第6章 应用程序设计-12009.ppt

1、2020年7月28日,DSP原理及应用,1,内容提要 数字信号处理主要面向密集型的运算，包括乘法-累加、数字滤波和快速傅里叶变换等。 本章结合数字信号处理和通信中最常见、最具有代表性的应用，介绍通用数字信号处理算法的DSP实现方法，主要包括： 有限冲激响应（FIR）数字滤波器 无限冲激响应（IIR）数字滤波器 快速傅里叶变换（FFT） 正弦信号发生器。,第6章 应用程序设计,2020年7月28日,DSP原理及应用,2,6.1 FIR滤波器的DSP实现,在数字信号处理中，滤波占有极其重要的地位。数字滤波是语音处理、图像处理、模式识别、频谱分析等应用中的基本处理算法。用DSP芯片实现数字滤波除了具

2、有稳定性好、精确度高、不受环境影响等优点外，还具有灵活性好等特点。 数字滤波器是DSP的基本应用，本节主要讨论FIR滤波器的基本结构、设计方法和DSP实现方法。,2020年7月28日,DSP原理及应用,3,6.1 FIR滤波器的DSP实现,6.1.1 FIR滤波器的基本结构,数字滤波是将输入的信号序列，按规定的算法进行处理，从而得到所期望的输出序列。,(6.1.1),x(n): 输入序列，y(n): 输出序列，bi : 滤波器系数 N: 滤波器的阶数。,FIR滤波器的差分方程为：,2020年7月28日,DSP原理及应用,4,6.1.1 FIR滤波器的基本结构,对式（6.1.1）进行z变换，可得

3、FIR滤波器的传递函数：,(6.1.2),FIR滤波器的结构 ：,2020年7月28日,DSP原理及应用,5,6.1.1 FIR滤波器的基本结构,FIR滤波器的单位冲激响应h(n)为有限长序列。,偶对称线性相位FIR滤波器的差分方程：,N偶数,(6.1.3),若h(n)为实数，且满足偶对称或奇对称的条件，则FIR滤波器具有线性相位特性。 偶对称：h(n)= h(N-1-n)； 奇对称：h(n)= -h(N-1-n)。,2020年7月28日,DSP原理及应用,6,6.1.1 FIR滤波器的基本结构,在数字滤波器中，FIR滤波器具有如下几个主要特点：, FIR滤波器无反馈回路，是一种无条件稳定系统

4、； FIR滤波器可以设计成具有线性相位特性。,2020年7月28日,DSP原理及应用,7,6.1 FIR滤波器的DSP实现,6.1.2 FIR滤波器的MATLAB设计,MATLAB是一种功能强、效率高、便于进行科学和工程计算的交互式软件包，它集数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示于一体，为用户提供了方便、友好的界面环境。 MATLAB中的工具箱（Toolbox）包含了许多实用程序。它提供了多种FIR滤波器设计方法。 标准频率响应设计法fir1加窗线性相位FIR滤波器 任意频率响应设计法fir2,2020年7月28日,DSP原理及应用,8,6.1 FIR滤波器的DSP实现,6.1.3 FIR滤

5、波器的DSP实现,FIR滤波器的输出表达式：,y(n)=b0 x(n)+b1x(n-1)+ +bN-1x(n-N+1),（6.1.4）,bi为滤波器系数，x(n)为滤波器在n时刻的输入，y(n)为n时刻的输出。,基本算法: 采用乘法累加运算。即不断地输入样本x(n)， 经过z-1延时后,再进行乘法-累加，最后输出滤 波结果y(n)。,2020年7月28日,DSP原理及应用,9,6.1.3 FIR滤波器的DSP实现,1. z-1算法的实现,常用的方法:,线性缓冲区法 循环缓冲区法。,(1) 线性缓冲区法,又称延迟线法。,特点：, 在数据存储器中开辟一个N单元的缓冲区(滑窗)，用来存放最新的N个输

6、入样本；, 从最老样本开始取数，每取一个数后，样本向下移位；, 读完最后一个样本后，输入最新样本并存入缓冲区的顶部。,2020年7月28日,DSP原理及应用,10,1. z-1算法的实现,(1) 线性缓冲区法,缓冲区:,顶部为低地址单元，存放最新样本；,缓冲区顶部,最新样本,底部为高地址单元，存放最老样本；,缓冲区底部,最老样本,指针ARx指向缓冲区底部。,ARx,2020年7月28日,DSP原理及应用,11,(1) 线性缓冲区法,求y(n)的过程：,取数、移位和运算:, 以ARx为指针，按x(n-7)x(n)的顺序取数，每取一次数后，数据向下移一位，并完成一次乘法累加运算；, 当经过8次取数

7、、移位和运算后，得y(n)；, 求得y(n)后，输入新样本x(n+1)，存入缓冲区顶部单元；, 修改指针ARx，指向缓冲区的底部。,（N=8）,2020年7月28日,DSP原理及应用,12,(1) 线性缓冲区法,求y(n)的过程：,算法：,ARx,x(n-7),ARx,x(n-6),y(n)=y7=b7x(n-7)+0,x(n-6),ARx,x(n-5),y(n)=y6=b6x(n-6)+y7,x(n-5),ARx,x(n-4),y(n)=y5=b5x(n-5)+y6,x(n-4),ARx,x(n-3),y(n)=y4=b4x(n-4)+y5,x(n-3),ARx,x(n-2),y(n)=y3

8、=b3x(n-3)+y4,x(n-2),ARx,x(n-1),y(n)=y2=b2x(n-2)+y3,x(n-1),ARx,x(n),y(n)=y1=b1x(n-1)+y2,x(n),y(n)=b0 x(n)+y1,PORTR,x(n+1),ARx,结果：, y(n),2020年7月28日,DSP原理及应用,13,(1) 线性缓冲区法,求y(n+1)的过程：,算法：,结果：, y(n),取数顺序：,x(n-6)x(n+1),x(n-5),x(n-4),x(n-3),x(n-2),x(n-1),x(n),x(n+1),最新样本：,x(n+2),x(n+2), y(n+1), y(n+2), y(

9、n+3), y(n+4), y(n+5), y(n+6), y(n+7),ARx,2020年7月28日,DSP原理及应用,14,(1) 线性缓冲区法,Z-1的运算是通过执行存储器延时指令来实现的。 即将数据存储器中的数据向较高地址单元移位来进行 延时。,其指令：,DELAY Smem ；(Smem) Smem+1,DELAY *AR3- ；AR3指向源地址,将延时指令与其他指令结合使用，可在同样的 机器周期内完成这些操作。例如：,LD + DELAY LTD MAC + DELAY MACD,2020年7月28日,DSP原理及应用,15,(1) 线性缓冲区法,注意：用线性缓冲区实现z-1运算时

10、，缓冲区的数据 需要移动，这样在一个机器周期内需要一次 读和一次写操作。因此，线性缓冲区只能定 位在DARAM中。,优点：,在存储器中新老数据的位置直观明了。,2020年7月28日,DSP原理及应用,16,1. z-1算法的实现,(2)循环缓冲区法,特点：, 在数据存储器中开辟一个N个单元的缓冲区 (滑窗)，用来存放最新的N个输入样本； 从最新样本开始取数； 读完最老样本后，输入最新样本来代替最老 样本，而其他数据位置不变； 用BK寄存器对缓冲区进行间接寻址，使缓冲 区地址首尾相邻。,2020年7月28日,DSP原理及应用,17,(2)循环缓冲区法,缓冲区：,顶层为低地址单元，存放最新样本；,

11、x(n),底层为高地址单元，存放最老样本；,x(n-7),x(n-1),x(n-2),x(n-3),x(n-4),x(n-5),x(n-6),ARx指向最新样本单元。,ARx,计算过程：, 以ARx为指针，按顺序取数，并修改指针；,x(n),ARx,x(n-1),ARx,x(n-2),ARx,x(n-3),ARx,x(n-4),ARx,x(n-5),ARx,x(n-6),ARx,x(n-7),ARx, 每取1次数后，完成1次乘法累加计算；,y(n)=y0=b0 x(n)+0,y(n)=y1=b1x(n-1)+y0,y(n)=y2=b2x(n-2)+y1,y(n)=y3=b3x(n-3)+y2,

12、y(n)=y4=b4x(n-4)+y3,y(n)=y5=b5x(n-5)+y4,y(n)=y6=b6x(n-6)+y5,y(n)=y7=b7x(n-7)+y6,算 法：,2020年7月28日,DSP原理及应用,18,(2)循环缓冲区法,算 法：,计算过程：, 每取1次数后，完成1次乘法累加计算；, 求得y(n)后，输入新样本替代最老样本；,x(n+1）,x(n+1), 修改指针ARx，指向最新样本单元。,ARx, 求y(n):,取数顺序：x(n)x(n-7),最新样本：x(n+1),ARx：指向x(n+1)单元, 求y(n+1):,取数顺序：x(n+1)x(n-6),最新样本：x(n+2),A

13、Rx：指向x(n+2)单元, 求y(n+2):,取数顺序：x(n+2)x(n-5),最新样本：x(n+3),ARx：指向x(n+3)单元,2020年7月28日,DSP原理及应用,19,(2)循环缓冲区法,循环缓冲区的优点：, 缓冲区数据不需要移动； 可以使用SARAM存储器。,实现N个循环缓冲区单元首尾相邻，可用BK寄存器按模间接寻址来实现。,常用指令：, *ARx%,; 增（减）量、按模修正ARx addr=ARx，ARx=circ(ARx1), *ARx0%,;增（减） AR0、按模修正ARx addr=ARx，ARx=circ(ARxAR0), *+ARx(1K)%,;加(1K)、按模修

14、正ARx addr=circ(ARx+1K)，ARx=circ(ARx+1K),2020年7月28日,DSP原理及应用,20,(2)循环缓冲区法,circ是根据BK寄存器中的缓冲区长度，对(ARx+1)、(ARx-1)、(ARx+AR0)、(ARx-AR0)和(ARx+1k)的值进行取模，使指针ARx指向缓冲区，实现循环缓冲区首尾相邻。,if 0index+step BK index=index+step else if index+stepBK index=index+step-BK else if index+step 0 index=index+step+BK,循环寻址 的算法：,ind

15、ex:存放在辅助寄存器中的地址指针； step:步长，可正可负。,2020年7月28日,DSP原理及应用,21,(2)循环缓冲区法, 用BK规定循环缓冲区的长度N； 缓冲区起始地址的k个最低有效位必须为 0，且满足2kN 且|step|BK 。,要求：,例如：若N=31，k的最小值为5，则缓冲区的起始地址：XXXX XXXX XXX0 0000B,若N=32，k的最小值为6，缓冲区的起始地址：XXXX XXXX XX00 0000B,2020年7月28日,DSP原理及应用,22,(2)循环缓冲区法,例如：(BK)=N=8，(AR1)=0060h，用*AR1+%间接寻址。,第一次寻址后，AR1指

16、向0061h单元； 第二次寻址后，AR1指向0062h单元； 第八次寻址后，AR1指向0068h单元； 将BK按8取模，AR1回到0060h单元。,2020年7月28日,DSP原理及应用,23,6.1.4 FIR滤波器的DSP实现,2. FIR滤波器的实现,C54x提供的MAC指令和循环寻址方式，可使FIR数字滤波器在单周期内完成每个样值的乘法 -累加计算。而每个样值的乘法-累加计算,可采用RPTZ和MAC指令结合循环寻址方式来实现。,为了实现对应项乘积运算，输入的样值x(n)和滤波系数bi必须合理的存放，并正确初始化存储块和块指针。样值x(n)和滤波系数bi的存放可用线性缓冲区或循环缓冲区实

17、现。,2020年7月28日,DSP原理及应用,24,2. FIR滤波器的实现,(1) 用线性缓冲区实现FIR滤波器,设N=7，FIR滤波器的算法：,y(n)=b0 x(n)+b1x(n-1)+b5x(n-5) +b6x(n-6),x,b,双操作数寻址指令：MACD *AR1-,b,A,功能：A=A+(AR1)(b), AR1-1AR1,(AR1)(AR1+1),AR1,x(n-6),b6,x(n-6),b6x(n-6),+A,b6x(n-6)+A,AR1,x(n-5),2020年7月28日,DSP原理及应用,25,(1) 用线性缓冲区实现FIR滤波器,程序清单： .title “FIR1.AS

18、M” .mmregs .def start x .usect “x”，8 PA0 .set 0 PA1 .set 1 .data COEF： .word 1*32768/10 .word 2*32768/10 .word -4*32768/10 .word 3*32768/10 .word -4*32768/10 .word 2*32768/10 .word 1*32768/10,；自定义数据空间,x,暂存y(n),x(n-1),x(n-2),x(n-3),x(n-4),x(n-5),x(n-6),定义系数bi,COEF,b6,；定义b6=0.1,；定义b5=0.2 ；定义b4=-0.4 ；定

19、义b3=0.3 ；定义b2=-0.4 ；定义b1=0.2 ；定义b0=0.1,b5,b4,b3,b2,b1,b0,x(n),2020年7月28日,DSP原理及应用,26,(1) 用线性缓冲区实现FIR滤波器,程序清单： .text start: SSBX FRCT STM #x+7,AR2 STM #6,AR0 LD #x+1,DP PORTR PA1,x+1 FIR1: RPTZ A,#6 MACD *AR2-,COEF,A STH A,*AR2 PORTW *AR2+,PA0 BD FIR1 PORTR PA1,*AR2+0% .end,;设置小数乘法,;设置AR2,AR2,;设置复位值A

20、R0=6,;设置缓冲区首地址,;输入x(n),x(n),;A清0,设置迭代次数,00 0000 0000,;7次乘法累加和移位,b6x(n-6),AR2,x(n-5),A+b5x(n-5),AR2,x(n-4),A+b4x(n-4),AR2,x(n-3),A+b3x(n-3),AR2,x(n-2),A+b2x(n-2),AR2,x(n-1),A+b1x(n-1),x(n),A+b0 x(n),AR2,AR2,y(n-1),;暂存y(n),y(n),;输出y(n),修改AR2,AR2,;循环,;输入最新数据, 修改AR2=AR2+AR0,x(n+1),AR2,2020年7月28日,DSP原理及应

21、用,27,2. FIR滤波器的实现,(2) 用循环缓冲区实现FIR滤波器,设N=7，FIR滤波器的算法：,y(n)=b0 x(n)+b1x(n-1)+b5x(n-5) +b6x(n-6),y,b0,xn,2020年7月28日,DSP原理及应用,28,(2) 用循环缓冲区实现FIR滤波器,程序清单： .title “FIR2.ASM” .mmregs .def start .bss y,1 xn .usect “xn”,7 b0 .usect “b0”,7 PA0 .set 0 PA1 .set 1 .data table: .word 1*32768/10 .word 2*32768/10 .

22、word 3*32768/10 .word 4*32768/10 .word 5*32768/10 .word 6*32768/10 .word 7*32768/10,;源文件标题,;定义MMR寄存器符号名,;定义模块,;给y保留1个空间,y,;给xn段保留7个空间,xn,;给b0段保留7个空间,b0,;PA0赋值为0,;PA1赋值为1,;从ROM的table定义数据,;定义0.1,;定义0.2,;定义0.3,;定义0.4,;定义0.5,;定义0.6,;定义0.7,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,2020年7月28日,DSP原理及应用,29,.text start: S

23、SBX FRCT STM #b0,AR1 RPT #6 MVPD table,*AR1+ STM #xn,AR2 STM #b0,AR3 STM #7,BK STM #1,AR0 LD #xn,DP PORTR PA1,xn FIR2: RPTZ A,#6 MAC *AR2+0%,*AR3+0%,A STH A,y PORTW y,PA0 BD FIR2 PORTR PA1,*AR2(-1)% .end,;设置小数乘法,;AR1指向b0,;设置传输次数,;系数传输至数据区,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,;AR2指向x(n)单元,;AR3指向b0单元,;设置缓冲区长度,

24、;设置双操作数增量,;设置页指针,;输入x(n),;A清0,设置迭代次数,;双操作数乘法累加,;存储y(n),;输出y(n),;循环,;输入最新x(n+1)，修正AR2,2020年7月28日,DSP原理及应用,30,链接命令文件： FIR2.obj vectors.obj -o FIR2.out -m FIR2.map -e start MEMORY PAGE0: EPROM:org=0E000h, len=1000h VECS: org=0FF80h, len=0080h PAGE1: SPRAM:org=0060h, len=0020h DARAM:org=0080h, len=1380h

25、 ,;选定的目标文件 ;生成FIR2的输出文件 ;生成FIR2的存储器映像文件 ;定义源程序的入口地址 ;定义目标存储器空间 ;第0页：程序存储器 ;EPROM的起始地址：E000h 长度：4K ; VECS的起始地址：FF80h 长度：0080h ;第1页：数据存储器 ; SPRAM的起始地址：0060h 长度：0020h ; DARAM的起始地址：0080h 长度：1380h,存储空间,0E000,4k,0EFFF,0FF80,80h,0FFEF,0060,20h,007F,0080,1380h,13EF,2020年7月28日,DSP原理及应用,31,链接命令文件：,SECTIONS .t

26、ext:EPROM PAGE 0 .data:EPROM PAGE 0 .bss :SPRAM PAGE 1 xn:align(8)DARAM PAGE 1 b0:align(8)DARAM PAGE 1 .vections:VECS PAGE 0 ,;在存储器中定义输出段的位置 ;text段定位在程序存储器 即源程序位于程序存储器 ;系数区定义在程序存储器 ;bss段定义在暂存器 ; 从xn起8个单元定义在DARAM ;从b0起8个单元定义在DARAM ;vections定义在VECS区,2020年7月28日,DSP原理及应用,32,2. FIR滤波器的实现,(3) 系数对称FIR滤波器的实

27、现,系数对称FIR滤波器具有线性相位的特性，在数字信号处理中应用十分广泛，常用于相位失真要求较高的场合。,设滤波器N=8，若系数bn=bN-1-n，则为对称FIR滤波器。其输出方程：,y(n) = b0 x(n)+b1x(n-1)+b2x(n-2)+b3x(n-3) +b3x(n-4)+b2x(n-5)+b1x(n-6)+b0 x(n-7),= b0 x(n)+x(n-7) + b1 x(n-1)+x(n-6) +b2 x(n-2)+x(n-5) +b3 x(n-3)+x(n-4) ,需要： 4次乘法 7次加法,2020年7月28日,DSP原理及应用,33,(3) 系数对称FIR滤波器的实现,

28、对称FIR滤波器的实现方法：, 在RAM中开辟两个N/2长度的循环缓冲区New和Old ，分别存放N/2个新数据和老数据；,x(n),x(n-3),x(n-2),x(n-1),x(n-4),x(n-5),x(n-6),x(n-7), 设置循环缓冲区指针： AR1指向New区中的最新数据， AR2指向Old区中的最老数据；,AR1,AR2, 在程序存储器中设置系数表；,b0,b1,b2,b3,COEF, 进行(AR1)+(AR2)AH加法运算，并修改数据指针， AR1-1AR1，AR2-1AR2；,x(n),x(n),x(n-7),x(n-7),x(n) + x(n-7),x(n) + x(n-

29、7),AR1,AR2,2020年7月28日,DSP原理及应用,34,对称FIR滤波器的实现方法：, 累加器B清0，完成块操作，重复执行4次；,乘法累加：(AH)bi +BB；,修改系数指针：PAR+1PAR；,加法运算：(AR1)+(AR2)AH；,修改数据指针：AR1-1AR1，,AR2-1AR2；, 保存和输出结果;, 修正数据指针，,AR1指向New区的最老数据；,AR2指向Old区的最老数据。, 用New区的最老数据替代Old区的最老数据，输入新数据替代New区的最老数据 ；, 重复执行 。,2020年7月28日,DSP原理及应用,35,(3) 系数对称FIR滤波器的实现,系数对称FIR滤波器指令：,格式： FIRS Xmem，Ymem，Pmem,功能： PmemPAR； 当(RC)0，则B+AH(Pmem)B， (Xmem)+ (Ymem)16A， PAR+1PAR，(RC)-1 RC,其中， Pmem是通过PAR寻址。,2020年7月28日,DSP原理及应用,36,(3) 系数对称FIR滤波器的实现,程序清单