张永祥TMS320C54系列DSP原理与应用课件

第一章数字信号处理概述1.1数字信号处理概述1.2数字信号处理器概述1.3DSP芯片运算基础第一章数字信号处理概述2首都师范大学信息工程学院一、数字信号处理系统的组成1.1数字信号处理概述1、将输入的信号通过一个A/D（AnalogtoDigital）转换器，它对连续信号进行带限滤波、采样保持和编码，将连续信号转换为数字信号。2、DSP芯片对转换后的数字信号进行各种算法处理；3、处理后的数字信号根据需要再经D/A（DigitaltoAnalog）转换器，对数字信号进行解码、低通滤波，就可得到所需的模拟信号。3首都师范大学信息工程学院第1种方法的缺点是硬件设备体积较大、运算速度较慢，在一些对系统空间要求较为严格的场合无法安装，以及在一些要求实时性较高的场合很难实现，常用于数据算法的模拟和仿真。第2种方法虽然运算速度有所提升，但设备体积大依然是一较大问题。第3种方法由于不适合复杂的数字信号处理系统，应用场合受到限制。第5种方法专用性较强，应用场合也同样受到限制。第6种方法也是目前数字信号处理实现的一种主要方法，在消费类和汽车电子领域占有主要的市场份额；但它也主要是作为协处理器。只有第4种方法才为数字信号处理的应用打开了新的局面。1.1数字信号处理概述5首都师范大学信息工程学院三、数字信号处理的特点精度高。灵活性高。可靠性强。便于集成化。数字信号处理系统也有其局限性，例如，数字系统的速度还不算高，在海量数据处理时，常常要求几百、几千个数字处理器并行工作，使得成本增加；A/D转换器由于转换速度不够高，对当前的一些高频率的信号仍然无法处理；价格较贵，在处理简单任务时，性价比低。1.1数字信号处理概述6首都师范大学信息工程学院数字信号处理器（DSP）是进行数字信号处理的专用芯片，DSP可以快速地实现对信号的采集、变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理，以得到符合人们需要的信号形式，给信号处理的应用打开了新的局面。1.2数字信号处理器概述7首都师范大学信息工程学院二、DSP芯片的特点改进的哈佛结构

与传统的总线结构——冯·诺依曼结构相比，哈佛总线结构的主要特点是程序和数据分别具有独立的存储空间，有着各自独立的程序总线和数据总线。支持流水线操作1.2数字信号处理器概述9首都师范大学信息工程学院采用专用的硬件乘法器特殊的DSP指令快速的指令周期专用的数据地址发生器1.2数字信号处理器概述10首都师范大学信息工程学院三、DSP芯片的发展1978年世界上诞生了首枚DSP芯片——AMI公司的S2811，1979年美国Intel公司生产了商用可编程器件2920，这两种DSP芯片都不具备单周期硬件乘法器，故其结构与性能都与现代DSP芯片相差很大。1980年，日本NEC公司推出的uPD7720是第一个具有硬件乘法器的DSP处理器，1981年美国贝尔实验室推出的DPSI与uPD7720都是16位字长，具有片内乘法器和存储器。1.2数字信号处理器概述11首都师范大学信息工程学院目前TI公司常用的DSP芯片可以被归纳为三大系列，即：TMS320C2000系列（包括TMS320C2x/C2xx）。TMS320C5000系列（包括TMS320C5x/C54x/C55x）。TMS320C6000系列（TMS320C62x/C67x）。1.2数字信号处理器概述13首都师范大学信息工程学院四、DSP芯片的应用通用的数字信号处理：FFT、FIR滤波、IIR滤波、卷积、相关、谱分析、模式匹配等。语音识别与处理：语音压缩、语音合成、语音增强、语音邮件、语音存储，数字音频，网络音频等。图形/图像处理：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。通信：如数字调制/解调、自适应均衡、数据加密、数据压缩、回波抵消、多路复用、传真、扩频通信、纠错编码、软件无线电等。自动控制：声控、磁盘/光盘伺服控制、马达控制、机器人控制等。军事：保密通信、导弹制导、电子对抗、雷达处理等。仪器仪表：数据采集、函数发生、地质勘探等。医学工程：助听器、超声设备、病人监护等。家用电器：数字电话、数字电视、高保真音响、电子玩具等。汽车领域：车身系统、防盗系统、传动系统、汽车网络信息系统等。1.2数字信号处理器概述14首都师范大学信息工程学院一、数的定标1.定标表示法有符号数，就是把16位二进制数的最高位来表示数的符号，正数用0表示，负数用1表示，其余位15位表示数据；同时对有符号数的表示采用补码的方式。例如：无符号数：［103］原=［0000000001100111］原=［0000000001100111］补有符号数：［-103］原=［10111］原［-103］补=［11001］补1.3DSP芯片运算基础15首都师范大学信息工程学院在实际应用中，通常采用Qn表示法。表1.1列出了16位定点DSP芯片用Qn表示法和Sm.n所能表示的十进制数值范围。从表1.1可以看出，若程序员设定的小数点位置不同，对于同样一个16位数，它所表示的数也就不同。例如：例：

十六进制数1000H=4096，用Q0表示

十六进制数1000H=0.125，用Q15表示

十六进制数1000H=1，用Q12表示1.3DSP芯片运算基础17首都师范大学信息工程学院不同的Q所表示的数不仅范围不同，而且精度也不相同。Q越大，数值范围越小，但精度越高；相反，Q越小，数值范围越大，但精度就越低。对定点数而言，数值范围与精度是一对矛盾，一个变量要想能够表示比较大的数值范围，必须以牺牲精度为代价；而想提高精度，则数的表示范围就相应地减小。在实际的定点算法中，为了达到最佳的性能，必须充分考虑到这一点。1.3DSP芯片运算基础18首都师范大学信息工程学院2.Q值的确定在使用定点DSP时，如何选择合适的Q值是一个关键性问题。就DSP运算的处理过程来说，实际参与运算的都是变量，假设一个变量的绝对值的最大值为|max|(|max|≤32767)。若存在一个整数m，使它满足2m-1<|max|<2m,则有2-Q=2-15×2m=2-(15-m),Q=15-m。例如，某变量的值在-1至＋1之间，即|max|<1，因此m=0，Q=15-m=15。确定了变量的|max|就可以确定其Q值。1.3DSP芯片运算基础19首都师范大学信息工程学院二、数的运算数的运算包括定点数的加法/减法运算和乘法、除法运算。定点数又可分为无符号数和有符号数。无符号数是明确为正数的数，带符号数可能为正数，也可能为负数。一般负数以补码形式表示，最高位为符号位。1.3DSP芯片运算基础21首都师范大学信息工程学院1.两个定点数的加/减法将浮点的加法/减法转化为定点加法/减法时必须保证两个操作数的格式一致。如果两个数的Q值不同，可将Q值大的数右移调整为与另一个数的Q值一样，但必须在保证数据精度不变的前提下。同时要注意有符号和无符号数加/减运算的溢出问题。【例1.1】设x=3.125，y=0.25，求x+y。解：x=3.125，若x的Q值为Q12，则［x］Q12=3.125×212=12800=3200H；y=0.25,若y的Q值为Q15，则［y］Q15=0.25×215=8192=2000H。1.3DSP芯片运算基础22首都师范大学信息工程学院说明：由于Q12<Q15,因此将y的Q15格式表示的十六进制码2000H右移3位；由于2000H为正数，因此将整数部分补零，得到用Q12格式表示的0.25为0400H。将3200H加上0400H得到3600H，十进制数为13824,该数的格式为Q12，相对应浮点值为13824/212=4.375,和浮点直接运算结果x+y=4.375一致。1.3DSP芯片运算基础23首都师范大学信息工程学院2)整数乘整数

Q0×Q0=Q03)混合表示法两个16位整数相乘，乘积总是“向左增长”，积为32位，难以进行后续的递推运算；两个小数相乘，乘积总是“向右增长”，且存储高16位乘积，用较少资源来保存结果(这是DSP芯片采用小数乘法的原因)用于递推运算。许多情况下，运算过程中为了既满足数值的动态范围，又保证一定的精度，就必须采用Q0与Q15之间的表示法,即混合表示。例如，数值1.0145显然用Q15格式无法表示，而若用Q0格式