15-1第1章DSP绪论

Logo1DSP技术与应用课程简介与前课程关系？什么是DSP？本门课程学习哪些内容？DSP如何实现？DigitalSignalProcessing2先修课程:微机原理,单片机原理,数字信号处理软硬件与算法密切结合的一门课程。4算法：强调的是对以数字形式表现的信号进行处理和研究的方法。是一门涉及许多学科且广泛应用于许多领域的新兴学科。什么是DSP？DSP包括两层概念:1.数字信号处理（DigitalSignalProcessing——DSP）5《DSP技术及应用》课程所涉及内容为如何利用DSP芯片进行数字信号的处理。研究的内容为DSP芯片的结构和特点，如何通过程序编写，实现对数字信号的处理。2.数字信号处理器（DigitalSignalProcessor——DSP）芯片：(mcu、mpu、dsp等)，强调的是通过专用集成电路芯片，利用数字信号处理理论，在芯片上运行目标程序，实现对信号的某种处理。6回顾：数字信号处理的知识点？2020年1月14日DSP原理及应用71.1数字信号处理(DSP)差分方程:y(n)=x(n)–0.5x(n-1)数字滤波器的设计；频谱分析等等。ADC数字信号处理DAC模拟信号x(nT)y(nT)模拟信号输出x(t)y(t)平滑滤波限带滤波8大部分的DSP运算可分为信号分析和信号滤波两类信号分析：涉及信号特性的测量，它通常是一个频域的运算。谱分析（频率或相位）语音分析图像分析目标检测信号滤波：特征是“信号入-信号出”，它通常作时域运算。消除不需要的背景噪声去除干扰频带分割信号谱的成形数字信号信号分析数字滤波测量所需信号两者是结合在一起使用。语音合成数字通信安全保密图像处理、视频处理声纳、遥感、雷达、测量与控制等9应用：声音的处理DSPSolutionDigitalLife以声音的采集与回放为例10图像滤波图像的处理2020年1月14日DSP原理及应用111.1数字信号处理(DSP)数字信号处理包括两个方面的内容:1．算法的研究2．数字信号处理算法的实现2020年1月14日DSP原理及应用121．算法的研究快速傅里叶变换（FFT)。诸如：语音与图像的压缩编码、识别与鉴别，信号的调制与解调、加密和解密，信道的辨识与均衡，智能天线，频谱分析等各种快速算法。2020年1月14日DSP原理及应用132．数字信号处理的实现有多种方法。①在通用计算机（PC机）上用软件（如Fortran、C语言）实现；②在通用计算机系统中加入专用的加速处理机实现。不适合于嵌入式应用，专用性强，应用受到限制；2020年1月14日DSP原理及应用14③用单片机实现，用于不太复杂的数字信号处理。不适合于以乘法-累加运算为主的密集型DSP算法；④用编程DSP芯片实现，具有可编程性和强大的处理能力，可完成复杂的数字信号处理的算法，在实时DSP领域中处于主导地位；2020年1月14日DSP原理及应用15⑤用专用的DSP芯片实现，可用在要求信号处理速度极快的特殊场合，如专用于FFT、数字滤波、卷积、相关算法的DSP芯片，相应的信号处理算法由内部硬件电路实现。用户无需编程，但专用性强，应用受到限制；DigitalSignalProcessing16⑥用基于通用DSP核的ASIC芯片实现。随着专用集成电路ASIC(ApplicationSpecificIntegratedCircuit)的广泛使用,可以将DSP的功能集成到ASlC中。一般说来，DSP核是通用DSP器件中的CPU部分，再配上用户所需的存储器(包括Cache、RAM、ROM、flash、EPROM)和外设(包括串口、并口、主机接口、DMA、定时器等)，组成用户的ASIC。2020年1月14日DSP原理及应用181.DSP芯片？专门应用于DSP算法计算而发展出来的一类芯片。数字信号处理算法的特点：计算量大，数据吞吐量大。强调运算的实时性（实时数字信号处理）。在处理器的结构、指令系统、指令流程上作了很大的改进。19典型的数字信号处理算法AlgorithmEquationFiniteImpulseResponseFilterMkkknxany0)()(InfiniteImpulseResponseFilterNkkMkkknybknxany10)()()(ConvolutionNkknhkxny0)()()(DiscreteFourierTransform10])/2(exp[)()(NnnkNjnxkXDiscreteCosineTransform10122cos).().(NxxuNxfucuF--乘法累加2020年1月14日DSP原理及应用201.2.1DSP芯片的发展概况第一阶段，DSP的雏形阶段（1980年前后）。1978年AMI公司生产出第一片DSP芯片S2811。运算速度大约为单指令周期200~250ns，应用领域：军事或航空航天部门。2020年1月14日DSP原理及应用211.2.1DSP芯片的发展概况第二阶段，DSP的成熟阶段（1990年前后）。硬件结构上做改进，性能更强大。能进行硬件乘法、硬件FFT变换和单指令滤波处理。应用领域：通信、计算机领域。2020年1月14日DSP原理及应用221.2.1DSP芯片的发展概况第三阶段，DSP的完善阶段（2000年以后）。软件方面：开发环境进一步完善。主要是综合开发平台的完善，使DSP的应用开发更加灵活方便。硬件方面：各种通用外设集成到片上,并行处理结构、便于外部数据交换的串行总线传输、大容量片上RAM和ROM、程序加密、增加I/O驱动能力、外围电路内装化、低功耗等方面发展。应用领域：日常消费领域2020年1月14日DSP原理及应用231.2.2DSP芯片的特点数字信号算法的特点：计算量大，数据吞吐量大。强调运算的实时性：实时数字信号处理。DSP芯片在处理器的结构、指令系统、指令流程上作了针对性的改进。2020年1月14日DSP原理及应用24DSP芯片的特点1．采用哈佛结构(1)冯·诺伊曼（VonNeuman）结构该结构采用单存储空间，即程序指令和数据共用一个存储空间，使用单一的地址和数据总线，取指令和取操作数都是通过一条总线分时进行。当进行高速运算时，不但不能同时进行取指令和取操作数，而且还会造成数据传输通道的瓶颈现象，其工作速度较慢。DigitalSignalProcessing252020年1月14日DSP原理及应用26(1)冯·诺伊曼（VonNeuman）结构图1.2.1冯·诺伊曼结构CPUI/O口ROM串行接口RAM并行接口外部存储器接口地址总线AB数据总线DB2020年1月14日DSP原理及应用27（2）哈佛（Harvard）结构该结构采用双存储空间，程序存储器和数据存储器分开，有各自独立的程序总线和数据总线。可独立编址和独立访问，可对程序和数据进行独立传输，使取指令操作、指令执行操作、数据吞吐并行完成，大大地提高了数据处理能力和指令的执行速度，非常适合于实时的数字信号处理。2020年1月14日DSP原理及应用28（2）哈佛（Harvard）结构外部管理数据总线外部管理地址总线数据总线数据地址总线程序数据总线程序地址总线CPUI/O口ROM串行接口RAM并行接口外部存储器接口外部管理数据总线外部管理地址总线数据总线数据地址总线程序数据总线程序地址总线2020年1月14日DSP原理及应用29（3）改进型的哈佛结构采用双存储空间和数条总线，即一条程序总线和多条数据总线。其特点如下：2020年1月14日DSP原理及应用301.2.2DSP芯片的特点2．采用多总线结构可同时进行指令和多个数据的读取.使CPU在一个机器周期内可读取多个数据，大大地提高了数据的吞吐量和DSP的运行速度。X=2;Y=3;Z=X+Y；DigitalSignalProcessing31（3）流水线技术DSP处理器流水线技术是将各指令的各个步骤重叠起来执行，而不是一条指令执行完成之后，才开始执行下一条指令。2020年1月14日DSP原理及应用33每条指令可通过片内多功能单元完成取指、译码、取操作数和执行等多个步骤，实现多条指令的并行执行，从而在不提高系统时钟频率的条件下减少每条指令的执行时间。其过程如图1.2.3所示。利用这种流水线结构，加上执行重复操作，就能保证在单指令周期内完成数字信号处理中用得最多的乘法-累加运算。如：niiixay12020年1月14日DSP原理及应用341.2.2DSP芯片的特点4.配有专用的硬件乘法-累加器可在一个周期内完成一次乘法和一次累加操作。如矩阵运算、FIR和IIR滤波、FFT变换等专用信号处理。5.具有特殊的DSP指令DSP的指令系统中，设计了一些完成特殊功能的指令。如：TMS320C54x中的FIRS和LMS指令，专门用于完成系数对称的FIR滤波器和LMS算法。2020年1月14日DSP原理及应用351.2.2DSP芯片的特点6．快速的指令周期7．硬件配置强8．支持多处理器结构9．省电管理和低功耗2020年1月14日DSP原理及应用361.2.3DSP芯片的分类1．按基础特性分类可分为静态DSP芯片和一致性DSP芯片。如果DSP芯片在某时钟频率范围内的任何频率上都能正常工作，除计算速度有变化外，没有性能的下降，这类DSP芯片一般称之为静态DSP芯片。2020年1月14日DSP原理及应用371.2.3DSP芯片的分类2.按用途分类通用型DSP芯片：适合于普通的DSP应用，具有可编程性和强大的处理能力。专用型DSP芯片：是为特定的某一种DSP运算而设计，相应的算法由内部硬件电路实现。信号处理速度极快的特殊场合。2020年1月14日DSP原理及应用381.2.3DSP芯片的分类3．按数据格式分类若数据以定点格式工作的——定点DSP芯片。若数据以浮点格式工作的——浮点DSP芯片。2020年1月14日DSP原理及应用391.2.4DSP芯片的应用随着DSP芯片价格的下降，性能价格比的提高，DSP芯片具有巨大的应用潜力。主要应用：1.信号处理2.通信3.语音4.图像处理5.军事6.仪器仪表7.自动控制8.医疗工程9.家用电器10.计算机如：数字滤波、自适应滤波、快速傅氏变换、Hilbert变换、相关运算、频谱分析、卷积、模式匹配、窗函数、波形产生等；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、移动通信、纠错编译码、可视电话、路由器等；如：语音编码、语音合成、语音识别、语音增强、语音邮件、语音存储、文本—语音转换等；如：二维和三维图形处理、图像压缩与传输、图像鉴别、图像增强、图像转换、模式识别、动画、电子地图、机器人视觉等；如：保密通信雷达处理声纳处理导航导弹制导电子对抗全球定位GPS搜索与跟踪情报收集与处理等如：频谱分析、函数发生、数据采集、锁相环、模态分析、暂态分析、石油/地质勘探、地震预测与处理等；如：引擎控制声控发动机控制自动驾驶机器人控制磁盘/光盘伺服控制神经网络控制等如：助听器X-射线扫描心电图/脑电图超声设备核磁共振诊断工具病人监护等如：高保真音响音乐合成音调控制玩具与游戏数字电话/电视高清晰度电视HDTV变频空调机顶盒等如：震裂处理器图形加速器工作站多媒体计算机等40DSPSolutionDigitalLife以声音的采集与回放为例412020/1/1441典型的数字信号处理系统42DigitalCamera数字信号处理系统43Programmableswitch程控交换数字信号处理系统44VOP(VoiceoverPackage)45ADSL（AsymmetricDigitalSubscriberLine)1.1.5数字信号处理系统46SoftwareradioBPFLocaloscillatorBPFADCDSPaudioDigitalvideoLNALNA:lownoiseamplifier数字信号处理系统