DSP技术原理及应用

《DSP技术原理及应用》由会员分享，可在线阅读，更多相关《DSP技术原理及应用（294页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、DSP技术原理及应用河北工业大学信息工程学院 刘艳萍目录 第1章 绪论 第2章 TMS320C54x的结构原理（结合 第七章内容） 第3章 TMS320C54x硬件系统设计 第4章 TMS320C54x指令系统 第5章 DSP软件开发与设计(结合第六 章内容） 第八章和第九章结合实验学习第一章绪论 要求： 掌握：数字信号处理及数字信号处理器的 基本概念和特点。选择dsp芯片的要素。 了解：定点DSP的数据格式 了解：现有各种型号DSP芯片的特征及其 用途，尤其是TI公司的DSP芯片。数字信 号处理器的发展及应用。第一章绪论DSP有两种理解：一、广义的理解：digital signal proc

2、essing数字信号处理 二、狭义的理解：digital signal processor数字信号处理器 1.1数字信号处理：他是利用计算机或专用处理设备，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，得到符合需 要的信号形式。 在通用的计算机上用软件实现。 在通用计算机系统上加上专用的加速处理机实现。 用通用的单片机实现。 用通用的可编程DSP芯片实现。 用专用的DSP芯片实现。 用/CPLD/FPGA实现。1、数字信号处理的实现方法：2、数字信号处理系统的一般组成抗混叠滤波器将输入信号X(t)中比主要频率高的信号分量滤除 ，避免产生信号频谱的混叠现象。A/D将输入的

3、模拟信号转换为DSP芯片可接收的数字信号 。DSP芯片对A/D输出的信号进行某种形式的数字处理。D/A经过DSP芯片处理的数字样值经D/A转换为模拟量，然 后进行平滑滤波得到连续的模拟信号。3、数字信号处理系统的一般设计过程1.2 数字信号处理器DSPDSP: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.DSP的主要特点： 哈佛结构 ： 冯诺曼结构：将指令、数据存储在同一个存储器中，统一编址，译稿指 令计数器提供的地址来区分是指令还是数据。取指令和取数据都访问统一 存储器，数据吞吐率低。 基本哈佛结构：程序和数据存储在不同的存储空间，程

4、序存储空间和数据 存储空间是两个相互独立的存储空间，每个存储空间独立编址，独立访问 。 冯 诺 曼 结 构基本哈 佛结构改进哈佛 结构多总线结构对DSP来说，总线越多，可以完成的功能就越复杂。流水线结构如四级流水线的操作图：DSP主要特点续多处理单元DSP内部一般都包括有多个处理单元，如算术逻辑运算单元 (ALU)、辅助寄存器运算单元(ARAU)、累加器(ACC)以及硬件乘 法器(MULT)单元等。它们可以在一个指令周期内同时进行运算 。利用这种流水线结构，加上执行重复操作，保证了数字信号处 理中用得最多的乘法累加运算可以在单个指令周期内完成。DSP主要特点续特殊的DSP指令 在DSP的指令系

5、统中，设计了一些特殊的DSP指令。例如 TMS320C54x中的FIRS和LMS指令，则专门用于系数对称的FIR 滤波器和LMS算法。 指令周期短DSP广泛采用亚微米CMOS制造工艺，如TMS320C54x，其运行 速度可达200MIPS。 TMS320C55x，其运行速度可达400MIPS 。 TMS320C6414T的时钟为1GHz，运行速度达到8000 MIPS。运算精度高DSP的字长有16位、24位、32位。为防止运算过程中溢出，累加 器达到40位。此外，一批浮点DSP，例如TMS320C3x、 TMS320C4x、 TMS320C67x、 TMS320F283x、 ADSP21020

6、等， 则提供了更大的动态范围。DSP主要特点续硬件配置强新一代DSP的接口功能愈来愈强，片内具有定时器、串行口、主机 接口(HPI)、DMA控制器、软件控制的等待状态产生器、锁相环时 钟产生器、A/D转换以及实现在片仿真符合IEEE 1149.1标准的测试 仿真接口，使系统设计更易于完成。另外，许多DSP芯片都可以工 作在省电方式，大大降低了系统功耗。2、DSP的分类按基础特性分：DSP芯片的工作时钟（主频） 和指令类型DSPDSP的分类有三种方式：按基础特性分的分类有三种方式：按基础特性分、按数据格式分、按用途分按数据格式分、按用途分静态静态DSPDSP芯片：该类型在某时钟频率范围内都能芯片

7、：该类型在某时钟频率范围内都能 正常工作，除计算速度有变化外，没有性能上的下正常工作，除计算速度有变化外，没有性能上的下 降。如日本降。如日本OKIOKI电器公司的电器公司的DSPDSP和和TITI公司的公司的 TMS320C2XXTMS320C2XX系列；系列； 一致性一致性DSPDSP：两种或更多的两种或更多的DSPDSP芯片，其指令集芯片，其指令集 、机器代码及管脚结构相互兼容。如美国、机器代码及管脚结构相互兼容。如美国TITI公司的公司的 TMS320C54XTMS320C54X。2、DSP的分类（续） 按数据格式分：DSP对数据的处理有两种格式：定点数据格式 和浮点数据格式。定点定点

8、DSPDSP芯片：数据以定点格式参加运算。芯片：数据以定点格式参加运算。 浮点浮点DSPDSP芯片：数据以浮点格式参加运算。不同浮点芯片：数据以浮点格式参加运算。不同浮点DSPDSP所所 采用的浮点格式可能不同。采用的浮点格式可能不同。按用途分：按用途分：通用型：适合普通的通用型：适合普通的DSPDSP应用。应用。 专用型：为特定的功能、运算而设计的。如数字滤波、卷专用型：为特定的功能、运算而设计的。如数字滤波、卷 积、积、FFTFFT等。如等。如TMS320C24xTMS320C24x适合自动控制；适合自动控制；MOTOLORAMOTOLORA公公 司的司的DSP56200DSP56200专

9、用于数字滤波。专用于数字滤波。 3、DSP的选择 选择DSP芯片时应考虑如下几个因素： DSPDSP芯片的运算速度：运算速度可以用以下几种性能指标来衡量；芯片的运算速度：运算速度可以用以下几种性能指标来衡量； 指令周期：即执行一条指令所需要的时间，通常以指令周期：即执行一条指令所需要的时间，通常以nsns为单位。为单位。 MACMAC时间：即完成一次乘法和一次加法时间。时间：即完成一次乘法和一次加法时间。FFTFFT执行时间：即运行一个执行时间：即运行一个N N点点FFTFFT程序所需时间。程序所需时间。 MIPSMIPS：每秒执行百万条指令。每秒执行百万条指令。 MOPSMOPS：每秒执行百

10、万次操作。每秒执行百万次操作。MFLOPSMFLOPS：每秒执行百万次浮点操作。每秒执行百万次浮点操作。 BOPSBOPS：每秒执行十亿次操作。每秒执行十亿次操作。 DSPDSP芯片的硬件资源；芯片的硬件资源； DSPDSP芯片的运算精度：参加运算的数据字长越长精度越高。芯片的运算精度：参加运算的数据字长越长精度越高。 DSPDSP芯片的功耗；芯片的功耗； DSPDSP芯片的开发工具；芯片的开发工具； DSPDSP芯片的价格；芯片的价格；DSPDSP芯片发展迅速，价格下降也很快。芯片发展迅速，价格下降也很快。 其它。封装形式、质量标准、供货情况、生命周期等。其它。封装形式、质量标准、供货情况、

11、生命周期等。1.3 定点DSP的数据格式 在定点处理器中，数据采用定点表示方法，定点表示并不意味 着就一定是整数表示。 它有两种基本表示方法：整数表示方法和小数表示方法。 整数表示方法主要用于控制操作、地址计算和其他非信号处理 的应用。 小数表示方法则主要用于数字和各种信号处理算法的计算中。 0 1 0 1 0 1 1 1 S262524232221208 8位定点整数表示方法：位定点整数表示方法： 0 1 1 1 0 0 0 0 S2-12-22-32-42-52-62-78 8位定点小数表示方法：位定点小数表示方法：结果=2-1+2-2+2-3=0.875 结果=26+24+22+21+2

12、0=87 定点数的表示法 定点数最常用的是Q表示法，或Qn表示法。；n表示数的2补码 的小数部分；1位符号位；数的总字长为m+n+1位。表示数的整 数范围为（-2m 2m-1)，小数的最小分辨率为2-n 。几种常用的Q表示法的格式： Q0 格式的字长为16位。 位 数 15 1 4 1 3 1 2 1 1 10 9 . 0 值 S I1 4 I1 3 I12 I11 I1 0 I9 . I0 定点数的整数形式。最高位为符号S，接下来的Ix为15位2补码 的整数 ，表示数的范围为（-215215-1），最小的分辨率为1。 Q12 格式的字长为16位。最高位为符号S，接下来的3位为2补码的整数位，

13、高位在前，后 面的12位为2补码小数位。Q3.12 格式表示数的大致范围为（-8 ，7），小数的最小分辨率为2-12 。 位 数 15 1 4 1 3 1 2 1 1 10 9 . 0 值 S I3 I2 I1Q1 1Q1 0Q9 .Q0Q15格式Q15格式的字长为16位，其每位的具体表示如下： 位 数 15 1 4 1 3 1 2 1 1 10 9 . 0 值 SQ1 4Q1 3 Q1 2Q1 1Q1 0Q9 .Q0最高位为符号S，接下来的为2补码的15位小数位，小数点紧接着 符号位，无整数位。Q15格式表示数的范围为（-1，1），小数的最小分辨率为2-15 。 对于16位的定点处理器TMS

14、320C54x来说，Q15是在程序设计中 最常用的格式。TI公司提供的数字信号处理应用程序库DSPLIB 就主要采用这种数据格式。定点数格式的选择定点格式表示数的范围和数据的精度是确定的 。表示数的范围越大，数据的精度越低，也就 是说，数的范围与精度是一对矛盾。对16位的 数据来说，动态范围最大的格式为整数Q0， 精度（或分辨率）最高的格式为Q15。 定点格式的选择实际上就是根据Qn表示方法确定数据的小数点 位置。定点格式数据的转换 有2种转换的方法：若数已经是某种动态范围较小的若数已经是某种动态范围较小的QnQn格式，为了与动态范围较大的格式，为了与动态范围较大的QnQn格式格式 数进行运算

15、，则可根据运算结果的动态范围，直接将数据右移，将数据转换数进行运算，则可根据运算结果的动态范围，直接将数据右移，将数据转换 成结果所需的成结果所需的QnQn格式，这时原来格式的最低位将被移出，高位则进行符号格式，这时原来格式的最低位将被移出，高位则进行符号 位扩展。这在某些情况下会损失动态范围较小的格式的数据的精度。位扩展。这在某些情况下会损失动态范围较小的格式的数据的精度。将十进制数没有表示成任何形式的二进制数，则要表示成将十进制数没有表示成任何形式的二进制数，则要表示成QnQn格式。格式。 先将数乘以先将数乘以2 2n n变成整数，然后再将整数转换成相应的变成整数，然后再将整数转换成相应的QnQn格式。格式。例如设例如设y=-0.625y=-0.625，若要表示成若要表示成Q15Q15格式，先将格式，先将-0.625-0.625乘以乘以2 21515 得到得到-20480-20480，再，再 将将-20480-20480表示成表示成2 2的补码数的补码数B000HB000H，这也就是这也就是-0.625-0.625的的Q15Q15格式表示