השימוש במעבדים Dsp במערכות רכישה נתונים במהירות גבוהה למחקר מדעי

בתחום המחקר המדעי, היכולת לרכוש ולנתח נתונים במהירויות גבוהות מאוד היא לעתים קרובות ההבדל בין התבוננות שגרתית לבין גילוי פורץ דרך. ניסויים מודרניים בתחומים החל פיזיקת חלקיקים לייצור נוירוביולוגיה של חלקיקים לטורנטים של נתונים -gigabytes לשנייה - אשר חייב להיות נתפס, מותנה, ופורשים בזמן אמת, בלב של יכולת זו הוא תהליך דיגיטלי (DSP מהיר), מומחה לשיטות חישוביות במהירות גבוהה של נתונים, אשר ניתן לבצע את המעבדים מתקדמים.

מה הם מעבדי DSP?

מעבדי אותות דיגיטליים הם מחלקה של מיקרומעבדים אופטימיזציה לביצוע מהיר של פעולות מתמטיות המשמשות בדרך כלל בעיבוד אותות דיגיטליים, כגון פעולות מרובות-אקוממות (MAC), מהיר ארבעהייה משנה (FFTs), וסינון דיגיטלי. בניגוד יחידות עיבוד מרכזי מטרות כלליות (CPUs), אשר נועדו לבצע מגוון רחב של משימות עם לוגיקה שליטה מורכבת, ספקול משתמש אדריכלות בהרווארד כי הוא נפרד מזיכרון משותף, מאפשר הסרת נתונים קבועים, כולל בדיקות נתונים.

תכונות DSP טיפוסיות כוללות:

• (ב) ,0) ,Hirware Maccio יחידות FLT:1 אשר מבצעים להכפיל ולהצטבר במחזור שעון אחד, חיוני עבור מהפכת וסינון.
• (ב) תמיכה יעילה בנתוני הזרמה.
• (ב) ,0) ,Zero-overhead לולאות 1 (הראשונה ל-) אשר מבטלות את הצורך בדלפק לולאות תוכנה, צמצום זמן ביצוע.
• (ב) ,0) ,4 יחידות דור כתובת: 1 (FLT: 1) המאפשרים לנתונים להיזרק מהזיכרון בעוד יחידת הקידוד מעבד נתונים קודמים.

יצרני DSP מובילים כגון Texas Instruments, Analog מכשירים ו NXP ממשיכים לדחוף את גבולות הביצוע, המציעים מכשירים עם שעון מהירויות של מעל 1 GHz וצריכת חשמל המותאמים הן למכשירים מדעיים נייחים וניידים.

תפקיד DSPs במערכות רכישה נתונים במהירות גבוהה

מערכת רכישת נתונים במהירות גבוהה (DAQ) כוללת בדרך כלל חיישנים, ממירים אנלוגיים-לדיגיטליים (ADCs), מנוע עיבוד ואחסון נתונים.DSP משמש כמנוע עיבוד, ביצוע משימות קריטיות שהופכות אותות דיגיטליים גולמיים למידע משמעותי, אמין.

עיבוד נתונים בזמן אמת

הפונקציה החשובה ביותר של DSP במערכת DAQ היא עיבוד בזמן אמת. כמו זרימת נתונים מ- ADC, DSP יכול ליישם אלגוריתמים במהירות קו ללא צנרת נתונים גדולים.זה חיוני ליישומים כגון מערכות בקרה בזמן אמת בניסויים פיזיים (למשל, אופטיקה אדפטיבית אדפטית בטלסקופים) או משוב סגור בהתקני ביו-רפואי (למשל, המאפשרים גירוי עמוק לתופעות של DSP).

ניכוי מסנן ו- Noise Reduction

נתוני חיישן Raw מזוהמים תמיד על ידי רעש ממרכיבים אלקטרוניים, הפרעה סביבתית, או תהליך המדידה עצמו.DSPs ליישם מסננים דיגיטליים - פאס נמוך, עוקף גבוה, צ'ק, מסננים הסתגלות - שניתן להפעיל מחדש בתוכנות ללא שינוי חומרה.לדוגמה, ניטור סיסמיכות נמוך להסרת רעש גבוה מרוחות רוח או שמירה על רמות נמוכות של קרינה.

ניתוח אותות וטרנספורמציה

מעבר לסנן, DSPs לבצע שינויים מתמטיים מורכבים כגון Fast Fourier Transform (FFT), גל גל דיסקרטי משתנה, וניתוח ספקטרלי. פעולות אלה הן הבסיס של ניתוח תדירות-דומיין, המשמש ב-spectroscopy, ניתוח אודיו, ו ניטור רטט. במערכת DAQ מהירה גבוהה, DSP יכול ליישר אלפי FFTs לשנייה, לספק חוקרים עם תוכן משותף אפילו עבור DSPIN-STS.

« « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « «

בניסויים מדעיים רבים, הנתונים רק יקרים כאשר אירוע ספציפי מתרחש.DSPs ניתן לתכנת כדי לזהות דפוסים מוגדרים מראש - כגון מעברי סף, מעברי קצה, או חתימה ספציפית ספקטרלית - ולאחר מכן לעורר נתונים או ליצור הפרעות.יכולות אלה מפחיתות את דרישות האחסון והפס רוחב הפס של מערכת DAQ על ידי הקלטה של נתונים רלוונטיים בלבד.

הפחתה והפחתה של נתונים

כדי להתאים את שיעור התפוקה הגבוה של ADCs מודרני (לעיתים מעל 10 GSPS) עם דרך חיתוך אחסון או ערוצי שידור, DSPs לבצע decimation - הקטנת קצב הדגימה תוך שמירה על נאמנות האות.זה מושג באמצעות דיגיטציה דיגיטלית, cascaded integrator-comb (CIC) מסננים, ובנקים מסננים פוליפזים על ידי הקטנת נתונים בלתי אפשריים, אשר יאפשרוכים אחרים.

יתרונות השימוש ב-DSP Processors

בעוד שמערךי שער הניתנים לחיזוי שדה (FPGAs), יחידות עיבוד גרפיקה (GPUs), ואפילו CPUs למטרות כלליות ניתן להשתמש לעיבוד אותות, DSPs מציעים יתרונות נפרדים ביישומים מהירים DAQ.

ביצועים מהירים עם קוצר לב

DSPs לספק עיבוד דטרמיסטי, נמוך-עוצמה חיוני לשליטה בזמן אמת. בניגוד GPUs, אשר זחל נתונים מעבדים בגרעין גדול, DSPs מעבדים דגימת נתונים על ידי-הרבה או בלוקים קטנים, להבטיח כי המערכת יכולה להגיב בתוך מיקרו-שניות.חומרה ייעודית עבור פעולות MAC ו-FFTs מאפשר DSPs כדי להוציא פקודות של Cforms על ידי גודל עבור משימות פחות יעילות תוך פחות.

גמישות וגמישות

יתרון מפתח על מעגלים משולבים ספציפיים יישומים (ASICs) הוא היכולת לתכנת מחדש DSPs עבור אלגוריתמים שונים וניסויים. פלטפורמה יחידה DSP המבוססת על DAQ ניתן להשתמש עבור ניטור סיסמית, ולאחר מכן מחדש עבור אסטרונומיה רדיו על ידי פשוט לטעון קושחה חדשה. גמישות זו מפחיתה את זמן הפיתוח ועלות, במיוחד בסביבות מחקר שבו דרישות מתפתחות במהירות.

כוח יעילות

עבור מכשירים מדעיים ניידים או מרוחקים - כגון סממטרים האוקיינוס או ספקטרום מבוסס לווייני - צריכת חשמל היא קריטית. DSPs הם אופטימיזציה לביצועים גבוהים עבור וואט, המספקים עשרות של ג'יגה-פעולה לשנייה תוך כדי ציור רק כמה וואט.זה מאפשר מערכות DAQ מופעל סוללות לפעול במשך חודשים או שנים ללא תחזוקה.

הוצאה להורג נחושה

ניסויים מדעיים דורשים תזמון צפוי.DSPs נועדו לפעולה בזמן אמת, עם ביצוע דטרמיוני של קוד (ללא מפספסי שפיחה, ללא מערכת הפעלה Jitter) זה מאפשר לחוקרים להתאים במדויק זרמי נתונים מחיישנים מרובים ולשלב אירועים עם דגימות מדויקות.

יישומים במחקר מדעי

מערכות רכישת נתונים DSP-enhanced מתפשטות על פני הנוף המדעי.כאן אנו מדגישים כמה תחומים שבהם DSPs אפשרו התקדמות משמעותית.

סיאולוגיה וגיאופיזיקה

בSismology, מערךים של סממטרים פס רחב ללכוד תנועה קרקעית על פני טווח תדר רחב (0.001 Hz ל 100 הרץ) DSPs בתוך הסמנטמונים של זמן אמת מסנן גלי גוף נפרדים גלי פני השטח וכדי להסיר רעש אנתרוגני (x1 Hz ל-100 הרץ) בסקרי רסומי רסומי רסומיים פעילים (למשל, החל מ- vise) באמצעות רזולוציה שנייה, כגון ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

אסטרונומיה רדיו

טלסקופים רדיו כמו כיכר קילמאטר ארי (SKA) דורשים עיבוד אות מסיבי, בזמן אמת.הנתונים הגולמיים מאלפי אנטנה חייב להיות מתואמת והופכים לתמונות.DSPs משמשים ב backends הדיגיטלי כדי לבצע תקשור (באמצעות אות רוחב לתוך ערוצי מחקר צר), סיינטאז, וניתוח תזמון pulsar.

הנדסה ביולוגית

DSPs הם היסוד לרכישת אותות ביו-רפואיים ועיבוד. באלקטרונספילוגרפיה (EEG) ומכשירי מגנטיות (MEG), DSPs מסננים את פריטי השרירים ואת התערבות קו החשמל תוך שמירה על אותות עצביים. in אלקטרוקרדיוגרפיה (ECG), הולטטר מסתמך על DSPLE-Power DSPs עבור זיהוי בזמן אמתי של ממש ליד ספקטרום אופטי (Dspecicial-Ficial-F) ו-DQicial Analysis (DQ) כגון: DSPicial Analysis) ו-DQualial-DSPicial Analysis, כלומר, כלומר, מעבדים של נתונים של DSPicial DSPicial-DSPicial-DSPericial-DSPs (DSPDSPicial DSPs) של חומר הדמיה של חומר של מערכת נתונים של DSPS (DSPicial של DSPDSPDSPDSPicial-DSPDSPicial של DSPs) ו-DSPULDSPDSPDSPULS (DSPs) עבור DSPicial-DSPicial של חומר הדמיה של מערכת ההפעלה DSPDSPDSP

פיזיקה גבוהה

חלקיקים מתנגשים, כגון ה-DSPs הגדול (LHC), מייצרים התנגשויות כל 25 ננו-שניות. אלקטרוניקה מלפני הגלאי להשתמש ב- ADCs במהירות גבוהה להאכיל DSPs (לעתים קרובות משולב ב- FPGAs) אשר מבצעים אפס-דיכוי, איסוף, וערכת אנרגיה.ATLAS ו- CMS מעסיקים אלגוריתמים מיוחדים כדי להחליט אילו התנגשויות 99%, כדי לדחות את האירועים הפיזיקלידיעתיים.

פיקוח סביבתי

במדעי אטמוספרי, מערכות לידר פולטות דופקי לייזר ולוכדות אור מהדהד עם photodetectors. DSPs מעבדות את אותות החזרה כדי למקם את האווירול ופרופילי ענן, החלת טווח תיקון ו averaging. בדומה, דופלר אקוסטי הנוכחי פרופילים (ADs) באוקיינוס להשתמש DSPs כדי לנתח את משמרות דופללר מרעשים מפוזרים על ידי חלקיקים במים, המאפשרים של מדידות בזמן אמתיות (DSPs) באוקיאנוסים).

תכונות טכניות מפתח של DSPs עבור רכישת נתונים

כדי להעריך כיצד DSPs להשיג את הביצועים שלהם, זה עוזר לבחון כמה תכונות אדריכליות רלוונטיות במיוחד מערכות DAQ במהירות גבוהה.

Multiply-Accumulate (MAC) Units

פעולת ה- MAC – הגדלה של שני מספרים והוספת התוצאה למולטור – היא הליבה של סינון דיגיטלי ו- convolution. DSPs לשלב אחת או יותר יחידות MAC ייעודיות שיכולות להשלים את הניתוח הזה במחזור שעון יחיד.עם יחידות MAC מרובות שבוצעו במקביל, DSP יכול להשיג באמצעות חישובים נמדדים ב-Graa-MACs (GMACs). לדוגמה, מערכת ההפעלה TMS עד 1.2C5x עד 32.

אדריכלות הרווארד ואדריכלות משנה

באמצעות אוטובוסים נפרדים להנחיות תוכנה ונתונים, DSPs יכול להביא את ההוראה הבאה בעת ובעונה אחת גישה לזיכרון נתונים.אדריכלות בהרווארד שונה מאפשרת אוטובוסים נתונים נוספים, המאפשרת עומסי נתונים מרובים וחנויות לכל מחזור.מקבילה זו חיונית לעיבוד אותות מצנרת, שבו כל שלב דורש זרימת נתונים קבועה.

נקודת התחלה קבועה לעומת Floating-Point

DSPs זמינים הן קבועות נקודות קצה והן גירסאות צף. .DSPs קבוע (למשל, TMS320C54x סדרה) להשתמש integer ⁇ עם דרוג, המציע עלויות נמוכות וצריכת חשמל אבל דורש ניהול דינמי קבוע - ירידה במשקל DSPs (למשל, TMSC67x ADSPVR,SP-21) לספק טווח דינמי יותר, כגון רמה גבוהה יותר של אלגוריתם גבוה יותר של רמה גבוהה יותר של רזולוציה גבוהה יותר של אלגוריתם.

DMA ו-Efficient Data Movement

מערכות רכישת נתונים מעבירות נתונים מ- ADC לזיכרון מעבד, ולאחר מכן אל הליבה של DSP, ולבסוף לאחסון או שידור. כדי למזער את טעינת CPU, DSPs כוללים גישה זיכרון ישירה (DMA) שיכולה להעביר בלוקים של נתונים ללא התערבות הליבה. מנועי DMA Multi-channel מאפשרים העברות במקביל וממספר רב של היקפים (למשל, ADC קלטות DAC, תפוקה, Ethernets, Ethernets), ומאפשרות הדבקה אמיתית של , , , קונסולות , קונסולות קונסולות , , Ethernet).

שילוב של DSPs עם אדריכלות DAQ המודרנית

ככל שניסויים במחקר גדלים מורכבים יותר, אף מעבד יחיד לא יכול לספק את כל הצרכים.מערכות DAQ מודרניות משלבות לעיתים קרובות DSPs עם אלמנטים אחרים של compute כדי להשיג את האיזון הטוב ביותר של ביצועים, גמישות וכוח.

DSP + FPGA מערכות היברידיות

מערך השערים ההסתברותי של שדה עולה בקנה אחד עם פעולות מקבילות, בעלות נמוכה כגון די-פירציה גבוהה, דיגיטאלית למטה-conversion וזיהוי הדופק. במערכות רבות, FPGA מבצע תנופה ראשונית של נתונים בקצב ADC המלא, בעוד DSP מטפל ביצועים גבוהים יותר כמו ניתוח ספקטרלי, בקרה לוגיקה, ופרוטוקולים של עבודה זו של מקבילות GGAX מקבילות גבוהה יותר עבור אלגוריתמים מתקדמים יותר, לדוגמה אלגוריתמים של GFPDSD-DIVE, כמו אלגוריתמים סטנדרטיים סטנדרטיים של אלגוריתמים מתקדמים יותר, כמו GFPDPU עבור אלגוריתמים סטנדרטיים של אלגוריתמים מתקדמים יותר, לדוגמה אלגוריתמים מתקדמים יותר, אלגוריתמים מתקדמים יותר, כמו GFPDSDDSDDSDDSDDPU עבור אלגוריתמים מתקדמים יותר, אלגוריתמים סטנדרטיים של אלגוריתמים של אלגוריתמים, כמו ניתוח אלגוריתמים, כמו אלגוריתמים, כגון אלגוריתמים, אלגוריתמים מתקדמים יותר, לדוגמה, אלגוריתמים מתקדמים יותר, אלגוריתמים מתקדמים יותר, כגון אלגוריתמים, אלגוריתמים, אלגוריתמים של אלגוריתמים של אלגוריתמים מתקדמים יותר, אלגוריתמים של אלגוריתמים של

SoC Solutions (מערכת על צ'יפ)

ספקים רבים של DSP מציעים כעת מכשירים מערכת-על-צ'יפ המשלבים את הליבה DSP עם מעבד יישומים ARM או RISC-V, יחד עם ADCs במהירות גבוהה, DACs, ופריפריה.The TI OMAP-L 138 ו- ADISP-SC58x סדרה הם דוגמאות. SoCs להפחית את שטח וצריכת החשמל תוך מתן פלטפורמה מאוחדת עבור נתונים, רשתות רדיו-C ל-DV מרחוק, ל-D.

השוואה עם GPU- Based Processing

GPUs מציעים מקבילה מסיבית לעיבוד אצווה של נתונים גדולים, מה שהופך אותם אידיאליים לניתוח לא מקוון או יישומים בזמן אמת שבו השקיפות אינה קריטית.עם זאת, עבור DAQ במהירות גבוהה הדורש תשובות מיקרו-שניות ברמת ה-DSP (לעיתים קרובות בשילוב עם FPGAs) נשאר הבחירה המועדפת.

מגמות עתידיות בDSP-Enhanced DAQ למחקר מדעי

הדרישות של מחקר מדעי ממשיכות להניע חדשנות בטכנולוגיית DSP. מגמות רבות מעצבות את הדור הבא של מערכות רכישה במהירות גבוהה של נתונים.

שילוב עם בינה מלאכותית ולמידה של מכונות

אלגוריתמי DSP מסורתיים מוגדרים בעיקר על ידי מסננים מעובדים והופכים.רחבים יותר, החוקרים מעסיקים מודלים למידת מכונה - כגון רשתות עצביות אבולוציה (CNN) ורשתות עצביות חוזרות ונשנות (RNNs) - כדי לזהות דפוסים בנתונים של חיישן.DSPnce הם גם מוסיפים מאיצים עצביים של DSPwork לאדריכלות שלהם, המאפשרים ניתוק על אותו שבבים אשר מבצעים שבבים אוטומטיים של DSPI, אך מאפשר גם לבצע בדיקות נתונים עם DSPID-DITDITDIT בלבד, אך ורק כדי לשנות ויזואליות מתקדמות עם מערכות למידה דיגיטלית, אך ורק , אך מאפשר , אך מאפשר , אך מאפשר , אך ורק , אך ורק , אך ורק , כולל מצבי אבטחה מתקדמים, אך מאפשר , אך ורק , אך מאפשר למערכות של DSPI, כולל מצבי אבטחה מתקדמים, אך ורק , אך ורק למערכות של DSPI, אך מאפשר , כולל מצבי אבטחה מתקדמים, אך ורק למערכות אבטחה מתקדמים, כולל בדיקות טכנולוגיות מתקדמות, אך ורק .

צוק ותהליכים מבוזרים

ברשתות חיישן בקנה מידה גדול (למשל, observatories, ⁇ סיסמי, רשתות ניטור סביבתי), העברת כל הנתונים הגולמיים לשרת מרכזי הוא רוחב פס-פרוביטיבי. DSPs בקצה יבצע יותר ויותר עיבוד מקומי, דחיסה, ומיצוי תכונה, שליחת רק מופחתת, מידע משמעותי זה תואם את עקרונות מחשוב, יאפשר פריסות נרחבות של מכשירים מדעיים בסביבה מרחוק.

גבוה יותר Bandwidth ו Faster Converters

כמו טכנולוגיית ADC מתקדמת במהירות ל 20+ GHz sampling שיעורי יישומים כמו 5G בדיקות ואסטרונומיה רדיו הדור הבא, DSPs חייב לשמור על קצב. .DSPs עתידיים לשלב ממשקים סידוריים מהירים יותר (JESD204C, קישורים אופטיים) ולהגדיל את מהירות השעון הפנימי כדי להתמודד עם הנתונים deluge. Multi-core DSPs שעום ב 2–3GHz עם ליבות סבירות, לספק כוח tC.

המונחים: shape

מחשבים קוונטיים דורשים שליטה מפונקת ואלקטרוניקה קריאה עם רעש נמוך מאוד מהירות גבוהה.DSPs לשחק תפקיד בעיבוד אותות קריאה, החל מסננים מתאימים וביצוע אפליה המדינה. כמו בקנה מידה מחשוב קוונטי, DSPs מיוחדים המיועדים לטמפרטורה נמוכה זו, משימות בעלות גבוהה עלולות להופיע, שילוב עקרונות של עיבוד אות קלאסי עם טכניקות תיקון שגיאות חדשות.

מסקנה

מעבדי אותות דיגיטליים כבר זמן רב את עבודת מערכות רכישת נתונים במהירות גבוהה במחקר מדעי.שילוב ייחודי של חישוב גבוה באמצעות חישוב, שקיפות נמוכה, ⁇ בזמן אמת, וגמישות מאפשרת להם חיוני כדי לחלץ משמעות מהמידע הזורם במהירות שנוצר על ידי מכשירים מודרניים, החל ממעמקי האוקיינוס ועד להישגים נרחבים של חלל, DSPs מאפשר למדענים ללכוד, לנתח, לנתח, ולפרש אותות טהורים, כלומר, אותות מדויקים, כדי לדחוף את רוחב פס גבוה יותר, כמו גם לחשיבה מתקדמת, כמו גם לרעש, כמו גם לרעשים של חומר חכם, כמו גם למהירויות גבוהות יותר, כמו גם למהירויות של חומרת, כמו גם לרעש, כמו גם למהירויות של חומרת משקל, כמו גם למהירויות גבוהות יותר, כמו גם למהירויות גבוהות יותר, כמו גם למהירויות של חומרת משקל, כמו גם למהירויות של חומר של חומר חכם, כמו גם למהירויות של חומרת משקל, כמו גם למהירויות גבוהות יותר, כמו גם למהירויות גבוהות יותר, כמו גם למהירויות גבוהות יותר, כמו גם למהירויות של חומרת משקל, כדי למהירויות של חומרת, כמו גם לזרז של חומרת, כדי לזרז, כמו גם לזרז, כמו גם לזרז, כדי לזרז של חומרת משקל, כמו

לקבלת מידע מפורט יותר על ארכיטקטורות DSP ספציפיות ויישום שלהם ברכישת נתונים, הקוראים עשויים להתייחס למשאבים הבאים:

• (ב) ◄ ⁇ ⁇ ⁇
• (ב) ◄ ◄ מנגנוני ה-DSPIRLT 1
• שיתוף פעולה בין כלכלנים ל-DSP for RadioאסטרונומיהFIRLT 1