Prozessoren Digitale Signalverarbeitung

Autor / Redakteur: Gene Frantz* / Kristin Rinortner

Jeder Aspekt der dritten Welle der DSP-Innovation bietet Chancen, aber auch Hindernisse, die die Entwicklung neuer Applikationen verlangsamen. Aber die Veränderung durch Technik ist

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( Archiv: Vogel Business Media )

Jeder Aspekt der dritten Welle der DSP-Innovation bietet Chancen, aber auch Hindernisse, die die Entwicklung neuer Applikationen verlangsamen. Aber die Veränderung durch Technik ist nicht aufzuhalten. Während Sie und ich uns noch scheuen würden, die Lenkung unseres Autos aus der Hand zu geben oder uns Technik implantieren zu lassen, wird das bei unseren Kindern oder Enkelkindern mit Sicherheit nicht mehr der Fall sein.

Digitale Signalprozessoren (DSPs) entwickeln sich nunmehr schon fast dreißig Jahre lang mit einer atemberaubenden Innovationsrate. Es ging schnell los und entwickelte sich mit hoher Geschwindigkeit weiter. Der Markt blühte 1978 mit dem Lernspielzeug Speak N Spell von Texas Instruments (Bild 1) auf, das die Technologie auf eine schnelle Evolutionsschiene brachte.

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Zwischen 1978 und 1982 kämpften TI, Intel, American Microsystems, NEC und AT&T Bell Labs um die Führungsrolle bei DSP-Architekturen. Das Rennen endete in jeder Beziehung mit der Einführung des TI TMS3210, der zur Standard-Architektur programmierbarer DSPs wurde.

DSPs belegen sowohl die Prämissen des von Moore aufgestellten Gesetzes in Bezug auf die Leistungssteigerung als auch meine eigene Hypothese (das Genesche Gesetz) der ständig geringer werdenden Verlustleistung: Verkleinerte Abmessungen, höhere Geschwindigkeit und geringerer Stromverbrauch sorgen für exponentielle Entwicklungssprünge.

In nur 20 Jahren bahnten ICs den Weg dafür, Computer, Anrufbeantworter und Mobiltelefone von den Abmessungen einer Kiste auf Handtellergröße schrumpfen zu lassen. Bild 2 veranschaulicht den schnellen Wandel der wichtigsten Leistungsmerkmale der IC-Technologie.

Meiner Auffassung nach, die auch andere teilen, erfolgen diese Durchbrüche in Wellen. In jeder dieser Wellen – ich zähle bisher zwei und sehe den Anfang einer dritten – legen wir neu fest, was wir uns unter persönlichen und portablen Computern, Kommunikationssystemen und Unterhaltungsgeräten vorstellen.

Es ist wichtig, sich klarzumachen, dass sich diese Wellen erheblich überschneiden. Das heißt, die erste Welle endete nicht mit dem Beginn der zweiten, und jede Welle entwickelt sich auf ihre eigene Art weiter.

Die erste Welle der DSP-Technologie wurde von der Telekommunikation angetrieben. Durch die Digitalisierung des Telefonsystems konnten über die Telefonleitungen nicht mehr nur Sprache, sondern auch Daten übertragen werden. Die Modemgeschwindigkeiten stiegen von 1,2 kBit/s auf 56 kBit/s.

DSL, Kabelmodems und Ethernet ermöglichten Übertragungsraten im Megabit-Bereich. Parallel dazu entfernten sich digitale Mobilfunktelefone vom eher traditionellen Modell der reinen Telefonie und wurden zu Multimedia-Geräten mit integrierten Kameras, PDAs, MP3-Playern und anderen Funktionen.

Die zweite Welle der DSP-Innovation wurde durch die Einführung des CD-Formats im Jahr 1983 ins Rollen gebracht. Der DiscMan von Sony bot digitale Unterhaltung in einem tragbaren, batteriebetriebenen Gerät und nutzte dabei sowohl die hohe Leistung als auch den geringen Stromverbrauch des DSP.

Heute wird digitale Unterhaltung durch Produkte definiert, die mehr sind als nur „tragbar“: Sie sind auch „persönlich”. Sie erlauben das Aufzeichnen, Speichern und Wiedergeben von persönlichen Musik-Titellisten, Fotos, Videos und Spielen. Erst ICs, wie beispielsweise die C64x-Familie von TI, ermöglichten persönliche Video-Player, die einen digitaler Videorecorder sowie eine 20 bis 40 GByte große Festplatte integrieren.

Ausserdem sind diese Geräte auch in der Lage, die zahlreichen unterschiedlichen Audio- und Videoformate wie MP3, JPEG, MPEG-4, H.264, DiVX oder MPEG-2 zu unterstützen und wiederzugeben. Und DSPs mit HD-Fähigkeiten bringen Kinoatmosphäre ins heimische Wohnzimmer.

Mittlerweile bieten neue Technologien wie beispielsweise die Sling Box von Sling Media die Möglichkeit, Live-Feeds vom Heimvideo-System überall auf der Welt anzusehen. In der Unterhaltungsbranche erleben wir also eine Entwicklung von Inhalten, deren Erleben zeit- und ortsgebunden ist, über Inhalte, die wir mittels eines Aufnahmegerätes jederzeit, aber immer noch ortsgebunden, erleben können, hin zu Inhalten, die jederzeit und überall verfügbar sind. Dieser Trend hält auch heute noch an, auch wenn bereits die nächste Welle der Innovation einsetzt.

Die dritte Welle der DSP-Innovation

Die dritte Welle steht bevor. Mit der Verfügbarkeit einer Leistung im Bereich von 50 000 Millionen Instruktionen pro Sekunde, die voraussichtlich bis 2012 erreicht sein wird, liegen die größten Hoffnungen in den vier Kategorien: Verkehr, Lebensqualität, Sicherheit und Bildung.

Im Verkehrsbereich findet eine interessante Umwälzung statt, die damit zu tun hat, den Fahrer durch die Anbringung von Kameras – 10 bis 20 Geräte pro Fahrzeug – zu ersetzen. Computersimulationen haben den Nachweis erbracht, dass Verkehrssignale der Vergangenheit angehören könnten, wenn alle Fahrzeuge und Fahrbahnen so ausgerüstet würden, dass sie miteinander kommunizieren könnten. Alle Fahrzeuge würden sich dank entsprechender Steuermechanismen mit der richtigen Geschwindigkeit in die richtige Richtung bewegen, sodass Kollisionen ausgeschlossen wären.

So weit sind wir jedoch noch nicht. Gerade im Verkehrsbereich werden wir höchstwahrscheinlich vier kleinere Innovationswellen erleben, an denen Sichtsysteme beteiligt sind. In der ersten Welle wird die Technologie ausschließlich der Informationsverarbeitung dienen („Ich bin zu nahe am vorderen Fahrzeug”).

Die zweite Welle wird die Technologie als Möglichkeit eingesetzt, eine zweite Meinung einzuholen („Bin ich zu nahe am vorderen Fahrzeug?“) In der dritten Welle wird das Sichtsystem von sich aus aktiv und durch ein Alarmsignal darauf aufmerksam machen, wenn etwas nicht stimmt („Sie sind zu nahe am vorderen Fahrzeug – Abstand vergrößern“). Die letzte Welle schließlich wird dem System die vollständige Kontrolle in die Hand geben, sodass ein zu geringer Abstand gar nicht mehr möglich sein wird.

In welchem Zeitrahmen wir diese Technologie akzeptieren, wird davon abhängen, wie schnell die Menschen bereit sind, ihre Freiheit auf der Straße aufzugeben. Ich persönlich fahre sehr gern – aber werden meine Enkel diese Leidenschaft teilen? Werden Energieknappheit und Verkehrsdichte eine schnellere Umstellung erfordern? Das wird sich erst noch zeigen.

Die Frage, „welches Maß an Technologie die Menschen akzeptieren werden”, ist ein ernstes Thema, wenn wir über die dritte Welle der DSP-Innovation sprechen. Das gilt insbesondere im medizinischen Bereich.

ICs können die Lebensqualität deutlich verbessern

Medizinische Applikationen verbessern die Lebensqualität von Menschen mit unterschiedlichen Krankheiten und Behinderungen. So wird etwa an der University of Southern California eine Technologie entwickelt, die Blinden das Sehen ermöglicht. Eine an der Brille angebrachte Minikamera überträgt Signale an einen Funkempfänger, der hinter dem Ohr getragen wird. Die Signale werden über eine unter die Haut implantierte Leitung an ein elektronisches Elektrodenarray weitergegeben, das mit der Netzhaut des Auges verbunden ist.

Es ist den Forschern bereits gelungen, eine Sehleistung von ca. 16 Pixeln zu erreichen, was einer Matrix von vier mal vier Bildpunkten entspricht. Mit einer Funktionalität, die den Nervenzellen der Netzhaut ähnelt, setzt ein Bildprozessor die Kameradaten in ein Stimulationsmuster auf der Netzhaut um. Die Auflösung ist zwar äußerst gering – ein Bild aus 4x4 Punkten – aber für eine völlig blinde Person eine große Hilfe. Zukünftige Systeme werden eine höhere Auflösung bieten und mit leistungsfähigeren DSPs arbeiten (Bild 3).

Ebenso wie im Verkehrsbereich wird auch die Verbesserung der Lebensqualität durch medizinische Applikationen nur in dem Maße möglich sein, wie die Technologie von den Menschen akzeptiert wird. Wenn die Netzhauttechnologie der USC der nächste Schritt in Richtung Implantat-Technologie ist, was kommt danach?

Werden sich die Menschen mit der Idee anfreunden können? Ferner besteht für Entwickler hier auch eine gewisse Furcht vor den rechtlichen Folgen aufgrund von Fehlern, was die Entwicklung dieses Aspekts der dritten Welle verlangsamen könnte.

Sicherheit heißt nicht nur Gefahrenabwehr

Für mich bedeutet Sicherheit nicht nur den Schutz vor Gefahren und Risiken, sondern auch den meiner Privatsphäre. Manchmal könnte man das Gefühl bekommen, dass das Sicherheitspersonal von Flughäfen seine Aufgabe offenbar darin sieht, den Flughafen vor mir zu schützen. Ich glaube, wenn man diesen Sicherheitsbegriff in Richtung Schutz und Privatsphäre umkehrt, eröffnet sich ein vielfältiges Geschäftspotenzial, die die dritte Welle der DSP-Innovation kennzeichnen wird.

Wie lassen sich intelligente Elektronik und intelligente Sicherheitssysteme schaffen, die uns und unsere Familie schützen, ohne unsere Privatsphäre zu beeinträchtigen? Die dritte Welle wird diese Frage beantworten.

Sprachmuster, Fingerabdrücke, Gesichtserkennung und Netzhaut-Scans sind die ersten Schritte zu diesem Ziel. Aber es gibt Probleme. Sicherheit erfordert eine höhere Genauigkeit als die heute möglichen 95 Prozent. Es gibt zwei Herausforderungen: die Zuordnung verdächtiger Personen mit 100-prozentiger Genauigkeit zu bekannten Personen in einer Datenbank sowie die Fähigkeit, alle kriminellen Personen mit einer Genauigkeit von 100 Prozent zu finden.

Aus technischer Sicht besteht Sicherheit aus vier Ebenen: dem Herstellen eines guten Bildes (Kompression/Videoqualität unterstützt durch DSP), der Fähigkeit zum Anzeigen von sowohl Live-Bildern als auch aufgezeichnetem Material (Speicherung), der Verfügbarkeit eines guten Bildes, wenn es benötigt wird (Zugang) und der Interpretation des genauen Bildes zur Entscheidungsfindung am richtigen Ort und zum richtigen Zeitpunkt.

Während Innovationen im Sicherheitsbereich fast hauptsächlich durch Applikationen für Flughäfen und öffentliche Bereiche angetrieben werden, muss bei der häuslichen und persönlichen Sicherheit noch mehr getan werden. Vernetzte Kameras ermöglichen den Einbruchschutz von Häusern durch ausgeklügelte Warnsysteme, die direkt mit der Polizeidienststelle verbunden sind.

Und die Implantat-Technik kann uns dabei helfen, den Aufenthaltsort unserer Kinder zu verfolgen. Aber werden wir die Nachteile einer Biotechnologie akzeptieren, die mit Implantaten arbeitet?

Multimedial direkt in‘s Hirn der Schüler

Angesichts all der Computer-, Kommunikations- und Unterhaltungsmöglichkeiten, die wir entwickelt haben, wäre anzunehmen, dass eine Revolution im Bildungsmarkt bevorsteht. Wenn jeder Schüler im Klassenzimmer einen PC (wahrscheinlich einen Laptop) hat und mit dem Computer des Lehrers vernetzt ist, wird ein ganz neues Zeitalter der Ausbildung beginnen. Der Weg dorthin wird aber lang und beschwerlich. Die Technologie wird verfügbar sein, und die Schüler werden sie nutzen (tatsächlich tun sie es bereits), lange, bevor unsere Schulen sie übernehmen werden.

In Zukunft werden Lehrer mobile Nachrichten- und Multimedia-Funktionen für die Überprüfung des Wissens sogar während des Unterrichts einsetzen. Das Verständnis einzelner Schüler sofort und gleichzeitig bewerten zu können, sollte von allen Pädagogen als positiver Schritt gesehen werden.

Wir zögern jedoch, unsere Kinder als Versuchskaninchen für neue Technologien zu missbrauchen. Da in diesem Bereich ein Fehlschlag nicht akzeptabel ist, gehen hier die Entwicklungen nur langsam vonstatten. Deshalb zwingen wir unsere Kinder weiterhin, 20 Kilo Schulbücher mit sich herumzuschleppen, die sich auch komplett – zusammen mit Notiz- und Prüfungsfunktionen – digital in einem Gerät speichern ließen.

Texas Instruments

*Gene Frantz verfolgte die DSP-Evolution von Anfang an. Heute ist er Principle Fellow bei Texas Instruments in den USA.

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