Skip to main content

Új eszközök a DSP Laborban

Megjelent: 2020. április 06.

BME lidAnalog Devices adományok a BME Méréstechnika és Információs Rendszerek Tanszék DSP Laboratóriuma számára

Az 1993-ban létrehozott DSP Labor már 1998 óta alkalmaz Analog Devices jelfeldolgozó kártyákat oktatási és kutatási célra. Az itt folyó munkának köszönhetően először 2005-ben kaptunk adományt az Analog Devices-tól, az Arrow Electronics Hungary közvetítésével, 2019-ben pedig szintén új eszközökkel gyarapodott a labor. Jelenleg mintegy harminc darab korszerű DSP fejlesztőrendszer szolgálja az oktatást és a kutatást. A cikk első részében bemutatatásra kerül a DSP Laboratórium, valamint az Analog Devices által adományozott fejlesztőeszközpark.

 

A DSP Labor bemutatása

A Méréstechnika és Információs Rendszerek Tanszéken és jogelődjein a kezdetektől művelt terület volt a jelfeldolgozás. A nyolcvanas évek végén a Tanszéken is megjelentek az első jelfeldolgozó processzorok, és ezzel az algoritmusok valós idejű megvalósításának eszközei. Az új eszközök és a hozzájuk tartozó fejlesztőeszközök, műszerek, berendezések, és nem utolsósorban a velük foglalkozó munkatársak az 1992/1993-as tanévben életre hívták a Digitális Jelfeldolgozás Laboratóriumot. A labor nevének rövidítése (DSP) egyaránt utal a digitális jelfeldolgozásra (digital signal processing) és az azt hatékonyan megvalósító processzorra (digital signal processor). A laboratórium lehetőséget ad hallgatóknak és tanszéki munkatársaknak jelfeldolgozó algoritmusaik kipróbálására, valós körülmények közötti tesztelésére, a hallgatói mérésektől kezdve egészen a magas szintű kutatási témákig. Célunk kezdettől fogva az, hogy a korszerű jelfeldolgozási ismeretek mellett magas szintű méréstechnikai és elektronikai ismeretek álljanak rendelkezésre. A laboratórium tehát olyan szellemi-materiális műhely, amely képes a kutatási-fejlesztési problémák egészét áttekinteni, ugyanakkor a felvetődő részfeladatokat is megoldani.

 

Kutatás

Kutatásainkhoz a tágabb értelemben vett jelfeldolgozás, rendszermodellezés klasszikus eszköztárát használjuk fel. Így például:

  • jelreprezentációk, transzformációk,

  • digitális szűrők analízise, szintézise és realizációja,

  • adaptív algoritmusok analízise, szintézise és realizációja.

Korábbi tanszéki kutatási eredményeket felhasználva alkotó módon alkalmazzuk a rezonátoros (jelmodellalapú) jelfeldolgozást. Ennek lényege, hogy hatékony eljárásokhoz juthatunk, ha a jelfeldolgozásba beépül a jelet generáló struktúra modellje. Ezen az alapon került sor a rezonátoralapú digitális szűrők, illetve az adaptív Fourier-analizátor megalkotására. Méréstechnikai, elektronikai és jelfeldolgozási ismereteket ötvöz az analóg-digitális, illetve digitális-analóg átalakítással kapcsolatos tevékenységünk, amely a delta-szigma átalakítók analízisére és szintézisére is kiterjed.
A laboratórium specialitása a digitális jelfeldolgozás akusztikai alkalmazásainak kutatása. Elsőként az aktív zajcsökkentéssel kezdtünk foglalkozni, a témakörben ma is folyamatos a tevékenykedés. Az aktív zajcsökkentés elsősorban akusztikus zajok, zavarhatások csökkentését célozza meg. Lényege, hogy hangszórókkal ellentétes fázisú hangot hozunk létre, amely az eredeti zajjal interferálva kioltja azt. Periodikus zavarhatások elnyomására jelmodellalapú (rezonátoros) rendszert dolgoztunk ki, amely több tekintetben előnyösebben alkalmazható, mint a tetszőleges hullámformára kifejlesztett általános eljárások. Tapasztalataink birtokában sikerült sztochasztikus zajok elnyomása terén is új eredményt elérni.
A témakör aktuális izgalmas kérdése az online identifikáció, és a szenzorhálózatok felhasználása aktív zajcsökkentésre.
A fenti téma akusztikai vonatkozásai és hallgatói érdeklődések alapozták meg a digitális hangszerhang-szintézissel kapcsolatos kutatásainkat. Célunk kezdettől fogva az volt, hogy a jelfeldolgozási eszközöket magas szinten, következetesen alkalmazva érjünk el új eredményeket. Sikeresen alkalmaztuk az additív (jelmodellalapú) szintézist orgonasípok és részben harang hangjának modellezésére. Más melodikus hangszerek esetében azonban, ahol a megszólaló hang sok paraméter függvénye, a fizikai szintézist alkalmaztuk. Ennek keretében sikeresen modelleztük zongora és más húros hangszerek (gitár, hegedű) hangját. A témakör egyik fontos eredménye a húrok geometriai nemlinearitásának és – ennek következtében fellépő – longitudinális rezgéseinek az analízise és szintézise.
A DSP Labor legújabb kutatási területe a szenzorhálózatok és elosztott jelfeldolgozó rendszerek témájához kapcsolódik. Az utóbbi években az egymással rádió segítségével kommunikáló, minden szempontból (méret, energiafelhasználás, számítási kapacitás stb.) kis egységekből álló hálózatok egyre többször jelennek meg nagy adatgyűjtő rendszerek vagy szabályozási körök részeként. A kommunikáció mellett így új formában jelentkeznek a digitális jelfeldolgozás klasszikus kérdései, mint például a mintavételezés, kvantálás. A hálózat rugalmassága és elosztottsága sok előnyt kínál, de problémákat is felvet. Laboratóriumunkban ilyen kérdésekkel is foglalkozunk, legújabb témaként a szenzorhálózatokkal felépített aktív zajcsökkentő rendszereket vizsgáljuk.

 

Oktatás

A DSP Labor a hallgatói projekttantárgyak: az önálló laboratórium, a szakdolgozat-készítés, illetve diplomatervezés fő terepe. Mind az alap-, mind pedig a mesterképzésben kínálunk témákat a hallgatóknak, a kutatási területek mindegyikén. Amennyiben egy hallgató témájában jobban elmélyül, esetleg némi plusz időt is szán a kidolgozásra, akkor TDK-dolgozatot is készíthet. Néhány sikeres TDK-munka a doktori képzésben folytatódott, tehát az oktatás és a kutatás nem válik szét élesen.
A laboratórium adja a hátterét a „Digitális szűrők és a Zenei jelfeldolgozás” címet viselő szabadon választható tantárgyunknak. Korábbi sikeres szabadon választható tantárgyunk, a „Szenzorhálózatok” anyaga pedig részben már beépült a tanszék által gondozott specializáció tematikájába.
A digitális jelfeldolgozás területe ma már nem kuriózum, nemcsak azoknak kell vele megismerkedni, akik önálló munkaként választják, hanem azok számára is megismerhetővé tesszük az alapvető „fogásokat”, akik a beágyazott információs rendszerek specializációt, illetve ágazatot választották. Hallgatóink jelfeldolgozási feladatokat oldanak meg a „Beágyazott és ambiens rendszerek laboratórium”, a „Beágyazott rendszerek fejlesztése laboratórium” és az „Információfeldolgozás laboratórium” című tantárgyak keretei között.
A fenti tantárgyak oktatási folyamatai során intenzíven használjuk az Analog Devices fejlesztőrendszereket. A szabadon választható tantárgyak esetében olyan gyakorlati házi feladatok megoldására van lehetőség, ahol a sokszor nem is egyszerű algoritmusokat jelfeldolgozó processzoron implementálják, az eredményt pedig a DSP Labor mérőeszközeivel tesztelik, értékelik.
A specializációban résztvevő hallgatók laboratóriumi gyakorlatain használjuk a nagyobb számban rendelkezésre álló fejlesztőrendszereket, amelyeken alapvető algoritmusok vagy akár DSP-n futó operációs rendszer kipróbálására is lehetőség van.
A villamosmérnök-képzésben a DSP Labor munkatársai oktatják a teljes évfolyamnak szóló „Méréstechnika” című tantárgyat. Ebben a tantárgyban nem szerepelnek jelfeldolgozó processzorok, de az érdeklődők számára látogatást szervezünk a laboratóriumban.
(Cikkünk második részében bemutatunk hallgatói munkákat és kidolgozott méréseket, amelyeket Analog Devices eszközökön dolgoztak ki, illetve végeztek a hallgatók.)

 

Eszközök

A DSP Labor rendelkezik szinte minden olyan eszközzel, amelyet a jelfeldolgozással kapcsolatos kutatások és fejlesztések megkívánnak. A labor felszereltségéből adódó nagy előny, hogy az itt dolgozó, tanuló vagy kutató munkáját olyan fejlett, esetenként igen drága műszerek segítik, amelyek még az iparban sem túl elterjedtek.
Igen fontos műszerünk a HP gyártmányú heterodin spektrumanalizátor, amely 20 Hz-től 40 MHz-ig terjedő frekvenciaintervallumban képes mérésekre, 100 dB-es dinamikatartománya igen pontos mérések végrehajtására teszi képessé.
A spektrumanalizátor méltó utóda az Agilent gyártmányú hálózatanalizátor, amely amplitúdó és fáziskarakterisztika mérésére is alkalmas, tehát a komplex átviteli függvény is megmérhető. Az 5 Hz...3 GHz frekvenciatartománya lehetővé teszi szenzorhálózatok kommunikációjára szolgáló áramkörök mérését, megtartva az audiosávban történő mérések lehetőségét is, továbbá aktív mérőfeje révén nagyimpedanciás mérések elvégzésére is alkalmazható 500 MHz-ig.
A laborban az említett műszereken kívül sok általános célú műszer is megtalálható – többféle generátor és digitális oszcilloszkóp, továbbá hangfelvételek készítésére alkalmas többcsatornás külső hangkártyák.
A laborban olyan eszközök is rendelkezésre állnak, amelyek akusztikai és rezgésanalízisre is alkalmasak. Ezen mérések a Bruel & Kjaer által gyártott nagypontosságú és pontosan ismert karakterisztikájú szenzorokon, illetve a hozzájuk tartozó processzorvezérelt, programozható mérőerősítőn alapulnak.

 

BME abra

 Bruel & Kjaer érzékelők és műszerek

 

DSP-alapú fejlesztőeszközök

A jelfeldolgozási algoritmusokat Analog Devices EZ-KIT fejlesztői kártyák segítségével lehet implementálni. Az évek során többféle kártyát is beszereztünk, többségükből nemcsak egy, hanem több példány is rendelkezésre áll. Van azonban néhány speciális kártya is, amelyből csak egy található a laborban.

  • ADSP-2181 fixpontos DSP, alacsony erőforrásokkal rendelkező processzor, amely főleg egyszerűbb mérési és audioalgoritmusok végrehajtására alkalmas. A processzor ma már elavultnak tekinthető, de 2000 körül rendkívüli népszerűségnek örvendett – nemcsak az oktatásban, hanem az ipari felhasználók között is.

  • ADSP-21061, ADSP-21065, ADSP-21364 lebegőpontos DSP-k, amelyek számábrázolásuknak köszönhetően alkalmasak bonyolult audio, nagypontosságú mérési, szabályozási feladatok ellátására. Sok kutatás során fontos algoritmust ezen processzorok valamelyikén valósítunk meg.

  • ADSP-BF533, ADSP-BF537 fixpontos processzorok, amelyek átmenetet képeznek a DSP és a beágyazott processzorok között oly módon, hogy mindkét terület előnyös tulajdonságait egyesítik. Ezek segítségével implementálható minden olyan feladat, amelynek megoldásához szükség van egy vagy több jelfeldolgozó algoritmus és az ezeket kiszolgáló egyéb funkciók ellátására is. A processzor széles perifériakészlete és magas erőforrása miatt Etherneten keresztüli kommunikációra, illetve operációs rendszer futtatására is alkalmas.

A jelfeldolgozó kártyákon futó programok fejlesztését és debuggolását a Visual DSP++ fejlesztőrendszer segíti, amely egyaránt alkalmas C, illetve assembly programok fejlesztésére, továbbá egy beépített operációs rendszer kezelését is támogatja. A gyári DSP kártyák mellett több saját fejlesztésű DSP- és FPGA-alapú kártya áll rendelkezésre.

 

Új fejlesztőeszközök

2019-ben ismét abban a szerencsében volt részünk, hogy az Analog Devices jóvoltából gyarapíthattuk a fejlesztőeszköz-készletünket. Részben a már jól bevált processzorokat tartalmazó kártyákból kaptunk újabbakat, részben új, nagyobb teljesítményű, gazdagabb funkcionalitású kártyák integrálására nyílik lehetőség. Részletesebben:

  • A két újabb ADSP-21364 kártya és az ADZS-21489 lebegőpontos fejlesztőrendszer a hagyományos, igényes jelfeldolgozási feladatokra használható.

  • ADZS-SC589-Mini: a két darab 32 bites lebegőpontos SHARC mag és egy ARM Cortex-A5 mag segítségével a processzor nagy számítási teljesítményt és pontosságot igénylő audio, méréstechnikai és szabályozási feladatok ellátására alkalmas. A kártyán található Ethernet adapternek köszönhetően könnyen integrálható modern kommunikációs rendszerekbe.

  • ADZS-SHAUDIO-EZEXT: 24 bemeneti és 12 kimeneti analóg csatornával rendelkező kiegészítő kártya az ADZS-21489 fejlesztői kártyához. Többkimenetű / több-bemenetű audio és mérő rendszerek megvalósítására alkalmas. Jelentősége, hogy a DSP Labor kutatási feladatai gyakran igényelnek a megszokott sztereo be- és kimenethez képest több csatornát, ilyen fejlesztőeszközt azonban ritkán kínálnak a gyártók.

  • Az adománynak 10 új ADSP-BF537 fixpontos DSP-alapú fejlesztőrendszer is része volt. A processzor és a kártya jól bevált az oktatásban, és továbbra is perspektivikusnak tekinthető. Ez az az eszköz, amelyet olyan hallgatók is programoznak, akik önálló munkájukban nem DSP-vel foglalkoznak. Összességében már 20 ilyen kártyával rendelkezünk.

Természetesen a jelfeldolgozó kártyákon futó programok fejlesztését és debuggolását szolgáló szoftverpark is frissült, továbbá az önálló, gyári fejlesztőrendszertől független DSP modulok fejlesztésére szolgáló emulátorok is megújultak.

 

BME abra2

2019-es adományok: ADZS-21489, ADZS-SC589-Mini és ADZS-SHAUDIO-EZEXT nagy teljesítményű fejlesztőrendszer

 

Összegzés

Cikkünk első részében bemutattuk a BME Méréstechnika és Információs Rendszerek Tanszék DSP Laboratóriumát, a laboratórium Analog Devices eszközeire koncentrálva. Fejlesztő eszközeink jelentős részét az Analog Devices adományainak köszönhetjük. Egy több évvel ezelőtti adományt követően 2019-ben érkeztek új eszközök a laborba. Az Analog Devices bővebb DSP palettája, laboratóriumunk tevékenysége, eredményei részletesen is megtekinthetők az Analog Devices, illetve a DSP Labor honlapján.

 

Szerzők: Sujbert László, Orosz GyörgyBME Méréstechnika és Információs Rendszerek Tanszék

 

www.analog.com

dsp.mit.bme.hu