Réalisation d’un filtre numérique multi-cadence à l’aide d’une carte DSP TMS320VC5416

Les bancs des filtres :

    Les bancs de filtres se composent d’un système linéaire invariant (LTI) et d’opérations de sous-échantillonnage et sur-échantillonnage. Les systèmes multi-cadences sont classés en deux types selon leur mode de fonctionnement. Le premier type correspond à une structure de bancs de filtres dans laquelle le signal d’entrée original est subdivisé en différentes bandes ou canaux, selon les exigences d’une application donnée, tandis que le second type correspond à une structure de transmultiplexeur (TMUX), dans laquelle plusieurs signaux sont combinés et transférés par le même canal dans un système de communication. La figure II.16 présente un schéma fonctionnel généralisé de ces structures. Dans la Figure II.16 (a), le signal d’entrée est décomposé en différentes sous-bandes à l’aide d’un banc de filtres ; ici, un signal d’entrée est analysé, de sorte que ces filtres sont également appelés filtres d’analyse, et du côté du récepteur, ces sous bandes sont synthétisées en un signal reconstruit, de sorte qu’on les appelle filtres de synthèse. En raison de cette opération, cette structure est également connue sous le nom de système d’analyse/synthèse multi-cadences. Plusieurs signaux d’entrée sont filtrés par un ensemble de filtres, également appelés filtres de synthèse et combinés en un signal composite, qui est à nouveau filtré en plusieurs signaux côté récepteur par un banc de filtres, également appelés filtres d’analyse

Bancs de filtre à mémoire quadrature QMF :

  Le banc de filtre à miroirs quadrature à deux canaux (QMF) est une structure de filtresnumériques à débits multiples qui se compose de deux décimateurs dans la section d’analyse dusignal et de deux interpolateurs dans la section de synthèse du signal. Ces bancs de filtres ont d’abord été utilisés dans le codage de sous-bandes, où le signal est divisé en deux ou plusieurs sousbandes dans le domaine des fréquences, de sorte que chaque signal de sous-bandes peut être traité de manière indépendante. Les bancs de QMF trouvent des applications dans divers domaines, tels que, codage d’image, systèmes de modulation multi porteuse, analyse spectrale bidimensionnelle à court terme, systèmes d’antenne, progrès de la théorie de l’échantillonnage, …  Le signal d’entrée discret est divisé en deux signaux de sous-bande comprenant largeur de bande égale, en utilisant les filtres d’analyse passe-bas et passe-haut respectivement H1 (z) et H2 (z). Les signaux de sous-bande sont décimés par un facteur de deux pour obtenir une compression du signal ou réduire la complexité du traitement. Les sorties des filtres de synthèse sont combinées pour obtenir le signal reconstruit . Le signal reconstruit souffre de distorsion d’aliasing (ALD), de distorsion de phase (PHD) et de distorsion d’amplitude (AMD) du fait que les filtres d’analyse et de synthèse ne sont pas idéaux. Par conséquent, l’accent principal de la plupart des chercheurs, en concevant le prototype de filtre pour le banc de QMF à deux canaux, a été sur l’élimination ou la minimisation de ces trois erreurs afin d’obtenir un système de reconstruction parfaite(PR)

Présentation d’un DSP :

   Un processeur de traitement numérique du signal (Digital Signal Processor) est un composant électronique programmable [12]. DSP de Texas Instruments est un processeur spécialisé pour effectuer en grandes vitesse les opérations divers de traitement de signal tel que le filtrage, la transformation et l’analyse spectrale en temps réel. L’architecture en DSP est optimale pour effectuer des calculs complexes en un cycle d’horloge, mais aussi pour accéder très facilement à un grand nombre d’entrées-sorties (numériques ou analogiques). La fonction principale utilisée dans le DSP est la fonction MAC (Multiply and Accumulate) . Les DSP sont utilisés dans la plupart des applications en temps réel. On les trouve dans les modems, les téléphones mobiles, les appareils multimédia, les récepteurs GPS, etc… .

Système de traitement numérique du signal à base de DSP :

  Le traitement numérique du signal (DSP) implique la manipulation de signaux numériques afin d’en extraire des informations utiles. Bien qu’un nombre croissant de traitements de signaux soient effectués dans le domaine numérique, il reste nécessaire de s’interfacer avec le monde analogique dans lequel nous vivons. Les convertisseurs de données analogique-numérique (A/N) et numérique-analogique (N/A) sont les dispositifs qui rendent cette interface possible. Il y a de nombreuses raisons pour lesquelles nous souhaitons traiter un signal analogique de manière numérique en le convertissant en un signal numérique, le coup de traitement analogique est élevé, et limité en fréquence d’échantillonnage d’où la limitation en gamme de fréquence. Enfin le traitement numérique amené à l’algorithmique permet d’avoir une grande souplesse pour la réalisation des taches de filtrage, la modularité des DSP permet leurs utilisations pour plusieurs taches à la fois [13]. Remarquons que l’utilisation des DSP n’est pas affectée par les variations de température.

Les caractéristiques d’un processeur DSP :

   Les processeurs DSP partagent certaines caractéristiques communes avec les processeurs classiques. Cependant ils se distinguent par les caractéristiques suivantes [14] :
1. Ils sont optimisés pour faire face à la répétition ou au bouclage d’opérations courantes dans les algorithmes de traitement du signal. Relativement parlant, les jeux d’instructions des DSP sont réduits et optimisés pour les opérations de traitement du signal, telles que la multiplication et l’accumulation à cycle unique.
2. Les DSP permettent un adressage indirect et circulaire. Ce sont des mécanismes d’adressage efficaces pour la mise en œuvre de nombreux algorithmes de traitement des signaux.
3. Les DSP possèdent des périphériques appropriés qui permettent une interface entrée/sortie (E/S) efficace avec d’autres périphériques (HPI, DMA, PLL, RS232…).
4. Accès mémoire multiple par cycle machine. En d’autres termes, ces processeurs ont une bande passante relativement élevée entre leurs unités centrales de traitement (CPU) et lamémoire.
5. Les DSP peuvent être combinés avec d’autres composants dans le même boîtier. Parexemple, un ou plusieurs DSP peuvent être combinés avec un microprocesseur classique et des convertisseurs CAN et CNA. Ce type d’assemblage (circuits intégrés dédiés) permet de réduire les coûts dans des fabrications de grande série. Les fonctions de traitement de signal peuvent également être réalisées à l’aide de FPGA, qui peut incorporer des « cœurs DSP » (en général des MAC).

La famille TMS320 de Texas Instruments :

    La famille TMS320 se compose de processeurs DSP 16 bits à virgule fixe, 32 bits à virgule flottante et multiprocesseur 64 bits à puce unique. Ces processeurs ont la flexibilité opérationnelle des contrôleurs à grande vitesse et la capacité numérique des processeurs matriciels. Combinant cesdeux qualités, les processeurs TMS320 sont des solutions de rechange peux coûteuses aux processeurs VLSI et aux processeurs à tranches binaires multi-puces fabriqués sur mesure. Les caractéristiques suivantes font de cette famille le choix idéal pour une large gamme d’usinage applications [15] :
 Jeu d’instructions flexible ;
 Flexibilité opérationnelle inhérente ;
 Performances à grande vitesse ;
 Architecture innovante et parallèle ;
 Rapport coût-efficacité.
En 1982, Texas Instruments a lancé le TMS32010, le premier DSP à virgule fixe de la famille TMS320. Le TMS32010 est devenu le modèle pour les générations futures de TMS320. Aujourd’hui, la famille TMS320 se compose de ces générations : les générations de points fixes C1x, C2x, C20x, C24x, C5x, C5x, C54x et C62x 16 bits ; les générations C4x, C3x et C67x 32 bits à virgule flottante ; et les générations de multiprocesseurs C8x 64 bits. Ces générations sont toutes complétées par des produits à signaux mixtes tels que les convertisseurs de données. Chaque génération d’appareils TMS320 a une structure similaire, un processeur combiné à une variété de mémoires sur puce et de configurations périphériques. De nouvelles combinaisons de mémoire à puce et d’options périphériques sont utilisées pour créer des dispositifs spin-off qui répondent à un large éventail de besoins sur le marché mondial de l’électronique. Lorsque la mémoire et les périphériques sont intégrés dans un processeur, le coût global du système est considérablement réduit et l’espace de carte est économisé [16].

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Table des matières

REMERCIMENTS
Listes des Figures
Liste des tableaux
Liste des abréviations
Résume
Introduction Générale
Chapitre I : Rappels sur les concepts du filtrage numérique
I.1. Introduction 
I.2. Gabarit des filtres
I.3. Classification des filtres numériques 
I.4. Choix entre un filtre RIF et IIR
I.5. Filtre à réponse impulsionnelle finie RIF
I.5.1. Réalisation des filtres RIF
I.5.2. Propriétés des filtres RIF
I.5.3. Synthèse des filtres RIF
II.6. conclusion
Chapitre II : Conception des filtres multi-cadence
II.1. Introduction 
II.2. Décimation 
II.2.1. Filtre de décimation
II.2.2. Identité de la décimation
II.3. Interpolation
II.3.1. Filtre d’interpolation
II.3.2. Identités de l’interpolation
II.4. Décomposition polyphasé
II.5. Les bancs des filtres 
II.5.1. Bancs de filtre de deux canaux
II.5.2. Banc de filtres multi-cadence à M canaux
II.5.2. Bancs de filtre à mémoire quadrature QMF
II.6. Réalisation de filtre RIF
II.6.1. Structure directe pour les décimateurs RIF
II.6 .2. Structures directes pour les interpolateurs RIF
II.6.3. Structures de réalisations polyphasées pour filtres RIF
II.7. Conclusion
Chapitre III : Processeur de traitement du signal DSP
III.1. Introduction
III.2. Présentation d’un DSP 
III.3. Système de traitement numérique du signal à base de DSP 
III.4. Les caractéristiques d’un processeur DSP 
III.5. Applications d’un processeur DSP
III.6. Principales distinctions entre un DSP et un microprocesseur classique
III.7. Mesure de vitesse de calcul pure
III.8. Les type des DSP 
III.8.1. Les DSP à virgule fixe
III.8.2. Les DSP à virgule flottante
III.10. Architecture du processeur de signaux numériques
III.10.1. Harvard
III.11. La famille TMS320 de Texas Instruments 
III.11.1. La gamme DSP TMS320VC5416 de Texas Instruments
III .12. Conclusion
Chapitre IV : Résultats d’implémentation des filtres
IV. 1. Introduction
IV.2. Réalisation des filtres numérique
IV.3. Première partie : Réalisation des filtres à réponse impulsionnelle finie (RIF) sous MATLAB
IV.3. 1. Analyse d’un filtre numérique RIF passe-bas du second ordre
IV.3.2. Synthèse d’un filtre RIF
IV.3.3. Décimation et interpolation
IV.4. Deuxième partie : réalisation d’un filtre numérique multi-cadence à l’aide d’une carte DSP TMS320VC5416 sous MATLAB
IV.4.1. Réalisation d’un filtre RIF
IV.4.2. Réalisation d’un filtre RIF de décimation polyphasique
IV.4.3. Réalisation d’un filtre RIF d’interpolation polyphasique
IV.4.4. Implémentation d’un filtre multi-cadence dans une carte Raspberry
IV.4.5. La conception de base d’un filtre de décimation
IV.4.6. Exécution sur la carte Raspberry
IV.4.7. Lancement de l’exécution avec SIMULINK
IV.4.8. Les résultats à l’exécution du filtre de décimation
IV.5. Conclusion
Conclusion générale
Bibliographie
Résume

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