비세프(Chebyshev) 필터,
체비세프의 다항식, 역체비세프(inverse Chebyshev) 필터, 타원(elliptic) 필터,주파수 변환
s-z 변환에 의한 IIR 필터의 설계(표준 z변환, 쌍1차 z변환)

■ IIR 필터의 설계 예

저역통과 필터(표준 s-z 변환에 의한 설계, 쌍1차 z변환에 의한 설계)
고역통과 필터(표준 s-z 변환에 의한 설계, 쌍1차 z변환에 의한 설계)
IIR 필터의 설계 프로그램

■ 디지털 필터의 오차

샘플링에 기인하는 오차, 애퍼추어 효과
유한어장에 의한 오차(양자화, 계수 양자화에 의한 특성의 열화), 리밋 사이클

■ 고속 푸리에 변환(FFT)과 응용

이산적 푸리에 변환, FFT의 원리, 2를 기저로 하는 FFT의 알고리즘
새로운 FFT 알고리즘(Small-N 알고리즘, 다차원화 알고리즘)
FFT에 의한 스펙트럼 해석과 문제점(에일리어싱, 윈도우 함수), 스펙트럼 해석의 실례
필터 처리에 대한 응용, 자기 상관함수, 케프스트럼(cepstrum)

■ 음성 신호처리

음성 생성의 구조, FFT에 의한 음성의 해석, 케프스트럼에 의한 음성 해석
선형 예측 분석의 원리(선형 예측 분석의 원리, 예측계수와 포르만트)
예측계수와 스펙트럼, 예측계수를 구하는 방법, 선형 예측법에 의한 스펙트럼 해석
PARCOR 분석(PARCOR 계수의 계산법, 음성합성에 응용), 기타 음성분석법

■ 디지털 시그널 프로세서(Digital Signal Processor)

DSP의 역사와 개요, TMS 320 시리즈(TMS 32010, TMS 320C25, TMS 320C30)
애플리케이션 지향 DSP, 음성 신호처리용 DSP의 조건과 실제,
통신처리용 DSP의 조건과 실제, 화상처리용 DSP의 조건과 실제
디지털 제어용 DSP의 조건과 실제, 고속 연산처리용 DSP의 조건과 실제

제2부: DSP 평가용 키트 EZ-KIT Lite(Analog Devices사)의 활용 실무

■ EZ-KlT Lite의 개요

ADSP-2181에 대해, 외부의 I/O 인터페이스, 16비트 ∑Δ형 스테레오 CODEC(AD1847)
개발 도구(어셈블러, 링커, PROM 스플리터, 시뮬레이터)
EZ-KIT Lite 호스트 프로그램, EZ-KIT의 베이스 프로그램

■ DSP에 의한 신호의 연산처리 기법

가감산 처리(가산회로), 아날로그 회로( 전원전압 VCC와 입력전압 V1, V2 크기의 관계,
유한의 증폭도에 의한 영향, 저항값의 오차에 의한 출력전압의 오차, OP 앰프의 입력
오프셋 전류, 입력 오프셋 전압, 입력 바이어스 전류에 의한 오차, 온도 드리프트에 의한 영향)
디지털 처리(전원전압 VCC와 입력전압 V1, V2의 크기 관계, 유한의 증폭도에 의한 영향,
저항값의 오차에 의한 출력전압의 오차, OP 앰프의 입력 오프셋 전류, 입력 오프셋 전압,
입력 바이어스 전류에 의한 오차, 온도 드리프트에 의한 영향)
가감산 처리(감산회로)( 아날로그 회로, 디지털 처리)
반파정류 회로(아날로그 회로, 디지털 처리)
승제산 처리(승산회로: 2체배 회로)(아날로그 회로, 디지털 처리)
승제산 처리(승산회로: VCA)(아날로그 회로, 디지털 처리)
제산회로(아날로그 회로, 디지털 처리)

■ DSP에 의한 파형발생의 신호처리

구형파의 발생(구형파 발생 프로그램, 프로그램의 개량, 종래의 회로, DSP와 종래 회로의 비교)
삼각파의 발생(삼각파 발생 프로그램, 퍼포먼스, 종래의 회로, DSP와 종래 회로의 비교)
사인파의 발생(룩업 테이블 방식, LC 공진기 방식, 이중적분 방식, 함수 정의 방식, 종래의 회로와 비교)

■ DSP에 의한 변복조 신호처리

DSP에 의한 AM 변복조 실험, 종래 회로에 의한 AM 변복조, DSP와 종래 회로의 비교
DSP에 의한 FM 변복조 실험, 종래 회로에 의한 FM 변복조, DSP와 종래 회로의 비교

제3부: TMS320C50 해설과 DSP 스타트키트 활용 실무

■ TMS320C50의 구조와 명령 체계

TI사의 고정소수점 DSP의 발전사, TMS320C50의 동작모드와 아키텍처, 개량형 하바드 아키텍처
메모리 공간, 프로그램 공간, 데이터 공간, I/O 공간
명령 세트(직접 어드레싱 모드(DP), 간접 어드레싱 모드(ARP, ARx), circular 어드레싱,
직접 어드레싱 모드, 메모리 맵드 레지스터 어드레싱 모드, 프로그램 제어, accumulator(ACCL) 분기/콜,
조건부 분기/콜/리턴 명령의 서식, 지연 오퍼레이션, 조건부 실행 XC 명령, 단일명령 리피트(RPT, RPTZ),
블록 리피트, 스테이터스 레지스터 ST0/ST1, 세트/클리어 명령, 프로세서 모드 스테이터스 레지스터 PMST,
IDLE 명령, 어큐물레이터/승산기와 명령, 고정소수점 데이터의 수치 범위, PM shifter의 의미,
승가산(sum of products) 연산, 50탭 FlR 필터의 예, DMOV 오퍼레이션, 프로그램 작성, 나눗셈, PLU(패럴렐 로직 유닛)
인터럽트와 내장 주변회로(벡터 테이블 어드레스, 인터럽트의 내부 하드웨어, 인터럽트 플래그 레지스터,
TMS320C50 내장 주변회로, 메모리, I/O 액세스 타이밍)

■ DSK의 하드웨어와 확장 방법

DSP Starter Kit의 하드웨어, 블록다이어그램, DSP Starter Kit의 동작
DSK의 디버거 환경, 인터럽트 벡터 테이블의 사용 방법
Analog Interface Circuit (AIC), AIC TLC32040의 블록 다이어그램, 2채널의 샘플링에 대하여,
DSK에서의 DSP와 AIC의 접속, DSK용 AIC 스루 동작의 프로그램
DSP Starter Kit의 하드웨어 확장(확장 예:16비트 입력 포트, 16비트 출력 포트, 데이터 메모리, TDM 시리얼 포트,
13비트 CODEC 인터페이스, 16비트 A-D/D-A 인터페이스, 16비트 D-A 인터페이스), 전원에 대하여

■ 프로그램 작성과 디벅

프로그램의 작성(어셈블, 오류 메시지), PC와의 접속과 디벅(self-test, debugger의 기동과 조작, 프로그램의 전송)
DSP Starter Kit를 사용할 때 유의점, 어셈블러(DSK5A.EXE)에 대하여, 디버거(DSK5D.EXE)에 대하여

■ 스타트키트 DSKplus 활용 기술

TMS320C542와 DSP 스타트키트 DSKplus에 대하여(TMS320C542에 대해, 인터페이스용 디바이스 DSP-AIC, DSP-PC)
아날로그 인터페이스 서키트(AIC), 시리얼 포트와 TLC320AC01의 초기화, 내부 레지스터
DSKplus의 인스톨과 실행, Code Explorer에 대하여
프로그램의 개요, DSP측의 처리, PC측의 처리
DSP의 아날로그 인터페이스, TLC320AC01의 설정, 아날로그 입력신호에 대한 내부회로의 증폭률
호스트 인터페이스(HPI RAM에 액세스하는 방법, 호스트에서 HPI에의 액세스, 메모리 맵, DSP 프로그램 구성)
PC측의 프로그래밍(호스트 인터페이스, 윈도우상의 표시에 대하여)

■ DSP에 의한 신호의 필터링 처리

통과대역, 저지대역 특성차에 의한 비교, 필터의 분류 방법
아날로그 필터의 설계(설계 사양, 실제의 설계(로패스 필터, 하이패스 필터, 밴드패스 필터, 밴드 엘리미네이션 필터)
디지털 필터의 설계(설계한 사례, 설계사양, 실제의 설계
양 필터의 측정, 양 필터의 비교 검토, 아날로그 영역과 디지털 영역의 관계, FIP 필터와 IlR 필터

제4부: DSP 인터페이스 설계와 응용 사례 분석

■ DSP와 D-A 컨버터의 인터페이스

 DSP와 D-A 컨버터의 인터페이스(DSP와 A-D/D-A 컨버터의 접속, D-A 컨버터와의 패럴렐 접속, TLV5619에 대하여
하드웨어 설계(DSP와 D-A 컨버터간의 결선 방법, 인터페이스의 타이밍에 대해
소프트웨어 설계(톱니파 데이터의 생성, D-A 컨버터에 써넣기, 처리과정, 프로그램 루프, 초기 설정), 코딩 기법
D-A 컨버터의 시리얼 접속(TLC5618A에 대하여, 하드웨어 설계,   DSP와 D-A 컨버터간의 결선, 인터페이스의 타이밍)
소프트웨어 설계( DAC_B의 계산 및 메모리에의 저장, 포맷 변환, 시리얼 포트에의 써넣기, 시리얼 포트의 동작,
DSP에서의 처리, 프로그램 루프, 타이머, 초기 설정), 코딩 기법
※1BSP를 SP로 사용하려면, ※시리얼 포트의 신호 방향

■ DSP와 A-D 컨버터의 인터페이스

A-D 컨버터와의 패럴렐 접속, TLC5540의 개요
하드웨어 설계(DSP와 D-A 컨버터간의 결선, 인터페이스의 타이밍)
소프트웨어 설계(데이터의 입력과 저장, 신호처리, 프로그램 루프, 초기 설정)
A-D 컨버터와의 시리얼 접속(TLV1572에 대하여, DSP와 A-D 컨버터간의 결선, 인터페이스의 타이밍)
소프트웨어 설계(시리얼, 포트에의 수신 요구, 시리얼 포트의 동작, 데이터 수납, 데이터 처리, 프로그램 루프, IDLE로 대기, 타이머, 초기 설정)
※누가 시계를 가지게 되는가? ※컨버터를 어느 공간에 배치할 것인가? ※패럴렐 디바이스용 클록을 만드는 방법. ※간이형 어드레스 디코더

■ 모터 제어용 DSP의 활용 기술

모터 제어용 DSP F240의 구성(C2xLP 코어, 입력 스켈링부, 승산부, 중앙 산술연산부, 메모리 공간)
페리퍼럴(범용 타이머, 풀 컴페어 유닛, 심플 컴페어 유닛, 캡처 유닛, 구형파 인코더 유닛, A-D 컨버터,
시리얼 커뮤니케이션 인터페이스, 시리얼 페리퍼럴 인터페이스, 워치도그 타이머, 리얼타임 인터럽트
모터 제어의 하드웨어(TMS320C24x 평가용 키트 240EVM, 모터의 사양, 모터 드라이브 회로,
모터 드라이버의 접속, 홀 센서의 접속, 전류/전압 검출
모터 제어의 프로그래밍, 120°구형파 통전 시그널 흐름, 프로그램 구조(메인루틴, 모터 제어 인터럽트 루틴),
제로 크로스점 검출, 속도 제어 루틴, 개발 환경, 실험 결과
※120°구형파 통전 센서리스 알고리즘. ※데드밴드. ※Q 포맷에 대하여

■ TMS320C25를 사용한 적응 노이즈 캔슬러의 설계

적응 노이즈 캔슬러와 그 응용(참조입력을 이용하여 잡음성분을 제거, 적응 노이즈 캔슬러의 응용)
적응 노이즈 캔슬러의 계산 알고리즘, 적응 노이즈 캔슬러의 입출력 관계, 입력과 출력의 차가 노이즈 캔슬러의 출력, 필터 계수의 계산
시스템의 구성(하드웨어, 소프트웨어 구성,
DSP 보드의 C언어 라이브러리
<run( ), dsp_free( ), d_wr(count, buff, d_offset), d_rd(count, buff, d_offset), p_wr(count, buff, d_offset), p_rd(count, buff, d_offset)>,
프로그램에 대하여(어드레스 맵, 신호 데이터를 메모리에 저장하는 방법, 각 변수의 계산 방법
실험 방법과 결과(실험 방법, 실험 결과와 정리

■ TMS320C31 DSP를 사용한 리얼타임 FFT 애널라이저 설계

리얼타임 FFT 애널라이저에 대해, TMS320C31의 특징, LCA(Logic Cell Array)에 대해, Σ형 A-D/D-A 컨버터 해설, AK4501의 사양
리얼타임 FFT 애널라이저의 사양, DSP 보드의 사양
DSP 보드의 회로 구성(호스트 CPU와 DSP 간의 인터페이스 회로, DSP 회로, LCA의 주변회로, 외부 확장 메모리 회로,
A-D/D-A 변환회로, 아날로그 입출력 회로
DSP 프로그래밍에 대하여(디지털 신호처리를 위한 특수 하드웨어, 프로그램을 개선 포인트, 하드웨어/소프트웨어 시스템 개선
TMS320C31의 아키텍처와 프로그래밍
FFT에 대하여(시간축 추출 FFT, 주파수 추출 FFT)
AK4501과 DSP의 인터페이스(시리얼 포트 글로벌 제어 레지스터의 세트, FSX/DX/CLKX 포트 제어 레지스터의 세트,
FSR/DR/CLKR 포트 제어 레지스터의 세트
DSP 프로그램, 호스트 CPU 프로그램, 에일리어싱, 창함수, 기타 문제, Σ형 A-D/D-A 컨버터 AK4015의 능력 평가

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자료제공: 국제테크노정보연구소 http://www.ktechno.co.kr