dsp技术原理及应用教程.ppt
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1、参考书参考书 (1)TMS320LF240 xDSP(1)TMS320LF240 xDSP硬件开发教程硬件开发教程,江思敏江思敏,机械工业机械工业出版社。出版社。(2)(2)TMS320LF240 xDSPTMS320LF240 xDSP应用程序设计教程应用程序设计教程,清源科技清源科技,机机械工业出版社。械工业出版社。(3)(3)TMS320LF240 xDSPTMS320LF240 xDSP结构、原理及应用结构、原理及应用,刘和平刘和平,北京北京 航空航天大学出版社航空航天大学出版社.(4)(4)TMS320LF/LC24TMS320LF/LC24系列系列DSPDSP的的CPUCPU与外设
2、与外设,徐科军等编徐科军等编译译,清华大学出版社。清华大学出版社。学时学时:32理论理论+17实验实验考核:考核:考试(考试(70%)+平时成绩(平时成绩(10%)+实验成绩(实验成绩(20%)要求:要求:出勤、请假、作业、课堂纪律、实验报告出勤、请假、作业、课堂纪律、实验报告第第1 1章章 数字信号处理器数字信号处理器(DSP)DSP)综述综述1.1 1.1 什么是什么是DSP DSP DSPDSP-Digital Signal Processor(-Digital Signal Processor(数字信号处理器数字信号处理器)特别适合于特别适合于实现各种数字信号处理运算实现各种数字信号处
3、理运算的的微处理器微处理器。数。数字信号处理技术过去受集成电路技术和数字化器件字信号处理技术过去受集成电路技术和数字化器件发展水平限制,只限于理论概念的讲授和仿真。发展水平限制,只限于理论概念的讲授和仿真。早期早期在计算机上仿真,算法实现。在计算机上仿真,算法实现。现在现在在在DSPDSP上实时处理上实时处理DSPDSP也可是也可是Digital Signal Digital Signal ProcessnigProcessnig(数字信号处(数字信号处理)的缩写,理)的缩写,国内常用国内常用DSPDSP代表数字信号处理器代表数字信号处理器。由于由于DSPDSP具有:具有:(1 1)丰富的硬件
4、资源、()丰富的硬件资源、(2 2)改进的并行结构、()改进的并行结构、(3 3)高速的数据处理能力和功能强大的指令系统,高速的数据处理能力和功能强大的指令系统,已成为已成为世界半导体产业世界半导体产业中紧随中紧随微处理器微处理器与与微控制器微控制器(单片机)之后的(单片机)之后的又一个热点又一个热点在在通信、航空、航天、机器人、工业自动化、自动控通信、航空、航天、机器人、工业自动化、自动控制、网络及家电制、网络及家电 广泛的应用。广泛的应用。1.2 DSP1.2 DSP技术的发展及现状技术的发展及现状 19651965年,年,快速傅立叶算法(快速傅立叶算法(FFTFFT),),使傅立叶分析的
5、速使傅立叶分析的速度提高了数百倍,为数字信号处理的应用度提高了数百倍,为数字信号处理的应用奠定基础奠定基础。但由于当时的但由于当时的计算机技术和数字电路技术发展水平的计算机技术和数字电路技术发展水平的限制,限制,FFTFFT应用受到限制应用受到限制。2020世纪世纪7070年代,由于年代,由于集成电路技术集成电路技术的发展,使用硬件的发展,使用硬件实现实现FFTFFT和数字滤波的算法成为可能。和数字滤波的算法成为可能。19781978年年,AMIAMI公司公司宣布第一个宣布第一个DSPDSP问世,但人们一般认问世,但人们一般认为,为,2020世纪世纪7070年代后期推出的年代后期推出的Inte
6、l 2920Intel 2920才是第一才是第一片具有独立结构的片具有独立结构的DSPDSP。19811981年,美国德州仪器(年,美国德州仪器(TITI)公司研制出了著名的)公司研制出了著名的TMS320TMS320系列系列的的首片首片低成本、高性能的低成本、高性能的DSPDSPTMS320TMS320C10C10。使。使DSPDSP技术向前跨出了意义重大的一步。技术向前跨出了意义重大的一步。DSPDSP主要厂商:主要厂商:美国美国TITI、ADIADI、MotorolaMotorola、ZilogZilog等公等公司。司。TITI公司公司位居榜首,占全球位居榜首,占全球DSPDSP市场约市
7、场约6060左右左右。尽管当前的尽管当前的DSPDSP技术已达到较高的水平,但在一些技术已达到较高的水平,但在一些实实时性要求很高时性要求很高的场合,单片的场合,单片DSPDSP的处理能力还是不能满的处理能力还是不能满足要求。因此,足要求。因此,多总线多总线、多流水线多流水线和和多处理器多处理器并行并行就成就成为提高系统性能的重要途径之一。为提高系统性能的重要途径之一。许多公司在提高单片性能的同时,在结构上为多处理许多公司在提高单片性能的同时,在结构上为多处理器的器的并行应用并行应用提供方便。提供方便。随着随着DSPDSP的处理速度越来越快,功耗也随越大,特别是的处理速度越来越快,功耗也随越大
8、,特别是在在电池供电的电池供电的便携式便携式及及嵌入式嵌入式小型或微型设备小型或微型设备中中的大量使用,都迫切要求的大量使用,都迫切要求DSPDSP在提高工作性能的同在提高工作性能的同时,降低工作电压,减少功耗。为此,各时,降低工作电压,减少功耗。为此,各DSPDSP厂家厂家积极研制并陆续推出多种积极研制并陆续推出多种低电压、低功耗低电压、低功耗芯片。芯片。例如,例如,TITI公司公司的的TMS320VC5416TMS320VC5416,内核工作电压只有,内核工作电压只有1.5V1.5V,有的,有的DSPDSP设置了多种节能等待状态。设置了多种节能等待状态。低电压低电压和和低功耗低功耗已成为已
9、成为DSPDSP的的重要技术指标之一重要技术指标之一。在在DSPDSP芯片向着高性能、高速、低功耗方向发展芯片向着高性能、高速、低功耗方向发展的同时,的同时,数字信号处理理论也在不断地发展。数字信号处理理论也在不断地发展。(1)(1)自适应滤波、卡尔曼滤波、同态滤波等理论自适应滤波、卡尔曼滤波、同态滤波等理论逐步成熟和应用,以及各种快速算法。逐步成熟和应用,以及各种快速算法。(2)(2)声音与图像的压缩编码、识别与鉴别。声音与图像的压缩编码、识别与鉴别。(3)(3)加密解密,调制解调,信道辨别与均衡,智加密解密,调制解调,信道辨别与均衡,智能天线,频谱分析能天线,频谱分析等算法。等算法。1.3
10、 DSP1.3 DSP的应用的应用 诞生以来,已被广泛地应用在各个领域。当今的诞生以来,已被广泛地应用在各个领域。当今的DSPDSP应应用市场上,用市场上,通信设备和网络、多媒体技术通信设备和网络、多媒体技术等是最大等是最大的用户。从的用户。从DSPDSP的一个的一个最典型的应用手机最典型的应用手机,就可见,就可见DSPDSP的应用市场之大。的应用市场之大。主要应用:主要应用:(1 1)数字信号处理运算:数字信号处理运算:快速傅立叶变换(快速傅立叶变换(FFTFFT),),卷积,数字滤波,自适应滤波,相关,模式匹配,卷积,数字滤波,自适应滤波,相关,模式匹配,加密等。加密等。(2 2)通信:通
11、信:调制解调器,自适应均衡,数据加密,数调制解调器,自适应均衡,数据加密,数据压缩,扩频通信,纠错编码,传真,可视电话等。据压缩,扩频通信,纠错编码,传真,可视电话等。(3 3)网络控制及传输设备网络控制及传输设备:网络功能和性能的不断提:网络功能和性能的不断提高,如高,如视频信箱、交互式电视视频信箱、交互式电视等,要求更宽、更灵等,要求更宽、更灵活的传输带宽,实时传输和处理数据的活的传输带宽,实时传输和处理数据的网络控制器、网络控制器、网络服务器网络服务器和和网关网关都需要都需要DSPDSP的支持。的支持。(4 4)语音处理语音处理:语音编码,语音合成,语音识别,语语音编码,语音合成,语音识
12、别,语音邮件,语音存储音邮件,语音存储等。等。(5 5)电机和机器人控制电机和机器人控制:在单片内集成多个:在单片内集成多个DSPDSP处理处理器,可采用先进的神经网络和模糊逻辑控制等人工器,可采用先进的神经网络和模糊逻辑控制等人工智能算法。智能算法。机器人智能的视觉、听觉和四肢的灵活机器人智能的视觉、听觉和四肢的灵活运动运动必须有必须有DSPDSP技术支持。技术支持。(6 6)激光打印机、扫描仪和复印机激光打印机、扫描仪和复印机:DSPDSP不仅仅是控不仅仅是控制,还有繁重的数字信号处理任务,如制,还有繁重的数字信号处理任务,如字符识别、字符识别、图像增强、色彩调整图像增强、色彩调整等。等。
13、(7 7)自动测试诊断设备及智能仪器仪表、虚拟仪器自动测试诊断设备及智能仪器仪表、虚拟仪器:现代电子系统设备中,有近现代电子系统设备中,有近6060的设备及资金是用的设备及资金是用于测试设备,自动测试设备集高速数据采集、传输、于测试设备,自动测试设备集高速数据采集、传输、存储、实时处理于一体,是存储、实时处理于一体,是DSPDSP又一广阔应用领域。又一广阔应用领域。(8 8)图像处理:图像处理:二维、三维图形处理,图像压缩、传二维、三维图形处理,图像压缩、传输与增强,动画,机器人视觉,模式识别输与增强,动画,机器人视觉,模式识别等。等。(9 9)军事:军事:保密通信,雷达处理,导航,导弹制导。
14、保密通信,雷达处理,导航,导弹制导。如如机载空机载空-空导弹空导弹,内装有,内装有红外探测仪红外探测仪和和相应的相应的DSPDSP处理处理部分部分,完成目标的自动锁定与跟踪,完成目标的自动锁定与跟踪,战斗机上的战斗机上的目视目视瞄准器瞄准器和和步兵头盔式微光仪步兵头盔式微光仪,需要,需要DSPDSP完成图像滤波完成图像滤波与增强,智能化目标的搜索、捕获。与增强,智能化目标的搜索、捕获。(1010)自动控制自动控制:机器人控制,磁盘控制,自动驾驶,:机器人控制,磁盘控制,自动驾驶,声控,发动机控制等。声控,发动机控制等。(1111)医疗仪器医疗仪器:助听,诊断工具,超声仪,:助听,诊断工具,超声
15、仪,CTCT,核磁,核磁共振。共振。(1212)家用电器家用电器:数字电话,数字电视,音乐合成,音:数字电话,数字电视,音乐合成,音调控制,玩具与游戏,高保真音响,数字收音机、数调控制,玩具与游戏,高保真音响,数字收音机、数字电视等。字电视等。(1313)汽车:汽车:防滑刹车,引擎控制,伺服控制,振动防滑刹车,引擎控制,伺服控制,振动分析,安全气囊的控制器,视像地图等。分析,安全气囊的控制器,视像地图等。一辆现代一辆现代的高级轿车上的高级轿车上,有,有3030多处多处电子控制设备上用到了电子控制设备上用到了DSPDSP技术。技术。(1414)多媒体个人数字化产品多媒体个人数字化产品:数码相机,
16、:数码相机,MP3MP3,掌上,掌上电脑,电子辞典,数码录音笔,数码复读机等。电脑,电子辞典,数码录音笔,数码复读机等。1.4 DSP1.4 DSP与单片机、嵌入式微处理器的区别与单片机、嵌入式微处理器的区别DSP DSP、单片机以及嵌入式微处理器都是嵌入式家族的、单片机以及嵌入式微处理器都是嵌入式家族的一员。一员。最大区别最大区别是是DSPDSP能够高速、实时地进行数字信号处理运能够高速、实时地进行数字信号处理运算。算。数字信号处理运算的特点数字信号处理运算的特点是乘是乘/加及反复相乘加及反复相乘求和(乘积累加)。求和(乘积累加)。为了能快速地进行数字信号处理的运算为了能快速地进行数字信号处
17、理的运算,(1 1)DSPDSP设置了设置了硬件乘法硬件乘法/累加器累加器,(2 2)能在)能在单个指令周期内完成乘单个指令周期内完成乘/加运算加运算。(3 3)为满足)为满足FFTFFT、卷积等数字信号处理的特殊要求,、卷积等数字信号处理的特殊要求,目前目前DSPDSP大多在指令系统中设置了大多在指令系统中设置了“循环寻址循环寻址”及及“位倒序位倒序”寻址指令寻址指令和其他和其他特殊指令特殊指令,使得寻址、排,使得寻址、排序的速度大大提高。序的速度大大提高。DSPDSP完成完成10241024复点复点FFTFFT的运算,的运算,所需时间仅为微秒量级。所需时间仅为微秒量级。高高速速数数据据的的
18、传传输输能能力力是是DSPDSP高高速速实实时时处处理理的的关关键键之之一一。新新型型的的DSPDSP设设置置了了单单独独的的DMADMA总总线线及及其其控控制制器器,在在不不影影响响或或基基本本不不影影响响DSPDSP处处理理速速度度的的情情况况下下,作作并并行行的的数数据据传传送送,传传送送速速率率可可达达每每秒秒百百兆兆字字节节。DSPDSP内内部部有有流流水水线线,它它在在指指令令并并行行、功功能能单单元元并并行行、多多总总线线、时钟频率提高等方面不断创新和改进。时钟频率提高等方面不断创新和改进。因因此此,DSPDSP与与单单片片机机、嵌嵌入入式式微微处处理理器器相相比比,在在内内部部
19、功功能能单单元元并并行行、多多DSPDSP核核并并行行、速速度度快快、功功耗耗小小、完完成各种成各种DSPDSP算法算法方面尤为突出。方面尤为突出。单单片片机机也也称称微微控控制制器器或或嵌嵌入入式式控控制制器器,它它是是为为中中、低低成成本本控控制制领领域域而而设设计计和和开开发发的的。单单片片机机的的位位控控能能力力强强,I/OI/O接接口口种种类类繁繁多多,片片内内外外设设和和控控制制功功能能丰丰富富、价价格格低低、使使用用方方便便,但但与与DSPDSP相相比比,处处理理速速度度较较慢慢。DSPDSP具具有有的的高高速速并并行行结结构构及及指指令令、多多总总线线,单单片片机机却却没没有有
20、。DSPDSP处处理理的的算算法法的的复复杂杂度度和和大大的的数数据据处处理理流流量量更是单片机不可企及的。更是单片机不可企及的。嵌嵌入入式式微微处处理理器器的的基基础础是是通通用用计计算算机机中中的的CPUCPU(微微处处理理器器),是是嵌嵌入入式式系系统统的的核核心心。为为满满足足嵌嵌入入式式应应用用的的特殊要求,特殊要求,嵌入式微处理器虽然在功能上和标准嵌入式微处理器虽然在功能上和标准微微处处理理器器基基本本是是一一样样的的,但但在在工工作作温温度度、抗抗电电磁磁干干扰扰、可可靠靠性性等等方方面面一一般般都都做做了了各各种种增增强强。与与工工业业控控制制计计算算机机相相比比,嵌嵌入入式式
21、微微处处理理器器具具有有体体积积小小、质质量量轻轻、成成本本低低、可可靠靠性性高高的的优优点点,但但是是在在电电路路板板上上必必须须包包括括ROMROM、RAMRAM、总总线线接接口口、各各种种外外设设等等器器件件,从从而而降降低了系统的可靠性,技术保密性也较差低了系统的可靠性,技术保密性也较差。DSPDSP、单单片片机机以以及及嵌嵌入入式式微微处处理理器器三三者者各各有有所所长长,技技术术的的发发展展使使得得DSPDSP、单单片片机机、嵌嵌入入式式微微处处理理器器相互借鉴对方的优点,互相取长补短相互借鉴对方的优点,互相取长补短。1.5 DSP1.5 DSP的基本结构及主要特征的基本结构及主要
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