Architekturen der digitalen Signalverarbeitung

Prof. Dr.-Ing. Peter Pirsch, Vizepräsident am Institut für Theoretische Nachrichtentechnik und Informationsverabeitung, Universität Hannover

'Mit den Fortschritten in der Mikroelektronik wächst auch der Bedarf an VLSI-Realisierungen von digitalen Signalverarbeitungseinheiten. Die zunehmende Komplexität der Signalverarbeitungsverfahren führt insbesondere bei Signalen mit hoher Quellenrate auf Anforderungen, die nur durch spezielle Schaltungsstrukturen erfüllt werden können. Dieses Buch behandelt Schaltungstechniken und Architekturen zur Erzielung hoher Durchsatzraten von Algorithmen der Signalverarbeitung. Neben alternativen Schaltungstechniken zur Realisierung der Basisoperationen, Addition, Multiplikation und Division werden CORDIC-Architekturen zur Implementierung transzendenter Funktionen vorgestellt. Zur Konzeption von Systemen mit Parallelverarbeitung und Pipelining wird ein allgemeines Verfahren zur Abbildung von Signalverarbeitungsalgorithmen auf anwendungsspezifischen Architekturen erläutert. Hierzu werden beispielhaft spezielle Architekturen für Filter, Matrixoperationen und die diskrete Fouriertransformation erörtert. Architekturen programmierbarer digitaler Signalprozessoren sowie beispielhafte zugehörige Implementierungen sind eingeschlossen. Das Buch soll sowohl Studenten und Ingenieure der Elektrotechnik als auch der technischen Informatik mit Architekturkonzepten der digitalen Signalverarbeitung vertraut machen.

Mit den Fortschritten in der Mikroelektronik wächst auch der Bedarf an VLSI-Realisierungen von digitalen Signalverarbeitungseinheiten. Die zunehmende Komplexität der Signalverarbeitungsverfahren führt insbesondere bei Signalen mit hoher Quellenrate auf Anforderungen, die nur durch spezielle Schaltungsstrukturen erfüllt werden können. Dieses Buch behandelt Schaltungstechniken und Architekturen zur Erzielung hoher Durchsatzraten von Algorithmen der Signalverarbeitung. Neben alternativen Schaltungstechniken zur Realisierung der Basisoperationen, Addition, Multiplikation und Division werden CORDIC-Architekturen zur Implementierung transzendenter Funktionen vorgestellt. Zur Konzeption von Systemen mit Parallelverarbeitung und Pipelining wird ein allgemeines Verfahren zur Abbildung von Signalverarbeitungsalgorithmen auf anwendungsspezifischen Architekturen erläutert. Hierzu werden beispielhaft spezielle Architekturen für Filter, Matrixoperationen und die diskrete Fouriertransformation erörtert. Architekturen programmierbarer digitaler Signalprozessoren sowie beispielhafte zugehörige Implementierungen sind eingeschlossen. Das Buch soll sowohl Studenten und Ingenieure der Elektrotechnik als auch der technischen Informatik mit Architekturkonzepten der digitalen Signalverarbeitung vertraut machen.

1 Einführung.- 1.1 Algorithmen der Signalverarbeitung.- 1.2 Implementierungsaspekte.- 1.3 Inhaltsübersicht.- 2 Grundschaltungen in CMOS-Technologie.- 2.1 Transistor-Modellierung.- 2.2 Grundschaltungen.- 2.3 Siliziumfläche.- 2.4 Verzögerungsverhalten.- 2.5 Aufgaben.- 3 Realisierung der Basisoperationen.- 3.1 Zahlendarstellung.- 3.2 Addierer und Subtrahierer.- 3.3 Multiplizierer.- 3.4 Dividierer.- 3.5 Realisierung elementarer Funktionen.- 3.6 Aufgaben.- 4 Maßnahmen zur Leistungssteigerung.- 4.1 Parallelverarbeitung und Pipelining.- 4.2 Effizienzvergleich.- 4.3 Aufgaben.- 5 Array-Prozessorarchitekturen.- 5.1 Array-Prozessorrealisierungen.- 5.2 Algorithmendarstellungen.- 5.3 Lineares Abbildungsverfahren.- 5.4 Erweiterungen der Abbildungsverfahren.- 5.5 Realisierungsaspekte und Optimierung.- 5.6 Aufgaben.- 6 Filterstrukturen.- 6.1 Charakterisierung digitaler Filter.- 6.2 ID FIR-Filterstrukturen.- 6.3 2D FIR-Filter.- 6.4 Polyphasenfilterstrukturen.- 6.5 IIR-Filterstrukturen.- 6.6 Aufgaben.- 7 Realisierungen der diskreten Fourier-Transformation.- 7.1 Charakteristik der DFT.- 7.2 Direkte Implementierung der DFT.- 7.3 Schnelle Fourier-Transformation.- 7.4 Aufgaben.- 8 Programmierbare digitale Signalprozessoren.- 8.1 Architekturen von DSP-Prozessoren.- 8.2 Programmierung von Signalverarbeitungsalgorithmen.- 8.3 Architekturoptimierung mit einfachen Modellen.- 8.4 Entwurfsunterstützung für DSP-Systeme.- 8.5 Aufgaben.- 9 Multiprozessorsysteme.- 9.1 Architekturen von Multiprozessoren.- 9.2 Leistungsvergleich von Multiprozessorstrukturen.- 9.3 Aufgaben.- 10 Implementierungsstrategien.- 10.1 Algorithmusabhängige Architekturmodifikationen.- 10.2 Realisierungsalternativen.- 10.3 Aufgaben.- Literatur.- Stichwortverzeichnis.