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基于Simulink的数字音效研究

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毕业设计(论文)任务书学生姓名_应旭东_ 指导教师_余世明_职_教授_系别_信电_专业 电气技术 年级_03_班级 1 课题名称_基于 Simulink的数字音效研究_任务与要求:一、 设计(论文)要求:学习研究数字信号处理的基本方法和滤波器的设计,了解基本音效的声学原理,掌握回声音效、合唱音效、镶边音效和混响音效的基本概念。编写仿真软件及文档,录制一段音乐,进行仿真研究 。在本论文中重点进行 Simulink 仿真软件的设计 。二、 设计(论文)条件:掌握数字音效的基本原理、具备一定的编程基础。三、 设计(论文)资料:数字信号处理、数字音效相文献和 Simulink 工具软件。四、 设计(论文)教学要求:(可以同一专业相同)1. 按计划完成文献查阅、文献综述、开题报告、文献翻译等毕业设计前期准备工作。2. 学习、掌握相关的基础理论、工具软件和编程方法。五、 设计(论文)进度安排:(可以同一专业相同)1-3周 文献查阅、文献综述、文献翻译、开题报告;4-6周 毕业实习;7-8周 学习研究数字音效的基本理论和方法;9-10周 学习 Simulink基本方法;11-12周 初步完成仿真软件设计;13-14周 软件调试、仿真研究 注:本任务书一式 2份,学生、系各一份浙江工业大学浙西分校信电系 毕业设计(开题报告) 毕 业 设 计 (论 文 )开 题 报 告信电 系 电气技术 专业 03 级 班课题名称:基于 SIMULINK 的数字音效研究毕业设计(论文)起止时间:2006年 2 月 15 日 6 月 5 日(共 16周)学生姓名: 应旭东 学号: 33 指导教师: 余世明 教授 报告日期: 2006-3-5 浙江工业大学浙西分校信电系 毕业设计(开题报告) 1本课题所涉及的问题在国内(外)的研究现状综述数字化技术正在极大地改变着我们的生活和体验。作为数字化技术的基石,数字信号处理(DSP)技术已经、正在、并且还将在其中扮演一个不可或缺的角色。由于各种模拟的音频信号可以数字化,人们可以很方便的对这些数字音频信号进行处理,以得到自己所需要的音效。各种新型数字声音音源相继出现(如 MP3,Mini-Disk, DVD 等) 。所有这些都为数字音频系统创造了崭新的需求。随着 DSP 的普遍应用和数字信号处理技术的发展,对声音信号进行实时处理成为可能,DSP 越来越快的速度以及各种快速算法的应用,使得在上面可以进行各种复杂的数字音效实时处理,如均衡,混响等。它可应用于各种数字音频播放器的音频后处理,为五彩缤纷的音乐添加更多的色彩。数字音效技术,目前仍然主要利用 DSP 芯片来完成诸如 3D 立体音效的处理。尽管数字音效处理所花费的成本可能较之于模拟音效处理技术要高出很多,但其具备能够同时集成不同音源的优势,并将会逐渐成为新一代音效处理标准。数字化的音频系统必将涉及将类比信号转换成数字信号后加以传输的问题。而在这种转换的过程中需要做大量的数学运算,因此必须选择运算快速的微处理器才能完成实时(real-time)的数位信号处理 1。目前的主流是 DSP(Digital Signal Processor 即数字信号处理器)芯片。DSP技术在高速执行单通道信号的检波,多通道信号的对比,其速度可以做到让使用者无法感到时间有延迟,在感觉上完全是实时工作的效果。目前 DSP 在音频领域的应用已十分广泛,主要应用于以下几方面:主动噪声控制,语音信号处理,语音辨识,语音编码,语音解码,回声抑制,音乐信号处理等方面,并且还处于不断的发展和完善中 2。DSP 主要应用市场为3C(communication、computer、consumer通信、计算机、消费类)领域,所占市场比例超过 90%,并且总体市场规模在不断扩大。可以说 DSP 是数字化音频领域的未来 3。浙江工业大学浙西分校信电系 毕业设计(开题报告) 2设计(论文)要解决的问题和拟采用的研究方法本次设计所要解决的问题是如何通过编制 DSP芯片的算法,来处理传感器采集回来的音频信号,并且输出我们所预期的声音效果。由于实验中的实物操作存在一定的困难,所以选择在 Matlab 和 Simulink 动态仿真系统下进行设计。Simulink 是 Matlab 软件的扩展,它是实现动态系统建模和仿真的一个软件包,它与 Matlab 语言的主要区别在于,其与用户交互接口是基于 Windows的模型化图形输入,其结果是使得用户可以把更多的精力投入到系统模型的构建,而非语言的编程上。所谓模型化图形输入是指 Simulink 提供了一些按功能分类的基本的系统模块,用户只需要知道这些模块的输入输出及模块的功能,而不必考察模块内部是如何实现的,通过对这些基本模块的调用,再将它们连接起来就可以构成所需要的系统模型(以.mdl 文件进行存取),进而进行仿真与分析。Simulink的最新版本是 Simulink4.0(包含在 Matlab6.0 里),Matlab5.3 里的版本为 3.0版,它们的变化不大。Simulink是一个用来建模、分析和仿真各种动态系统的交互环境 ,包括连续系统,离散系统和混杂系统。 Simulink 提供了采用鼠标拖放的方法建立系统框图模型的图形交互平台。通过 Simulink 提供的丰富的功能块,可以迅速地创建动态系统模型,而不需要书写一行代码。同时 Simulink 还集成了 Stateflow ,用来建模,仿真复杂事件驱动系统的逻辑行为。另外, Simulink 也是实时代码生成工具 Real-Time Workshop 的支持平台。它与传统的仿真软件包相比,具有更直观、方便、灵活的优点。Simulink 包含有Sinks(输出方式) 、Sources(输入源) 、Linear(线形环境) 、Nonlinear(非线形环境) 、Connections(连接与接口)和 Extra(其他环节)模型库,而且每个模型库又包含有相应的功能模块 4。用户还可以定义和创建自己的功能模块。Simulink 的功能十分的全面强大,DSP Builder作为 Simulink 中的一个工具箱,使得用 FPGA设计DSP系统完全可以通过 Simulink 的图形化界面进行,只要简单地进行 DSP Builder工具箱中的模块调用即可 5。Simulink 完全能满足要求。浙江工业大学浙西分校信电系 毕业设计(开题报告) 3.本课题需要重点研究的、关键的问题及解决的思路本课题需要重点研究的,关键的问题是如何设计一个符合要求的正确算法。传统的 DSP设计开发流程分为两个部分:开发设计和产品实现。在开发设计部分完成算法开发和方案设计,产品的实现用来验证开发设计的正确性,通常是在不同的部门相互独立地完成。利用 Matlab 和 Simulink 对 DSP进行系统级的设计,系统级设计方法的核心是将算法设计和系统级设计仿真在统一的开发环境中进行,从而有效地将开发流程的将两个部分结合在一起。进行系统级设计需要一个统一的开发环境,且在该开发环境中可以对系统结构、算法进行描述,还能够对系统不同层次,不同组件和不同数据类型进行建模;同时要有良好的移植性能 6。Simulink 提供了这样一个很好的开发环境,它是基于图块的系统级仿真环境。分级系统的描述方式,提供了真正的自顶向下的设计方法,并且通过图块的方式实现移植。快速原型就是系统工程师在硬件平台上快速验证他们的方案。这里快速是指无需进行漫长的针对硬件的软件开发过程,就可以方便的使用相关硬件平台。快速原型不需要工程师进行大量的 C或汇编编写代码的过程,同时还降低系统工程师对硬件知识的要求,并提供了硬件在回路仿真的能力 7。应用 Matlab 和 Simulink 对 DSP进行系统级的设计极大改进了传统的设计方法。Simulink 系统级的设计环境,有助于在设计早期发现错误和应对系统复杂性不断增加的挑战。利用 Simulink 的动态仿真功能就可以方便地在它的仿真平台上实现 DSP 算法的设计与调试。本次研究的研究思路主要是通过基本的音效算法模块级联,组合来实现复杂的音效算法。这在 Simulink上是完全可以实现的。浙江工业大学浙西分校信电系 毕业设计(开题报告) 4完成本课题所必须的工作条件(如工具书、实验设备或实验环境条件、某类市场调研、计算机辅助设计条件等等)及解决的办法本课题需在装有 MATLAB6.0 及其以上版本的桌面电脑上完成。参考文献:1 戴明桢,周建江.TMS320C54X DSP 结构、原理及应用. 北京航空航天大学出版社 2001:112 陈金鹰 主编.DSP 技术及应用.第二版.北京:机械工业出版社,2004:253 张雄伟. 曹铁勇.DSP 芯片的原理与开发应用.第 2 版.电子工业出版社,2000:94 孙亮 主编.Matlab 语言与控制系统仿真. 北京工业大学出版社,2001:95 张志涌 .掌握和精通 Matlab.北京航空航天大学出版社,1997:326 丁玉美 高西金 .数字信号处理.西安电子科技大学出版社,2003:657 沈辉.精通 Simulink 系统仿真与控制.北京大学出版社,2003:126127浙江工业大学浙西分校信电系 毕业设计(开题报告) 5设计(论文)完成进度计划第 01周-第 03周:文献查阅、文献综述、文献翻译、开题报考;第 04周-06 周:毕业实习;第 07周-08 周:学习研究数字音效的基本理论和方法;第 09周-10 周:学习 Simulink基本方法;第 11周-12 周:初步完成仿真软件设计;第 13周-第 14周:软件调试、仿真研究;第 15周:毕业设计(论文)小组答辩;第 16周:答辩。浙江工业大学浙西分校信电系 毕业设计(开题报告) 6指导教师审阅意见指导教师(签字): 年 月 日7 教研室主任意见教研室主任(签字): 系(签章)年 月 日说明:1.本报告必须由承担毕业设计(论文)课题任务的学生在接到“毕业设计(论文)任务书” 、正式开始做毕业设计(论文)的第 2周或第 3周末之前独立撰写完成,并交指导教师审阅。2.每个毕业设计(论文)课题撰写本报告一份,作为指导教师、教研室主任审查学生能否承担该毕业设计(论文)课题任务的依据,并接受学校的抽查。浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计(论文)摘要介绍数字音效的概念,如何用 DSP 的数字信号处理功能来实现数字音效。介绍了DSP 的产生、发展和目前的研究进展以及 DSP 在数字音效处理方面的应用,通过 DSP与 GPP 的比较,讨论了 DSP 与 GPP 各自的特点以及 DSP 在数字信号处理方面的优势和发展前景。介绍现在国内外 DSP 的研究现状与应用成效,数字滤波器的定义、分类以及实现方法。数字滤波器的工作原理以及在数字音效领域的应用,讨论 IIR 滤波器、FIR 滤波器的设计方法。讨论如何在 Simulink 上实现对回声音效、合唱音效、镶边音效和混响音效这四种音效的仿真。在 Simulink 仿真平台上用回声音效、合唱音效和混响音效对音乐厅的声音播放效果进行模拟,并对三个模块作了分析。最后对 DSP 的发展作了总结和展望。关键字:DSP , FIR , IIR , 数字音效 , Simulink浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计(论文)AbstractIntroduce digital sound concept of result, how about realize the digital transliteration result through the way that the digital signal of DSP handles the function. Recommend production , development of DSP until present research develop and DSP punish the application of in the digital transliteration result, through DSP and comparison of GPP, discuss DSP and GPP ones own characteristic and DSP punish advantage and development prospect of respect in digital signal. Introduce the research current situation of domestic and international DSP now and employ the effect , digital wave filter definition , classification and implementation method . Operation principle of the digital wave filter and application in the field of digital sound result, discuss IIR wave filter , FIR wave filter design method. How realize to echo sound result, chorus sound result, inlay lateral result and mix resonant result four sound emulation of result these at Simulink discussion. Mix resonant result voice result of broadcast in music hall imitate with echo sound result , chorus sound result at Simulink artificial platform, and has done analysis to three pieces of module . Did the summary and looked into the distance to the development of DSP finally.Key words:DSP , FIR , IIR , digital audio effect , Simulink文献综述摘要:本文介绍了 DSP 的产生,发展和应用,DSP 目前在国内外的研究和应用现状以及当前 DSP 的市场形式分析,发展趋势和未来展望人类科技的发展现在可以说是日新月异,当人们正沉浸在模拟电子技术给我们带来的生活革新的时候,谁能这么快就想得到在相隔没多长时间的今天我们在享受着数字信号处理技术给我们带来的更大方便和辉煌业绩。 数字信号处理器 DSP(DigitalSignalProcessor)是在模拟信号变换成数字信号以后进行高速实时处理的专用处理器,其处理速度比最快的 CPU 还快 1050 倍。在当今的数字化时代背景下,DSP 已成为通信、计算机、消费类电子产品等领域的基础器件,被誉为信息社会革命的旗手 1。业内人士预言,DSP 将是未来集成电路中发展最快的电子产品,并成为电子产品更新换代的决定因素,它将彻底变革人们的工作、学习和生活方式。 1、DSP 的发展历程DSP 发展历程大致分为 70 年代的理论先行、80 年代的产品普及、90 年代的突飞猛进三个阶段。在 DSP 出现之前数字信号处理只能依靠 MPU(微处理器)来完成 2。但由于 MPU 较低的处理速度不快,根本就无法满足越来越大的信息量的高速实时要求。因此应用更快更高效的信号处理方式成了日渐迫切的社会需求,到了 70 年代,有人提出了 DSP 的理论和算法基础。但那时的DSP 仅仅停留在教科书上,即使是研制出来的 DSP 系统也是由分立元件组成的,其应用领域仅局限于军事、航空航天部门。随着大规模集成电路技术和半导体技术的发展,1982 年世界上诞生了首枚 DSP 芯片 3。这种 DSP 器件采用微米工艺 NMOS 技术制作,虽功耗和尺寸稍大,但运算速度却比 MPU 快了几十倍,尤其在语音合成和编码解码器中得到了广泛应用。DSP 芯片的问世是个里程碑,它标志着 DSP 应用系统由大型系统向小型化迈进了一大步。至 80 年代中期,随着 CMOS 技术的进步与发展,第二代基于 CMOS 工艺的 DSP 芯片应运而生,其存储容量和运算速度都得到成倍提高,成为语音处理、图像硬件处理技术的基础。 80 年代后期,第三代 DSP 芯片问世,运算速度进一步提高,其应用于范围逐步扩大到通信、计算机领域 4。 90 年代 DSP 发展最快,相继出现了第四代和第五代 DSP 器件。现在的 DSP 属于第五代产品,它与第四代相比,系统集成度更高,将 DSP 芯核及外围元件综合集成在单一芯片上。这种集成度极高的 DSP 芯片不仅在通信、计算机领域大显身手,而且逐渐渗透到人们日常消费领域 5。经过 20 多年的发展,DSP 产品的应用已扩大到人们的学习、工作和生活的各个方面,并逐渐成为电子产品更新换代的决定因素。目前,对 DSP爆炸性需求的时代已经来临,前景十分可观。 2、DSP 的应用领域DSP 应用广泛,主要应用市场为3C(Communication、Computer 、Consumer 通信、计算机、消费类)领域,占去了整个市场需求的 90。21、数字蜂窝电话数字蜂窝电话是 DSP 最为重要的应用领域。由于 DSP 具有强大的计算能力,使得移动通信的蜂窝电话重新崛起,并创造了一批诸如 GSM、CDMA 等全数字蜂窝电话网。由于采用 DSP 技术,蜂窝电话的更新换代变得更为容易,只需在统一的硬件平台基础上,通过软件的不断升级而生产出各式各样的新款手机。22、调制解调技术(Modem)在 Modem 技术器件中,DSP 更是成效卓著。56Kbps 的 Modem 才问世三年,最近又开发出 ADSLModem,其传输速率已高达 6.3Mbps,且具有接收动态图像能力。ADSLModem 不仅可以使更多的用户上因特网,而且使以前需 10 分钟下载的文件变得只需短短的 5 秒钟。23、个人电脑(PC 机) 可编程多媒体 DSP 是 PC 领域的主流产品。以 XDSLModem 为代表的高速通信技术与 MPEG 图像技术相结合,使得高品位的音频和视频形式的计算机数据有可能实现实时交换。目前的硬盘空间大得简直是“海量” ,这主要得益于CDSP(可定制 DSP)的巨大作用。预计在今后的 PC 机中,一个 DSP 即可完成全部所需的多媒体处理功能。24、消费类电子产品DSP 是消费类电子产品中的关键器件。由于 DSP 的广泛应用,数字音响设备的更新换代周期变得如此短暂。用于图像处理的 DSP,目前已形成一个品种不少的产品群。一种是 JPEG 标准的静态图像数据处理 DSP;另一种是用于动态图像数据处理的 DSP。 3、DSP 的市场规模DSP 市场正处于高速成长的阶段。在数字化、个人化和网络化的推动下,1997 年世界 DSP 市场营销额超过 32 亿美元,预计未来的年均增长率高达40,按照这一增长速度,至 2007 年,世界 DSP 市场营销额将突破 500 亿美元。如此高速增长,将吸引着越来越多的半导体厂商争相竞放,但目前只有几家厂商企业占据了绝大部分的市场份额,其中 TI 公司独占鳌头,占世界市场45的份额,其次是朗讯(28) 、ADI(12) 、摩托罗拉(12) 、其他公司(3) 。31、TI 独占鳌头 TI(TexasInstruments)公司是 DSP 业界公认的龙头老大。 TI 产品遍及全球,每 2 个数字蜂窝电话中就有 1 个采用 TI 产品,全世界 90的硬盘和 33的Modem 均采用 TI 的 DSP 技术。1997 年,TI 公司的两项重大投资项目夯实了其地位不可动摇。一是设立 1 亿美元的风险基金,支持那些需要启动资金的 DSP应用企业,为掀起 DSP 的应用高潮打下坚实的基础。二是启动 500 万美元的全球大学科研基金,用于支持各高校的 DSP 教育。TI 已在国内十余所大学建立了DSP 实验室和技术中心。可以这么讲,TI 将未来的前途押在 DSP 事业上。32、朗讯不甘示弱朗讯(Lucent)公司的 DSP 业务主要集中在通信产品上,在看好 GSM 移动电话市场的同时,已经将目光移向下一代移动通信系统 CDMA。在下一代ADSLModem 的开发工作中,朗讯也不甘示弱,目前已投入该市场。 33、ADI 紧追不舍ADI(AnalogDevicesInc.模拟器件公司)紧紧瞄准 DSP 技术的发展方向,不断开发新产品,并声称在每一个 DSP 市场上与 TI 公司较量,力争成为 DSP 业界的 Intel。ADI 制定了一系列计划并进行了广泛宣传,以通过大量消费类设备来定位自己的客户对象和应用方向。ADI 另一个重要目标是车载移动电话设备,在该领域,ADI 处于领先地位。 4、DSP 技术展望41、系统级集成 DSP 是潮流缩小 DSP 芯片尺寸始终是 DSP 的技术发展方向。当前的 DSP 多数基于 RISC(精简指令集计算)结构,这种结构的优点是尺寸小、功耗低、性能高。各 DSP 厂商纷纷采用新工艺,改进 DSP 芯核,并将几个 DSP 芯核、 MPU 芯核、专用处理单元、外围电路单元、存储单元统统集成在一个芯片上,成为 DSP 系统级集成电路。TI 公司的 TMS320C80代表当今 DSP 领域中的最高水平,它在一块芯片上集成了 4 个 DSP、1 个RISC 处理器、1 个传输控制器、 2 个视频控制器。这样的芯片通常称之为MVP(多媒体视频处理器) 。它可支持各种图像规格和各种算法,功能相当强。42、可编程 DSP 是主导产品可编程 DSP 给生产厂商提供了很大的灵活性。生产厂商可在同一个 DSP 平台上开发出各种不同型号的系列产品,以满足不同用户的需求。同时,可编程DSP 也为广大用户提供了易于升级的良好途径。人们已经发现,许多微控制器能做的事情,使用可编程 DSP 将做得更好更便宜。例如冰箱、洗衣机,这些原来装有微控制器的家电如今已换成可编程 DSP 来进行大功率电机控制。据统计,去年的可编程 DSP 销售额占了整个 DSP 市场的 40份额,预计今后的比重将逐年增大,到 2001 年可望占据整个 DSP 销售额的半边江山。43、追求更高的运算速度目前一般的 DSP 运算速度为 100MIPS,即每秒钟可运算 1 亿条指令。但仍嫌不够快。由于电子设备的个人化和客户化趋势,DSP 必须追求更高更快的运算速度,才能跟上电子设备的更新步伐。DSP 运算速度的提高,主要依靠新工艺改进芯片结构。目前,TI 的 TM320C6X 芯片由于采用VLIW(VeryLongInstructionWord 超长指令字)结构设计,其处理速度已高达2000MIPS,计划今年年中批量生产,这是迄今为止的最高速度。当前 DSP 器件大都采用 0.5m0.35mCMOS 工艺,按照 CMOS 的发展趋势,DSP 的运算速度再提高 100 倍(达到 1600GIPS)是完全有可能的。44、定点 DSP 是主流从理论上讲,虽然浮点 DSP 的动态范围比定点 DSP 大,且更适合于 DSP的应用场合,但定点运算的 DSP 器件的成本较低,对存储器的要求也较低,而且耗电较省。因此,定点运算的可编程 DSP 器件仍是市场上的主流产品。据统计,目前销售的 DSP 器件中的 80以上属于 16 位定点可编程 DSP 器件,预计今后的比重将逐渐增大。参考文献:1 王念旭. DSP 基础与应用系统设计.北京:北京航空航天大学出版社,2003:15162 戴逸民等. 基于 DSP 的现代电子系统设计(DSP 应用丛书).北京:电子工业出版社,2003:223 潘松 黄继业 王国栋.现代 DSP 技术.西安:西安电子科技大学出版,2003:274 刘益成. DSP 基本理论与应用技术.北京:北京航空航天大学出版社,2003:355 彭启琮、李玉柏、管庆. DSP 技术的发展与 应用.北京:高等教育出版社,2003:36浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计(论文)1第一章 绪论1.1 导言数字化技术正在极大地改变着我们的生活和体验。作为数字化技术的基石,数字信号处理(DSP)技术已经、正在、并且还将在其中扮演一个不可或缺的角色。由于各种模拟的音频信号可以数字化,人们可以很方便的对这些数字音频信号进行处理,以得到自己所需要的音效。各种新型数字声音音源相继出现(如MP3,Mini-Disk ,DVD 等) 。所有这些都为数字音频系统创造了崭新的需求。随着 DSP 的普遍应用和数字信号处理技术的发展,对声音信号进行实时处理成为可能,DSP 越来越快的速度以及各种快速算法的应用,使得在上面可以进行各种复杂的数字音效实时处理,如均衡,混响等。它可应用于各种数字音频播放器的音频后处理,为五彩缤纷的音乐添加更多的色彩。在数字音效技术领域,目前仍然主要利用 DSP 芯片来完成诸如 3D 立体音效的处理。尽管数字音效处理所花费的成本可能较之于模拟音效处理技术要高出很多,但其具备能够同时集成不同音源的优势,并将会逐渐成为新一代音效处理标准。数字化的音频系统必将涉及将类比信号转换成数字信号后加以传输的问题。而在这种转换的过程中需要做大量的数学运算,因此必须选择运算快速的微处理器才能完成实时(real-time)的数字信号处理。DSP(Digital Signal Processor 即数字信号处理器)芯片。DSP 技术在高速执行单通道信号的检波,多通道信号的对比,其速度可以做到让使用者无法感到时间有延迟,在感觉上完全是实时工作的效果。目前 DSP 在音频领域的应用已十分广泛,主要应用于以下几方面:主动噪声控制,语音信号处理,语音辨识,语音编码,语音解码,回声抑制,音乐信号处理等方面,并且还处于不断的发展和完善中 1。DSP 主要应用市场为3C(communication、computer、consumer通信、计算机、消费类)领域,浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计(论文)2所占市场比例超过 90%,并且总体市场规模在不断扩大。可以说 DSP 是数字化音频领域的未来。1.2 DSP 技术及其发展历史数字信号处理(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。在通常的实时信号处理中,它具有可程控、可预见性、精度高、稳定性好、可靠性和可重复性好、易于实现自适应算法、大规模集成等优点,这都是模拟系统所不及的。 1.2.1 DSP 的发展大致分为三个阶段 在数字信号处理技术发展的初期(二十世纪 5060 年代) ,人们只能在微处理器上完成数字信号的处理。直到 70 年代,有人才提出了 DSP 的理论和算法基础。一般认为,世界上第一个单片 DSP 芯片应当是 1978 年 AMI 公司发布的 S2811。 1979 年美国 Intel 公司发布的商用可编程器件 2920 是 DSP 芯片的一个主要里程碑。这两种芯片内部都没有现代 DSP 芯片所必须有的单周期乘法器。1980 年,日本 NEC 公司推出的 mP D7720 是第一个具有硬件乘法器的商用 DSP 芯片,从而被认为是第一块单片 DSP 器件。随着大规模集成电路技术的发展,1982 年美国德州仪器公司推出世界上第一代 DSP 芯片 TMS32010 及其系列产品,标志着实时数字信号处理领域的重大突破。TI 公司之后不久相继推出了第二代 DSP 芯片TMS32020、 TMS320C25/C26/C28、第三代 DSP 芯片 TMS320C30/C31/C32。90年代 DSP 发展最快,TI 公司相继推出第四代 DSP 芯片 TMS320C40/C44、第五代 DSP 芯片 TMS320C5X/C54X、第二代 DSP 芯片的改进型 TMS320C2XX、集多片 DSP 芯片于一体的高性能 DSP 芯片 TMS320C8X 以及目前速度最快的第六代 DSP 芯片 TMS320C62X/C67X 等。 随着 CMOS 技术的进步与发展,日本的 Hitachi 公司在 1982 年推出第一个基于 CMOS 工艺的浮点 DSP 芯片,1983 年日本 Fujitsu 公司推出的 MB8764,其指令周期为 120ns,且具有双内部总线,从而使处理吞吐量发生了一个大的飞跃。而第一个高性能浮点 DSP 芯片应是 ATT 公司于 1984 年推出的浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计(论文)3DSP32。 与其他公司相比,Motorola 公司在推出 DSP 芯片方面相对较晚。1986 年,该公司推出了定点处理器 MC56001。1990 年,推出了与 IEEE 浮点格式兼容的浮点 DSP 芯片 MC96002。 美国模拟器件公司(AD)在 DSP 芯片市场上也占有一定的份额,相继推出了一系列具有自己特点的 DSP 芯片,其定点 DSP 芯片有 ADSP2101/2103/ 2105、ASDP2111/2115、ADSP2161/2162/2164 以及 ADSP2171/2181,浮点 DSP芯片有 ADSP21000/ 21020、ADSP21060/21062 等。 自 1980 年以来,DSP 芯片得到了突飞猛进的发展,DSP 芯片的应用越来越广泛,并逐渐成为电子产品更新换代的决定因素。从运算速度来看, MAC(一次乘法和一次加法)时间已经从 20 世纪 80 年代初的 400ns(如TMS32010)降低到 10ns 以下(如 TMS320C54X、TMS320C62X/67X 等) ,处理能力提高了几十倍。DSP 芯片内部关键的乘法器部件从 1980 年占模片区(die area)的 40%左右下降到 5%以下,片内 RAM 数量增加一个数量级以上。DSP 芯片的引脚数量从 1980 年的最多 64 个增加到现在的 200 个以上,引脚数量的增加,意味着结构灵活性的增加,如外部存储器的扩展和处理器间的通信等 2。 1.2.2 DSP 的系统构成及其特点 1.2.2.1 DSP 系统构成 数字信号处理器是利用计算机或专用处理设备,在模拟信号变换成数字信号以后,以数字形式对信号进行采集、变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等高速实时处理的专用处理器,其处理速度比最快的 CPU 还快 1050 倍 3。图 1.1 所示为一个典型的 DSP 系统。 图 1.1 典型的 DSP 系统浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计(论文)4输入信号首先进行带限滤波和抽样,然后进行 A/D 变换将信号变换成数字比特流。DSP 芯片的输入是 A/D 变换后得到的以抽样形式表示的数字信号,DSP 芯片对输入的数字信号进行某种形式的处理,如进行一系列的乘累加操作(MAC) 。最后,经过处理后的数字样值再经 D/A(Digital to Analog)变换转换为模拟样值,之后再进行内插和平滑滤波就可得到连续的模拟波形。必须指出的是,上面给出的 DSP 系统模型是一个典型模型,但并不是所有的 DSP 系统都必须具有模型中的所有部件。1.2.2.2 DSP 系统的特点 数字信号处理系统是以数字信号处理为基础,因此具有数字处理的全部优点: (1)接口和编程方便。DSP 系统与其他以现代数字技术为基础的系统或设备都是相互兼容的,与这样的系统接口以实现某种功能要比模拟系统与这些系统接口容易得多;另外,DSP 系统中的可编程 DSP 芯片可使设计人员在开发过程中灵活方便地对软件进行修改和升级。(2)稳定性和可重复性好。DSP 系统以数字处理为基础,受环境温度、湿度、噪声、电磁场的干扰和影响较小,可靠性高;数字系统的性能基本不受元器件参数性能变化的影响,因此数字系统便于测试、调试和大规模生产。(3)精度高。16 位数字系统可以达到 10 -5 的精度。 (4)特殊应用。有些应用只有数字系统才能实现,例如信息无失真压缩、V型滤波器、线性相位滤波器等等。(5)集成方便。DSP 系统中的数字部件有高度的规范性,便于大规模集成。当然,数字信号处理在高频信号处理上也存在一定的缺点。DSP 系统中的高速时钟可能带来高频干扰和电磁泄漏等问题,而且 DSP 系统消耗的功率也较大。此外,DSP 技术更新的速度快,数学知识要求多,开发和调试工具还不尽完善4。1.2.3 数字信号处理器与通用微处理器的比较首先来比较 GPP 与 DSP 的优劣: 1. GPP 常常可以支持多样的外围设备,并提供实时控制,而 DSP 可以以浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计(论文)5很低的功耗完成多媒体处理的密集计算。从这点来看,两者不应对立地比较。 2.因为 DSP 的特点,两者相互融合,一些 GPP 也增加了 DSP 特征。另一方面,数字媒体处理器(DMP)的出现则是尝试支持更多外围( 如网络、视频出入)的 DSP,简化了 DSP 的应用。但本质上,单处理所进行的多种任务 DSP 可以做,但并不是 DSP 所擅长的,典型的 DSP 优化操作也常常会影响系统的响应性。 3. 先进的体系结构应该是中央处理应具备 GPP/MPU 和 DSP,系统运行时MPU 和 DSP 可以同时工作,而待机时 DSP 可以被关闭仅仅 MPU 工作。此外我们再来考虑一个数字信号处理的实例,比如有限冲击响应滤波器(FIR) 。用数学语言来说,FIR 滤波器是做一系列的点积。取一个输入量和一个序数向量,在系数和输入样本的滑动窗口间作乘法,然后将所有的乘积加起来,形成一个输出样本。类似的运算在数字信号处理过程中大量地重复发生,使得为此设计的器件必须提供专门的支持,促成了了 DSP 器件与通用处理器(GPP)的分流:(1) 对密集的乘法运算的支持GPP 不是设计来做密集乘法任务的,即使是一些现代的 GPP,也要求多个指令周期来做一次乘法。而 DSP 处理器使用专门的硬件来实现单周期乘法。DSP 处理器还增加了累加器寄存器来处理多个乘积的和。累加器寄存器通常比其他寄存器宽,增加称为结果 bits 的额外 bits 来避免溢出。同时,为了充分体现专门的乘法-累加硬件的好处,几乎所有的 DSP 的指令集都包含有显式的 MAC 指令。(2)存储器结构传统上,GPP 使用冯.诺依曼存储器结构。这种结构中,只有一个存储器空间通过一组总线(一个地址总线和一个数据总线)连接到处理器核。通常,做一次乘法会发生 4 次存储器访问,用掉至少四个指令周期。大多数 DSP 采用了哈佛结构,将存储器空间划分成两个,分别存储程序和数据。它们有两组总线连接到处理器核,允许同时对它们进行访问。这种安排将处理器存贮器的带宽加倍,更重要的是同时为处理器核提供数据与指令。在这种布局下,DSP 得以实现单周期的 MAC 指令。还有一个问题,即现在典型的高性能 GPP 实际上已包含两个片内高速缓存,浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计(论文)6一个是数据,一个是指令,它们直接连接到处理器核,以加快运行时的访问速度。从物理上说,这种片内的双存储器和总线的结构几乎与哈佛结构的一样了。然而从逻辑上说,两者还是有重要的区别。GPP 使用控制逻辑来决定哪些数据和指令字存储在片内的高速缓存里,其程序员并不加以指定(也可能根本不知道) 。与此相反,DSP 使用多个片内存储器和多组总线来保证每个指令周期内存储器的多次访问。在使用 DSP 时,程序员要明确地控制哪些数据和指令要存储在片内存储器中。程序员在写程序时,必须保证处理器能够有效地使用其双总线。此外,DSP 处理器几乎都不具备数据高速缓存。这是因为 DSP 的典型数据是数据流。也就是说,DSP 处理器对每个数据样本做计算后,就丢弃了,几乎不再重复使用。(3)零开销循环如果了解到 DSP 算法的一个共同的特点,即大多数的处理时间是花在执行较小的循环上,也就容易理解,为什么大多数的 DSP 都有专门的硬件,用于零开销循环。所谓零开销循环是指处理器在执行循环时,不用花时间去检查循环计数器的值、条件转移到循环的顶部、将循环计数器减 1。与此相反,GPP 的循环使用软件来实现。某些高性能的 GPP 使用转移预报硬件,几乎达到与硬件支持的零开销循环同样的效果。(4)定点计算大多数 DSP 使用定点计算,而不是使用浮点。虽然 DSP 的应用必须十分注意数字的精确,用浮点来做应该容易的多,但是对 DSP 来说,廉价也是非常重要的。定点机器比起相应的浮点机器来要便宜(而且更快) 。为了不使用浮点机器而又保证数字的准确,DSP 处理器在指令集和硬件方面都支持饱和计算、舍入和移位。(5)专门的寻址方式DSP 处理器往往都支持专门的寻址模式,它们对通常的信号处理操作和算法是很有用的。例如,模块(循环)寻址(对实现数字滤波器延时线很有用) 、位倒序寻址(对 FFT 很有用) 。这些非常专门的寻址模式在 GPP 中是不常使用的,只有用软件来实现。(6)执行时间的预测浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计(论文)7大多数的 DSP 应用(如蜂窝电话和调制解调器)都是严格的实时应用,所有的处理必须在指定的时间内完成。这就要求程序员准确地确定每个样本需要多少处理时间,或者,至少要知道,在最坏的情况下,需要多少时间。如果打算用低成本的 GPP 去完成实时信号处理的任务,执行时间的预测大概不会成为什么问题,应为低成本 GPP 具有相对直接的结构,比较容易预测执行时间。然而,大多数实时 DSP 应用所要求的处理能力是低成本 GPP 所不能提供的。这时候,DSP 对高性能 GPP 的优势在于,即便是使用了高速缓存的DSP,哪些指令会放进去也是由程序员(而不是处理器)来决定的,因此很容易判断指令是从高速缓存还是从存储器中读取。DSP 一般不使用动态特性,如转移预测和推理执行等。因此,由一段给定的代码来预测所要求的执行时间是完全直截了当的。从而使程序员得以确定芯片的性能限制。(7)定点 DSP 指令集定点 DSP 指令集是按两个目标来设计的:1.使处理器能够在每个指令周期内完成多个操作,从而提高每个指令周期的计算效率。 2.将存贮 DSP 程序的存储器空间减到最小(由于存储器对整个系统的成本影响甚大,该问题在对成本敏感的 DSP 应用中尤为重要) 。 为了实现这些目标,DSP 处理器的指令集通常都允许程序员在一个指令内说明若干个并行的操作。例如,在一条指令包含了 MAC 操作,即同时的一个或两个数据移动。在典型的例子里,一条指令就包含了计算 FIR 滤波器的一节所需要的所有操作。这种高效率付出的代价是,其指令集既不直观,也不容易使用(与 GPP 的指令集相比) 。GPP 的程序通常并不在意处理器的指令集是否容易使用,因为他们一般使用象 C 或 C+等高级语言。而对于 DSP 的程序员来说,不幸的是主要的 DSP应用程序都是用汇编语言写的(至少部分是汇编语言优化的) 。这里有两个理由:首先,大多数广泛使用的高级语言,例如 C,并不适合于描述典型的 DSP 算法。其次,DSP 结构的复杂性,如多存储器空间、多总线、不规则的指令集、高度专门化的硬件等,使得难于为其编写高效率的编译器。即便用编译器将 C 源代码编译成为 DSP 的汇编代码,优化的任务仍然很浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计(论文)8重。典型的 DSP 应用都具有大量计算的要求,并有严格的开销限制,使得程序的优化必不可少(至少是对程序的最关键部分) 。因此,考虑选用 DSP 的一个关键因素是,是否存在足够的能够较好地适应 DSP 处理器指令集的程序员。(8)开发工具的要求因为 DSP 应用要求高度优化的代码,大多数 DSP 厂商都提供一些开发工具,以帮助程序员完成其优化工作。例如,大多数厂商都提供处理器的仿真工具,以准确地仿真每个指令周期内处理器的活动。无论对于确保实时操作还是代码的优化,这些都是很有用的工具。GPP 厂商通常并不提供这样的工具,主要是因为 GPP 程序员通常并不需要详细到这一层的信息。GPP 缺乏精确到指令周期的仿真工具,是 DSP 应用开发者所面临的的大问题:由于几乎不可能预测高性能 GPP 对于给定任务所需要的周期数,从而无法说明如何去改善代码的性能 5。此外,DSP 处理器往往都支持专门的寻址模式,它们对通常的信号处理操作和算法是很有用的。例如,模块(循环)寻址(对实现数字滤波器延时线很有用) 、位倒序寻址(对快速傅立叶变换很有用) 。这些非常专门的寻址模式在GPP 中是不常使用的,只有用软件来实现。在执行时间的预测上,DSP 对高性能 GPP 的优势在于,即便是使用了高速缓存的 DSP,哪些指令会放进去也是由程序员(而不是处理器)来决定的;DSP 一般不使用动态特性,如转移预测和推理执行等。因此,由一段给定的代码来预测所要求的执行时间是完全直截了当的,从而使程序员得以确定芯片的性能限制。1.2.4 DSP 芯片的应用 1.2.4.1 DSP 的应用领域 在近 20 多年时间里,DSP 芯片的应用已经从军事、航空航天领域扩大到信号处理、通信、雷达、消费等许多领域 2。主要应用有:信号处理、通信、语音、图形/图像、军事、仪器仪表、自动控制、医疗、家用电器等。 DSP 主要应用市场为 3C 领域,合占整个市场需求的 90%。 数字蜂窝电话是 DSP 最为重要的应用领域之一。由于 DSP 具有强大的计算能力,使得移动通信的蜂窝电话重新崛起,并创造了一批诸如 GSM、CDMA 等全数字蜂窝电浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计(论文)9话网。 在 Modem 器件中,DSP 更是成效卓著,不仅大幅度提高了传输速率,且具有接收动态图像能力。另外,可编程多媒体 DSP 是 PC 领域的主流产品。以 XDSL Mo dem 为代表的高速通信技术与 MPEG 图像技术相结合,使得高品位的音频和视频形式的计算机数据有可能实现实时交换。目前的硬盘空间相当大,这主要得益于 CDSP(可定制 DSP)的巨大作用。预计在今后的 PC 机中,一个 DSP 即可完成全部所需的多媒体处理功能。DSP 也是消费类电子产品中的关键器件。由于 DSP 的广泛应用,数字音响设备的更新换代周期变得非常短暂。用于图像处理的 DSP,一种用于 JPEG 标准的静态图像处理;另一种用于动态图像数据处理 6。 1.2.4.2 DSP 的市场规模 从 80 年代开始起步的 DSP 市场,目前正处于高速成长的阶段。在数字化、个人化和网络化的推动下,1997 年世界 DSP 市场营销额超过 32 亿美元,预计未来的年均增长率高达 40%,按照这一增长速度,至 2007 年,世界 DSP 市场营销额将突破 500 亿美元。在全球 DSP 产品市场中,TI 公司独占鳌头,占世界市场 45%的份额,其次是朗讯(28%) 、ADI(12%) 、摩托罗拉(12%) 、其他公司(3% ) 。 1.2.5 DSP 的发展前景 1.2.5.1DSP 的技术展望(1)努力向系统级集成 DSP 迈进。缩小 DSP 芯片尺寸始终是 DSP 的技术发展方向。当前的 DSP 多数基于 RISC(精简指令集计算)结构,这种结构的优点是尺寸小、功耗低、性能高。各 DSP 厂商纷纷采用新工艺,改进 DSP 芯核,并将几个 DSP 芯核、 MPU 芯核、专用处理单元、外围电路单元、存储单元统统集成在一个芯片上,成为 DSP 系统级集成电路。这样的集成缩小了整机的体积,缩短了产品上市的时间,是一个重要的发展趋势。 (2)DSP 的内核结构进一步改善。DSP 的结构主要是针对应用,并根据应用优化 DSP 设计以极大改进产品的性能。多通道结构和单指令多重数据(SIMD ) 、超长指令字结构(VLIM) 、超标量结构、超流水结构、多处理、多线程及可并行扩展的超级哈佛结构(SHARC) 在新的高性能处理器中将占据主导地位 。 浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计(论文)10(3)可编程 DSP 是主导产品。可编程 DSP 给生产厂商提供了很大的灵活性。生产厂商可在同一个 DSP 平台上开发出各种不同型号的系列产品,以满足不同用户的需求。同时,可编程 DSP 也为广大用户提供了易于升级的良好途径。人们已经发现,许多微控制器能做的事情,使用可编程 DSP 将做得更好更便宜。 (4)追求更高的运算速度和进一步降低功耗和几何尺寸7。由于电子设备的个人化和客户化趋势,DSP 必须追求更高更快的运算速度,才能跟上电子设备的更新步伐。同时由于 DSP 的应用范围已扩大到人们工作生活的各个领域,特别是便携式手持产品对于低功耗和尺寸的要求很高,所以 DSP 有待于进一步降低功耗。按照 CMOS 的发展趋势,依靠新工艺改进芯片结构,DSP 运算速度的提高和功耗尺寸的降低是完全可能的。 (5)定点 DSP 是主流。虽然浮点 DSP 的运算精度更高,动态范围更大,但定点 DSP 器件的成本较低,对存储器的要求也较低,而且耗电较省。因此,定点运算的可编程 DSP 器件仍是市场上的主流产品。据统计,目前销售的 DSP器件中的 80%以上属于 16 位定点可编程 DSP 器件,预计今后的比重将逐渐增大。 (6)与可编程器件结合。DSP 的许多新应用需要比传统 DSP 处理器更加强大的数字信号处理能力,设计者往往会借助 PLD 和 FPGA 来满足他们日益提高的信号处理需求 8。与常规 DSP 器件相比, FPGA 器件配合传统的 DSP 器件可以处理更多信道,可在基站中用来实现高速实时处理功能,满足无线通信、多媒体等领域多功能和高性能的需要。 (7)DSP 嵌入式系统 9。DSP 嵌入式系统是 DSP 系统嵌入到应用电子系统中的一种通用系统 4 。这种系统既具有 DSP 器件在数据处理方面的优势,又具有应用目标所需要的技术特征。在许多嵌入式应用领域,既需要在数据处理方面具有独特优势的 DSP,也需要在智能控制方面技高一筹的微处理器(MCU)。因此,将 DSP 与 MCU 融合在一起的双核平台,将成为 DSP 技术发展的一种新潮流。 1.2.5.2 我国 DSP 市场前景 目前,国外众多厂商涉足我国 DSP 产品市场,我国的 DSP 应用已有了相当的基础,有 10 多家集成电路设计企业从事数字信号处理系统(DSP)及相关产品的开发与应用。从应用范围来说,数字信号处理器市场前景看好。DSP 不仅浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计(论文)11成为手机、个人数字助理等快速增长产品中的关键元件,而且它正在向数码相机和电机控制等领域挺进。随着 DSP 芯片的品种和技术档次不断提高以及向多功能化、高性能化、低功耗化放向发展,DSP 日益进入人们的生活,在未来相当长的一段时间,我国DSP 市场将蓬勃发展,今后几年市场销售额仍将保持 40以上的增长率,具有良好的市场前景。1.3 DSP 芯片的特点、发展趋势与应用1.3.1 DSP 器件与算法 DSP(数字信号处理) 作为一种微处理器,其设计的出发点和通用 CPU 以及MCU 等处理器是不同的。DSP 是为完成实时数字信号处理任务而设计的,算法的高效实现是 DSP 器件的设计核心。DSP 在体系结构设计方面的很多考虑都可以追溯到算法自身的特点。1.3.2 现代数字信号处理器的特点和发展趋势 DSP 器件的发展,必须兼顾 3P 的因素,即性能 (performance) 、功耗 (power consumption) 和价格 (price)。总的来说,随着 VLSI 技术的高速发展,现代 DSP 器件在价格显著下降的同时,仍然保持着性能的不断提升和单位运算量的功耗不断降低。下面我们主要以 TI 公司的 DSP 为例来说明现代 DSP 芯片的一些特点和发展趋势。 1.3.3 通过并行提升 DSP 芯片的性能 传统的 DSP 芯片通过采用乘加单元和改进的哈佛结构,使其运算能力大大超越了传统的微处理器。一个合理的推论是:通过增加片上运算单元的个数以及相应的连接这些运算单元的总线数目,就可以成倍地提升芯片的总体运算能力。当然,这个推论有两个前提条件必须满足:首先是存储器的带宽必须能够满足由于总线数目增加所带来的数据吞吐量的提高;另外,多个功能单元并行工作所涉及的调度算法其复杂度必须是可实现的。 浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计(论文)121997 年,TI 发布了基于 VLIW (超长指令字) 体系结构的 C62x DSP 内核。它在片内集成了两组完全相同的功能单元,各包括一个 ALU(算术及逻辑单元)、一个乘法单元、一个移位单元和一个地址产生单元。这 8 个功能单元通过各自的总线与两组寄存器组连接。理想情况下,这 8 个功能单元可以完全并行,从而在单周期内执行 8 条指令操作。VLIW 体系结构使得 DSP 芯片的性能得到了大幅提升。在此基础上,TI 又发布了 C64x DSP 内核,其主要改进之处在于进一步加宽了寄存器组与内存之间的总线宽度,以及改善了单个功能单元对于SIMD (单指令多数据) 操作的支持等。图 1 分别给出了 C62x 和 C64x DSP 内核的数据路径示意图。 VLIW 结构对功能单元采用静态调度的策略,DSP 内部只完成简单的指令分发,调度算法的实现可以由编译器完成,用户也可以通过手工编写汇编代码的形式实现自主调度。其好处是 DSP 芯片的使用难度大大降低。通过使用高效的 C 语言编译器,普通用户也可以开发出具有较高效率的 DSP 运行程序。1.3.4 存储器构架的变化 随着芯片主频的不断攀升,存储器的访问速度日益成为系统性能提升的瓶颈。在现有的制造工艺下,片上存储单元的增加将导致数据线负载电容的增加,影响到数据线上信号的开关时间,这意味着片上高速存储单元的增加将是十分有限的。为了解决存储器速度与 CPU 内核速度不匹配的问题,高性能的 CPU普遍采用 Cache(高速缓存 )机制,新的 DSP 芯片也开始采用这种结构。以 TI 的C64x DSP 为例,它采用两级 Cache 的结构。L1 Cache 分为独立的程序缓存 (L1P) 和数据缓存 (L1D) ,其大小各为 16KBytes,访问速度与 DSP 内核的运行时钟相匹配,L2 Cache 则采用统一的形式管理,其大小从 256KB 到 1MB 不等,访问速度相比 L1 cache 大大降低。L2 Cache 通过 DMA 与外部低速的存储器件进行数据交换。为增加 Cache 的命中率,C64x 的 Cache 还采用了多路径的结构形式。研究表明,在很多情况下,采用这种多级缓存的架构可以达到采用完全片上存储器结构的系统约 80的执行效率。但是,采用 Cache 机制也在一定程度上增加了系统执行时间的不确定性,其对于实时系统的影响需要用户认真地分析和评估 7。 浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计(论文)13Cache 对于 DSP 芯片还是一个比较新的概念。DSP 开发人员需要更深入地了解 Cache 的机制,相应地对算法的数据结构、处理流程以及程序结构等做出调整,以提高 Cache 的命中率,从而更有效地发挥 Cache 的作用。1.3.5 SOC 的趋势 对于特定的终端应用,SOC (系统芯片) 可以兼顾体积、功耗和成本等诸多因素,因而逐渐成为芯片设计的主流。DSP 器件也逐渐从传统的通用型处理器中分离出更多的直接面向特定应用的 SOC 器件。这些 SOC 器件多采用DSP+ARM 的双核结构,既可以满足核心算法的实现需求,又能够满足网络传输和用户界面等需求。同时,越来越多的专用接口以及协处理器被集成到芯片中,用户只需添加极少的外部芯片,即可构成一个完整的应用系统。以 TI 公司为例,其推出的面向第 3 代无线通信终端的 OMAP1510 芯片等,面向数码相机的 DM270 芯片等,面向专业音频设备的 DA610 芯片等,面向媒体处理的DM642 芯片等,都是 SOC 的典型例子。1.3.6 DSP 器件的应用场合 世界上没有完美的处理器,DSP 不是万能的。DSP 器件的特点使得它特别适合嵌入式的实时数字信号处理任务。 1.3.7 实时的概念 实时的定义因具体应用而异。一般而言,对于逐样本 (sample-by-sample) 处理的系统,如果对单次样本的处理可以在相邻两次采样的时间间隔之内完成,我们就称这个系统满足实时性的要求。即:tproesstsample,其中,tproess 代表系统对单次采样样本的处理时间,tsample 代表两次采样之间的时间间隔。举例来说,某个系统要对输入信号进行滤波,采用的是一个 100 阶的 FIR 滤波器,即。假设系统的采样率为 1KHz,如果系统在 1ms 之内可以完成一次 100 阶的FIR 滤波运算,我们就认为这个系统满足实时性的要求。如果采样率提高到10KHz,那么实时性条件也相应提高,系统必须在 0.1ms 内完成所有的运算。需要注意,tproess 还应当考虑各种系统开销,包括中断的响应时间,数据的吞浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计(论文)14吐时间等 8。正确理解实时的概念是很重要的。工程实现的原则是“量体裁衣” ,即从工程的实际需要出发设计系统,选择最合适的方案。对于 DSP 的工程实现而言,脱离系统的实时性要求,盲目选择高性能的 DSP 器件是不科学的,因为这意味着系统复杂度、可靠性设计、生产工艺、开发时间、开发成本以及生产成本等方面不必要的开销。从这个角度而言,即使系统开发成功,整个工程项目可能仍然是失败的。 1.3.8 嵌入式应用 嵌入式应用对系统成本、体积和功耗等因素敏感。DSP 器件在这些方面都具有可比的优势,因此 DSP 器件特别适合嵌入式的实时数字信号处理应用。反过来,对于某一个具体的嵌入式的实时数字信号处理任务,DSP 却往往不是唯一的,或者是最佳的解决方案。我们看到,越来越多的嵌入式 RISC 处理器开始增强数字信号处理的功能;FPGA 厂商为 DSP 应用所做的努力一直没有停止过;针对某项特定应用的 ASIC/ASSP 器件的推出时间也越来越快。开发人员面临的问题是如何根据实际的应用需求客观地评价和选择处理器件。表 2 对给出了这些器件之间的一些简要对比。 从表中可以看出,DSP 实际上是一种比较折衷的解决方案。以媒体处理应用为例,现行的国际标准较多,包括 MPEG1/2/4、H261/3/4 等,各种标准在一段时间内共存,新的标准还在不断涌现。如果系统设计需要兼顾实现性能和多标准的适应性,DSP 可能是一个较好的选择。但是,如果应用比较固定,对价格又特别敏感,采用专用的 ASIC 芯片可能就会更加合适。 1.3.9 算法是 DSP 应用的核心 随着 DSP 器件的发展,DSP 系统开发的主要工作已经转向软件开发,软件开发将占据约 80的工作量,必须引起足够的重视。另外,在目前的现状条件下,算法是我们核心知识产权的主要体现,也是产品竞争力的主要因素。因此在最后,笔者仍然希望强调:算法是 DSP 应用的核心。浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计(论文)151.4 DSP 国内外研究现状国际 DSP 处理研究的现状,国外的商业化信号处理设备一直保持着快速的发展势头。欧美等科技大国保持着国际领先的地位。例如美国 DSP research 公司,Pentek 公司,Motorola 公司,加拿大 Dy4 公司等,他们很多已经发展到相当大的规模,竞争也愈发激烈。我们从国际知名 DSP 技术公司发布的产品中就可以了解一些当今世界先进的数字信号处理系统的情况。以 Pentek 公司一款处理板 4293 为例,使用 8 片 TI 公司 300 MHz 的 TMS320C6203 芯片,具有 19 200 MIPS 的处理能力,同时集成了 8 片 32 MB 的 SDRAM,数据吞吐 600 MB/s。该公司另一款处理板 4294 集成了 4 片 Motorola MPC7410 G4 PowerPC处理器,工作频率 400/500 MHz,两级缓存 256K64 bit,最高具有 16MB 的SDRAM。ADI 公司的 TigerSHARC 芯片也由于其出色的协同工作能力,可以组成强大的处理器阵列,在诸多领域(特别是军事领域)获得了广泛的应用。以英国 Transtech DSP 公司的 TP-P36N 为例,它由 48 片 TS101b(TigerSharc)芯片构成,时钟 250 MHz,具有 612 GFLOPS 的处理能力。 DSP 应用产品获得成功的一个标志就是进入产业化。在以往的 20 年中,这一进程在不断重复进行,而且周期在不断缩小。在数字信息时代,更多的新技术和新产品需要快速地推上市场,因此,DSP 的产业化进程还是需要加速进行。随着竞争的加剧,DSP 生产商随时调整发展规划,以全面的市场规划和完善的解决方案,加上新的开发历年,不断深化产业化进程。随着我国信息产业的发展,近年来我国的数字信号处理学科发展较快。DSP 处理器已经在我国的数字通信、信号处理、雷达、电子对抗、图像处理等方面得到了广泛的应用,为科学技术和国民经济建设创造了很大价值。全国有很多高校、科研机构的信号处理实验室都在大力研究性能更高的数字信号处理设备,取得了很多研究成果。我国的科研人员通过对先进的 DSP 芯片的研究,已经研制出一些高性能处理设备的解决方案,并且在板级 PCB 设计方面,也取得了宝贵的设计经验。 以我国某电子技术研究所研制的 DSP 雷达数字信号处理通用模块为例,它使用了 6 片 ADSP21060 和大规模可编程器件构成通用处理模块。通过信号处理算法并行设计、系统多数据流设计、处理任务分配调度程浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计(论文)16序设计,实现高速实时雷达数字信号处理 9。以 FFT 算法为例,将任务分为 3个流水处理过程:FFT、复数乘法、 IFFT,实现多片 DSP 组成并行处理。在 33 MHz 时钟下,1 024 点处理通过时间为 0.7 ms,可以实现单通道数据率为 1 MHz,双通道并行工作为 2 MHz。 国内的某大学所研制的基于 TMS320C6201的高速实时数字信号处理平台,实现基-2 的复数 FFT,允许输入数据的动态范围 16-bit,可以实现 59 s 内完成 512 点的 FFT, 130 s 内可以完成 1 024 点的 FFT。但是,应该看到,我国在信号处理理论、高速高性能处理器设计和制造方面与国际先进水平还有较大差距。而且,主要的核心处理器件基本完全依赖进口,这也是我国半导体研究领域需要大力加强的工作之一。复杂的大型处理机PCB 板级设计和制造也存在一定困难,也是需要我国科研人员发扬勇于拼搏的精神,继续的刻苦努力。1.5 本文概要基于 Simulink 对各种数字音效进行研究,并对各种音效具体仿真,主要内容如下:第一章 绪论 介绍 DSP 的发展历史,DSP 技术及其优越性,综述 DSP 国内外的研究现状第二章 Matlab 及 Simulink 基础 回顾 Matlab 的发展,简要介绍 Matlab, Simulink 和各功能、优点。第三章 数字滤波与音效 介绍数字滤波概念,滤波器的功能及工作原理,和对 IIR 滤波器和 FIR 滤波器的原理介绍,以及用数字滤波技术实现音效第四章 音效仿真与分析 在 Simulink 上对所要实现的音效进行仿真并作相关的模块功能分析第五章 总结与展望 对本文工作进行总结,分析尚存在的不足之处,并对DSP 技术的未来研究进行展望浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计(论文)17第二章 Matlab 及 Simulink 基础2.1 引言MATLAB 名字由 MATrix 和 LABoratory 两词的前三个字母组合而成。那是20 世纪七十年代后期的事:时任美国新墨西哥大学计算机科学系主任的 Cleve Moler 教授出于减轻学生编程负担的动机,为学生设计了一组调用 LINPACK 和EISPACK 库程序的“通俗易用”的接口,此即用 FORTRAN 编写的萌芽状态的MATLAB。经几年的校际流传,在 Little 的推动下,由 Little、Moler、Steve Bangert 合作,于 1984 年成立了 MathWorks 公司,并把 MATLAB 正式推向市场。浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计(论文)18从这时起,MATLAB 的内核采用 C 语言编写,而且除原有的数值计算能力外,还新增了数据图视功能。MATLAB 以商品形式出现后,仅短短几年,就以其良好的开放性和运行的可靠性,使原先控制领域里的封闭式软件包(如英国的 UMIST,瑞典的 LUND 和SIMNON,德国的 KEDDC)纷纷淘汰,而改以 MATLAB 为平台加以重建。在时间进入 20 世纪九十年代的时候,MATLAB 已经成为国际控制界公认的标准计算软件。在欧美大学里,诸如应用代数、数理统计、自动控制、数字信号处理、模拟与数字通信、时间序列分析、动态系统仿真等课程的教科书都把 MATLAB 作为内容。这几乎成了九十年代教科书与旧版书籍的区别性标志。在那里,MATLAB是攻读学位的大学生、硕士生、博士生必须掌握的基本工具。在国际学术界,MATLAB 已经被确认为准确、可靠的科学计算标准软件。在许多国际一流学术刊物上, (尤其是信息科学刊物) ,都可以看到 MATLAB 的应用。在设计研究单位和工业部门,MATLAB 被认作进行高效研究、开发的首选软件工具。如美国 National Instruments 公司信号测量、分析软件LabVIEW,Cadence 公司信号和通信分析设计软件 SPW 等,或者直接建筑在MATLAB 之上,或者以 MATLAB 为主要支撑。又如 HP 公司的 VXI 硬件,TM 公司的DSP,Gage 公司的各种硬卡、仪器等都接受 MATLAB 的支持。2.2 Matlab 介绍MATLAB 作为世界顶尖的数学应用软件,以其强大的工程计算、算法研究、工程绘图、应用程序开发、数据分析和动态仿真等功能,在航空航天、机械制造和工程建筑等领域发挥着越来越重要的作用。而 C 语言功能丰富,使用灵活方便,目标程序效率高。既有高级语言的优点,又有低级语言的特点。因此,C 语言是目前应用最广的编程语言。虽然 MATLAB 是一个完整的、功能齐全的编程环境,但在某些情况下,与外部环境的数据和程序的交互是非常必须而且有益的。 MATLAB 名字是由 MATrix 和 LABoratory 两个词的前三个字母组合而成浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计(论文)19的。它是 MathWorks 公司于 1982 年推出的一套高性能的数值计算和可视化数学软件。被誉为“巨人肩上的工具” 。 由于使用 Matlab 编程运算与人进行科学计算的思路和表达方式完全一致,所以不象学习其它高级语言-如Basic、frtranr 和 C 等那样难于掌握,用 Matlab 编写程序犹如在演算纸上排列出公式与求解问题,所以又被称为演算纸式科学算法语言一般数值分析、矩阵运算、数字信号处理、建模和系统控制和优化等应用程序,并集应用程序和图形于一同使用的集成环境中。在这个环境下,对所要求解的问题,用户只需简单地列出数学表达式,其结果便以数值或图形方式显示出来。MATLAB 的含义是矩阵实验室(MATRIX LABORATORY) ,主要用于方便矩阵的存取,其基本元素是无须定义维数的矩阵。MATLAB 自问世以来 ,就是以数值计算称雄。MATLAB 进行数值计算的基本单位是复数数组(或称阵列) ,这使的 MATLAB高度“向量化” 。经过十几年的完善和扩充,现已发展成为线性代数课程的标准工具。由于它不需定义数组的维数,并给出矩阵函数、特殊矩阵专门的库函数,使之在求解诸如信号处理、建模、系统识别、控制、优化等领域的问题时,显得大为简捷、高效、方便,这是其它高级语言所不能比拟的。美国许多大学的实验室都安装有 MATLAB 供学习和研究之用。在那里 ,MATLAB 是攻读学位的大学生硕士生 博士生必须掌握的基本工具。 MATLAB 中包括了被称作工具箱(TOOLBOX)的各类应用问题的求解工具。工具箱实际上是对 MATLAB 进行扩展应用的一系列 MATLAB 函数(称为M 文件) ,它可用来求解各类学科的问题,包括信号处理、图象处理、控制系统辨识、神经网络等。随着 MATLAB 版本的不断升级,其所含的工具箱的功能也越来越丰富,因此,应用范围也越来越广泛,成为涉及数值分析的各类工程师不可不用的工具。 M
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