dsp数字信号处理原理与应用

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1、数字信号处理器（DSP） 原理与应用,参考书与相关网址,数字信号微处理器的原理与开发，天津大学出版社，2004 DSP芯片的原理与开发应用（第2版），张雄伟，曹铁勇编著，电子工业出版社，2000 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 ,主要内容,一、DSP的一般概念 二、DSP系统构成及设计方法 三、DSP 芯片的基本结构和特征 四、定点DSP及定点运算 五、浮点DSP及浮点运算 六、TMS320系列DSP芯片的工作原理 七、DSP系统软硬件设计 八、DSP应用实例,一、DSP的一般概念,数字信号处理（Digital Signal Processing） 以数

2、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 数字信号处理器（Digital Signal Processor）DSP芯片 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,1、一般概念,数字信号处理的实现方法,在通用的计算机（如PC机）上用软件（如Fortran、C语言）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；应用受限制 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 ；应用受限制,数字信号处理的实现方法,复杂算法,复

3、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,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）电信 （8）无线电,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）电信 （8）无线电,数字滤波 卷积

4、 相关 希尔伯特变换 FFT 自适应滤波 加窗 波形产生,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）电信 （8）无线电,三维旋转 机器人视觉 图像传输/压缩 同态处理 模式识别 工作站 动画/数字地图,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）电信 （8）无线电,频谱分析 函数发生器 模式匹配 地震信号处理 数字滤波 锁相环,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

5、用 （7）电信 （8）无线电,声码器 语音识别 语音增强 语音合成,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）电信 （8）无线电,磁盘控制 数值控制 声控 伺服控制 机器人控制 激光打印机控制 发动机控制 自适应驾驶,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）电信 （8）无线电,雷达处理 声纳处理 图像处理 导航 导弹制导 高频调制解调器 保密通讯,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

6、（5）控制 （6）军事应用 （7）电信 （8）无线电,回声对消 ADPCM代码转换器 数字交换机 线路转发器解调器 通道多路复用 1200至19200bps调制 自适应均衡 传真 扩频通讯,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）电信 （8）无线电,全球定位 导航 数字无线电/TV,血压计,DSP系统基本构成,抗混叠 滤波,A/D,D/A,DSP,平滑 滤波,输入,输出,存储器,视频会议系统,数字式家庭影院,电机控制器,POS机,雷达,医学图像监视系统,数码相机,MPEG-4压缩,系统设计的一般方法,需求分析,系

7、统结构选择,系统总体构成,软硬件设计,系统调试,试运行,交付使用,2、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 程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据 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 支持流水线操作，使取指、译码和执行操作可以重叠执行,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 DSP技术更新速度快

8、，开发和调试工具不尽完善,3、DSP芯片的发展历史,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PD7720是第一个具有乘法器的商用 DSP 芯片 美国德州仪器（Texas Instruments）公司为世界上最大的 DSP 芯片供应商，其DSP市场份额占全世界份额近 50， AD公司的ADSP2101，ADSP2111, ADSP2171, ADSP21000等系列；Motolora公司的MC56001，MC96002等,DSP芯片的发展（续）,完成乘加操作的时间下降到10ns以下 乘法部件占模片区从40下降到5 引脚数

9、从64增加到200以上 重量和体积大大下降 采用低电压，功耗大大下降,TI DSP 芯片发展比较表,TMS320系列主要芯片发展,4、DSP分类,通用,专用,定点（Fixed）,浮点（Floating）,按基础特性：,按数据格式：,按用途：,静态,一致性（兼容性）,运算速度 DSP芯片的价格 DSP芯片的硬件资源 DSP芯片的运算精度 DSP芯片的开发工具 DSP芯片的功耗 其它：,5、DSP的性能指标,DSP芯片的运算速度 指令周期：即执行一条指令所需的时间 MAC时间：即一次乘法加上一次加法的时间 FFT执行时间：即运行一个N点FFT程序所需的时间 MIPS：即每秒执行百万条指令 MOPS

10、：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(Million Instruction per second)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）。,价格 商业级 ：一般应用；适用于实验室等环境较好场合； 工业级 ：可靠性好；适用于工业现场等环境恶劣场合； 军品 ：可靠性高；适用于各种恶劣场合； 航空级 ：可靠性很高；适用于特殊场合；,硬件资源 内存：RAM、ROM、Flash等 寄存器：通用、特殊功能 I/O数量：

11、单向、双向 寻址能力：直接、间接 定时器、计数器： 通讯接口： 内置功能单元：A/D、D/A等,运算精度 CALU： 寄存器： 硬件乘法器： 片内RAM： 开发工具 功耗 其它 封装的形式： 质量标准： 供货情况： 生命周期：,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。,运算量是DSP芯片处理能力的标志,按样点处理,一个采用LMS（Least Mean Square）算法的256 抽头的自适应FIR（Finite Impulse Response）滤波器 假定：3个MAC/抽头 则：2563

12、768个MAC周期 设：采样频率为8kHz，即样点之间的间隔为125s；采样频率为44.1kHz，即样点之间的间隔为22.7s,用DSP芯片实现数字滤波,用DSP芯片实现数字滤波,中低速语音编码算法： 10ms或20ms为一帧，每隔10ms或20ms语音编码算法循环一次。 选择DSP芯片时应该比较一帧内DSP芯片的处理能力和DSP算法的运算量。 假设：DSP芯片的指令周期为 p（ns），一帧的时间为 （ns） 则：在一帧内所能提供的最大运算量为 /p条指令。 如：TMS320LC549-80的指令周期为12.5ns，设帧长为20ms，则一帧内所能提供的最大运算量为160万条指令,按帧处理,二、

13、DSP系统构成及设计方法,输入信号 处理,A/D,D/A,DSP,输出信号 处理,输入,输出,存储器,通讯及 人机接口,DSP系统设计方法,功能及指标,软件结构,用户接口,硬件结构,外输入接口,自上而下,自下而上,从使用者看,从设计者看,DSP系统设计方法,功能及指标,软件结构,用户接口,硬件结构,外输入接口,从中间开始,软硬件交界面,从使用者看,从设计者看,DSP总体设计框图,系统需求说明书,定义技术指标,选择DSP芯片及外围芯片,软件设计说明书,硬件设计说明书,软件编程与测试,硬件电路与调试,系 统 集 成,系统测试，样机、中试与产品,编写C语言源程序,优化ANSI C编译器,汇编语言汇编

14、器,生成目标文件,链接器,生成TMS320汇编文件,编写TMS320 汇编源程序,宏汇编源文件,文档管理器,宏汇编库,输出执行文件,调试器,TMS320目标系统,写EEPROM,软件仿真,软件开发系统,评测模块EVM,系统仿真XDS,软件系统设计框图,确定硬件方案,器件选型,原理图设计,PCB板设计,硬件调试,硬件系统设计框图,A/D，D/A 内存，逻辑控制 通信，总线 人机接口,存储器,CPU,数据传输接口,网络接口,银 行 锁,系统设计实例,磁卡,音频,键盘,显示,打印机,POS机,显示器,CPU,存储器,多路通用接口,电源,系统设计实例,L/R音箱,D/A,D/A,低音,家庭影院,家庭网

15、络,视频接口,CPU,时钟,网络接口,1394,系统设计实例,存储器,音频接口,电源,专用接口,PCI总线,视频会议系统,功率因 数校正,I/V测量,CPU,稳压源,电源,系统设计实例,存储器,功率转换,电机,驱动器,传感器,电机控制器,存储器,主CPU,内部 测量,数据 转换,信号 调理,系统设计实例,专用 电路,通讯接口,控制器,D/A,电 机,雷达,从CPU,存储,专用 电路,系统设计实例,医学图像监视系统,存储器,主CPU,视频 存储,数据 转换,信号 调理,专用 电路,从CPU,从CPU,显示驱动,显 示 器,从CPU,控制,通讯 接口,专用电路,图 像 处 理,输入,输出,三、DSP芯片的基本结构和特征,DSP芯片的基本结构 哈佛结构 流水线操作 专用的硬件乘法器 特殊的DSP指令 快速的指令周期,冯诺曼（Van Neuman）结构,CPU,程序存储器 数据存储器,控制命令,地址线,数据线,哈佛结构,CPU,程序存储器,控制命令,地址线,程序总线,数据存储器,控制命令,地址线,数据总线,流水线,流水线深度从26级不等 多个指令重叠进行，理想情况下，K 段流水能在 K+N-1个周期内，处理 N 条指令,专用的硬件乘法器,在通用的微处理器中，乘法指令是由一系列加法来实现的，故需许多个指令周期来完成 DSP具有专