基于DSP的FFT实现【实用文档】doc.doc

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1、基于DSP的FFT实现【实用文档】doc文档可直接使用可编辑，欢迎下载课程设计(论文）题 目名称基于SP的FF的实现课 程 名称专业课程设计学生姓名学号系 、专 业信息工程系通信工程指导教师24 年4月27 日摘要随着计算机和微电子技术的飞速发展,基于数字信号处理的频谱分析已经应用到各个领域并且发挥着重要作用。信号处理方法是当前机械设备故障诊断中重要的技术基础之一，分析结果的精确程度是诊断成功与否的关键因素。研究频谱分析是当前主要的发展方向之一.数字信号处理基本上从两个方面来解决信号的处理问题:一个是时域方法,即数字滤波；另一个是频域方法，即频谱分析.本文主要介绍了离散傅里叶变换以及快速傅里叶

2、变换，通过对FT以及FFT算法进行研究,从基础深入研究和学习，掌握FT算法的关键。通过对DSP芯片工作原理以及开发环境的学习，掌握CCS的简单调试和软件仿真，在DP芯片上实现对信号的实时频谱分析。关键字:S;CS仿真软件；FFT目 录第1章 绪论 SP简介1。设计目的1。3设计内容14设计原理11.5FT算法的D实现过程第2章 硬件实现421系统的硬件设计4。原理图的设计第3章 软件设计73.T运算及存储分配32设计流程图第章系统仿真4.1 FFT实现的方法94程序运行结果第5章 总结12致 谢13参考文献4附录 源程序15第章绪论1DSP简介数字信号处理（Digital Signal Pcs

3、sig，简称DSP）是一门涉及许多学科而又广泛应用于许多领域的新兴学科。数字信号处理是利用计算机或专用处理设备,以数字的形式对信号进行分析、采集、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与应用。数字信号处理是以众多学科为理论基础，它所涉及的范围极其广泛。如数学领域中的微积分、概率统计、随机过程、数字分析等都是数字信号处理的基础工具.它与网络理论、信号与系统、控制理论、通信理论、故障诊断等密切相关.1。设计目的（)加深对DFT算法原理和基本性质的理解；()熟悉FT的算法原理和FFT子程序的算法流程和应用;（3)学习用T对连续信号和时域信号进行频谱分析的方法

4、;(4)学习DP中FFT的设计和编程思想;（5）学习使用CC的波形观察器观察波形和频谱情况；(6）简要画出硬件设计电路图。1.设计内容用DP汇编语言进行编程,实现FT运算，对输入信号进行频谱分析。1.4设计原理快速傅氏变换(FT）是一种高效实现离散傅氏变换的快速算法,是数字信号处理中最为重要的工具之一，它在声学、语音、电信、和信号处理等领域有着广泛的应用。对于有限长离散数字信号n, n 1，其离散谱xk可以由离散付氏变换(DFT）求得.可以方便的把它改写为如下形式：不难看出，WN是周期性的,且周期为，即N的周期性是T的关键性质之一。为了强调起见,常用表达式WN取代W以便明确其周期是N。FFT算

5、法可以分为按时间抽取FFT和按频率抽取FT两大类，输入也有和复数之分，一般情况下，都假定输入序列为复数。F算法利用旋转因子的对称性和周期性,加快了运算速度。用定点DSP芯片实现FT程序时，一个比较重要的问题是防止中间结果的溢出，防止中间结果的溢出的方法是对中间数值归一化。为了避免对每级都进行归一化会降低运算速度,最好的方法是只对可能溢出的进行归一化,而不可能溢出的则不进行归一化。由FT的定义可以看出,在xn为复数序列的情况下，完全直接运算N点DFT需要（N）2次复数乘法和N(N1）次加法。因此，对于一些相当大的N值(如04）来说,直接计算它的T所作的计算量是很大的。FF的基本思想在于，将原有的

6、点序列序列分成两个较短的序列,这些序列的DFT可以很简单的组合起来得到原序列的D。例如，若N为偶数，将原有的点序列分成两个（N/）点序列,那么计算N点DT将只需要约(N/2）2 2=2/2次复数乘法。即比直接计算少作一半乘法。因子（N/2）2表示直接计算（N/2)点DFT所需要的乘法次数，而乘数2代表必须完成两个FT.上述处理方法可以反复使用，即(N/2）点的DFT计算也可以化成两个（N/4）点的DF(假定2为偶数），从而又少作一半的乘法.这样一级一级的划分下去一直到最后就划分成两点的FFT运算的情况。15 F算法的DSP实现过程DS芯片的出现使FFT的实现方法变得更为方便。由于大多数SP芯片

7、都具有在单指令周期内完成乘法-累加操作，并且提供了专门的FFT指令，使得T算法在DP芯片实现的速度更快.FT算法可以分为按时间抽取FT和按频率抽取T两大类，输入也有实数和复数之分，一般情况下,都假定输入序列为复数。1。5.FT运算序列的存储分配FFT运算时间是衡量DSP芯片性能的一个重要指标，因此提高FFT的运算速度是非常重要的。在用P芯片实现T算法时,应允许利用P芯片所提供的各种软、硬件资源。如何利用DS芯片的有限资源，合理地安排好所使用的存储空间是十分重要的。.5。FT运算的实现用TMS320C5的汇编程序实现FT算法主要分为四步：(）实现输入数据的比特反转输入数据的比特反转实际上就是将输

8、入数据进行码位倒置，以便在整个运算后的输出序列是一个自然序列。在用汇编指令进行码位倒置时,使用码位倒置可以大大提高程序执行速度和使用存储器的效率。在这种寻址方式下,AR存放的整数是FFT点的一半,一个辅助寄存器指向一个数据存放的单元。当使用位码倒置寻址将AR加到辅助寄存器时,地址将以位码倒置的方式产生。（2)实现N点复数FN点复数FT算法的实现可分为三个功能块,即第一级蝶形运算、第二级蝶形运算、第三级至级蝶形运算。对于任何一个2的整数幂,总可以通过M次分解最后成为点的DF计算。通过这样的次分解,可构成M（即)级迭代计算，每级由N/2个蝶形运算组成。(3)功率谱的计算用FF计算想x（n)的频谱，

9、即计算X(）=X（k）一般是由实部（k）和虚部（)组成的复数,即X（k)=(k）j(）因此，计算功率谱时只需将FFT变换好的数据,按照实部实部（k)和虚部(）求它们的平方和,然后对平方和进行开平方运算.但是考虑到编程的难度,对于求T变换后数据的最大值，不开平方也可以找到最大值，并对功率谱的结果没有影响,所以在实际的DP编程中省去了开方运算。第2章硬件实现2.1系统的硬件设计基于DS的系统设计过程中，最小系统的设计是整个系统设计的第一步，系统设计总是从最小系统开始，逐步向系统应用范围扩展，最终以为核心的大系统的设计。因此最小系统设计SP设计的关键.D最小系统的设计包括DS电源和地线的设计，JTA

10、G仿真口的设计、复位和时钟电路的设计、上拉和下拉引脚的设计等。TMS320C54X锁相环电路、指示灯、 滤波电路时钟复位电路TPS7333Q电源模块RAM存储模块JTAG仿真电路图1。1最小系统的设计芯片介绍（）该模块上的资源有32千字FLASH；（2)千字ARAM,44字DARM，外扩64千字的程序ROM,6千字的数据RM；（3）两个事件管理器EVA和EVB；(4）可扩展外部存储器总共K字空间：6程序存储器,字数据存储器空间，64字IO寻址空间;（5）看门狗定时模块;(）1位A/转换器；(7）控制局域网络CA模块，串行通信接口SCI模块;（8）16位串行外设SPI接口模块；（9)基于锁相环的

11、时钟发生器；(10）高达40个可单独编程或复用的通用输入输出引脚GI；（1)5个外部中断;（12)电源管理包括种低功耗模式,能独立地将外设器件转入低功耗工作模式;22原理图的设计DP最小系统的设计包括DP电源设计，JTA仿真口的设计、复位和时钟电路的设计、上拉和下拉引脚的设计等2。2。1电源电路的设计电源电路的选择是系统设计的一个重要的部分，设计好坏对系统的影响最大。首先需要注意的是，为了减少电源噪声和互相干扰,数字电路和模拟电路一般要独立供电,数字地和模拟地也要分开，并最终通过一个磁珠在一点连在一起，用TPS733Q进行3.3V电压的转换对最小系统供电图2.。1 电源电路.22复位电路设计T

12、32054内部带有复位电路,因此可以直接R复位引脚外面接一个上拉电阻即可,这对于简化外围电路，减少电路板尺寸很有用处，但是为了调试方便经常采用手动复位电路.2。3锁相环电路设计图2。2 锁相环电路22。JT口JAG是int est AcoGrup的简称，又称JTAG口，它是一符合IEE St 1149。边界扫描逻辑标准的标准接口.它主要用于在硬件上对DS进行实时在线仿真测试和SP程序的下载，它提供对所连接设备的边界扫描，同时也可以用来测试引脚到引脚的连续性，以及进一步进行DP芯片的外围器件的操作测试.第3章软件设计3.1 FT运算及存储分配（1)DSP芯片的出现使FFT的实现方法变得更为方便，

13、由于大多数DSP芯片都具有在单指令周期内完成乘法-累加的操作，并提供了专门的FFT指令，使得FFT算法在SP的实现速度更快。一般，的算法可分为按时间抽取FT和按频率抽取F，输入也有实数和复数之分，一般情况下都假定输入是复数序列。（）FFT运算序列的存储分配FT运算时间是衡量DS芯片性能的一个重要指标,因此提高FT的运算速度是非常重要的。在用SP芯片实现F算法时,应允许利用SP芯片所提供的各种软、硬件资源。如何合理的利用P芯片的有限资源,合理的安排DSP芯片所提供的存储空间相当关键.本设计采用如下所示的存储分配：图。1数据空间分配图3。2设计流程图DSP初始化串口设置AD设置设置信号源类型、频率

14、幅值、和采样点数串口接收，AD采样位码倒置FFT运算功率谱计算串口发送转换结果观看转换结果，保存数据图3。2程序流程图第4章系统仿真.1FFT实现的方法(）根据N值，修改rft_taskas中的两个常数，如N=64。K_FFTIZ。st 64KLGN set 6（2)准备输入数据文件inat。输入数据按实部、虚部,实部、虚部，顺序存放。(3）汇编、链接、仿真执行，得到输出数据文件ouda。（4)根据out。da作图,就可以得到输入信号的功率谱图.当N超过024时，除了修改K_FT_IZE和_LOGN两个常数外，还要增加系数并且修改rft_task.cmd命令文件。通过dtapjt完成一个64点

15、FT程序,输入信号为一正弦波。操作步骤如下:（）进入CCS环境。（2）打开CCS选择ew-Sure ile。(3)编写源程序代码。（）创建工程文件。(5）点击Prje选择u Optons。(6）在弹出的对话框在设置相应的编译参数，一般情况下,按默认值就可以.(7)在弹出的对话框中选择连接的参数设置,设置传输文件、堆栈的大小以及初始化的方式。（8）点击PjectBuild l，对工程进行编译。(9）点击Filela program,弹出的对话框中载入ebug文件夹下的.ut可执行文件。(10)点击dbug-o ain回到C程序的入口。（11)运行程序,观察结果。2程序运行结果验证输入数据波形,设

16、置参数：SatAdres=0x20，Pa=Dat,AqisiionBufee=4，Diplay Data Sze64,DS Data Tpe=32-bit sned neger 点击OK，就可以看到输入数据波形：图42。输入数据波形全速运行程序，看输出结果,设置波形对话框参数：tart dres=0280，age=Dat,Aquisitionufer Sie=64，isplay DaSze=，DSPDat Type=16-bit sied intgr点击O,就可以看到FFT输出结果:图.2 FFT输出结果第5章 总结在本次课程设计中,我、XX、XXX三人一组.XXX负责硬件设计部分,XXX负责

17、软件设计部分，我负责系统仿真及论文的编写。在系统仿真时我们需要在实验箱上设置信号源，信号源的幅度应该设在10左右,信号的频率设在300左右,电压偏移设为，通道设为0。在论文编写的过程中,我首先对本次课程设计进行了总体设计，然后根据X、XXX和我各自负责的内容进行汇总编排。通过本次课程设计我发现DS应用型很强,许多的原理,程序看似简单,真正去做才知道知识并没有自己想象的那样扎实.从而懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来,从理论中得出结论,才能真正为社会服务,从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力.树立了对自己工作能力的信心,相信会对

18、今后的学习工作生活有非常重要的影响。而且大大提高了动手的能力，使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦。本次设计也让我明白了思路即出路,有什么不懂不明白的地方要及时请教或上网查询，只要认真钻研，动脑思考，动手实践，就没有弄不懂的知识,收获颇丰.致 谢在此次设计中,老师作为我的指导老师,至始至终都给予我了不少帮助,从下任务书开始，就帮我制定规划，提醒我应注意的问题，借给我资料和实验器材，和我一起调程序，并提出了很多的修改意见以及完善方案。此外还认真批阅了我的论文,指出其中很多瑕疵和不清晰的地方，更重要的是在我遇到困难时对我的鼓励，让我不懈怠、不退缩、也让我更有信心，可以说我的每一点进

19、展都与黄老师的付出是分不开的.当然还在此，我向身边关心我的老师、同学致以诚挚的谢意!有其他老师和同学都帮了我不少忙,在此不再赘述。谨祝老师们工作顺利，万事如意，桃李满天下；同学们学业有成，前程似锦!参考文献戴明桢等编著TMS304X P 结构原理及应用北京:航空航天大学出版社，第版，2007;2彭启琮编著DP技术的发展与应用.北京：高等教育出版社，2002;3胡广书编著数字信号处理理论、算法与实现。北京:清华大学出版社,205;4黄席椿、高顺良编著。滤波器综合法设计原理北京：人民邮电出版社,18；5沈永欢梁在中等编著。实用数学手册。北京：科学出版社,20；程佩青编著.数字滤波与快速傅里叶变换.

20、北京：清华大学出版社,19；7北京合众达电子技术有限公司编著。SED-D系列实验手册.北京合众达电子技术有限公司出版，007.附录 源程序#include ”tdio。inlue ”math.hain（) nt i; lat 256； FE*fp;f(（fpopn（”d:tms204indat, ”wt）=NLL) prntf（cantpe le！n）; xit（0）；or(i0；=255;i+) fin（23。11926*/256。0); fpintf（fp，。wr dn”，(log)（i4)）;clos(f)；将生成的数据文件复制到目标系统存储器的语句为 d_nput 。py sindat

21、汇编语言程序： .ile ff.as mrg ncl oefinc” nclde inn” de tane： .se ”sine，12cse： 。usec ”cosine”,51ftdata： .se ”f_aa，12fft_ot： .set fft_out,5 TAC .usect STCK,10K_DATA_DX1 .set 2K_TA_IDX_2 。set 4K_DA_IX_ set8KIDTBL_IZE .set12K_WDX set 12K_YCONT set K_FTSIZ se 64 K_LGN s 6 PA .et 0s d_twid_id,1 ss d_da_i，1 。bss

22、 dgrps_cnt, sect ”ft_prg” 2，REORER .asg 3，RIGINALIPUT sg R7,DTA_PR_B start: SBX FCT SM TCK+10，SP SM #sine,AR1 PT 11 VPD #sne1,*R1+ STM csine,AR1 RT 1 MVPD osine1，*AR1 STM #dnput，OIGINAL_INPUT ST ft_daa，ATA_POCBUF MV DATA_PROCU,EORRD SM #K_FT_SIZE1,B RPTB i_rev_1 #_FTSIZ,AR0 MVDOINA_PUT+,*REORDERED+

23、MDD ORIAL_-，REORDERED+ MAR *ORIIALIPT0 t_rv_end： .sg AR,GROUP_COUNER 。asg AR2，PX 。 R3，X 。asg AR4,W .s , asg AR6,BUTTERYCOUTER .asg AR7,TG_CONER TM ,BK LD 1,M TM fft_dat,PX SM fata+K_DATIDX_,QX STM K_FFTIZE/21,BRC LD P，1，A PTB stg1end1 SM K_DAT_DX_1+1，AR0 SUB QX，6，A， A ,6,A TH A,ASM，*P+ B,*QX+ |LD *P

24、X， S X，1,A,B ADD QX,16，A T A，AS，*+0 T B，*QX+0 LD *X，A ageed： STM ff_ata,PX ST fft_dt+_DTA_IX_,QX STM FT_Z/4-1,BRC LD P,16，A RBD tag2nd TM _DATA_I2+1，A0 B Q，6， AD QX，6,A A,SM,* ST ,*QX+ |L PX,A SU QX，6，A,B ADD Q，1,A TH ，ASM，X SH ，AS,Q+ R QX+ ADD PX，QX，A SUB PX，*QX-,B S A，ASM,PX S *PX，Q，A ST ，Q LD Q+,

25、B A,*PX |ADD P+0，A ST A,*X+0% |LD PX， sgend: STM #K_TID_LSIZE,BK ST #K_WI_，dtw_id K_TWID_IDX_,A0 TM coin，WR STM #ine，WI STM K_ON2-，STAGE_CONER ST #K_FFSI/8-1，d_ps_t STM K_LY_COUNT_31，BUTTERFLY_COUNTR T #K_DA_IDX_3，d_data_id ste: TM #_ata，PX LD daa_id， ADD （X）,A LM A,Q MVDK d_grps_n,ROU_COTER grou: M

26、VMD BUTTERFLY_COUNE，RC RPTD buerflynd LD *WR，T PY QX+，A MC 0%,*,A AD PX,6,A,B ；B：=(QRWR+QI*WI)+R ST B，X ；PR：=（QR*WR+WI)+PR)/2 U *X+，B ST B, M QX，A MAS Q,W+0%，A ADD PX，16，A,B ST B，*QX+ |U *P，B L *W，T T B,*PX+ MPY QX+，A btterflynd:PSM 0 MVDK d_dt_idx，AR0MAR *P+0 MAR *QX+0 BANZD rup，GOU_COUNTER OP AR0 MR Q LD _data_d，A SUB 1，,B STM B,UTTERFLY_CNE STL A，1，_data_ix LD d_grsct， TL A，AS，d_rps_cn D widix,A STL A,S,d_twid_idx BAN tge,STAGE_CUNER VK dtwid_id,R fted: TM fft_dta，AR2 TM fftdt，AR3 ST #ft