（通信与信息系统专业论文）高速数字信号处理器及其应用.pdf

中周利学技术人学坝j 毕业沦义- 州基数，f ju 处删器成j 心 摘要 以垫主焦曼丝理益( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 为壤础的实时数字信号处理技术l i ：z i i 迅猛 发展，现在已经j “泛应川丁| j 纠像处理、语声处理、智能化仪表、! f 物医学1 程、通信、c l 动 控制领域。本论文研究高述数字信号处理器柏：多盘! i f 体信息的编码与通信、人机语音列活领域 的廊川，设计并实现相应的软倾f 1 ：系统。该研究利川数字信号处理器的高性能价格比改 实际系统，具备很高的鹿川价值翻1 1 4 且，晌市场府川前景，对丁语音、图像技术的麻川小将越 剑重要的推动作州。 岱论文首先进行了数字信号处理器的概述，然后分别依次阐述了作者实现的两个有代表 性的d s p 系统，描述了它们的功能平信号处理特征。以1 4 5 3 - 章做山介 f o 第一章是数字信号处理器概述，首先简要地介纠了数字信号处理器的发展和特点，然肝 分析了数字信号处理器利数字信号处理的关系，以及j 厅者对前者提山的要求。再就数字俯q 处理器的麻h j 领域、d s p 芯片的种类( 定点d s p 、浮点d s p ) 做出了阐述。 第二章中着重阐述了a n a l o gd e v i c e s 公州i i 产的定点年l i 浮点芯j 的特点与结构，定j _ 泞 点芯片的区别与主要特色，以及d s p 系统的构成和殴计的一般过程d s p 芯片的选扦方法。 升简要介绍了t i 等公司的d s p 芯片，比较了它们的相互特点，为本论文以f 的内容做铺 垫。 第三章以作者用定点d s p ( a d s p 2 1 b i ) 为核心处理器实现的悯态数字语音记录仪为例， 详细描述了记录仪的硬件结构雨l 软竹设计及其实现。其中硬1 ，i ：耋占构包括d s p 最小系统、液 晶显示模块、按键信号接收l b 路、i t , j q , 【乜路、r s 2 3 2 串行接fj 等部分，软件设计部分! j ! | j 荷盟 闸述r 数据流利、主要算法( g 7 2 3i 编解码锋法) 、川户接口、利笔记本电脑的通信软1 ，：等 等。此外对它的功能和特点也作了洋细的描述。 第四章内释是作者实现的脱机语音识别系统，与数字语音记录仪不同的是，它的核心改 计思想是_ j 定点d s p 米实现浮点d s p 的函数，提南了运算的精度，使运算具有更人的动态 范同。作者从数字信号处理的角度最优化设计并且实现了该系统。它的硬件平台i ：包食 a d s p 2 1 8 l 、a d l 8 4 7 语音编斛器、j 外1 1 1 r o m 、r s 2 3 2 接v i i l 土路等等。语音识刖系统软包 括端点榆测、m f c c ( m e 卜n e 小y ( o f ) s 1 r u mc n e ic e l l is ，m e l 倒 f _ 系数) 求敢、d 1 w ( ) y n a m ic r i m ew a r p i n g ，动态时间弯折) 锋法、口 别结求f 内判定、口 别结果对麻语音的 播放和语音棋 板的训练。从实验结果看，该识别系统对孤立词特定人的识别率在9 8 以上，雨ic + + 实现 的p c 程序效果一致。作者还对f f t 算法、d 1 w 算法利k r a e a n s ( 应j jr 模板训练) 算法进 t 了分析，改计出了最适台d s i ，芯片运行的软引：。 第五章论文就多d s p 并行处列擞术作j 阐述。n ：最近十余年，超人规模集成l u 路羽 算机体系结构的更新使得单机处理能力以i o 年1 0 0 倍的述度增k ，忸足现在单机的汁3 能 力仍然尤娑满足人类刈汁辫述j 篮尤：境旧追求。多d s pj l j 行处州是d s p 技术发腱l i j个打 向。y 中司科学技术大学坝i 毕业沦义 廓述数，信处删器搜j tj h i g hs p e e dd i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r a n di t sa p p l i c a t i o n a b s t r a c t t h et e c h n i q u eo fd i g i t a l s i g n a lp r o c e s s i n g h a sd e v e l o p e da t h i g hs p e e dr e c e n t l y i th a s i n f l u e n c e dm a n yf i e l d ss u c ha si m a g ep r o c e s s i n g ，s p e e c hp r o c e s s i n g ，c o m m u n i c a t i o n ，e t ct h i s d i s s e r t a t i o nd e a l sw i t hr e s e a r c h so nd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r sa p p l i c a t i o n si nm u l t i m e d i ac o d i n g a n dm a n m a c h i n ec o m m u n i c a t i o nt h ea u t h o rd e s i g n ss e v e r a ld i g i t a ls i g n a l p r o c e s s i n gs y s t e m s c o r r e s p o n d i n g t od i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ss p e c i e la p p l i c a t i o nt h e ya l lh a v eh i g hp r a c t i c a lv a l u e a tf i r s t 。d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r sm a i na r c h i t e c t u r ei ss t a n m a r i z e dt h e n ，t w ot y p i c a ld i g i t a l s i g n a lp r o c e s s i n gs y s t e m s f u n c t i o n sa n ds i g n a lp r o c e s s i n gm e t h o d sa r ep r e s e n t e d f i n a l l y , p a r a l l e l d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gi se x p l i c a t e d t h ed i s s e r t a t i o ns u m l n a r i z e sd i g i t a l s i g n a lp r o c e s s o r , i n t r o d u c e s t h e d e v e l o p m e n t a n d c h a r a c t e ro f d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r , a n da n a l y s e st h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s m a n dd i g i t a l s i g n a lp r o c e s s i n gi nc h a p t 1 a tt h ee n do ft h i sc h a p t e r , d i g i t a ls i g n a lp t o c e s s o r s c l a s s i f i c a t i o n ( f i x e d - p o i n td i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o ra n df l o a t i n g p o i n td i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) i s e x p l i c a t e d i n c h a p t 2 ，f i r s t ，t h ed i s s e r t a t i o nd e a l sw i t ht h ea r c h i t e c t u r e so ff i x e d p o i n td i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o ra n df l o a t i n g p o i n td i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o rp r o d u c e db ya n a l o gd e v i c e sl n cs e c o n d ，i t d e s c r i b e sc o m m o n p r o c e s s o fd i g i t a l s i g n a lp r o c e s s i n gs y s t e m sd e s i g n a n d d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r ss e l e c t i o n t h ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o l sp r o d u c e db yt e x a si n s t r u m e n t si n c a r ea l s ob e a n a l y s e d i nc h a p t 3 ，ad i g i t a l s i g n a lp r o c e s s i n gs y s t e m b a s e do na d s p 2 1 8 1i sd e s c r i b e d i ti s a d i g i t a j s p e e c hr e c o r d e r t h ed i s s e r t a t i o ne x p l i c a t e si t sh a r d w a r ea n ds o f t w a r ea r c h i t e c t u r e sa n d t h e i rr e a l i z a t i o n s t h er e c o r d e r sh a r d w a r ei n c l u d e sd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r sm i n i m u ms y s t e m ， a da n dd a ，l c dd i s p l a ym o d n l e ，u s e rc o n t r o lm o d u l e ，c l o c k sc i r c u i t ，f l a s hm e m o r ym o d u l e ， e i s w h i l ei t ss o f t w a r eh a st h e s ep a r t s ：t i m er e a dm o d u l e i t u - tg 7 2 31 5 3 k 6 3 k b p ss p e e c h c o d e c ，u s e ri n t e r f a c e ，a n dc o m l n u n i c a t i o nm o d u l ew i t hp e r s o n a lc o m p t l t e rv i ar s 2 3 2 a n o t h e r e x a m p l e i sd e s c r i b e di nc h a p t ，4 ，as t a n d a l o n es p e e c hr e c o g n i t i o ns y s t e mo i la d i s e z k i t l i t eb o a r d u n l i k et h es p e e c hr e c o r d e rd e s c r i b e da b o v e ，t h i ss y t e mh a si t so w nf e a t u r e ss t l c h a sr e a l i z a t i o no ff l o a t i n g - p o i n tf u n c t i o no nf i x e d p o i n td i g i t a l s i g n a lp r o c e s s o r , h a s i n gah i g h e r a c c u r a c ya n df l o a t i n gr a n g e ，a n ds o0 1 1 t h ea u t h o rd e s i g n st h i ss y s t e mw i t hh i g h e s td i g i t a ls i g n a l p r o c e s s i n ge f f i c i e n c y a d l 8 4 7s p e e c hc o d e c ，a d s p 2 1 8 1 ，o f f - c h i pe p r o m ，a n dr s 2 3 2i n t e r f a c e a r ei t sm a i nh a r d w a r e p a r t sw h i l e ，i t s s o f t w a r ec o n s i s t so fe n d p o i n td e t e c t i o n m t ) d u l e ， c o m p u t a t i o no fm e l f r e q u e n c yc e p s t jt l l nc o e f f i c i e n t s ，t h ed i s t a n c e sc o m p u t a t i o nu s i n gd y n a m i c t i m e w a r p i n ga l g o r i s m ，a n dd i s p l a y o f s p e e c hr e c o g n i t i o n r e s u l t s p e c i a l l y , t h es p e e c h r e c o g n i t i o nr e f e r e n c e dv e c t o r sa r et r a i n e do np cu s i n gk m e a n sa l g o r i s m t h es y s t e m h a sg o t s p e e c hr e c o g n i t i o na c c u r e n c yh i g h e rt h a n9 8p e r c e n tt os p e c i a lp e r s o na n ds m a l lv o c a b u l a r y ( 2 0 s p e e c hr e c o g n i t i o nr e f e r e n c e dv e c t o r s ) f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ，d y n a m i ct i m ew a r p i n g ，a n d k - m e a n sa r et h r e em a i na l g o r i s m so f t h e s p e e c hr e c o g n i t i o ns y s t e m 2 中闭科学技术人学坝】毕业论义 ，岛速数+ f 信号处删器坎儿心用 第一章数字信号处理器概述 数字信号处理是利j j 计算机或。0 川处理设器，以数字形式对信号进行采集、变换、滤波、 什值、增强、压缩、识别等处理，以得剑符合人们需要的信号形式。以数字信号处理器( i ) i g i t a l s i g n a lp r o c e s s o r ，以r 简称d s i ，) 为基础的信号处理技术j i ：在迅猛发展，在各利懒字信号 处理需求的推动下，它的理论年1 1 实现技术也在逐渐完善。随着超大规模集成电路技术水平的 飞速提高，数字信号处理器的l , v j t j 范罔的“度和深度正在不断地扩展和深化，现在已经r 泛 应_ l jr f 图像处理、语音处理、智能化仪表、! i i 物医学j ：科、通信系统等许多新技术领域。 数字信号处理是同绕着数字信号处t q ! l 内理论、实现平麻川等儿个方面发展起米的。数产 信号处理在理论上的发展推动了数字信q 处p e 麻_ l 的发腱。反过米厉者义促进了前背的击睦 高。而数字信号处理的实现则是理沦年庖t l | 之间的桥梁，它以众多学科为理论基础，所涉及 的范围极其广泛。例如，在数学领域，微积分、概率统计、随机过科、数值分析等都是数字 信号处理的基本i 具，与网络理论、信号与系统、控制论、通信理论、故障诊断等也密切槲 关。近米新兴的一些学科，如人l - 阳、模，识别、神经刚络等，都与数字信呼处驯南不可 分。可以说，数字信号处理是把许多经典的理论体系作为臼己的理论基础，同时义使自己成 为一系列新兴学科的理论基础。 数字信号处理的实现方法一般有以f 儿种： ( 1 ) 在通用的计算机( 如p c 机) 上川软件( 如f o r t r a n 、c 语言) 实现； ( 2 ) 在通用计算机系统中加上专川的加速处理机实现； ( 3 ) 用通用的单片机( 如m c s 5 1 、9 6 系列等) 实现，这种方法可川1 ：一些不太复杂的 数字信号处理。如数字控制等； f 4 1 用通用的可编程d s p 芯片实现。与单片机相比，d s p 芯片具有更加适合 j 数字信 号处理的软件和硬件资源，可，【 j 丁复杂的数字信号处理算法； ( 5 ) _ j 专 】的d s p 芯片实现。在一些特殊的场合，要求的信号处理速度极高，川通川 d s p 芯片很雉实现，例如专j j 丁f f t 、数字滤波、卷积、相关等算法的d s p 芯片，这种：出 片将相麻的信号处理算法红芯片内部川硬什实现，无需进行编科。 在上述儿种方法中，第1 种方法的缺点是速度较慢，一般可_ l | j 丁d s p 算法的模拟；第 2 利- 和第5 种方法专_ l = l 性强，j 节j t t 受到很人的限制，第2 种方法也不便丁系统的独立：运行； 第3 种方法只适川丁实现简单的d s p 算法；只有第4 种方法才使数字信号处理的成j - l - n 35 1 了新的局面。 虽然数字信号处理的理论发展迅速，但往2 0 世纪8 0 年代以前，由丁实现方法的1 5 h 制， 数字信号处理的理论还得不剑广泛的麻川。直剑2 01 i t 纪7 0 年代末8 0 年代初1 廿界一j ：第一片 单片可编程d s p 芯片的诞1 1 三，才将理论研究结果广泛席j t j 至i 低成本的实际系统中，并且推 动了新的理论和应_ 领域的发展。可以毫不夸张地说，d s p 芯片的诞生及发展对近2 0 年米 通信、计算机、控制等领域的技术发展起剑十分重要的作用。 进一步地说，在很多场合r ，要求对信号进行实时处理，本论文将着重讲述这类处理 方式。实时数字信号处理系统要求必须具有处理人数据昔的能力，以保证系统的实l ”性：儿 次对系统的体积、功耗、稳定性等也较严格的要求。实j 时信号处理算法中经常j t j 剑对蚓琢 的求午、求著运算，二维梯度运算，幽象分割及k 域特征捉墩等不同层次、不同种类的处理。 其中有的运算本身结构比较简单，但是数据量人，计算速度要求离；有些处理对速度力没有 特殊的要求，但计算方式和控制结构比较复杂，难以川纯埂件实现。冈此实时数字信号处 理系统是对运算速度要求商、运算干l | l 类多的综合性数字信息处理系统。 中周科学技术人学倾i j 毕业沦殳南速数宁傣号处埋器腱j 心j 仃 1 1 信号处理系统的类型与常用处理机结构 根据信号处理系统在构成、处理能力以及汁算问题剑埂什结构映射方法的不刷，w 以将 现代信号处理系统分为二二人类： 指令集结构( i s a ) 系统。枉由齐种微处理器、d s p 处理器或专_ l i j 指令集处理器等组成 的信号处理系统中，都需要通过系统中的处理器所提供的指令系统( 或微代码) 米捕述各种 算法，并在指令部仆的控制r 完成对各种可汁算问题的求解。 硬连线结构系统。主要是指由专川集成电路( a s i c ) 构成的系统，其基本特自j ：足功能 周定、通常用于完成特定的算法，这种系统适合丁实现功能l 却定利数据结构明确的计算问题。 不足之处主要在丁：设计周期k 、成本高，且没有可编榉性，可扩展性莘。 可重构系统。基本特乱e 是系统i p 有个或多个可重构器件( 如f p g a ) ，可重构处理器 之间或可重构处理器与i s a 结j = ：| 处理器之间通过互连结构构成一个完褴的计算系统。 从系统信号处理系统的构成方式米看，常 的处理机结构有f 面儿种：单指令流单数据 流( s i s d ) 、单指令流多数据流( s i m d ) 、多指令流多数据流( m i m d ) 。 s i s d 结构通常由一个处理器平一个存燃：器纠成，它通过执行单一的指令流对即- 的数 据流进行操作，指令按顺序读墩，数据在每州刻也f 能漤墩个。弱点烛单片处i u 器处耻 能力有限，同时，这种结构【b 没彳发怦数捌处理叶1 的，f 行一i q - 淋力，所以f i ：实时系统或商述系 统中，很少采_ e js i s d 结构。 s i m d 结构系统由一个控制器、多个处理器、多个存贮模块和一个且连网络自1 成。所 有“活动的”处理器在同一时刻执行同一条指令，但每个处理器执行这条指令时所心的数据 是从它本身的存储模块中读取的。对操作种类多的算法，当要求存墩全局数据或对t ：不同的 数据要求做不同的处理时，它是无法独立肚仃的。另外，s i m d 一股都要求有较多j 处p l ! 单 元和极高的i o 吞吐率，如果系统r l ，没有足够多的适合s i m d 处理的任务，采川s i m d 址 不合算的。 m i m d 结构就是通常所指的多处理机，舆性的m i m d 系统由多台处理机、多个存储模 块羊一个且连网络组成，每台处理机执行臼己的指令，操作数也是各取各的。m i m d 结构 中每个处理器都可以单独编程，i 玎而这种结构的可编张能力是最强的。但由丁要川人培的艘 件资源解决可编程问题，硬件利川率不高。 随着人规模可编 ! 器什的发展，采川d s p + a s i c 结构的信号处婵系统显示j 7 c 优越 性，i l 逐步得剑重视。0 通川集成l “路桐i z ，a s i c 芯片贝有体秋小、重姑轻、功 e 低、川 靠性高等儿个方面的优势，而u 以：人批蟮臆川j ”，可降低成本。 现场可编程川；车列( f p g a ) 足徊：专川a s i c 的基础上发展 i ；米的它克服了专川a s i c 不够灵活的缺点。与其他中小规模集成电路相比，其优点主要在丁它有很强的灵活一f l ：，即其 内部的具体逻辑功能可以根据需要配置，对i 电路的修改和维护很方便。 d s p + f p g a 结构最人的特点姓结构灵活，有较强的通川性，适 i 模块化改汁，从而能 够提高算法效率；同时其开发周_ c l j 较短，系统易 j 维护和扩腱，适合丁实时信号处理。实i i 、j - 信号处理系统中，低层的信号预处理算法处理的数据量人，对处理速度的要求高，但远算结 构相对比较简单，适于川f p g a 进行埂f ，| = 实现，这样能同时兼顾速度及灵活性。商层处理 算法的特点是所处理的数据颦较低层算法少，但算法的控制结构复杂，适丁 j 运算述度高、 寻址方式灵活、通信机制强人的d s p 芯片米实现。 一 4 中周科学技术大学帧i 。毕业沧文 廓述数，倩q 处卫i ! 戌j cj 甘j 1 】 1 2 数字信号处理器 1 2 1 数字信号处理器的发展 白1 9 8 5 年第一片数字信号处理器t m s 3 2 0 c 1 0 问世以米，d s p 发展人致经历了二个阶段， 也形成了目前d s p 产品的三个档次：筇一阶段是以t m s 3 2 0 c 1 0 ( 2 2 x 为代表的1 6 b i t 定点 d s p 。后来又有了新的型号，如：a d s p 2 1 x x t m s 3 2 0 c 2 5 ( 2 5 x c 2 x x c 5 4 x 等7 弘号；第一 阶段推山3 2 b i t 浮点d s p ，代表删q ：a d s p 2 1 0 2 0 t m s 3 2 0 c 3 x 。最近j t , q zj j ! | j 推jr 州行 d s p 和超高性能d s p 。如a d s p 2 1 0 6 x a d s p 2 1 1 6 0 一t m $ 3 2 0 c 4 x - - t m $ 3 2 0 c 6 7 x 。 尽管v l s i 技术已经产生峰运算为每秒1 0 亿次的d s p ，但是对于人们要求的每秒儿百亿 到上千亿次运算米说仍然远远1 i 够。而且v i 。s l 技术发展受到其开关速度极限的限制，进一 步提高d s p 主频所遇到的难度平付的成本越米越人，单处理器性能的提高空间受剑限制， 为此往d s p 研制中引入并行处理技术。h 实九：搬多d s p 中已经引入了片内外行技术 t m s 3 2 0 c 6 x 逃一步发j 幢r 趟k 指令 ( v 【。i w ) 帚i 流水线技术。 不同的d s p 的麻川场合也1 ；川。i j 9 | 的d s p 都是定点的，它的成本比较低可以册：任人 部分数字信号处理，但是住某些场合，如雷达一卢纳信号处理中，数据的动态范围很人，按 定点处理会发生数据溢山或者f 溢出，严重时候处理无法进行。浮点d s p 的山现解决了这 个问题，它拓展了数据的动态范闱，3 2 b i t 浮点数的动态范围为15 3 6 d b ，此外浮点d s p 只 备更大的访问空间，高级语言的编泽器也主要面向浮点d s p ，如a d s p 2 1 0 6 x 的c 编洋器， 直接把c 程序编译蚶以后放到d s p 上去运行，简化了编写程序的过科。 1 2 2 数字信号处理器的特点 实时数字信号处理技术的核心和标志是数字信号处理器。数字信号处理器除了具备博通 微处理器所强调的高速运算利控制j j j 能外，针对数字信号处理，在处理器结构，指令系统， 指令流程上做了很人的改动，主要特点如r ： 1 d s p 普遍采_ l j 了数据总线利地： | = 总线分离的哈佛结构及改进的哈佛结构，比传统处瑚 器的冯诺依曼结构有更高的指令执行速度： 2 d s p 大多采朋流水技术，即每条指令都由片山多个功能单元分别完成取指、译码、取 数、执行等多个步骤，从孙i 在不提高时钟频率的条什f 减少了每条指令执行的i i q f j ： 3 片内有多条总线可以同时进行取指令和多个数据存取操作，并且有辅助寄存器川1 ：寻 址，l 也l i j 可以在寻址访问前或访问后臼动修改内容，指向r 一个要访问的地址； 4 针对滤波、相关、矩阵运算等需要大量乘法累加运算的特点，d s p 相应地在一个时钟 周期内可以完成相乘、累加两个运算，人人加快了f f t 蝶形运算速度： 5 针对实时处理所没计的存储器接e l ，能在单指令时间山完成多次存储器或者i o | 殳箭 问： 6 许多d s p 带有d m a 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 传送速度大大加快。 7 特殊的高速寻址方式，具有循环寻址、佗反序寻址功能。循环寻址_ i ：f jy - f i r 滤波器， 可以省去相当于迟延线的人越数据移动，用于f f t 可以紧凑地放旋转因子表；何反序 有利于f f t 的快速完成。 中i 省科学技术人学坝1 4 扛业论史 - 岛速数一l 科j 处删器搜儿肺j 数字信号处理器( d s p ) 、_ l | 亘川微处理； ( m p u ) 、微控制器( m c u ) 二者的j 订别 ：_ r ： d s p 而高性能、匝复性、数值运算街集j h 的典h 寸处理；m p u 人茸。麻川1 ：计算机；m c u 则通 h j ：控制为主的处理过程。 d s p 的运算速度1 f 常快，以f f t 、相关运算为例，高性能的d s p 处理速度是m p u 的4 1 0 倍，而且可以流水无间断地完成数据的实时输入输l 。d s p 结构相对单一，采j h 汇编 语言编程，其任务的可预测性相对丁结构和 r 令复杂、严重依赖r 编译系统的m p u 要强的 多。基y - d s p 的这些优势，在比较高性能的微处理器( 如p e n t i u mm m x 、p o w e lp c6 0 4 e 等) 片内已经融入了d s p 的功能，而以这种通_ l = 微处理器构成的计算机在网络通信、滑音 图像处理、实时数据分析等方面的效率人人提高。 总的说来，数字信号处理器的发展是与信号( 尤其是数字信号) 处理理论的研究是分不 开的。数字信号处理( d i g il a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) 理论中基本信号处理技术和算法的研究 促使信号处理系统的效率人人提高，同时，超人规模集成电路( v l s i ) 技术平高性能价格比、 高速度的数字信号处理器的迅速发展使得数字信号处理技术能够鹰川到各个领域。i ) s i ，技术 得到j “泛实际虑川，) 乏键是商性能的i ) s pj 笛片的山现。事实上，数字信号处理器芯片烛考虑 到数字信号处理的基本信号处理技术羽i 算法的特点的超人规模集成电路。现代的高述数字信 号处理技术的特点在丁不仅研究高效的基木信号处理技术羽i 算法，而且研究适合丁v l ，s 】实 现的基本信号处理技术雨i 算法结构。 由于数字信号处理技术有着巨人的鹿川市场，所以世界上符人微电子技术公司儿乎都 在党相开发d s p 芯片产品，冈而推动了d s p 芯片技术迅速发展。在国内，较为有影响的是t i 公司t i d s 3 2 x x x 系列( 定点、浮点) 和a d 公司的a d s p 2 l x x ( 定点) 、a i ) s p 2 l x x x ( 浮点) 系列的 芯片。一般来说，浮点芯片由丁其内部结构的复杂性，价格远高下定点：卷片。d s p 芯片是一 种具有很强功能的数字信号处理能力的单片微处理器，在很多情况r ，d s p ：醛片性能以其处 理器的乘累加速度m i p s ( 每秒白万条指令) 作为标准米钠鼙。最新d s p 芯片技术的发腱的特 点表现在两个方面：一方面，d s p 芯片的处理速度在提高；另一方面，当今的d s p 芯片的性 能特点的增强还表现在d s p 芯片其他方面的性能及改进d s p 芯片本身结构上。对丁同一个 d s p 算法，采用了相同i d l p s 的不同的d s p 芯片，往往它们本身结构域其他方面的性能特点 的不同，决定了该算法能否得以实时实现。这些方面的d s p 芯片的性能发展特点包括以f ) l 点： 1 灵活的、多功能的运算指令集 运算的灵活性主要指包含丰富的适合d s p 处理的指令，如乘法、乘与累加、乘减、任 意位数的移位操作及标准算术和逻辑运算。指令的多功能是在相同的m i p s 条件- 卜，提高d s p 处理能力的非常显著的重要刚素。指令的多功能特点和d s p ：出片本身的结构密切相关。城新 d s p 芯片发展的一个典型特点就是尽量开发指令的多功能。一条能完成驭二个操作数( 从片 内或片外) 和乘累加功能的指令放在d s p 算法的最内层循环，就等价丁使d s p 在循环时的运 算迷率提高三倍。 2 乘累加的动态范围扩展 1 6 位的定点乘法结果娃3 2 位，如乘法器的结果州4 0 位存储，则乘累加的动态范m 扩 展8 位即2 5 6 倍。这在定点d s p 中尤为重要。冈为，这一特点，可使定点d s p 芯片实现本米 应该川浮点d s p 芯片实现的算法，而保证足够运算精度，同时不需要过多的额外处理。 3 硬件的循环缓冲地址控制能力 硬件循环缓冲地址控制避免了墩诸如循环数字滤波器的系数这样的数据时，每次都要 判断地址是否出界的操作，这等效r 减少了d s p 鲜法实现时的指令数，使得d s p 芯片的处理 能力提高。人多数d s p 算法，如数字滤波器，都要求循环缓冲存贮器。 6 中国科学技术人学倾卜毕业论文 向速数字情l j 处理器殷j c 心f t l 4 程序循环的硬件控制能力 这一特点进一步捉商了d s i ，出，l 的处! b 能力。闪为绝人多数数字信号处理算法都存托 有人世的循环运算，而循环是最i 川d s p 处理! 器时间的，程序循环的硬件控制，使本米川软 什控制的程序流程用硬件控制，从而减少了循环i ! | 的指令数，人人提高d s p 处理器的处理效 率。 5 总线结构 采h j 改进的h a r v a r d 结构，具有数据存储器数据，地址总线和程序存储器数据，地址总 线。这样的总线结构使得多功能指令成为”，能。 6 算术运算有硬件部件实现 对于乘加运算，移位操作等费时较多的运算均利州埂件部什实现，提高了速度。 7 片内存储器规模在逐渐扩大 片内程序存储器( p r a m 或p r o m ) 和数据存储器( d r a m ) 的规模扩人( 例如，t m s 3 2 0 8 0 利 a d s p 一2 1 0 6 0 的片内存储器已分别达到4 0 0 k b i t 和4 m b i t ) ，从而使得一块d s p 芯片就足以构 成一个数字信号处理系统，使得硬什系统的设计更为简单，同时提高了以d s p 芯片构成的数 字系统的可靠性，使系统的性能价格比提高。 8 外围接口功能增强 不仅具有适合通信使川的可编栏串行接口，还具有与士机的接口控制电路，d m a 接口电 路，中断电路，可编程控制接口，以及包含a d 和d a 电路等。 1 2 3 数字信号处理器和数字信号处理的关系 数字信号处理主要研究内容 1 谱估计 就是对各种信号进行频谱分析，或将时间域信号转换为频率域信号进行处理。通过快速 付氏变换( f f t ) 可以很方便地实现这种变换或反变换。例如通过对环境噪声的谱分析可以 确定主要频率成分，了解噪声的成闪，找山降低噪卢的对策：对振动信号的谱分析，可了解 动物体的特性，为设计或故障诊断提供资料和数据。对丁二高保真音乐和电视这样的宽带信号 转到频率域后极人多数能量集中扫：直流硐j 低频部分，就可把频谱中的人部分成分滤玄，从而 压缩信号频带。 2 数字滤波 滤波就是在形形色色的信号中提取所需要的信号，抑制不需要的信号或干扰信号。滤波 器还能消除信息在传输过程中由于信道不理想所引起的火真，因此在电子系统中各种各样的 滤波器戍_ = | 很多。数字滤波器川丁处理离散的数字信号，是通过数值计算的方法米实现离散 信号的处理，它能完成所有模拟滤波器的功能，还能实现模拟滤波器不能实现的功能。 3 数据压缩 在一定条件。f 把原始信号所含信息数据进行爪缩，如语音、卢音、图像信号中含有许多 冗余信息，通过数字信号压缩算法最人限度地去除这些信号中的冗余度，使压缩后信号带宽 减小，提高传输效率。作数据存储时可降低所需存储介质的容量。例如直径为1 2 0 m m 的c d 光盘，本来存储的只是一套7 0 分钟的h i f i 音乐，现在可将7 0 分钟电视信号和音乐信号都 压缩到1 2 0 r a m 的光盘上，即v c d 光盘。 数字信号处理有三方面的特点： 1 数据寻址：d s p 运算数据寻】_ | = 具有一定的规律性，但数据寻址结构比较复杂，并且每 点的运算所需的数据寻川：较多。刘f f t 遥筇米i 兑： 7 中国科学技术火学坝h 毕业论文 懦速数一信l j 处耻_ 殷j c 心用 数据寻址数：共有l 0 9 2n 次循环，每次循环需要寻址o 对数据： lr ， 复杂p - a ：每次蝶形运算需要寻址相邻的两个数据到相距o 的两个数据。 规则性：每个循环的寻址数可以预先确定。每级蝶形运算两个数据寻址的相对变化是有 规律的； 2 数据操作：数据操作的商度重复性平一致性，即如f 式描述的重复的乘、岽加操作 y = m + c 十b 3 高度可循环性 数字信号处理对数字信号处理器在以下几方面提出了要求： l 总线宽度 为了保证d s p 运算的足够的精度要求，对r 定点运算需要1 6 位的字长，对浮点运算需 要3 2 他的字k ，因而要求d s p 芯片的总线宽度戍与字k 要求一致，这样才可以在保“e 精度 的同时不影响运算的速度。 2 。扩展的数据操作能力 为了适应d s p 运算的特点，需要d s p 芯片具有乘，累加的硬件功能，另外，扩展乘，累 加的动态范闱也是必须的。这样可以防i r 枉乘累加运算中的数据溢山，同时乘法运算不训 避免的带来了截断误筹利溢u i 误筹，所以乘，累：j j i l 器还需提供有效的误筹控制方式。 溢山误差控制方式如f 所示： ( 1 ) 对无符号数( 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 ) 2 + l = ( 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ) 2 晟火的j 数加j 后变为数0 ( 2 ) 对二进制补码 ( 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ) 2 + l = ( 1 l l l l l l l l l l l l l l l ) 2 最人的n 数加1 后变为数1 ； 这两种情况对运算的精度影响巨大，在有限字妖的条件f ，减少溢山误差的方式有两种： ( 1 ) 取饱和运算：当为正最火数加1 时取最大的数，为负最大时取为最小数： f 2 ) 溢出时右移操作，如有溢j 则右移一位。 控制截断误差的方式有三种： ( 1 ) 截断( t r u n c t i o n ) = 运算结果的最低伉丢弃( 如1 3 5 截取最低住后处理为1 3 ) ； ( 2 ) 四含五入( r o u n d i n g ) ：最后运算的最低位人于五则进位否! l ! i j 丢弃( 如l3 6 处理 为1 4 ，1 3 4 处理为1 3 ) ； ( 3 ) 无偏著的四舍百入( u n b i a s e dr o u n d i n g ) ：以f 均概率对最低何进行四舍玑入处理， 一种简单的处理方法是将上一位处i 为偶数或奇数。( 如1 3 5 处理为1 4 ，1 4 5 处理为1 4 ) 。 3 j 数据寻址能力 ( 1 ) 数据寻址独立产生。不需要处理器的参与，冈而需要一个独上的地址产生器同时 具有自动修改地址指针的能力。 ( 2 ) 双操作数的存取。在d s p 运算中需要很多的数据寻址和乘加运算等，而提供双操作 数的存取可以提高d s p 运算的效率。 ( 3 ) 循环寻址控制能力。 ( 4 ) 按位反转的能力。该能力是号门为实现f f t 的蝶形运算而提供的。 4 稚淖定睁 由于数字信号算法的程序循环特性，为提高d s p 运算的速度，要求d s p 芯片对程序循 环雨i 子程序调用进行零开销控制。 8 生圈盟堂丝查叁堂型! ：生些笙些 ! 堕堕塑! 堕! 些些丛丝! ! 坐旦 5 数据规整 由t - g z 长的限制，运算的结果必须进行动态范崩的凋糕以得剑适当的精度。同时，对运 算速度的要求限制该过科不能。i 川过多的处理器时间，通常利川一个桶形的移位寄存器在单 周期内完成1 3 2 位的移位操作、循环移位、门一化和逆归一化的操作。 1 3 数字信号处理器的应用领域 数字信号处理器的应州主要有以f 方面 1 3 1 通信网络类 网特网传真、网络保密通信、： = f l 机系统、视频ll l 话会议、通川w e b 接入设备、l 乜，j 线 通信、日标监测及识别 1 3 2 无线通信类 数字蜂窝手机、g s m 手机系统、第二代基站收发器( t d m a ) 、第二代基站收发器 ( c d m a ) 、数字语音寻呼机，见外软仆无线电的捉：“利发展进一步增强了d s p 机无线通 信领域的作用 1 3 3 计算机产品类 台式p c 机、笔记本电脑、p o s 终端产品、数字扫描仪、彩色激光绘图仪、不间断电源 ( u p s ) 、l c d 监视器、s x g a 系统 1 3 4 消费电子类 数字静止相机系统、因特网音频系统、家庭影院系统、通用数字j u k e b o x 影院、通j 斗数 字无线电、普通机顶盒、h d t v 机顶盒、h d t v 平板机顶盒、冈特网t v 机顶盒、甲星t v 机顶盒、数字录像机机顶盒、通r e p l a y t v 、数字音频s u b - w o o f e r 、年载无线忆乍载多 ； ! i l 体、测试仪表类、血压监测仪、医疗仪器、医疗监护系统、医疗诊断设备、葡萄糖监测仪、 电度表、有r f 的度量表、具有r f 的单丰 | l 乜皮表、具有g e n e l e cm o d e m 的功率表、多标 准卢音系统 1 3 5 工