DSP原理与应用论文

信息科学与工程学院

电子信息工程

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DSP 的发展及应用

一、DSP 数字信号处理器的发展

步入21世纪之后,社会进入数字化的时代,而数字信号处理器( digital signal processor)正是这场数字化革命的核心。从20世纪60年代数字信号处理理论的崛起, 到20世纪80年代世界上第一个单片可编程DSP芯片产生以来, 数字信号处理器的发展迅猛异常。

数字信号处理是利用专用或通用数字信号处理芯片,通过数字计算的方法对信号进行处理。与模拟信号处理相比, 数字信号处理具有精确,灵活,抗干扰能力强,可靠性好和易于大规模集成等特点。DSP 系统以数字信号处理为基础,与模拟信号处理系统相比,其优点:

a. 接口简单、方便。由于数字信号的电气特性简单,不同的DSP系统相互连接时,在硬件接口上容易实现；

b. 精度高,稳定性好。数字信号处理仅受量化误差和有限字长的影响,处理过程不引入其他噪声,因此有较高的信噪比。另外模拟系统的性能受元器件参数性能影响较大,而数字系统基本不变,因此数字系统更便于测试、调试及批量生产;

c. 编程方便,容易实现复杂的算法。在DSP系统中,DSP芯片提供了一个高速计算平台,系统功能依赖于软件编程实现。当其与现代信号处理理论和计算数学相结合时,可以实现复杂的信号处理功能;

d. 集成方便。现代DSP芯片都是将DSP芯核及其外围电路综合集成在单一芯片上。这种结构便于设计便携式高集成度的数字产品。

现代DSP芯片作为可编程超大规模集成(VLSI) 器件,通过可下载的软件或固件来实现数字信号处理功能。DSP芯片除具有普通微处理器的高速运算和控制功能外,还针对高数据传输速率,数值运算密集的实时数字信号处理,在处理器结构,指令系统,和指令流程设计上做了较大改动。其结构特点有: 1. DSP 芯片普遍采用改进的哈佛结构,即数据总线和程序总线相互分离,这使得处理指令和数据可以同时进行,提高了处理效率；2 DSP 芯片大多采用流水线技术,即每条指令的执行划分为取指,译码,取数等若干步骤,由片内多个功能单元分别完成。这相当于多条指令并行执行,从而大大提高了运行速度。3. 片内有多条总线可以同时进行取指和取操作数动作,并且有辅助寄存器自动增减地址协助寻址。4. 配有独立的乘法器、加法器和特殊指令,适用于需要大量乘累加器操作的矩阵运算,FFT ,Viterbi译码和相关的专用信号处理运算。e. 大多数DSP 芯片一

般都带有DMA控制器, 外部存储器,外部存储器扩展接口,串行通信,配合片内多总线结构,可以实现大吞吐量数据传送。5. DSP芯片一般配有中断处理器、定时器,片内存储器和锁相环( PLL)等片内集成外设,可以方便的实现一个嵌入式自封闭控制的处理系统。6. 省电管理和低功耗。适于便携式数字终端设备。

二、DSP器件的分类

DSP[器件按设计要求可以分为两类。第一类，应用领域为廉价的、大规模嵌入式应用系统，如手机、磁盘驱动(DSP用作伺服电机控制)以及便携式数字音频播放器等。在这些应用中价格和集成度是最重要的考虑因素。对于便携式电池供电的设备，功耗也是一个关键的因素。尽管这些应用常常需要开发运行于DSP的客户应用软件和外围支持硬件，但易于开发的要求仍然是次要的因素，因为批量生产可以分摊开发成本，从而降低单位产品的开发成本。另外一类是需要用复杂算法对大量数据进行处理的应用，例如声纳探测和地震探测等，也需要用DSP器件。该类设备的批量一般较小、算法要求苛刻、产品很大而且很复杂。所以设计工程师在选择处理器时会尽量选择性能最佳、易于开发并支持多处理器的DSP器件。有时，设计工程师更喜欢选用现成的开发板来开发系统而不是从零开始硬件和软件设计，同时可以采用现成的功能库文件开发应用软件。

三、DSP 数字信号处理器的应用

DSP芯片性价比的不断提高以及数字化产品、Internet和计算机的不断普及,使DSP的应用范围不断扩大。DSP的应用几乎遍及整个电子领域,其中3

G( communication ,comput2er ,consumer) 领域占整个市场需求的90 %。常见的应用有:

a. 通用数字信号处理,包括数字滤波、FFT、自适应滤波、模式匹配等;

b. 通信,包括高速MODEM、自适应均衡器、传真、数字留言机、程控交换、数字基站、可视电话、FDMAΠ TDMAΠ CDMA 制式移动电话、卫星通信设备、保密通信设备、IP 电话数字广播和软件无线电等;

c. 家用计算机。包括高速大容量硬盘、语音识别与合成、计算机加速卡、扫描仪、阵列处理机和多媒体处理等;

d. 语音处理。包括语音编码,语音识别与合成,人声识别,矢量编码和语音信箱等;

e. 图像、视频处理。包括图像变换、图像处理、图像压缩等;

f. 军事用途。雷达探测、雷达成像、声纳信号处理、加密通信和电子对抗等;

g. 航空航天。包括虚拟训练设备、自动驾驶、GPS、故障记录和分析设备等;

可以预见,随着DSP芯片性价比的提高和数字信号处理技术的不断发展,DSP芯片将会在更广阔的领域得到应用。DSP芯片可分为定点DSP芯片、浮点DSP芯片两大类。这是根据DSP 芯片工作的数据格式来分类的。数据以定点格式工作的DSP芯片称为定点DSP 芯片, 如TI 公司的TMS320C2000系列,TMS320C5000系列,TMS320C6000系列等,数据以浮点格式工作的称为浮点DSP芯片,如TI公司的TMS320C3X4X,TMX320C6000系列Π中的TMS320C67XX等。此外,按DSP 芯片的用途来分,可分为通用型DSP 芯片和专用型DSP 芯片。专用型DSP芯片已将算法固化在芯片中,完成特定功能。我们现在使用的芯片主要是TI 公司的TMS320C5000 系列和TMS320C6000 系列, 其中TMS320C5000系列目前包括TMS320C54x系列和

TMS320C55x系列两大类。这两类芯片软件完全兼容,所不同的是TMS320C55x 具有更低的功耗和更高的性能。TMS320C54x系列是为实现低功耗, 高性能而专门设计的定点DSP芯片,主要应用在无线通信等领域。

四、Code Composer Studio ( CCS) 的简介

Code Composer Studio 简称CCS,是TI公司推出的为开发TMS320系列DSP软件的集成开发环境( IDE)。CCS工作在Windows操作系统下,类似于VC + +的集成开发环境,采用图形接口界面,提供有编辑工具和工程管理工具。它将诸如汇编器、链接器、Π + + 编译器、CC 建库工具等集成在了一个统一的开发平台中。CCS 所集成的代码调试工具具有各种调试功能,包括了原TI公司提供的C源代码调试器和模拟器所具有的所有功能。能对TMS320 系列DSP 进行指令级的仿真和进行可视化的实时数据分析。此外,还提供了丰富的输入Π出库函数和信号处理的库函数,极大的方便了TMS320系列DSP软件的开发过程。

1、CCS 集成开发环境,包括编辑器、工程管理工具、调试工具等;

2、用CCS 的软件开发流程CCS IDE 支持的DSP 软件开发的各个阶段如下:

a. 设计—总体设计;

b. 代码生成—创建工程、编写源代码、配置文件;

c. 调试—语法检查、程序调试;

d. 分析—实时调试、统计分析、跟踪分析；

3、CCS 系统配置为了使用CCS,必须首先完成以下工作:

a. 按照具体使用的模拟器或仿真目标板的产品说明,安装目标板和驱动软件;

b. 按CCS 的产品说明安装CCS ;

c. 创建CCS系统配置,为CCS 配置结构文件；

4、利用CCS 入门指南在完成CCS安装和系统配置后,可运行CCS入门指南(CCS Tutorial) 。

该指南可用来了解CCS 的各种特色,包括新版本更新的内容。它还提供了许多基本过程的信息。因此,好好利用、认真学习其入门指南,是您快速深入掌握利用CCS开发DSP的最佳路径；

5、CCS 中的文件和变量在使用CCS 之前,先对CCS使用的文件夹、文件的CCS类型和CCS

使用的环境变量作一些说明；

五、DSP处理器存在四种发展趋势：

1、系统级集成DSP是潮流

缩小DSP芯片尺寸始终是DSP的技术发展方向。当前的DSP多数基于RISC（精简指令集计算）结构，这种结构的优点是尺寸小、功耗低、性能高。各DSP厂商纷纷采用新工艺，改进DSP芯核，并将几个DSP芯核、MPU芯核、专用处理单元、外围电路单元、存储单元统统集成在一个芯片上，成为DSP系统级集成电路。TI公司的TMS320C80代表当今DSP领域中的最高水平，它在一块芯片上集成了4个DSP、1个RISC处理器、1个传输控制器、2个视频控制器。这样的芯片通常称之为MVP（多媒体视频处理器）。它可支持各种图像规格和各种算法，功能相当强。

2、可编程DSP是主导产品

可编程DSP给生产厂商提供了很大的灵活性。生产厂商可在同一个DSP平台上开发出各种不同型号的系列产品，以满足不同用户的需求。同时，可编程DSP也为广大用户提供了易于升级的良好途径。人们已经发现，许多微控制器能做的事情，使用可编程DSP将做得更好更便宜。例如冰箱、洗衣机，这些原来装有微控制器的家电如今已换成可编程DSP来进行大功率电机控

制。据统计，去年的可编程DSP销售额占了整个DSP市场的40%份额，预计今后的比重将逐年增大，到2001年可望占据整个DSP销售额的半边江山。

3、追求更高的运算速度

目前一般的DSP运算速度为100MIPS，即每秒钟可运算1亿条指令。但仍嫌不够快。由于电子设备的个人化和客户化趋势，DSP必须追求更高更快的运算速度，才能跟上电子设备的更新步伐。DSP运算速度的提高，主要依靠新工艺改进芯片结构。目前，TI的TM320C6X芯片由于采用VLIW（Very Long Instruction Word超长指令字）结构设计，其处理速度已高达2000MIPS，计划今年年中批量生产，这是迄今为止的最高速度。当前DSP器件大都采用

0.5μm--0.35μmCMOS工艺，按照CMOS的发展趋势，DSP的运算速度再提高100倍（达到1600GIPS）是完全有可能的。

4、定点DSP是主流

从理论上讲，虽然浮点DSP的动态范围比定点DSP大，且更适合于DSP的应用场合，但定点运算的DSP器件的成本较低，对存储器的要求也较低，而且耗电较省。因此，定点运算的可编程DSP器件仍是市场上的主流产品。据统计，目前销售的DSP器件中的80%以上属于16位定点可编程DSP器件，预计今后的比重将逐渐增大。