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1、DSP应用技术（一）,李彧晟 ,令人叹奇的DSP技术应用,Highlight,人物识别,汽车电子,“读心术”,智能传感器,MSP430,TMS320C2000 TMS470,低噪放,功放,上混频,下混频,放大滤波,AD,DSP,DA,滤波,频综,协处理器,车速传感器及控制,数据处理融合,其他传感器及控制,发射天线,接收天线,防撞雷达原理框图,接收发射部分,信号处理部分,创新步骤,构思,论证,实现,数字信号处理技术课程体系,信号与系统,连续时间系统的时频域分析方法,离散时间数字信号处理,离散信号的傅里叶变换、滤波器设计,DSP应用技术,DSP芯片技术原理与应用 实时数字信号处理系统设计,DSP芯
2、片技术原理与应用,数字信号处理芯片综述,TMS320C2000系列DSP芯片结构,TMS320C2000软件设计,DSP芯片分类、结构特点、性能指标、应用,基本结构、程序控制、中断管理、存储空间、片内外设,开发流程、开发工具、编码结构、寻址方式、汇编语言,实时数字信号处理系统设计,实时数字信号处理系统构成,实时信号处理的主要技术,系统设计方法,实时概念、系统构成方式,数据采集、数据存储、电路集成、信号产生、总线接口等技术,系统需求、总体设计、硬件设计、软件设计、系统集成,课程安排,DSP概述 TMS320C2000处理器 TMS320C2000软件环境 DSP系统设计 可编程逻辑器件在DSP系
3、统中的应用,FIR滤波器设计 FFT设计,学习目标W.H.O,What What is DSP? How How to design DSP system? Operate Operate DSP system with yourself.,考核标准,参考教材,TMS320C2000系列DSP原理及应用技术 何苏勤 王忠勇 电子工业出版社 DSP基础与应用系统设计 王念旭 北京航天航空大学出版社 DSP技术的发展与应用 彭启琮 李玉柏 管庆 高等教育出版社 DSP芯片的原理与开发应用 张雄伟 曹铁勇 电子工业出版社 DSP集成开发环境CCS开发指南 尹勇 欧光军 关荣锋 北京航天航空大学出版社
4、,参考教材,实时信号处理信号处理系统设计与实现 李玉柏 杨乐 李征 译 电子工业出版社 DSP应用系统设计 朱铭锆 赵勇 甘泉 电子工业出版社 高速数字系统设计 伍微 等译 机械工业出版社 TMS320C20 x Users Guide Texas Instruments Incorporated TMS320F/C24x DSP Controllers Reference Guide Texas Instruments Incorporated,一 数字信号处理概述,1.1 DSP技术概念 1.2 数字信号处理优势 1.3 DSP实际应用 1.4 实时数字信号处理概念 1.5 实时处理系统组
5、成 1.6 通用DSPs芯片介绍 1.7 DSPs芯片特点 1.8 DSPs实现高速运算的途径 1.9 DSP芯片性能指标以及选型依据,1.1 DSP技术概念,DSP： Digital Signal Processing： 数字信号处理理论和方法 Digital Signal Processor： 可编程的用于数字信号处理的微处理器,微处理器,CPU,MCU,DSP,DSP技术： 将通用的或专用的DSP处理器用于完成数字信号处理的方法和技术。,离散时间数字信号处理,DSP芯片,数字信号处理系统设计,3D Stereo，MP3 Encoder/Decoder, Noise Reduction，V
6、oIP,Position Control，Speed Control，RMS Signal Measure,V.17/V.21/V.29 Transmit/Receive,HDLC Transmit/Receive，TCP/IP Protocol Stacks,3-DES，AES，DES，DM5 ,JPEG，MPEG Encode/Decode ,1.2 数字信号处理优势,可控性强 稳定性高 精度高 抗干扰性能强 实现自适应性 数据压缩 大规模集成,可控性强 通过改变程序使微处理器实现不同的功能,稳定性好 较模拟系统，数字系统受时间和环境的影响小的多； 数字制造采用大规模集成电路，其故障率远比
7、采用分立元件构成的模拟系统的低。,精度高 电阻精度：E961% 电容精度：D0.5% AD：16bit105,抗干扰性能强,3.3V LVTTL,实现自适应算法 强调系统的自我学习能力： 神经网络 遗传算法,数据压缩 目的：减小传输带宽 模拟信号：带限滤波，失真 数字信号：压缩数据，几乎无失真,大规模集成 系统的一致性、可靠性显著提高 系统功耗、体积日益减小,模拟信号处理不可替代 自然界的信号绝大多数都是模拟信号,模拟信号处理系统从根本上说是实时的,射频（RF）信号的处理要由模拟系统来完成,调理,AD,0110001001000100,1.3 数字信号处理技术应用,空间成像,卫星通信,GPS导
8、航,CT成像,生命体征检测,电影音效制作,视频会议,影视特效,语音定位,人脸识别,指纹验证,信号滤波,雷达探测,制导技术,矿产探测,地震分析,1.4 实时数字信号处理概念,实时指的是系统必须在有限的时间内完成外部输入信号的指定处理，即信号处理速度必须大于等于输入信号更新的速度，而且从信号输入到处理后输出的延迟必须足够的小。,实时 取决因素,运算量,数据率,算法复杂度,芯片速度,常见信号的典型数据率,音频信号： 采样时钟44.1KHz，字长16bit，则数据率88.2KBps 实时处理速度至少为88.2KBps,视频信号： 一帧画面512512点阵，每个像素点用16个色阶表示，当传输速率为30帧
9、/秒时，则数据率15MBps 实时处理速度至少为15MBps,结论： 对实时信号处理速度的要求与原始模拟信号带宽以及数据格式（字长、维数）、算法复杂程度等因素是密切相关的。,目前单片单核DSPs的处理能力： TMS320C6455：主频1.2GHz， 9600MIPS（每秒96亿条指令） TMS320C6727：主频350MHz，2100MFLOPS（每秒21亿次浮点操作） ADSPTS201：主频600MHz，3600MFLOPS（每秒36亿次浮点操作）,高性能的DSP使实时信号处理的应用空间越来越广阔。,1.5 实时DSP系统组成,实时DSP系统实现框图 DSP子系统的实现方式 通用DSP
10、s构成的子系统 DSP系统典型数据处理方式,实时 DSP系统实现框图,DSP子系统,AD子系统,DA子系统,N,L,模拟信号,模拟信号,DSP子系统是整个系统的核心,DSP子系统实现方式, 通用微计算机 利用统一的平台，编写软件，实现不同的功能。这种方法缺点是速度太慢，不能用于实时系统，只能用于仿真研究。,加速处理模块 在通用微机内部加入专用的加速处理模块，微机作为系统控制使用。缺点是不适合嵌入式应用。,DSP子系统实现方式,单片机（MCS51） 单片机采用的是冯诺依曼总线结构，用它构成的系统比较复杂，尤其是乘法运算速度慢，在运算量大的实时控制系统中很难有所作为。,专用DSP芯片 专用DSP芯
11、片可用于FFT、FIR、卷积、相关等高速运算。一般速度较快，但是灵活性较差，而且开发工具不完善。,可编程FPGA器件 利用VHDL或是VerilogHDL硬件开发语言，通过软件编程来改变FPGA内部门阵列结构，最终用硬件实现特定数字信号处理算法。这种实现方法具有通用性、并行性，一般作为DSP芯片的协处理器。,通用可编程DSP芯片 通用可编程DSP芯片有着更适合于数字信号处理的硬件特点和指令系统，而且其性价比随着微电子的发展不断提高，非常适合实现性要求高的应用领域。,通用DSPs构成的子系统,前向通道示意图,后向通道示意图,DSP系统典型数据处理方式 数据流处理（Stream Processin
12、g） 数据是在一个输入样本到达后，就立即开始进行与该样本有关的运算，并在下一个样本到达之前完成。这种在下一个样本输入之前完成上一个样本处理的方法称为数据流处理方式。例如数字FIR滤波。,Tx,Tc,输入,输出,TcTx,特点：每接收一个样本，就做一次新的运算。输入样本周期与输出样本周期保持一致。 优点：其结果是随时更新的。输出样本和其影响的输出结果之间的时延达到理论的最小值。 缺点：要求处理器的速度必须足够高，能在下一个样本到达之前完成所有计算。,块处理（Block Processing） 首先将输入样本存放到存储器中，当L个输入样本都到达以后，才开始处理。这种同时处理多个样本的方法称为块处理
13、技术，也叫帧处理（Frame Processing）。 在块处理技术中，输入样本按组存储，当有足够多的样本到达后，开始处理这个样本块。主要应用在输出采样率小于输入采样率(采用间隔T)的场合，其计算时间限制在LT以内。 譬如傅里叶变换运算。,优点：减少频繁读写存储器所带来的额外开销，获得较高处理效率；可以使用较低速度的处理器。 缺点：时延以及足够的存储空间。,存储块m,存储块m1,存储块m2,处理块m,处理块m1,处理块m2,存储块m3,输入,输出,LTx,Tc,TcLTx,矢量处理（Vector Processing） 同时处理多路输入/输出信号的方法，称为矢量处理技术。 通常情况下，矢量处理
14、用来计算两个信号之间的相关程度。,矢量处理技术软件无线电数学模型,1.6 通用DSPs芯片概述,发展历程及现状 DSP分类,发展历程 第一代20世纪70年代末80年代初 特点：采用了哈佛结构，内部设置硬件乘法器。 第二代20世纪80年代中期 特点：与第一代相比，在功能、速度及内存容量方面有了很大突破，强化完善了指令功能及寻址方式。 第三代20世纪80年代末 特点：高速、多功能、大内存，并能进行32位浮点运算。,第四代20世纪90年代末 特点： （1）支持片内多核或多片并行工作 （2）片内海量的存储器，包括Cache （3）增强的DMA控制器 （4）丰富的外设及片内资源 （5）低功耗，小尺寸,T
15、MS320C28x： 32bit controller On chip flash memory 150MIPS,TMS320C24x： On chip flash memory 20-40MIPS $ 2.00,德州仪器TI公司DSP产品分类,德州仪器TI公司DSP产品分类,TMS320C54x 提供板级的性能与外设,TMS320C55x 最优功耗管理,OMAP 片内集成了C55x核与ARM处理器,德州仪器TI公司DSP产品分类,TMS320C64x 工业级性能最高处理器 主频1.2GHz,TMS320C62x 最高的性价比,TMS320C67x 高精度的浮点,TMS320DM64x DaVinci 数字多媒体芯片,美国模拟器件（ADI）公司DSP产品分类,BLACKfin Processor Roadmap,SHARC Processor Roadmap,TigerSHARC Processor Roadmap,定点与浮点DSP芯片,结构较简单，MAC速度较快，运算精度低，动态范围小,结构较复杂，主频较低，功耗较高，但运算精度高，动态范围大,定点数据格式（Fixed-Point）,定点无符号数格式：数值范围02161,补码数据格式：数值范围2152151,整数的定点格式表示方法：,例如：16 bit定点格式数据0 xF62A,无符号数：,
