大學(xué)DSP教案概述

DSP原理及應(yīng)用教材：《DSP芯片的原理與開發(fā)應(yīng)用》(第3版)張雄偉等編著電子工業(yè)出版社1.1引言1965年，F(xiàn)FT的提出就標(biāo)志著數(shù)字信號(hào)處理時(shí)代的到來(lái)。1982年，TI公司推出通用可編程DSP芯片，從此，DSP技術(shù)得到突飛猛進(jìn)的開展，至今，它成為電子技術(shù)工程師必須了解或掌握的新技術(shù)。數(shù)字化電子產(chǎn)品，使得DSP的應(yīng)用普及整個(gè)電子領(lǐng)域的各個(gè)方面第一章概述§1-1引言DSP〔DigitalSignalProcessing,簡(jiǎn)稱DSP〕數(shù)字信號(hào)處理是一門涉及許多學(xué)科而又廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域的新興學(xué)科。數(shù)字信號(hào)處理是利用計(jì)算機(jī)或?qū)Ｓ锰幚碓O(shè)備，以數(shù)字形式對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集、變換、濾波、估值、增強(qiáng)、壓縮、識(shí)別等處理，以得到符合人們需要的信號(hào)形式。

數(shù)字信號(hào)處理的內(nèi)容數(shù)字信號(hào)處理是以眾多學(xué)科為理論根底的，它所涉及的范圍極其廣泛。例如，在數(shù)學(xué)領(lǐng)域，微積分、概率統(tǒng)計(jì)、隨機(jī)過程、數(shù)值分析等都是數(shù)字信號(hào)處理的根本工具，與網(wǎng)絡(luò)理論、信號(hào)與系統(tǒng)、控制論、通信理論、故障診斷等也密切相關(guān)。近來(lái)新興的一些學(xué)科，如人工智能、模式識(shí)別、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，都與數(shù)字信號(hào)處理密不可分。

數(shù)字信號(hào)處理的內(nèi)容數(shù)字信號(hào)處理的理論局部由另外的課程講解，我們這門課程著重介紹實(shí)際應(yīng)用，但要對(duì)理論方面有所了解。數(shù)字信號(hào)處理理論經(jīng)過30年的開展，已經(jīng)形成比較完善的理論體系，主要內(nèi)容包括： 1、信號(hào)的采集〔A/D技術(shù)，抽樣定理、量化噪聲分析等〕2、離散信號(hào)分析〔時(shí)域及頻域分析、變換技術(shù)、信號(hào)特征的描述〕

數(shù)字信號(hào)處理的內(nèi)容3、離散系統(tǒng)分析〔系統(tǒng)的描述、單位抽樣響應(yīng)、轉(zhuǎn)移函數(shù)及頻率特性等〕4、信號(hào)處理中的快速算法〔快速傅立葉變換、快速卷積與相關(guān)等〕5、信號(hào)的估值〔功率普估計(jì)等〕6、濾波技術(shù)〔數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)〕7、信號(hào)模型的建立8、信號(hào)處理中的特殊算法〔抽取、插值、奇異值分解、反卷積等〕1.1.2數(shù)字信號(hào)處理的實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理的實(shí)現(xiàn)方法一般有以下幾種：(1)在通用的計(jì)算機(jī)上用軟件實(shí)現(xiàn)；(2)在通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中加上專用的加速處理機(jī)實(shí)現(xiàn)；(3)用通用的單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，這種方法可用于一些不太復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)處理，如數(shù)字控制等；(4)用通用的可編程DSP芯片實(shí)現(xiàn)。(5)用專用的DSP芯片實(shí)現(xiàn)。1.1.3DSP的應(yīng)用DSP的應(yīng)用領(lǐng)域概括為11個(gè)大方面：通用數(shù)字處理：包括數(shù)字濾波、自適應(yīng)濾波、卷積、相關(guān)、FFT、希爾伯特變換、譜分析、模式匹配、波形發(fā)生等。通信：包括MODEM、自適應(yīng)均衡、移動(dòng)，數(shù)字基站、信道復(fù)用、擴(kuò)頻通訊等。家用計(jì)算機(jī)：高速大容量硬盤，計(jì)算機(jī)加速卡，圖形加速卡，多媒體處理語(yǔ)音：語(yǔ)音編碼，語(yǔ)音識(shí)別與合成，人聲識(shí)別，語(yǔ)音信箱1.1.3DSP的應(yīng)用圖像、視頻：圖像壓縮，機(jī)器人視覺軍事：雷達(dá)探測(cè)、成像，偵察，定位，跟蹤醫(yī)學(xué)：CT，遠(yuǎn)程醫(yī)療，助聽助視設(shè)備自動(dòng)化儀表和測(cè)試設(shè)備：機(jī)器人生產(chǎn)線，數(shù)字示波器，邏輯分析儀航空、航天：虛擬訓(xùn)練設(shè)備，自動(dòng)駕駛，GPS，個(gè)人數(shù)字助理：PAD消費(fèi)電子：數(shù)字電視，數(shù)字相機(jī)，錄音筆，DVD/VCD

本課程的內(nèi)容DSP系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)和軟件局部開發(fā)。硬件方面：介紹目前常用的TMS320C3X和2X/5X系列的結(jié)構(gòu)，特點(diǎn)、性能，DSP應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)。軟件開發(fā)：開發(fā)環(huán)境，編程根底，DSP匯編語(yǔ)言，用高級(jí)語(yǔ)言〔C〕開發(fā)DSP程序，應(yīng)用實(shí)例等。

DSP系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

接口方便：數(shù)字信號(hào)的電氣特性簡(jiǎn)單，不同的DSP系統(tǒng)連接時(shí)，只要遵循相同的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)即可實(shí)現(xiàn)連接通訊。精度高、穩(wěn)定性好：數(shù)字信號(hào)處理只受量化誤差和量化精度的影響，在處理過程中不在引入其它噪聲，因此具有較高的信噪比。靈活性好：在DSP應(yīng)用中，系統(tǒng)完成何種功能，依賴于軟件編程實(shí)現(xiàn)。改變系統(tǒng)軟件，就可以完成不同的功能。集成方便：DSP芯片將核心處理局部與通用接口等外圍電路集成在單一芯片上，便于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高集成度；由一塊DSP芯片加少量外圍電路即可以構(gòu)成一個(gè)數(shù)字產(chǎn)品。

DSP芯片的主要特點(diǎn)哈佛結(jié)構(gòu)及改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)〔havardstructure〕：計(jì)算機(jī)的總線結(jié)構(gòu)分為兩種：馮.諾依曼結(jié)構(gòu)和哈佛結(jié)構(gòu)。馮.諾依曼結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是程序和數(shù)據(jù)共用一個(gè)存儲(chǔ)空間。由于對(duì)程序和數(shù)據(jù)進(jìn)行分時(shí)讀寫，執(zhí)行速度受到影響。但這一結(jié)構(gòu)使計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)得到簡(jiǎn)化，它成為計(jì)算機(jī)開展的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。由于它原理上的特點(diǎn)，這一結(jié)構(gòu)不適合進(jìn)行具有高度實(shí)時(shí)要求的數(shù)字信號(hào)處理。哈佛結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是程序和數(shù)據(jù)具有獨(dú)立的存儲(chǔ)空間，有著各自獨(dú)立的程序總線和數(shù)據(jù)總線，可以同時(shí)對(duì)程序和數(shù)據(jù)尋址，大大提高了數(shù)據(jù)處理能力，適合于實(shí)時(shí)的數(shù)字信號(hào)處理。

DSP芯片的主要特點(diǎn)目前常用DSP芯片的根本結(jié)構(gòu)是哈佛結(jié)構(gòu)的改進(jìn)類型。改進(jìn)了數(shù)據(jù)總線和程序總線之間的局部的交叉連接。這一改進(jìn)允許數(shù)據(jù)放在程序存儲(chǔ)器中，并被算術(shù)運(yùn)算指令直接使用，增強(qiáng)了芯片的靈活性，提高了處理器的運(yùn)行能力；另一個(gè)特點(diǎn)是，指令可以存儲(chǔ)在高速緩存器〔Cache〕中，節(jié)省了從程序存儲(chǔ)器讀取指令的時(shí)間，進(jìn)一步提高了運(yùn)行速度。

DSP芯片的主要特點(diǎn)指令系統(tǒng)的流水線操作〔pipeline〕：流水線操作是將每條指令的取指、譯碼、取數(shù)、執(zhí)行等假設(shè)干步驟由芯片內(nèi)多個(gè)單元分別完成，相當(dāng)于多條指令同時(shí)執(zhí)行，提高程序運(yùn)行速度。以下圖為四級(jí)流水線操作的例子：

DSP芯片的主要特點(diǎn)指令周期 取指 譯碼 讀數(shù) 執(zhí)行M－3 Ｗ － － －M－2 Ｘ Ｗ － －M－1 Ｙ Ｘ Ｗ －M Ｚ Ｙ Ｘ ＷM＋1 － Ｚ Ｙ ＸM＋2 － － Ｚ ＹM(fèi)＋3 － － － Ｚ

四級(jí)流水線操作圖示

DSP芯片的主要特點(diǎn)專用的硬件乘法器：在一般的計(jì)算機(jī)或數(shù)據(jù)處理器上，算術(shù)邏輯運(yùn)算單元只能完成兩個(gè)操作數(shù)的加、減及邏輯運(yùn)算，而乘法〔或除法〕指令的運(yùn)行在機(jī)器內(nèi)部是由加法和移位實(shí)現(xiàn)的，所以乘法運(yùn)算需要幾個(gè)指令周期才能完成，這樣大大影響了處理器的運(yùn)算速度。在數(shù)字信號(hào)處理中，一般都需要大量的乘法運(yùn)算，所以在DSP芯片中，都設(shè)計(jì)有硬件乘法器，使得乘法運(yùn)算在一個(gè)指令周期內(nèi)完成，提高了處理器的運(yùn)算速度。

DSP芯片的主要特點(diǎn)特殊的DSP指令系統(tǒng)：有一套專門為數(shù)字信號(hào)處理而設(shè)計(jì)的指令系統(tǒng)。快速的指令周期：隨著半導(dǎo)體工藝的提高，DSP芯片的主頻已由C10的20M提高到C6000系列的200M，指令周期為5ns。隨著集成工藝的開展，指令周期將進(jìn)一步縮短。正是由于以上特點(diǎn)，使得DSP芯片非常適合于實(shí)時(shí)的數(shù)字信號(hào)處理?！?.2 DSP應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1.2.1典型系統(tǒng)構(gòu)成輸入通道前向通道輸出通道后向通道存儲(chǔ)器輸入通道通訊及人機(jī)接口DSP系統(tǒng)譯碼與時(shí)序控制總線DSP芯片1.2.1 典型系統(tǒng)構(gòu)成系統(tǒng)輸入信號(hào)可以是電信號(hào)、聲音信號(hào)、圖像信號(hào)等各種信息。在前向通道中，首先通過傳感器將各種信號(hào)轉(zhuǎn)化為一定幅值的電信號(hào)，再將電信號(hào)進(jìn)行濾波、抽樣，通過A/D或V/f變換將信號(hào)變換成數(shù)字比特流，送入DSP芯片進(jìn)行處理。DSP芯片按照軟件的算法將前向通道的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將處理的結(jié)果以數(shù)據(jù)流的形式輸出給后向通道。后向通道主要由D/A、f/V、平滑濾波器及功率放大器等局部組成。另外，大多數(shù)系統(tǒng)還具有通訊接口、人機(jī)交互局部等。上面的系統(tǒng)是相對(duì)完備的DSP系統(tǒng)，對(duì)于具體的DSP應(yīng)用系統(tǒng)，不必具有上述的全部部件，如DVD播放機(jī)，輸入DSP的視頻已經(jīng)是數(shù)據(jù)流，可以不需要前向系統(tǒng)。

方案設(shè)計(jì)DSP設(shè)計(jì)的一般步驟設(shè)計(jì)需求規(guī)范確定設(shè)計(jì)目標(biāo)算法研究和系統(tǒng)模擬實(shí)現(xiàn)，定義系統(tǒng)性能指標(biāo)選擇DSP芯片軟件設(shè)計(jì)軟件調(diào)試系統(tǒng)集成和測(cè)試硬件設(shè)計(jì)硬件調(diào)試

方案設(shè)計(jì)首先明確設(shè)計(jì)任務(wù)：根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)目標(biāo)確定系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)，將系統(tǒng)功能描述準(zhǔn)確、清楚，給出量化的技術(shù)指標(biāo)。然后進(jìn)行算法仿真和軟件模擬〔MATLAB語(yǔ)言編程簡(jiǎn)單，相當(dāng)于羅列一些數(shù)學(xué)公式，而且有豐富的庫(kù)函數(shù)可以調(diào)用?！炒_定最正確的系統(tǒng)算法和系統(tǒng)資源要求。

方案設(shè)計(jì)選擇DSP芯片：設(shè)計(jì)DSP應(yīng)用系統(tǒng)，選擇DSP芯片是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。只有選定了DSP芯片，才能進(jìn)一步設(shè)計(jì)其外圍電路及系統(tǒng)的其他電路?？偟膩?lái)說，DSP芯片的選擇應(yīng)根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用系統(tǒng)需要而確定。不同的DSP應(yīng)用系統(tǒng)由于應(yīng)用場(chǎng)合、應(yīng)用目的等不盡相同，對(duì)DSP芯片的選擇也是不同的。一般來(lái)說，選擇DSP芯片時(shí)應(yīng)考慮到如下諸多因素。

方案設(shè)計(jì)DSP芯片的運(yùn)算速度：是選擇DSP芯片時(shí)所需要考慮的一個(gè)主要因素。DSP芯片的運(yùn)算速度可以用以下幾種指標(biāo)來(lái)衡量：指令周期：即執(zhí)行一條指令所需的時(shí)間，通常以ns為單位。如TMS320LC549在主頻80MHz時(shí)指令周期為12.5ns；MAC時(shí)間：即一次乘法加上一次加法的時(shí)間。大局部DSP芯片可在一個(gè)指令周期內(nèi)完成一次乘法和加法操作；FFT執(zhí)行時(shí)間：即運(yùn)行一個(gè)N點(diǎn)FFT程序所需的時(shí)間；MIPS：即每秒執(zhí)行百萬(wàn)條指令。如TMS320LC549-80的處理能力為80MIPS，即每秒可執(zhí)行八千萬(wàn)條指令；MOPS：即每秒執(zhí)行百萬(wàn)次操作。如TMS320C40的運(yùn)算能力為275MOPS；MFLOPS：即每秒執(zhí)行百萬(wàn)次浮點(diǎn)操作。如TMS320C31在主頻為40MHz時(shí)的處理能力為40MFLOPS；BOPS：即每秒執(zhí)行十億次操作。

方案設(shè)計(jì)DSP芯片的價(jià)格。DSP芯片的價(jià)格也是選擇DSP芯片所需考慮的一個(gè)重要因素。如果采用價(jià)格昂貴的DSP芯片，即使性能再高，其應(yīng)用范圍肯定會(huì)受到一定的限制，尤其是民用產(chǎn)品。因此根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的應(yīng)用情況，需確定一個(gè)價(jià)格適中的DSP芯片。當(dāng)然，由于DSP芯片開展迅速，DSP芯片的價(jià)格往往下降較快，因此在開發(fā)階段選用某種價(jià)格稍貴的DSP芯片，等到系統(tǒng)開發(fā)完畢，其價(jià)格可能已經(jīng)下降一半甚至更多。

方案設(shè)計(jì)DSP芯片的硬件資源。不同的DSP芯片所提供的硬件資源是不相同的，如片內(nèi)RAM、ROM的數(shù)量，外部可擴(kuò)展的程序和數(shù)據(jù)空間，總線接口，I/O接口等。即使是同一系列的DSP芯片〔如TI的TMS320C54X系列〕，系列中不同DSP芯片也具有不同的內(nèi)部硬件資源，可以適應(yīng)不同的需要。

方案設(shè)計(jì)DSP芯片的運(yùn)算精度。一般的定點(diǎn)DSP芯片的字長(zhǎng)為16位，如TMS320系列。但有的公司的定點(diǎn)芯片為24位，如Motorola公司的MC56001等。浮點(diǎn)芯片的字長(zhǎng)一般為32位，累加器為40位。

方案設(shè)計(jì)DSP芯片的開發(fā)工具。在DSP系統(tǒng)的開發(fā)過程中，開發(fā)工具是必不可少的。如果沒有開發(fā)工具的支持，要想開發(fā)一個(gè)復(fù)雜的DSP系統(tǒng)幾乎是不可能的。如果有功能強(qiáng)大的開發(fā)工具的支持，如C語(yǔ)言支持，那么開發(fā)的時(shí)間就會(huì)大大縮短。所以，在選擇DSP芯片的同時(shí)必須注意其開發(fā)工具的支持情況，包括軟件和硬件的開發(fā)工具。

方案設(shè)計(jì)DSP芯片的功耗。在某些DSP應(yīng)用場(chǎng)合，功耗也是一個(gè)需要特別注意的問題。如便攜式的DSP設(shè)備、手持設(shè)備、野外應(yīng)用的DSP設(shè)備等都對(duì)功耗有特殊的要求。目前，3.3V供電的低功耗高速DSP芯片已大量使用。

方案設(shè)計(jì)其他。除了上述因素外，選擇DSP芯片還應(yīng)考慮到封裝的形式、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、供貨情況、生命周期等。有的DSP芯片可能有DIP、PGA、PLCC、PQFP等多種封裝形式。有些DSP系統(tǒng)可能最終要求的是工業(yè)級(jí)或軍用級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，在選擇時(shí)就需要注意到所選的芯片是否有工業(yè)級(jí)或軍用級(jí)的同類產(chǎn)品。假設(shè)設(shè)計(jì)的DSP系統(tǒng)不僅僅是一個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，可能有幾年甚至十幾年的生命周期，那么需要考慮所選DSP芯片供貨是否也有同樣的周期等。

方案設(shè)計(jì)在上述諸多因素中，一般而言，定點(diǎn)DSP芯片的價(jià)格較廉價(jià)，功耗較低，但運(yùn)算精度稍低。而浮點(diǎn)DSP芯片的優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)算精度高，且C語(yǔ)言編程調(diào)試方便，但價(jià)格稍貴，功耗也較大。例如TI的TMS320C2XX/C54X系列屬于定點(diǎn)DSP芯片，低功耗和低本錢是其主要的特點(diǎn)。而TMS320C3X/C4X/C67X屬于浮點(diǎn)DSP芯片，運(yùn)算精度高，用C語(yǔ)言編程方便，開發(fā)周期短，但同時(shí)其價(jià)格和功耗也相對(duì)較高。

方案設(shè)計(jì)DSP應(yīng)用系統(tǒng)的運(yùn)算量是確定選用處理能力為多大的DSP芯片的根底。運(yùn)算量小那么可以選用處理能力不是很強(qiáng)的DSP芯片，從而可以降低系統(tǒng)本錢。相反，運(yùn)算量大的DSP系統(tǒng)那么必須選用處理能力強(qiáng)的DSP芯片，如果DSP芯片的處理能力達(dá)不到系統(tǒng)要求，那么必須用多個(gè)DSP芯片并行處理。

方案設(shè)計(jì)那么如何確定DSP系統(tǒng)的運(yùn)算量以選擇DSP芯片呢？下面我們來(lái)考慮兩種情況。1．按樣點(diǎn)處理所謂按樣點(diǎn)處理就是DSP算法對(duì)每一個(gè)輸入樣點(diǎn)循環(huán)一次。數(shù)字濾波就是這種情況。在數(shù)字濾波器中，通常需要對(duì)每一個(gè)輸入樣點(diǎn)計(jì)算一次。

方案設(shè)計(jì)例如，一個(gè)采用LMS算法的256抽頭的自適應(yīng)FIR濾波器，假定每個(gè)抽頭的計(jì)算需要3個(gè)MAC周期，那么256抽頭計(jì)算需要256×3＝768個(gè)MAC周期。如果采樣頻率為8kHz，即樣點(diǎn)之間的間隔為125s，DSP芯片的MAC周期為200ns，那么768個(gè)MAC周期需要153.6s的時(shí)間，顯然無(wú)法實(shí)時(shí)處理，需要選用速度更高的DSP芯片。表1.1示出了兩種信號(hào)帶寬對(duì)三種DSP芯片的處理要求，三種DSP芯片的MAC周期分別為200ns、50ns和25ns。

方案設(shè)計(jì)表1.1用DSP芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波應(yīng)用領(lǐng)域采樣率（kHz）采樣周期（

s）256抽頭LMS濾波運(yùn)算量（MAC數(shù)）每樣點(diǎn)允許MAC指令數(shù)（200ns）每樣點(diǎn)允許MAC指令數(shù)（50ns）每樣點(diǎn)允許MAC指令數(shù)（25ns）話音812576862525005000聲頻44.122.7768113453907

方案設(shè)計(jì)從表中可以看出，對(duì)話音的應(yīng)用，后兩種DSP芯片可以實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)，對(duì)聲頻應(yīng)用，只有第三種DSP芯片能夠?qū)崟r(shí)處理。當(dāng)然，在這個(gè)例子中，沒有考慮其他的運(yùn)算量。

方案設(shè)計(jì)2．按幀處理有些數(shù)字信號(hào)處理算法不是每個(gè)輸入樣點(diǎn)循環(huán)一次，而是每隔一定的時(shí)間間隔〔通常稱為幀〕循環(huán)一次。例如，中低速語(yǔ)音編碼算法通常以10ms或20ms為一幀，每隔10ms或20ms語(yǔ)音編碼算法循環(huán)一次。所以，選擇DSP芯片時(shí)應(yīng)該比較一幀內(nèi)DSP芯片的處理能力和DSP算法的運(yùn)算量。假設(shè)DSP芯片的指令周期為p〔ns〕，一幀的時(shí)間為〔ns〕，那么該DSP芯片在一幀內(nèi)所能提供的最大運(yùn)算量為/p條指令。

方案設(shè)計(jì)例如TMS320LC549-80的指令周期為12.5ns，設(shè)幀長(zhǎng)為20ms，那么一幀內(nèi)TMS320LC549-80所能提供的最大運(yùn)算量為160萬(wàn)條指令。因此，只要語(yǔ)音編碼算法的運(yùn)算量不超過160萬(wàn)條指令，就可以在TMS320LC549-80上實(shí)時(shí)運(yùn)行。DSP芯片是系統(tǒng)的核心，選擇好DSP芯片是系統(tǒng)設(shè)計(jì)成功的關(guān)鍵步驟。

方案設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)DSP系統(tǒng)：系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。 硬件設(shè)計(jì)主要根據(jù)系統(tǒng)要求設(shè)計(jì)DSP芯片及外圍電路〔如轉(zhuǎn)換、控制、存儲(chǔ)、輸出等〕。