DSP原理及应用(精)

第一讲DSP原理及应用DigitalSignalsProcessing包括对信号的采集、变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等，是20世纪60年代前后发展起来的并广泛应用的新兴学科。DigitalSignalsProcessor是微型计算机发展的一个重要分支，也是数字信号处理理论实用化过程的重要技术工具。第一章绪论“DSP”数字信号处理的实现1.在通用的微机上用软件实现。2.用单片机来实现。3.利用专门用于信号处理的可编程DSP来实现。4.利用特殊用途的DSP芯片来实现。5.用FPGA开发ASIC芯片实现数字信号处理算法。6.在通用的计算机系统中使用加速卡来实现。案例:滤波。滤波就是对信号进行处理，以改善其特性。可以有两种方式：微处理器，模拟器件。比较优越性：模拟滤波器（或者更一般地说，模拟电路）的性能要取决于温度等环境因素。而数字滤波器则基本上不受环境的响。数字滤波易于在非常小的宽容度内进行复制，因为其性能并不取决于性能已偏离正常值的器件的组合。一个模拟滤波器一旦制造出来，其特性（例如通带频率范围）是不容易改变的。使用微处理器来实现数字滤波器，就可以通过对其重新编程来改变滤波的特性。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精度元器件精度设置A/D的位数和计算机字长算法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和处理速度的限制一个硬件系统适用于不同的软件第一节DSP简介一、DSP的发展历史大致分为四个时期：萌芽、成长、成熟、突破。1、萌芽期：1982年以前为解决冯.诺依曼结构在进行数字信号处理时，总线与存储器之间的瓶颈效应，许多公司投入了大量的人力、物力进行探索：78年：AMI的S2811；79年Intel2920；AT&T的DSP180年：AMI的S28211，NECuPD7720运算速度慢，开发工具严重不足，无法进行大规模开发工作。2、成长期：1982-1987年1982年，TI公司TMS32010出现，采用了哈佛结构，有一个乘法器和一个加法器，一次乘加操作需要390ns。85年，TI公司的TMS32020，200ns；87年，MotorolaDSP56001，75ns；还有其他公司的产品：AT&T：DSP16A；AD：ADSP2100；TI：TMS320C50；3、成熟期：87-97年TI：TMS320C54系列（简写C54X或C5400）AD：ADSP2100系列Lucent：DSP1600Motorola：DSP56000特点：都支持3.3V供电;片上存储器较大;都有JTAG模块支持用户在线调试。4、突破期（97年以后）：发展非常迅速，从定点——浮点低端——高端通用——专用朝高速、低功耗方向发展。TI的DSP系列目前世界上生产DSP芯片的公司主要有TI（德州仪器）公司，AD（美国模拟器件）公司，Technologics（朗讯技术）公司和Motorola（摩托罗拉）公司四大公司，而TI公司则是世界上最大的DSP芯片供应商。TMS320系列产品就是该公司的DSP产品。二、DSP性能评价衡量DSP性能优劣的方法有两种：1、单位时间内能够完成的指令数（MIPS）；2、采用一些典型操作处理能力来比较性能，如：单位时间内完成的乘加次数或完成基2FFT需要的指令周期数。三、DSP应用在近20年里，DSP芯片在信号处理，通信，雷达等许多领域得到广泛的应用。目前，DSP芯片的价格越来越低，性能价格比日益提高，具有巨大的应用潜力。它的应用主要有：1.信号处理---如数字滤波，快速傅立叶变换，相关运算，谱分析，卷积，模式匹配，加窗，波形产生等；2.通信---如调制解调器，自适应均衡，数据加密，数据压缩，回波抵消，多路复用，传真，扩频通信，纠错编码，可视电话等；3.语音---如语音编码，语音合成，语音识别，语音增强，说话人辨认，说话人确认，语音邮件，语音存储等；4.图形/图像---如二维和三维图形处理，图像压缩与传输，图像增强，动画，机器人视觉等；5.军事---如保密通信，雷达处理，声纳处理，导航，导弹制导等；6.仪器仪表---如频谱分析，函数发生，锁相环，地震处理等；7.自动控制---如引擎控制，声控，自动驾驶，机器人控制，磁盘控制等；8.医疗---如助听，超声设备，诊断工具，病人监护等；9.家用电器---如高保真音响，音乐合成，音调控制，玩具与游戏，数字电话/电视等。四、数字信号处理系统第二节DSP硬件结构为了能高速完成数字信号处理算法，DSP硬件系统有着不同于通用计算机的自身特定的结构。主要为四个方面：总线结构、存储器配置、CPU结构、片上外设。数字信号处理运算中，常见的相关运算、卷积运算、信号滤波和各种变换算法，大多可以归结为乘加运算的形式，所以DSP内部的结构设计都以优化这类运算为主要目的，而DSP的总线结构是实现快速乘加运算的基石。一、总线结构一般传统的微处理器的结构采用了冯.诺依曼结构；另一种为哈佛结构。在哈佛结构中，数据空间和程序空间相对独立，两者之间只能通过CPU进行通信，但是有些时候，需要数据空间和程序空间有相互访问的能力，比如，在DSP的一些循环指令运行时，程序总线处于空闲状态，为了提高DSP的访问能力，希望能用程序总线来访问数据空间，提出一种改进的哈佛结构。二、存储器配置DSP内部大都有自己的存储器从功能上分为：程序存储器和数据存储器；从访问形式分：只读存储器ROM和随机存取存储器RAM。ROM：主要包括系数表格、自举程序和生产厂商的测试代码等。还有留待用户自定义。RAM：用来存放运行时的程序和数据，一般为：SARAM和DARAM两类。三、CPU结构包括：算术逻辑单元（ALU）累加器桶型移位器乘法器加法器比较选择存储单元（CSSU）数据地址产生单元程序地址产生单元等。流水线技术：指令分成几个不同的阶段，CPU在不同时刻完成同一指令的不同阶段。一般是将一条指令的不同阶段分配在连续的几个指令周期内完成，而在一个指令周期内，CPU执行不同指令的不同阶段，从而使每条指令真正独立运行的时间减少到最低。四、片上外设通常，片上外设包括主机接口（HPI）,同步串行口,直接存储器访问（DMA）,外部存储器接口，中断逻辑，硬件定时器，时钟发生器，锁相环等。第三节DSP的设计流程一、算法模拟二、器件选型三、框图四、软硬件设计五、软硬件调试FIR滤波器算法仿真)()(10inxhnyNiiDSP常用算法1）通用数字信号处理算法FIR滤波器、IIR滤波器、DFT变换、FFT变换。2）机电控制算法电机伺服、PID算法3）通信类算法DTMF收发、调制解调算法、通信信道编解码4）信号处理算法语音信号编解码算法：G.723、G.729、MP3静止图象编解码算法：JPEG、JPEG2000、小波变换视频编解码算法：MPEG1、MPEG2、MPEG4、H.263压缩算法多媒体：H.100、H.324图像处理（车牌识别）DSP总体设计框图根据需求写出任务说明书根据任务书确定技术指标DSP芯片及外围芯片总体设计确定软硬件分工软件设计说明书硬件设计说明书软件编程与调试硬件（.sch/.pcb）系统集成硬件调试系统测试、样机完成、中试、产品测试与生产硬件系统设计框图确定硬件方案器件选型原理图设计PCB图设计硬件调试系统分析系统综合DSP的知识平台DSP技术计算机电子计算机硬件计算机软件电子线路数字信号处理