dsp實(shí)驗(yàn)報(bào)告_實(shí)時(shí)信號(hào)譜分析new

1、DSP課程實(shí)驗(yàn)報(bào)告 利用DSP實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)信號(hào)譜分析學(xué)院：電子信息工程學(xué)院 指導(dǎo)老師：高海林 學(xué)生：目錄1、設(shè)計(jì)任務(wù)書22、設(shè)計(jì)內(nèi)容33、設(shè)計(jì)方案33、1整體思路33.2信號(hào)的實(shí)時(shí)采集與傳輸33.3 FFT算法43.4 “ping-pong”存儲(chǔ)方式84、實(shí)驗(yàn)步驟85、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析96、實(shí)驗(yàn)中遇到的問(wèn)題及解決方法97、實(shí)驗(yàn)感想101、設(shè)計(jì)任務(wù)書在信息處理中，可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域分析，也可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行變換域分析，在頻域?qū)π盘?hào)進(jìn)行頻譜分析是最常見(jiàn)的分析之一。利用DSP可以實(shí)時(shí)地對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析快速傅立葉變換（FFT）。本設(shè)計(jì)要求利用DSP的DMA方式進(jìn)行信號(hào)采集和信號(hào)輸出，同時(shí)對(duì)外部輸入的信號(hào)進(jìn)行頻

2、譜分析?；静糠郑?1) 設(shè)計(jì)譜分析算法，或調(diào)用DSPLIB中 FFT函數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的頻譜分析。(2) 在DMA中斷服務(wù)程序中，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的實(shí)時(shí)譜分析(3) 利用CCS信號(hào)分析工具分析信號(hào)的頻譜成分， 對(duì)FFT算法結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。 發(fā)揮部分： （1）信號(hào)頻譜數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)輸出到Headphone輸出接口，并在示波器上進(jìn)行顯示； （2）在實(shí)驗(yàn)板的Line in輸入端接入正弦信號(hào)，分左右聲道分別采集，并分別進(jìn)行頻譜分析;(3)利用CCS的Profiler工具計(jì)算FFT算法所需要的時(shí)間，并根據(jù)實(shí)時(shí)性要求進(jìn)行必要的算法優(yōu)化。2、設(shè)計(jì)內(nèi)容（1）掌握CCS的安裝、設(shè)置，工程的建立、工程設(shè)置、編譯運(yùn)行和調(diào)試方法（2

3、）編寫C語(yǔ)言程序?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)要求，并在CCS集成開(kāi)發(fā)環(huán)境下調(diào)試通過(guò)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)所要求的各項(xiàng)功能。（3）按要求撰寫課程設(shè)計(jì)報(bào)告。3、設(shè)計(jì)方案3、1整體思路首先利用DSP的DMA方式對(duì)外部信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，外部模擬信號(hào)先進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，利用MCBSP的接收寄存器接收數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存放到DSP存儲(chǔ)區(qū)中。設(shè)計(jì)FFT算法或調(diào)用DSPLIB中的rfft或cfft頻譜分析函數(shù)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行快速傅立葉變換。頻譜數(shù)據(jù)利用DMA方式送到D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)在示波器上顯示。3.2信號(hào)的實(shí)時(shí)采集與傳輸DMA控制器可以在不影響CPU的情況下完成數(shù)據(jù)的傳輸，因此數(shù)據(jù)傳輸速度快，在要求信號(hào)實(shí)時(shí)采集和處理的系統(tǒng)中常采用DMA方

4、式進(jìn)行信號(hào)傳輸。本設(shè)計(jì)中輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后，將DMA通道4的源地址設(shè)為串口的接收寄存器，利用DMA通道4進(jìn)行傳輸；而將DMA通道5的目的地址設(shè)置為串口的發(fā)送寄存器，將信號(hào)頻譜利用DMA5通道進(jìn)行傳輸，此步驟需要對(duì)AIC23、McBSP、DMA通道4和DMA通道5進(jìn)行初始化配置。處理流圖如圖3.2.1所示。 圖3.2.1信號(hào)實(shí)時(shí)采集和頻譜分析流程圖3.3 FFT算法 FFT（FastFourierTransformation），即為快速傅氏變換，是離散傅氏變換(DFT)的快速算法，它是根據(jù)離散傅氏變換的奇、偶、虛、實(shí)等特性，對(duì)離散傅立葉變換的算法進(jìn)行改進(jìn)獲得的。(1) 離散傅里葉

5、變換DFTN點(diǎn)DFT的正變換公式為： 式中，WN=e-j*2/N，稱為旋轉(zhuǎn)因子或蝶形因子。從DFT的定義可以看出，在x(n)為復(fù)數(shù)序列的情況下，對(duì)某個(gè)k值，直接按（1）式計(jì)算X(k)只需要N次復(fù)數(shù)乘法和（N-1）次復(fù)數(shù)加法。因此，對(duì)所有N個(gè)k值，共需要N2次復(fù)數(shù)乘法和N(N-1)次復(fù)數(shù)加法。對(duì)于一些相當(dāng)大有N值（如1024點(diǎn)）來(lái)說(shuō)，直接計(jì)算它的DFT所需要的計(jì)算量是很大的，因此DFT運(yùn)算的應(yīng)用受到了很大的限制。(2)快速傅里葉變換FFT旋轉(zhuǎn)因子WN有如下的特性：對(duì)稱性：WNk+N/2=-WNk周期性：WNn(N-k)=WNk(N-n)=WN-nk利用這些特性，既可以使DFT中有些項(xiàng)合并，減少了

6、乘法積項(xiàng)，又可以將長(zhǎng)序列的DFT分解成幾個(gè)短序列的DFT。FFT就是利用了旋轉(zhuǎn)因子的對(duì)稱性和周期性來(lái)減少運(yùn)算量的。一般而言，F(xiàn)FT算法分為按時(shí)間抽取的FFT（DITFFT）和按頻率抽取的FFT（DIFFFT）兩大類。DIFFFT算法是在時(shí)域內(nèi)將每一級(jí)輸入序列依次按奇偶分成個(gè)短序列進(jìn)行計(jì)算。而DIFFFT算法是在頻域內(nèi)將每一級(jí)輸入序列依次奇偶分成個(gè)短序列進(jìn)行計(jì)算。兩者的區(qū)別是旋轉(zhuǎn)因子出現(xiàn)的位置不同，得算法是一樣的。在DIFFFT算法中，旋轉(zhuǎn)因子出現(xiàn)在輸入端，而在DIFFFT算法中它出現(xiàn)在輸入端。假定序列x(n)的點(diǎn)數(shù)N是2的冪，按照DIFFFT算法可將其分為偶序列和奇序列。偶序列：x(2r)=x

7、1(r)奇序列：x(2r+1)=x2(r)其中：r=0,1,2,N/2-1則x(n)的DFT表示為： 式中，x1(k)和x2(k)分別為x1（r）和x2(r)的N/2的DFT。由于對(duì)稱性，WNk+N/2=-WNk。因此，N點(diǎn)DFT可分為兩部分： 前半部分：x(k)=x1(k)+WkNx2(k)（1） 后半部分：x(N/2+k)=x1(k)-WkNx2(k)k=0,N/2-1 （2）從式（1）和式（2）可以看出，只要求出0N/2-1區(qū)間x1(k)和x2(k)的值，就可求出0N-1區(qū)間x(k)的N點(diǎn)值。以同樣的方式進(jìn)行抽取，可以求得N/4點(diǎn)的DFT，重復(fù)抽取過(guò)程，就可以使N點(diǎn)的DFT用上組2點(diǎn)的D

8、FT來(lái)計(jì)算，這樣就可以大減少運(yùn)算量?；? DIF FFT的蝶形運(yùn)算如圖3.3.1所示。設(shè)蝶形輸入為X1(k)和X2(K)，輸出為x(k)和x(N/2+K)，則有x(k)=x1(k)+WkNx2(k)（6）x(N/2+k)=x1(k)-WkNx2(k)（7）在基數(shù)為2的FFT中，設(shè)N=2M，共有M級(jí)運(yùn)算，每級(jí)有N/2個(gè)2點(diǎn)FFT蝶形運(yùn)算，因此，N點(diǎn)FFT總共有MN/2個(gè)蝶形運(yùn)算。 圖3.3.1基2DIFFFT的蝶形運(yùn)算例如：基數(shù)為2的FFT，當(dāng)N=8時(shí)，共需要3級(jí)，12個(gè)基2DITFFT的蝶形運(yùn)算。其信號(hào)流程如圖3.3.2所示。圖3.3.2從圖可以看出，輸入是經(jīng)過(guò)比特反轉(zhuǎn)的倒位序列，稱為位碼倒置

9、，其排列順序?yàn)閤(0),x(4),x(2),x(6),x(1),x(5),x(3),x(7)，輸出是按自然順序排列，其順序?yàn)閤(0),x(1),x(2),x(3),x(4),x(5),x(6),x(7).在本設(shè)計(jì)中，信號(hào)的頻譜通過(guò)FFT算法得出，F(xiàn)FT算法可以自己編寫，也可以調(diào)用55xdsp.lib庫(kù)rfft或cfft函數(shù)。調(diào)用庫(kù)函數(shù)的需要在工程中添加庫(kù)文件55xdsp.lib，并且在程序中包含頭文件dsplib.h。調(diào)用的時(shí)候入口參數(shù)是時(shí)域信號(hào)地址，返回處理后的FFT信號(hào)，注意返回值不包含求模過(guò)程，而是交替返回實(shí)部和虛部。本實(shí)驗(yàn)采用自己編寫的基2頻率抽取法計(jì)算FFT。3.4 “ping-po

10、ng”存儲(chǔ)方式Ping-pong存儲(chǔ)方式在內(nèi)存開(kāi)辟四塊存儲(chǔ)區(qū)，分別是gBufferRcvPing、gBufferRcvPong、gBufferXmtPing、gBufferXmtPong，其中前兩塊用于DMA接收，后兩塊用于DMA發(fā)送。目的是將正在接收或發(fā)送的區(qū)域與正在處理的區(qū)域分離開(kāi)。這個(gè)過(guò)程通過(guò)變量“pingpong”控制，以進(jìn)入中斷時(shí)pingpong=0為例，進(jìn)入終端后將其值改為1，將DMA接收目的區(qū)改為gBufferRcvPong，處理gBufferRcvPing的數(shù)據(jù)，并將處理的數(shù)據(jù)發(fā)往gBufferXmtPing，而同時(shí)DMA發(fā)送源是gBufferXmtPong，這樣發(fā)送和接收都不

11、沖突。本實(shí)驗(yàn)中g(shù)BufferRcvPing/gBufferRcvPong接收到的數(shù)據(jù)是左右聲道交替的，因此要將接收回來(lái)的數(shù)據(jù)根據(jù)左右兩聲道分成兩個(gè)數(shù)組存放，再將每一個(gè)聲道的實(shí)部和虛部存到DDataBufferi.real/ DDataBufferi.imag當(dāng)中，做256點(diǎn)FFT變換后求模值得到幅度譜，再將經(jīng)過(guò)防溢出處理的數(shù)據(jù)存入gBufferRcvPing/gBufferRcvPong中。重復(fù)循環(huán)上述過(guò)程即可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)信號(hào)譜的分析。4、實(shí)驗(yàn)步驟（1）新建工程，正確設(shè)置工程選項(xiàng)（buildoption），設(shè)置工程的存儲(chǔ)器模式、頭文件路徑及庫(kù)文件路徑等，注意工程存放路徑不能有中文名；（2）編寫工程

12、所需的所有實(shí)驗(yàn)源程序，實(shí)驗(yàn)程序包括c文件、h文件、cmd文件、GEL文件、中斷向量s55文件等，并添加進(jìn)工程；（3）將仿真器等硬件正確連接上，注意音頻輸入輸出方向是否正確。將音頻立體聲輸入J5接電腦耳機(jī)輸出口，將J7接電腦語(yǔ)音錄入口；（4）按F7鍵編譯連接生成obj文件（無(wú)錯(cuò)誤時(shí)），若程序有錯(cuò)誤則查看錯(cuò)誤信息，雙擊錯(cuò)誤處光標(biāo)自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到錯(cuò)誤處，直到排除所有錯(cuò)誤；（5）點(diǎn)擊file菜單下loadprogram載入程序，將程序下載在DSP芯片中，點(diǎn)擊“run”或按鍵F5全速運(yùn)行；（6）使用變量觀察圖形觀察窗等工具觀察分析輸入輸出信號(hào)是否與預(yù)期效果相同；（7）系統(tǒng)調(diào)試、代碼優(yōu)化等；（8）確定最終方案，

13、撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告。5、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析圖1為左右聲道分別輸入頻率為2kHz和5kHz的正弦信號(hào)，示波器輸出圖像：圖1圖2為信號(hào)源輸入情況顯示： 圖2圖3和圖4分別是ccs工具得出的結(jié)果，左聲道輸入為2kHz，右聲道輸入為5kHz，采樣頻率為32kHz，左右聲道分別采256個(gè)點(diǎn)：32k/2k=16 32k/5k=6.4圖3圖4圖5顯示的是ccs同時(shí)對(duì)捕獲到的左右兩聲道信號(hào)進(jìn)行FFT處理，圖中顯示的兩個(gè)峰值分別代表左右聲道的頻率，坐標(biāo)軸0-255表示左聲道，256-512表示右聲道，由圖可知左聲道的頻率大概為2kHz,右聲道的頻率大概為5kHz,基本和輸入頻率相吻合。 圖5圖7和圖8分別為左右聲道輸入對(duì)

14、應(yīng)頻域波形圖： 圖7 圖8從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看還有一些失真，但總體實(shí)現(xiàn)了預(yù)期效果。6、實(shí)驗(yàn)中遇到的問(wèn)題及解決方法（1）實(shí)驗(yàn)運(yùn)行程序的過(guò)程中，改變輸入信號(hào)的頻率，示波器時(shí)而有圖像時(shí)而無(wú)顯示，只顯示雜波。只有重新加載程序才可以輸出波形。此實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行與硬件密切相關(guān)，要保證硬件狀態(tài)完好。（2）在創(chuàng)建工程時(shí)遇到困難，總是在步驟完成后不能運(yùn)行程序。最后只能先在老師原有的工程文件下進(jìn)行代碼粘貼并改錯(cuò)，才可以運(yùn)行成功。（3）對(duì)于DMA的理解不夠透徹，對(duì)中斷的設(shè)置不夠熟練，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)初始階段出現(xiàn)了一系列的理解問(wèn)題，經(jīng)查閱相關(guān)資料即組內(nèi)討論后解決了問(wèn)題。（4）開(kāi)始運(yùn)行代碼時(shí)發(fā)現(xiàn)示波器和GRAPH中的顯示總有一個(gè)是倒過(guò)來(lái)的

15、，后來(lái)修改代碼，發(fā)現(xiàn)溢出部分的寫法有問(wèn)題，修改后一切正常。7、實(shí)驗(yàn)感想祖健文： 首先，我覺(jué)得DSP是一門比較難的課程，可是這門課程的理論學(xué)時(shí)卻只有短短的8學(xué)時(shí)，而且老師上課講課速度比較快，我也沒(méi)有認(rèn)真做什么筆記，所以，理論課上基本只學(xué)到了CCS一些非常基本的使用方法，DSP的原理掌握的又是皮毛中的皮毛，這都導(dǎo)致后來(lái)的課程設(shè)計(jì)中理論知識(shí)的儲(chǔ)備嚴(yán)重不足。這次的課程設(shè)計(jì)，基本就是實(shí)踐中去驗(yàn)證一些老師課上或課件中的一些知識(shí)，比如我們所選的題目是“利用DSP實(shí)現(xiàn)信號(hào)的實(shí)時(shí)譜分析”，其實(shí)這算是一個(gè)比較簡(jiǎn)單的題目，理論上就是將例程中的DMA實(shí)時(shí)信號(hào)采集程序和FFT譜分析程序結(jié)合在一起就可以。雖然說(shuō)起來(lái)簡(jiǎn)單，

16、但實(shí)際操作中確實(shí)問(wèn)題重重，比如在新建工程時(shí)由于頭文件和Build Option中的配置不符而出現(xiàn)的編譯錯(cuò)誤；還有實(shí)驗(yàn)箱和線材的問(wèn)題，有時(shí)會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)始終沒(méi)有結(jié)果。再后來(lái)調(diào)試程序，發(fā)現(xiàn)DMA程序運(yùn)行的并不是很穩(wěn)定，有時(shí)可能會(huì)不輸出任何數(shù)據(jù)，而View Graph中卻顯示一切正常，有時(shí)甚至只能重新啟動(dòng)CCS才能解決問(wèn)題。關(guān)于程序的設(shè)計(jì)，我們本打算按照實(shí)驗(yàn)的要求，在DMA中斷服務(wù)程序中調(diào)用dsplib中的rfft函數(shù)進(jìn)行信號(hào)的譜分析，但經(jīng)過(guò)多次修改后，仍沒(méi)有實(shí)現(xiàn)rfft的正確調(diào)用。后來(lái)我們利用老師所給的BJTU_FFT例程中的fft256函數(shù)，通過(guò)修改入口參數(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸入信號(hào)的FFT計(jì)算。本次實(shí)

17、驗(yàn)對(duì)我來(lái)說(shuō)，難度是挺大的，但是通過(guò)和小組成員的交流和溝通，確實(shí)弄清楚了很多問(wèn)題。所以我覺(jué)得本次實(shí)驗(yàn)收獲最大的就是和小組成員間通力合作，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，分析問(wèn)題，解決問(wèn)題；并且在每一次的交流、探討、實(shí)踐中，加深了對(duì)DSP以及程序的理解，并且最終實(shí)現(xiàn)了任務(wù)要求。吳楚婷：這次的DSP實(shí)驗(yàn)做的題目是信號(hào)實(shí)時(shí)譜分析，其實(shí)最開(kāi)始沒(méi)有打算選擇這個(gè)題目，因?yàn)樽约簩?duì)于信號(hào)與系統(tǒng)還有DSP課程的掌握程度不夠好，不過(guò)也正是因?yàn)檫@樣才在這次實(shí)驗(yàn)中收獲了更多的東西，通過(guò)實(shí)踐驗(yàn)證了理論的正確性，也同時(shí)重新溫習(xí)了一下理論知識(shí)，算是一舉兩得。還有關(guān)于DMA的部分是我在學(xué)習(xí)微機(jī)原理的時(shí)候就非常好奇的一部分，通過(guò)這次實(shí)驗(yàn)熟悉了DMA的實(shí)際工作方式和流程，很是收益。CCS對(duì)于我們來(lái)說(shuō)都是一款完全沒(méi)有接觸過(guò)的開(kāi)發(fā)軟件，以前也沒(méi)有任何關(guān)于DSP處理的經(jīng)驗(yàn)，所以之前的很多時(shí)間都花在看老師的課件和參考相關(guān)資料上面，只有先把基礎(chǔ)的部分搞懂才能做后面的發(fā)揮。雖然每次看都會(huì)多懂很多知識(shí)，不過(guò)要等到所有的都弄清楚再開(kāi)始顯然是不可能的，因?yàn)橹R(shí)太多又太陌生，所以后來(lái)就索性摸索著來(lái)了，邊做邊熟悉功能和流程。其實(shí)我們組去實(shí)驗(yàn)室的次數(shù)