太原理工大学DSP课件第一章.ppt

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1、 DSP原理及应用原理及应用 主要内容主要内容n第一章第一章 概述概述n第二章第二章 DSP的硬件结构的硬件结构n第三章第三章 DSP的软件结构的软件结构n第四章第四章 DSP的开发环境与工具的开发环境与工具第一章第一章 概述概述 数字信号处理的定义和内容数字信号处理的定义和内容 数字信号处理的特点数字信号处理的特点 DSP芯片的应用芯片的应用 DSP系统的构成和分类系统的构成和分类 DSP芯片的选择芯片的选择数字信号处理的定义数字信号处理的定义 数字信号处理是利用计算机和专用的处理数字信号处理是利用计算机和专用的处理设备，以数字的形式对信号进行分析、采集、设备，以数字的形式对信号进行分析、采

2、集、合成、变换、滤波、估算、压缩、识别等加工合成、变换、滤波、估算、压缩、识别等加工处理，以便提取有用的信息并进行有效的传输处理，以便提取有用的信息并进行有效的传输与应用。与应用。数字信号处理的内容数字信号处理的内容 Digital Signal Processing数字信号处理数字信号处理数字信号处理器数字信号处理器Digital Signal Processor算法的研究算法的研究n算法的研究是指如何以最小的运算量和存储器算法的研究是指如何以最小的运算量和存储器的使用量来完成指定的任务，如的使用量来完成指定的任务，如20世纪世纪60年代年代出现的快速傅立叶变换（出现的快速傅立叶变换（FFT

3、），使数字信号），使数字信号处理技术发生了革命性的变化。近几年来，数处理技术发生了革命性的变化。近几年来，数字信号处理的理论和方法得以了迅速的发展，字信号处理的理论和方法得以了迅速的发展，并取得了很大的进步，为各种实时处理的应用并取得了很大的进步，为各种实时处理的应用提供了算法基础。提供了算法基础。数字信号处理的实现数字信号处理的实现在通用计算机上用软件来实现在通用计算机上用软件来实现在通用计算机上用软件来实现在通用计算机上用软件来实现 在通用计算机中加入专用的加速处理机实现在通用计算机中加入专用的加速处理机实现在通用计算机中加入专用的加速处理机实现在通用计算机中加入专用的加速处理机实现 用单

4、片机来实现用单片机来实现用单片机来实现用单片机来实现 用通用的可编程用通用的可编程用通用的可编程用通用的可编程DSPDSP芯片实现芯片实现芯片实现芯片实现 用专用的用专用的用专用的用专用的DSPDSP芯片实现芯片实现芯片实现芯片实现 用基于通用用基于通用用基于通用用基于通用DSPDSP核的核的核的核的ASICASIC芯片实现芯片实现芯片实现芯片实现 Why digital?（1）精度高）精度高n模拟系统的精度由元器件决定，模拟元器模拟系统的精度由元器件决定，模拟元器件的精度很难达到件的精度很难达到10-3以上。而数字系统以上。而数字系统的精度与的精度与A/D转换器的位数、计算机字长转换器的位数

5、、计算机字长有关，有关，17位字长精度就可达到位字长精度就可达到10-5，所以，所以在高精度系统中，有时只能采用数字系统。在高精度系统中，有时只能采用数字系统。Why digital?（2）灵活性大）灵活性大n在模拟系统中，当需要改变系统的应用时，不在模拟系统中，当需要改变系统的应用时，不得不重新修改硬件设计或调整硬件参数。而在得不重新修改硬件设计或调整硬件参数。而在数字信号处理中，通过运行不同数字信号处理数字信号处理中，通过运行不同数字信号处理的软件来适应不同的需要。例如，一个模拟滤的软件来适应不同的需要。例如，一个模拟滤波器一旦制造出来，其特性（如通带频率范围）波器一旦制造出来，其特性（如

6、通带频率范围）是不容易改变的，使用微处理器实现数字滤波是不容易改变的，使用微处理器实现数字滤波器，只需改变滤波的系数，对其重新编程就可器，只需改变滤波的系数，对其重新编程就可得到不同的滤波特性。得到不同的滤波特性。Why digital?（3）可靠性和可重复性强可靠性和可重复性强n模拟系统各参数都有一定的温度系数，模拟系统各参数都有一定的温度系数，易受环境条件，如温度、振动、电磁感易受环境条件，如温度、振动、电磁感应等影响，产生杂散效应甚至振荡等。应等影响，产生杂散效应甚至振荡等。数字系统只有两个信号电平数字系统只有两个信号电平0和和1，受噪，受噪声及环境条件影响小，因而可靠性高。声及环境条件

7、影响小，因而可靠性高。可重复性可重复性Amplify AAmplify BSignal generatorcomputer Acomputer B可靠性（抗噪声干扰）可靠性（抗噪声干扰）Why digital?（4）易于大规模集成）易于大规模集成n数字部件由于高度的规范性，对电路参数要求数字部件由于高度的规范性，对电路参数要求不严，因此便于大规模集成和生产，特别是不严，因此便于大规模集成和生产，特别是DSP器件，其体积小、功能强、功耗小、一致器件，其体积小、功能强、功耗小、一致性好、使用方便、性价比高。而模拟系统的集性好、使用方便、性价比高。而模拟系统的集成度不高，价格高。成度不高，价格高。W

8、hy digital?（5）可获得高性能指标）可获得高性能指标n由于数字信号处理的特点，可获得高性能指标。由于数字信号处理的特点，可获得高性能指标。例如，模拟频谱仪在频率低端只能分析到例如，模拟频谱仪在频率低端只能分析到10Hz以上的频率，且难于做到高分辨率（足够窄的以上的频率，且难于做到高分辨率（足够窄的带宽）。但在数字的谱分析中，已能做到带宽）。但在数字的谱分析中，已能做到10-3Hz的谱分析。又如，有限长冲激响应数字滤的谱分析。又如，有限长冲激响应数字滤波器可实现准确的线性相位特性，而这在模拟波器可实现准确的线性相位特性，而这在模拟系统中是很难达到的。系统中是很难达到的。We still

9、 need analog processing 数字信号处理也有局限性，在实时性和对高频数字信号处理也有局限性，在实时性和对高频信号的处理方面是数字信号处理是无法取代模信号的处理方面是数字信号处理是无法取代模拟信号处理的。拟信号处理的。实时性实时性n模拟系统：除开电路的延时外，处理是模拟系统：除开电路的延时外，处理是实时的。实时的。n数字系统：由计算机的处理速度决定。数字系统：由计算机的处理速度决定。高频信号的处理高频信号的处理n模拟系统：可以处理包括微波、毫米波模拟系统：可以处理包括微波、毫米波乃至光波信号。乃至光波信号。n数字系统：按照奈奎斯特准则的要求，数字系统：按照奈奎斯特准则的要求，

10、受受A/D和处理速度的限制。和处理速度的限制。模拟与数字信号的转换模拟与数字信号的转换n现实世界的信号绝大多数是模拟的（温现实世界的信号绝大多数是模拟的（温度、速度、压力等），转换成的电信号度、速度、压力等），转换成的电信号也是模拟的（电流、电压等），要实现也是模拟的（电流、电压等），要实现数字处理就必须进行转换。数字处理就必须进行转换。DSPDSP芯片的应用芯片的应用 (1)(1)信号处理信号处理如数字滤波、自适应滤波、快速傅立叶变换、如数字滤波、自适应滤波、快速傅立叶变换、相关运算、谱分析、卷积、模式匹配、加窗、波形产生等相关运算、谱分析、卷积、模式匹配、加窗、波形产生等 (2)(2)通信

11、通信如调制解调器、自适应均衡、数据加密、数据压缩、回如调制解调器、自适应均衡、数据加密、数据压缩、回波抵消、多路复用、传真、扩频通信、纠错编码、可视电话等波抵消、多路复用、传真、扩频通信、纠错编码、可视电话等 (3)(3)语音语音如语音编码、语音合成、语音识别、语音增强、说话如语音编码、语音合成、语音识别、语音增强、说话人辨认、说话人确认、语音邮件、语音存储等人辨认、说话人确认、语音邮件、语音存储等 (4)(4)图形图形/图像图像如二维和三维图形处理、图像压缩与传输、图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；像增强、动画、机器人视觉等；(5)(5)军事军事如保密通信

12、、雷达处理、声纳处理、导航、导弹制导等如保密通信、雷达处理、声纳处理、导航、导弹制导等(6)(6)仪器仪表仪器仪表如频谱分析、函数发生、锁相环、地震处理等；如频谱分析、函数发生、锁相环、地震处理等；(7)(7)自动控制自动控制如引擎控制、声控、自动驾驶、机器人控制、磁盘控制等如引擎控制、声控、自动驾驶、机器人控制、磁盘控制等 (8)(8)医疗医疗如助听、超声设备、诊断工具、病人监护等；如助听、超声设备、诊断工具、病人监护等；(9)(9)家用电器家用电器如高保真音响、音乐合成、音调控制、玩具与游戏、数如高保真音响、音乐合成、音调控制、玩具与游戏、数字电话字电话/电视等电视等 移动通信系统移动通信

13、系统The handset is not only used for voice communicationModemVoIP理想的软件无线电理想的软件无线电中频采样软件无线电中频采样软件无线电BPFLocal oscillatorBPFADCDSPaudioDigital videoLNADigital Camera Digital Camera汽车多媒体系统汽车多媒体系统DVD(Digital Video Disc)语音噪声消除语音噪声消除图像噪声去除图像噪声去除飞机驾驶模拟器飞机驾驶模拟器GPS(Global Position System)Radar/Sonar Cruise miss

14、ilePattern recognization Fingerprint distinguish DSP 系统的构成系统的构成 What is DSP Core?DSP系统设计过程Requirement of DSP Engineers is growing up rapidlyDSP芯片的种类（按基础特性分类芯片的种类（按基础特性分类）静态静态DSP 如果在某时钟频率范围内的任何时钟频率上，如果在某时钟频率范围内的任何时钟频率上，DSP芯片都能正常工作，除计算速度有变化外，没有性能芯片都能正常工作，除计算速度有变化外，没有性能的下降，这类的下降，这类DSP芯片一般称为静态芯片一般称为静态DS

15、P芯片芯片。例如例如美国美国TI公司的公司的TMS320C22x系列芯片。系列芯片。一致型一致型DSP 如果有两种或两种以上如果有两种或两种以上DSP芯片，它们的指令集、芯片，它们的指令集、相应的机器代码及管脚结构相互兼容，则这类相应的机器代码及管脚结构相互兼容，则这类DSP芯芯片称为一致型片称为一致型DSP芯片，例如美国芯片，例如美国TI公司的公司的TMS320C54系列芯片。系列芯片。DSP芯片的种类（按数据格式分类芯片的种类（按数据格式分类）F定点定点DSP 数据以定点格式工作的数据以定点格式工作的DSP芯片称为定点芯片称为定点DSP芯片。芯片。F浮点浮点DSP 以浮点格式工作的以浮点格

16、式工作的DSP芯片称为浮点芯片称为浮点DSP芯芯片片。DSP芯片的种类（按用途分类芯片的种类（按用途分类）F通用型通用型DSP 通用型通用型DSP芯片适合普通的芯片适合普通的DSP应用应用。F专用型专用型DSP 专用专用DSP芯片是为特定的芯片是为特定的DSP运算而应用，运算而应用，更适合特殊的运算，如数字滤波、卷积和更适合特殊的运算，如数字滤波、卷积和FFT。DSP芯片的选择芯片的选择 nDSP芯片的运算速度芯片的运算速度 指令周期：即执行一条指令所需的时间，指令周期：即执行一条指令所需的时间，通常以通常以ns（纳秒）为单位。（纳秒）为单位。MAC时间：即完成一次乘法时间：即完成一次乘法-累

17、加运算所累加运算所需要的时间。需要的时间。FFT执行时间：即运行一个执行时间：即运行一个N点点FFT程序程序所需的时间。所需的时间。MIPS：即每秒执行百万条指令；：即每秒执行百万条指令；MOPS：即每秒执行百万次操作；：即每秒执行百万次操作；MFLOPS:即每秒执行百万次浮点操作；即每秒执行百万次浮点操作；BOPS：即每秒执行十亿次操作。：即每秒执行十亿次操作。DSP芯片的选择芯片的选择nDSP芯片的价格芯片的价格 DSP芯片的价格也是选择芯片的价格也是选择DSP芯片所需考虑芯片所需考虑的一个重要因素。若采用价格昂贵的的一个重要因素。若采用价格昂贵的DSP芯片，芯片，即使性能再高，其应用范围

18、也会受到一定的限即使性能再高，其应用范围也会受到一定的限制。因此，芯片的价格是制。因此，芯片的价格是DSP应用产品能否规应用产品能否规模化、民间化的重要决定因素。不过，由于模化、民间化的重要决定因素。不过，由于DSP芯片发展迅速，芯片发展迅速，DSP芯片的价格往往下降芯片的价格往往下降较快。因此，在系统的开发阶段，可选用某种较快。因此，在系统的开发阶段，可选用某种价格稍贵的价格稍贵的DSP芯片，等到系统开发完毕后，芯片，等到系统开发完毕后，其价格可能已经下降很多。其价格可能已经下降很多。DSP芯片的选择芯片的选择n定点定点DSP与浮点与浮点DSP的选择的选择 定点定点DSP芯片芯片 的字长通常

19、为的字长通常为16位，但有些位，但有些公司的定点芯片为公司的定点芯片为24位。浮点芯片的字长一般位。浮点芯片的字长一般为为32位，累加器为位，累加器为40位。虽然合理地设计系统位。虽然合理地设计系统算法可以提高和保证运算精度，但需要相应地算法可以提高和保证运算精度，但需要相应地增加程序的复杂性和运算量。通常在算法确定增加程序的复杂性和运算量。通常在算法确定后折中考虑。后折中考虑。DSP芯片的选择芯片的选择nDSP芯片的硬件资源芯片的硬件资源 不同的不同的DSP芯片所提供的硬件资源是不相芯片所提供的硬件资源是不相同的，如片内同的，如片内RAM、ROM的数量，外部可扩的数量，外部可扩展的程序和数据

20、空间，总线接口，展的程序和数据空间，总线接口，I/O接口等。接口等。即使是同一系列的即使是同一系列的DSP芯片，不同型号的芯片，芯片，不同型号的芯片，其内部硬件资源也有所不同。其内部硬件资源也有所不同。DSP芯片的选择芯片的选择nDSP芯片的开发工具芯片的开发工具 快捷、方便的开发工具和完善的软件支持是开发大快捷、方便的开发工具和完善的软件支持是开发大型、复杂型、复杂DSP应用系统的必备条件。如果没有开发工应用系统的必备条件。如果没有开发工具的支持，要想开发一个复杂的具的支持，要想开发一个复杂的DSP系统是不可能的。系统是不可能的。所以，在选择所以，在选择DSP芯片的同时必须注意其开发工具的芯

21、片的同时必须注意其开发工具的支持情况，包括软件和硬件的开发工具等。近几年来，支持情况，包括软件和硬件的开发工具等。近几年来，各大各大DSP厂商已经重视并努力解决这一问题。如厂商已经重视并努力解决这一问题。如TI公公司推出的司推出的Code Composer Studio集成开发环境、集成开发环境、exPressDSP实时软件技术、实时软件技术、DSP/BIOS和和TMdDSP算法标准为用户快速开发实时、高效的应用系统提供算法标准为用户快速开发实时、高效的应用系统提供了帮助。了帮助。DSP芯片的选择芯片的选择nDSP芯片的功耗芯片的功耗 在某些在某些DSP应用场合，功耗也是一个需要应用场合，功耗

22、也是一个需要特别注意的问题。如便携式的特别注意的问题。如便携式的DSP设备、手持设备、手持设备、野外应用的设备、野外应用的DSP设备等都对功耗有着特设备等都对功耗有着特殊的要求。目前，殊的要求。目前，3.3V供电的低功耗高速供电的低功耗高速DSP芯片已大量使用。芯片已大量使用。DSP芯片的选择芯片的选择n其他因素其他因素 选择选择DSP芯片还应考虑封装的形式、质量标准、供芯片还应考虑封装的形式、质量标准、供货情况、生命周期等。货情况、生命周期等。通常情况下，定点通常情况下，定点DSP芯片的价格较便宜，功耗较芯片的价格较便宜，功耗较低，但运算精度稍低。而浮点低，但运算精度稍低。而浮点DSP芯片的优点是运算芯片的优点是运算精度高，但价格稍贵，功耗也较大。例如精度高，但价格稍贵，功耗也较大。例如TI公司的公司的TMS320C2/54系列属于定点系列属于定点DSP芯片，低功耗和低成芯片，低功耗和低成本是其主要的特点。而本是其主要的特点。而TMS320C3X/C4X/C67X属于浮属于浮点点DSP芯片，运算精度高，用芯片，运算精度高，用C语言编程方便，开发周语言编程方便，开发周期短，但同时其价格和功耗也相对较高。期短，但同时其价格和功耗也相对较高。