數(shù)字信號處理實驗—學(xué)生

1、數(shù)字信號處理實驗指導(dǎo)書電子與信息工程教研室2006年9月2實驗系統(tǒng)介紹1調(diào)試軟件安裝說明8硬件安裝說明13實驗一 卷積（Convovle）算法實驗15實驗二 快速傅立葉變換（FFT）算法實驗18實驗系統(tǒng)介紹一. 實驗系統(tǒng)硬件組成該實驗系統(tǒng)其硬件資源主要包括：l CPU單元l 數(shù)字量輸入輸出單元l 存儲器及信號擴(kuò)展單元l BOOTLOADER單元l 語音模塊和液晶模塊l CPLD接口l A/D和D/A轉(zhuǎn)換單元l 信號源單元l 溫控單元l 步進(jìn)電機(jī)l 直流電機(jī)l 鍵盤接口l 電源模塊系統(tǒng)功能框圖二. 主要功能模塊介紹1. CPU單元CPU單元包括CPU1、CPU2兩塊可以更換的CPU板，可根據(jù)需要

2、，通過按鍵K10選擇不同種類的CPU板。2. 數(shù)字量輸入輸出單元l 8bit的數(shù)字量輸入（由八個帶自鎖的開關(guān)產(chǎn)生），通過74LS244緩沖；8bit的數(shù)字量輸出（通過八個LED燈顯示），通過74LS273鎖存。數(shù)字量的輸入輸出都映射到CPU的IO空間。l 數(shù)字量顯示的八個LED數(shù)碼管，通過HD7279控制。3. 存儲器及信號擴(kuò)展單元在該實驗板上，使用的存儲器接口芯片是ISSI公司的IS61C256，它具有以下特點：l 訪問速度10、12、15、20、25ns可選；l 低功耗：400mW（典型）；l 低靜態(tài)功耗-250W（典型）CMOS器件；-55mW（典型）TTL器件；l 全靜態(tài)操作，無需時鐘

3、或刷新；l 輸入輸出和TTL電平兼容；l 單5V供電。靜態(tài)存儲器分為兩個部分,一部分是32K×16bit的程序存儲器（地址為8000H0FFFFH）芯片序號U20、U21和32K×16bit的數(shù)據(jù)存儲器（地址為0000H7FFFH）芯片序號U22、U23。根據(jù)選擇不同類型的CPU分別映射到相應(yīng)地址的程序空間和數(shù)據(jù)空間。4. 語音處理單元語音CODEC采用TLC320AD50芯片。該芯片采用sigma-delta技術(shù)提供高精度低速信號變換，有兩個串行同步變換通道、D/A轉(zhuǎn)換前的差補(bǔ)濾波器和A/D變換后的濾波器。其他部分提供片上時序和控制功能。Sigma-delta結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)

4、高精度低速的數(shù)模模數(shù)轉(zhuǎn)換。芯片的各種應(yīng)用軟件配置可以通過串口來編程實現(xiàn)。主要包括：復(fù)位、節(jié)電模式、通信協(xié)議、串行時鐘速率、信號采樣速率、增益控制和測試模式。最大采樣速率22.05kb/s,采樣精度16bit。 語音處理單元由語音輸入模塊、TLC320AD50模塊、輸出功率模塊組成。語音輸入模塊采用偏置和差動放大技術(shù)，并經(jīng)過濾波和處理后將輸入到語音編解碼芯片TLV320AD50，前端輸入的電壓范圍為-2.5V+2.5V。經(jīng)過變換后輸入到AD50的芯片的差動信號范圍為05V。TLC320AD50C作為主方式，通過DSP的MCBSP0口進(jìn)行通信。 音頻信號通過D/A轉(zhuǎn)換后輸出，由于TLC320AD5

5、0輸出的是差動信號，因此首先經(jīng)過差動放大，然后可以推動功率為0.4W的板載揚聲器，也可以接耳機(jī)輸出。語音處理單元原理框圖語音處理單元接口說明：J14：音頻輸入端子，可輸入CD、聲卡、MP3、麥克風(fēng)等語音信號。J15：音頻輸出端子，可接耳機(jī)、音箱。J3/ J1：語音處理單元輸入/輸出信號接口J6： 地語音處理單元撥碼開關(guān)說明：S1：撥碼開關(guān)：碼位備注1ON：幀同步脈沖接通，缺省設(shè)置； OFF： 幀同步脈沖關(guān)斷；2ON：串口時鐘接通，缺省設(shè)置；OFF： 緩沖串口時鐘關(guān)斷；S2：撥碼開關(guān)碼位備注1ON：直流量輸入，OFF：交流量輸入，缺省設(shè)置2ON：揚聲器輸出; OFF：揚聲器關(guān)閉，缺省設(shè)置語音處理

6、單元可調(diào)電位器說明：“輸入調(diào)節(jié)”：逆時針音量變大順時針音量變小“輸出調(diào)節(jié)”：逆時針音量變大順時針音量變小5. CPLD接口 采用XILINX公司的XC95144XL芯片，完成譯碼和時序控制。JTAG4為CPLD下載接口?？捎肵ILINX公司的軟件，通過并口下載電纜對CPLD在線編程。JTAG4 CPLD下載口定義JTAG1 引腳序號JTAG功能組相關(guān)說明1TCK時鐘2NC空腳3TMS模式控制4GND地5TDI數(shù)據(jù)輸入 6NC空腳 7TDO數(shù)據(jù)輸出8GND地9+5V電源10+5V電源 D2、D3為CPLD工作指示燈 ，正常工作時D2、D3點亮。CPU1復(fù)位時， D3不亮，CPU2復(fù)位時，D2不亮

7、。6. D/A轉(zhuǎn)換單元數(shù)模轉(zhuǎn)換采用DAC08芯片，分辨率8位，精度1LSB，轉(zhuǎn)換時間可達(dá)85ns 。DAC08可以應(yīng)用在8-bit, 1us A/D變換，伺服電機(jī)、波形發(fā)生、語音編碼、衰減器、可編程功率變換器、CRT顯示驅(qū)動、高速modems 以及其他要求低成本、高速等多功能場合。在本實驗系統(tǒng)中，DAC08采用對稱偏移二進(jìn)制輸出方式，輸出電壓范圍-5V+5V。注：Vref=+10V對稱偏移二進(jìn)制輸出編碼圖 底板DAC08參考電壓Vref=+5V；輸入00h，輸出電壓-5V；輸入ffh，輸出電壓+5V。D/A單元原理框圖數(shù)模轉(zhuǎn)換單元接口說明： S24：撥碼開關(guān)碼位備注2ON, DA輸出給直流電機(jī)

8、控制端；OFF, DA輸出懸空，缺省設(shè)置；1ON, DA輸出給J4端子；OFF, DA輸出懸空，缺省設(shè)置； J4：DA輸出端子 J2：地7. A/D轉(zhuǎn)換單元模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片選用AD7822，單極性輸入，采樣分辨率8BIT，并行輸出；內(nèi)含取樣保持電路，以及可選擇使用內(nèi)部或外部參考電壓源，具有轉(zhuǎn)換后自動Power-Down的模式，電流消耗可降低至5A以下。轉(zhuǎn)換時間最大為420ns， SNR可達(dá)48dB，INL及DNL都在±0.75 LSB以內(nèi)?？蓱?yīng)用在數(shù)據(jù)采樣、DSP系統(tǒng)及移動通信等場合。在本實驗系統(tǒng)中，參考電壓源+2.5V,偏置電壓輸入引腳Vmid=+2.5V。模擬輸入信號經(jīng)過運放處理后輸

9、入AD7822。 模數(shù)單元原理框圖模數(shù)轉(zhuǎn)換單元撥碼開關(guān)說明：S25：撥碼開關(guān)碼位備注1ON, 信號源1輸出給AD；OFF, AD輸入懸空，缺省設(shè)置；2ON, 信號源2輸出給AD；OFF, AD輸入懸空，缺省設(shè)置； S26：撥碼開關(guān)碼位備注1ON, 溫控單元輸出給AD；OFF, AD輸入懸空，缺省設(shè)置；2ON, J12端子輸入給AD；OFF, AD輸入懸空，缺省設(shè)置； J12： AD輸入端子 J23：地 撥碼開關(guān)其它設(shè)置狀態(tài)為非法狀態(tài)8. 信號源單元頻率、幅值可調(diào)雙路三角波、方波和正弦波產(chǎn)生電路采用兩片8038信號發(fā)生器，輸出頻率范圍20100KHz，幅值范圍-10V+10V。輸出波形、頻率范圍

10、可通過波段開關(guān)來選擇。頻率、幅值可獨立調(diào)節(jié)。兩路輸出信號可以經(jīng)過加法器進(jìn)行信號模擬處理和混疊，作為信號濾波處理的混疊信號源?；殳B后的信號從信號源1輸出。ICL8038原理框圖信號源單元原理框圖信號源單元波段開關(guān)說明：波形選擇波段開關(guān)撥到底板絲印的相應(yīng)位置選擇對應(yīng)的波形（正弦、三角、方波），頻率選擇波段開關(guān)撥到底板絲印的相應(yīng)位置選擇對應(yīng)的頻率范圍（02K、2K10K、10K120K）。信號源單元電位器說明：“頻率調(diào)節(jié)”左旋變小右旋變大“幅值調(diào)節(jié)”左旋變大右旋變小 J8：信號源1輸出 J7：信號源2輸出 J5：地綜上所述，以上介紹了該系統(tǒng)的硬件資源，看完這些內(nèi)容，應(yīng)該對實驗系統(tǒng)有一個基本的了解，并

11、在實驗過程中熟悉每個單元在的具體應(yīng)用。調(diào)試軟件安裝說明一. CCS的安裝利用CCS集成開發(fā)環(huán)境，用戶可以在一個開發(fā)環(huán)境下完成工程定義、程序編輯、編譯鏈接、調(diào)試和數(shù)據(jù)分析等工作環(huán)節(jié)。下圖為典型CCS集成開發(fā)環(huán)境窗口示例。整個窗口由主菜單、工具條、工程窗口、編輯窗口、圖形顯示窗口、內(nèi)存單元顯示窗口和寄存器顯示窗口等構(gòu)成。以安裝CCS5000（2.0）為例：CCS軟件安裝系統(tǒng)要求要使用Code Composer Studio操作平臺必須滿足以下的要求： IBM PC(或兼容機(jī)) Microsoft Window95/98/ NT 4.0/2000/XP 32M 內(nèi)存，100M 硬盤空間，奔騰處理器，

12、SVGA(800*600)Code Composer Studio的安裝(1) 安裝CCS到系統(tǒng)中。將CCS安裝光盤放入到光盤驅(qū)動器中，運行CCS安裝程序setup.exe。出現(xiàn)以下畫面。如果在WindowsNT下安裝，用戶必須要具有系統(tǒng)管理員的權(quán)限。選擇NEXT，按系統(tǒng)提示安裝，默認(rèn)安裝路徑是“C：ti”。(2) 安裝完成后，在桌面上會有“CCS 2（C5000 ）”和“Setup CCS 2（C5000 ）”兩個快捷方式圖標(biāo)。分別對應(yīng)CCS應(yīng)用程序和CCS配置程序。（3）如果用戶的操作系統(tǒng)為Windows 95，則可能需要增加環(huán)境變量空間。方法是將語句“shell=c：windowscom

13、mandcome：4096p”添加到C盤根目錄下的CONFIGSYS文件中，然后重新啟動計算機(jī)。這條語句將環(huán)境變量空間設(shè)置為4096字節(jié)。二. CCS的設(shè)置安裝CCS軟件與普通的程序安裝類似，沒有特殊要求。下面介紹安裝完成后如何設(shè)置CCS軟件。如果CCS是在硬件目標(biāo)板上運行，則先要安裝目標(biāo)板驅(qū)動程序，然后運行“CCS Setup”配置驅(qū)動程序，最后才能執(zhí)行CCS。除非用戶改變CCS應(yīng)用平臺類型，否則只需運行一次CCS配置程序。運行Code Composer Studio Setup軟件，即桌面上的Setup CCS2（C5000）圖標(biāo)。進(jìn)入以下畫面，點擊右邊的“Install a Device

14、 Driver”彈出對話框，在CCS的安裝目錄中找到drivers找到相應(yīng)的設(shè)備，這里舉例54XX系列。點擊“OK”按鈕，會發(fā)現(xiàn)在中的框中多了“tixds54X”這個設(shè)備，然后點擊“Add To System”出現(xiàn)在“Board Properties”對話框在Board下面的下拉菜單中選擇第二項“Auto-generate board data file with extra configuratic”，這里“Configuratic File”變成可見，點擊“Browse”在CCS目錄中的drivers目錄中找到Techusb2.cfg這個文件，選中打開，然后點擊“Next>”按鈕。出

15、現(xiàn)下面的對話框后，將I/O port 的Value改成0x280。點擊“Next>”選中”TMS320C5400”點擊旁邊的“Add Single”按鈕，在右邊的框中會出現(xiàn)“CPU_1”，點擊“Next>”在“startup GEL”中點擊右邊的小按鈕，在打開對話框中選擇你需要的文件。完成上面的操作后。出現(xiàn)信息如下點“File”菜單中的“Save”存盤，然后退出，彈出對話點擊是，就會啟動CCS軟件硬件安裝說明硬件仿真器是進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)的必備工具，它是采用邊界掃描技術(shù)和CPU芯片通過JTAG口相連接。實現(xiàn)了主機(jī)對CPU芯片的完全檢測和控制?？梢酝ㄟ^JTAG和相應(yīng)的軟件調(diào)試環(huán)境實現(xiàn)系統(tǒng)的

16、硬件調(diào)試和軟件的再現(xiàn)調(diào)試開發(fā)工作。一. DSP硬件仿真器的安裝第一步 取出開發(fā)系統(tǒng)，檢查是否齊全EPP開發(fā)系統(tǒng)A 關(guān)閉PC機(jī)電源，將專用電纜插入并口中，注意插接要穩(wěn)固。B 用+5V穩(wěn)壓電源通過電源插口給仿真器供電。C啟動PC機(jī)，安裝新硬件，驅(qū)動程序eppdrive.zipUSB開發(fā)系統(tǒng)A關(guān)閉PC機(jī)電源，將專用電纜插入USB口中，注意插接要穩(wěn)固。B啟動PC機(jī)，安裝新硬件，驅(qū)動程序usbdrive.zipPCI開發(fā)系統(tǒng)A關(guān)閉PC機(jī)電源，取下機(jī)箱盒，將PCI卡插入PCI插槽中，注意插接要穩(wěn)固。B啟動PC機(jī)，安裝新硬件，驅(qū)動程序為pcitfsetup.zipC安裝好PCI卡后，用37針專用連線，連接P

17、CI卡與連接仿真盒，再將仿真盒另一端，連好JTAG接線。第二步 將以安裝好的仿真器JTAG線，插入CPU板上的JTAG接口。 至此，硬件仿真器安裝完成。二. DSP硬件仿真器的使用硬件仿真器的用法比較簡單，只要將JTAG口連接正確，DSP芯片能夠正常工作并且軟件調(diào)試環(huán)境配置正確即可以應(yīng)用。下面給出JTAG的定義：注意第六腳是空腳。接通電源，把實驗箱后方的電源開關(guān)打到“1”位置，實驗箱通電，實驗箱電源單元的指示燈LED1、2、3、4指示燈點亮。 雙擊桌面上的CCS2（C5000）圖標(biāo)，進(jìn)入CCS軟件界面，可以開始。進(jìn)行程序的開發(fā)和調(diào)試。22實驗一 卷積（Convovle）算法實驗一. 實驗?zāi)康?

18、. 了解卷積算法的原理。2. 掌握TMS320匯編程序在CCS環(huán)境下的編譯和調(diào)試方法。二. 實驗設(shè)備計算機(jī)、DSP硬件仿真機(jī)、EXPII實驗箱。三. 實驗原理若LTI系統(tǒng)的響應(yīng)為h(n)，h(n)稱為系統(tǒng)的單位脈沖響應(yīng)，則由時不變特性有，系統(tǒng)對的響應(yīng)為h(n-k)；又根據(jù)齊次性，系統(tǒng)對的響應(yīng)為；再由疊加性，系統(tǒng)對的響應(yīng)為，即離散時間LTI系統(tǒng)對輸入x(n)的響應(yīng)為：此式稱為卷積和，通常記為：四. 實驗步驟與內(nèi)容1. 重新熟悉卷積的基本原理；2. 閱讀本實驗所提供的樣例子程序；3. 運行CCS軟件，對樣例程序進(jìn)行跟蹤、分析結(jié)果、記錄必要的參數(shù)；4. 填寫實驗報告。A.實驗前的準(zhǔn)備1）正確完成計算

19、機(jī)、DSP仿真器和實驗箱的連接后，按鍵K10，即仿真器連接右邊的CPU，系統(tǒng)上電。2）設(shè)置實驗板上的撥碼開關(guān)，其他開關(guān)缺省設(shè)置：S25: 輸入信號選擇 S26: 輸入信號選擇碼位 備注1ON，信號源1輸給AD2 OFF碼位 備注1OFF2OFFS22: 中斷源選擇 碼位 備注1 ONCPU中斷2給A/D轉(zhuǎn)換2 OFF 單元S3: 撥碼開關(guān) 碼位 備注1OFF：A/D單元采樣時鐘為低頻，缺省設(shè)置；采樣頻率為250KHz 2OFF：也可為ON，信號源輸出為信號源1，2路的混頻輸出 B.實驗啟動CCS2.0,Project/Open 打開“Algorithm”目錄中“exp04_cpu2”子目錄下“

20、Exp-CONV-AD.prj”工程文件，雙擊“Exp-CONV-AD.prj”及其“Source”可查看各源程序；加載“Exp-CONV-AD.out”；在主程序中，在t+及flag=0處分別設(shè)置斷點；單擊“Run”運行程序，程序?qū)⑦\行至第一個斷點處停止；用View/Graph/Time/Frequency打開圖形觀察窗口；設(shè)置圖形窗口變量及參數(shù)；采用雙綜觀察兩路輸入變量Input及Impulse的波形，波形長度為128，數(shù)值類型為32位浮點型。將第一個觀察窗口命名為Gaphiacal_1。再打開一個圖形觀察窗口，以觀察卷積結(jié)果波形；該窗口的參數(shù)設(shè)置為：變量為Output，長度為256，數(shù)據(jù)

21、類型為32位浮點數(shù)；將第二個觀察窗口命名為Gaphiacal_2。調(diào)整觀察窗口，觀察兩路輸入信號波形和卷積結(jié)果波形；這兩路信號輸入波形是由程序產(chǎn)生，并對這兩個信號進(jìn)行卷積。（為在同一個窗口中顯示卷積的輸入和輸出信號波形，在Window/中選擇cascade窗口顯示風(fēng)格，并選擇Graphical_1和Graphical_2進(jìn)行顯示）單擊“Run”，程序運行至第二個斷點處，調(diào)整圖形觀察窗口，該部分實驗采用實驗箱的信號源產(chǎn)生的信號作為卷積的兩個輸入信號，觀察卷積結(jié)果。 單擊“Animate”運行程序，或按“F10”運行程序；調(diào)整觀察窗口，并觀察卷積結(jié)果；改變輸入信號的波形、頻率、幅值，觀察卷積結(jié)果，

22、實驗結(jié)束。五. Convolve子程序說明時域表達(dá)式：子程序參數(shù)說明： Void Convolveok(Input,Impulse,Output,Length)Input:原始輸入數(shù)據(jù)序列，浮點型，長度128；Impulse：沖激響應(yīng)序列，浮點型，長度128；Output: 卷積輸出結(jié)果序列，浮點型，長度256；Length: 參與卷積運算的兩輸入序列的長度； 六. 思考題 1、 總結(jié)在使用CCS中遇到的問題。2、 分析樣例中的算法的實現(xiàn)方法。實驗二 快速傅立葉變換（FFT）算法實驗一. 實驗?zāi)康?. 加深對DFT算法原理和基本性質(zhì)的理解。2. 熟悉FFT算法原理和FFT子程序的應(yīng)用。3. 學(xué)

23、習(xí)用FFT對連續(xù)信號和時域信號進(jìn)行譜分析的方法，了解可能出現(xiàn)的分析誤差及其原 因，以便在實驗中正確FFT。二. 實驗設(shè)備計算機(jī)、DSP硬件仿真器、EXPII實驗箱，音頻線，音源（電腦音頻播放）三. 實驗原理1. 離散傅立葉變換DFT的定義：將時域的采樣變換成頻域的周期性離散函數(shù)，頻域的采樣也可以變換成時域的周期性離散函數(shù)，這樣的變換稱為離散傅立葉變換，簡稱DFT。2. FFT是DFT的一種快速算法，將DFT的N2步運算減少為步，極大的提高了運算的速度。3. ，稱為蝶形因子式旋轉(zhuǎn)因子，該旋轉(zhuǎn)因子有變換規(guī)律。4. 蝶形運算規(guī)律。四. FFT算法對于旋轉(zhuǎn)因子來說，有如下的對稱性和周期性：對稱性： 周

24、期性：FFT就是利用了旋轉(zhuǎn)因子的對稱性和周期性來減少運算量的。FFT算法將長序列的DFT分解為短序列的DFT。N點的DFT先分解為兩個N/2點的DFT，每個N/2點的DFT又分解為兩個N/4點的DFT等等，最小變換的點數(shù)即基數(shù)，基數(shù)為2的FFT算法的最小變換是2點DFT。一般而言，F(xiàn)FT算法分為時間抽選(DIT)FFT和頻率抽選(DIF)FFT兩大類。時間抽取FFT算法的特點是每一級處理都是在時域里把輸入序列依次按奇/偶一分為二分解成較短的序列；頻率抽取FFT算法的特點是在頻域里把序列依次按奇/偶一分為二分解成較短的序列來計算。DIT和DIF兩種FFT算法的區(qū)別是旋轉(zhuǎn)因子出現(xiàn)的位置不同，DIT

25、 FFT中旋轉(zhuǎn)因子在輸入端，DIF FFT中旋轉(zhuǎn)因子在輸出端，除此之外，兩種算法是一樣的。在本設(shè)計中實現(xiàn)的是基2的時間抽取FFT算法。時間抽取FFT是將N點輸入序列按照偶數(shù)和奇數(shù)分解為偶序列和奇序列兩個序列：偶序列：x(0),x(2),x(4),x(N-2)奇序列：x(1),x(3),x(5),x(N-1)因此，x(n)的N點FFT可表示為： 上式中，Y(k)，Z(k)分別是一個N/2點的DFT。以同樣方式進(jìn)一步抽取，就可以得到N/4點的DFT，重復(fù)這個抽取過程就可以使N點的DFT用一組2點的DFT來計算。在基數(shù)為2的FFT中，設(shè)N=2M，則總共有M級運算，每級有N/2個2點DFT蝶形運算，因此，N點FFT共有(N/2)個蝶形運算。五. 實驗步驟與內(nèi)容1. 復(fù)習(xí)DFT的定義、性質(zhì)和用DFT作譜分析的有關(guān)內(nèi)容；2. 復(fù)習(xí)FFT算法原理與編程思想，并對照DIT-FFT運算流程圖和程序框圖，了解本實驗提供的FFT子程序；3. 閱讀本實驗所提供的樣例子程序；4. 運行CCS軟件，對樣例程序進(jìn)行跟蹤、分析結(jié)果、記錄必要的參數(shù)；5. 填寫實驗報告。A.實驗前的準(zhǔn)備1) 用音頻線連接“語音模塊”音頻輸入端J14與音頻源，K10按鍵彈起即仿真器選擇連接左邊的CPU：CPU1；2) 調(diào)節(jié)音頻輸入R43調(diào)節(jié)旋鈕至適當(dāng)位置；3) “語音模塊”的撥碼開關(guān)位置如下：S1: 撥碼開關(guān) S2: 撥碼