数字信号处理器原理及应用1

DSP技术概述
一、信号处理是非功率系统的基本特征 1，信号处理的基本概念。 可对物理系统建立数学模型。这个物理系统的数 学描述，就是物理系统对信号的处理方式描述和 要求。 • • 信号处理的工程定义： 对信号按一定规则进行变换，形成新的信号。 信号处理的数学定义： 对信号按一定规则进行数学变换。
2，电子系统就是一个信号处理系统。 3，信号处理就是一种数学运算。
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二、信号处理的基本内容 信号处理的基本内容包括： 1，传统意义的信号滤波。 2，波形变换。 3，信号转换。 4，信号合成。 5，信号分离。 6，特征识别。 7，信号提取。 8，信息提取。 严格地说，信号处理并不等于信息处理。信息是驮 载在信号之上的，从信息处理的角度看，首先应 处理信号，然后才是处理信息。因此，信号处理 属于信息处理的一部分。
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4，算法概念。 • 算法代表了DSP系统的基本结构 • 算法具有健壮性——稳定性、收敛性、收 敛速度、突变性。 • 算法具有目标针对性 5，仿真技术基本概念。 • 参数仿真——研究系统参数的变化条件。 • 电路仿真——器件特性和应用参数研究。 • 系统仿真——系统行为特性研究。
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投资大 灵活性差 开发周期长
DSP芯片的发展
• 世界上第一个单片 DSP 芯片是1978年 AMI公司发布 的 S2811，1979年美国Intel公司发布的商用可编程器 件2920则是DSP芯片的一个主要里程碑。这两种芯片 内部都没有现代DSP芯片所必须有的单周期乘法器。 1980 年，日本 NEC 公司推出的μP D7720是第一个具 有乘法器的商用 DSP 芯片。
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2，工程应用特点比较。 ASP和DSP技术在工程技术中都有应用。在一般情况下，不可 能单独使用ASP或DSP。 ASP和DSP技术比较： • 信号输入。ASP技术在各种工程信号的输入技术上，有着不 可取代的位置。DSP技术往往都需要有ASP作为前置和后置 技术。 • 性能价格比。一般地说，DSP技术比ASP技术具有更高的性 能价格比。 • 复杂程度。ASP技术的复杂程度远高于DSP技术。 • 知识性。DSP技术需要有新的知识和技术，而由于电子技术 等工程技术的限制，ASP技术往往不需要有新知识。原因是 ASP技术的应用范围有限。 • 软件性。ASP技术几乎不需要有软件参与，而DSP技术则无 法离开软件。 • 集成性。集成性包括系统集成和电路集成两方面。ASP难以 实现系统集成，而从工程技术的角度看，ASP的电路集成成 本和应用性也远不及DSP系统。
为什么要用DSP处理器？
• 当考虑以下方面时，需要处理许多“高”频率的信号
•
当考虑以下方面时，需要使用GPP处理器：
– 大的存储器 – 高级操作系统
DSP芯片的特点
• 在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法； • 哈佛结构（程序和数据空间分开），可以同时访 问指令和数据； • 片内具有快速RAM，可通过独立的数据总线在 两块中同时访问； • 采用硬件支持低开销或无开销的循环及跳转； • 快速的中断处理和硬件IO； • 具有在单个周期内操作的多个硬件地址产生器； • 可并行执行多个操作； • 流水线结构，使取指、译码和执行等操作可以重 叠执行；
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三、工程信号处理 • 工程信号处理是指工程实际中所需要的工程信号 处理技术，其中不包括信息处理技术。工程信号 处理的基本内容包括上述8项基本内容。 • 工程信号处理的基本特点是信号对象比较明确， 处理要求与应用领域有关。
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四、ASP和DSP技术比较 1，ASP和DSP处理技术的区别。 • 实时性。ASP技术属于并行处理技术，因此，具有 天然的实时性好的特点。DSP属于串行处理技术， 因此具有实时性差的特点。 • 频率特性。在处理同样的信号时，ASP需要的频带 宽度一般远小于DSP系统。 • 灵活性。ASP是固定参数系统，系统的灵活性远不 及DSP系统。 • 智能性。目前的ASP技术无法实现智能性。 • 实施性。ASP的实施技术比DSP要复杂的多，所以， DSP系统更易于工程实现。 • 集成性。集成性包括系统集成和电路集成两方面。 ASP难以实现系统集成，而从工程技术的角度看， ASP的电路集成成本和应用性也远不及DSP系统。
课程名称：
数字信号处理器原理及应用
课程简介:
《数字信号处理器原理及应用》是电子信息工程专业的 限选专业课程。 数字信号处理器（Digital Signal Processor，简写： DSP）是专门用于实时实现数字信号处理算法的微处理器， 广泛应用于数字通信、雷达、遥感、声纳、语音合成、图像 处理、测量与控制、高清晰度电视、数字音响、多媒体技术、 地球物理学、生物医学工程、振动工程以及机器人等各个领 域。与传统的微处理器相比，数字信号处理器（DSP）在结 构和原理上有重大差别。 本课程主要介绍有关DSP的基本结构与原理，如：哈佛 结构、多总线结构、流水线结构、多处理单元、特殊DSP指 令、数据寻址方式、程序地址生成方式、双寻址RAM、定时 器、时钟发生器、主机接口（HPI）、同步串口（SP）、外 部总线接口、指令系统、自举加载器等。同时，介绍DSP的 开发工具、软件和硬件设计、典型算法的设计与实现。
二、内容 1，TMS320C54XX数字信号处理器 结构原理、软硬件设计与调试 2，ADSP-218X数字信号处理器 结构原理
TMS320C54X系列数字信号处 理器结构、原理及应用
第一章综述
主要内容
• • • • • • • • • • • • 1. 什么是DSP? 2. 为什么要数字化？ 3. DSP系统的特点 4. 哪些是典型的DSP运算法则？ 5. 什么是实时系统？ 6. 为什么要用DSP处理器？ 7. DSP芯片的特点 8. DSP芯片的分类 9. DSP芯片的发展 10. DSP的应用领域 11. DSP的选择 12. DSP系统的设计过程
例子：
– 线性相位的有限长单位冲激响应滤波器
– 自适应滤波器
为什么要数字化？
• 模拟信号处理过程是利用模拟元件来完 成的，例如：
–电阻器 –电容器 –电感器
由元件、温度、电压变化、机械振动等 引起的内部容限的变化会显著地影响模 拟电路的效果。
为什么要数字化?
• 用DSP便于：
–改变应用程序 –更正应用程序 –更新应用程序
• 另外DSP可减少：
–噪音敏感度 –芯片造价 –程序调试时间 –功率损耗
为什么不数字化？
• 高频率信号因为以下两个原因不能进行 数字化处理：
–模数转换器（ADC）不能在高频下工作 –应用程序会因为太复杂而不能实时工作
DSP系统的特点
DSP系统是以数字信号处理为基础的，因 此具有数字系统的全部优点： • 接口方便。DSP系统与其他以现代数字技术 为基础的系统或设备都是相互兼容的，因此， 它与其他数字系统接口以实现某种功能是很 方便的； • 编程方便。DSP系统中的可编程DSP芯片可 使设计人员在开发过程中灵活方便地对软件 进行修改和升级；
总成绩=平时作业+课外实践+考勤+期末考试 平时作业：完成规定的作业。 课外实践：完成规定的设计报告。 考勤：缺勤三次以上，无此项成绩。 期末考试：
教材和参考书：
教材： 戴明帧、周建江编 《TMS320C54X DSP结构、原理及应用》北京 航空航天大学，2001年 参考书： Andrew Bateman、Iain PatersonStephens著 《DSP算法、应用与设计》 机械工业出版社2003年
Cycle 5
DSP芯片的分类
• 定点DSP芯片：精度、动态范围中等、功耗 低、造价低； • 浮点DSP芯片：高精度、宽动态范围、较高 的功耗、较高的造价； • 专用型DSP芯片：用ASIC技术设计的DSP
优点 缺点
• • • • • •
高速 占用硅片面积小 功耗低 可靠性高 噪声小 整机成本低
• • •
3，基本硬件技术。 • DSP器件系统 • 单片机系统 • PLD器件系统 • 单板机系统 • PC机系统 • 嵌入式系统
实践环节与内容或辅助学习活动：
对DSP的典型算法进行编程并调试。主要内容：
波形产生、波形调制、频率变换、滤波器设计、 频谱分析等。 以上内容可选择其中一个，在课后完成。
成绩考评方式：
哪些是典型的DSP运算法则？
• 在大部分的DSP运算法则中，积之和 （SOP）是个关键要素
为什么要用DSP处理器？
• 为什么不用一个通用处理器（General Purpose Processor ，GPP）例如奔 腾处理器，来代替一个DSP处理器？
– 一个奔腾和一个DSP处理器的功耗各是多 少？ – 一个奔腾和一个DSP处理器的造价各是多 少？ – 奔腾是如何计算SOP的？
•
DSP处理器对于处理乘法和加法操作是最 优化的： 乘法和加法在硬件里是在一周期内完成的 例子: 无符号的 4位数乘法
Hardware
1011 x 1110 10011010
硬件 vs. 微码 乘法
Microcode
1011 x 1110 0000 1011. 1011.. 1011... 10011010 Cycle Cycle Cycle Cycle 1 2 3 4
数字信号处理系统简化框图
下图是数字信号处理系统的简化框图。此系统先将模拟 信号变换为数字信号，经过DSP芯片做数字信号处理后， 再变换成模拟信号输出。
输入
抗混叠 滤波 A/D
DSP 芯片 D/A
平滑 滤波
输出
为什么要数字化？
• 数字信号处理技术非常的强大，而有时 候用模拟信号处理技术要达到相似的性 能是很困难的（在模拟信号处理技术也 能够处理的情况下）。
什么是DSP?
• Digital Signal Processing DSP (数字信号处理)