第2章-高速数字信号处理概述要点.ppt

1、第二章 数字信号处理技术概述,2.1 数字信号处理器的特点 2.2 数字信号处理器的应用领域 2.3 数字信号处理器的选择和发展 2.4 数字信号处理系统的构成 2.5 数字信号处理系统的设计,2.1 数字信号处理器的特点,高速实时数字信号处理技术的核心和标志是数字信号处理器(DSP)。自第一个DSP（TI的TMS32010）问世以来，处理器技术水平得到了十分迅速的提高，而快速付立叶变换等实用算法的提出促进了专门实现数字信号处理的一类微处理器的分化和发展。数字信号处理有别于普通的科学计算与分析。它强调运算处理的高速实时性，因此DSP除了具备普通微处理器所强调的高速运算和控制功能外，针对高速实时

2、数字信号处理，在处理器结构、指令系统、指令流程上做了很大的改动，其结构特点如下：,DSP普遍采用了数据总线和程序总线分离的哈佛结构及改进的哈佛结构，比传统处理器的冯诺依曼结构有更高的指令执行速度； DSP大多采用流水技术，即每条指令都由片内多个功能单元分别完成取指、译码、取数、执行等多个步骤，从而在不提高时钟频率的条件下减少了每条指令的执行时间； 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，并且有辅助寄存器用于寻址，它们可以在寻址访问前或访问后自动修改内容，以指向下一个要访问的地址； 针对滤波、相关、矩阵运算等需要大量乘法累加运算的特点，DSP大都配有独立的乘法器和加法器，使得同一时钟

3、周期内可以完成相乘、累加两个运算，许多DSP可以同时进行乘、加、减运算，大大加快了FFT的蝶形运算速度；,图2.1 冯诺依曼结构,图2.2 哈佛结构及改进的哈佛结构,许多DSP带有DMA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提高； 配有中断处理器和定时控制器，可以很方便地构成一个小规模系统； 具有软、硬件等待功能，能与各种存储器接口。 数字信号处理器（DSP）、通用微处理器（MPU）、微控制器（MCU）三者的区别在于：DSP面向高性能、重复性、数值运算密集型的高速实时处理；MPU大量应用于计算机；MCU则适用于以控制为主的处理过程。 DSP本身具有以下功能，支持其

4、高速实时数字信号处理应用：,单指令周期的乘、加操作； 特殊的高速寻址方式，可以在其它操作进行的同时完成地址寄存器指针的修改，并具有循环寻址、位反序寻址功能。循环寻址用于FIR滤波器，可以省去相当于迟延线功能的大量数据移动，用于FFT则可以紧凑地存放旋转因子表；位反序利于FFT的快速完成； 针对高速实时处理所设计的存储器接口，能在单指令时间内完成多次存储器或I/O设备访问； 专门的指令流控制，具有无附加开销的循环功能以及延迟跳转（相当于预跳转）指令； 专门的指令集和较长的指令字，一个指令字同时控制片内多个功能单元的操作； 单片系统，易于小型化设计； 低功耗，一般为 0.54W，采用低功耗技术的D

5、SP只有 0.1W，可用电池供电如TI的TMS320C54X系列，对嵌入式系统很适合；而新型MPU，如 Pentium等功耗达2050W。,因此，DSP的运算速度要高得多，以FFT、相关为例，高性能DSP不仅处理速度是MPU的410倍，而且可以流水无间断地完成数据的高速实时输入输出。 DSP结构相对单一，普遍采用汇编语言编程，其任务完成时间的可预测性比结构和指令复杂（超标量指令）、严重依赖于编译系统的MPU强得多。以一个FIR滤波器实现为例，每输入一个数据，对应每阶滤波器系数需要一次乘、一次加、一次取指、二次取数，有时还需要专门的数据移动操作，DSP可以单周期完成乘加并行操作以及34次数据存取

6、操作，而普通MPU至少需要4个指令周期，因此，在相同的指令周期和片内指令缓存条件下，DSP是MPU运算速度的4倍以上。 正是基于DSP的这些优势，在新推出的高性能通用微处理器（如 Pentium MMX、Pentium、Pentium 4等）片内已经融入了 DSP的功能，而以这种通用微处理器构成的计算机在网络通信、语音图像处理、高速实时数据分析等方面的效率大大提高。,不同类型DSP适用于不同场合。早先DSP都是定点的，可以胜任大多数数字信号处理应用，但在某些场合，如雷达、声纳信号处理中，数据的动态范围很大，按定点处理会发生数据溢出或下溢出，严重时处理无法进行。如果用移位定标或用定点模拟浮点运算

7、，程序执行速度将大大降低。浮点DSP的出现解决了这些问题，它拓展了数据动态范围，常见的16bit定点DSP动态范围仅96dB，每增加1bit，动态范围只增加6dB；而32bit浮点数据的动态范围为1536dB。浮点DSP的处理性能在许多情况下要比定点DSP高得多。得益于VLSI技术，32位浮点DSP在各项指标上都远好于定点DSP，它可以完成32位定点运算，具备更大的存储访问空间，而且最新发展的并行DSP大都采用浮点格式，还有一点就是高级语言（如C语言）编译器主要面向浮点DSP，这使得普通计算机上的源码程序可以移植到DSP设计中而无需大的修改。,目前DSP峰值运算能力达每秒24亿次，但相对于所要

8、求的每秒几百亿、上千亿次运算来说仍远远不够。而且VLSI技术的发展已经受到开关速度极限的限制，提高DSP主频所遇到的难度和付出的成本越来越大，单处理器性能的提高空间受到限制，为此，引入了并行处理技术。其实在许多DSP的多级流水处理、相乘累加同时进行等功能中已经融入了片内并行技术，TMS320C6X进一步发展了超长指令字（VLIW）和多流水线技术。在每条长达256bit的指令字中规定了多条流水线、多个处理单元的并行操作。DSP并行技术的主流则是向片外片间并行发展，因为这种并行可以不受限制地扩大并行规模。以TMS320C4X和ADSP2106X为代表的并行DSP为用户提供了设计大规模并行系统的硬件

9、基础，它们都提供了6个通信（链路）口，并为共享总线系统的设计提供了相应的总线控制信号线，可以组成松耦合的分布式并行系统和紧耦合的总线共享式并行系统。,2.2 数字信号处理器的应用领域,随着DSP性能的迅速提高和成本价格的大幅度下降，DSP的应用范围不断扩大，成为当前产量和销售量增长最快的电子产品之一。DSP应用几乎遍及整个电子领域，常见的典型应用有： 1通用数字信号处理 数字滤波、卷积、相关、FFT、希尔伯特变换、自适应滤波、窗函数、波形发生等。 2通信 高速调制解调器、编译码器、自适应均衡器、传真、程控交换机、蜂窝移动电话、数字基站、回音消除、噪声抑制、电视会议、保密通信、卫星通信、TDMA

10、/FDMA/CDMA等各种通信制式。随着互联网络的迅猛发展，DSP又在网络管理服务、信息转发、IP电话等新领域扮演着重要角色，而软件无线电的提出和发展进一步增强了DSP在无线通信领域的作用。,3语音处理 语音识别、合成、矢量编码、语音信箱。 4图形图像处理 三维图像变换、模式识别、图像增强、动画、电子出版、电子地图等。 5自动控制 磁盘、光盘、打印机伺服控制、发动机控制。 6仪器仪表 测量数据谱分析、自动监测及分析、暂态分析、勘探、模拟试验。 7医学电子 助听器、CT扫描、超声波、心脑电图、核磁共振、医疗监护等。 8军事与尖端科技,雷达和声纳信号处理、雷达成像、自适应波束合成、阵列天线信号处理

11、、导弹制导火控系统、战场C3I系统、导航、全球定位GPS、目标搜索跟踪、尖端武器试验、航空航天试验、宇宙飞船、侦察卫星。 9计算机与工作站 阵列处理机、计算加速卡、图形加速卡、多媒体计算机。 10消费电子 数字电视、高清晰度电视、图像声音压缩解压器、VCDDVDCD播放机、电子玩具、游戏机、数字留言应答机、汽车电子装置、音响合成、住宅电子安全系统、家电电脑控制装置。,2.3 DSP的选择和发展,DSP的应用范围十分广阔，不同的应用领域和不同的性能需要不同类型的DSP。在军事和尖端科技领域，对性能因素的考虑远远高于对成本等因素的考虑，因而这一应用领域总是集中体现了当今最先进的DSP发展水平。而在

12、广阔的民用产品设计中，成本和性能同样重要，例如定点DSP的成本远低于浮点DSP，通信、语音、图像处理往往采用定点DSP就可以满足要求。定点DSP功耗也较低，一般在 0.51.5W，其低电压（2.5V、3.3V）型仅 200mw以下，而且在休眠模式下（Power down或Sleep）功耗更低。浮点 DSP由于片内集成度、运算复杂性较高，功耗是定点DSP的35倍。因而过去和现在定点DSP在应用广泛性上占主导地位。但随着VLSI技术的发展，决定芯片生产成本的因素中，生产批量的大小起着越来越大的作用，尽管浮点DSP的结构复杂、集成度很,高，如果它能获得市场的承认而得到广泛应用，其价格会大幅度下降。

13、另外，各种DSP面向不同应用领域，有其各自的结构和功能特点。以TMS320系列为例，TMS320F240适合于电机控制，TMS320C54X适合于通信及语音处理，TMS320C80则面向多媒体应用，雷达、声纳信号处理所需要的大动态范围和高速实时处理需要TMS320C4XC67X这样的高性能或并行DSP。 综合起来，选择合适的DSP所应考虑的主要方面有： 性能指标； 指令速度MIPS或运算速度MFLOPS，考虑是否必须多片并行处理。高速实时信号处理要求DSP处理系统必须在限定时间内完成任务，或者在允许的输出输入响应迟延范围内，系统的数据输入输出吞吐率必须达到一定速度。,精度和动态范围。数据字宽、

14、定点浮点； 是否具备本应用所需要的某些特殊功能。如串行通信口、片内语音处理功能、片内AD或DA集成、与特定外部设备接口等等； 价格成本。不单指芯片本身价格，还包括必需的外部配套器件成本； 体积。同样包括了构成最小系统的电路尺寸； 功耗。是否有低功耗（3.3 V2.5 V）型号，能否电池供电； 应用开发时间周期。应具备完善的开发调试工具，DSP本身易学易用； 型号延续性。产品有较好的应用前景，或者未来有兼容替代型号，这要求生产厂家有相当实力，能在芯片生产或开发调试系统上得到其它厂商的支持。,当选择一种DSP满足上述要求后，还应选择更具体的类型，如速度、工作温度范围、封装等等。许多DSP都提供了具

15、备片内ROM型的产品，片内ROM可以将定型的程序代码固化到DSP片内，从而减少了系统的体积、功耗、电磁辐射干扰，速度也有所提高，当大批量生产时可降低成本。但这种ROM几乎都是一次性写入的，而且需要由厂家专门制作，其批量起点高（万片），带来了很大的资金投入和生产风险，因此对普通使用者，这些ROM是无用的。有些 DSP如 TM320C31C40，其片内有少量 ROM固化为加电引导程序，供各种加载模式下自动调用。有些 DSP如 TM320F206，其片内则有FLASH。,DSP处理系统中除了DSP外，另外的不可缺器件就是存储器，一个独立系统必须有EPROM、EEPROM、FLASH、SSD（固态盘）

16、等非易失性存储器来存放程序、初始化数据、表格等，为了采用低成本、小体积的存储器，就要选用那些带有8bit字节方式加载功能的DSP，如 TMS320C31等，而 TM320C30则必须用32 bit的存储加载。当DSP的片内存储器不够使用时，有必要采用可读写的片外存储器，SRAM速度高，与DSP连接简单，能被DSP全速访问（无等待），但成本高、容量小、体积大，DRAM则与SRAM完全相反。为了克服DRAM必须刷新所带来的不利影响，已经有一种带一页SRAM缓存的增强型DRAM（EDRAM），除了DSP访问跨页时需要插入等待周期外，大多数情况下，EDRAM几乎与SRAM的性能一样，但容量大得多，而且

17、DSP无须考虑对EDRAM中DRAM的刷新。,同一型号DSP有多种速度级别、工作温度和封装形式，而且价格与其购买量关系很大。DSP集成度和性能呈加速增长势头，更新换代速度越来越快。采用主流产品和兼容性有保证的型号很重要。DSP的发展趋势：一是采用低压（3.3 V/2.5V/1.8V/1.5V/1.2V），可以大大减少系统功耗，降低散热要求；二是采用越来越密集的封装形式，从DIPPGAPLCCQFP TQFPBGA，管脚间距越来越小，对电路板设计、制作、器件安装的要求越来越高。DSP另一大趋势是软件化，未来DSP需要“单片系统”，即在一个芯片上包括了处理控制单元、存储器、输入输出设备甚至 A/D

18、、 D/A等模拟器件，并且包括处理单元在内的各功能块都具有可重定义特性，这些系统的软硬件设计将更多地侧重于软件编程，这种基于软件的DSP设计方法将降低设计难度，提高设计效率。,电子系统向软件化方向发展的一个实例是软件无线电的应用。目前无线通信领域存在着以下主要矛盾：新的通信体制和“标准”不断提出，通信产品生存周期缩短、开发费用上升；各种通信体制并存，对多种体制间互联要求日趋强列；频带更加拥挤，要求更高的频带利用率和抗干扰能力。软件无线电将尽可能多的把无线及个人通信功能用软件实现，以可编程的通用DSP和可编程逻辑器件（FPGA）取代专用电路，使系统中硬件含量进一步下降，从而提高了设计的灵活性、兼

19、容性和可升级能力，解决了上述矛盾。软件无线电需要有强大处理能力的硬件平台作支持，在此平台上运行不同软件就能支持多种通信体制，同时将传统通信系统中前端处理的专用硬件用可编程器件替代，大大增强了系统的兼容性和可升级能力，而性能迅速提高的DSP技术可以满足这一要求，而且并行浮点DSP适合通信领域日益复杂的数据处理所要求的高精度、大动态范围、大运算量，在未来将取代更多的定点DSP。,2.4 DSP系统的构成,图2.3的输入信号可以是电信号、声音信号、物理信号、化学信号、连续信号、数字信号、强信号、弱信号。在前向通道中，首先通过传感器将各种信号转化为一定幅值的电信号，再将这些信号进行带限滤波，然后通过

20、AD或 VF变换将信号变换成为数字比特流。根据仙农抽样定理，为保持信息的不丢失，抽样频率至少必须是输人带限信号最小频率的2倍。当然，对特殊的信号可能有特殊的要求，如正弦信号一般须在一个周期内采用3个点以上。 DSP芯片系统可能由一个DSP及外围总线组成，也可能由多个DSP组成，这完全取决于DSP处理的要求。DSP芯片,图2.3 DSP系统的构成,系统的主要任务是将前向通道输出的信号按照一定的算法进行处理，然后将处理的结果以数据流的形式输出给后向通道。后向通道主要由DA、FV、平滑滤波器及功率放大等部分组成，如图2.3所示。 另外，大多数系统还有通信（串行、并行）、人机接口等部分。系统还可能通过

21、COMPACT PCI、PCI、ISA、VXI等总线插在计算机上工作，或通过 3xBUS总线等组成紧凑型的控制系统，甚至还可以通过现场总线将整个系统作为整个现场系统中的一个节点。整个系统的协调运行主要依靠正确的逻辑控制电路设计。系统中的这些部分都将在后面详细阐述。必须指出，上面给出的DSP系统是一个相对完备的DSP系统，但并不是所有的DSP系统都必须具有上述系统上的所有部件。如频谱分析中输出的不是连续的波形而是离散的频谱分析等。而在很多场合输入信号本身可能已经是数字信号，因此根本不必有前向通道环节。,2.5 DSP系统的设计,一、总体方案设计 现对图2.4所列各步骤作一简要说明。 在进行DSP

22、系统设计之前，首先要明确设计任务，给出设计任务书。在设计任务书中，应该将系统要达到的功能描述准确、清楚。描述的方式可以是人工语言，也可以是流程图或算法描述。在此之后应该把设计任务书转化为量化的技术指标。结合DSP系统的设计，这些技术指标主要包括：,图2.4 DSP总体设计框图,由信号的频率决定的系统采样频率。 由采样频率完成任务书最复杂的算法所需最大时间及系统对高速实时程度的要求判断系统能否完成工作。 由数据量及程序的长短决定片内RAM的容量，是否需要扩展片外RAM及片外RAM容量。 由系统所要求的精度决定是16位还是32位，是定点还是浮点运算。 根据系统是计算用还是控制用来决定对输入输出端口

23、的要求。在一些特殊的控制场合还有一些专门的芯片可供选用。,如电机控制领域很适合用TMS320C2XX系列，因为它上面集成了2路AD输入，6路PWM输出及强大的人机接口。 由上述的一些技术指标，大致可以确定应该选用的DSP芯片的型号。在确定DSP芯片选型之后，应当先进行系统的总体设计。首先采用高级语言或Matlab等对算法进行仿真，确定最佳算法并初步确定参数，对系统中的哪些功能用软件来实现，哪些功能用硬件实现进行初步的分工，如FFT，FIR等是否需要用专用芯片来实现等。,二、软件设计 1、DSP软件编程的特点 在此对软件开发流程做简单的介绍。 与计算机的汇编语言比起来，由于 TI公司汇编语言的指

24、令系统比计算机汇编语言的指令系统要简单一些，而且由于有许多专门为数字信号处理而设计的指令，因此是比较容易掌握并运用于数字信号处理的编程中的。 与高级语言比起来，使用DSP汇编语言的用户一定要熟悉DSP芯片内部结构和指令系统。尤其是在多DSP并行处理的场合，或在便携电话、磁盘驱动器等编程空间很小的场合，这对偏重高效的DSP软件是非常重要的。,高级语言（如 C语言）的开发工具不断完善，随着 TI公司 C语言编译器、优化器的不断改进，以及一些第三方的不断努力，C语言的编译效率已经得到了很大的提高。在C3X中，其编译效率大约为汇编语言的110，而到了C6X系列，其编译效率提高了3倍。 在实时要求高的场

25、合或实时要求高的算法中，用汇编语言开发；实时要求低的场合用C语言编程。将两者结合起来，既能保持算法的实时性，又能做到程序结构的清晰明了。,2、软件编程的步骤 用汇编语言、C语言或汇编语言和C语言的混编来编写程序，然后把它们分别转化成TMS320的汇编语言并送到汇编语言编译器进行编译，生成目标文件。 将目标文件送入链接器进行连接，得到可执行文件。 将可执行文件调入到调试器（包括软件仿真、软件开发系统、评测模块、系统仿真器一般在系统调试中，系统仿真器是最常用的）进行调试，检查运行结果是否正确。如果正确进入第四步；如果不正确，则返回第一步。进行代码转换，将代码写人 E/EPROM，并脱离仿真器运行程

26、序，检查结果是否正确。如果不正确，返回第三步；如果正确，进入下一步。 软件测试。如果测试结果合格，软件调试完毕；如果不合格，返回第一步。 上述步骤如图2.5 所示:,图2.5 软件设计系统框图,三、硬件设计 1、设计硬件实现方案 所谓硬件实现方案是指根据性能指标、工期、成本等，确定最优硬件实现方案（考虑到实际的工作情况，最理想的方案不一定是最优的方案），并画出其硬件系统框图（图2.6）。这时对于具体器件的要求应该已经比较明确。 2、进行器件的选型 一般系统中常用 AD、DA、内存、电源、逻辑控制、通信、人机接口、总线等基本部件。下面将大致介绍它们的确定原则，至于具体的介绍详见后续各章。,图2.

27、6 硬件系统设计框图,AD：根据采样频率、精度来确定AD型号，是否要求片上自带采保、多路器、基准电源等。 DA：信号频率、精度是否要求自带基准电源、多路器、输出运放等。 内存：包括SRAM，EPROM（或 EEPROM或 FLASH MEMORY），在 TMS320C6X等一些产品中还有SDRAM，SBSRAM。所有这些的选型主要考虑工作频率、内存容量位长（8位16位32位）、接口方式（串行还是并行）、工作电压是5 V还是3.3 V或2.5V。 逻辑控制：首先是确定用PLD，EPLD，还是用FPGA。其次根据自己的特长和公司芯片的特点决定采用哪家公司的哪一系列的产品。最后还须根据DSP的频率决定芯片的工作频率以确定使用的芯片。,数据交换：根据数据交换的速率决定采用交换方式。 Network Interface Units: Serial Communication Interface (SCI) - UART：RS232、RS422 Serial Peripheral Interface ( SPI) Inter Integrated Circuit ( I2C) Bus