现代数字信号处理.doc

基于DSP的数字信号网络传输系统的研究与实现学院：信息工程学院专业：控制工程学号：Z2013067姓名：张鹏飞日期： 2013.12.1摘要目前许多领域,对语音和视频处理的实时性要求越来越高,这些语音和视频信号直接进行网络传输的话,其实时性很差,甚至很不可靠。把这些音频和视频的数字信号经过优化处理之后,再进行网络传输的话,其实时性和可靠性能得到很大提高。针对这个问题,对当今世界上最流行的DsP芯片和DsP技术进行了学习和研究,把它应用于对音频和视频信号处理之中,并研究设计了网络接口,把处理过的音频和视频信号在网络上进行传输。本人通过对DsP的学习和研究,了解到信号处理是信息科学的核心技术之一,数字信号处理则是其中重要的组成部分。数字信号处理技术和计算机学科及微电子技术密不可分,因此可以说,数字信号处理是把经典的理论作为自己的理论基础,把现代计算机技术、微电子技术作为技术支撑的一门新兴学科。同时,它又是许多新兴学科的理论基础,并与它们相互交叉,相辅相成,.相互促进。数字信号处理是利用计算机或专用的数字设备对信号进行分析、合成、变换、估计、辨识等加工处理,以便提取有用的信息并进行有效的传输与应用。数字信号处理的理论发展到今天,迫切需要相应的设备将这些理论应用到工农业和人们的生活中去,尤其是现代数字信号理论的发展,模糊理论、神经元理论、小波理论的发展,更加依赖高速的处理器,这些需求直接导致数字信号处理器的产生。关键字:数字信号处理 网卡 网络数据传输 复杂可编程逻辑器件目录1绪论41.1 DSP的发展运用41.2 DSP的运用领域41.3课题的提出42课题研究内容52.1 DSP技术和DSP芯片的学习和研究52.2本课题的主要研究内容有:52.2应用DSP实现对音频等信号的处理62.3系统方案的选择62.4应用DSP微处理器实现FFT算法63系统设计73.1系统硬件简介73.2 DSP芯片TMS320VC5402性能介绍73.2.1 TMS320VC5402的内核73.2.2 TMS320yC5402的内部存储器74 TMS320VC5402程序设计84.1 TMS320VC5402初始化84.2使用SECTIONS伪指令的链接器命令文件85.总结和结论105.1总结105.2主要的创新点111绪论1.1 DSP的发展运用自从1982年美国德州仪器(TI)公司推出可编程DSP处理器以来,DSP的应用领域取得了不断的拓展。无论是在计算机外设、通信、工业控制、航空航天、精密仪器,还是在家用电器、语音和图像处理等领域都有DSP的身影。DsP芯片是专门为实现各种数字信号处理算法而设计的,具有特殊体系结构的微处理器,其卓越的性能,不断上升的性价比,日渐完善的开发方式使它的应用越来越广泛。因此,把DSP引人到音频、图像等信号处理和计算机网络技术中去,使数字化和网络化相结合,成为集通信、计算机、视听和图像功能于一体的网络接口系统,这种新型的以太网接口系统将会具有很大的应用价值和市场前景。把所学到的有关DSP与计算机的知识和生产实践相结合,以达到学以致用,为生产服务的目的。1.2 DSP的运用领域DSP正从高速数字引擎转变为具有主流处理器特性的芯片,因此需要DSP设计人员集中精力解决应用问题,而不是重复实施系统级功能。DsP芯片高速发展,一方面得益于集成电路的发展,另一方面也得益于巨大的市场。经过二十余年的发展,DSP应用领域日渐宽广,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。目前,DSP芯片的价格也越来越低,性能价格比日益提高,具有巨大的应用潜力。DSP芯片的应用主要有以下9个方面。(l)经典信号处理:数字滤波、自适应滤波、快速傅立叶变换、相关运算、频谱分析、卷积等。(2)现代信号处理:AR、ARMA、卡尔曼滤波、小波分析等。(3)语音处理:语音编码、语音合成、语音识别、语音增强、语音邮件、语音存储等。(4)图佘图形:二维和三维图形处理、图像压缩与传输、图像识别、动画、机器人视觉、多媒体、电子地图、图像增强等。(5)军事:保密通信、雷达处理、声纳处理、导航、全球定位、跳频电台、搜索和反搜索等。(6)仪器仪表:频谱分析、函数发生、数据采集、地震处理等。(7)自动控制:控制、深空作业、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、心电图等。(9)家用电器:数字音响、数字电视、可视电话、音乐合成、音调控制、玩具与游戏等。1.3课题的提出随着科技的发展许多电子产品都要对音频、视频等信号进行处理,并且以网络作为媒介进行远程传输。其中以太网就是最好的传播方式和途径。目前,以太网产品供应商多,用户组网方便,费用低,是当今最受欢迎的局域网之一,因此,如何对音频、视频等信号进行处理并进行网络传输已经成为目前许多电子产品的核心问题。DSP芯片是专门为实现各种数字信号处理算法而设计的,具有特殊体系结构的微处理器,其卓越的性能,不断上升的性价比,日渐完善的开发方式使它的应用越来越广泛。因此,把DSP引入到音频、视频等信号处理和计算机网络技术中去,使数字化和网络化相结合,成为集通信、计算机、视听功能于一体的网络接口系统,这种新型的以太网接口系统将会具有很大的应用价值和市场前景。2课题研究内容2.1 DSP技术和DSP芯片的学习和研究数字信号处理(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。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。在过去的二十多年时间里,数字信号处理已经在通信等领域得到极为广泛的应用。随着信息技术革命的深人和计算机技术的飞速发展,数字信号处理技术已经逐渐发展成为一门关键的技术学科。DSP芯片,即数字信号处理器,是专门为快速实现各种数字信号处理算法而设计的、具有特殊结构的微处理器,其处理速度已高达20(兆MIPS,比最快的CPU还快10一50倍。目前,在微电子技术发展的带动下,DSP芯片的发展日新月异,DSP的功能日益强大,性能价格比不断上升,开发手段不断改进。2.2本课题的主要研究内容有:DSp的学习和研究;应用DsP实现对音频、图像等信号的处理;本系统硬件主要有三部分组成:TMS320VC5402、网络控制器(RTL8019AS)和可编程逻辑器件等。(1)TMS320C54xx是16bit定点DSP,适应远程通信等实时嵌人式应用的需要。它有高度的操作灵活性和运行速度,使用改进的哈佛结构,具有专用硬件逻辑的CPU、片内存储器、片内外围设备以及一个高度专业化的指令集。(2)本系统采用的可编程逻辑器件是A口王RA公司的MAX7XX)系列中的EpM7128STCloo一10型。其内部有2500个可用门,128个宏单元,8个逻辑阵列块,多达1的个拍引脚。M70(刃系列器件提供可编程的速度助耗的最优化。对于CpLD的开发使用我们熟悉的开发工具MA火卫LUS和开发语言VHDL,使用JTAG下载。CPLD在本系统中起着一个桥梁的作用,它完成系统中的电压的匹配和译码功能。1)TMS320VC5402程序设计主要包括TMS320VC5402的初始化、存储器配置、系统中断和FFI,算法的实现。本研究课题的系统性能除了取决于数字信号处理算法的选取外,还取决于DsP处理器的以下几个方面。(l)为了满足本系统的需要,在TMS320vC5402处理器外接一个20兆的晶振,其内部利用锁相环可以达到100兆的时钟频率。TMS犯0vC5402处理器内部设置了硬件乘法/累加器、能在半个指令周期内完成乘法/累加运算。目前,TMS320vC5402处理器处理数据的能力达到了每秒数千万次乃至数十亿次定点运算或浮点运算的速度。(2)为了满足F于T、卷积等数字信号处理的特殊要求,TMS320vC5402处理器在指令系统中设置了“循环寻址”(Circularaddressing)及“位倒序”伪it一reversed)指令和其他特殊指令,使得在作这些运算时寻址、刹游及计算速度大大提高。单片DsP作1024点复数FFI,所用时间已降到微秒量级。(3)TMS320vC5402处理器的高速数据传输能力是提高系统性能的关键之一。TMS320vC5402设置了一个直接内存访问口MA)控制器,在不影响或基本不影响DsP处理速度的情况下,作并行的数据传送,传送速率可以达到每秒数百兆字节、主要受到片外存储器速度的限制。另外,本系统中的CpLD采用的是川tera公司的M叭X70(X)系列中的MAX7128型可编程逻辑器件。当频率达到227.3MHz时,引脚到引脚的逻辑延迟是4.sns。器件内核可以在33V的电压下运行,而FO引脚可以兼容SV、3.3V和2.5V的逻辑电平。1)DsP的内核结构进一步改善多通道结构和单指令多重数据(SIMD)、特大指令字组(VLD以)将在新的高性能处理器中占主导地位,如AD公司的ADSP一2116x.2.2应用DSP实现对音频等信号的处理目前许多领域和电子产品,对语音和视频处理的实时性要求越来越高。系统要求必须具有处理大数据量的能力,以保证系统的实时性;其次对系统的体积、功耗、稳定性等也有较严格的要求。实时信号处理算法中经常用到对图象的求和、求差运算,二维梯度运算,图象分割及区域特征提取等不同层次、不同种类的处理。其中有的运算本身结构比较简单,但是数据量大,计算速度要求高;这些语音和视频信号直接进行网络传输的话,其实时性很差,甚至很不可靠。通用的微处理器不能满足这方面的要求,DSP对问题提供了可编程的解决方案。系统选用DsP来快速处理数字化的信号,如音频、视频和传感器信号。把这些音频和视频的数字信号经过优化处理之后,再进行网络传输的话,其性能会大大提高。DSP可以对数字信号流执行快速的数学运算,其运算能力是普通处理器所无法比拟的。这些数学运算从简单的加减法和乘法到复杂滤波以及信号分析功能如快速傅立叶变换(FastFourierTransforms,FFIs)和离散余弦变换(DiscreteCosineTransfonns,DCTs)。2.3系统方案的选择本系统的方案选择,本着紧跟科学技术的发展,应用最先进技术并且具有低功耗、高性价比的原则,针对音频和视频信号大数据量,需要远程传输的场合,提供一个切实可行的方案。本课题利用DSP对数字信号进行处理,并且通过网络作为媒介进行数据传输。可以应用于语音处理、远程监控、图象压缩与传输等系统和领域。在选用DSP芯片时,主要应考虑性能价格比,例如能否满足快速判读算法的要求,具体说就是要求选择那些指令周期短、数据吞吐率高、通信能力强、指令集功能完备的DSP处理器,同时也要兼顾功耗低和开发环境方便等因素。2.4应用DSP微处理器实现FFT算法快速傅立叶变换(FFI,算法),在数字型号处理中非常有用,主要的用途是可以实现对离散的信号的频谱实时处理。除此之外,F刀良滤波器的设计中,系统的分析,设计和实现中都应用FFr计算。对象音频和视频这样的信号,首选的是快速算法R可,然后才是有关信号的压缩,去躁等特别的算法等。本研究课题在DsP微处理器上实现了FFI,算法。3系统设计3.1系统硬件简介本系统实现的是一个基于定点DSP芯片TMS320VC5402的网络数据处理传输系统,主要功能是对网络上传输过来的各种数据信号进行高效率的处理,可应用于网上数据的解压缩并进行传输。现在各种数字信号都可以在网上进行传输,一般都是实现主机和主机之间的数据传输,对于某些特定场所的信号传输的方法还有待进一步改善,例如一些需要监控的场所,由于视频信号的数据量很大,对于一个监控点,都需要一台单独的主机通过光纤来接收大量的数据。如果监控的点太多,设备的成本就明显的提高。本系统利用DSP芯片结合NIC网络媒介进行传输。3.2 DSP芯片TMS320VC5402性能介绍3.2.1 TMS320VC5402的内核 TMS320VC5402(以下简称VC5402)的CPU结构特征如下:1）具有高性能的改进的哈佛总线结构，即程序总线、地址总线和数据总线是独立的。在VC5402内部具有三条独立的16 bit数据存储器总线和四条I6 bit地址总线和一条1 b bit的程序存储器总线;2)具有一个40 bit的算术逻辑单元，包括一个40 bit的桶形移位器和两个独立的加法器;3) 17X 17 bit的并行乘法器与专用的40 bit加法器相结合可以在一个非并行指令周期内完成一次乘法和加法操作(MAC ) ;4)具有专用于Viterbi碟形算法的比较、选择和存储单元(CSSU ) ;5)指数译码器可以在一个指令周期内求一个40 bit累加数的指数值，这里的指数定义为累加器中没有数据占用的位数的个数减去8，因此，指数的范围为一8-31;6)两个地址发生器、八个辅助寄存器和两个辅助寄存器算术单元(ARAU ) ;7)单周期定点指令执行时间为lOns.3.2.2 TMS320yC5402的内部存储器TMS320VC54x系列DSP内部均带有一定数量的高速物理存储空间，在实时性要求很严格的应用系统中，应尽量将程序和数据存放在内部物理存储区中，而且尽可能地将数据区定义在内部双访问RAM中，程序区可定义在内部单访问RAM, DAR.AM或是ROM中，一些查找表或是初始化数据也可以放在程序区中。因为对于程序区常常只有读操作，而对于数据区往往可以同时存在有读操作和写操作，所以数据区尽可能定义在DARAM中。对片内物理存储器的访问是通过访问映射存储器来实现的，也就是说，片内物理存储器必须被映射到映射存储器上才能被访问。DSP系统的映射存储器分为三块区域，分别称为程序区、数据区和v0区。一般来说，I/O区是片外资源，访问空间大小为64K X 16 bit;数据区可以为片上存储区映射的，也可以是片外存储器映射的，或兼而有之，访问空间大小也是64K X 16 bit，而且，这两个区域常常是不能被扩展访问的。基本程序区的访问空间也是64K X 16 bit，对于不同的DSP芯片，扩展能力不同。对于VC5402来说，最大扩展访问空间为1024K X 16 bit。可见，DSP系统的映射存储器代表了DSP芯片的一种寻址能力和可访问空间的大小，在没有对映射存储器配置前，这些映射存储空间是虚拟的，是不能用来存储程序和数据的。所以在DSP程序的编译和汇编之后，连接成目标文件之前，必须加入存储器配置文件(.cmd),将实际的物理存储区空间映射到存储器空间上。4 TMS320VC5402程序设计4.1 TMS320VC5402初始化Filel.obj MEMORY伪指令的使用。file2.obj一prog.outMEMORY/*输入文件*/ I*链接器选项，指定输出的文件名*/PAGE 0: ROM:PAGE 1:SCRATCH: origin=60h, ONCHIP: origin80h,length=1000hlength=20hlength=1000hMEMORY伪指令的一般语法为:PAGE 0: name 1(attr): origin=constant, length=constantPAGE n: name n(attr):origin=constant, length=constant4.2使用SECTIONS伪指令的链接器命令文件file l .obj file2.obj/*输人文件*/-o prog.out /*选项*/ SECTIONS .text: load=ROM, run=800h .const: load=ROM .bss: load=RAM .vectors: toad=FF80h t1 .vec 1)t2.obj(.intvec2)endvec=. ; .data: align=16 .bss段结合了filel.obj和file2.obj的.bss段并被装人R.AM空间。.data段结合了file l .obj和file2.obj的.data段.链接器将它放在存储器可放下的地方(此处为RAM)，并对准16位的边界。 .text段结合了filel .obj和file2.obj的.text段，链接器将所有命名为.text的段都结合进该段，在程序运行是该段必须重新定位在地址0800h0.const段结合了filel .obj和file2.obj的.const段。 .vectors段由目标文件file l .obj的.intvec 1和目标文件filet. obj的.intvec2组成。 理论上讲，链接器可对每个输出段在目标存储器中赋两个地址:一个为装人地址;一个为运行地址。在大多数情况下，这两个地址是相同的。这种将输出段定位在目标存储器中并赋给地址的过程称为段的定位。若在链接器中没有指定如何对段进行定位，则链接器将采用默认的方式进行定位。通常链接器将段放人合适与它们的存储器结构中。通过使用SECTIONS伪指令可改变默认的定位方式而将段定位到指定的地方。 本系统的存储器配置文件exp_1.cmdo基于DSP网络传输系统的存储器配置文件exp_1.cmdMEMORYPAGE 0: EPROG: DATA: REC BLTF: SEND BUF: NET REG:origin=0x0600,origin=0x2080,origin=0x3380,origin=ox398o,origin=0x4000,len=Oxla80len=0x1300len=0x0600 len=oxo6oolen=Ox 10NET一 DMA:NET RST:VECT:origin=0x4010len=0x01origin=0x4018origin=Ox3f80,len=0x01len=0x80 SECTIONS my reg:NET REG PAGE 0 my_dma:NET_DMA PAGE 0 my_rst:NET RST PAGE 0 .vectors:.1VECT PAGE 0 .text:EPROG PAGE 0 . cinit:EPROG PAGE 0 .pipit:EPROG PAGE 0 .bss:DATA PAGE 0 .const:DATA PAGE 0 .switch:【DATA PAGE 0 EPROG是程序区，DATA.是数据区，REC一OF时接收数据的缓冲区，SEND BUF是发送数据的缓冲区，VECT是中断向量表。因为，TMS320VC5402的内部存储器空间从Ox4000-OxF000映射到外部存储器空间，在本系统中，把RTL8019AS的地址空间映射到0x4000 - OxF000之间，这个映射在外部主要由CPLD地址译码完成的，在内部主要由命令文件exp_l.cmd完成的.在文件exp_ l .cmd中的MEMORY中NET REG. NETee DMA和NET RST三个区域就是分配给RTL8019AS的存储器空间。在SECTIONS中的my reg. my_dma和my_rst就是对应的段名。5.总结和结论5.1总结 本研究课题的系统性