dsp实验报告_实时信号谱分析

1、DSP课程实验报告利用DSF实现实时信号谱分析学院：电子信息工程学院指导老师：高海林学生:目录1、设计任务书 32、设计内容 33、设计方案 43、1 整体思路 43.2 信号的实时采集与传输 43.3 FFT 算法 53.4 “ping-pong ”存储方式 84、实验步骤 95、实验结果及分析 106、实验中遇到的问题及解决方法 137、实验感想 131、设计任务书在信息处理中，可以对信号进行时域分析，也可以对信号进行变换域分析，在频域对信号进行频谱分析是最常见的分析之一。 利用DSP可以实时地对信号进 行频谱分析一快速傅立叶变换（FFT）。本设计要求利用DSP的 DMA方式进行信 号采集

2、和信号输出，同时对外部输入的信号进行频谱分析。基本部分：（1）设计谱分析算法，或调用DSPLIB中FFT函数，实现对信号的频谱分析。（2）在DMA中断服务程序中，实现信号的实时谱分析（3）利用CCS信号分析工具分析信号的频谱成分，对FFT算法结果进行验证。发挥部分：（1）信号频谱数据实时输出到 HeadPhOne输出接口，并在示波器上进行显示；（ 2）在实验板的 Line in 输入端接入正弦信号，分左右声道分别采集，并分 别进行频谱分析 ;（3）利用CCS的Profiler工具计算FFT算法所需要的时间，并根据实时性要 求进行必要的算法优化。2、设计内容（1）掌握CCS的安装、设置，工程的建

3、立、工程设置、编译运行和调试方法（2）编写C语言程序实现设计要求，并在 CCS集成开发环境下调试通过，实现 设计所要求的各项功能。（ 3）按要求撰写课程设计报告。3、设计方案3、 1整体思路首先利用DSP的DMA方式对外部信号进行实时采集，外部模拟信号先进行 A/D转换，利用MCBS的接收寄存器接收数据，并将数据存放到 DSP存储区中。 设计FFT算法或调用DSPLIB中的rfft或Cfft频谱分析函数，对信号进行快速 傅立叶变换。频谱数据利用DMA方式送到D/A转换器转换为模拟信号在示波器上示 O3.2信号的实时采集与传输DMA控制器可以在不影响CPU勺情况下完成数据的传输，因此数据传输速度

4、 快，在要求信号实时采集和处理的系统中常采用DM/方式进行信号传输。本设计中输入信号经过A/D转换成数字信号后，将DMAS道4的源地址设为串口的接收 寄存器，利用DMAI道4进行传输；而将DMAS道5的目的地址设置为串口的发 送寄存器，将信号频谱利用 DMA5S道进行传输，此步骤需要对 AIC23、MCBSP DMAS道4和DMAS道5进行初始化配置。处理流图如图 3.2.1所示。主程序中断服务程序图3.2.1信号实时采集和频谱分析流程图3.3 FFT算法FFT (FaSt FOUrier TranSfOrmatiOn ),即为快速傅氏变换，是离散傅氏 变换(DFT)的快速算法，它是根据离散傅

5、氏变换的奇、偶、虚、实等特性，对离 散傅立叶变换的算法进行改进获得的。(1) 离散傅里叶变换DFTN点DFT的正变换公式为：X (k) = Ix(H)咔疔HrjEM=C式中，WN=e-j*2 /N ,称为旋转因子或蝶形因子。从 DFT的定义可以看出， 在x(n)为复数序列的情况下，对某个k值，直接按(1)式计算X(k)只需要N 次复数乘法和(N-1)次复数加法。因此，对所有N个k值，共需要N2次复数乘 法和N(N-I)次复数加法。对于一些相当大有 N值(如1024点)来说，直接计算 它的DFT所需要的计算量是很大的，因此DFT运算的应用受到了很大的限制。(2) 快速傅里叶变换FFT旋转因子WN

6、有如下的特性：对称性：WNk+N2=-WNk周期性：WNn(N-k)=WNk(N-n)=WN-nk利用这些特性，既可以使DFT中有些项合并，减少了乘法积项，又可以将长 序列的DFT分解成几个短序列的DFT FFT就是利用了旋转因子的对称性和周期 性来减少运算量的。一般而言，FFT算法分为按时间抽取的FFT(DIT FFT)和按频率抽取的FFT(DIF FFT)两大类。DIF FFT算法是在时域内将每一级输入序列依次按奇/偶分成2个短序列进行计算。而 DlF FFT算法是在频域内将每一级输入序列依 次奇/偶分成2个短序列进行计算。 两者的区别是旋转因子出现的位置不同，得 算法是一样的。在DIF

7、FFT算法中，旋转因子出现在输入端，而在DIFFFT算法 中它出现在输入端。假定序列x(n)的点数N是2的幕，按照DIFFFT算法可将其 分为偶序列和奇序列。偶序列：x(2r)=x1(r)奇序列：x(2r+1)=x2(r) 其中：r=0,1,2, , ,N/2-1则 x(n)的 DFT表示为：.v-.V-y-J(町二工工(M)R二工工(M)Jr乎+三工fl=QK奇数.V2-lM3、二Y工(2尸艸严+艺工(2厂+ 1)眉严W= -r2-1*-V2-1rk=Y可0)(昭)+叭工E(>)(叫)FM)0Ar2-1U=闷(尸尸& +呎衍()V 2 r.0r>0= T1()÷

8、 FF ()匚 k=0 丄N/2_l式中，x1(k)和x2(k)分别为x1 (r)和x2(r)的N/2的DFT由于对称性， WNk+N2=-WNk因此，N点DFT可分为两部分：前半部分：x(k)=x1(k)+WkNx2(k)(1)后半部分：x(N2+k)=x1(k)-WkNx2(k)k=0, ,N2-1(2)从式(1)和式(2)可以看出，只要求出0N2-1区间x1(k)和x2(k)的值, 就可求出0N-1区间x(k)的N点值。以同样的方式进行抽取，可以求得 N/4点 的DFT重复抽取过程，就可以使 N点的DFT用上组2点的 DFT来计算，这样就可以大减少运算量。基2 DlF FFT的蝶形运算如

9、图331所示。设蝶形输入为X1(k)和X2(K),输出为x(k)和x(N2+K),则有x(k)=x1(k)+WkNx2(k)x(N2+k)=x1(k)-WkNx2(k)(6)N/2个2点FFT蝶BCA-SC在基数为2的FFT中，设N=2M共有M级运算，每级有 形运算，因此，N点FFT总共有MN/2个蝶形运算图3.3.1 基2 DIF FFT的蝶形运算例如：基数为2的FFT，当N=8时，共需要3级，12个基2 DIT FFT的蝶 形运算。其信号流程如图3.3.2所示-1-1-IP图 3.3.2从图可以看出，输入是经过比特反转的倒位序列，称为位码倒置，其排列顺 序为x(O),x,x(2),x(6)

10、,x(1),x(5),x(3),x，输出是按自然顺序排列，其顺序为 x(O),x(1),x(2),x(3),x,x(5),x(6),x(7).在本设计中，信号的频谱通过FFT算法得出，FFT算法可以自己编写，也可 以调用55xdsp.lib 库rfft或Cfft函数。调用库函数的需要在工程中添加库文 件55xdsp.lib ,并且在程序中包含头文件 dsplib.h。调用的时候入口参数是时 域信号地址，返回处理后的FFT信号，注意返回值不包含求模过程，而是交替返 回实部和虚部。本实验采用自己编写的基2频率抽取法计算FFT。3.4 “ Ping-POng ”存储方式Ping-pong存储方式在内

11、存开辟四块存储区，分别是 gBufferRcvPing、 gBufferRcvPong、gBufferXmtPing、gBufferXmtPong，其中前两块用于 DMA接收, 后两块用于DMA发送。目的是将正在接收或发送的区域与正在处理的区域分离开。这个过程通过变量“ pingpong ”控制，以进入中断时 pingpong=0 为例，进 入终端后将其值改为1 ,将DMA接收目的区改为gBufferRcvPong ,处理gBufferRcvPing 的数据，并将处理的数据发往 gBufferXmtPing ,而同时DMA发 送源是gBufferXmtPong，这样发送和接收都不冲突。本实验中

12、 gBufferRcvPing/gBufferRcvPong 接收到的数据是左右声道交替 的，因此要将接收回来的数据根据左右两声道分成两个数组存放， 再将每一个声 道的实部和虚部存到 DDataBufferi.real/ DDataBufferi.imag 当中 ，做 256 点 FFT 变 换 后 求 模 值 得 到 幅 度 谱 ， 再 将 经 过 防 溢 出 处 理 的 数 据 存 入 gBufferRcvPing/gBufferRcvPong 中。重复循环上述过程即可实现实时信号谱的 分析。4、实验步骤（ 1 ）新建工程，正确设置工程选项（ build option ），设置工程的存储器

13、 模式、头文件路径及库文件路径等，注意工程存放路径不能有中文名；（2） 编写工程所需的所有实验源程序，实验程序包括C文件、h文件、Cmd 文件、GEL文件、中断向量s55文件等，并添加进工程；（3）将仿真器等硬件正确连接上，注意音频输入输出方向是否正确。将音 频立体声输入 J5 接电脑耳机输出口，将 J7 接电脑语音录入口；（ 4）按 F7 键编译连接生成 obj 文件（无错误时），若程序有错误则查看错 误信息，双击错误处光标自动跳转到错误处，直到排除所有错误；（5）点击file菜单下Ioad PrOgram载入程序，将程序下载在DSP芯片中， 点击“ run ”或按键F5全速运行；（ 6）使

14、用变量观察图形观察窗等工具观察分析输入输出信号是否与预期效 果相同；（ 7）系统调试、代码优化等；(8)确定最终方案，撰写设计报告5、实验结果及分析图1为左右声道分别输入频率为2kHz和5kHz的正弦信号，示波器输出图像:图1图2为信号源输入情况显示:电溫幵关万用表频率计I信号源图3和图4分别是CCS工具得出的结果，左声道输入为2kHz，右声道输入为5kHz，采样频率为32kHz,左右声道分别采 256个点：32k2k=16 32k5k=6.4L图5显示的是CCS同时对捕获到的左右两声道信号进行 FFT处理，图中显示的两 个峰值分别代表左右声道的频率，坐标轴 0-255表示左声道，256-51

15、2表示右声 道，由图可知左声道的频率大概为 2kH z,右声道的频率大概为5kHz,基本和输入 频率相吻合。图5图7和图8分别为左右声道输入对应频域波形图:图8从实验结果来看还有一些失真，但总体实现了预期效果。6、实验中遇到的问题及解决方法（1）实验运行程序的过程中，改变输入信号的频率，示波器时而有图像时而无 显示，只显示杂波。 只有重新加载程序才可以输出波形。 此实验的进行与硬件密 切相关，要保证硬件状态完好。（2）在创建工程时遇到困难，总是在步骤完成后不能运行程序。最后只能先在 老师原有的工程文件下进行代码粘贴并改错，才可以运行成功。（3）对于DMA勺理解不够透彻，对中断的设置不够熟练，导

16、致实验初始阶段出 现了一系列的理解问题，经查阅相关资料即组内讨论后解决了问题。（4）开始运行代码时发现示波器和 GRAP中的显示总有一个是倒过来的，后来 修改代码，发现溢出部分的写法有问题，修改后一切正常。7、实验感想祖健文：首先，我觉得DSP是一门比较难的课程，可是这门课程的理论学时却只有短 短的 8 学时，而且老师上课讲课速度比较快，我也没有认真做什么笔记，所以， 理论课上基本只学到了 CCS-些非常基本的使用方法，DSP的原理掌握的又是皮 毛中的皮毛，这都导致后来的课程设计中理论知识的储备严重不足。这次的课程设计，基本就是实践中去验证一些老师课上或课件中的一些知 识，比如我们所选的题目是

17、“利用 DSP实现信号的实时谱分析”，其实这算是一 个比较简单的题目，理论上就是将例程中的 DMA实时信号采集程序和FFT谱分 析程序结合在一起就可以。 虽然说起来简单， 但实际操作中确实问题重重， 比如 在新建工程时由于头文件和 Build Option 中的配置不符而出现的编译错误；还有 实验箱和线材的问题，有时会导致实验始终没有结果。再后来调试程序，发现 DMA程序运行的并不是很稳定，有时可能会不输出任何数据，而 VieW GraPh中 却显示一切正常，有时甚至只能重新启动 CCS才能解决问题。关于程序的设计，我们本打算按照实验的要求，在 DMA 中断服务程序中调 用 dsplib 中的

18、 rfft 函数进行信号的谱分析，但经过多次修改后，仍没有实现 rfft 的正确调用。后来我们利用老师所给的 BJTU_FFT例程中的fft256函数，通过修 改入口参数，成功实现了对输入信号的 FFT计算。本次实验对我来说， 难度是挺大的， 但是通过和小组成员的交流和沟通， 确 实弄清楚了很多问题。 所以我觉得本次实验收获最大的就是和小组成员间通力合 作，发现问题，分析问题，解决问题；并且在每一次的交流、探讨、实践中，加 深了对DSP以及程序的理解，并且最终实现了任务要求。吴楚婷：这次的DSP实验做的题目是信号实时谱分析，其实最开始没有打算选择这个 题目，因为自己对于信号与系统还有 DSP课程的掌握程度不够好，不过也正是因 为这样才