INHALT V

Inhalt   

1  Einleitung  1

1.1  Aufgabenstellung  3

1.2  Gliederung der Arbeit  3

2  Grundlagen  5

2.1  Das VTOL-MAV MD4-200  5

2.1.1  Leistungsdaten  6

2.1.2  Avionik  6

2.2  Digitale Signalprozessoren  8

2.2.1  Arithmetik  8

2.2.1.1  Fixkommaarithmetik  8

2.2.1.2  Gleitkommaarithmetik  9

2.2.1.3  Spezialisierte Recheneinheiten  10

2.2.2  Speicherzugriff  10

2.2.2.1  Direct Memory Access  11

2.2.3  Analog Devices Blackfin BF561  12

2.2.3.1  Die Blackfin Prozessorfamilie  12

2.2.3.2  Peripherie  13

2.2.3.3  Besonderheiten des ADSP-BF561  14

2.3  Bildsensorik  15

2.3.1  Verfahren der Bildaufnahme  15

2.3.2  Logische Repräsentation der Bilddaten  16

2.3.3  Bayer-Sensor  16

2.4  Farbmodelle  17

2.4.1  RGB  18

2.4.2  YUV und YCbCr  18

2.5  Bildübertragung  20

VI INHALT

2.5.1 Phase Alternating Line . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

2.6 Der Optische Fluss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

2.6.1 Prinzipien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

2.6.2 Das Verfahren nach Lukas und Canade . . . . . . . . . . . . . . . 23

3 Systemintegration 25

3.1 Anforderungen an Systemplattform . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

3.2 Hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

3.2.1 Systemüberblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

3.2.2 Systemkomponenten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

3.3 Betriebssystem und Applikationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

3.3.1 Das Betriebssystem μClinux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

3.3.2 Layout des Arbeitsspeichers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

3.3.3 Bootvorgang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

4 Erzeugung und Übertragung stereographischer Bilddaten 39

4.1 Entstehung des Tiefeneindrucks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

4.2 Erzeugung stereographischer Bilddaten in Echtzeit . . . . . . . . . . . . . 41

4.2.1 Signalpfad der Bilddaten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

4.2.2 Synchronisation der Kameras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

4.2.3 Bayer-Interpolation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

4.2.4 Farbraumkonvertierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

4.2.5 Erzeugung des PAL-Signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

4.3 Visualisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

INHALT VII

4.3.1  Darstellung mittels Videobrille  48

4.3.2  Darstellung mittels Anaglyphen  49

5  Schätzung des optischen Flusses mittels Census Transformation  53

6  Ergebnisse  59

6.1  Systemplattform  59

6.1.1  Technische Daten  59

6.2  Anwendungen  61

6.2.1  Stereographie  61

6.2.2  Schätzung des Optischen Flusses  62

7  Zusammenfassung  65

A  Verzeichnis der Applikationen  69

A.1  Applikationen  69

A.1.1  Verzeichnis camtools  69

A.1.2  Verzeichnis videnctools  70

B  Anaglyphenbrille  73

C  Schaltpläne  75

Literaturverzeichnis   79

VIII INHALT

ABBILDUNGSVERZEICHNIS IX

Abbildungsverzeichnis

1.1 VTOL-MAV MD4-200 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

2.1 Wesentliche Eigenschaften des VTOL-MAVs MD4-200 (aus [6] und [10]) . 6

2.2 Schematische Darstellung der Avionikkomponenten der MD4-200 . . . . . 7

2.3 32 Bit Integer- oder Festkommadarstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.4 32 Bit Gleitkommadarstellung (IEEE Format) . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2.5 Mehrschichtiges Speicherkonzept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.6 Optimierter Datenfluss mittels Direct-Memory-Access . . . . . . . . . . . 12

2.7 ADSP-BF561 Blockschaltbild (aus [17]) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.8 Prinzip der Bildaufnahme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2.9 Bayer-Filterstruktur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.10 Farbspektrum mit Darstellung des Farbtons als RGB-Komponenten und Farbwinkel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2.11 RGB Darstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

2.12 Beispiel in RGB Darstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

2.13 Y, U und V Komponenten nach Zerlegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

2.14 Aufbau eines PAL-Bildes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

2.15 Schema des Optischen Flusses: Bildsequenz a) und b) sowie Verschiebungsfeld der Sequenz c) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

3.1 Layout der Plattformhardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

3.2 Bluetechnix Prozessormodul CM-BF561 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

3.3 CMOS Kameramodul OV2630 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

3.4 Ansteuerung des ADV7393 Videoencoders . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

3.5 Struktur von Betriebssystem und Applikationen . . . . . . . . . . . . . . . 35

3.6 Speicherlayout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

3.7 Start des uClinux Betriebssystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

4.1 Entstehung des Tiefeneindrucks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

X ABBILDUNGSVERZEICHNIS

4.2 Aufnahme mittels Stereokamerasystems aus a) linker und b) rechter Perspektive mit Markierung perspektivisch verschobener Merkmale . . . . . . . . . 41

4.3 Erzeugung stereographischer Bilddaten: Signalpfad . . . . . . . . . . . . . 42

4.4 Synchronisation der Kameras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

4.5 Anordnung der Bilddaten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

4.6 Bayer-Interpolation durch Reduktion der Bildauflösung . . . . . . . . . . . 44

4.7 Unoptimierte a) und optimierte b) Aufteilung der Zugriffe auf verschiedene SDRAM-Bänke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

4.8 Übertragung der einzelnen Komponenten eines PAL-Bildes . . . . . . . . . 48

4.9 Videobrille . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

4.10 Anaglyphenbrille mit Rot/Cyan Farbfilter . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

4.11 Farbkodierte Perspektiven vor der Überlagerung zu einem Stereobild . . . . 50

4.12 Anaglyph zur Betrachtung mittels Rot/Cyan Anaglyphenbrille . . . . . . . 51

5.1 Grundüberlegung zur Bestimmung des optischen Flusses mittels Census-Transformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

5.2 Klassifikation der Umgebung eines Pixels . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

5.3 Filterschritte der Census-Transformation zur Schätzung des Optischen Flusses 56

6.1 Prototyp der Systemplattform . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

6.2 Farbsäume durch Interpolation, 4-fache Vergrößerung . . . . . . . . . . . . 61

6.3 Schätzung des optischen Flusses mittels a) Lukas-Canade Algorithmus der OPENCV-Bibliothek und b) Census Transformation . . . . . . . . . . . . . 62

C.1 Schaltplan Prototyp, Stromversorgung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

C.2 Schaltplan Prototyp, Prozessor und Kameras . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

C.3 Schaltplan Prototyp, Videoencoder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

Symbolverzeichnis XI

Glossar

Verwendete Abkürzungen

ALU Arithmetik Logic Unit ARM Advanced RISC Machine CMOS CPU DDR DMA Direct Memory Access FFC Flat Flex Cable GPIO HSYNC I ² C JTAG LVTTL MAC MAV microSD MIPS MMC PAL PCI PPI RTC RISC Reduced Instruction Set Computer SCCB Serial Camera Control Bus SDRAM SIMD SPI UART VSYNC VTOL

XII Glossar

Kapitel 1

Einleitung

Fortschritte in den Bereichen der Mikroelektronik, der elektrischen Antriebstechnik sowie insbesondere auch bei modernen Akkumulatortechnologien haben in den letzten Jahren die Entwicklung einer neuen Form von Luftfahrzeugen für die Luftbildfotografie und Fernerkundung möglich gemacht, die so genannten Micro Aerial Vehicles (MAV). Hierbei handelt es sich um kleine, unbemannte Luftfahrzeuge mit Gesamtabmessungen von weniger als einem Meter sowie einem Gewicht von unter einem Kilogramm. Die MAVs zählen zur Gruppe der Unmanned Aerial Vehicles, im deutschen Sprachraum findet man häufig auch die verallgemeinerte Bezeichnung Drohne.

Mögliche Ausführungen sind Bauformen als Starr- oder Drehflügler, vereinzelt befinden sich aber auch hybride Formen [2] in der Entwicklung, die das Flugverhalten von Insekten imitieren. Die jeweilige Ausführung ergibt sich aus der beabsichtigten Anwendung. Diese umfassen neben der militärischen Aufklärung zunehmend auch eine Fülle von zivilen Zwecken, wie zum Beispiel der Unterstützung von Polizei- und Feuerwehreinsätzen, der Inspektion von Bauwerken, der Verkehrsbeobachtung oder im Werkschutz. Durch Verwendung zusätzlicher Sensoren an Bord der MAVs wie zum Beispiel Infrarot-Detektoren oder Sensorik zur Messung von Gasen oder ionisierender Strahlung läßt sich das Einsatzspektrum auch auf den Umwelt- und Katastrophenschutz ausweiten.

Die Steuerung eines MAVs erfolgt durch einen Piloten per Funkfernsteuerung vom Boden

2 Kapitel 1 Einleitung

aus. Da insbesondere Drehflügel-MAVs ungeregelt ein instabiles Flugverhalten aufweisen, werden zunehmend verschiedene unterstützende Module wie Beschleunigungs- und Drehratensensoren, Radar- und Laserabstandsmesser sowie barometrische Höhenmesser eingesetzt, um die Fluglage zu stabilisieren. Durch Erweiterung um satellitenbasierte Navigationssysteme wie das Global Positioning System ist es durch Fusion der verschiedenen Sensordaten möglich, eine präzise Positionsbestimmung des MAVs vorzunehmen und somit autonom zu navigieren. Neben den genannten Sensoren bieten auch automatisierte Verfahren zur Bildverarbeitung die Möglichkeit, die Positionsbestimmung zu unterstützen. Darüber hinaus lassen sich diese Verfahren als eigenständige Anwendung zur Erweiterung des Einsatzspektrums von MAVs einsetzen, beispielsweise in der Objekterkennung oder zur Georeferenzierung in der Kartografie.

Am Institut für Theoretische Elektrotechnik und Systemoptimierung der Universität Karlsruhe befindet sich derzeit in Kooperation mit der Firma Microdrones GmbH das VTOL-MAV MD4-200 in Entwicklung, das über verschiedene Sensoren zur autonomen Navigation verfügt [6].

Es ist beabsichtigt, die mit den bereits vorhandenen Sensoren erzeugte Navigationslösung durch ein System zur automatisierten Bildverarbeitung zu stützen. Hierzu existiert bereits eine Sammlung an Algorithmen zu verschiedenen Anwendungen. Diese Algorithmen werden zum einen anhand von Bilddaten eingesetzt, die mit einer handelsüblichen Digitalkamera an Bord des MD4-200 aufgenommen werden, zum anderen ist die Verarbeitung mittels eines Rechners in der Bodenstation des MAVs durch Übertragung von Livebildern über eine analoge Funkverbindung möglich.

Der Einsatz einer Digitalkamera zur Erfassung der Bilddaten gestattet ausschließlich das Offline-Postprocessing der Daten und ist somit nicht geeignet, Algorithmen einzusetzen, die in Echtzeit durch Bildverarbeitung die Navigationslösung stützen. Die Verwendung eines Rechners in der Bodenstation erfordert die Übertragung von Bilddaten über eine analoge Funkstrecke; dies ermöglicht zwar über den Steuerkanal des MAVs die Rückmeldung der verarbeiteten Bilddaten an die Steuerung des MD4-200 und somit eine automatisierte Stützung der Navigationslösung, birgt jedoch verschiedene Nachteile in sich, die einen autonomen Einsatz beeinträchtigen. Im Wesentlichen sind diese durch die Eigenschaften der Funkverbindung bedingt. Der gravierendste Nachteil ist, dass diese nicht ausfallsicher ist, das heißt, dass bei einer häufig nicht zu vermeidenden Störung beispielsweise durch andere Sender in der Umgebung des MAVs oder durch Einflüsse wie Abschattungs- oder Dämpfungseffekte die Stützung der Navigation nicht möglich ist. Des Weiteren wird durch die Übertragung per Funkverbindung die Verarbeitung der Bilddaten mit einer Latenzzeit in der Größenordnung von bis zu einigen Hundert Millisekunden beaufschlagt, was die Genauigkeit der Positionsstützung herabsetzt. Schließlich erfolgt durch die analoge Übertragung eine Reduktion der möglichen räumlichen Auflösung der Bilddaten sowie durch die eingesetzten Kompressionsverfahren eine Reduktion der Farbinformation. Diese Effekte führen dazu, dass die Effizienz und Zuverlässigkeit der eingesetzten Algorithmen gegenüber der Verarbeitung von Bilddaten ohne vorhergehende Übertragung über eine analoge Funkstrecke vermindert wird.

Aus diesen Gründen ist es wünschenswert, die Bildverarbeitung zur Stützung der Na- vigationslösung an Bord des MD4-200 durchzuführen. Hierzu ist eine Systemplattform

1.1 Aufgabenstellung 3

erforderlich, die über alle erforderlichen Komponenten zur automatisierten Verarbeitung von Bilddaten sowie Schnittstellen zu den bestehenden Systemen des MAVs verfügt. Darüber hinaus muss sie den physikalischen Randbedingungen genügen, die sich aus dem Einsatz an Bord des MD4-200 ergeben. Die Entwicklung dieser Systemplattform ist Gegenstand der vorliegenden Arbeit.

1.1 Aufgabenstellung

Das Ziel dieser Diplomarbeit ist die Entwicklung einer Systemplattform für die Echtzeit-Bildverarbeitung an Bord eines VTOL-MAV unter Berücksichtigung der gegebenen Randbedingungen des bereits existierenden Miniatur-Helikopters MD4-200. Diese Randbedingungen sind zunächst zu identifizieren, darauf aufbauend sind die erforderlichen Hardwarekomponenten der Systemplattform zu selektieren sowie ein Konzept für die Implementierung einer Softwareumgebung auf der Hardwareplattform zu entwerfen. Danach soll ein Prototyp der Systemplattform erstellt und in Betrieb genommen werden.

Um die Leistungsfähigkeit der Plattform zu validieren sind im Anschluss verschiedene Al-gorithmen der Bildverarbeitung zu implementieren, die auch als Basis für weitere Applikationen dienen sollen.

1.2 Gliederung der Arbeit

Im folgenden Kapitel 2 sollen die wesentlichen Grundlagen der vorliegenden Arbeit vorgestellt werden. Diese umfassen die relevanten Eigenschaften des VTOL-MAVs MD4-200, die zur Identifizierung der Randbedingungen erforderlich sind, einen Überblick über eine spezielle Gattung von Mikroprozessoren, die Digitalen Signalprozessoren mit Schwerpunkt auf dem in der Arbeit eingesetzten Blackfin BF561 DSP, eine Einführung in den Themenbereich Bildsensorik und -übertragung sowie die Vorstellung des Konzepts des Optischen Flusses in der Bildverarbeitung.

In Kapitel 3 wird die entworfene Systemplattform hinsichtlich der Integration von Hardwarekomponenten und Softwareumgebung erläutert. In den im Anschluss daran folgenden Kapiteln 4 und 5 werden zwei Anwendungen beschrieben, die im Rahmen dieser Diplomarbeit auf der Systemplattform implementiert wurden. Diese beiden Anwendungen dienen auch der Validierung der Leistungsfähigkeit des Systems. Die Ergebnisse dieser Validierung werden in Kapitel 6 vorgestellt.

Die Arbeit schließt in Kapitel 7 mit einer Zusammenfassung und einer Erläuterung mögli- cher Erweiterungen der Systemplattform.

4 Kapitel 1 Einleitung

Kapitel 2

Grundlagen

Das vorliegende Kapitel erläutert die Grundlagen und Randbedingungen der zu entwickelten Systemplattform. Zunächst erfolgt eine kurze Zusammenstellung der für die System-plattform wesentlichen Parameter der eingesetzten Drohne, danach eine Vorstellung der für eine Bildverarbeitungslösung erforderlichen Technologien und schließlich eine Einführung in einen Teilbereich der Algorithmik digitaler Bildverarbeitung.

2.1 Das VTOL-MAV MD4-200

Die am Institut für Theoretische Elektrotechnik und Systemoptimierung eingesetzte Drohne MD4-200 wurde in Zusammenarbeit mit der Firma Microdrones GmbH entwickelt. Es handelt sich dabei um einen so genannten Quadrokopter, das heißt einen Hubschrauber mit vier vertikal angebrachten Rotoren, die einen Richtung Erdboden erzeugten Schub erzeugen. Diese Konstruktion gestattet eine im Vergleich zu Helikoptern mit einem Haupt- und Heck-rotor einfacheren Steuerung, da eine Beeinflussung der Flugrichtung über unterschiedliche Drehzahlen der einzelnen Rotoren erreicht werden kann.

Diese Konfiguration der Rotoren macht allerdings eine schnelle Änderung der Rotordrehzahlen erforderlich, da ein Quadrokopter durch plötzlich auftretende Kippmomente ein instabiles Flugverhalten aufweist, das durch eine aktive Regelung unter Zuhilfenahme von Beschleunigungs- und Rotationssensoren kompensiert werden muss. Hierzu eignen sich Elektromotoren besser als Verbrennungsmotoren, da dieser schneller und präziser angesteuert werden können.

Die Steuerung der Drohne erfolgt über eine Funkfernsteuerung mit 9 Kanälen vom Boden aus, möglich ist dabei zum einen eine manuelle Steuerung durch den Piloten, zum anderen existiert auch ein Modus, in dem der Pilot die Drohne kommandiert, das heißt nicht aktiv in die Regelung der Fluglage eingreift, sondern per Fernsteuerung die Position des MAVs vorgibt.

Als Nutzlast dient üblicherweise eine Digitalkamera, die unterhalb der Drohne im Kreu- zungspunkt der vier Rotorausleger angebracht ist, möglich sind aber auch Nutzlasten wie

6 Kapitel 2 Grundlagen

Video- und Infrarotkameras sowie Sensoren wie beispielsweise Gasdetektoren.

2.1.1 Leistungsdaten

Tabelle 2.1 gibt eine Übersicht über die wesentlichen technischen Daten der eingesetzten Drohne MD4-200.

Eigengewicht 800 Gramm Durchmesser 540,0 mm Höhe 198,5 mm Stromversorgung Lithium-Polymer Akku, 14,8 V, 2300 mAh Abmessungen der Nutzlast 11,0 cm x 13,0 cm x 8,0 cm Flugdaten Gewicht Nutzlast 200 Gramm Flugdauer 20-25 Minuten Flughöhe 300 Meter Aktionsradius 5 Kilometer

Die Leistungsdaten des MAVs, insbesondere die Anforderungen an die Nutzlast, bestimmen im Wesentlichen die physischen Randbedingungen der Systemplattform. Das zu entwickelnde Hardwaremodul stellt zunächst ausschließlich die Nutzlast der Drohne dar, da jedoch geplant ist, das Navigationssytem der MD4-200 durch ein Modul zur automatischen Bildverarbeitung zu erweitern, ist beim Entwurf der Plattform darauf zu achten, dass sich die eingesetzten Komponenten in die existierende Avionik integrieren lassen, ohne das maximal mögliche Gewicht oder Abmessungen der Nutzlast erheblich zu reduzieren.

2.1.2 Avionik

Bild 2.2 zeigt die Avionikkomponenten der MD4-200. Diese besteht zum einen aus einem Navigation-Controller, der die Positionsbestimmung der Drohne vornimmt, zum anderen aus einem Flight-Controller zur Steuerung des MAVs, der die Ansteuerung der Motoren sowie die Kommunikation mit dem Benutzer übernimmt. Darüber hinaus erfolgt über den Flight-Controller die Steuerung der Nutzlast. Flight-Controller und Navigation-Controller tauschen Daten über eine synchrone serielle Schnittstelle (SPI) aus.

2.1 Das VTOL-MAV MD4-200 7

Abbildung 2.2: Schematische Darstellung der Avionikkomponenten der MD4-200

8 Kapitel 2 Grundlagen

2.2 Digitale Signalprozessoren

Bei Digitalen Signalprozessoren handelt es sich um spezialisierte Mikroprozessoren für die Verarbeitung von analogen sowie digitalen Signalen, sie finden derzeit ihre Anwendung hauptsächlich in der Audio- und Videotechnik, der Telekommunikation sowie der Messtechnik.

DSPs sind insbesondere darauf ausgelegt, hohe Datenvolumina in Echtzeit verarbeiten zu können. Echtzeit bedeutet in diesem Kontext, dass die Verarbeitung eines Datenblocks innerhalb einer definierten Zeit abgeschlossen ist. Hierzu bedienen sie sich einiger Technologien, in denen sie sich von herkömmlichen Mikrokontrollern und -prozessoren unterscheiden. Digitale Signalprozessoren sind in erster Linie auf eine hohe Rechenleistung ausgelegt, dies äußert sich in erster Linie in spezialisierten Befehlen für bestimmte Rechenoperationen sowie einer auf hohen Datendurchsatz ausgelegten Hardwarearchitektur. Häufig ist in diesem Umfeld die Harvard-Architektur anzutreffen, die über getrennte Speicherbereiche für Daten und Instruktionen verfügt und dadurch eine höhere Verarbeitungsgeschwindigkeit aufweist als die Von-Neumann Architektur mit kombinierten Speicherbereichen. Digitale Signalprozessoren finden seit Anfang der Achtziger Jahre Verwendung [21], zu den ersten Chips gehören der Intel 2920 und NEC μPD7720. 1982 veröffentlichte Texas Instruments die TMS320 Familie und dominiert damit bis heute den DSP Markt. Weitere wichtige Anbieter sind unter anderem Motorola und Analog Devices.

Von Mikrocontrollern unterscheiden sich Digitale Mikroprozessoren neben der Optimierung auf hohe Rechenleistung vor allem dadurch, dass sie im Gegensatz zu Mikrocontrollern über wenige externe Schnittstellen verfügen. Dies erforderte bisher bei der Realisierung von Produkten, bei denen DSPs zum Einsatz kamen, häufig einen zusätzlichen Mikrocontroller zur Kommunikation mit Peripheriekomponenten oder dem Benutzer. In den vergangenen Jahren sind jedoch auch zunehmend Hybrid-Prozessoren auf dem Markt erschienen, die einen oder mehrere DSP-Kerne und einen Mikrocontroller in einer Plattform integrieren oder somit den schaltungstechnischen Aufwand reduzieren.

2.2.1 Arithmetik

Bei DSPs werden im Wesentlichen zwei unterschiedliche Zahlendarstellungen eingesetzt, die Darstellung in Fixkomma- und Gleitkommaarithmetik. Diese verschiedenen Darstellungsmöglichkeiten haben einen grundlegenden Einfluss auf die eingesetzten Recheneinheiten der Prozessoren und somit auch auf die Art und Weise der Implementierung von Applikationen und Algorithmen auf Digitalen Signalprozessoren.

2.2.1.1 Fixkommaarithmetik

Der überwiegende Teil kommerziell verfügbarer DSPs verfügt über Recheneinheiten, die zur Zahlendarstellung die Integer- oder Fixkommaarithmetik einsetzen. Der Vorteil dieser Arithmetik ist der im Gegensatz zur Gleitkommaarithmetik reduzierte schaltungstechnische Aufwand, der in einem geringeren Preis und geringerer Leistungsaufnahme resultiert. Der Nachteil liegt in der geringeren Dynamik und Präzision sowie, abhängig von der Applikation, reduzierten Verarbeitungsgeschwindigkeit komplexer Algorithmen.