DSP原理與應(yīng)用論文

1、DSP原理與應(yīng)用論文信息科學(xué)與工程學(xué)院電子信息工程姓名：學(xué)號(hào)：DSP的發(fā)展及應(yīng)用一、DSP數(shù)字信號(hào)處理器的發(fā)展步入21世紀(jì)之后，社會(huì)進(jìn)入數(shù)字化的時(shí)代，而數(shù)字信號(hào)處理器(digitalsignalprocessor)正是這場(chǎng)數(shù)字化革命的核心。從20世紀(jì)60年代數(shù)字信號(hào)處理理論的崛起，到20世紀(jì)80年代世界上第一個(gè)單片可編程DSP芯片產(chǎn)生以來(lái)，數(shù)字信號(hào)處理器的發(fā)展迅猛異常。數(shù)字信號(hào)處理是利用專(zhuān)用或通用數(shù)字信號(hào)處理芯片，通過(guò)數(shù)字計(jì)算的方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。與模擬信號(hào)處理相比，數(shù)字信號(hào)處理具有精確，靈活，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性好和易于大規(guī)模集成等特點(diǎn)。DSP系統(tǒng)以數(shù)字信號(hào)處理為基礎(chǔ)，與模擬信號(hào)處理系統(tǒng)相比

2、，其優(yōu)點(diǎn)：a.接口簡(jiǎn)單、方便。由于數(shù)字信號(hào)的電氣特性簡(jiǎn)單，不同的DSP系統(tǒng)相互連接時(shí)，在硬件接口上容易實(shí)現(xiàn)；b.精度高，穩(wěn)定性好。數(shù)字信號(hào)處理僅受量化誤差和有限字長(zhǎng)的影響，處理過(guò)程不引入其他噪聲，因此有較高的信噪比。另外模擬系統(tǒng)的性能受元器件參數(shù)性能影響較大，而數(shù)字系統(tǒng)基本不變因此數(shù)字系統(tǒng)更便于測(cè)試、調(diào)試及批量生產(chǎn)；c.編程方便，容易實(shí)現(xiàn)復(fù)雜白算法。在DSP系統(tǒng)中，DSP芯片提供了一個(gè)高速計(jì)算平臺(tái)，系統(tǒng)功能依賴(lài)于軟件編程實(shí)現(xiàn)。當(dāng)其與現(xiàn)代信號(hào)處理理論和計(jì)算數(shù)學(xué)相結(jié)合時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的信號(hào)處理功能；d.集成方便?，F(xiàn)代DSP芯片都是將DSP芯核及其外圍電路綜合集成在單一芯片上。這種結(jié)構(gòu)便于設(shè)計(jì)便攜式

3、高集成度的數(shù)字產(chǎn)品?，F(xiàn)代DSP芯片作為可編程超大規(guī)模集成(VLSI)器件，通過(guò)可下載的軟件或固件來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理功能。DSP芯片除具有普通微處理器的高速運(yùn)算和控制功能外，還針對(duì)高數(shù)據(jù)傳輸速率數(shù)值運(yùn)算密集的實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理，在處理器結(jié)構(gòu)，指令系統(tǒng)，和指令流程設(shè)計(jì)上做了較大改動(dòng)。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有：1.DSP芯片普遍采用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，即數(shù)據(jù)總線和程序總線相互分離，這使得處理指令和數(shù)據(jù)可以同時(shí)進(jìn)行，提高了處理效率；2DSP芯片大多采用流水線技術(shù)，即每條指令的執(zhí)行劃分為取指，譯碼，取數(shù)等若干步驟，由片內(nèi)多個(gè)功能單元分別完成。這相當(dāng)于多條指令并行執(zhí)行，從而大大提高了運(yùn)行速度。3.片內(nèi)有多條總線可以同時(shí)進(jìn)行

4、取指和取操作數(shù)動(dòng)作，并且有輔助寄存器自動(dòng)增減地址協(xié)助尋址。4.配有獨(dú)立的乘法器、加法器和特殊指令，適用于需要大量乘累加器操作的矩陣運(yùn)算，F(xiàn)FT,Viterbi譯碼和相關(guān)的專(zhuān)用信號(hào)處理運(yùn)算。e.大多數(shù)DSP芯片一般都帶有DMA控制器，外部存儲(chǔ)器，外部存儲(chǔ)器擴(kuò)展接口，串行通信，配合片內(nèi)多總線結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)大吞吐量數(shù)據(jù)傳送。5.DSP芯片一般配有中斷處理器、定時(shí)器，片內(nèi)存儲(chǔ)器和鎖相環(huán)（PLL）等片內(nèi)集成外設(shè)，可以方便的實(shí)現(xiàn)一個(gè)嵌入式自封閉控制的處理系統(tǒng)。6.省電管理和低功耗。適于便攜式數(shù)字終端設(shè)備。二、DSP器件的分類(lèi)DSP器件按設(shè)計(jì)要求可以分為兩類(lèi)。第一類(lèi)，應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)榱畠r(jià)的、大規(guī)模嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)，

5、如手機(jī)、磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)（DSP用作伺服電機(jī)控制）以及便攜式數(shù)字音頻播放器等。在這些應(yīng)用中價(jià)格和集成度是最重要的考慮因素。對(duì)于便攜式電池供電的設(shè)備，功耗也是一個(gè)關(guān)鍵的因素。盡管這些應(yīng)用常常需要開(kāi)發(fā)運(yùn)行于DSP的客戶(hù)應(yīng)用軟件和外圍支持硬件，但易于開(kāi)發(fā)的要求仍然是次要的因素，因?yàn)榕可a(chǎn)可以分?jǐn)傞_(kāi)發(fā)成本，從而降低單位產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)成本。另外一類(lèi)是需要用復(fù)雜算法對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的應(yīng)用，例如聲納探測(cè)和地震探測(cè)等，也需要用DSP器件。該類(lèi)設(shè)備的批量一般較小、算法要求苛刻、產(chǎn)品很大而且很復(fù)雜。所以設(shè)計(jì)工程師在選擇處理器時(shí)會(huì)盡量選擇性能最佳、易于開(kāi)發(fā)并支持多處理器的DSP器件。有時(shí)，設(shè)計(jì)工程師更喜歡選用現(xiàn)成的開(kāi)發(fā)板來(lái)

6、開(kāi)發(fā)系統(tǒng)而不是從零開(kāi)始硬件和軟件設(shè)計(jì)，同時(shí)可以采用現(xiàn)成的功能庫(kù)文件開(kāi)發(fā)應(yīng)用軟件。三、DSP數(shù)字信號(hào)處理器的應(yīng)用DSP芯片性?xún)r(jià)比的不斷提高以及數(shù)字化產(chǎn)品、Internet和計(jì)算機(jī)的不斷普及，使DSP的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。DSP的應(yīng)用幾乎遍及整個(gè)電子領(lǐng)域，其中3G（communication,comput2er,consumer）領(lǐng)域占整個(gè)市場(chǎng)需求的90%。常見(jiàn)的應(yīng)用有：a.通用數(shù)字信號(hào)處理，包括數(shù)字濾波、FFT、自適應(yīng)濾波、模式匹配等；b.通彳t,包括高速M(fèi)ODEM、自適應(yīng)均衡器、傳真、數(shù)字留言機(jī)、程控交換、數(shù)字基站、可視電話、FDMATDMAICDMA制式移動(dòng)電話、衛(wèi)星通信設(shè)備、保密通信設(shè)備、I

7、P電話數(shù)字廣播和軟件無(wú)線電等；c.家用計(jì)算機(jī)。包括高速大容量硬盤(pán)、語(yǔ)音識(shí)別與合成、計(jì)算機(jī)加速卡、掃描儀、陣列處理機(jī)和多媒體處理等；d.語(yǔ)音處理。包才語(yǔ)音編碼，語(yǔ)音識(shí)別與合成，人聲識(shí)別，矢量編碼和語(yǔ)音信箱等；e.圖像、視頻處理。包括圖像變換、圖像處理、圖像壓縮等；f.軍事用途。雷達(dá)探測(cè)、雷達(dá)成像、聲納信號(hào)處理、加密通信和電子對(duì)抗等；g.航空航天。包括虛擬訓(xùn)練設(shè)備、自動(dòng)駕駛、GPS、故障記錄和分析設(shè)備等；可以預(yù)見(jiàn)，隨著DSP芯片性?xún)r(jià)比的提高和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的不斷發(fā)展，DSP芯片將會(huì)在更廣闊的領(lǐng)域得到應(yīng)用。DSP芯片可分為定點(diǎn)DSP芯片、浮點(diǎn)DSP芯片兩大類(lèi)。這是根據(jù)DSP芯片工作的數(shù)據(jù)格式來(lái)分類(lèi)

8、的。數(shù)據(jù)以定點(diǎn)格式工作的DSP芯片稱(chēng)為定點(diǎn)DSP芯片，如TI公司的TMS320C2000系列,TMS320C5000系列,TMS320C6000系列等，數(shù)據(jù)以浮點(diǎn)格式工作的稱(chēng)為浮點(diǎn)DSP芯片，如TI公司的TMS320C3X4X,TMX320C6000系歹U口中的TMS320C67XX等。此外,按DSP芯片的用途來(lái)分，可分為通用型DSP芯片和專(zhuān)用型DSP芯片。專(zhuān)用型DSP芯片已將算法固化在芯片中，完成特定功能。我們現(xiàn)在使用的芯片主要是TI公司的TMS320C5000系歹U和TMS320C6000系歹U,其中TMS320C5000系列目前包括TMS320C54x系列和TMS320C55X系列兩大類(lèi)

9、。這兩類(lèi)芯片軟件完全兼容，所不同的是TMS320C55x具有更低的功耗和更高的性能。TMS320C54X系列是為實(shí)現(xiàn)低功耗，高性能而專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的定點(diǎn)DSP芯片，主要應(yīng)用在無(wú)線通信等領(lǐng)域。四、CodeComposerStudio(CCS)的簡(jiǎn)介CodeComposerStudio簡(jiǎn)稱(chēng)CCS,是TI公司推出的為開(kāi)發(fā)TMS320系列DSP軟件的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境(IDE)。CCS工作在Windows操作系統(tǒng)下，類(lèi)似于VC+的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，采用圖形接口界面，提供有編輯工具和工程管理工具。它將諸如匯編器、鏈接器、n+編譯器、CC建庫(kù)工具等集成在了一個(gè)統(tǒng)一的開(kāi)發(fā)平臺(tái)中。CCS所集成的代碼調(diào)試工具具有各種調(diào)試功能，

10、包括了原TI公司提供的C源代碼調(diào)試器和模擬器所具有的所有功能。能對(duì)TMS320系列DSP進(jìn)行指令級(jí)的仿真和進(jìn)行可視化的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析。此外，還提供了豐富的輸入口出庫(kù)函數(shù)和信號(hào)處理的庫(kù)函數(shù)，極大的方便了TMS320系列DSP軟件的開(kāi)發(fā)過(guò)程。1、CCS集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，包括編輯器、工程管理工具、調(diào)試工具等；2、用CCS的軟件開(kāi)發(fā)流程CCSIDE支持的DSP軟件開(kāi)發(fā)的各個(gè)階段如下：a.設(shè)計(jì)一總體設(shè)計(jì)；b.代碼生成一創(chuàng)建工程、編寫(xiě)源代碼、配置文件c.調(diào)試一語(yǔ)法檢查、程序調(diào)試；d.分析一實(shí)時(shí)調(diào)試、統(tǒng)計(jì)分析、跟蹤分析；3、CCS系統(tǒng)配置為了使用CCS,必須首先完成以下工作：a.按照具體使用的模擬器或仿真目標(biāo)板的

11、產(chǎn)品說(shuō)明，安裝目標(biāo)板和驅(qū)動(dòng)軟件；b.按CCS的產(chǎn)品說(shuō)明安裝CCS;c.創(chuàng)建CCS系統(tǒng)配置，為CCS配置結(jié)構(gòu)文件；4、利用CCS入門(mén)指南在完成CCS安裝和系統(tǒng)配置后，可運(yùn)行CCS入門(mén)指南（CCSTutorial）。該指南可用來(lái)了解CCS的各種特色，包括新版本更新的內(nèi)容。它還提供了許多基本過(guò)程的信息。因此，好好利用、認(rèn)真學(xué)習(xí)其入門(mén)指南，是您快速深入掌握利用CCS開(kāi)發(fā)DSP的最佳路徑；5、CCS中的文件和變量在使用CCS之前，先CCS使用的文件夾、文件的CCS類(lèi)型和CCS使用的環(huán)境變量作一些說(shuō)明；五、DSP處理器存在四種發(fā)展趨勢(shì)：1、系統(tǒng)級(jí)集成DSP是潮流縮小DSP芯片尺寸始終是DSP的技術(shù)發(fā)展方向

12、。當(dāng)前的DSP多數(shù)基于RISC（精簡(jiǎn)指令集計(jì)算）結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是尺寸小、功耗低、性能高。各DSP廠商紛紛采用新工藝，改進(jìn)DSP芯核，并將幾個(gè)DSP芯核、MPU芯核、專(zhuān)用處理單元、外圍電路單元、存儲(chǔ)單元統(tǒng)統(tǒng)集成在一個(gè)芯片上，成為DSP系統(tǒng)級(jí)集成電路。TI公司的TMS320C80代表當(dāng)今DSP領(lǐng)域中的最高水平，它在一塊芯片上集成了4個(gè)DSP、1個(gè)RISC處理器、1個(gè)傳輸控制器、2個(gè)視頻控制器。這樣的芯片通常稱(chēng)之為MVP（多媒體視頻處理器）。它可支持各種圖像規(guī)格和各種算法，功能相當(dāng)強(qiáng)。2、可編程DSP是主導(dǎo)產(chǎn)品可編程DSP給生產(chǎn)廠商提供了很大的靈活性。生產(chǎn)廠商可在同一個(gè)DSP平臺(tái)上開(kāi)發(fā)出各種不

13、同型號(hào)的系列產(chǎn)品，以滿(mǎn)足不同用戶(hù)的需求。同時(shí)，可編程DSP也為廣大用戶(hù)提供了易于升級(jí)的良好途徑。人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，許多微控制器能做的事情，使用可編程DSP將做得更好更便宜。DSP來(lái)進(jìn)行大功率電機(jī)控例如冰箱、洗衣機(jī)，這些原來(lái)裝有微控制器的家電如今已換成可編程制。據(jù)統(tǒng)計(jì)，去年的可編程DSP銷(xiāo)售額占了整個(gè)DSP市場(chǎng)的40%份額，預(yù)計(jì)今后的比重將逐年增大，到2001年可望占據(jù)整個(gè)DSP銷(xiāo)售額的半邊江山。3、追求更高的運(yùn)算速度目前一般的DSP運(yùn)算速度為100MIPS,即每秒鐘可運(yùn)算1億條指令。但仍嫌不夠快。由于電子設(shè)備的個(gè)人化和客戶(hù)化趨勢(shì)，DSP必須追求更高更快的運(yùn)算速度，才能跟上電子設(shè)備的更新步伐。DSP運(yùn)算速度的提高，主要依靠新工藝改進(jìn)芯片結(jié)構(gòu)。目前，TI的TM320C6X芯片由于采用VLIW（VeryLongInstructionWord超長(zhǎng)指令字）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其處理速度已高達(dá)2000MIPS,計(jì)劃今年年中批量生產(chǎn)，這是迄今為止的最高速度。當(dāng)前DSP器件大都采用0.5科呼0.35科mCMO