Opciones de IC de Procesador de Señales Digitales para Aplicaciones Embebidas

Circuito integrado de procesador de señales digitales en una placa base embebida.

Tus conversaciones telefónicas, videos en streaming, música en streaming, la cámara de tu smartphone y mucho más no funcionarían como están diseñados sin un circuito integrado de procesador de señales digitales. En muchos sistemas más nuevos, los algoritmos que ejecutan tareas importantes de procesamiento de señales digitales se están integrando en SoCs, se ejecutan como software en una instancia de sistema operativo embebido, o simplemente se delegan al cloud (por ejemplo, en sistemas embebidos conectados al cloud). Estas tareas necesitan ser definidas a nivel de hardware, nivel de software, o ambos, y la selección de componentes dictará el tiempo de cálculo y la precisión de los resultados.

Procesadores de Señales Digitales IC vs. FPGAs

Áreas de aplicación como 5G y computación en el borde están alejándose de las FPGAs para el poder de procesamiento a favor de SoCs personalizados y componentes de procesador de señales digitales especializados. El crecimiento en este mercado ya se proyecta que crecerá a tasas similares a las del mercado de FPGA gracias a la facilidad de programación y mayor especialización, y menos necesidad de paralelización. Debido a estos cambios en el paisaje del mercado y los requisitos de los dispositivos, ayuda comparar las opciones de procesador de señales digitales IC con las FPGAs ya que pueden realizar las mismas funciones, pero de maneras diferentes y con diferentes métricas de rendimiento.

Ambos tipos de componentes pueden realizar operaciones aritméticas de punto fijo y punto flotante, tienen huellas similares, y un costo similar por operación aritmética en algunos casos. Sin embargo, tienen conjuntos de características diferentes, curvas de aprendizaje de programación diferentes y niveles completamente diferentes de especialización. Las FPGAs ofrecen una programación altamente personalizable, mientras que los DSPs están destinados para aplicaciones especializadas de procesamiento de señales (de ahí el nombre). Solo algunas FPGAs de señal mixta especializadas incluyen bloques ADC/DAC, mientras que la mayoría de los DSPs de alto rendimiento incluirán bloques DAC/ADC para la interfaz con sensores y otros instrumentos.

Para resumir, cuando necesitas un procesador que proporciona alta personalización con recursos compartibles, mayor velocidad de procesamiento y significativa paralelización, tendrás cálculos más rápidos y menor costo por MAC, la mejor elección es una FPGA. Sin embargo, si la velocidad no es el factor crítico, y necesitas características integradas específicas, estarás mejor usando un circuito integrado de procesador de señales digitales. A tasas de reloj/MAC más bajas, verás cálculos más rápidos con un costo por MAC similar al de una FPGA.

Un circuito integrado de procesador de señales digitales necesitará interfaz con otros componentes a través de protocolos estándar.

Benchmarks de Procesadores de Señales Digitales IC

Hay algunas pautas importantes a considerar al seleccionar un circuito integrado de procesador de señales digitales:

• Tasa de multiplicar-acumular (MAC): Esto está relacionado con el punto siguiente, pero también depende de la profundidad de bits para tus operaciones de punto fijo o flotante. Este es el principal punto de referencia utilizado para evaluar el rendimiento de un circuito integrado de procesador de señal digital.
• Tasa de reloj/instrucción: Las tasas de instrucción normalmente se miden en MIPS (millones de instrucciones por segundo) o como un valor de tiempo de ciclo.
• Rendimiento contra algoritmos de referencia: Mediciones específicas de los tiempos de cálculo para algoritmos de referencia te dan un punto de comparación con el cual comparar tus propios algoritmos. Dos algoritmos de referencia comunes son el filtrado de respuesta al impulso finito y FFT.
• Acceso a periféricos integrados: Estos circuitos integrados típicamente ofrecen múltiples E/S programables e interfaces en un solo paquete para la interconexión con otros componentes. Presta atención a los protocolos de señalización disponibles en tu circuito integrado.
• Costo: una de las ventajas de estos componentes es su mayor rendimiento para tareas de procesamiento de señales con un costo menor que los MCUs o FPGAs comparables (ver arriba). A menudo hay poca ventaja en comprar de más a menos que necesites acceso a más periféricos o interfaces externos.

Opciones de Circuitos Integrados de Procesador de Señal Digital de Alto Rendimiento

Estas opciones proporcionan cálculos más rápidos y precisos en comparación con sus contrapartes FPGA a tasas de reloj similares y con un costo similar. La curva de aprendizaje de programación también es más fácil para estos componentes, lo que ayuda a muchos diseñadores a lanzar nuevos productos al mercado más rápido que cuando se utiliza un FPGA.

Texas Instruments, TMS320C6720BRFP200

El TMS320C6720BRFP200 de Texas Instruments es un circuito integrado de procesador de señal digital de bajo costo que admite cálculos de punto fijo de 32 bits, punto flotante de 32 bits (precisión simple) o punto flotante de 64 bits (doble precisión). Algunas aplicaciones ideales para este componente incluyen sistemas de audio de alto rendimiento (por ejemplo, efectos en tiempo real, síntesis de audio, modelado de instrumentos, codificación/transmisión), imagen médica (por ejemplo, tomografía 3D y procesamiento de imágenes), biometría y otras aplicaciones que requieren tareas de procesamiento de señales especializadas.

Este componente no incluye bloques ADC/DAC, aunque incluye 2 interfaces SPI y 2 I2C para conectar a componentes externos de ADC/DAC. Este componente también incluye una Interfaz de Puerto de Host Universal (UHPI), donde una CPU de host externa puede acceder a memorias en el componente en paralelo. A diferencia de algunos otros circuitos integrados de procesador de señal digital, hay cierto nivel de paralelización en los cálculos:

A 350 MHz, la CPU es capaz de un rendimiento máximo de 2800 MIPS/2100 MFLOPS ejecutando hasta ocho instrucciones (seis de las cuales son instrucciones de punto flotante) en paralelo cada ciclo. La CPU admite de forma nativa aritmética de punto fijo de 32 bits, punto flotante de precisión simple de 32 bits y punto flotante de doble precisión de 64 bits [del datasheet de TMS320C6720BRFP200]

Diagrama de bloques funcional para el procesador de señales digitales IC TMS320C6720BRFP200. Del datasheet de TMS320C6720BRFP200.

Analog Devices, ADSP-21161NCCAZ100

El ADSP-21161NCCAZ100 de Analog Devices es otro procesador de señales digitales IC que se enfoca en aplicaciones de audio, video, médicas e industriales. Este componente BGA ofrece muchos más periféricos integrados, incluyendo 1 Mbit de SRAM integrada, 16 flujos Tx/Rx a través de I2S, un bus SPI y una interfaz JTAG. Soporta formatos de datos de 32 bits de punto fijo, 32 bits de punto flotante (precisión simple) y 40 bits de punto flotante (precisión extendida) a hasta 660 MFLOPS.

Como un algoritmo de evaluación de referencia, este componente completa un cálculo FFT complejo de 1024 puntos en solo 92 μs y un filtro de respuesta al impulso finito a 5 ns por toque (tasa de instrucción de 100 MHz). Esto hace que el procesador sea ideal para aplicaciones de procesamiento de audio e imagen en tiempo real. Los tiempos de cálculo para algoritmos de referencia importantes se muestran a continuación.

Rendimiento del ADSP-21161NCCAZ100 contra algoritmos de referencia. Del datasheet de ADSP-21161NCCAZ100.

Texas Instruments, 66AK2E05XABDA4

El 66AK2E05XABDA4 procesador de señales digitales IC tiene un costo más alto que el componente de TI mostrado arriba, pero ofrece una velocidad de procesamiento mucho más rápida y acceso a muchos más periféricos. También puede interfaz con 2 interfaces USB 3.0 y 2 periféricos PCIe. Además, proporciona 32x GPIO, 2x UART y 3x interfaces SPI, así como 1 GBE y 10 GBE Ethernet. Todo está construido sobre un quad-core ARM A15 con una tasa de reloj de 1.4 GHz. En cuanto a capacidades de procesamiento, este componente proporciona cálculos de punto fijo de 32 bits (38.4 GMACS/Core @ 1.2 GHz) y punto flotante (19.2 GFlops/Core @ 1.2 GHz). El 66AK2E05XABDA4 incluye una interfaz EMIF DDR3 SDRAM de 64 bits de ancho y 1.5-V.

Diagrama de bloques funcional para el procesador de señales digitales IC 66AK2E05XABDA4. Del datasheet de 66AK2E05XABDA4.

Cuando estás buscando un procesador de señales digitales IC, encontrarás todas las partes mostradas arriba y muchas otras opciones en Octopart. También encontrarás muchas opciones de componentes de apoyo para tu próximo PCB.

Mantente al día con nuestros últimos artículos suscribiéndote a nuestro boletín.