数字信号处理器(DSP)原理与应用.ppt

数字信号处理器（DSP）原理与应用傅星[e-mail]17-31327406941TianjinUniversity参考书与相关网址数字信号微处理器的原理与开发，天津大学出版社，2004DSP芯片的原理与开发应用（第2版），张雄伟，曹铁勇编著，电子工业出版社，2000DSP基础与应用系统设计，王念旭编著，北京航空航天大学出版社，2001主要内容一、DSP的一般概念二、DSP系统构成及设计方法三、DSP芯片的基本结构和特征四、定点DSP及定点运算五、浮点DSP及浮点运算六、TMS320系列DSP芯片的工作原理七、DSP系统软硬件设计八、DSP应用实例TianjinUniversity一、DSP的一般概念数字信号处理（DigitalSignalProcessing）以数字形式对信号进行采集、变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理数字信号处理器（DigitalSignalProcessor）DSP芯片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1、一般概念TianjinUniversity数字信号处理的实现方法在通用的计算机（如PC机）上用软件（如Fortran、C语言）实现；速度慢在通用计算机系统中加上专用的加速处理机实现；应用受限制用通用的单片机（如MCS-51、96系列等）实现；仅限于简单算法用通用的可编程DSP芯片实现；广泛应用用专用的DSP芯片实现；应用受限制TianjinUniversity数字信号处理的实现方法复杂算法复杂算法简单算法复杂算法复杂算法适应性好嵌入式较快专用指令通用DSP中等嵌入式快硬件＋专用指令专用DSP较好嵌入式慢汇编语言编程单片机中等非嵌入式快硬件＋专用指令PC机＋高速处理较好非嵌入式中等高级语言编程PC机性价比应用场合速度实现方法TianjinUniversityDSP芯片的主要应用领域（1）信号处理（2）图像处理（3）仪器（4）声音/语言（5）控制（6）军事应用（7）电信（8）无线电TianjinUniversityDSP芯片的主要应用领域（1）信号处理（2）图像处理（3）仪器（4）声音/语言（5）控制（6）军事应用（7）电信（8）无线电•数字滤波•卷积•相关•希尔伯特变换•FFT•自适应滤波•加窗•波形产生TianjinUniversityDSP芯片的主要应用领域（1）信号处理（2）图像处理（3）仪器（4）声音/语言（5）控制（6）军事应用（7）电信（8）无线电•三维旋转•机器人视觉•图像传输/压缩•同态处理•模式识别•工作站•动画/数字地图TianjinUniversityDSP芯片的主要应用领域（1）信号处理（2）图像处理（3）仪器（4）声音/语言（5）控制（6）军事应用（7）电信（8）无线电•频谱分析•函数发生器•模式匹配•地震信号处理•数字滤波•锁相环TianjinUniversityDSP芯片的主要应用领域（1）信号处理（2）图像处理（3）仪器（4）声音/语言（5）控制（6）军事应用（7）电信（8）无线电•声码器•语音识别•语音增强•语音合成TianjinUniversityDSP芯片的主要应用领域（1）信号处理（2）图像处理（3）仪器（4）声音/语言（5）控制（6）军事应用（7）电信（8）无线电•磁盘控制•数值控制•声控•伺服控制•机器人控制•激光打印机控制•发动机控制•自适应驾驶TianjinUniversityDSP芯片的主要应用领域（1）信号处理（2）图像处理（3）仪器（4）声音/语言（5）控制（6）军事应用（7）电信（8）无线电•雷达处理•声纳处理•图像处理•导航•导弹制导•高频调制解调器•保密通讯TianjinUniversityDSP芯片的主要应用领域（1）信号处理（2）图像处理（3）仪器（4）声音/语言（5）控制（6）军事应用（7）电信（8）无线电•回声对消•ADPCM代码转换器•数字交换机•线路转发器解调器•通道多路复用•1200至19200bps调制•自适应均衡•传真•扩频通讯TianjinUniversityDSP芯片的主要应用领域（1）信号处理（2）图像处理（3）仪器（4）声音/语言（5）控制（6）军事应用（7）电信（8）无线电•全球定位•导航•数字无线电/TVTianjinUniversity血压计TianjinUniversityDSP系统基本构成抗混叠滤波A/DD/ADSP平滑滤波输入输出存储器TianjinUniversity视频会议系统TianjinUniversity数字式家庭影院TianjinUniversity电机控制器TianjinUniversityPOS机TianjinUniversity雷达TianjinUniversity医学图像监视系统TianjinUniversity数码相机TianjinUniversityMPEG-4压缩TianjinUniversity系统设计的一般方法需求分析系统结构选择系统总体构成软硬件设计系统调试试运行交付使用TianjinUniversity2、DSP芯片主要特点在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法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，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持快速的中断处理和硬件I/O支持具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器可以并行执行多个操作支持流水线操作，使取指、译码和执行操作可以重叠执行TianjinUniversityDSP的优缺点优点：大规模集成性、稳定性好精度高可编程性高速性能可嵌入性接口和集成方便缺点：成本较高高频时钟的高频干扰功率消耗较大等DSP技术更新速度快，开发和调试工具不尽完善TianjinUniversity3、DSP芯片的发展历史世界上第一个单片DSP芯片应当是1978年AMI公司发布的S28111980年，日本NEC公司推出的μPD7720是第一个具有乘法器的商用DSP芯片美国德州仪器（TexasInstruments）公司为世界上最大的DSP芯片供应商，其DSP市场份额占全世界份额近50％，AD公司的ADSP2101，ADSP2111,ADSP2171,ADSP21000等系列；Motolora公司的MC56001，MC96002等TianjinUniversityDSP芯片的发展（续）完成乘加操作的时间下降到10ns以下乘法部件占模片区从40％下降到5％引脚数从64增加到200以上重量和体积大大下降采用低电压，功耗大大下降TianjinUniversityTIDSP芯片发展比较表500K50K集成晶体管数0.45mW/MIPS12.5mW/MIPS250mW/MIPS功耗$5.00~$25.00$15.00$150.00价格16K字4K字1.5K字内部ROM32K字1K字144字内部RAM100MHz80MHz20MHzMHz100MIPS40MIPS5MIPSMIPS0.3μmCMOS0.8μmCMOS4μmNMOS制造工艺1999年1992年1982年年份TianjinUniversityTMS320系列主要芯片发展TianjinUniversity4、DSP分类通用专用定点（Fixed）浮点（Floating）按基础特性：按数据格式：按用途：静态一致性（兼容性）TianjinUniversity运算速度DSP芯片的价格DSP芯片的硬件资源DSP芯片的运算精度DSP芯片的开发工具DSP芯片的功耗其它：5、DSP的性能指标TianjinUniversityDSP芯片的运算速度指令周期：即执行一条指令所需的时间MAC时间：即一次乘法加上一次加法的时间FFT执行时间：即运行一个N点FFT程序所需的时间MIPS：即每秒执行百万条指令MOPS：即每秒执行百万次操作MFLOPS：即每秒执行百万次浮点操作BOPS：即每秒执行十亿次操作MIPS(MillionInstructionpersecond)是一种评估DSP速度的一个指标。DSP运行频率也是评估DSP的一个指标，他们二者之间的联系需要考虑到DSP体系结构（是否多路并行结构、是执行定点还是浮点运算）。TianjinUniversity价格商业级：一般应用；适用于实验室等环境较好场合；工业级：可靠性好；适用于工业现场等环境恶劣场合；军品：可靠性高；适用于各种恶劣场合；航空级：可靠性很高；适用于特殊场合；商业级→工业级→军品→航空级价格趋势TianjinUniversity硬件资源内存：RAM、ROM、Flash等寄存器：通用、特殊功能I/O数量：单向、双向寻址能力：直接、间接定时器、计数器：通讯接口：内置功能单元：A/D、D/A等TianjinUniversity运算精度CALU：寄存器：硬件乘法器：片内RAM：开发工具功耗其它封装的形式：质量标准：供货情况：生命周期：一般而言，定点DSP芯片的价格较便宜，功耗较低，但运算精度稍低。而浮点DSP芯片的优点是运算精度高，且C语言编程调试方便，但价格稍贵，功耗也较大。TianjinUniversity运算量是DSP芯片处理能力的标志按样点处理一个采用LMS（LeastMeanSquare）算法的256抽头的自适应FIR（FiniteImpulseResponse）滤波器假定：3个MAC/抽头则：256×3＝768个MAC周期设：采样频率为8kHz，即样点之间的间隔为125μs；采样频率为44.1kHz，即样点之间的间隔为22.7μsTianjinUniversity应用领域采样率(kHz)采样周期(μs)运算量(MAC)MAC周期＝200ns指令数MAC周期＝50ns指令数MAC周期＝25ns指令数语音812576862525005000声频44.122.7768113453907用DSP芯片实现数字滤波TianjinUniversity应用领域采样率(kHz)采样周期(μs)运算量(MAC)MAC周期＝200ns指令数MAC周期＝50ns指令数MAC周期＝25ns指令数语音812576862525005000声频44.122.7768113453907用DSP芯片实现数字滤波TianjinUniversity中低速语音编码算法：10ms或20ms为一帧，每隔10ms或20ms语音编码算法循环一次。选择DSP芯片时应该比较一帧内DSP芯片的处理能力和DSP算法的运算量。假设：DSP芯片的指令周期为p（ns），一帧的时间为（ns）则：在一帧内所能提供的最大运算量为/p条指令。如：TMS320LC549-80的指令周期为12.5ns，设帧长为20ms，则一帧内所能提供的最大运算量为160万条指令按帧处理TianjinUniversity二、DSP系统构成及设计方法输入信号处理A/DD/ADSP输出信号处理输入输出存储器通讯及人机接口TianjinUniversityDSP系统设计方法功能及指标软件结构用户接口硬件结构外输入接口自上而下自下而上从使用者看从设计者看TianjinUniversityDSP系统设计方法功能及指标软件结构用户接口硬件结构外输入接口从中间开始软硬件交界面从使用者看从设计者看TianjinUniversityDSP总体设计框图系统需求说明书定义技术指标选择DSP芯片及外围芯片软件设计说明书硬件设计说明书软件编程与测试硬件电路与调试系统集成系统测试，样机、中试与产品TianjinUniversity编写C语言源程序优化ANSIC编译器汇编语言汇编器生成目标文件链接器生成TMS320汇编文件编写TMS320汇编源程序宏汇编源文件文档管理器宏汇编库输出执行文件调试器TMS320目标系统写EEPROM软件仿真软件开发系统评测模块EVM系统仿真XDS软件系统设计框图Tianj