[工学]10-数字信号处理的应用

《[工学]10-数字信号处理的应用》由会员分享，可在线阅读，更多相关《[工学]10-数字信号处理的应用（52页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、8数字信号处理器DSP,8.1 DSP的应用现状和发展前景 8.2 DSP结构 8.3 ADSP21160硬件单元 8.4 DSP制造商与DSP的选购 8.5 DSP实例,8.1 DSP的应用现状和发展前景,8数字信号处理器DSP,什么是DSP -DSP： Digital Signal Processor 数字信号处理器 Digital Signal Processing 数字信号处理,一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器根据数字信号处理算法的特点，对芯片内部结构进行了特定的优化。 主要应用是实时地实现各种数字信号处理算法,数字信号处理器（DSP） 数字信号处理的实现方法之一 使数字信

2、号处理的广泛应用成为可能 促进了数字信号处理理论的发展,8数字信号处理器DSP,DSP简史 分立元件构成DSP系统，价格高、体积庞大，应用受到了很大的限制 20世纪70年代，出现了一些DSP子系统的集成电路，主要用于数字乘法器和地址发生器等。 1979年美国Intel公司发布的可编程器件2920，是DSP处理器发展的一个主要里程碑，这是一片带有程序EPROM、数据RAM、A/D和D/A转换器的单片数字信号处理器，可应用于一个全双工的1200bps的调制解调器。 1982年TI公司发布了该公司的第一代DSP处理器TMS32010。运算速度比当时的通用微处理器快几十倍，在语音合成和编码解码器中得到

3、了广泛应用。标志着DSP应用系统由大型系统向小型化迈进了一大步。 80年代中期，基于CMOS工艺的第二代DSP处理器问世，其存储容量和运算速度都得到了成倍提高，成为语音、图象处理技术的基础。 80年代后期，第三代DSP处理器问世，运算速度进一步提高，其应用范围逐步扩大到通信、计算机领域。 进入90年代DSP处理器呈现出加速发展的态势，相继出现了集成度更高的第四代和第五代DSP处理器，集成度极高的DSP处理器不仅在通信、计算机领域大显身手，而且逐渐渗透到日常消费领域。 现在第六代DSP处理器也已经发布，最新一代DSP处理器的处理能力是早期Intel2920处理能力的100000倍，所有这一切只用

4、了20年的时间。,DSP的应用现状 3C领域约占整个市场需求的90% 通信 Communication 大约占了60%的DSP市场份额。 移动通信 网络产品 计算机 Computer 硬盘 显卡 网络 消费类 Consumer 数码音响设备 数码相机 数字电视 VCD/DVD 手持式产品,DSP的一些典型应用 信号处理 数字滤波、自适应滤波、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 通信 蜂窝电话、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/视频会议 语音/语言 语音编码、语音合成、语音识别、语音增强、语音信箱、语

5、音存储 图形/图像 二维和三维图形处理、图像压缩/传输、图像增强、动画、机器人视觉、数字地图 仪器仪表 频谱分析、函数发生、锁相环、地震处理、模式匹配 控制 引擎控制、声控、自动驾驶、机器人控制、磁盘控制 医疗 助听、超声设备、诊断工具、病人监护 工业 机器人技术、数值控制、安全技术、电源线监控 家用电器 高保真音响、音乐合成、音调控制、玩具与游戏、数字电话/电视 军事 保密通信、雷达处理、声纳处理、导航制导,DSP的发展趋势 DSP的内核结构进一步改善 DSP和微处理器的融合 DSP和高档CPU的融合 DSP与FPGA的融合 DSP在SoC中的应用 业内人士预言，DSP处理器将是未来集成电路

6、中发展最快的电子产品，它将彻底变革人们的工作、学习和生活方式。 当今世界上主要的半导体器件厂家都已经发布了或正在开发DSP处理器，这反映出它们对DSP处理器的需求量出现巨大增长充满信心,8.2 DSP结构,8数字信号处理器DSP,信号处理算法的特点 信号处理算法具有大数据量、大运算量（主要为乘加运算）的特点 大多数信号处理算法都是由滤波、变换、卷积和相关等一些基本的运算构成 1. 滤波运算 2. FFT运算, b(r) x(n-r) 新输入样本放入样本表的最上端，同时丢弃最老的样本，保持系数与样本表的长度相同 系数与对应的样本相乘，并与之前的运算值相加，M次乘加运算后得到结果 a(k) y(n

7、-k)运算与之类似 对DSP处理器的要求 频繁的访问存储器 大量的乘加运算, b(r) x(n-r) 运算示意图,DSP结构 DSP系统结构 单处理器系统,DSP系统结构 1. 单处理器系统 数据流、系统资源、外部接口,典型的单处理器DSP系统结构,数据流 输入通道：放大、滤波、ADC 放大增益控制，输出动态与ADC匹配 滤波抗混迭滤波 ADC采样、量化、编码 量化：量化误差，信噪比SNR=6dB/Bit 编码：二进制码、偏移二进制码、BCD码 输出通道：DAC、滤波、放大 DAC零阶保持、阶梯状输出（含有高频分量） 滤波重构滤波 放大 ADC类型：逐次逼近、双积分、快闪、Sigma-Delt

8、a ADC、DAC接口：并行、串行 并行：数据总线、地址总线、控制信号 串行：McBSP（多通道缓冲串口）、SPI、I2C,8数字信号处理器DSP,8.3 ADSP21160硬件单元,8数字信号处理器DSP,ADSP2116X概述 SHARC系列处理器 美国Analog Device公司推出的高性能32位浮点DSP处理器 第一代产品：ADSP2106X 第二代产品：ADSP2116X， 1999年推出 ADSP2116X提高了时钟频率 增加了一个处理单元，使其提供单指令流多数据流SIMD（Single-Instruction Multiple-Data）支持 增加了内部总线的宽度 提高了总线的

9、吞吐率和灵活性 I/O处理器的性能也有很大提高,ADSP2116X系列DSP处理器 ADSP21160M ADSP21160N ADSP21161N,ADSP21160的内部结构框图,ADSP2116X系列DSP处理器的基本特性 双处理单元和SIMD模式支持 两个独立的完全相同的处理单元PEx和PEy 支持SIMD模式 算术逻辑单元ALU、乘法器、移位器和存/取数据并行操作 处理单元：算术逻辑单元ALU、乘法器、移位器和10端口的数据寄存器堆（16个40位前台寄存器和16个40位后台寄存器） 这些部分可以单周期并行的执行加法、乘法、移位和存/取数据的操作 10端口数据寄存器堆为数据的传递提供了

10、非常大的灵活性 前/后台寄存器可实现上下文的快速切换,8数字信号处理器DSP,丰富的外部接口 多处理器接口 主机接口 片外存储器寻址空间达到4G 2个串口 6个链路口 I/O处理器 I/O处理器提供14个DMA通道的支持 I/O处理器控制内部双端口存储器与外部接口的DMA数据传递，而无需处理器核的干预 JTAG接口 JTAG接口支持IEEE1194.1标准，方便系统仿真和测试,处理单元结构,8.4 DSP制造商与DSP的选购 1. DSP制造商 2. DSP器件的选购 （1）运算能力和片内存储器 （2）片内外设和外部接口能力 （3）开发工具和技术支持 （4）兼容性,8数字信号处理器DSP,1.

11、 DSP制造商 世界上主要的半导体器件厂家都已经发布了或正在开发DSP处理器 德州仪器公司（Texas Instruments）、模拟器件公司（Analog Device）、摩托罗拉公司（Motorola）和杰尔系统公司（Agere）的产品占据了全球DSP处理器市场80左右的份额 德州仪器公司一直占据着市场第一的位置，居于市场的领先地位。德州仪器公司是最早进入中国市场的DSP制造商，它的系列DSP处理器在我国得到了非常广泛的应用，有多家国内公司与德州仪器公司建立了合作关系，为该公司的产品提供服务和技术支持，进行技术开发和产品推广 模拟器件公司和摩托罗拉公司的DSP处理器在我国也占据了较大的市场

12、份额 中国作为增长最快的市场而受到全球瞩目，相信会有越来越多的DSP制造商和它们的产品进入中国市场 还有一些公司提供DSP芯核,2. DSP器件的选购 DSP处理器产品的种类很多 单是德州仪器公司就有几个系列几十种产品 新产品推出的很快 选择DSP处理器型号时应该认真考虑的几个因素,8数字信号处理器DSP,（1）运算能力和片内存储器 运算能力 运算能力是DSP处理器最重要的性能 首先估算信号处理任务的运算量和数据量，以此为依据并留有一定余量选择满足运算量和数据量要求的DSP处理器 数据量 数据量要求经常被忽略 DSP处理器的运算能力满足要求，但片内存储器不够，数据传输成为系统的瓶颈，使处理器的

13、运算能力得不到充分发挥，无法满足信号处理任务的要求 运算精度和动态范围 数据字长 数据表示方式（定点数或浮点数） 单处理器和多处理器 单个DSP处理器无法满足信号处理任务的要求 将信号处理任务合理地分解为多个子任务 将子任务分配给多个DSP处理器,（2）片内外设和外部接口能力 片内外设和外部接口能力对整个DSP系统的构成会有比较大的影响 DSP处理器需要与ADC、DAC、存储器、控制和显示等片外设备接口 多处理器系统，需要处理器间的通信接口 常见的外设 定时器 直接数据访问（DMA）控制器 串行接口 选型时应根据系统需要选择具有相应外设和接口能力的DSP处理器,8数字信号处理器DSP,（3）开

14、发工具和技术支持 功能强大、易用的开发工具和良好的技术支持可以加速DSP产品的开发 通常市场上得到广泛应用的DSP处理器，由于技术成熟，可供参考的资料多，因而技术支持比较好,8数字信号处理器DSP,（4）兼容性 DSP处理器的兼容性对于产品的升级换代非常重要 软硬件兼容的处理器可以提高设计的重用性，节约投资，方便产品的升级换代 DSP制造商通常都提供系列DSP处理器，处理器间保持软件兼容，有些还保持外部引脚的兼容 其它需要考虑的因素 功耗和价格等，如便携式产品通常要求低功耗 总之，选择时应该综合考虑各方面因素，选择满足系统要求，易于开发，性价比高的产品,8数字信号处理器DSP,例1 波形产生

15、要求： 利用DSP产生正弦信号，并观察其频谱 原理： sin ( x ) 的泰勒展开为 x为第一象限内的值 利用sin ( - x ) = sin ( x )和sin ( - x ) = - sin ( x ) ，可将第二、三和四象限内的值转换到第一象限 其中：= 0x7FFF，/2 = 0x4000，-= 0x8000 正弦波的频率可以通过增幅的大小来进行控制，这里的增幅取值为0x0400，即/32,8.5 DSP实例,8数字信号处理器DSP,DSP程序流程图,DSP实例 波形产生,正弦信号及其频谱如图,第9章 数字信号处理应用,语音处理： 语音信号的识别，语音合成。 图像处理： 图像增强、

16、图像分割和图像压缩等内容。,语音信号处理,语音信号处理是研究数字信号处理技术在语音信号处理方面应用的一门学科。它的目的一是要通过处理得到一些反映语音信号重要特征的参数以便高效的传输或储存语音信号信息；二是要通过对信号进行某种处理运算以实现某种目标，例如人工合成出语音、辩识出讲话者、识别出讲话的内容等等。 语音信号分析是语音信号处理的前提和基础，只有分析出可表示语音信号本质特征的参数，才有可能利用这些参数进行高效的语音通信、语音合成和语音识别等处理。,语音信号的分析和处理通常采用“短时分析”，即将语音信号分为一段一段来分析其特征参数，其中每一段称为一“帧”，帧长一般取为1030ms。这样，对于整体的语音信号来讲，分析出的是由每一帧特征参数构成的时间序列。 在按帧进行语音信号分析，提取语音参数之前，应对语音信号进行数字化并完成端点检测、预加重、加窗和分帧等。,语音信号的数字化一般包括放大与增益控制、反混叠滤波、采样、A/D变换及编码。 语音信号经过滤波和采样后，由A/D变换器变换为二