DSP的FFT實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)報(bào)告

1、DS? B湖南科技大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)報(bào)告題目:專業(yè):班級(jí):姓名:學(xué)號(hào):指導(dǎo)教師:基于DSP芯片的函數(shù)信號(hào)的FFT通信工程01班2015年12月24日信息與電氣工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)任務(wù)書2020 學(xué)年第學(xué)期專業(yè)： 通信工程 學(xué)號(hào): 姓名： 課程設(shè)計(jì)名稱：DSP原理及應(yīng)用設(shè)計(jì)題目： 基于DSP芯片的函數(shù)信號(hào)的FFT完成期限：自 2015 年12月21日至 2015 年12月24日共1周設(shè)計(jì)依據(jù)、要求及主要內(nèi)容（可另加附頁(yè)）：DSP原理及應(yīng)用課程設(shè)計(jì)是配合DSP原理及應(yīng)用理論教學(xué)，為通信工程和電子信息 工程專業(yè)開設(shè)的專業(yè)技術(shù)技能設(shè)計(jì)，課程設(shè)計(jì)對(duì)通信工程和電子信息工程專業(yè)的學(xué)生是一個(gè) 非常重

2、要的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。通過課程設(shè)計(jì)，使學(xué)生綜合運(yùn)用DSP技術(shù)課程和其他有關(guān)先修課 程的理論和生產(chǎn)實(shí)際知識(shí)去分析和解決具體問題的能力得到提高，并使其所學(xué)知識(shí)得到進(jìn)一 步鞏固、深化和發(fā)展。通過課程設(shè)計(jì)初步培養(yǎng)學(xué)生對(duì)工程設(shè)計(jì)的獨(dú)立工作能力，學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)的 一般方法。通過課程設(shè)計(jì)樹立正確的設(shè)計(jì)思想，提高學(xué)生分析問題、解決問題的能力。通過 課程設(shè)計(jì)訓(xùn)練學(xué)生的設(shè)計(jì)基本技能，如計(jì)算、繪圖、查閱設(shè)計(jì)資料和手冊(cè)，熟悉標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范 等。要求：（1）按時(shí)參加課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)，定期匯報(bào)課程設(shè)計(jì)進(jìn)展情況。（2）廣泛收集相關(guān)技術(shù)資料。（3）獨(dú)立思考，刻苦鉆研，嚴(yán)禁抄襲。（4）按時(shí)完成課程設(shè)計(jì)任務(wù)，認(rèn)真、正確地書寫課程設(shè)計(jì)報(bào)告。（5）培

3、養(yǎng)實(shí)事求是、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鲬B(tài)度和認(rèn)真的工作作風(fēng)。主要內(nèi)容：（1）熟悉DSP處理器及其結(jié)構(gòu)性能，掌握DSP芯片配套開發(fā)工具的使用方法。（2）按要求設(shè)計(jì)出硬件電路。（3）畫出硬件連接原理圖，并對(duì)硬件工作原理進(jìn)行說明。（4）給出軟件流程圖及編寫程序，每一條指令的后面附上相應(yīng)的注釋。（5）進(jìn)行軟、硬件調(diào)試，檢查是否達(dá)到相關(guān)的功能。（6）寫出調(diào)試方法。（7）設(shè)計(jì)報(bào)告結(jié)尾附上心得體會(huì)。指導(dǎo)教師（簽字）：批準(zhǔn)日期：年 月 日#DS?摘要一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備4三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容4四、實(shí)驗(yàn)原理4五、FFT算法的DSP實(shí)現(xiàn)過程5六、設(shè)計(jì)步驟7七、編譯程序9八、實(shí)驗(yàn)過程10九、實(shí)驗(yàn)結(jié)果13十、問題與思考13d一、心得體

4、會(huì)14十二、參考文獻(xiàn)143DS? B摘要隨著計(jì)算機(jī)和微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，基于數(shù)字信號(hào)處理的頻譜分析已經(jīng)應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域并且發(fā)揮 著重要作用。信號(hào)處理方法是當(dāng)前機(jī)械設(shè)備故障診斷中重要的技術(shù)基礎(chǔ)之一，分析結(jié)果的精確程度是診斷 成功與否的關(guān)鍵因素。研究頻譜分析是當(dāng)前主要的發(fā)展方向之一。數(shù)字信號(hào)處理基本上從兩個(gè)方而來(lái)解決 信號(hào)的處理問題：一個(gè)是時(shí)域方法，即數(shù)字濾波；另一個(gè)是頻域方法，即頻譜分析.本文主要介紹了離散傅里葉變換以及快速傅里葉變換，通過對(duì)DFT以及FFT算法進(jìn)行研究，從基礎(chǔ)深 入研究和學(xué)習(xí)，掌握FFT算法的關(guān)鍵。通過對(duì)DSP芯片工作原理以及開發(fā)環(huán)境的學(xué)習(xí)，掌握CCS的簡(jiǎn)單調(diào) 試和軟件仿真，在

5、DSP芯片上實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的實(shí)時(shí)頻譜分析。關(guān)鍵字：DSP FFT算法頻譜分析一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 加深對(duì)DFT算法原理和基本性質(zhì)的理解；2. 熟悉FFT的算法原理和FFT子程序的算法流程和應(yīng)用：3. 學(xué)習(xí)DSP中FFT的設(shè)計(jì)和編程思想；4. 學(xué)習(xí)使用CCS的波形觀察器觀察波形和頻譜情況：5. 熟悉FFT在實(shí)際中應(yīng)用的效果：6. 熟悉正弦、三角、方波信號(hào)的FFT變換；二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備1 . 一臺(tái)裝有CCS軟件的計(jì)算機(jī)；2. DSP實(shí)驗(yàn)箱：3. DSP硬件仿真器；4. 網(wǎng)絡(luò)交叉線。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容用DSP匯編語(yǔ)言及C語(yǔ)言進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)FFT運(yùn)算、對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行頻譜分析。四、實(shí)驗(yàn)原理信號(hào)發(fā)生器模塊可以產(chǎn)生20 Hz

6、 20 kHz的函數(shù)信號(hào)。信號(hào)波形有正弦波、三角波、方波；信號(hào)輸 岀幅度Vpp在0 “ 3. 3V范圍內(nèi)可調(diào)：輸出阻抗約600Q左右。信號(hào)發(fā)生器模塊的主要函數(shù)信號(hào)發(fā)生電路及緩沖放大電路如下圖所示。侍號(hào)發(fā)生滯模快首先簡(jiǎn)單介紹函數(shù)信號(hào)發(fā)生電路的構(gòu)成，該電路的核心器件是ICL8038,它是單片多波形振蕩集成電 路，可以用很少的外囤元件產(chǎn)生髙精度正弦波、三角波和方波。其電路功能框圖如下：+Vcc其工作波形如下圖,ICL8038匚作液形陽(yáng)五、FFT算法的DSP實(shí)現(xiàn)過程：DSP芯片的出現(xiàn)使FFT的實(shí)現(xiàn)方法變得更為方便。由于大多數(shù)DSP芯片都具有在單指令周期內(nèi)完成乘 法一累加操作，并且提供了專門的FFT指令

7、，使得FFT算法在DSP芯片實(shí)現(xiàn)的速度更快。FFT算法可以分為按時(shí)間抽取FFT和按頻率抽取FFT兩大類，輸入也有實(shí)數(shù)和復(fù)數(shù)之分，一般情況下, 都假泄輸入序列為復(fù)數(shù)。（一）FFT運(yùn)算序列的存儲(chǔ)分配FFT運(yùn)算時(shí)間是衡量DSP芯片性能的一個(gè)重要指標(biāo)，因此提髙FFT的運(yùn)算速度是非常重要的。在用DSP 芯片實(shí)現(xiàn)FFT算法時(shí)，應(yīng)允許利用DSP芯片所提供的各種軟、硬件資源。如何利用DSP芯片的有限資源， 合理地安排好所使用的存儲(chǔ)空間是十分重要的。（二）FFT運(yùn)算的實(shí)現(xiàn)用匯編程序?qū)崿F(xiàn)FFT算法主要分為四步：1. 實(shí)現(xiàn)輸入數(shù)據(jù)的比特反轉(zhuǎn)輸入數(shù)據(jù)的比特反轉(zhuǎn)實(shí)際上就是將輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行碼位倒置，以便在整個(gè)運(yùn)算后的輸出序

8、列是一個(gè)自然 序列。在用匯編指令進(jìn)行碼位倒置時(shí)，使用碼位倒程可以大大提高程序執(zhí)行速度和使用存儲(chǔ)器的效率。在 這種尋址方式下，ARO存放的整數(shù)N是FFT點(diǎn)的一半，一個(gè)輔助寄存器指向一個(gè)數(shù)據(jù)存放的單元。當(dāng)使用 位碼倒置尋址將ARO加到輔助寄存器時(shí)，地址將以位碼倒置的方式產(chǎn)生。2. 實(shí)現(xiàn)N點(diǎn)復(fù)數(shù)FFTN點(diǎn)復(fù)數(shù)FFT算法的實(shí)現(xiàn)可分為三個(gè)功能塊，即第一級(jí)蝶形運(yùn)算、第二級(jí)蝶形運(yùn)算、第三級(jí)至10g2N級(jí)蝶形運(yùn)算。對(duì)于任何一個(gè)2的整數(shù)幕，總可以通過M次分解最后成為2點(diǎn)的DFT計(jì)算。通過這樣的M次分解，可 構(gòu)成M (即10g2N)級(jí)迭代訃算，每級(jí)由N/2個(gè)蝶形運(yùn)算組成。3. 功率譜的計(jì)算用FFT計(jì)算想x(n)的

9、頻譜，即計(jì)算X (k)二x(k)-般是由實(shí)部Xr(p和虛部Xi(k)組成的復(fù)數(shù)，即x (k) =XR(k)+jXi (k)因此，訃算功率譜時(shí)只需將FFT變換好的數(shù)拯，按照實(shí)部實(shí)部Xr(1c)和虛部X(k)求它們的平方和，然 后對(duì)平方和進(jìn)行開平方運(yùn)算。但是考慮到編程的難度，對(duì)于求FFT變換后數(shù)拯的最大值，不開平方也可以 找到最大值，并對(duì)功率譜的結(jié)果沒有影響，所以在實(shí)際的DSP編程中省去了開方運(yùn)算。4. 輸岀FFT結(jié)果(三) 汗編語(yǔ)言程序程序主體由rfft-task、bit-rev、fft和power四個(gè)子程序組成。rfft-task：主調(diào)用子程序，用來(lái)調(diào)用其他子程序，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的接口。bit-re

10、v：位碼倒置子程序，用來(lái)實(shí)現(xiàn)輸入數(shù)據(jù)的比特反轉(zhuǎn)。fft： FFT算法子程序，用來(lái)完成N點(diǎn)FFT運(yùn)算。在運(yùn)算過程中，為避免運(yùn)算結(jié)果的溢岀，對(duì)每個(gè)蝶形 的運(yùn)算結(jié)果右務(wù)一位。fft子程序分為三個(gè)功能塊：第一級(jí)蝶形運(yùn)算、第二級(jí)蝶形運(yùn)算、第三級(jí)至至log2 N 級(jí)蝶形運(yùn)算。(四) 正弦系數(shù)表和余弦系數(shù)表：正弦系數(shù)表和余弦系數(shù)表可以由數(shù)據(jù)文件coeff. inc給出，主程序通過.copy匯編命令將正弦和余弦 系數(shù)表與程序代碼匯編在一起。在本例中，數(shù)據(jù)文件coeff. inc給岀1024復(fù)數(shù)點(diǎn)FFT的正弦、余弦系數(shù)各512個(gè)。利用此系數(shù)表可 完成曠1024點(diǎn)FFT的運(yùn)算。(五) FFT算法的模擬信號(hào)輸入：F

11、FT算法的模擬信號(hào)輸入可以采用C語(yǔ)言編程來(lái)生成一個(gè)文本文件sindata,然后在rfft-task匯編7DS?程序中，通過.copy匯編命令將生成的數(shù)據(jù)文件復(fù)制到數(shù)拯存儲(chǔ)器中，作為FFT算法的輸入數(shù)據(jù)參與FFT運(yùn)算。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是程序的可讀性強(qiáng)，缺點(diǎn)是當(dāng)輸入數(shù)據(jù)修改后，必須重新編譯、匯編和鏈接。六. 設(shè)計(jì)步驟：1. 啟動(dòng)CCS,在CCS中建立一個(gè)C源文件和一個(gè)命令文件，并將這兩個(gè)文件添加到工程，再編譯并裝 載程序：閱讀Dsp原理及應(yīng)用中fft用dsp實(shí)現(xiàn)的有關(guān)程序。啟動(dòng)CCS的仿真平臺(tái)的配著選項(xiàng)。選擇C5502Simulator。9Co* Composer Studio SetupE* Ed

12、rt 必HlpSy&Wrri Co nA gui otion& - 9 C5SO2 Device Simulator (T Inairum 命 TMS32OC55O2AvallAblQ Factory Boards t孕襯砂 lEii wa WC5510 Device Simulator WC55x VPOW2420 Platform Si mCSSxx RovJ.x CPU Cyclo Accura. WC55 Rev2.x CPU functional h. 9C55xx Rv3.0 CPU Cyc! Accura. C55x Rev3.O CPV F0oinjl Si.C55xx 1 L

13、imuUU 11 AllCSSxximulstorC55xxsimulatorC55mxsimulatorC55xxdmulatorC55xx5ru 怙 torCSSxximulstorC53MXdmuldtorPlatform Endi rm. 1|sv A QuitKano7. All |KB Factory BoardsCustom Boardsb dev； drQer to the left to odd o bowd to the 5曲em3.啟動(dòng)ccs2后建立工程文件FFT. pjtI M；： A* I CZ I：a 如 o in nt COE uh i (?)?仝空t御-tLJt

14、ttpjt (Debug)Otzfiignal_l_f 60 ignol_2.f Eignal_Mnpla_f 512 pi 3.14159Z62J4.建立源文件FFT. c與鏈接文件FFT. emdC ?C幻32 De.ice Smbor(Tea%MtiunbbVTM532C5O2TM532CCMii-CodeCmrne? ZQ5 de gQbu9 GEL Qptn 0心 b Iodt gP/BSOS Wrdow HUpI x心耐tjf址：八，；：二 nm ；| PJtz)b、“px iS w-0 0SSQ0回 ath.h, 出of IMMW i no*dcfinc define .iot

15、input |eanple.l;Float fwavar cnpl*_l .ncavoi cnpla.l ,wcoMplir_l;float !52n_tb(5onpl_l;Floatj;void;void inpt_data( j;口z 紳00啣工謚3SwribftM廬仏 一SDS? B5. 將這兩個(gè)文件加到FFT. pjt這個(gè)工程中。7. 創(chuàng)建out文件 K5502 山心HtJvnerJM$320:ShM加)卯叱,曲kie de 蜀ewQebjg 企I Qptcn 理叢上(/KOS 世詁do” Hdp占，廠73 II ft M :. dV *a 以銀 ES /?r；3宙口卑三合 a ；.多

16、卻 a C QSH0叵I(Linking. EixtoolfiOZSa.lnzhuAngwonjianCSSOOgtoolaxbinsclSS* Dobug.lkf :LinkingBuild ConpleU,0 Errors, 0 Wttrtnng& 0 Rttiorksg小卜bam “WAITED1LULn 35. Col 128. 加載out文件，為2 D* S“X:s JewsImuwner TIWS320BX ；SrJMo(； - 3c Ccmwje-購(gòu)3日 deiO卅d H 電尸*|jt 印3題此。SesB回於ffi jaiRenP N PTC0CKSLLILxatia) E;、t

17、81 滬CCS3JJ H Hit君攀 V： ； ；習(xí)&Q程i、 小.Sd Pr 囚 51bf絕M畝竝渥 ai .mJ * Sj CDjwaai 阡冊(cè) D)|谿矣asm | 二|範(fàn)內(nèi)ZBuild CcwpUta,0 Errors/ 0 Wornin刁刁，0 werk53、丿 HU1E0niiL iTLr iS. 3 12#DS?七、編譯程序int INPUTSAMPLENUMBER, DATASAMPLENUMBER;float fWaveRSAMPLENUMBER, fWaveISAMPLENUMBER, wSAMPLENUMBER;float sin_tabSAMPLENUMBER, cos

18、_tabSAMPLENUMBER;void InitForFFT 0int i;for ( i=O;iSAMPLENUMBER;i卄)sin_tabi=sin(PI*2*i/SAMPLENUMBER);cos_tabi=cos(PI*2*i/SAMPLENUMBER);void MakeWave 0int i;for ( i=O;iSAMPLENUMBER;i卄)INPUTi二sin(PI*2*i/SAMPLENUMBER*3)*1024;mainOint i;InitForFFTO;MakeWave0;for ( i=O;iSAMPLENUMBER;i+ )fWaveRi=INPUTi;fW

19、aveli=0. Of;wi=0. Of;FFKfWaveR, fWavel);for ( i二O;iSAMPLENUMBER;i卄)DATAi二wi;while ( 1 );/ break pointvoid FFT(float dataRSAMPLENUMBER, float datalSAMPLENUMBER)int x0, xl, x2, x3f x4, x5, x6, xx;int i, j,k, b, p, L;float TR, TI, temp;/* following code invert sequence */for ( i二O;iSAMPLENUMBER;i卄)x0=x

20、l=x2二x3二x4=x5二x6=0;xO二i&OxOl; xl=(i/2)&0x01; x2=(i/4)&0x01; x3=(i/8)&0x01;x4=(i/16)&0x01; x5=(i/32)&0x01; x6二(i/64)&0x01;xx=x0*64+xl*32+x2*16+x3*8+x4*4+x5*2+x6;datalLxx=dataRi;for ( i=O;iSAMPLENUMBER;i+ )dataRli=datali; datali=O;for ( L=1;L0 )b二b*2; i; /* b= 27L-1) */for ( j二0;jUb-l;j+ ) /* for (2)

21、*/p=l; i=7-L;while ( i0 ) /* p=pow(2,7-L)*j; /p=p*2; i_;p=p*j;for ( k=j;k128;k=k+2*b ) /* for (3) /TR=dataRk; TI=dataILk; temp=dataRlk+b;dataRLk=dataRk -rdataRk+b*cos_tabEp+datalk+b*sin_tab； datalTk=datalk-dataRk+b*sin_tabp+datalk+b*cos_tabb； dataRk+b=TR-dataRk+b*cos_tabp-datalk+b.*sin_tabEp; datalLk+b=TI+temp*sin_tabp-datalk+b*cos_tabp; /* END for (3) */ /* END for (2) */ /* END for (1) */for ( i=0;i：e5設(shè)置斷點(diǎn)：在程序FFT.c中有注釋break point的語(yǔ)句上設(shè)置軟件斷點(diǎn)連5 :for(i=0;iGr aph-Time/Frequency進(jìn)行如下圖所示設(shè)置。6設(shè)置斷點(diǎn)：在程序FFT.c中有注釋break point的語(yǔ)句上設(shè)置軟件斷點(diǎn)。7.運(yùn)行并