DSP课设报告

基于CCS和ICETEK5509实验箱FFT算法的C语言实现与验证学院：姓名：学号：班级：指导老师：完成报告日期：一、设计目的1.本课程设计与理论课、实验课一起构成《DSP芯片原理与应用》完整课程体系；2.针对理论课、实验课中无时间和不方便提及内容和需强调重点进行补充与完善；3.以原理算法的实现与验证体会DSP技术的系统性，并加深基本原理的体会。二、设计任务1.设计一个以ICETEK5509为硬件主体，FFT为核心算法的频谱分析系统方案；2.用C语言编写系统软件的核心部分，熟悉CCS调试环境的使用方法，在CCSIDE中仿真实现方案功能；3.在实验箱上由硬件实现频谱分析。三、设计内容1.设计方案原理1)FFT工作原理及工作方式工作原理：快速傅里叶变换是离散傅里叶变换的快速算法，它是根据离散傅氏变换的奇、偶、虚、实等特性，对离散傅里叶变换的算法进行改进获得的。它对傅氏变换的理论并没有新的新的发现，但是对于在计算机系统或者说数字系统中应用离散傅里叶变换，可以说是进了一大步。设x(n)为N项的复数序列，由DFT变换，任一X(n)的计算都需要N^2次复数乘法和N(N-1)次复数加法，而一次复数乘法等于四次实数乘法和两次实数加法，一次复数加法等于两次实数加法。所以作一次离散傅里叶变换需要作4N^2次实数乘法及N(4N-2)次实数加法。而在FFT中，利用Wn的周期性和对称性，把一个N项序列分为两个N/2项的子序列，每个N/2点DFT变换需要（N/2）2次运算，再用N次运算把两个N/2点的DFT变换组合成一个N点的DFT。而如果我们将这种“一分为二”的思想不断进行下去，直到分成两两一组的DFT运算单元，那么N点的DFT就只需要作(N/2)(log2N)次复数乘法和N（log2N）次复数加法。这样，运算量的节约就很大，这就是FFT的优越性。工作方式：第一步，将1个N点的时域信号分成N个1点的时域信号，然后计算这N个1点时域信号的频域，得到N个频域的点，然后将这个N个频域的点按照一定的顺序加起来，就得到了我们需要的频谱。这里每个点的意思是复数，都有实部和虚部。认真看蝶形图可以看出它是按照比特反转顺序来分解的。第二步，计算每个点的频谱，这一步很简单，因为一个时域的点的频谱的数值就是它自己，所以这一步什么也不需做，但需明白这时候N个点不是时域信号了，而是频域信号。第三步，将这N个频域信号结合起来，这一步是最麻烦的一步。就是和前面时域分解的顺序相反，将2个1点的频域信号变成1个2点的频域信号，再将2个2点的频域信号变成1个4点的频域信号，一直到结束。2)DSP工作原理数字信号处理器（DSP）是一种可编程的高性能处理器，近年来发展很快。它不仅适用于数字信号处理，而且在图像处理、语音处理、通信等领域得到了广泛地应用。通用的微处理器在运算速度上很难适应信号实时处理的要求。数字信号处理器中集成有高速的乘法器硬件，能快速地进行大量数据的乘法海和加法运算。快速傅里叶变换的出现使得DFT在实际应用中得到了广泛的应用。3)A/D模数转换原理TMS320VC5509模数转换模块带内置采样和保持的10位模数转换模块ADC，最小转换时间为500ns，最大采样率为21.5kHz。它有2个模拟输入通道（AIN0—AIN1）。模数转换模块接到启动转换信号后，开始转换第一个通道的数据。经过一个采样时间的延迟后，将采样结果放入转换结果寄存器总保存。转换结束后设置标志，等待下一个启动信号。模数转换相对于计算机来说是一个较为缓慢的过程。一般采用中断方式启动转换或保存结果，这样在CPU忙于其他工作时可以少占用处理时间。设计转换程序应首先考虑处理过程如何与模数转换的时间相匹配，根据实际需要选择适当的触发转换的手段，也要能及时地保存结果。2.设计方案流程图：1）FFT程序流程框图：开始送入x(n)£¬MN£½2M倒序L£½1,M£Ê£½0,B£1P£½2M£LJk£½J,N£1,2LpNpNWBkXkXBkXWBkXkXkX)()()()()()(输出结束B2L£12）A/D转换流程框图：3.主要实现方法1)在CCS上进行软件仿真：A.参考教材P371的14.3节完成CCS环境中的FFT工程的建立；本工程的建立有点投机取巧，不太符合老师的要求，只是直接将书上给的FFT.c做成了头文件FFT.h，然后将其加入之前做实验时时老师给的一个关于泰勒级数展开的工程c55_sin0。B.设计检测信号，验证FFT算法的正确性及FFT的部分性质；基于谱线易于观察分析的角度，故本次软件仿真用的检测信号为正弦函数，也就是工程中由泰勒级数展开生成的正弦曲线。下面给出FFT.h的程序和部分注解：#includemath.hstructcompx{floatreal,imag;};/*定义一个复数结构*/structcompxs[257];/*FFT输入和输出:均从s[1]开始存放*/structcompxEE(structcompx,structcompx);/*定义附复数相乘结构*/voidFFT(structcompx*,int);/*FFT函数定义*/#defineFFT_N256structcompxEE(structcompxb1,structcompxb2)//对两个复数进行乘法运算{structcompxb3;b3.real=b1.real*b2.real-b2.imag*b2.imag;//输入参数：两个以联合体定义的复数b3.imag=b1.real*b2.imag+b1.imag*b2.real;return(b3);}/*输入:xin(实部，虚部),输出:xin(实部,虚部),N:FFT点数*/voidFFT(structcompx*xin,intN){intf,m,nv2,nm1,i,k,j=1,l;structcompxv,w,t;nv2=N/2;/*变址运算，即把自然顺序变成倒位序，采用雷德算法*/f=N;for(m=1;(f=f/2)!=1;m++){;}nm1=N-1;/*变址运算*/for(i=1;i=nm1;i++){if(ij)/*如果ij,即进行变址*/{t=xin[j];xin[j]=xin[i];xin[i]=t;}k=nv2;/*求j的下一个倒位序*/while(kj)/*如果kj,表示j的最高位为1*/{j=j-k;/*把最高位变成0*/k=k/2;/*k/2,比较次高位，以此类推，逐个比较，直到某个位为0*/}j=j+k;/*把0改为1*/}/*fft*/{intle,lei,ip;//FFT运算核，使用蝶形运算完成FFT运算floatpi;for(l=1;l=m;l++){le=pow(2,1);lei=le/2;pi=3014159265;v.real=1.0;v.imag=0.0;w.real=cos(pi/lei);//w为系数商，即当前系数与前一个系数的商w.imag=-sin(pi/lei);for(j=1;j=lei;j++)//控制计算不同种蝶形结，即计算系数不同的蝶形结{for(i=j;i=N;i=i+le)//控制计算同种蝶形结运算，即计算系数相同蝶形结{ip=i+lei;//i,ip分别表示参加蝶形运算的两个节点t=EE(xin[ip],v);//蝶形运算xin[ip].real=xin[i].real-t.real;xin[ip].imag=xin[i].imag-t.imag;xin[i].real=xin[i].real+t.real;xin[i].imag=xin[i].imag+t.imag;}v=EE(v,w);//改变系数，进行下一个蝶形运算}}}}下面给出main函数的程序及部分注解structcompxs[257];floatw[257];floata[257];floatm[257];main(){inti;doublex;floatpi=3.1415926;for(i=0;i256;i++){x=280*pi*i/256;//倍频系数为k=280/2mysin[i]=fun_sin(x);s[i+1].real=mysin[i];//结构体s从1开始存放s[i+1].imag=0;//两路信号选择实部信号输入让虚部信号为0}FFT(s,256);//将256点正弦曲线进行FFTfor(i=1;i257;i++){w[i]=s[i].real;a[i]=s[i].imag;//将虚部值赋给数组am[i]=sqrt(s[i].real*s[i].real+s[i].imag*s[i].imag);?/取模计算功率谱}}程序及频谱的分析倍频数为1的sin函数的波形图及系统自带的FFT对它变换后的图形如下：新建工程中对sin函数进行FFT后的实部、虚部如下：虽然倍频数是1但是结构体s中的值是从s[1]开始存放的所以第一根谱线的位置出现在2处，第二根谱线与第一根谱线关于129对称。由图中可以看出实部只有3.14而虚部的谱线值为128，显然二者不在一个数量级，这正好验证了sin(nk)→-2j(Δ（k-n）-Δ(k+n))这一理论公式。.改变倍频系数，使其倍频系数分别为64、128、140，观察分析频谱变化如下图所示：若增大倍频数两根谱线均往中间跑也就是都朝着对称轴跑，当倍频系数正好为128时虚部两根谱线一上一下相互抵消；当继续增大倍频系数使其大于128，虚部两根谱线交换位置变为左上右下，这意味着发生了频谱混跌效应，因为此程序设的抽样点数为257，理论上2fs=fh，但是实际要2fsfh,所以在倍频系数为128时会出现频谱消失，而在倍频系数为140时会出现频谱交错。2)在ccs上进行硬件仿真A.整合FFT和A/D转换两个工程，实现连续信号的硬件频谱分析工程的构建：将c55_sin0这个工程FFT.h这一头文件调出加入到老师所给的A/D转换这一工程中的文件夹，然后对A/D工程进行一系列的改动，编译重建下载后两个工程便整合到了一起。B.参考A/D转换示例和DSP系统功能自检示例完成硬件连接，并测试开发系统运行效果；下面给出修改后的A/D工程中的main函数#includemyapp.h#includeICETEK-VC5509-EDU.h#includescancode.h#includeFFT.hstructcompxs[257];floata[257];floatb[257];floatw[257];voidInitADC();voidwait(unsignedintcycles);voidEnableAPLL();unsignedintnADC0[256],nADC1[256];main(){inti;unsignedintuWork;EnableAPLL();SDRAM_init();InitADC();PLL_Init(132);while(1){for(i=0;i256;i++){ADCCTL=0x8000;//启动AD转换，通道0do{uWork=ADCDATA;}while(uWork&0x8000);nADC0[i]=uWork&0x0fff;//经过A/D转换后的数字信号s[i+1].real=nADC0[i];//将数字信号放入结构体s的实部中等待FFTs[i+1].imag=0;//只转换一路，另虚部这一路为0}FFT(s,256);for(i=0;i256;i++){a[i+1]=s[i+1].real;//结构体s从1开始存放b[i+1]=s[i+1].imag;w[i+1]=sqrt(a[i+1]*a[i+1]+b[i+1]*b[i+1]);}asm(nop);//breakpoint}}注：本工程只选择第一路信号即试验箱最上面那一路正弦信号作为输入信号，频率档为10Hz——100HZ程序及频谱的分析注：此图第一张为实验箱输入经过A/D转换后通道1输出nADC0[i]的波形，第二张为用系统自带的FFT对nADC0[i]进行快速傅里