数字信号处理（dsp 第1章 绪论.ppt

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1、数字信号处理数字信号处理（DSP）第第1章章绪论绪论第一章第一章绪论绪论：DSP的学习方法的学习方法：数字信号处理原理概述数字信号处理原理概述：DSP芯片的特点芯片的特点DSP芯片的现状和发展方向芯片的现状和发展方向1.1数字信号处理原理概述数字信号处理原理概述DSP的两个含义：的两个含义：DigitalSignalProcessing数字信号处理数字信号处理DigitalSignalProcessor数字信号处理器数字信号处理器DSP是信息技术的基础是信息技术的基础l信息化的基础是数字化信息化的基础是数字化l数字化的核心技术之一是数字信号处理数字化的核心技术之一是数字信号处理l数字信号处理的

2、任务，特别是实时处理的任务，数字信号处理的任务，特别是实时处理的任务，在很大程度上需要由在很大程度上需要由DSP器件或以器件或以DSP为核心为核心的的ASIC来完成来完成lDSP技术已成为人们日益关注的并得到迅速发技术已成为人们日益关注的并得到迅速发展的前沿技术展的前沿技术(ApplicationSpecificIntegratedCircuit)专用集成电路专用集成电路数字信号处理：数字信号处理：l利用计算机或专用处理设备，以利用计算机或专用处理设备，以数字形数字形式对信号进行采集，变换，滤波，增强，式对信号进行采集，变换，滤波，增强，压缩，识别等处理压缩，识别等处理，以得到符合人们需，以得

3、到符合人们需要的信号形式。要的信号形式。数字信号处理优点数字信号处理优点（与模拟信号处理相比较）（与模拟信号处理相比较）（1）高精度）高精度l模拟系统，模拟系统，如模拟滤波器如模拟滤波器，是利用电阻、电容、电感，是利用电阻、电容、电感等元器件实现的，元器件精度要达到等元器件实现的，元器件精度要达到的精密器件很难的精密器件很难实现，受此限制，模拟系统的精度很难提高。实现，受此限制，模拟系统的精度很难提高。l数字系统，数字系统，若采用若采用16位字长，计算精度可达位字长，计算精度可达量级；采量级；采用字长用字长32位，精度可达位，精度可达量级，所以在很多高精度测量量级，所以在很多高精度测量中，数字

4、技术是非常有效的工具，有时甚至为了满足精中，数字技术是非常有效的工具，有时甚至为了满足精度要求，一定要采用数字系统。度要求，一定要采用数字系统。数字信号处理优点数字信号处理优点（2）高稳定性）高稳定性l模拟系统模拟系统，元器件值会随环境条件变化（如元器件值会随环境条件变化（如R、L、C随温度变化），造成系统性能不稳定。随温度变化），造成系统性能不稳定。l数字系统数字系统，只有只有“0”和和“1”两种电平，一般不两种电平，一般不随环境条件随环境条件(如温度、电磁感应等如温度、电磁感应等)变化，工作变化，工作稳定。稳定。数字信号处理优点数字信号处理优点（3）高度灵活性）高度灵活性l模拟系统模拟系统

5、，系统特性取决于其中的各个元件，系统特性取决于其中的各个元件，要改变系统特性，必须改变其中的元件。要改变系统特性，必须改变其中的元件。l数字系统数字系统，只要改变系统存储器中的数据，即只要改变系统存储器中的数据，即可改变系统参数，从而改变系统特性。可改变系统参数，从而改变系统特性。数字信号处理优点数字信号处理优点（4）大规模集成）大规模集成l模拟系统，模拟系统，尽管已有一些模拟集成电路，但品尽管已有一些模拟集成电路，但品种较少、集成度不高、价格较高种较少、集成度不高、价格较高 l数字系统数字系统，器件体积小、功能强、功耗小、一器件体积小、功能强、功耗小、一致性好、使用方便、性能致性好、使用方便

6、、性能/价格比高价格比高 数字信号处理的缺点（1）实时性）实时性l模拟系统：模拟系统：除开电路引入的延时外，处理是实时的除开电路引入的延时外，处理是实时的l 数字系统：数字系统：由计算机的处理速度和软件算法的简易程由计算机的处理速度和软件算法的简易程度决定度决定（2）高频信号的处理）高频信号的处理l模拟系统：模拟系统：可以处理包括微波毫米波乃至光波信号可以处理包括微波毫米波乃至光波信号l 数字系统：数字系统：按照奈奎斯特准则的要求，受按照奈奎斯特准则的要求，受S/HS/H、A/DA/D和和处理速度的限制处理速度的限制（3）模拟与数字信号的转换）模拟与数字信号的转换l现实世界的信号绝大多数是模拟

7、的（温度、速度、压现实世界的信号绝大多数是模拟的（温度、速度、压力等），转换成的电信号也是模拟的（电流、电压等）力等），转换成的电信号也是模拟的（电流、电压等）。要实现数字处理，就必须进行转换。要实现数字处理，就必须进行转换。要使实信号采样后能要使实信号采样后能够不失真还原，采样够不失真还原，采样频率必须大于信号最频率必须大于信号最高频率的两倍。高频率的两倍。数字信号处理的实现方法：数字信号处理的实现方法：（1）在通用计算机上用软件实现）在通用计算机上用软件实现（2）用单片机实现）用单片机实现（3）在通用计算机系统中加上加速卡实现）在通用计算机系统中加上加速卡实现（4）利用）利用FPGA等可编

8、程阵列产品开发等可编程阵列产品开发ASIC芯芯片实现片实现（5）利用）利用DSP芯片实现芯片实现数字信号处理系统数字信号处理系统数字信号处理器数字信号处理器：l数字信号处理器（数字信号处理器（DSP芯片）芯片）就是一种特别适就是一种特别适合于进行数字信号处理运算的处理器，其主要合于进行数字信号处理运算的处理器，其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法。应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法。1.2DSP芯片的特点芯片的特点（1）哈佛结构）哈佛结构（2）流水线操作）流水线操作（3）专用硬件乘法器）专用硬件乘法器（4）特殊）特殊DSP指令指令GPP的总线的总线结构造成执行速度慢，数据吞吐量

9、低的缺点。造成执行速度慢，数据吞吐量低的缺点。CPU存储器存储器（数据和指令）（数据和指令）数据总线数据总线地址总线地址总线冯冯诺依曼（诺依曼（VonNeuman）结构）结构程序空间和数据空间放在同一个存储器里；程序空间和数据空间放在同一个存储器里；程序、数据共用一组总线；程序、数据共用一组总线；取指令和取操作数要分时进行；取指令和取操作数要分时进行；DSP的总线结构的总线结构从而提高速度，目前的水平已达到从而提高速度，目前的水平已达到90亿次浮点运亿次浮点运算算/秒秒（9000MFLOPS）CPU程序程序存储器存储器数据数据存储器存储器数据总线数据总线数据总线数据总线地址总线地址总线地址总线

10、地址总线哈佛（哈佛（Harvard）结构）结构程序与数据存储空间分开程序与数据存储空间分开各有独立的地址总线和数据总线各有独立的地址总线和数据总线取指和读数可以同时进行取指和读数可以同时进行流水线操作流水线操作（pipeline）指令操作四步骤：指令操作四步骤：取指、译码、取数、执行取指、译码、取数、执行GPP：指令操作不能重叠执行，必须等一条指令的四步骤指令操作不能重叠执行，必须等一条指令的四步骤操作结束后才能进行下一条指令操作。操作结束后才能进行下一条指令操作。DSP：采用采用“流水线操作流水线操作”，多条指令操作可以同时进行，多条指令操作可以同时进行，即：使取指、译码、取数和执行操作可以

11、重叠执行，即：使取指、译码、取数和执行操作可以重叠执行，从而提高了处理速度。从而提高了处理速度。流水线操作示意图流水线操作示意图专用硬件乘法器专用硬件乘法器l在卷积、数字滤波、卷积、数字滤波、FFT、相关、矩阵运算等、相关、矩阵运算等算法中，都有算法中，都有 A（k）B（nk）一类的运算，）一类的运算，大量重复乘法和累加大量重复乘法和累加l通用计算机的乘法用软件实现，由一系列加法通用计算机的乘法用软件实现，由一系列加法指令完成，用若干个指令周期。指令完成，用若干个指令周期。lDSP有硬件乘法器，用有硬件乘法器，用MAC指令（取数、乘指令（取数、乘法、累加）在单周期内完成。法、累加）在单周期内完

12、成。乘法运算乘法运算l例如：例如：lMAC*AR5,#1234H,Al本条指令将本条指令将AR5所指数据存储器的值乘以常数所指数据存储器的值乘以常数1234H，并将乘积加到累加器，并将乘积加到累加器A中。中。特殊的特殊的DSP指令指令lDSP对指令进行了特殊的设计，用来实现一个对指令进行了特殊的设计，用来实现一个指令周期内完成多个操作。例如，特殊的读写指令周期内完成多个操作。例如，特殊的读写指令，可以在一个读写周期完成两次读写操作指令，可以在一个读写周期完成两次读写操作等。等。DSP性能指标性能指标l lMACMAC时间时间时间时间-即一次乘法加上一次加法的时间。即一次乘法加上一次加法的时间。

13、l l指令周期指令周期指令周期指令周期-就是执行一条指令所需要的时间，就是执行一条指令所需要的时间，通常以通常以ns为单位。为单位。l lMIPSMIPS-MillionInstructionPerSecond即每秒执行百万条指令即每秒执行百万条指令l lMFLOPSMFLOPS-MillionFloatingOperationPerSecond即每秒执行百万次浮点操作。即每秒执行百万次浮点操作。DSP芯片的分类芯片的分类DSP芯片可以按照以下的三种方式进行分类：芯片可以按照以下的三种方式进行分类：（1）基础特性基础特性基础特性基础特性（2）数据格式数据格式数据格式数据格式（3）用途用途用途用

14、途 1.按基础特性分按基础特性分l根据根据DSP芯片的工作时钟和指令类型来分类：芯片的工作时钟和指令类型来分类：（1 1）静态）静态）静态）静态DSPDSP芯片芯片芯片芯片DSP芯片在某时钟频率范围内的任何频率上都能正常工芯片在某时钟频率范围内的任何频率上都能正常工作，除计算速度有变化外，没有性能的下降。作，除计算速度有变化外，没有性能的下降。（2 2）一致性）一致性）一致性）一致性DSPDSP芯片芯片芯片芯片它们的指令集和相应的机器代码以及管脚结构相互兼容它们的指令集和相应的机器代码以及管脚结构相互兼容。2.按数据格式分按数据格式分根据根据DSP芯片工作的数据格式来分类芯片工作的数据格式来分

15、类：（1 1）定点）定点）定点）定点DSPDSP芯片芯片芯片芯片 数据以定点格式工作数据以定点格式工作（2 2）浮点）浮点）浮点）浮点DSPDSP芯片芯片芯片芯片数据以浮点格式工作数据以浮点格式工作 3.按用途分按用途分（1 1）通用型）通用型）通用型）通用型DSPDSP芯片芯片芯片芯片适合普通的适合普通的DSP应用，如应用，如TI公司的一系列公司的一系列DSP芯芯片。片。（2 2）专用型）专用型）专用型）专用型DSPDSP芯片芯片芯片芯片为特定的为特定的DSP运算而设计，更适合特殊的运算，运算而设计，更适合特殊的运算，如数字滤波，卷积和如数字滤波，卷积和FFT等。等。1.3DSP芯片的现状和

16、发展方向芯片的现状和发展方向微处理器发展方向微处理器发展方向微处理器发展方向微处理器发展方向二十世纪七十年代二十世纪七十年代DSP芯片的发展里程芯片的发展里程l l第一片第一片第一片第一片DSPDSP芯片：芯片：芯片：芯片：-1978年年AMI公司发布的公司发布的S2811，l l第一片商用可编程第一片商用可编程第一片商用可编程第一片商用可编程DSPDSP芯片：芯片：芯片：芯片：-1979年美国年美国Intel公司发布的公司发布的2920l l第一个具有乘法器的商用第一个具有乘法器的商用第一个具有乘法器的商用第一个具有乘法器的商用DSPDSP芯片：芯片：芯片：芯片：-1980年日本年日本NEC

17、公司推出的公司推出的uPD7720l l第一个高性能浮点第一个高性能浮点第一个高性能浮点第一个高性能浮点DSPDSP芯片：芯片：芯片：芯片：-1984年年AT&T公司推出的公司推出的DSP32。常用的常用的DSP芯片产品芯片产品通用通用DSP芯片的代表性产品包括：芯片的代表性产品包括：l lTITI公司的公司的公司的公司的TMS320TMS320系列系列系列系列l lADAD公司的公司的公司的公司的ADSP21ADSP21系列系列系列系列l lLucentLucent公司的公司的公司的公司的DSP16/16ADSP16/16A和和和和DSP32/32CDSP32/32C系列系列系列系列l lM

18、otorolaMotorola公司的公司的公司的公司的DSP96DSP96系列系列系列系列DSP的应用的应用l网络-如基于如基于DSP的网络通信程序设计，将的网络通信程序设计，将DSP技术与网络技术技术与网络技术相结合，为用户提供无线宽带接入和语音、视频、数据的融合服相结合，为用户提供无线宽带接入和语音、视频、数据的融合服务。务。l通信-如调制解调器，数据加密，数据压缩，噪声对消，多路复如调制解调器，数据加密，数据压缩，噪声对消，多路复用，纠错编码，可视电话等；用，纠错编码，可视电话等；l语音-如语音编码，语音合成，语音识别，语音增强，说话人辨如语音编码，语音合成，语音识别，语音增强，说话人辨

19、认，说话人确认，语音邮件，语音存储等；认，说话人确认，语音邮件，语音存储等；l图形/图像-如二维和三维图形处理，图像压缩与传输，图像增如二维和三维图形处理，图像压缩与传输，图像增强，动画，机器人视觉等；强，动画，机器人视觉等；l另外在军事、自动控制、医疗设备、家用电器等方面也有广泛的另外在军事、自动控制、医疗设备、家用电器等方面也有广泛的应用应用l可以说可以说DSP是现代信息产业的重要基石，它在网络时代的地位与是现代信息产业的重要基石，它在网络时代的地位与CPU在在PC时代的地位是一样的。时代的地位是一样的。DSP应用举例应用举例l移动通信系统移动通信系统3G通信技术通信技术无线通信与国际互联

20、无线通信与国际互联网等多媒体通信结合网等多媒体通信结合的新一代移动通信系的新一代移动通信系统统3rdGeneration3rdGenerationVOIPIP电话电话数字照相机数字相机框图ChargeCoupledDevice电荷耦合器件。电荷耦合器件。是一种半导体装置，是一种半导体装置，能够把光学影像转化能够把光学影像转化为电信号。为电信号。汽车多媒体系统高清晰度电视（HDTV）HighDefinitionTelevision巡航导弹图像鉴别图像鉴别DSP技术的发展技术的发展DSP技术的发展趋势，可用四个字技术的发展趋势，可用四个字“多快好省多快好省”来概括。来概括。l多：多：可从广度和深度

21、看。广度是指可从广度和深度看。广度是指DSP的型号越来越的型号越来越多，已经开始做市场细分。从深度讲是多多，已经开始做市场细分。从深度讲是多CPU的糅合的糅合（多（多DSP的糅合，还有就是的糅合，还有就是DSP和其他和其他CPU糅合）糅合）l快：快：运算速度越来越快，指令速度越来越快，频率越运算速度越来越快，指令速度越来越快，频率越来越高，功能越来越强。来越高，功能越来越强。l好：好：主要是指性能价格比。主要是指性能价格比。l省：省：功耗越来越低。功耗越来越低。1.4如何学习如何学习DSPl基础课程基础课程微机原理与接口技术微机原理与接口技术微机原理与接口技术微机原理与接口技术汇编语言汇编语言

22、汇编语言汇编语言l l联系课程联系课程联系课程联系课程单片机原理单片机原理单片机原理单片机原理嵌入式系统嵌入式系统嵌入式系统嵌入式系统l l扩展课程扩展课程扩展课程扩展课程信号与系统信号与系统信号与系统信号与系统数字信号处理数字信号处理数字信号处理数字信号处理MCU与与DSP性能比较性能比较学习方法学习方法l相互对比，加深了解相互对比，加深了解l抓住硬件，寄存器是核心；引脚是特征抓住硬件，寄存器是核心；引脚是特征l接口电路体现功能性接口电路体现功能性l熟记常用指令集，掌握系统开发的过程和工具，熟记常用指令集，掌握系统开发的过程和工具，掌握程序基本结构掌握程序基本结构l多看，多想，多做多看，多想，多做相关资料相关资料lTI官网：官网：http:/l中国电子工程：中国电子工程：http:/l中国软件开发联盟：中国软件开发联盟：http:/l中国电子在线：中国电子在线：http:/l中国中国DSP网：网：http:/目录目录l第1章绪论l第2章TMS320C54x的结构原理l第3章TMS320C54x的指令系统l第4章TMS320C54x的软件开发与设计l第5章DSP集成开发环境CCSl第6章TMS320C54x程序设计与应用本章重点本章重点l熟悉DSP芯片特点l了解DSP常用的性能指标