第五章DSP工作原理及應(yīng)用

第7章數(shù)字信號處理器概述DSP的定義廣義定義：數(shù)字信號處理（DigitalSignalProcessing）狹義定義：數(shù)字信號處理器（DigitalSignalProcessor）7.1

引言數(shù)字信號處理是利用計算機(jī)或?qū)Ｓ锰幚砥鲗ψ匀唤绲哪M信號進(jìn)行采集、變換、濾波、估值、壓縮、增強(qiáng)和識別等處理，以得到符合要求的信號形式。數(shù)字信號處理技術(shù)最早是頻譜分析、濾波；后來發(fā)展到：信號結(jié)構(gòu)分析、逼近、內(nèi)插、外推、提取和自適應(yīng)濾波等；數(shù)字信號處理算法包含大量的運(yùn)算；隨著應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，對實時處理的要求提高。實現(xiàn)數(shù)字信號處理的技術(shù)通用計算機(jī)和微處理器（軟件編程）；

編程靈活、修改方便、速度較慢數(shù)字邏輯電路（硬件）；無需編程、速度最快、結(jié)構(gòu)固定不靈活DSP（軟件編程+專用硬件結(jié)構(gòu)）

軟硬結(jié)合、編程靈活、關(guān)鍵運(yùn)算采用硬件，速度快7.2DSP的發(fā)展20世紀(jì)70年代，理論和算法具有一定基礎(chǔ)，應(yīng)用沒有得到很好發(fā)展；1982年，第一代最流行的DSP芯片—NECPD7720和TITMS32010；1986年，第一個浮點DSP出現(xiàn)—AT&TDSP32；20世紀(jì)90年代以來，以TI

公司產(chǎn)品為代表，出現(xiàn)了第四代和第五代DSP產(chǎn)品；目前，向SoC方向發(fā)展。DSP芯片的性能提高M(jìn)AC時間：400ns

10ns，運(yùn)算速度：5MIPS8800MIPS資源占用量：乘法器40%5%片內(nèi)RAM：增加一個數(shù)量級以上制造工藝：4umNMOS90nmCMOS引腳數(shù)量：64500以上單片機(jī)與DSP的比較單片機(jī)：馮-諾依曼結(jié)構(gòu)；DSP：哈佛結(jié)構(gòu)單片機(jī)：事務(wù)密集型處理器；DSP：運(yùn)算密集型處理器；DSP有完成高速運(yùn)算的專門的硬件結(jié)構(gòu)；DSP的中斷比單片機(jī)少很多。DSP的編程語言匯編語言編程效率高使用不方便高級語言，如C語言跨平臺的通用高級語言使用C編譯器7.3DSP的應(yīng)用應(yīng)用范圍廣泛；TMS320的典型應(yīng)用：

汽車消費(fèi)控制通用圖形/圖像工業(yè)儀器醫(yī)療軍事電信語音FPGA+DSP架構(gòu)DSP作主處理器，F(xiàn)PGA作協(xié)處理器；結(jié)構(gòu)靈活，有較強(qiáng)的通用性；有利于維護(hù)和擴(kuò)展。一個例子7.4

定點運(yùn)算和浮點運(yùn)算定點DSP：采用定點格式的數(shù)據(jù)工作；特點：動態(tài)范圍小、易溢出、功耗低、結(jié)構(gòu)簡單浮點DSP：采用浮點格式的數(shù)據(jù)工作；特點：動態(tài)范圍大，給編程和尋址帶來方便7.4.1定點運(yùn)算DSP中的數(shù)以二進(jìn)制補(bǔ)碼形式表示；可表示的最大整數(shù)由DSP數(shù)據(jù)字長決定，以16-bit為例；例如：二進(jìn)制有符號整數(shù)

0010000000000011b=81951111111111111100b=-4小數(shù)的處理需要人為確定一個小數(shù)點的位置，即數(shù)的標(biāo)定；DSP處理小數(shù)和處理整數(shù)的過程一樣；小數(shù)點的位置有Q表示法和S表示法，

Q表示法：給出小數(shù)位數(shù)，如Q15；

S表示法：給出整數(shù)和小數(shù)位數(shù)，如S0.15；同樣一個16-bit序列（整數(shù)），小數(shù)點的位置不同，則表示的實際值不一樣；例：2000h的整數(shù)值為8192，加上小數(shù)點的位置以后，表示的實際值為：

4096，用Q1或S14.1表示；

0.25，用Q15或S0.15表示；

001000000000000.0Q15Q10.010000000000000數(shù)值范圍和精度是一對矛盾。Q表示S表示十進(jìn)制數(shù)表示范圍Q15S0.15-1X0.9999695Q14S1.14-2X1.9999390………………Q1S14.1-16384X16383.5Q0S15.0-32768X32767Q值越大，數(shù)值范圍越小，精度越高；Q值越小，數(shù)值范圍越大，精度越低；Q=n時的精度為2-n。實際值（小數(shù)）與存放值（整數(shù)）的轉(zhuǎn)換實際值（X）轉(zhuǎn)換為存放值（Xq）：

Xq=int(X*2Q)例如：實際值X=0.5，Q=15，其存放值為：

Xq=int(0.5215)=int(0.532768)=16384

即DSP中的存放形式為：0100000000000000

實際值X=0.2，Q=12，其存放值為：

Xq=int(0.2212)=int(819.2)=819

即DSP中的存放形式為：0000001100110011例如：存放值Xq=0x4000(十進(jìn)制16384)，Q=15，其實際值為：

X=float(163842-15)=0.5

存放值Xq=0x7FFF(十進(jìn)制32767)，Q=12，其實際值為：

X=float(327672-12)=7.999755859375存放值（Xq）轉(zhuǎn)換為實際值（X）：

X=float(Xq*2-Q)7.4.2定點算術(shù)運(yùn)算定點DSP的數(shù)值運(yùn)算基于2的補(bǔ)碼形式；每個16-bit數(shù)用1個符號位，i個整數(shù)位和15-i個小數(shù)位組成，例Q8格式：

00000010.10100000表示的值為：

21+2-1+2-3=2.625通常以Q15格式表示的小數(shù)或Q0格式表示的整數(shù)來工作。一、定點乘法小數(shù)乘小數(shù)例：Q15

Q15=Q300.5

0.5=0.250.100000000000000;Q15

0.100000000000000;Q1500.010000000000000000000000000000;Q30結(jié)果左移一位，并取高16位，得到：

0.010000000000000;Q15整數(shù)乘整數(shù)例：Q0

Q0=Q017

（-5）=-850000000000010001

111111111111101111111111111111111111111110101011=-85界于Q15和Q0之間的乘法當(dāng)用Q15和Q0都不能兼顧數(shù)值范圍和精度時，可采用界于Q15和Q0之間的表示方法；例：1.5

0.75=1.12501.10000000000000;Q14

00.11000000000000;Q140001.0010000000000000000000000000=1.125;Q28二、定點加法加法運(yùn)算必須用相同的Q點格式表示；可保留32位結(jié)果；調(diào)整小數(shù)點位置，保留16位結(jié)果。三、定點除法通用DSP芯片一般不提供單周期除法指令，采用除法子程序?qū)崿F(xiàn)；二進(jìn)制除法是乘法的逆運(yùn)算；二進(jìn)制除法可以分解為一系列的移位和減法。定點小數(shù)運(yùn)算總結(jié)設(shè)x1、x2、x3為實際值，q1、q2、q3分別為它們在DSP中存儲的對應(yīng)整數(shù)值，給定Q=n，則：若x3=x1+x2，則q3=q1+q2；若x3=x1-x2，則q3=q1-q2；若x3=x1*x2，則q3=q1*q2/2n；若x3=x1/x2，則q3=q1*2n/q2；7.4.3浮點運(yùn)算一個浮點數(shù)a可以表示為指數(shù)和尾數(shù)的形式：

a=m×2e

其中，e為指數(shù)，m為尾數(shù)。尾數(shù)通常用歸一化數(shù)表示，可以分為符號（s）和分?jǐn)?shù)（f）兩部分。IEEE單精度浮點格式TMS320C3X單精度浮點數(shù)格式TMS320C3x浮點數(shù)x表示

x={(-2)s+(.f)}×2e尾數(shù)表示為：

m={(-2)s+(.f)}（1）設(shè)有浮點數(shù)，其32位16進(jìn)制的表示形式為A，且A=0x00000000，指數(shù)e=0（第24－31位）符號s=0(第23位)

分?jǐn)?shù)f＝0（第0－22位）故浮點數(shù)的二進(jìn)制值為：十進(jìn)制值也為1。

設(shè)：A=0x03A00000，則：e=0x03=3s=1f=010(已截尾)

浮點數(shù)的二進(jìn)制值為：因為s＝1，為負(fù)數(shù)，所以十進(jìn)制值為－[01101b＋1]＝－14。

7.4.4DSP中的基本浮點運(yùn)算一、浮點乘法和加減法

乘法：1）尾數(shù)相乘

2）指數(shù)相加

3）乘積歸一化處理和特殊情況處理例：若a1=m1×2e1

，a2=m2×2e2

則a1×a2=m1×m2×2（e1+e2）

加減法1）指數(shù)小的數(shù)要歸正