DSP的FFT實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)報(bào)告

1、-PAGE . z. . . . 資料 . .科技大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院?課程設(shè)計(jì)報(bào)告?題 目：基于DSP芯片的函數(shù)信號(hào)的FFT專 業(yè)： 通信工程班 級(jí)： 01班姓 名：學(xué) 號(hào)：指導(dǎo)教師：2015年 12 月 24 日信息與電氣工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)20 20 學(xué)年第學(xué)期專業(yè)：通信工程 *： ：課程設(shè)計(jì)名稱： DSP原理及應(yīng)用 設(shè)計(jì)題目：基于DSP芯片的函數(shù)信號(hào)的FFT 完成期限：自2021 年12月21日至2021 年12月24日共1周設(shè)計(jì)依據(jù)、要求及主要容可另加附頁(yè)：?DSP原理及應(yīng)用課程設(shè)計(jì)?是配合DSP原理及應(yīng)用理論教學(xué)，為通信工程和電子信息工程專業(yè)開(kāi)設(shè)的專業(yè)技術(shù)技能設(shè)計(jì)，課程設(shè)計(jì)對(duì)通

2、信工程和電子信息工程專業(yè)的學(xué)生是一個(gè)非常重要的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。 通過(guò)課程設(shè)計(jì)，使學(xué)生綜合運(yùn)用DSP技術(shù)課程和其他有關(guān)先修課程的理論和生產(chǎn)實(shí)際知識(shí)去分析和解決具體問(wèn)題的能力得到提高，并使其所學(xué)知識(shí)得到進(jìn)一步穩(wěn)固、深化和開(kāi)展。通過(guò)課程設(shè)計(jì)初步培養(yǎng)學(xué)生對(duì)工程設(shè)計(jì)的獨(dú)立工作能力，學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)的一般方法。通過(guò)課程設(shè)計(jì)樹(shù)立正確的設(shè)計(jì)思想，提高學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。通過(guò)課程設(shè)計(jì)訓(xùn)練學(xué)生的設(shè)計(jì)根本技能，如計(jì)算、繪圖、查閱設(shè)計(jì)資料和手冊(cè)，熟悉標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)等。要求：1按時(shí)參加課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)，定期匯報(bào)課程設(shè)計(jì)進(jìn)展情況。2廣泛收集相關(guān)技術(shù)資料。3獨(dú)立思考，刻苦鉆研，嚴(yán)禁抄襲。4按時(shí)完成課程設(shè)計(jì)任務(wù)，認(rèn)真、正確地書(shū)寫(xiě)課程設(shè)

3、計(jì)報(bào)告。5培養(yǎng)實(shí)事、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鲬B(tài)度和認(rèn)真的工作作風(fēng)。主要容：1熟悉DSP處理器及其構(gòu)造性能，掌握DSP芯片配套開(kāi)發(fā)工具的使用方法。2按要求設(shè)計(jì)出硬件電路。3畫(huà)出硬件連接原理圖，并對(duì)硬件工作原理進(jìn)展說(shuō)明。4給出軟件流程圖及編寫(xiě)程序，每一條指令的后面附上相應(yīng)的注釋。5進(jìn)展軟、硬件調(diào)試，檢查是否到達(dá)相關(guān)的功能。6寫(xiě)出調(diào)試方法。7設(shè)計(jì)報(bào)告結(jié)尾附上心得體會(huì)。指導(dǎo)教師簽字：批準(zhǔn)日期： 年 月 日目 錄摘要4一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備4三、實(shí)驗(yàn)容4四、實(shí)驗(yàn)原理4五、FFT算法的DSP實(shí)現(xiàn)過(guò)程5六、設(shè)計(jì)步驟7七、編譯程序9八、實(shí)驗(yàn)過(guò)程10九、實(shí)驗(yàn)結(jié)果13十、問(wèn)題與思考13十一、心得體會(huì)14十二、參考文獻(xiàn)14摘

4、要隨著計(jì)算機(jī)和微電子技術(shù)的飛速開(kāi)展，基于數(shù)字信號(hào)處理的頻譜分析已經(jīng)應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域并且發(fā)揮著重要作用。信號(hào)處理方法是當(dāng)前機(jī)械設(shè)備故障診斷中重要的技術(shù)根底之一，分析結(jié)果的準(zhǔn)確程度是診斷成功與否的關(guān)鍵因素。研究頻譜分析是當(dāng)前主要的開(kāi)展方向之一。數(shù)字信號(hào)處理根本上從兩個(gè)方面來(lái)解決信號(hào)的處理問(wèn)題：一個(gè)是時(shí)域方法，即數(shù)字濾波；另一個(gè)是頻域方法，即頻譜分析.本文主要介紹了離散傅里葉變換以及快速傅里葉變換，通過(guò)對(duì)DFT以及FFT算法進(jìn)展研究，從根底深入研究和學(xué)習(xí)，掌握FFT算法的關(guān)鍵。通過(guò)對(duì)DSP芯片工作原理以及開(kāi)發(fā)環(huán)境的學(xué)習(xí)，掌握CCS的簡(jiǎn)單調(diào)試和軟件仿真，在DSP芯片上實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的實(shí)時(shí)頻譜分析。關(guān)鍵字：D

5、SP FFT算法 頻譜分析一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康募由顚?duì)DFT算法原理和根本性質(zhì)的理解；熟悉FFT的算法原理和FFT子程序的算法流程和應(yīng)用；學(xué)習(xí)DSP中FFT的設(shè)計(jì)和編程思想；學(xué)習(xí)使用CCS的波形觀察器觀察波形和頻譜情況；熟悉FFT在實(shí)際中應(yīng)用的效果；熟悉正弦、三角、方波信號(hào)的FFT變換；二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備.一臺(tái)裝有CCS軟件的計(jì)算機(jī)；.DSP實(shí)驗(yàn)箱；.DSP硬件仿真器；.網(wǎng)絡(luò)穿插線。三、實(shí)驗(yàn)容用DSP匯編語(yǔ)言及C語(yǔ)言進(jìn)展編程，實(shí)現(xiàn)FFT運(yùn)算、對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)展頻譜分析。四、實(shí)驗(yàn)原理信號(hào)發(fā)生器模塊可以產(chǎn)生20 Hz 20 kHz 的 函數(shù)信號(hào)。信號(hào)波形有正弦波、三角波、方波；信號(hào)輸出幅度 Vpp 在 0 3.3V

6、圍可調(diào)；輸出阻抗約600左右。信號(hào)發(fā)生器模塊的主要函數(shù)信號(hào)發(fā)生電路及緩沖放大電路如下列圖所示。首先簡(jiǎn)單介紹函數(shù)信號(hào)發(fā)生電路的構(gòu)成，該電路的核心器件是ICL8038，它是單片多波形振蕩集成電路，可以用很少的外圍元件產(chǎn)生高精度正弦波、三角波和方波。其電路功能框圖如下：其工作波形如下列圖，五、FFT算法的DSP實(shí)現(xiàn)過(guò)程：DSP芯片的出現(xiàn)使FFT的實(shí)現(xiàn)方法變得更為方便。由于大多數(shù)DSP芯片都具有在單指令周期完成乘法累加操作，并且提供了專門(mén)的FFT指令，使得FFT算法在DSP芯片實(shí)現(xiàn)的速度更快。FFT算法可以分為按時(shí)間抽取FFT和按頻率抽取FFT兩大類，輸入也有實(shí)數(shù)和復(fù)數(shù)之分，一般情況下，都假定輸入序列

7、為復(fù)數(shù)。一FFT運(yùn)算序列的存儲(chǔ)分配FFT運(yùn)算時(shí)間是衡量DSP芯片性能的一個(gè)重要指標(biāo)，因此提高FFT的運(yùn)算速度是非常重要的。在用DSP芯片實(shí)現(xiàn)FFT算法時(shí)，應(yīng)允許利用DSP芯片所提供的各種軟、硬件資源。如何利用DSP芯片的有限資源，合理地安排好所使用的存儲(chǔ)空間是十分重要的。(二)FFT運(yùn)算的實(shí)現(xiàn)用匯編程序?qū)崿F(xiàn)FFT算法主要分為四步：1.實(shí)現(xiàn)輸入數(shù)據(jù)的比特反轉(zhuǎn)輸入數(shù)據(jù)的比特反轉(zhuǎn)實(shí)際上就是將輸入數(shù)據(jù)進(jìn)展碼位倒置，以便在整個(gè)運(yùn)算后的輸出序列是一個(gè)自然序列。在用匯編指令進(jìn)展碼位倒置時(shí)，使用碼位倒置可以大大提高程序執(zhí)行速度和使用存儲(chǔ)器的效率。在這種尋址方式下，AR0存放的整數(shù)N是FFT點(diǎn)的一半，一個(gè)輔助存

8、放器指向一個(gè)數(shù)據(jù)存放的單元。當(dāng)使用位碼倒置尋址將AR0加到輔助存放器時(shí)，地址將以位碼倒置的方式產(chǎn)生。2.實(shí)現(xiàn)N點(diǎn)復(fù)數(shù)FFTN點(diǎn)復(fù)數(shù)FFT算法的實(shí)現(xiàn)可分為三個(gè)功能塊，即第一級(jí)蝶形運(yùn)算、第二級(jí)蝶形運(yùn)算、第三級(jí)至級(jí)蝶形運(yùn)算。對(duì)于任何一個(gè)2的整數(shù)冪，總可以通過(guò)M次分解最后成為2點(diǎn)的DFT計(jì)算。通過(guò)這樣的M次分解，可構(gòu)成M即級(jí)迭代計(jì)算，每級(jí)由N/2個(gè)蝶形運(yùn)算組成。3.功率譜的計(jì)算用FFT計(jì)算想*(n)的頻譜，即計(jì)算*k=*(k)一般是由實(shí)部(k)和虛部(k)組成的復(fù)數(shù)，即*k=(k)+j(k)因此，計(jì)算功率譜時(shí)只需將FFT變換好的數(shù)據(jù)，按照實(shí)部實(shí)部(k)和虛部(k)求它們的平方和，然后對(duì)平方和進(jìn)展開(kāi)平方

9、運(yùn)算。但是考慮到編程的難度，對(duì)于求FFT變換后數(shù)據(jù)的最大值，不開(kāi)平方也可以找到最大值，并對(duì)功率譜的結(jié)果沒(méi)有影響，所以在實(shí)際的DSP編程中省去了開(kāi)方運(yùn)算。4.輸出FFT結(jié)果(三)匯編語(yǔ)言程序程序主體由rfft-task、bit-rev、fft和power四個(gè)子程序組成。rfft-task：主調(diào)用子程序，用來(lái)調(diào)用其他子程序，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的接口。bit-rev：位碼倒置子程序，用來(lái)實(shí)現(xiàn)輸入數(shù)據(jù)的比特反轉(zhuǎn)。fft：FFT算法子程序，用來(lái)完成N點(diǎn)FFT運(yùn)算。在運(yùn)算過(guò)程中，為防止運(yùn)算結(jié)果的溢出，對(duì)每個(gè)蝶形的運(yùn)算結(jié)果右移一位。fft子程序分為三個(gè)功能塊：第一級(jí)蝶形運(yùn)算、第二級(jí)蝶形運(yùn)算、第三級(jí)至至級(jí)蝶形運(yùn)算。(四

10、正弦系數(shù)表和余弦系數(shù)表：正弦系數(shù)表和余弦系數(shù)表可以由數(shù)據(jù)文件coeff.inc給出，主程序通過(guò).copy匯編命令將正弦和余弦系數(shù)表與程序代碼匯編在一起。在本例中，數(shù)據(jù)文件coeff.inc給出1024復(fù)數(shù)點(diǎn)FFT的正弦、余弦系數(shù)各512個(gè)。利用此系數(shù)表可完成81024點(diǎn)FFT的運(yùn)算。五FFT算法的模擬信號(hào)輸入：FFT算法的模擬信號(hào)輸入可以采用C語(yǔ)言編程來(lái)生成一個(gè)文本文件sindata，然后在rfft-task匯編程序中，通過(guò).copy匯編命令將生成的數(shù)據(jù)文件復(fù)制到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，作為FFT算法的輸入數(shù)據(jù)參與FFT運(yùn)算。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是程序的可讀性強(qiáng)，缺點(diǎn)是當(dāng)輸入數(shù)據(jù)修改后，必須重新編譯、匯編和。

11、六、設(shè)計(jì)步驟：1.啟動(dòng)CCS，在CCS中建立一個(gè)C源文件和一個(gè)命令文件，并將這兩個(gè)文件添加到工程，再編譯并裝載程序：閱讀Dsp原理及應(yīng)用中fft 用dsp實(shí)現(xiàn)的有關(guān)程序。2.雙擊，啟動(dòng)CCS的仿真平臺(tái)的配著選項(xiàng)。選擇C5502 Simulator。3.啟動(dòng)ccs2后建立工程文件FFT.pjt4.建立源文件FFT.c與文件FFT d5.將這兩個(gè)文件加到FFT.pjt這個(gè)工程中。創(chuàng)立out文件加載out文件七、編譯程序int INPUTSAMPLENUMBER,DATASAMPLENUMBER;float fWaveRSAMPLENUMBER,fWaveISAMPLENUMBER,wSAMPLEN

12、UMBER;float sin_tabSAMPLENUMBER,cos_tabSAMPLENUMBER;void InitForFFT()int i;for ( i=0;iSAMPLENUMBER;i+ )sin_tabi=sin(PI*2*i/SAMPLENUMBER);cos_tabi=cos(PI*2*i/SAMPLENUMBER);void MakeWave()int i;for ( i=0;iSAMPLENUMBER;i+ )INPUTi=sin(PI*2*i/SAMPLENUMBER*3)*1024;main()int i;InitForFFT();MakeWave();for (

13、 i=0;iSAMPLENUMBER;i+ )fWaveRi=INPUTi;fWaveIi=0.0f;wi=0.0f;FFT(fWaveR,fWaveI);for ( i=0;iSAMPLENUMBER;i+ )DATAi=wi;while ( 1 );/ break pointvoid FFT(float dataRSAMPLENUMBER,float dataISAMPLENUMBER)int *0,*1,*2,*3,*4,*5,*6,*;int i,j,k,b,p,L;float TR,TI,temp;/* following code invert sequence */for ( i

14、=0;iSAMPLENUMBER;i+ )*0=*1=*2=*3=*4=*5=*6=0;*0=i&0*01; *1=(i/2)&0*01; *2=(i/4)&0*01; *3=(i/8)&0*01;*4=(i/16)&0*01; *5=(i/32)&0*01; *6=(i/64)&0*01;*=*0*64+*1*32+*2*16+*3*8+*4*4+*5*2+*6;dataI*=dataRi;for ( i=0;iSAMPLENUMBER;i+ )dataRi=dataIi; dataIi=0; for ( L=1;L0 ) b=b*2; i-; /* b= 2(L-1) */for ( j=

15、0;j0 ) /* p=pow(2,7-L)*j; */p=p*2; i-;p=p*j;for ( k=j;k128;k=k+2*b ) /* for (3) */TR=dataRk; TI=dataIk; temp=dataRk+b;dataRk=dataRk+dataRk+b*cos_tabp+dataIk+b*sin_tabp;dataIk=dataIk-dataRk+b*sin_tabp+dataIk+b*cos_tabp;dataRk+b=TR-dataRk+b*cos_tabp-dataIk+b*sin_tabp;dataIk+b=TI+temp*sin_tabp-dataIk+b

16、*cos_tabp; /* END for (3) */ /* END for (2) */ /* END for (1) */for ( i=0;iGraph-Time/Frequency進(jìn)展如下列圖所示設(shè)置。6設(shè)置斷點(diǎn)：在程序FFT.c 中有注釋“break point的語(yǔ)句上設(shè)置軟件斷點(diǎn)。7運(yùn)行并觀察結(jié)果。選擇“Debug菜單的“Animate項(xiàng)，或按Alt+F5 鍵運(yùn)行程序。觀察“Test Wave窗口中時(shí)域圖形；在“Test Wave窗口中點(diǎn)擊右鍵，選擇屬性，更改圖形顯示為FFT。觀察頻域圖形。觀察“FFT窗口中的由CCS 計(jì)算出的正弦波的FFT。(5) 改變輸入信號(hào)三角或者方波，觀察上下端波形的變化和相互關(guān)系以及改變tms320.h中N*的數(shù)值64、128、256、512、1024即FFT的點(diǎn)數(shù)，重復(fù)以上實(shí)驗(yàn)，觀察變化。INPUTi=(sin(PI*2*i/SAMPLENUMBER*3)+sin(PI*2*i/SAMPLENUMBER*4+sin(PI*2*i/SAMPLENUMBER*8)*1024;(5)改變輸入函數(shù)INPUTi=(sin(PI*2*i/SAMPLENUMBER*3)+sin(PI*2*i/SAMPLENUMBER*10)+sin(PI*2*i/SAMPLENUMBER*20)*1024;九、實(shí)驗(yàn)結(jié)果通過(guò)觀察頻域和時(shí)域圖，程序計(jì)算出了測(cè)