DSP技術(shù)及應(yīng)用(陳金鷹).ppt

1,信息工程學(xué)通信工程系,DSP技術(shù)及應(yīng)用,陳金鷹 副教授(博士),2,1.1 數(shù)字化的發(fā)展 1.2 DSP芯片技術(shù)的特點(diǎn) 1.3 DSP的應(yīng)用,主要內(nèi)容,3,“今后的時(shí)代，控制世界的國(guó)家將不是靠軍事，而是信息能力走在前面的國(guó)家?！?（美國(guó)前總統(tǒng)克林頓）,“信息時(shí)代的出現(xiàn)，將從根本上改變戰(zhàn)爭(zhēng)的進(jìn)行方式?！?（美國(guó)前陸軍參謀長(zhǎng)沙利文上將）,“誰掌握了信息，控制了網(wǎng)絡(luò)，誰就將擁有整個(gè)世界?！?（美國(guó)著名未來學(xué)家阿爾溫 托爾勒）,4,一、信號(hào)處理的發(fā)展,二、數(shù)字信號(hào)處理的發(fā)展,三、未來在DSP,四、數(shù)字化的優(yōu)點(diǎn),五、模擬與數(shù)字各有所長(zhǎng),第一節(jié) 數(shù)字化的發(fā)展,5,基礎(chǔ),數(shù)字化與DSP的關(guān)系,6,1.信號(hào)處理的標(biāo)志：傅氏變換（FT） 2.信號(hào)分析的作用：加深對(duì)信號(hào)特性的了解,例如,一、信號(hào)處理的發(fā)展,頻譜分布,噪聲,雜散,用頻譜儀分析信號(hào),了解,7,3.信號(hào)處理的目的：改變信號(hào)的某些性能,信號(hào)的編碼/解碼 調(diào)制/解調(diào) 壓縮/解壓 擴(kuò)頻/解擴(kuò),典型應(yīng)用,調(diào)頻伴音,彩色副載頻,殘留邊帶調(diào)制,電視信號(hào) 調(diào)制,例 如,8,二、數(shù)字信號(hào)處理的發(fā)展,1.現(xiàn)代意義上的數(shù)字信號(hào)處理是隨著數(shù)字計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)和發(fā)展而發(fā)展的。,早期數(shù)字處理,9,2.快速傅立葉變換算法（FFT）是數(shù)字信號(hào)處理發(fā)展史上的一個(gè)重要里程碑,現(xiàn)代數(shù)字處理,（ Cooley-Tukey 1965年提出FFT ）,將傅立葉變換的時(shí)間縮短了幾個(gè)數(shù)量級(jí),指出了數(shù)字信號(hào)處理快速算法發(fā)展方向,為實(shí)時(shí)處理帶來了希望,10,3. DSP統(tǒng)治未來成為必然,11,三、未來在DSP,程控交換機(jī),模擬交換機(jī),取代,GSM和CDMA,取代,模擬移動(dòng)通信系統(tǒng),數(shù)碼相機(jī),膠卷和洗印業(yè),正淘汰,數(shù)字化電視,模擬電視,取代,12,以計(jì)算機(jī)為中心的技術(shù)革命，正在改變著工業(yè)、農(nóng)業(yè)、科學(xué)技術(shù)、教育、國(guó)防的面貌，正在改變?nèi)藗兊纳盍?xí)慣乃至思維習(xí)慣。,由此推論：,嶄露頭角,DSP,一路春風(fēng),13,四、數(shù)字化的優(yōu)點(diǎn),模擬濾波器 數(shù)字濾波器 自適應(yīng)濾波器,1.高度的程控能力與靈活性,模擬處理系統(tǒng)升級(jí),修改硬件設(shè)計(jì) 調(diào)整硬件參數(shù),數(shù)字處理系統(tǒng)的升級(jí),改變軟件設(shè)置,例 如,實(shí)現(xiàn),14,2.更高的精度,模擬處理系統(tǒng) 依賴元器件精度,數(shù)字處理系統(tǒng),取決于A/D的位數(shù) 計(jì)算機(jī)字長(zhǎng) 先進(jìn)的算法,15,只要能判決 就能復(fù)原信號(hào),3.可靠性和可重復(fù)性得到改善,模擬系統(tǒng),環(huán)境溫度 濕度 噪聲 電磁場(chǎng)等,干擾影響大,數(shù)字系統(tǒng),可靠性好 可重復(fù)性好,16,可靠性和可重復(fù)性的典型例子,信號(hào),放大器A,信號(hào),放大器B,計(jì)算機(jī)A,計(jì)算機(jī)B,A、B結(jié)果可能不同,A、B結(jié)結(jié)果相同,17,4.大規(guī)模集成,模擬系統(tǒng)： 有一些模擬集成電路 品種較少 集成度不高 價(jià)格較高,數(shù)字系統(tǒng)： DSP 體積小 功能強(qiáng) 功耗小 一致性好 使用方便 性能/價(jià)格比高,18,5.虛擬特性與升級(jí),模擬系統(tǒng),數(shù)字系統(tǒng),一套系統(tǒng)對(duì)應(yīng)一種功能 升級(jí)意味著新型號(hào)系統(tǒng)的研制,一套系統(tǒng)對(duì)應(yīng)多種功能，只要裝上不同的軟件即可 升級(jí)可以只是軟件的更新,19,20,例如 信息無失真壓縮（LOSSLESS COMPRESSION） 線性相位濾波器（LINEAR PHASE FILTER） 軟件無線電技術(shù)（Software Radio ） ,6.特殊應(yīng)用,有些應(yīng)用只有數(shù)字系統(tǒng)才能實(shí)現(xiàn),21,五、模擬與數(shù)字各有所長(zhǎng),數(shù)字系統(tǒng)： 由計(jì)算機(jī)的處理速度決定,1.實(shí)時(shí)性,模擬系統(tǒng)： 除開電路引入的延時(shí)外，處理是實(shí)時(shí)的,22,數(shù)字系統(tǒng)： 按照奈奎斯特準(zhǔn)則的要求，受S/H、A/D 和處理速度的限制,2. 高頻信號(hào)的處理,模擬系統(tǒng)： 可以處理包括微波毫米波乃至光波信號(hào),23,3. 模擬與數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換,現(xiàn)實(shí)世界的信號(hào)絕大多數(shù)是模擬的 （溫度、速度、壓力等）,轉(zhuǎn) 換,模擬的電信號(hào) （電流、電壓等）,要實(shí)現(xiàn)數(shù)字處理，就必須進(jìn)行轉(zhuǎn)換。,24,第二節(jié) DSP芯片技術(shù)的特點(diǎn),一、微處理器發(fā)展與分類,二、DSP的特點(diǎn),三、DSP與MCU的比較,25,1. 通用CPU的發(fā)展,一、微處理器發(fā)展與分類,馮.諾依曼結(jié)構(gòu),程序與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器合二為一,C P U,程序/數(shù)據(jù)總線,地址總線,26,典型產(chǎn)品,8-bit Apple（6502） NEC PC-8000（Z80） 8086/286/386/486/ Pentium/ Pentium PowerPc、64-bit CPU（SUN Sparc、 DEC Alpha、 HP）,改CISC 復(fù)雜指令計(jì)算機(jī)為RISC 精簡(jiǎn)指令計(jì)算機(jī) 采取各種方法提高計(jì)算速度、時(shí)鐘頻率、高速總線，多級(jí)Cashe、協(xié)處理器等 增加有存儲(chǔ)器（RAM/ROM）寄存器、時(shí)鐘、計(jì)數(shù)器、定時(shí)器、串/并口、有的還有A/D和D/A,發(fā)展方向,27,采用硬件乘法器和哈佛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的CPU標(biāo)志DSP的誕生，如Upd7720、TMS32010 DSP獨(dú)特的設(shè)計(jì)和優(yōu)點(diǎn)，發(fā)展迅速，應(yīng)用廣泛,2. DSP（Digital Signal Processor）的問世,哈佛結(jié)構(gòu),程序 存儲(chǔ)器,CPU,數(shù)據(jù) 存儲(chǔ)器,地址總線,程序總線,多數(shù)據(jù)總線,多地址總線,28,二、DSP的特點(diǎn),哈佛結(jié)構(gòu) 硬件乘法/累加器 多總線結(jié)構(gòu) 多DSP協(xié)調(diào)工作模式 特殊的DSP指令 多級(jí)流水線 片上測(cè)試口 硬件配置強(qiáng) 低功耗 運(yùn)算精度高,29,1.Harvard結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn),將程序與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間分開 各有獨(dú)立的地址總線和數(shù)據(jù)總線 取指和讀數(shù)可以同時(shí)進(jìn)行 速度大大提高,MIPS-Million Instruction Per Second MFLOPS-Million Floating Operation Per Second,已達(dá)20億次浮點(diǎn)運(yùn)算/秒， 90億次定點(diǎn)運(yùn)算/秒,30,2. 多流水線操作技術(shù)(Pipeline),流水線深度可達(dá)8級(jí),31,DSP利用硬件乘法器 通過MAC指令在單周期內(nèi)完成 A（k）B（nk） 這類運(yùn)算的取數(shù)、乘法、累加,3. 獨(dú)立的硬件乘法器,應(yīng)用于有大量重復(fù)乘法和累加運(yùn)算的： 卷積、數(shù)字濾波、FFT、相關(guān)、矩陣運(yùn)算等算法中 通用計(jì)算機(jī)的乘法用軟件實(shí)現(xiàn)，用若干個(gè)機(jī)器周期,32,MACD（乘法、累加、數(shù)據(jù)移動(dòng)） FIRS(一周期內(nèi)完成FIR的乘法累加存儲(chǔ)) LMS(一周期內(nèi)完成一次最小圴方值運(yùn)算) 位倒序（ 用于FFT運(yùn)算）等特殊指令,4. 特殊的DSP指令,使FFT、卷積等運(yùn)算中的尋址、排序及計(jì)算速度大大提高。1024點(diǎn)FFT的時(shí)間已小于1ms。,例 如,33,多通道緩沖串行口(McBSP) 主機(jī)接口(HPI) DMA控制器 軟件控制等待狀態(tài)發(fā)生器 鎖相環(huán)時(shí)鐘發(fā)生器 JTAG邊界掃描邏輯電路,5. 硬件配置能力強(qiáng),片 內(nèi) 具 有,34,可工作在3.3V、2.5V、1.8V、0.9V的低電壓 休眠與等待模式時(shí)大部份時(shí)鐘停止工作,6. 耗電省,7. 運(yùn)算精度高,支持32位、40位、64位雙字運(yùn)算、超長(zhǎng)指令字 最高主頻可達(dá)1.1GHz，運(yùn)行速度90億次/秒,35,更高的運(yùn)行速度和信號(hào)處理速度 多DSP協(xié)同工作 更方便的開發(fā)環(huán)境 大量專用DSP的出現(xiàn)（DSP核） 更高的性能/價(jià)格比 更廣泛的應(yīng)用,三、DSP與MCU的比較,36,第三節(jié) DSP的應(yīng)用,一、數(shù)字化對(duì)社會(huì)和人類的影響,二、DSP的應(yīng)用舉例,四、DSP開發(fā)工具,三、DSP的市場(chǎng)前景,37,一、數(shù)字化對(duì)社會(huì)和人類的影響,1. 程控交換機(jī) 2. 移動(dòng)通信系統(tǒng) 3. 手機(jī)已不僅僅是通話的工具 4. 數(shù)字照相機(jī) 5. 高清晰度電視（HDTV）,38,6. 等離子體電視機(jī) 7. 電視臺(tái)和電臺(tái)的數(shù)字設(shè)備 8. 家庭影