DSP原理及应用PPT教程-第一章数字信号处理和DSP系统.ppt

教材：tms320c55x dsp原理及应用，代少升等著，高等教育出版社， 2010 dsp原理及应用 参考信息 参考书 1、申敏等著dsp原理及其在移动通信中的应用人民邮 电出版社,2001。 2、李真芳等著dsp程序开发：matlab调试及直接目标代 码生成，西安电子科技大学出版社，2003。 参考网站 1、 2、 课程的主要讲述内容 本课程的主要内容： 1、数字信号处理和dsp系统 2、 dsp芯片结构和cpu外围电路 3、存储结构和寻址方式 4、程序流程控制 5、tms320c55x dsp的汇编指令 6、 dsp集成开发环境 7、 tms320c55x dsp应用实例 8、 omap5912双核处理器 2.dsp在图像处理方面的应用 1.dsp在通信领域的应用 dsp的典型应用实例 一个典型移动终端结构框图 第一章 数字信号处理和dsp系统 1、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 。 2、数字信号处理是利用计算机或专用处理设备，以数 字形式对信号进行采集、变换、滤波、估计、增强、压 缩、识别等处理，以得到符合人们需要的信号形式。 一、引言 第一章 数字信号处理和dsp系统 3、数字信号处理是围绕着数字信号处理的理论、实 现和应用等几个方面发展起来的。 dsp理论的发展 dsp应用的发展 dsp的实现 推动 促进 桥梁 dsp是以众多学科为理论基础，如微积分、概率统 计、随机过程、数值分析、网络理论、信号与系统、人 工智能、模式识别、神经网络等。数字信号处理是把许 多经典的理论体系作为自己的理论基础，同时又使自己 成为一系列新兴学科的理论基础。 第一章 数字信号处理和dsp系统 4、数字信号处理的实现方法 通用的计算机上用软件(如 c语言)实现速度较慢。可 用于dsp算法的模拟； (2) 在通用计算机系统中加上专用的加速处理机实现； 专用性强，应用受限； (3) 用通用的单片机(如: mcs-51、96系列等)实现。只 适用实现简单的dsp算法，用于一些不太复杂的数字 信号处理，如数字控制等； 第一章 数字信号处理和dsp系统 (4) 用通用的可编程dsp芯片实现。与单片机相比， dsp芯片具有更加适合于数字信号处理的软件和硬件 资源，可用于复杂的数字信号处理算法；为dsp的应 用打开了新的局面。 (5) 用专用的dsp芯片实现。特殊的应用，要求信号处 理速度极高，用通用dsp芯片很难实现，如fft、数字 滤波、卷积、相关等算法的dsp芯片，这种芯片将相 应的信号处理算法在芯片内部用硬件实现。 第一章 数字信号处理和dsp系统 5、20世纪70年代末80年代初世界上第一片单片可编 程dsp芯片的诞生，将dsp理论研究结果广泛应用到低 成本的实际系统中，推动了新的理论和应用领域的发 展。 可以毫不夸张地说，dsp芯片的诞生及发展对近20年 来通信、计算机、控制等领域的技术发展起到十分重 要的作用。 第一章 数字信号处理和dsp系统 输入信号：麦克风输出的语音信号、摄像头输出的复 合视频信号等。 a/d：奈奎斯特抽样定理、抽样频率。 dsp芯片：对输入的数字信号进行某种形式的处理 。 d/a：转换为模拟样值。 二、dsp系统及特点 抗混叠 滤波 a/d 变换 dsp 芯片 d/a 变换 平滑 滤波 输入输出 1、dsp系统构成(典型的dsp系统) 第一章 数字信号处理和dsp系统 2、dsp系统的特点 dsp系统以数字信号处理为基础，具有数字处理的全部优点： (1)接口简单、方便：数字信号的电气特性简单，不同dsp系统 互联时，在硬件接口上容易实现； (2)编程方便：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；容易实现复杂的算法和复杂的 信号处理功能； (3) 精度高、稳定性好：dsp系统以数字处理为基础，受环境温 度以及噪声的影响较小，可靠性高。 第一章 数字信号处理和dsp系统 (4)可重复性好：模拟系统的性能受元器件参数性能变化比较大， 而数字系统基本不受影响，因此数字系统便于测试、调试和大规 模生产； (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。 缺点： (1) 简单的信号处理任务，采用dsp使成本增加; (2) 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； (3) dsp系统的功耗较大。 第一章 数字信号处理和dsp系统 dsp芯片，也称数字信号处理器，是一种特别适 合于进行数字信号处理运算的微处理器，其主要应用 是实时快速地实现各种数字信号处理算法。根据数字 信号处理的要求，dsp芯片具有如下主要特点： (1) 在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法； 3、可编程dsp芯片 第一章 数字信号处理和dsp系统 (2) 程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据； (3) 片内具有快速ram； (4) 具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持； (5) 快速的中断处理和硬件i/o支持； (6) 具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器； (7) 可以并行执行多个操作； (8) 支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以重 叠执行。 第一章 数字信号处理和dsp系统 4、dsp系统的设计流程(dsp系统设计的一般过程) dsp应用(确定设计目标) 定义系统性能指标 选择dsp芯片 硬件设计 硬件调试 软件编程 软件调试 系统集成 系统测试和调试 第一章 数字信号处理和dsp系统 （1）算法模拟：根据应用系统的目标确定系统的性 能指标。根据系统要求进行算法仿真和高级语言模拟 实现。确定最佳处理方法。如用matlab等数学开发 工具对dsp算法进行优化设计和仿真测试， （2）选择dsp芯片：根据算法要求，如运算速度、运 算精度、存储器大小、系统成本、体积、功耗等选择 合适的dsp芯片。 第一章 数字信号处理和dsp系统 设计dsp应用系统，选择dsp芯片是非常重要的，只有选定了 dsp芯片，才能进一步设计其外围电路及系统的其他电路。dsp 芯片的选择应根据实际的应用系统需要而确定。不同的dsp应 用系统由于应用场合、应用目的不相同，dsp芯片的选择也不 同的。一般来说，选择dsp芯片应考虑到如下因素: dsp芯片的运算速度 算法确定运算量确定估算dsp运算速度的下限 运算速度是dsp芯片的一个最重要的性能指标，是选择dsp芯片 需要考虑的主要因素。下面为dsp运算速度的几种衡量指标： 第一章 数字信号处理和dsp系统 v 指令周期：执行一条指令所需的时间，常以ns为单位。如 tms320lc549-80在主频为80mhz时的指令周期为12.5ns； v mac(multiply-accumulate unit )时间：一次乘加运算的时间。 大部分dsp芯片可在一个指令周期内完成一次乘法和加法操作。 v fft执行时间：运行一个n点fft程序所需的时间。fft是典型 的dsp算法运算，因此fft运算时间常作为衡量 dsp芯片运算能力 的一个指标。 v mips/mflops( million instructions per second/million floating-point operations per second)：每秒执行百万条指令和每秒百万条浮点操作 。如 tms320lc549-80的处理能力为 80mips，即每秒可执行八千 万条指令； 第一章 数字信号处理和dsp系统 v mops：每秒执行百万次操作。 v bops：每秒执行十亿次操作。 dsp芯片的价格 dsp芯片的价格也是选择dsp芯片所需考虑的一个重要因素。 采用价格昂贵的dsp芯片，即使性能再高，其应用范围受到限制 ，尤其是民用产品。因此根据实际系统的应用情况，需确定一个 价格适中的dsp芯片。 第一章 数字信号处理和dsp系统 dsp芯片的硬件资源 不同的dsp芯片提供的硬件资源是不相同的，如片内ram 、rom的数量，外部可扩展的程序和数据空间，总线接口， i/o接口等。即使是同一系列的 dsp芯片(如ti的s320c54x系列 )系列中不同 dsp芯片也具有不同的内部硬件资源。 dsp芯片的运算精度 一般的定点 dsp芯片的字长为16位或24位，浮点芯片的字 长为32位，累加器都为40位。定点dsp芯片的价格较便宜，功 耗较低，但运算精度稍低。而浮点dsp芯片的优点是运算精度 高，但价格稍贵，功耗也较大。 第一章 数字信号处理和dsp系统 dsp 芯片的开发工具 快捷、方便的开发工具和完善的软件支持是开发大型、复杂 dsp系统的必备条件。ti公司的ccs集成开发环境、实时软件技 术等， c语言支持(开发的时间大大缩短)。 dsp芯片的功耗 在某些dsp应用场合，功耗也是一个需要特别注意的问题。 如便携式的dsp设备、手持设备、野外应用的dsp设备等都对功 耗有特殊的要求。目前，3.3v供电的低功耗高速dsp芯片已大量 使用。 其他因素：封装的形式、质量标准、供货情况、生命周期等。 第一章 数字信号处理和dsp系统 (3)设计实时dsp系统：包括硬件设计和软件设计两个 方面。 v 硬件设计：设计dsp芯片的外围电路及其他电路，如 转换、控制、存储、输出电路等。 v软件设计：根据系统要求和所选的dsp芯片编写相应 的dsp程序。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。采用这种方法，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。 第一章 数字信号处理和dsp系统 (4) 硬件和软件的调试： v 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 采用实时结果与模拟结果相比较的方法，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。 v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试。 第一章 数字信号处理和dsp系统 (5) 系统集成和系统测试阶段：调试完成后，实时系 统固化在dsp系统中，将软件脱离开发系统而直接在 应用系统上运行。 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，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。 第一章 数字信号处理和dsp系统 三、dsp芯片的发展及应用 (1) 1978年ami公司发布了世界上第一个单片dsp芯片 s2811; (2) 1979年美国intel公司发布的商用可编程dsp芯片 2920; 这两种芯片都没有现代 dsp芯片所必须有的单周期 乘法器。 (3) 1980年，日本nec公司推出的upd7720是第一个 具有乘法器的商用dsp芯片。 第一章 数字信号处理和dsp系统 (4)美国德州仪器公司(texas instruments 简称ti)： v 第一代dsp芯片(1982年成功推出)tms320c10及其系列产品 tms320c11、tms320c10/c14/c15/c16/c17 . v 第二代dsp芯片tms32020、tms320c25/c26/c28。 v 第三代dsp芯片tms320c30/c31/c32； v 第四代dsp芯片tms320c40/c44; v 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。 v 第六代dsp芯片(目前速度最快)tms320c62x/c67x等。 第一章 数字信号处理和dsp系统 ti将常用的dsp芯片归纳为三大系列: v tms320c2000系列:包括tms320c2x/c2xx; v tms320c5000系列:包括tms320c5x/c54x/c55x v tms320c6000系列:包括tms320c62x/c67x。 如今，ti公司的一系列dsp产品已经成为当今世界上最有 影响的dsp芯片。公司也成为世界上最大的dsp芯片供应商， 其dsp市场份额占全世界份额近50。 第一章 数字信号处理和dsp系统 (6) 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。 (7)美国模拟器件公司(analog devices，简称 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。 定点芯片：adsp2101/2103/2105 、asdp2111/2115、 adsp2161/2162/2164以及 adsp2171/2181。 浮点芯片: adsp21000/2102、adsp21060/21062等。 第一章 数字信号处理和dsp系统 dsp芯片的应用 自从 20世纪 70年代末 80年代初 dsp芯片诞生以 来，dsp芯片得到了飞速的发展。 dsp芯片的高速发展，一方面得益于集成电路技 术的发展，另一方面也得益于巨大的市场。 在近20年时间里，dsp芯片已经在信号处理、通 信、雷达等许多领域得到广泛的应用。dsp芯片的价格 越来越低，性价比日益提高，具有巨大的应用潜力。 第一章 数字信号处理和dsp系统 dsp芯片的应用主要有： (1) 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、卷积等； (2) 通信：调制解调器、自适应均衡、数据压缩、程控 交换、数字基站、可视电话、多路复用、扩频通信、 纠错编码等； (3) 语音：语音编码、语音合成、语音识别、语音增强 、说话人辨认、说话人确认、语音邮件、语音存储等 ； (4)图形/图像：如二维和三维图形处理、图像压缩与传 输、图像增强、动画、机器人视觉等； 第一章 数字信号处理和dsp系统 (5)军事：保密通信、雷达处理、声纳处理、导航、导 弹等； (6)仪器仪表：频谱分析、函数发生、锁相环、地震处 理等； (7)自动控制：引擎控制、声控、自动驾驶、机器人控 制、磁盘控制等； (8)医疗：助听、超声设备、诊断工具、病人监护等； (9)家用电器：高保真音响、