第一章(正)

数字信号处理II型教学实验系统１第一章数字信号处理及DSP芯片概述随着信息技术和计算机技术的飞速发展，数字信号处理技术已经逐渐发展成为一门重要学科。DSP芯片的出现则为数字信号处理算法的实现提供了可能，这极大地促进了数字信号处理技术的进一步发展，也使数字信号处理应用领域得到了极大的拓展。DSP芯片，即数字信号处理器，是专门为快速实现各种数字信号处理算法而设计的、具有特殊的结构的微处理器。它具有以下特点：(1)内部采用程序和数据分开的哈佛总线结构；(2)具有专门的硬件乘法器；(3)广泛采用流水线操作；(4)提供特殊的DSP指令集。目前，DSP的发展日新月异，功能也日益强大，性价比不断上升，开发手段不断改进，这促进了数字信号处理器的广泛应用。DSP芯片已经在通信与电子系统、信号处理系统、自动控制、雷达、军事、航空航天、医疗、家用电器、电力系统等许多领域得到了广泛的应用，而且新的领域不断的被发掘。数字信号处理是以众多学科为理论基础的，涉及范围极其广泛。例如，数学领域，微积分、概率统计、随机过程、数值分析等都是数字信号处理的基本工具，与网络理论、信号与系统、控制论、通信理论、故障诊断等也密切相关。近来一些新兴学科，如人工智能、模式识别、神经网络等，都与数字信号处理密不可分。可以说，数字信号处理是把许多经典的理论作为自己的理论基础，同时又成为一系列新兴学科的理论基础。数字信号处理的实现方法一般有以下几种：(1)在通用计算机（如PC机）上，用软件（如Fortran、C语言）实现；(2)在通用计算机系统中加上专用的加速处理机实现；(3)用通用的单片机（如MCS-51、96系列等）实现，这种方法可用于一些不太复杂的数字信号处理，如数字控制等；(4)用通用可编程DSP芯片实现。与单片机相比，具有更加适合于数字信号处理的软件和硬件资源，可实现复杂的数字信号处理算法；(5)用专用的DSP芯片实现。在一些特殊的场合，要求的信号处理速度极高，通用DSP芯片很难实现，例如专用于FFT、数字滤波、卷积、相关等算法的DSP芯片，这种芯片将相应的信号处理算法在芯片内部用硬件实现，无需进行编程。在上述几种方法中，第1种方法的缺点是速度较慢，一般可用于DSP算法的模拟；第2种和第5种方法专用性强，应用受到很大的限制，第2种方法也不便于系统的独立运行；第3种方法只适用于实现简单的DSP算法；只有第4种方法才使数字信号处理的应用打开了新的局面。虽然数字信号处理的理论发展迅速，但在20世纪80年代以前，由于实现方法的限数字信号处理II型教学实验系统２制，数字信号处理理论不能得到广泛应用。直到20世纪70年代末80年代初，世界上第一片单片可编程DSP芯片的诞生，才将理论研究结果广泛应用到低成本的实际系统中，并且推动了新的理论和应用领域的发展。可以毫不夸张地说，DSP芯片的诞生及发展对近20年来通信、计算机、控制等领域的技术发展起到十分重要的作用。本章主要讲述有关DSP的一些基础知识，发展历史，特点以及相关的应用领域，如何根据自己的具体需求制定系统解决方案以及选择合适的数字信号处理器来实现等。1.1数字信号处理系统1.1.1数字信号处理系统的构成图1.1所示为一个典型的DSP系统。图中的输入信号可以有各种各样的形式。例如，它可以是麦克风输出的语音信号或是电话线来的已调数据信号，可以是编码后在数字链路上传输或存储在计算机里的摄像机图像信号等。图1.1典型的DSP系统输入信号首先进行带限滤波和抽样，然后进行A/D（AnalogtoDigital）变换将信号变换成数字比特流。根据奈奎斯特抽样定理，为保证信息不丢失，抽样频率至少必须是输入带限信号最高频率的2倍。DSP芯片的输入是A/D变换后得到的以抽样形式表示的数字信号，DSP芯片对输入的数字信号进行某种形式的处理，如进行一系列的乘累加操作（MAC）。数字处理是DSP的关键，这与其他系统（如电话交换系统）有很大的不同，在交换系统中，处理器的作用是进行路由选择，它并不对输入数据进行修改。因此虽然两者都是实时系统，但两者的实时约束条件却有很大的不同。最后，经过处理后的数字样值再经D/A（DigitaltoAnalog）变换转换为模拟样值，之后再进行内插和平滑滤波就可得到连续的模拟波形。必须指出的是，上面给出的DSP系统模型是一个典型模型，并不是所有DSP系统都必须具有模型中的所有部件。如语音识别系统在输出端并不是连续的波形，而是识别结果，如数字、文字等；有些输入信号本身就是数字信号（如CD：CompactDisk），因此就不必进行模数变换了。1.1.2数字信号处理系统的特点数字信号处理系统是以数字信号处理为基础，具有数字处理的全部优点：(1)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是相互兼容的，与这输入抗混叠滤波A/DDSP芯片D/A平滑滤波输出数字信号处理II型教学实验系统３些系统接口以实现某种功能要比模拟系统与这些系统接口要容易得多；(2)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；(3)稳定性好：DSP系统以数字处理为基础，受环境温度以及噪声的影响较小，可靠性高；(4)精度高：16位数字系统可以达到510的精度；(5)可重复性好：模拟系统的性能受元器件参数性能变化比较大，而数字系统基本不受影响，因此数字系统便于测试、调试和大规模生产；(6)集成方便：DSP系统中的数字部件有高度的规范性，便于大规模集成。当然，数字信号处理也存在一定的缺点。例如，对于简单的信号处理任务，如与模拟交换线的电话接口，若采用DSP则使成本增加。DSP系统中的高速时钟可能带来高频干扰和电磁泄漏等问题，而且DSP系统消耗的功率也较大。此外，DSP技术更新的速度快，数学知识要求多，开发和调试工具还不尽完善。虽然DSP系统存在着一些缺点，但其突出的优点已经使之在通信、语音、图像、雷达、生物医学、工业控制、仪器仪表等许多领域得到越来越广泛的应用。1.2数字信号处理器（DSP芯片）1.2.1DSP芯片概要DSP芯片，也称数字信号处理器，是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器，其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法。根据数字信号处理的要求，DSP芯片一般具有如下主要特点：(1)在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法；(2)程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据；(3)片内具有快速RAM，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问；(4)具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持；(5)快速的中断处理和硬件I/O支持；(6)具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器；(7)可以并行执行多个操作；(8)支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。当然，与通用微处理器相比，DSP芯片的其他通用功能相对较弱些。1.2.2DSP芯片分类DSP芯片可以按照下列三种方式进行分类。1．按基础特性分数字信号处理II型教学实验系统４根据DSP芯片的工作时钟和指令类型来分类的。如果在某时钟频率范围内任何时钟频率上，DSP芯片都能正常工作，除计算速度有变化外，没有性能下降，这类DSP芯片一般称为静态DSP芯片。如日本OKI电气公司的DSP芯片、TI公司的TMS320C2XX系列芯片属于这一类。如果有两种或两种以上的DSP芯片，它们的指令集和相应的机器代码机管脚结构相互兼容，则这类DSP芯片称为一致性DSP芯片。例如，美国TI公司的TMS320C54X就属于这一类。2．按数据格式分根据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TMS320C1X/C2X、TMS320C2XX/C5X、TMS320C54X/C62XX系列，AD公司的ADSP21XX系列，AT&T公司的DSP16/16A，Motolora公司的MC56000等。以浮点格式工作的称为浮点DSP芯片，如TI公司的TMS320C3X/C4X/C8X，AD公司的ADSP21XXX系列，AT&T公司的DSP32/32C，Motolora公司的MC96002等。不同浮点DSP芯片所采用的浮点格式不完全一样，有的DSP芯片采用自定义的浮点格式，如TMS320C3X，而有的DSP芯片则采用IEEE的标准浮点格式，如Motorola公司的MC96002、FUJITSU公司的MB86232和ZORAN公司的ZR35325等。3．按用途分按照DSP的用途来分，可分为通用型和专用型。通用型DSP芯片适合普通DSP应用，如TI公司的一系列DSP芯片属于通用型DSP芯片。专用DSP芯片是为特定DSP运算而设计的，更适合特殊运算，如数字滤波、卷积和FFT，如Motorola公司的DSP56200，Zoran公司的ZR34881，Inmos公司的IMSA100等就属于专用型DSP芯片。1.2.3DSP芯片选择设计DSP应用系统，选择DSP芯片是非常重要的一个环节。只有选定了DSP芯片，才能进一步设计其外围电路及系统的其他电路。总的来说，DSP芯片的选择应根据实际的应用系统需要而确定。不同的DSP应用系统由于应用场合、应用目的等不尽相同，对DSP芯片的选择也是不同的。一般来说，选择DSP芯片时应考虑到如下诸多因素。1．DSP芯片的运算速度：运算速度是DSP芯片的一个最重要的性能指标，也是选择DSP芯片时所需要考虑的一个主要因素。DSP芯片的运算速度可以用以下几种性能指标来衡量：(1)指令周期：执行一条指令所需的时间，通常以ns（纳秒）为单位。如TMS320LC549-80在主频为80MHz时的指令周期为12.5ns；(2)MAC时间：一次乘法加上一次加法的时间。大部分DSP芯片可在一个指令周数字信号处理II型教学实验系统５期内完成一次乘法和加法操作，如TMS320LC549-80的MAC时间就是12.5ns；(3)FFT执行时间：运行一个N点FFT程序所需的时间。由于FFT运算涉及的运算在数字信号处理中很有代表性，因此FFT运算时间常作为衡量DSP芯片运算能力的一个指标；(4)MIPS：每秒执行百万条指令。如TMS320LC549-80的处理能力为80MIPS，即每秒可执行八千万条指令；(5)MOPS：每秒执行百万次操作。如TMS320C40的运算能力为275MOPS；(6)MFLOPS：即每秒执行百万次浮点操作。如TMS320C31在主频为40MHz时的处理能力为40MFLOPS；(7)BOPS：每秒执行十亿次操作。如TMS320C80的处理能力为2BOPS。2．DSP芯片的价格：DSP芯片的价格也是选择DSP芯片所需考虑的一个重要因素。根据实际系统的设计要求，来合理地选择价格适中的DSP芯片。当然，由于DSP芯片发展迅速，价格往往下降较快，因此在开发阶段选用某种价格稍贵的DSP芯片，等到系统开发完毕，其价格可能已经下降一半甚至更多。3．DSP芯片的硬件资源：不同的DSP芯片所提供的硬件资源是不相同的，如片内RAM、ROM的数量，外部可扩展的程序和数据空间，总线接口，I/O接口等。即使是同一系列的DSP芯片（如TI的TMS320C54X系列），系列中不同DSP芯片也具有不同的内部硬件资源，可以适应不同的需要。4．DSP芯片的运算精度：一般的定点DSP芯片的字长为16位，如TMS320系列。但有的公司的定点芯片为24位，如Motorola公司的MC56001等。浮点芯片的字长一般为32位，累加器为40位。5．DSP芯片的开发工具：在DSP系统的开发过程中，开发工具是必不可少的。如果没有开发工具的支持，要想开发一个复杂的DSP系统几乎是不可能的。如果有功能强大的开发工具的支持，如C语言支持，则开发的时间就会大大缩短。所以，在选择DSP芯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。6．DSP芯片的功耗：在某些DSP应用场合，功耗也是一个需要特别注意的问题。如便携式的DSP设备、手持设备、野外应用的DSP设备等都对功耗有特殊的要求。目前，3.3V供电的低功耗高速DSP芯片已大量使用。7．