dsp技术及应用

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1、2018年9月1日,第1章 绪论,1.1 DSP及其实现 1.2 DSP芯片 1.3 DSP系统 本章小结习 题,2018年9月1日,1.1 DSP及其实现,DSP既是Digital Signal Processing的缩写，也是Digital signal Processor的缩写，二者英文简写相同，但含义不同。,1.1.1 DSP的含义,Digital Signal Processing指数字信号处理的理论和方法，即数字信号处理技术。,Digital signal Processor (DSP)指用于进行数字信号处理的可编程微处理器，人们常用DSP一词来指通用数字信号处理器。,数字信号处理

2、(Digital Signal Processing，简称DSP)是一门涉及许多学科又广泛应用于许多领域的新兴学科。20世纪80年代以来，随着计算机和信息技术的飞速发展，数字信号处理技术应运而生并得到迅速发展，已经在信号处理、通信、语音、图像、雷达、生物医学、工业控制、仪器仪表等许多领域得到广泛应用。,2018年9月1日,(1) 在通用计算机上用软件（如C、MATLAN）实现。 (2) 在通用计算机系统中加上专用的加速处理机实现。 (3) 用通用的单片机（如MCS-51、96系列等）实现。 (4) 用通用的可编程DSP芯片实现。 (5) 用专用的DSP芯片实现。 (6) 用基于通用DSP核的A

3、SIC芯片(FPGA/CPLD)实现。,1.1.2 数字信号处理的实现方法,2018年9月1日,1.2.1 DSP芯片的特点,数字信号处理就是将现实世界的模拟信号转换成数字信号，再用数学的方法来处理此数字信号，得到相应的结果。经典的数字信号处理有时域的信号滤波(如IIR、FIR)和频域的频谱分析(如FFT)。IIR、FIR和FFT归根结底为aixi，即乘加运算。 我们现在所说的DSP实际是指数字信号处理器，它除了具备普通微处理器的高速运算和控制功能外，强调运算处理的实时性，是一种特别适合于进行数字信号处理的微处理器。它在处理器结构、指令系统和数据流程上做了大的改动。其主要特点如下：,1.2 D

4、SP芯片,2018年9月1日,1采用改进的哈佛结构,(1) 冯诺伊曼（Von Neuman）结构,该结构采用单存储空间，即程序指令和数据共用一个存储空间，使用单一的地址和数据总线，取指令和取操作数都是通过一条总线分时进行，如图1.1(a)所示 。当进行高速运算时，不但不能同时进行取指令和取操作数，而且还会造成数据传输通道的瓶颈现象，其工作速度较慢。,2018年9月1日,图1.1 微处理器的结构,2018年9月1日,（2）哈佛（Harvard）结构和改进的哈佛结构,哈佛（Harvard architecture）结构采用双存储空间，程序存储器和数据存储器分开，大大地提高了数据处理能力和指令的执行

5、速度，非常适合于实时的数字信号处理。如图1.1(b)所示。 为了进一步提高信号处理效率，在哈佛结构的基础上又加以改进，使程序存储器和数据存储器之间也可以进行数据的传送，称为改进的哈佛结构(modified Harvard architecture)，如图1.1(c)所示。,2018年9月1日,2采用多总线结构,许多DSP芯片内部都采用多总线结构，这样保证在一个机器周期内可以多次访问程序空间和数据空间，大大地提高了DSP的运行速度。如：TMS320C54x系列内部有P、C、D、E等4组总线，每组总线中都有地址总线和数据总线，这样在一个机器周期内可以完成如下操作：, 从程序存储器中取一条指令；,

6、从数据存储器中读两个操作数；, 向数据存储器写一个操作数。,2018年9月1日,3采用流水线技术,每条指令可通过片内多功能单元完成取指、译码、取操作数和执行等多个步骤，实现多条指令的并行执行，从而在不提高系统时钟频率的条件下减少每条指令的执行时间。其过程如图1.2.3所示。,计算机执行一条指令总要经过取指、译码、取数、执行运算等步骤，需要若干个指令周期才能完成。流水线技术是将各指令的各个步骤重叠起来执行，即第一条指令取指后，在译码时，第二条指令就取指；第一条指令取数时，第二条指令译码，而第三条指令就开始取指，如图1.2所示。,2018年9月1日,4. 配有专用的硬件乘法-累加器,为了适应数字信

7、号处理的需要，当前的DSP芯片都配有专用的硬件乘法-累加器，可在一个周期内完成一次乘法和一次累加操作，从而可实现数据的乘法-累加操作。如矩阵运算、FIR和IIR滤波、FFT变换等专用信号的处理。,5. 具有特殊的DSP指令,为了满足数字信号处理的需要，在DSP的指令系统中，设计了一些完成特殊功能的指令。如：TMS320C54x中的FIRS和LMS指令，专门用于完成系数对称的FIR滤波器和LMS算法。,2018年9月1日,6快速的指令周期,由于采用哈佛结构、流水线操作、专用的硬件乘法器、特殊的指令及集成电路的优化设计，使指令周期可在20ns以下。,8外设丰富，硬件配置强,新一代的DSP芯片具有较

8、强的接口功能，除了具有串行口、定时器、主机接口（HPI）、DMA控制器、软件可编程等待状态发生器等片内外设外，还配有中断处理器、PLL、外部存储器扩展口 、在片仿真测试接口等单元电路，可以方便地构成一个嵌入式自封闭控制的处理系统。,7运算精度高,DSP的字长逐步提高到16位、24位、32位，有的达到40位，一批浮点DSP提供了更大的动态范围，提高了运算精度。,2018年9月1日,9支持多处理器结构,为了满足多处理器系统的设计，许多DSP芯片都采用支持多处理器的结构。如：TMS320C40提供了6个用于处理器间高速通信的32位专用通信接口，使处理器之间可直接对通，应用灵活、使用方便。,10省电管

9、理和低功耗,DSP功耗一般为0.54W，若采用低功耗技术可使功耗降到0.1W，可用电池供电，适用于便携式数字终端设备。,2018年9月1日,1.2.2 DSP芯片的发展现状,DSP芯片得到了突飞猛进的发展，主要表现在：,（1）制造工艺 普遍采用0.25m或0.18m的CMOS工艺,（2）内部结构 均采用多总线、多处理单元和多级流水线结构,（3）存储器容量 片内存储器可达到几十K字，而片外存储器可达到16M48位和4G40位以上。,（4）高度集成化 集滤波、A/D、D/A、ROM、RAM和DSP内核于一体的模拟混合式DSP芯片已有较大的发展和应用。,（5）运算速度 提高到2000MIPS以上，处

10、理能力提高了几十倍。,（6）提高了运算精度 ，扩大了数据处理的动态范围 。,（7）具有较完善的软件和硬件开发工具,2018年9月1日,1.2.3 DSP芯片的发展趋势,DSP技术将会有以下一些发展趋势：,（1）DSP的内核结构将进一步改善,（2）采用并行处理结构,（3）功耗越来越低,（4）DSP和微处理器的融合,（5）DSP和高档CPU的融合,（6）DSP和SOC的融合,（7）DSP和FPGA的融合,（8）实时操作系统RTOS与DSP的结合,2018年9月1日,1.2.4 DSP芯片的分类,为了适应数字信号处理各种各样的实际应用，DSP厂商生产出多种类型和档次的DSP芯片。在众多的DSP芯片中

11、，可以按照下列3种方式进行分类。,1. 按基础特性分类 2. 按数据格式分类3.按用途分类,2018年9月1日,1.2.4 DSP芯片的分类,1按基础特性分类,这种分类依据DSP芯片的工作时钟和指令类型进行的。可分为静态DSP芯片和一致性DSP芯片。,如果DSP芯片在某时钟频率范围内的任何频率上都能正常工作，除计算速度有变化外，没有性能的下降，这类DSP芯片一般称之为静态DSP芯片。例如，TI公司的TMS320系列芯片、日本OKI电气公司的DSP芯片都属于这一类芯片。,如果有两种或两种以上的DSP芯片，它们的指令集和相应的机器代码及管脚结构相互兼容，则这类DSP芯片被称之为一致性的DSP芯片。

12、例如，TI公司的TMS320C54x。,2018年9月1日,1.2.4 DSP芯片的分类,2按数据格式分类,按数的不同表示方法，将DSP分为定点DSP和浮点DSP。,若数据以定点格式工作的定点DSP芯片。若数据以浮点格式工作的浮点DSP芯片。,不同的浮点DSP芯片所采用的浮点格式有所不同，有的DSP芯片采用自定义的浮点格式，有的DSP芯片则采用IEEE的标准浮点格式。,2018年9月1日,1.2.4 DSP芯片的分类,3. 按用途分类,按照用途，可将DSP芯片分为通用型和专用型两大类。,通用型DSP芯片：一般是指可以用指令编程的DSP芯片，适合于普通的DSP应用，具有可编程性和强大的处理能力，

13、可完成复杂的数字信号处理的算法。,专用型DSP芯片：为特定的DSP运算而设计的，更适合特殊的运算，如数字滤波、卷积和FFT，主要用于要求信号处理速度极快的特殊场合。,2018年9月1日,1.2.5 DSP芯片的应用,DSP芯片的应用已几乎遍及电子与信息的每一个领域，常见的典型应用如下：,1. 信号处理 2. 通 信3. 语 音4. 图像处理5. 军 事,6. 仪器仪表7. 自动控制8. 医疗工程9. 家用电器10. 计 算 机,如：数字滤波、自适应滤波、快速傅氏变换、Hilbert变换、相关运算、频谱分析、卷 积、模式匹配、窗函数、波形产生等；,如：调制解调器、自适应均衡、数据加密、数据压缩、

14、回波抵消、多路复用、传真、扩频通信、移动通信、纠错编译码、可视电话、路由器等；,如：语音编码、语音合成、语音识别、语音增强、语音邮件、语音存储、文本语音转换等；,如：二维和三维图形处理、图像压缩与传输、图像鉴别、图像增强、图像转换、模式识别、动画、电子地图、机器人视觉等；,如：保密通信雷达处理声纳处理导航导弹制导电子对抗全球定位GPS搜索与跟踪情报收集与处理等,如：频谱分析、函数发生、数据采集、锁相环、模态分析、暂态分析、石油/地质勘探、地震预测与处理等；,如：引擎控制声 控发动机控制自动驾驶机器人控制磁盘/光盘伺服控制神经网络控制等,如：助听器X-射线扫描心电图/脑电图超声设备核磁共振诊断工

15、具病人监护等,如：高保真音响音乐合成音调控制玩具与游戏数字电话/电视高清晰度电视HDTV变频空调机顶盒等,如：震裂处理器图形加速器工作站多媒体计算机等,2018年9月1日,1.3 DSP系统,1.3.1 DSP系统的构成,一个典型的DSP系统应包括抗混叠滤波器、数据采集A/D转换器、数字信号处理器DSP、D/A转换器和低通滤波器等组成。,2018年9月1日,DSP系统的处理过程：, 将输入信号x(t)进行抗混叠滤波，滤掉高于折叠频率的分量，以防止信号频谱的混叠；, 经采样和A/D转换器，将滤波后的信号转换为数字信号x(n)；, 数字信号处理器对x(n)进行处理，得数字信号y(n)；, 经D/A

16、转换器，将y(n)转换成模拟信号；, 经低通滤波器，滤除高频分量，得到平滑的模拟信号y(t)。,2018年9月1日,1.3.2 DSP系统的特点,（1）接口方便 （2）编程方便（3）稳定性好 （4）精度高 （5）可重复性好 （6）集成方便,2018年9月1日,1.3.3 DSP系统的设计过程,DSP应用系统的设计过程如图所示。,根据需求写出任务书 确定设计目标,算法研究和系统模拟实现 定义系统性能指标,选择DSP芯片 和外围芯片,硬件设计,硬件调试,软件设计,软件调试,系统集成和测试,设计步骤分几个阶段：,（1）明确设计任务，确定设计目标 （2）算法模拟，确定性能指标 （3）选择DSP芯片和外围芯片 （4）设计实时的DSP应用系统 （5）硬件和软件调试 （6）系统集成和测试,2018年9月1日,1.3.4 DSP芯片的选择,