数字信号处理器(DSP)及其应用(1-4)

数字信号处理器（DSP）及其应用胡晓东[e-mail]天津大学精密仪器与光电子工程学院胡晓东参考书与相关网址DSP芯片的原理与开发应用（第4版），张雄伟编著，电子工业出版社，2009DSP芯片原理与应用，张雄伟，机械工业出版社，2007数字信号微处理的原理及其开发应用，李刚，天津大学出版社，2008DSP基础与应用系统设计，王念旭编著，北京航空航天大学出版社，2001天津大学精密仪器与光电子工程学院胡晓东教学大纲概述介绍DSP的特点、典型应用DSP芯片的基本结构和特征基本定点、浮点算术运算的编程实现DSP芯片的软硬件设计方法开发调试环境的介绍介绍C编译器、汇编语言工具、系统集成调试工具基本DSP系统设计第1章概述天津大学精密仪器与光电子工程学院胡晓东DSPDigitalSignalsProcessing数字信号处理（方法、技术）以数字形式对信号进行采集、变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理DigitalSignalsProcessor数字信号处理器是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器，其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法天津大学精密仪器与光电子工程学院胡晓东第一章概述数字信号处理是一门涉及许多学科而又广泛应用于许多领域的新兴学科，理论基础来源于微积分、概率统计、随机过程、数值分析网络理论、信号与系统、控制论、通信理论、故障诊断人工智能、模式识别、神经网络以数字形式对信号进行采集、变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理DSP芯片的诞生及发展对近30年来通信、控制、航空航天、军事、仪器仪表、家用电器等领域发展起到十分重要的作用，它是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器，其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法（离散傅立叶变换DFT）天津大学精密仪器与光电子工程学院胡晓东信号处理方式的比较比较因素模拟方式数字方式修改设计的灵活性修改硬件设计，或调整硬件参数改变软件设置A/D的位数和计算机字长算法精度元器件精度可靠性和可重复性受环境温度、湿度、噪声、电磁场等的干扰和影响大不受这些因素的影响大规模集成尽管已有一些模拟集成电路，但品种较少、集成度不高、价格较高DSP器件体积小、功能强、功耗小、一致性好、使用方便、性能/价格比高实时性除开电路引入的延时外，处理是实时的由计算机的处理速度决定高频信号的处理可以处理包括微波毫米波乃至光波信号按照奈准则的要求，受S/H、A/D和处理速度的限制天津大学精密仪器与光电子工程学院胡晓东数字信号处理的实现方法在通用计算机（如PC机）上用软件实现，速度慢在通用计算机系统中加上专用的加速处理机实现，速度快用通用的单片机（如MCS-51、96系列等）实现，仅限于简单算法用通用的可编程DSP芯片实现，广泛应用用专用的DSP芯片实现，速度最快天津大学精密仪器与光电子工程学院胡晓东复杂算法复杂算法简单算法复杂算法复杂算法适应性好嵌入式较快专用指令通用DSP中等嵌入式快硬件＋专用指令专用DSP较好嵌入式慢汇编语言编程单片机中等非嵌入式快硬件＋专用指令PC机＋高速处理较好非嵌入式中等高级语言编程PC机性价比应用场合速度实现方法天津大学精密仪器与光电子工程学院胡晓东DSP芯片的主要应用领域（1）信号处理（2）图像处理（3）仪器（4）声音/语言（5）控制（6）军事（7）通讯（8）医疗（9）家用电器天津大学精密仪器与光电子工程学院胡晓东DSP芯片的主要应用领域（1）信号处理（2）图像处理（3）仪器（4）声音/语言（5）控制（6）军事（7）通讯（8）医疗（9）家用电器•数字滤波•自适应滤波•FFT•相关运算•谱分析•卷积•模式识别•波形产生天津大学精密仪器与光电子工程学院胡晓东DSP芯片的主要应用领域（1）信号处理（2）图像处理（3）仪器（4）声音/语言（5）控制（6）军事（7）通讯（8）医疗（9）家用电器•二维和三维图形•机器人视觉•图像传输/压缩•图像增强•动画天津大学精密仪器与光电子工程学院胡晓东DSP芯片的主要应用领域（1）信号处理（2）图像处理（3）仪器（4）声音/语言（5）控制（6）军事（7）通讯（8）医疗（9）家用电器•频谱分析•函数发生器•锁相环天津大学精密仪器与光电子工程学院胡晓东DSP芯片的主要应用领域（1）信号处理（2）图像处理（3）仪器（4）声音/语言（5）控制（6）军事（7）通讯（8）医疗（9）家用电器•语音编码•语音合成•语音识别•语音增强•语音辨认•语音存储天津大学精密仪器与光电子工程学院胡晓东DSP芯片的主要应用领域（1）信号处理（2）图像处理（3）仪器（4）声音/语言（5）控制（6）军事（7）通讯（8）医疗（9）家用电器•工业控制•磁盘控制•声控•机器人控制•发动机控制•自动驾驶天津大学精密仪器与光电子工程学院胡晓东DSP芯片的主要应用领域（1）信号处理（2）图像处理（3）仪器（4）声音/语言（5）控制（6）军事（7）通讯（8）医疗（9）家用电器•保密通讯•雷达处理•声纳处理•导航•导弹制导天津大学精密仪器与光电子工程学院胡晓东DSP芯片的主要应用领域（1）信号处理（2）图像处理（3）仪器（4）声音/语言（5）控制（6）军事应用（7）通讯（8）医疗（9）家用电器•调制解调•自适应均衡•数据加密•数据压缩•传真•扩频通讯•回波抵消•多路复用•纠错编码•可视电话天津大学精密仪器与光电子工程学院胡晓东DSP芯片的主要应用领域（1）信号处理（2）图像处理（3）仪器（4）声音/语言（5）控制（6）军事（7）通讯（8）医疗（9）家用电器•助听•超声诊断•监护设备•诊断设备（CT，核磁）天津大学精密仪器与光电子工程学院胡晓东DSP芯片的主要应用领域（1）信号处理（2）图像处理（3）仪器（4）声音/语言（5）控制（6）军事（7）通讯（8）医疗（9）家用电器•高保真音响•音乐合成•玩具与游戏•数字电话、电视•数码相机、摄像机天津大学精密仪器与光电子工程学院胡晓东微处理器将无处不在天津大学精密仪器与光电子工程学院胡晓东DSP系统构成抗混叠滤波A/DD/ADSP芯片平滑滤波输入输出存储器通讯及人机接口控制处理器天津大学精密仪器与光电子工程学院胡晓东监护仪天津大学精密仪器与光电子工程学院胡晓东视频会议系统天津大学精密仪器与光电子工程学院胡晓东数字式家庭影院天津大学精密仪器与光电子工程学院胡晓东电机控制器天津大学精密仪器与光电子工程学院胡晓东POS机天津大学精密仪器与光电子工程学院胡晓东雷达天津大学精密仪器与光电子工程学院胡晓东医学图像监视系统天津大学精密仪器与光电子工程学院胡晓东数码相机天津大学精密仪器与光电子工程学院胡晓东Canon7D数码相机天津大学精密仪器与光电子工程学院胡晓东MPEG-4压缩天津大学精密仪器与光电子工程学院胡晓东DSP芯片主要特点在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法－硬件乘法器程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据－哈佛结构总线片内具有快速RAM，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持快速的中断处理和硬件I/O支持具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器可以并行执行多个操作－高效DSP指令支持流水线操作，使取指、译码和执行操作可以重叠执行天津大学精密仪器与光电子工程学院胡晓东DSP的优缺点优点：大规模集成性稳定性好，精度高可编程性高速性能可嵌入性接口和集成方便缺点：成本较高高频时钟的高频干扰功率消耗较大等硬件实现非实时的数字信号处理；高速实时数字信号处理高速实时数字控制天津大学精密仪器与光电子工程学院胡晓东DSP芯片的发展世界上第一个单片DSP芯片应当是1978年AMI公司发布的S28111980年，日本NEC公司推出的μPD7720是第一个具有乘法器的商用DSP芯片美国德州仪器公司为世界上最大的DSP芯片供应商，三大系列，其DSP市场份额占全世界份额近50％，目前发展到第八代AD公司的ADSP2101，ADSP2111,ADSP2171,ADSP21000等系列；Motolora公司的MC56001，MC96002；Lucent等天津大学精密仪器与光电子工程学院胡晓东DSP芯片的发展（续）高性能TMS320C6000：300MHz至1.5GHzTMS320C6000多核：最高性能的多核DSP具有高达4.2GHz的性能低功耗TMS320C5000：内核电压1.2V技术融合（SOC）DSP+ARMDaVinci™数字媒体处理器天津大学精密仪器与光电子工程学院胡晓东DSP分类通用专用定点（Fixed）浮点（Floating，多种格式）按基础特性：按数据格式：按用途：静态（在某时钟频率上工作）一致性（兼容性）天津大学精密仪器与光电子工程学院胡晓东TIDSP芯片发展比较表年份1982年1992年1999年2002年制造工艺4mNMOS0.8mCMOS0.3mCMOS0.18mCMOSMIPS5MIPS40MIPS100MIPS160MIPSMHz20MHz80MHz100MHz160MHz内部RAM144字1K字32K字64K字内部ROM1.5K字4K字16K字32K字价格$150.00＄15.00$5.00~$25.00$5.00~$25.00功耗250mW/MIPS12.5mW/MIPS0.45mW/MIPS0.05mW/MIPS天津大学精密仪器与光电子工程学院胡晓东TMS320系列主要芯片发展天津大学精密仪器与光电子工程学院胡晓东DSP芯片的选择DSP芯片的运算速度指令周期：即执行一条指令所需的时间TMS320VC5402－100，100MHz，10nsMAC时间：即一次乘法加上一次加法的时间大部分DSP芯片在一个指令周期完成FFT执行时间：即运行一个N点FFT程序所需的时间衡量DSP运算能力的一个指标MIPS：即每秒执行百万条指令，TMS320VC5402－100，100MIPSMOPS：即每秒执行百万次操作MFLOPS：即每秒执行百万次浮点操作BOPS：即每秒执行十亿次操作MIPS(MillionInstructionpersecond)是一种评估DSP速度的一个指标。DSP运行频率也是评估DSP的一个指标，他们二者之间的联系需要考虑到DSP体系结构（是否多路并行结构、是执行定点还是浮点运算）。天津大学精密仪器与光电子工程学院胡晓东DSP芯片的选择（续）DSP芯片的价格DSP芯片的硬件资源片内RAM，ROM，外扩空间，I/O接口…DSP芯片的运算精度，一般16，有些24DSP芯片的开发工具DSP芯片的功耗其他：选择DSP芯片还应考虑到封装的形式（DIP、PGA、PLCC、PQFP）、质量标准、供货情况、生命周期等一般而言，定点DSP芯片的价格较便宜，功耗较低，但运算精度稍低。而浮点DSP芯片的优点是运算精度高，且C语言编程调试方便，但价格稍贵，功耗也较大。相应档次的DSP：商业级、工业级、军品、航空级等。天津大学精密仪器与光电子工程学院胡晓东球栅阵列封装（BGA）小型集成电路（SOIC）方型扁平式封装（QFP）带引线的塑料芯片载体（PLCC）天津大学精密仪器与光电子工程学院胡晓东依据运算量选择DSP芯片按样点处理DSP算法对每一个输入样点循环一次例如，一个采用LMS算法的256抽头的自适应FIR滤波器，假定每个抽头的计算需要3个MAC周期，则256抽头计算需要256×3＝768个MAC周期。如果采样频率为8kHz，即样点之间的间隔为125s，DSP芯片的MAC周期为200ns，则768个MAC周期需要153.6s的时间，显然无法实时处理，需要选用速度更高的DSP芯片。天津大学精密仪器与光电子工程学院胡晓东依据运算量选择DSP芯片（续）按帧处理每隔一定的时间间隔（通常称为帧）循环一次中低速语音编码算法通常以10ms或20ms为一帧，每隔10ms或20ms语音编码算法循环一次。所以，选择DSP芯片时