实时数字信号处理概述

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1、2 实时数字信号处理技术概述实时数字信号处理技术概述2.1 绪论绪论2.2 实时数字信号处理系统的组成实时数字信号处理系统的组成2.3 数字信号处理器的选择和发展数字信号处理器的选择和发展 2.4 实时数字信号处理系统的设计实时数字信号处理系统的设计 2.1 绪论绪论 信号类型：连续时间信号（模拟信号）、离散时间信号、数字信号 模拟信号：有源、无源器件处理 随着信息科学和微电子技术的快速发展，数字信号处理的理论及数字信号处理器己广泛应用于通信、家电、航空航天、工业测量和控制、生物医学工程及军事等许许多多的领域。由于设计和实现一个实时的数字信号处理系统不仅需要系统地掌握信号处理的理论，而且要熟练

2、地掌据DSP硬件的知识，因此，对设计者的要求是非常高、也是相当全而的。 介绍实时数字信号处理系统的基本概念。2.2 实时数字信号处理系统的组成实时数字信号处理系统的组成 数字信号处理实现：非实时与实时 非实时：PC机等 实时：1、快速的算法、高效的编程； 2、高性能的硬件支持。 完成实时数字信号处理任务的高性能硬件包括：DSPs、FPGA等器件。另外还有输入/输出通道、通信（串、并行）、人机接口、总线（PCI、USB、VXI、 3xBUS 、LAN、CAN）等，整个系统的协调运行还要依靠正确的逻辑控制电路设计。 2.2.1 输入、输出通道输入、输出通道 输入通道：放大器、抗混叠滤波器、ADC

3、放大器：放大倍数(增益)、带宽、电平、耦合形式直流（视频）、交流（变压器耦合、中频） 抗混叠滤波器：低通为主（中频带通）、截止频率 ADC：精度（位数）、采样频率（视频、中频）、SNR6BdB(16BIT:96dB)、并串、自校验等 输入通道重要：a.应用情况 ；b. 量化噪声（ADC为主）；c.设计难度。 输出通道：DAC、重构滤波器、放大器（如CD播放机） DAC：精度（位数）、采样频率（速度）、并串、处理（内插滤波） 重构滤波器：低通、截止频率 放大器：变压器（差分变单端）、电流、电压、带宽、驱动能力等 2.2.2 DSP硬件硬件 2.2.2.1 数字信号处理器的特点数字信号处理器的特点

4、 实时数字信号处理技术的核心和标志是数字信号处理器(DSPs)。第一个DSPs（TMS32010）以来，处理器技术水平得到了十分迅速的提高，而FFT等提出促进DSPs的发展。DSPs有别于普通的科学计算与分析，它强调运算处理的高速实时性，因此DSPs除了具备普通微处理器所强调的高速运算和控制功能外，针对高速实时数字信号处理，在处理器结构、指令系统、指令流程上做了很大的改动，其结构特点如下： DSP采用数据和程序总线分离的哈佛结构及改进的哈佛结构，而非冯诺依曼结构，指令执行速度更高； DSP大多采用流水技术，从而在不提高时钟频率的条件下减少了每条指令的执行时间； 片内有多条总线可以同时进行取指令

5、和多个数据存取操作，并且有辅助寄存器用于寻址，它们可以在寻址访问前或访问后自动修改内容，以指向下一个要访问的地址； 针对滤波、相关、矩阵运算等需要大量乘法累加运算的特点，DSP大都配有独立的乘法器 和加法器，使得同一时钟周期内可以完成相乘、累加两个运算，许多DSP可以同时进行乘、加、减运算，大大加快了FFT的蝶形运算速度； 许多DSP带有DMA通道控制器，以及串行通信口等，配合片内多总线结构，数据块传送速度大大提高； 配有中断处理器和定时控制器，可以很方便地构成一个小规模系统； 具有软、硬件等待功能，能与各种存储器接口。2.2.2.2 DSP硬件比较硬件比较2.3 DSPs的选择和发展的选择和

6、发展 DSP的应用范围十分广阔，不同的应用领域和不同的性能需要不同类型的DSP。在军事和尖端科技领域，对性能因素的考虑远远高于对成本等因素的考虑，因而这一应用领域总是集中体现了当今最先进的DSP发展水平。而在广阔的民用产品设计中，成本和性能同样重要，例如定点DSP的成本远低于浮点DSP，通信、语音、图像处理往往采用定点DSP就可以满足要求。定点DSP功耗也较低，一般在 ，其低电压（、）型仅 200mw以下，而且在休眠模式下（Power down或Sleep）功耗更低。浮点 DSP由于片内集成度、运算复杂性较高，功耗是定点DSP的35倍。因而过去和现在定点DSP在应用广泛性上占主导地位。但随着V

7、LSI技术的发展，决定芯片生产成本的因素中，生产批量的大小起着越来越大的作用，尽管浮点DSP的结构复杂、集成度很 高，如果它能获得市场的承认而得到广泛应用，其价格会大幅度下降。 另外，各种DSP面向不同应用领域，有其各自的结 构 和 功 能 特 点 。 以 TMS320系 列 为 例 ，TMS320F240适合于电机控制，TMS320C54X适合于通信及语音处理，TMS320C80则面向多媒体应用，雷达、声纳信号处理所需要的大动态范围和高速实时处理需要TMS320C4XC67X这样的高性能或并行DSP。 综合起来，选择合适的DSP所应考虑的主要方面有： 性能指标 指令速度MIPS或运算速度MF

8、LOPS，考虑是否必须多片并行处理。高速实时信号处理要求DSP处理系统必须在限定时间内完成任务，或者在允许的输出输入响应迟延范围内，系统的数据输入输出吞吐率必须达到一定速度。 精度和动态范围。数据字宽、定点浮点； 是否具备本应用所需要的某些特殊功能。如串行通信口、片内语音处理功能、片内AD或DA集成、与特定外部设备接口等等； 价格成本。不单指芯片本身价格，还包括必需的外部配套器件成本； 体积。同样包括了构成最小系统的电路尺寸； 功耗。是否有低功耗（3.3 V）型号，能否电池供电； 应用开发时间周期。应具备完善的开发调试工具，DSP本身易学易用； 型号延续性。产品有较好的应用前景，或者未来有兼容

9、替代型号，这要求生产厂家有相当实力，能在芯片生产或开发调试系统上得到其它厂商的支持。 当选择一种DSP满足上述要求后，还应选择更具体的类型，如速度、工作温度范围、封装等等。许多DSP都提供了具备片内ROM型的产品，片内ROM可以将定型的程序代码固化到DSP片内，从而减少了系统的体积、功耗、电磁辐射干扰，速度也有所提高，当大批量生产时可降低成本。但这种ROM几乎都是一次性写入的，而且需要由厂家专门制作，其批量起点高（万片），带来了很大的资金投入和生产风险，因此对普通使用者，这些ROM是无用的。有些 DSP如 TM320C31C40，其片内有少量 ROM固化为加电引导程序，供各种加载模式下自动调用

10、。有些 DSP如 TM320F206，其片内则有FLASH。 DSP处理系统中除了DSP外，另外的不可缺器件就 是 存 储 器 ， 一 个 独 立 系 统 必 须 有 EPROM、EEPROM、FLASH、SSD（固态盘）等非易失性存储器来存放程序、初始化数据、表格等，为了采用低成本、小体积的存储器，就要选用那些带有8bit字节方式加载功能的DSP，如 TMS320C31等，而 TM320C30则必须用32 bit的存储加载。当DSP的片内存储器不够使用时，有必要采用可读写的片外存储器，SRAM速度高，与DSP连接简单，能被DSP全速访问（无等待），但成本高、容量小、体积大，DRAM则与SRA

11、M完全相反。为了克服DRAM必须刷新所带来的不利影响，已 经 有 一 种 带 一 页 SRAM缓 存 的 增 强 型DRAM（EDRAM），除了DSP访问跨页时需要插入等待周期外，大多数情况下，EDRAM几乎与SRAM的性能一样，但容量大得多，而且DSP无须考虑对EDRAM中DRAM的刷新。 同一型号DSP有多种速度级别、工作温度和封装形式，而且价格与其购买量关系很大。DSP集成度和性能呈加速增长势头，更新换代速度越来越快。采用主流产品和兼容性有保证的型号很重要。DSP的发展趋势：一是采用低压（），可以大大减少系统功耗，降低散热要求；二是采用越来越密集的封装形式，从DIPPGAPLCCQFP

12、TQFPBGA，管脚间距越来越小，对电路板设计、制作、器件安装的要求越来越高。DSP另一大趋势是软件化，未来DSP需要“单片系统”，即在一个芯片上包括了处理控制单元、存储器、输入输出设备甚至 A/D、 D/A等模拟器件，并且包括处理单元在内的各功能块都具有可重定义特性，这些系统的软硬件设计将更多地侧重于软件编程，这种基于软件的DSP设计方法将降低设计难度，提高设计效率。 电子系统向软件化方向发展的一个实例是软件无线电的应用。目前无线通信领域存在着以下主要矛盾：新的通信体制和“标准”不断提出，通信产品生存周期缩短、开发费用上升；各种通信体制并存，对多种体制间互联要求日趋强列；频带更加拥挤，要求更

13、高的频带利用率和抗干扰能力。软件无线电将尽可能多的把无线及个人通信功能用软件实现，以可编程的通用DSP和FPGA取代专用电路，使系统中硬件含量进一步下降，从而提高了设计的灵活性、兼容性和可升级能力，解决了上述矛盾。 软件无线电需要有强大处理能力的硬件平台作支持，运行不同软件就能支持多种通信体制，将传统通信系统中前端处理的专用硬件用可编程器件替代，大大增强了系统的兼容性和可升级能力，而性能迅速提高的DSP和FPGA技术可以满足，而且并行浮点DSP适合通信领域日益复杂的数据处理所要求的高精度、大动态范围、大运算量，在未来将取代更多的定点DSP。 发展方向是：可重构、软件无线电技术。2.4 实时数字

14、信号处理系统的设计实时数字信号处理系统的设计 一、总体方案设计一、总体方案设计 现对如图所列各步骤作一简要说明。 在进行DSP系统设计之前，首先要明确设计任务，给出设计任务书。在设计任务书中，应该将系统要达到的功能描述准确、清楚。描述的方式可以是人工语言，也可以是流程图或算法描述。在此之后应该把设计任务书转化为量化的技术指标，这些技术指标主要包括： 由信号的频率和性质决定系统采样频率； 由采样频率完成任务书最复杂的算法所需最大时间及系统对实时程度的要求判断系统能否完成工作； 由数据量及程序的长短决定片内RAM的容量，是否需要扩展片外RAM及片外RAM容量； 由系统所要求的精度决定是16位还是3

15、2位，是定点还是浮点运算； 根据系统是计算用还是控制用来决定对输入输出端口的要求。在一些特殊的控制场合还有一些专门的芯片可供选用。如电机控制领域很适合用TMS320C2XX系列集成了ADC，6路PWM输出及强大的人机接口。 采用高级语言或Matlab等对算法进行仿真，确定最佳算法并初步确定参数，对系统中的哪些功能用软件（DSPs）来实现，哪些功能用硬件（如FPGA）实现进行初步的分工，如FFT、FIR、FFT等是否需要用硬件来实现等。根据技术指标和算法，大致可以确定应该选用的DSP芯片的型号。在确定DSP芯片选型之后，进行系统的软件和硬件（包括FPGA）设计。 二、软件设计二、软件设计 1、算

16、法确定算法确定 采用通用计算机开发DSP软件，其优点： MATLAB、C/C+、DSP软件包能有效缩短 算法和软件的开发时间，另外C能移植到 DSP、FPGA硬件平台； 易于调试和修改； 基于磁盘文件输入输出操作易于实现，系统 行为易于分析； 采用浮点数据格式实现高精度； 针对定点DSP进行定点仿真计算，易于比 较。 2 DSP软件编程的特点软件编程的特点 在此对软件开发流程做简单的介绍。 与计算机的汇编语言比起来，由于 TI公司汇编语言的指令系统比计算机汇编语言的指令系统要简单一些，而且由于有许多专门为数字信号处理而设计的指令，因此是比较容易掌握并运用于数字信号处理的编程中的。 与高级语言比

17、起来，使用DSP汇编语言的用户一定要熟悉DSP芯片内部结构和指令系统。尤其是在多DSP并行处理的场合，或在便携电话、磁盘驱动器等编程空间很小的场合，这对偏重高效的DSP软件是非常重要的。 高级语言（如 C语言）的开发工具不断完善，随着 TI公司 C语言编译器、优化器的不断改进，以及一些第三方的不断努力，C语言的编译效率已经得到了很大的提高。在C3X中，其编译效率大约为汇编语言的110，而到了C6X系列，其编译效率提高了3倍。 在实时要求高的场合或实时要求高的算法中，用汇编语言开发；实时要求低的场合用C语言编程。将两者结合起来，既能保持算法的实时性，又能做到程序结构的清晰明了。 3、软件编程的步

18、骤、软件编程的步骤 用汇编语言、C语言或汇编语言和C语言的混编来编写程序，然后把它们分别转化成TMS320的汇编语言并送到汇编语言编译器进行编译，生成目标文件。 将目标文件送入链接器进行连接，得到可执行文件。 将可执行文件调入到调试器（包括软件仿真、软件开发系统、评测模块、系统仿真器一般在系统调试中，系统仿真器是最常用的）进行调试，检查运行结果是否正确。如果正确进入第四步；如果不正确，则返回第一步。 进行代码转换，将代码写人 E/EPROM，并脱离仿真器运行程序，检查结果是否正确。如果不正确，返回第三步；如果正确，进入下一步。 软件测试。如果测试结果合格，软件调试完毕；如果不合格，返回第一步。

19、 软件设计系统框图如图所示。高级软件开发工具：CCS（TI）和Visual DSP+ （ADI） 三、硬件设计三、硬件设计 1、设计硬件实现方案、设计硬件实现方案 所谓硬件实现方案是指根据性能指标、工期、成本等，确定最优硬件实现方案（考虑到实际的工作情况，最理想的方案不一定是最优的方案），并画出其硬件系统框图。这时对于具体器件的要求应该已经比较明确。 2、进行器件的选型、进行器件的选型 一般系统中常用 ADC、DAC、内存、电源、逻辑控制、通信、人机接口、总线等基本部件。下面将大致介绍它们的确定原则，至于具体的介绍详见后续各章。 硬件系统设计框图硬件系统设计框图 AD：根据采样频率、精度来确定

20、AD型号，是否要求片上自带采保、多路器、基准电源等。 DA：信号频率、精度是否要求自带基准电源、多路器、输出运放等。 存存储储器器：包括SRAM，EPROM（或 EEPROM或 FLASH MEMORY），在 TMS320C6X等一些产品中还有SDRAM，SBSRAM。所有这些的选型主要考虑工作频率、内存容量位长（8位16位32位）、接口方式（串行还是并行）、工作电压是5 V还是3.3 V或。 逻辑控制逻辑控制：首先是确定用PLD，EPLD，还是用FPGA。其次根据自己的特长和公司芯片的特点决定采用哪家公司的哪一系列的产品。最后还须根据DSP的频率决定芯片的工作频率以确定使用的芯片。 数据交换

21、数据交换：根据数据交换的速率决定采用交换方式。 Network Interface Units:Serial Communication Interface (SCI) - UART：RS232、RS422Serial Peripheral Interface ( SPI)Inter Integrated Circuit ( I2C) Bus Controller Area Network (CAN)Local Interconnect Network (LIN)Universal Serial Bus (USB)Local / Wide Area Networks (LAN, WAN)如果还

22、有更高的要求则应考虑通过总线进行数据交换。再高则可采用 LVDS、FPDP和光纤。 总线总线：一般有ISA、PCI、VME等。采用哪一种总线主要看使用的场合、数据传输速率的高低（总线宽度、频率高低、同步方式等）。 人机接口人机接口：有键盘、显示器等它们可以通过与80C51 等通用单片机的通信来构成，也可以在DSP的基础上直接构成，视情况而定。 电电源源：主要是电压的高低以及电流的大小。电压高低要匹配，电流容量要足够。 上述这些部件的选择可能会相互有些影响。同时，在选型时还必须充分考虑到供货能力、性能价格比、技术支持、使用经验等因素。 3、原理图设计、原理图设计 在这一步之前的工作基本上是分析工

23、作。而从这一步起，则开始综合的工作，逐步开始系统的集成。在所有的综合工作中，原理图的设计是关键的一步。在原理图的设计时必须清楚了解器件的使用和系统的 开发，对于一些关键的环节有必要做一定的仿真。随着大规模集成芯片和可编程逻辑芯片的发展，使硬件 原理设计的难度得以降低，但它依然是DSP系统集成中关键的一步。原理图设计的成功与否是DSP系统能否正常工作的最重要的一个因素。 4、PCB设计设计 PCB图的设计要求DSP系统的设计人员既要熟悉系统工作原理，还要清楚布线工艺和系统结构设计。高速PCB的设计后面章节详细介绍。 5、硬件调试、硬件调试 后面我将结合具体项目，将围绕硬件方案的确定、器件的选型、原理设计和硬件调试进行深入浅出的阐述。 在完成系统的软硬件设计之后，将进行系统集成。所谓系统集成是将软硬件结合起来，并组装成一台样机，并在实际系统中运行，进行系统测试。如果系统测试结果符合指标，则样机的设计完毕。但由于在软硬件调试阶段调试的环境是模拟的，因此在系统测试中往往可能会出现一些问题，如精度不够、稳定性不好等。出现问题时，一般采用修改软件的方法。如果软件修改无法解决问题，则必须调整硬件，这时问题就较为严重了。