DSP原理及應(yīng)用

1、lDigital Signals Processing 包括對信號(hào)的采集、變換、濾波、估值、增強(qiáng)、壓縮、識(shí)別等，是20世紀(jì)60年代前后發(fā)展起來的并廣泛應(yīng)用的新興學(xué)科。lDigital Signals Processor 是微型計(jì)算機(jī)發(fā)展的一個(gè)重要分支，也是數(shù)字信號(hào)處理理論實(shí)用化過程的重要技術(shù)工具。數(shù)字信號(hào)處理的實(shí)現(xiàn)1.在通用的微機(jī)上用軟件實(shí)現(xiàn)。2.用單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)。3.利用專門用于信號(hào)處理的可編程DSP來實(shí)現(xiàn)。4.利用特殊用途的DSP芯片來實(shí)現(xiàn)。5.用FPGA開發(fā)ASIC芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理算法。6.在通用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中使用加速卡來實(shí)現(xiàn)。l案例:濾波。濾波就是對信號(hào)進(jìn)行處理，以改善其特性。可以有

2、兩種方式：微處理器，模擬器件。比較優(yōu)越性：l模擬濾波器（或者更一般地說，模擬電路）的性能要取決于溫度等環(huán)境因素。而數(shù)字濾波器則基本上不受環(huán)境的響。 l數(shù)字濾波易于在非常小的寬容度內(nèi)進(jìn)行復(fù)制，因?yàn)槠湫阅懿⒉蝗Q于性能已偏離正常值的器件的組合。 l一個(gè)模擬濾波器一旦制造出來，其特性（例如通帶頻率范圍）是不容易改變的。使用微處理器來實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波器，就可以通過對其重新編程來改變?yōu)V波的特性。 比較因素比較因素 模擬方式模擬方式 數(shù)字方式數(shù)字方式修改設(shè)計(jì)的靈活性 修改硬件設(shè)計(jì)，或調(diào)整硬件參數(shù)改變軟件精度元器件精度設(shè)置A/D的位數(shù)和計(jì)算機(jī)字長算法可靠性和可重復(fù)性受環(huán)境溫度、濕度、噪聲、電磁場等的干擾和影響大

3、不受這些因素的影響大規(guī)模集成盡管已有一些模擬集成電路，但品種較少、集成度不高、價(jià)格較高DSP器件體積小、功能強(qiáng)、功耗小、一致性好、使用方便、性能/價(jià)格比高實(shí)時(shí)性除開電路引入的延時(shí)外，處理是實(shí)時(shí)的由計(jì)算機(jī)的處理速度決定高頻信號(hào)的處理可以處理包括微波毫米波乃至光波信號(hào)按照奈準(zhǔn)則的要求， 受S/H、A/D和處理速度的限制一、DSP的發(fā)展歷史大致分為四個(gè)時(shí)期： 萌芽、成長、成熟、突破。1、萌芽期： 1982年以前 為解決馮.諾依曼結(jié)構(gòu)在進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理時(shí)，總線與存儲(chǔ)器之間的瓶頸效應(yīng)，許多公司投入了大量的人力、物力進(jìn)行探索：78年：AMI的S2811；79年Intel2920；AT&T的DSP1

4、80年：AMI的S28211，NEC uPD7720運(yùn)算速度慢，開發(fā)工具嚴(yán)重不足，無法進(jìn)行大規(guī)模開發(fā)工作。2、成長期：1982-1987年 1982年，TI公司TMS32010出現(xiàn)，采用了哈佛結(jié)構(gòu)，有一個(gè)乘法器和一個(gè)加法器，一次乘加操作需要390ns。 85年，TI公司的TMS32020，200ns； 87年，Motorola DSP56001， 75ns； 還有其他公司的產(chǎn)品： AT&T：DSP16A； AD：ADSP2100； TI：TMS320C50；3、成熟期：87-97年 TI：TMS320C54系列（簡寫C54X或C5400） AD：ADSP2100系列 Lucent：DS

5、P1600 Motorola：DSP56000特點(diǎn)：都支持3.3V供電; 片上存儲(chǔ)器較大; 都 有JTAG模塊支持用戶在線調(diào)試。發(fā)展非常迅速，從定點(diǎn)浮點(diǎn) 低端高端 通用專用朝高速、低功耗方向發(fā)展。l目前世界上生產(chǎn)DSP芯片的公司主要有TI（德州儀器）公司，AD（美國模擬器件）公司，Technologics（朗訊技術(shù)）公司和Motorola（摩托羅拉）公司四大公司，而TI公司則是世界上最大的DSP芯片供應(yīng)商。TMS320系列產(chǎn)品就是該公司的DSP產(chǎn)品。衡量DSP性能優(yōu)劣的方法有兩種：1、單位時(shí)間內(nèi)能夠完成的指令數(shù)（MIPS）；2、采用一些典型操作處理能力來比較性能， 如：單位時(shí)間內(nèi)完成的乘加次數(shù)

6、或完成 基2FFT需要的指令周期數(shù)。l在近20年里，DSP芯片在信號(hào)處理，通信，雷達(dá)等許多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。目前，DSP芯片的價(jià)格越來越低，性能價(jià)格比日益提高，具有巨大的應(yīng)用潛力。它的應(yīng)用主要有：l1.信號(hào)處理-如數(shù)字濾波，快速傅立葉變換，相關(guān)運(yùn)算，譜分析，卷積，模式匹配，加窗，波形產(chǎn)生等；l2.通信-如調(diào)制解調(diào)器，自適應(yīng)均衡，數(shù)據(jù)加密，數(shù)據(jù)壓縮，回波抵消，多路復(fù)用，傳真，擴(kuò)頻通信，糾錯(cuò)編碼，可視電話等；l3.語音-如語音編碼，語音合成，語音識(shí)別，語音增強(qiáng)，說話人辨認(rèn)，說話人確認(rèn)，語音郵件，語音存儲(chǔ)等；l4.圖形/圖像-如二維和三維圖形處理，圖像壓縮與傳輸，圖像增強(qiáng)，動(dòng)畫，機(jī)器人視覺等；l5

7、.軍事-如保密通信，雷達(dá)處理，聲納處理，導(dǎo)航，導(dǎo)彈制導(dǎo)等；l6.儀器儀表-如頻譜分析，函數(shù)發(fā)生，鎖相環(huán)，地震處理等；l7.自動(dòng)控制-如引擎控制，聲控，自動(dòng)駕駛，機(jī)器人控制，磁盤控制等；l8.醫(yī)療-如助聽，超聲設(shè)備，診斷工具，病人監(jiān)護(hù)等；l9.家用電器-如高保真音響，音樂合成，音調(diào)控制，玩具與游戲，數(shù)字電話/電視等。 為了能高速完成數(shù)字信號(hào)處理算法，DSP硬件系統(tǒng)有著不同于通用計(jì)算機(jī)的自身特定的結(jié)構(gòu)。主要為四個(gè)方面： 總線結(jié)構(gòu)、存儲(chǔ)器配置、 CPU結(jié)構(gòu)、片上外設(shè)。 數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算中，常見的相關(guān)運(yùn)算、卷積運(yùn)算、信號(hào)濾波和各種變換算法，大多可以歸結(jié)為乘加運(yùn)算的形式，所以DSP內(nèi)部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都以優(yōu)化

8、這類運(yùn)算為主要目的，而DSP的總線結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)快速乘加運(yùn)算的基石。一、總線結(jié)構(gòu) 在哈佛結(jié)構(gòu)中，數(shù)據(jù)空間和程序空間相對獨(dú)立，兩者之間只能通過CPU進(jìn)行通信，但是有些時(shí)候，需要數(shù)據(jù)空間和程序空間有相互訪問的能力，比如，在DSP的一些循環(huán)指令運(yùn)行時(shí)，程序總線處于空閑狀態(tài)，為了提高DSP的訪問能力，希望能用程序總線來訪問數(shù)據(jù)空間，提出一種改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)。DSP內(nèi)部大都有自己的存儲(chǔ)器 從功能上分為：程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器； 從訪問形式分：只讀存儲(chǔ)器ROM和隨機(jī)存 取存儲(chǔ)器RAM。ROM：主要包括系數(shù)表格、自舉程序和生產(chǎn)廠商 的測試代碼等。還有留待用戶自定義。RAM：用來存放運(yùn)行時(shí)的程序和數(shù)據(jù)，一般為： S

9、ARAM和DARAM兩類。包括：算術(shù)邏輯單元（ALU） 累加器 桶型移位器 乘法器 加法器 比較選擇存儲(chǔ)單元（CSSU） 數(shù)據(jù)地址產(chǎn)生單元 程序地址產(chǎn)生單元等。 指令分成幾個(gè)不同的階段，CPU在不同時(shí)刻完成同一指令的不同階段。 一般是將一條指令的不同階段分配在連續(xù)的幾個(gè)指令周期內(nèi)完成，而在一個(gè)指令周期內(nèi)，CPU執(zhí)行不同指令的不同階段，從而使每條指令真正獨(dú)立運(yùn)行的時(shí)間減少到最低。 通常，片上外設(shè)包括主機(jī)接口（HPI）,同步串行口,直接存儲(chǔ)器訪問（DMA）,外部存儲(chǔ)器接口，中斷邏輯，硬件定時(shí)器，時(shí)鐘發(fā)生器，鎖相環(huán)等。一、算法模擬二、器件選型三、框圖四、軟硬件設(shè)計(jì)五、軟硬件調(diào)試)()(10inxhnyNiiDSP常用算法1） 通用數(shù)字信號(hào)處理算法 FIR濾波器、IIR濾波器、DFT變換、FFT變換。2） 機(jī)電控制算法 電機(jī)伺服、PID算法3） 通信類算法 DTMF收發(fā)、調(diào)制解調(diào)算法、通信信道編解碼4） 信號(hào)處理算法 語音信號(hào)編解碼算法： G.723、G.729、MP3 靜止圖象編解碼算法：JPEG、JPEG2000、小波變換 視頻編解碼算法：MPEG1、MPEG2、MPEG4、 H.263壓縮算法 多媒體：H.100、H.324 DSP總體設(shè)計(jì)框圖 根據(jù)需求寫出任務(wù)說明書 根據(jù)任務(wù)書確定技術(shù)指標(biāo) DSP芯片及外圍芯片 總體設(shè)計(jì)確定軟