DSP及其系统实现(精)

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1、DSP及其系统实现数字信号处理（Digital Signal Processing，简称DSP是一门涉及许多学科而又广泛应用于许多 领域的新兴学科。20世纪60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的发展。数字信号处理是一种通过使用数学技巧执行转换或提取信 息，来处理现实信号的方法，这些信号由数字序列表示。在过去的二十多年时间里，数字信 号处理已经在通信等领域得到极为广泛的应用。德州仪器、Freescale等半导体厂商在这一领 域拥有很强的实力。DSP 的开发工具数字信号处理器（DSP ）作为一种可编程专用芯片，是数字信号处理理论实用化过程的重要 技术工

2、具，在语音处理、图像处理等技术领域得到了广泛的应用。但对于算法设计人员来 讲，利用汇编语言或C语言进行DSP功能开发，具有周期长、效率低的缺点，不利于算法 验证和产品的快速开发。由Ti公司提供专业的开发工具CCS，自带DSP/BIOS操作系统，能够直接编写适合 DSP开发工程及文件，满足DSP程序设计要求。由 MathWorks 公司和 TI 公司联合开发的 DSPMATLAB Link for CCS Development Tools （简称CCSLink ）是MATLAB6.5版本（Released ）中增加的一个全新的工具箱，它 提供了 MATLAB、CCS和DSP目标板的接口，利用此

3、工具可以像操作MATLAB变量一样来操 作DSP器件的存储器和寄存器，使开发人员在MATLAB环境下完成对DSP的操作，从而极 大地提高DSP应用系统的开发进程。MATLAB具有强大的分析、计算和可视化功能，利用MATLAB提供的数十个专业工具箱，可 以方便、灵活地实现对自动控制、信号处理、通信系统等的算法分析和仿真，是算法设计人 员和工程技术人员必不可少的软件工具。DSP系统的设计过程DSP 系统的设计还没有非常好的正规设计方法。在设计 DSP 系统之前，首先必须根据应用系统的目标确定系统的性能指标、信号 处理 的要求，通常可用数据流程图、数学运算序列、正式的符号或自然语言来描述。第二 步是

4、根据系统的要求进行高级语言的模拟。一般来说，为了实现系统的最终目标， 需要对 输入的信号进行适当的处理，而处理方法的不同会导致不同的系统性能，要得到 最佳的系 统性能，就必须在这一步确定最佳的处理方法，即数字信号处理的算法（Algo rithm ）,因 此这一步也称算法模拟阶段。例如，语音压缩编码算法就是要在确定的压缩比条件下，获得 最佳的合成语音。算法模拟所用的输入数据是实际信号经采集而获得的，通常以计算机文件 的形式存储为数据文件。如语音压缩编码算法模拟时所用的语音信 号就是实际采集而获得 并存储为计算机文件形式的语音数据文件。有些算法模拟时所用的输入数据并不一定要是实 际采集的信号数据，

5、只要能够验证算法的可行性，输入假设的数据也是可以的。在完成第二步之后，接下来就可以设计实时DSP系统，实时DSP系统的设计包括 硬件设计和软件设计两个方面。硬件设计首先要根据系统运算量的大小、对运算精度的要 求、系统成本限制以及体积、功耗等要求选择合适的DSP芯片。然后设计DSP芯片的外围电 路及其他电路。软件设计和编程主要根据系统要求和所选的 DSP 芯片编写相应的 DSP 汇编程 序，若系统运算量不大且有高级语言编译器支持，也可用高级语言（如 C 语言）编程。由于 现有的高级语言编译器的效率还比不上手工编写汇编语言的效率，因此在实际应用系统中常 常采用高级语言和汇编语言的混合编程方法，即在

6、算法运算量大的地方，用手工编写的方法 编写汇编语言，而运算量不大的地方则采用高级语言。采用这种方法，既可缩短软件开发的 周期，提高程序的可读性和可移植性，又能满足系统实时运算的要求。 DSP 硬件和软件设计 完成后，就需要进行硬件和软件的调试。软件的调试一般借助于 DSP 开发工具，如软件模拟 器、DSP开发系统或仿真器等。调试DSP算法时一般采用比较实时结果与模拟结果的方法， 如果实时程序和模拟程序的输入相同，则两者的输出应该一致。应用系统的其他软件可以根 据实际情况进行调试。硬件调试一般采用硬件仿真器进行调试，如果没有相应的硬件仿真 器，且硬件系统不是十分复杂，也可以借助于一般的工具进行调

7、试。系统的软件和硬件分别调试完成后，就可以将软件脱离开发系统而直接在应用系统上运 行。当然，DSP系统的开发，特别是软件开发是一个需要反复进行的过程，虽然通过算法模 拟基本上可以知道实时系统的性能，但实际上模拟环境不可能做到与实时系统环境完全一 致，而且将模拟算法移植到实时系统时必须考虑算法是否能够实时运行的问题。如果算法运 算量太大不能在硬件上实时运行，则必须重新修改或简化算法。3编辑本段DSP算法及芯片分类DSP运算的基本类型是乘法和累加（MAC运算，对于卷积、相关、滤波和FFT基本上都是 这一类运算。这样的运算可以用通用机来完成，但受到其成本和结构的限制不可能有很高的 实时处理能力。DS

8、P运算的特点是寻址操作。数据寻址范围大，结构复杂但很有规律。例如FFT运算， 它的蝶形运算相关节点从相邻两点直至跨越N/2间隔的地址范围，每次变更都很有规律，级 间按一定规律排列，虽然要运算log2N遍，但每级的地址都可以预测，也就是寻址操作很有 规律而且可以预测。这就不同于一般的通用机，在通用机中对数据库的操作，具有很大的随 机性，这种随机寻址方式不是信号处理器的强项。无论是专用的DSP芯片或通用DSP芯片在结构考虑上都能适应DSP运算的这些特点。而 专用芯片在结构上考虑的更加专业化，更为合理，因而有更高的运算速度。DSP芯片按用途或构成分类可以分为下列几种类型：为不同算法而专门设计的专用芯

9、片：例如用于做卷积/相关并具有横向滤波器结构， INMOS 公司的 A100、A110； HARRIS 公司的 HPS43168 ； PLESSYGEC 公司的 PDSP16256 等。用 于做FFT，Austek公司的A41102，PLESSYGEC公司的PDSP16150等。这些都是为做FIR、 IIR、FFT运算而设计的，因而运算速度高，但是具有有限的可编程能力，灵活性差。为某种目的应用专门设计系统，即ASIC系统。它只涉及一种或一种以上自然类型数据 的处理，例如音频、视频、语音的压缩和解压，调制/解调器等。其内部都是由基本DSP运 算单元构建，包括FIR、IIR、FFT、DCT，以及卷

10、积码的编/解码器及RS编/解码器等。其特 点是计算复杂而且密集，数据量、运算量都很大。积木式结构：它是由乘法器、存储器、控制电路等单元逻辑电路搭接而成，这种结构方 式也称为硬连线逻辑电路。它是一种早期实现方法，具有成本低、速度高等特点，由于是硬 连接因而没有可编程能力。目前主要用于接收机的前端某些高频操作中。用FPGA （现场可编程陈列）实现DSP的各种功能。实质上这也是一种硬连接逻辑电 路，但由于有现场可编程能力，允许根据需要迅速重新组合基础逻辑来满足使用要求，因而 更加灵活，而且比通用DSP芯片具有更高的速度。一些大的公司如Xinlinx、Alt era也正把 FPGA产品扩展到DSP应用

11、中去。通用可编程DSP芯片：这是目前用得最多的数字信号处理应用器件片上系统Soc（SystemonChip，这是数字化应用及微电子技术迅速发展的产物，是下一 代基于DSP产品的主要发展方向之一。它把一种应用系统集成在一个芯片上。通常，为满足 系统的性能要求和提高功率效率，会把DSP和MCU的多处理器处理平台集成在一起。图1是 由TI公司推出的开放多媒体应用平台（OMAP），用来支持2.5G和3G应用而设计的处理器 体系结构，它支持语音、音频、图像和视频信号处理应用的各种性能。其中关键器件有：低 功耗的DSP芯片，用来做媒体处理；MCU用来支持应用操作系统及以控制为核心的应用处 理；MTC是内存

12、和流量控制器，确保处理器能高效访问外部存储区，避免产生瓶颈现象，提 高整个平台的处理速度。4编辑本段DSP技术的应用信号处理：数字滤波、自适应滤波、FFT、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。语音处理：语音编码、语音合成、语音识别、语音增强、语音邮件、语音储存等。图像/图形：二维和三维图形处理、图像压缩与传输、图像识别、动画、机器人视 觉、多媒体、电子地图、图像增强等。DSP发展轨迹DSP产业在约40年的历程中经历了三个阶段：第一阶段，DSP意味着数字信号处理，并 作为一个新的理论体系广为流行。随着这个时代的成熟，DSP进入了发展的第二阶段，在这 个阶

13、段，DSP代表数字信号处理器，这些DSP器件使我们生活的许多方面都发生了巨大的变 化。接下来又催生了第三阶段，这是一个赋能（enablement ）的时期，我们将看到DSP理论 和DSP架构都被嵌入到SoC类产品中。”第一阶段，DSP意味着数字信号处理。80年代开 始了第二个阶段，DSP从概念走向了产品，TMS32010所实现的出色性能和特性备受业界关 注。方进先生在一篇文章中提到，新兴的DSP业务同时也承担着巨大的风险，究竟向哪里拓 展是生死攸关的问题。当设计师努力使DSP处理器每MIPS成本降到了适合于商用的低于10 美元范围时，DSP在军事、工业和商业应用中不断获得成功。到1991年，T

14、I推出价格可与 16位微处理器不相上下的DSP芯片，首次实现批量单价低于5美元，但所能提供的性能却 是其5至10倍。到90年代，多家公司跻身DSP领域与TI进行市场竞争。TI首家提供可定 制DSPcDSP，cDSP基于内核DSP的设计可使DSP具有更高的系统集成度，大大加速了 产品的上市时间。同时，TI瞄准DSP电子市场上成长速度最快的领域。到90年代中期，这 种可编程的DSP器件已广泛应用于数据通信、海量存储、语音处理、汽车电子、消费类音频 和视频产品等等，其中最为辉煌的成就是在数字蜂窝电话中的成功。这时，DSP业务也一跃 成为TI最大的业务，这个阶段DSP每MIPS的价格已降到10美分到1

15、美元的范围。21世纪 DSP发展进入第三个阶段，市场竞争更加激烈，TI及时调整DSP发展战略全局规划，并以全 面的产品规划和完善的解决方案，加之全新的开发理念，深化产业化进程。成就这一进展的 前提就是DSP每MIPS价格目标已设定为几个美分或更低。编辑本段DSP未来发展I、数字信号处理器的内核结构进一步改善，多通道结构和单指令多重数据（simd）、特大指令字组（VLIM）将在新的高性能处理器中将占主导地位，如Analog Devices的ADSP-2116x。ADsP 产品2、DSP和微处理器的融合：微处理器是低成本的，主要执行智能定向控制任务的通用处理器能很好执行智能控制任 务，但是数字信号

16、处理功能很差。而DSP的功能正好与之相反。在许多应用中均需要同时具 有智能控制和数字信号处理两种功能，如数字蜂窝电话就需要监测和声音处理功能。因此， 把DSP和微处理器结合起来，用单一芯片的处理器实现这两种功能，将加速个人通信机、智 能电话、无线网络产品的开发，同时简化设计，减小PCB体积，降低功耗和整个系统的成 本。例如，有多个处理器的MotoRola公司的DSP5665x，有协处理器功能的Massan公司 FILU-200，把MCU功能扩展成DSP和MCU功能的TI公司的TMS320C27xx以及Hitachi公司 的SH-DSP，都是DSP和MCU融合在一起的产品。互联网和多媒体的应用需要将进一步加速 这一融合过程。3、DSP和高档CPU的融合：大多数高档GPP如Pentium和PowerPC都是SIMD指令组的超标量结构，速度很快。 LSI Logic公司的LSI401Z采用高档CPU的分支预示和动态缓冲技术，