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1、嘴巴甜一点，脑筋活一点；嘴巴甜一点，脑筋活一点；行动快一点，效率高一点；行动快一点，效率高一点；做事多一点，理由少一点；做事多一点，理由少一点；肚量大一点，脾气小一点。肚量大一点，脾气小一点。2121世纪世纪信息社会信息社会数字化时代数字化时代数字信号数字信号模拟信号模拟信号数字信号处理数字信号处理D S P 原理 与 应 用The principle and application of DSP主主 讲讲:胡文静胡文静 博士博士Q Q:228405520Q Q群群:Email:第一章 绪论u知识要点知识要点u本章主要对数字信号处理进行简要介绍本章主要对数字信号处理进行简要介绍u数字信号处理数
2、字信号处理DSPDSP基本知识；基本知识；u可编程可编程DSPDSP芯片芯片发展、特点、分类、应用和发展趋势；发展、特点、分类、应用和发展趋势；uDSPDSP系统系统构成、特点、设计过程以及芯片的选择；构成、特点、设计过程以及芯片的选择；uDSPDSP产品产品第一章 绪论p什么是什么是DSP?uDSP (Digital Signal Processing)理理论论层层面面：涉涉及及多多门门学学科科并并广广泛泛应应用用于于许许多多科科学学和和工工程程领领域域的的新新兴兴学学科科，主主要要研研究究数数字字信信号号处处理理的的理理论论和和方方法法；语音图像压缩编码，加密解密，调制解调，智能天线等。语
3、音图像压缩编码，加密解密，调制解调，智能天线等。应用层面应用层面：利用专门或通用数字信号处理芯片，通过数：利用专门或通用数字信号处理芯片，通过数字计算的方法对信号进行处理的方法与技术；如：处理字计算的方法对信号进行处理的方法与技术；如：处理速度与运算精度。速度与运算精度。uDSP (Digital Signal Processor)用于数字信号处理的可编程微处理器；用于数字信号处理的可编程微处理器；相关技术：相关技术：MCU, CPU第一章 绪论pDSP的理论基础的理论基础u以以众众多多的的经经典典理理论论体体系系作作为为自自己己的的理理论论基基础础，同同时时它又是它又是新兴学科新兴学科理论基
4、础。理论基础。u经典理论体系经典理论体系微微积积分分，概概率率统统计计，随随机机过过程程，数数值值分分析析，网网络络理理论论，通信理论，控制论。通信理论，控制论。u新兴学科新兴学科人工智能，模式识别，神经网络等。人工智能，模式识别，神经网络等。DSP的实现方法pPCPC机软件实现机软件实现u主主要要用用于于DSPDSP算算法法的的模模拟拟与与仿仿真真，验验证证算算法法的的正正确确性性和和性性能能; ;灵活方便，但速度较慢。灵活方便，但速度较慢。 pPCPC机机+ +专用处理机专用处理机u运运算算能能力力强强、处处理理速速度度快快；但但专专用用性性强强，不不适适合合嵌嵌入入式式应应用用，应用受到
5、很大的限制。应用受到很大的限制。 p通用单片机通用单片机u适适用用于于简简单单的的DSPDSP算算法法，完完成成一一些些不不太太复复杂杂的的数数字字信信号号处处理理任任务务，如如数数字字控控制制等等；但但不不适适合合复复杂杂的的密密集集DSPDSP算算法法（如乘法（如乘法- -累加等）。累加等）。DSP的实现方法p专专用用DSP芯片芯片u（特特殊殊功功能能：如如FFT、数数字字滤滤波波、卷卷积积、相相关关等等算算法法）这这种种芯芯片片将将相相应应的的信信号号处处理理算算法法在在芯芯片片内内部部用用硬硬件件实实现现，无无须须进进行编程。处理速度极高，但专用性强，应用受到限制。行编程。处理速度极高
6、，但专用性强，应用受到限制。p基于基于DSP核的核的ASIC芯片芯片uDSP核核（DSP器器件件的的CPU）配配以以用用户户资资源源（存存储储器器和和外外设设）组成的专用集成电路。组成的专用集成电路。p通用可编程通用可编程DSP芯片芯片u具具有有更更加加适适合合于于数数字字信信号号处处理理的的软软件件和和硬硬件件资资源源，可可用用于于复复杂的数字信号处理算法，特点是灵活、速度快，可实时处理。杂的数字信号处理算法，特点是灵活、速度快，可实时处理。DSP系统的特点p与模拟系统与模拟系统(ASP)相比，相比，DSP系统有如下特点：系统有如下特点：n精度高、可靠性强精度高、可靠性强仅仅受受量量化化误误
7、差差及及有有限限字字长长影影响响，信信噪噪比比高高，器器件件性性能能影影响小响小n灵活性强，可程控灵活性强，可程控可可通通过过对对芯芯片片编编程程改改变变其其处处理理功功能能，从从而而达达到到不不同同的的目目的，而无需重新设计电路、布线与制版；的，而无需重新设计电路、布线与制版；DSP芯芯片片提提供供高高速速计计算算平平台台，可可实实现现复复杂杂的的信信号号处处理理算算法。法。n接口简单、方便接口简单、方便电气特性简单，数据流采用标准协议电气特性简单，数据流采用标准协议u集成度高，保密性强集成度高，保密性强可编程芯片的采用，隐蔽内部逻辑及总线可编程芯片的采用，隐蔽内部逻辑及总线可编程DSP芯片
8、芯片lDSP芯片的结构特点芯片的结构特点u（1 1）哈佛结构）哈佛结构可编程可编程DSP芯片芯片pDSPDSP芯片的结构特点芯片的结构特点u（1 1）哈佛结构）哈佛结构u（2 2）多总线结构）多总线结构多总线结构可以保证在一个机器周期内多次访问程序空间和数据空间。多总线结构可以保证在一个机器周期内多次访问程序空间和数据空间。u（3 3） 流水线技术流水线技术DSPDSP处处理理器器流流水水线线技技术术是是将将各各指指令令的的各各个个步步骤骤重重叠叠起起来来执执行行，而而不不是是一一条条指令执行完成之后，才开始执行下一条指令。指令执行完成之后，才开始执行下一条指令。可编程DSP芯片p DSP芯片
9、的结构特点芯片的结构特点u（4）多处理器结构）多处理器结构DSP内内部部一一般般包包括括多多个个处处理理单单元元，如如 ALU、ARAU、ACC及及MUL等等，可可以以在一个指令周期内同时进行运算。在一个指令周期内同时进行运算。u（5）指令周期短、功能强）指令周期短、功能强制造工艺影响运算速度制造工艺影响运算速度: 4 m NMOS，亚微米，亚微米CMOS；特殊专用指令；特殊专用指令u（6） 运算精度高运算精度高字长：字长：8位，位，16位、位、24位、位、32位；累加器达到位；累加器达到40位，防溢出。位，防溢出。浮点浮点DSPu（7）功耗低）功耗低一般一般DSP芯片功耗为芯片功耗为0.54
10、W。低功耗。低功耗0.1W，0.25mWu（8）外设丰富，硬件配置强）外设丰富，硬件配置强HPI,DMAC,SP,PLL可编程可编程DSP芯片芯片pDSP芯片的分类芯片的分类u按基础特性分类按基础特性分类静态静态DSP一致性一致性DSPu按用途分类按用途分类通用型通用型专用型专用型u按数据格式分类按数据格式分类定点型定点型浮点型浮点型DSP芯片现状及发展趋势p发展历程发展历程u1978年，年， AMI公司公司S2811 ，第一片，第一片DSP诞生诞生u1979年，年，Intel公司公司2920，DSP的里程碑的里程碑u1980年，年，NEC公司公司uPD7720，乘法器商用，乘法器商用DSPu
11、1990s，DSP芯片趋于成熟芯片趋于成熟u2000s，DSP芯片趋于完善芯片趋于完善u主要厂商：主要厂商：美国德州仪器公司（美国德州仪器公司（TI公司）公司）美国摩托罗拉公司美国摩托罗拉公司美国美国Analog Devices公司公司美国美国AT & T公司公司Lucent公司公司DSP芯片现状及发展趋势pDSP发展现状发展现状u制造工艺制造工艺NMOS 亚微米亚微米CMOS 深亚微米深亚微米CMOS u存储器容量存储器容量片内由几百片内由几百 几百几百K；片外可达；片外可达Mbit甚至甚至Gbit级级u内部结构内部结构多处理单元，多总线，多级流水线，接口完善多处理单元，多总线，多级流水线，
12、接口完善u运算速度运算速度指令周期指令周期400ns 10ns，速度，速度 2.5MIPS 2000MIPS以上以上u集成规模集成规模集成集成A/D,D/A,滤波滤波 模拟混合式模拟混合式DSPu运算精度运算精度字长字长8 16 24 32位；累加器位；累加器40位位u开发工具开发工具Simulator Emulator C-Compiler CCSu低功耗低功耗DSP芯片现状及发展趋势pTI公司公司DSP芯片介绍芯片介绍u第一代：第一代：TMS32010及其系列产品（及其系列产品（1982年）年）u第二代：第二代：TMS32020、TMS320C25/C26/C28u第三代：第三代：TMS3
13、20C30/C31/C32u第四代：第四代：TMS320C40/C44u第五代：第五代：TMS320C50/C51/C52/C53/C54u第六代：第六代：TMS320C62x/C64x/C67xuTI公司的系列公司的系列DSP产品已经成为最具影响力的产品已经成为最具影响力的DSP芯片，全球市场份额近芯片，全球市场份额近50%。DSP芯片现状及发展趋势p国内国内DSP发展概况发展概况u1983年引进年引进TI公司公司TMS320C2010u核心芯片主要来自海外核心芯片主要来自海外TI公司居首，约占公司居首，约占90%Lucent、AD、Motorola、ZSP和和NECuDSP应用系统的研发应
14、用系统的研发u国内知名公司国内知名公司瑞泰科技瑞泰科技闻亭公司闻亭公司合众达合众达DSP芯片现状及发展趋势pDSP发展趋势发展趋势u总体趋势总体趋势高性能、低功耗、技术融合和应用拓展。高性能、低功耗、技术融合和应用拓展。u主要体现主要体现制造工艺；制造工艺；内核结构的提升；内核结构的提升；DSP与与MPU融合；融合；DSP与高档与高档CPU的融合；的融合；DSP与与SOC融合；融合；DSP与与FPGA融合；融合；RTOS与与DSP融合；融合；RISC架构的并行处理；架构的并行处理；降低功耗。降低功耗。DSP应用领域p信号处理信号处理u滤波、自适应、卷积、滤波、自适应、卷积、FFTFFT、希伯特
15、变换、频谱分析等；、希伯特变换、频谱分析等；p语音处理语音处理u语音编码语音编码/ /会议会议/ /识别识别/ /信箱等；信箱等；p图像处理图像处理u二维二维/ /三维图形变换、模式识别、图像识别、电子地图、机器人视觉等；三维图形变换、模式识别、图像识别、电子地图、机器人视觉等；p仪器仪表仪器仪表u函数发生器、数据采集等；函数发生器、数据采集等；p自动控制自动控制u机器人控制、发动机控制等；机器人控制、发动机控制等；p医学工程医学工程u心心/ /脑电图、监护、超声、脑电图、监护、超声、XX射线扫描等；射线扫描等；p消费电子消费电子uHDTV(HDTV(高清度电视高清度电视) )、高保真音响、数
16、字电话、电子玩具等；、高保真音响、数字电话、电子玩具等；DSP应用领域p工业生产工业生产u数字控制，机器人技术，自动检测，智能传感等数字控制，机器人技术，自动检测，智能传感等p数字通信数字通信u纠纠错错编编/ /译译码码、自自适适应应均均衡衡、回回波波抵抵消消、同同步步、分分集集接接收收、数数字字调调制制/ /解解调、扩频通信、软件无线电等；调、扩频通信、软件无线电等；p国防军事国防军事u雷雷达达与与声声呐呐信信号号处处理理、导导航航、导导弹弹制制导导、保保密密通通信信、全全球球定定位位、电电子子对对抗、情报收集与处理等。抗、情报收集与处理等。DSP应用系统设计概览DSP应用系统设计概览p需求
17、分析与设计目标需求分析与设计目标u根据用户需求，确定设计目标，撰写设计说明书；根据用户需求，确定设计目标，撰写设计说明书；p算法设计与优化算法设计与优化u算算法法仿仿真真和和模模拟拟( (如如MATLAB)MATLAB)实实现现：验验证证算算法法的的正正确确性性、精精度度和和效率，以确定最佳算法，并初步确定相应的参数；效率，以确定最佳算法，并初步确定相应的参数；u核核算算算算法法复复杂杂度度：选选择择DSPDSP的的重重要要因因素素; ; 影影响响目目标标板板的的DSPDSP结结构构（如采用单（如采用单DSPDSP还是多还是多DSPDSP，并行结构还是串行结构等）；，并行结构还是串行结构等）；
18、u算算法法优优化化：提提高高算算法法的的效效率率; ;使使算算法法更更加加适适合合DSPDSP的的体体系系结结构构（如如对对算算法法进进行行并并行行处处理理的的分分解解或或流流水水处处理理的的分分解解等等），以以便便获获得得运运算量最小和使用资源最少的算法。算量最小和使用资源最少的算法。pDSPDSP芯片及外围芯片选择芯片及外围芯片选择u根根据据算算法法的的运运算算速速度度、精精度度和和存存储储要要求求等等参参数数选选择择DSPDSP芯芯片片及及外外围芯片，不同的围芯片，不同的DSPDSP芯片有其不同的应用领域。芯片有其不同的应用领域。DSP应用系统设计概览DSP应用系统设计概览p软、硬件设计
19、软、硬件设计u按选定的算法和按选定的算法和DSP芯片对系统的各项功能进行芯片对系统的各项功能进行软硬件分工软硬件分工软硬件分工软硬件分工。u根据系统技术指标进行根据系统技术指标进行硬件设计硬件设计硬件设计硬件设计，完成，完成DSP芯片外围电路和芯片外围电路和其他电路其他电路(如转换、控制、存储、输出输入等电路如转换、控制、存储、输出输入等电路)的设计。的设计。u根据系统技术指标要求和所确定的硬件编写相应的根据系统技术指标要求和所确定的硬件编写相应的DSP应用应用程序，完成程序，完成软件设计（语言的选择软件设计（语言的选择软件设计（语言的选择软件设计（语言的选择）p软、硬件调试软、硬件调试u硬件
20、调试与软件调试硬件调试与软件调试是否达到预期设计目标是否达到预期设计目标p系统集成与测试系统集成与测试u可以将软件脱离开发系统而直接在应用系统上运行，评估是可以将软件脱离开发系统而直接在应用系统上运行，评估是否完成设计目标。否完成设计目标。课程组织结构DSPDSP技术技术TMS320C54XTMS320C54X硬件结构硬件结构指令系统指令系统汇编语言程序设计汇编语言程序设计DSPDSP外设、接口外设、接口硬件设计硬件设计CCSCCS开发平台开发平台应用程序设计应用程序设计How top先修课程先修课程l高等数学高等数学l数字信号处理数字信号处理( (视具体应用需求视具体应用需求) )l单片机原
21、理单片机原理l汇编语言汇编语言lC/C+C/C+语言语言lMatlabMatlab语言（算法仿真）语言（算法仿真）lp课内课外结合课内课外结合u在在理理解解、消消化化课课堂堂知知识识的的基基础础上上，多多阅阅读读参参考考文文献献，包包括括论论文、参考教材等文、参考教材等How top网络资源利用网络资源利用u充充分分利利用用计计算算机机网网络络进进行行相相关关文文献献资资源源的的搜搜集集与与整整理理p勤思考多实践勤思考多实践uDSPDSP是是一一门门实实践践性性很很强强的的课课程程，务务必必充充分分利利用用实实验验室现有宝贵的软硬件资源进行实战演练室现有宝贵的软硬件资源进行实战演练p切莫畏难而退切莫畏难而退uDSPDSP技术并非一蹴而就，要有充分的思想准备技术并非一蹴而就，要有充分的思想准备参考文献p1邹彦等邹彦等.DSP原理与应用原理与应用M.北京北京:电子工业出电子工业出版社版社p2郑红郑红,吴冠吴冠.TMS320C54X应用系统设计应用系统设计M.北北京京:北京航空航天大学出版社北京航空航天大学出版社p3清源科技清源科技.TMS320C54X DSP应用程序设计教程应用程序设计教程M.北京北京:清华大学出版社清华大学出版社p4网络课堂网络课堂. http:/ OLp5TI公司网站公司网站. OLp661IC网站网站. OLp7Google搜索引擎搜索引擎. OL
