實(shí)時數(shù)字信號處理概述

1、2 實(shí)時數(shù)字信號處理技術(shù)概述實(shí)時數(shù)字信號處理技術(shù)概述2.1 緒論緒論2.2 實(shí)時數(shù)字信號處理系統(tǒng)的組成實(shí)時數(shù)字信號處理系統(tǒng)的組成2.3 數(shù)字信號處理器的選擇和發(fā)展數(shù)字信號處理器的選擇和發(fā)展 2.4 實(shí)時數(shù)字信號處理系統(tǒng)的設(shè)計實(shí)時數(shù)字信號處理系統(tǒng)的設(shè)計 2.1 緒論緒論 信號類型：連續(xù)時間信號（模擬信號）、離散時間信號、數(shù)字信號 模擬信號：有源、無源器件處理 隨著信息科學(xué)和微電子技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)字信號處理的理論及數(shù)字信號處理器己廣泛應(yīng)用于通信、家電、航空航天、工業(yè)測量和控制、生物醫(yī)學(xué)工程及軍事等許許多多的領(lǐng)域。由于設(shè)計和實(shí)現(xiàn)一個實(shí)時的數(shù)字信號處理系統(tǒng)不僅需要系統(tǒng)地掌握信號處理的理論，而且要熟練

2、地掌據(jù)DSP硬件的知識，因此，對設(shè)計者的要求是非常高、也是相當(dāng)全而的。 介紹實(shí)時數(shù)字信號處理系統(tǒng)的基本概念。2.2 實(shí)時數(shù)字信號處理系統(tǒng)的組成實(shí)時數(shù)字信號處理系統(tǒng)的組成 數(shù)字信號處理實(shí)現(xiàn)：非實(shí)時與實(shí)時 非實(shí)時：PC機(jī)等 實(shí)時：1、快速的算法、高效的編程； 2、高性能的硬件支持。 完成實(shí)時數(shù)字信號處理任務(wù)的高性能硬件包括：DSPs、FPGA等器件。另外還有輸入/輸出通道、通信（串、并行）、人機(jī)接口、總線（PCI、USB、VXI、 3xBUS 、LAN、CAN）等，整個系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運(yùn)行還要依靠正確的邏輯控制電路設(shè)計。 輸入通道：放大器、抗混疊濾波器、ADC 放大器：放大倍數(shù)(增益)、帶寬、電平、耦合

3、形式直流（視頻）、交流（變壓器耦合、中頻） 抗混疊濾波器：低通為主（中頻帶通）、截止頻率 ADC：精度（位數(shù)）、采樣頻率（視頻、中頻）、SNR6BdB(16BIT:96dB)、并串、自校驗(yàn)等 輸入通道重要：a.應(yīng)用情況 ；b. 量化噪聲（ADC為主）；c.設(shè)計難度。 輸出通道：DAC、重構(gòu)濾波器、放大器（如CD播放機(jī)） DAC：精度（位數(shù)）、采樣頻率（速度）、并串、處理（內(nèi)插濾波） 重構(gòu)濾波器：低通、截止頻率 放大器：變壓器（差分變單端）、電流、電壓、帶寬、驅(qū)動能力等數(shù)字信號處理器的特點(diǎn)數(shù)字信號處理器的特點(diǎn) 實(shí)時數(shù)字信號處理技術(shù)的核心和標(biāo)志是數(shù)字信號處理器(DSPs)。第一個DSPs（TMS3

4、2010）以來，處理器技術(shù)水平得到了十分迅速的提高，而FFT等提出促進(jìn)DSPs的發(fā)展。DSPs有別于普通的科學(xué)計算與分析，它強(qiáng)調(diào)運(yùn)算處理的高速實(shí)時性，因此DSPs除了具備普通微處理器所強(qiáng)調(diào)的高速運(yùn)算和控制功能外，針對高速實(shí)時數(shù)字信號處理，在處理器結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)、指令流程上做了很大的改動，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下： DSP采用數(shù)據(jù)和程序總線分離的哈佛結(jié)構(gòu)及改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，而非馮諾依曼結(jié)構(gòu)，指令執(zhí)行速度更高； DSP大多采用流水技術(shù)，從而在不提高時鐘頻率的條件下減少了每條指令的執(zhí)行時間； 片內(nèi)有多條總線可以同時進(jìn)行取指令和多個數(shù)據(jù)存取操作，并且有輔助寄存器用于尋址，它們可以在尋址訪問前或訪問后自動修改內(nèi)容，

5、以指向下一個要訪問的地址； 針對濾波、相關(guān)、矩陣運(yùn)算等需要大量乘法累加運(yùn)算的特點(diǎn)，DSP大都配有獨(dú)立的乘法器 和加法器，使得同一時鐘周期內(nèi)可以完成相乘、累加兩個運(yùn)算，許多DSP可以同時進(jìn)行乘、加、減運(yùn)算，大大加快了FFT的蝶形運(yùn)算速度； 許多DSP帶有DMA通道控制器，以及串行通信口等，配合片內(nèi)多總線結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)塊傳送速度大大提高； 配有中斷處理器和定時控制器，可以很方便地構(gòu)成一個小規(guī)模系統(tǒng)； 具有軟、硬件等待功能，能與各種存儲器接口。DSP硬件比較硬件比較2.3 DSPs的選擇和發(fā)展的選擇和發(fā)展 DSP的應(yīng)用范圍十分廣闊，不同的應(yīng)用領(lǐng)域和不同的性能需要不同類型的DSP。在軍事和尖端科技領(lǐng)域，對

6、性能因素的考慮遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于對成本等因素的考慮，因而這一應(yīng)用領(lǐng)域總是集中體現(xiàn)了當(dāng)今最先進(jìn)的DSP發(fā)展水平。而在廣闊的民用產(chǎn)品設(shè)計中，成本和性能同樣重要，例如定點(diǎn)DSP的成本遠(yuǎn)低于浮點(diǎn)DSP，通信、語音、圖像處理往往采用定點(diǎn)DSP就可以滿足要求。定點(diǎn)DSP功耗也較低，一般在 0.51.5W，其低電壓（2.5V、3.3V）型僅 200mw以下，而且在休眠模式下（Power down或Sleep）功耗更低。浮點(diǎn) DSP由于片內(nèi)集成度、運(yùn)算復(fù)雜性較高，功耗是定點(diǎn)DSP的35倍。因而過去和現(xiàn)在定點(diǎn)DSP在應(yīng)用廣泛性上占主導(dǎo)地位。但隨著VLSI技術(shù)的發(fā)展，決定芯片生產(chǎn)成本的因素中，生產(chǎn)批量的大小起著越來越大的作

7、用，盡管浮點(diǎn)DSP的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、集成度很 高，如果它能獲得市場的承認(rèn)而得到廣泛應(yīng)用，其價格會大幅度下降。 另外，各種DSP面向不同應(yīng)用領(lǐng)域，有其各自的結(jié) 構(gòu) 和 功 能 特 點(diǎn) 。 以 T M S 3 2 0 系 列 為 例 ，TMS320F240適合于電機(jī)控制，TMS320C54X適合于通信及語音處理，TMS320C80則面向多媒體應(yīng)用，雷達(dá)、聲納信號處理所需要的大動態(tài)范圍和高速實(shí)時處理需要TMS320C4XC67X這樣的高性能或并行DSP。 綜合起來，選擇合適的DSP所應(yīng)考慮的主要方面有： 性能指標(biāo)； 指令速度MIPS或運(yùn)算速度MFLOPS，考慮是否必須多片并行處理。高速實(shí)時信號處理要求DS

8、P處理系統(tǒng)必須在限定時間內(nèi)完成任務(wù)，或者在允許的輸出輸入響應(yīng)遲延范圍內(nèi)，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)輸入輸出吞吐率必須達(dá)到一定速度。 精度和動態(tài)范圍。數(shù)據(jù)字寬、定點(diǎn)浮點(diǎn)； 是否具備本應(yīng)用所需要的某些特殊功能。如串行通信口、片內(nèi)語音處理功能、片內(nèi)AD或DA集成、與特定外部設(shè)備接口等等； 價格成本。不單指芯片本身價格，還包括必需的外部配套器件成本； 體積。同樣包括了構(gòu)成最小系統(tǒng)的電路尺寸； 功耗。是否有低功耗（3.3 V2.5 V/1.8V/1.5V）型號，能否電池供電； 應(yīng)用開發(fā)時間周期。應(yīng)具備完善的開發(fā)調(diào)試工具，DSP本身易學(xué)易用； 型號延續(xù)性。產(chǎn)品有較好的應(yīng)用前景，或者未來有兼容替代型號，這要求生產(chǎn)廠家有相當(dāng)

9、實(shí)力，能在芯片生產(chǎn)或開發(fā)調(diào)試系統(tǒng)上得到其它廠商的支持。 當(dāng)選擇一種DSP滿足上述要求后，還應(yīng)選擇更具體的類型，如速度、工作溫度范圍、封裝等等。許多DSP都提供了具備片內(nèi)ROM型的產(chǎn)品，片內(nèi)ROM可以將定型的程序代碼固化到DSP片內(nèi)，從而減少了系統(tǒng)的體積、功耗、電磁輻射干擾，速度也有所提高，當(dāng)大批量生產(chǎn)時可降低成本。但這種ROM幾乎都是一次性寫入的，而且需要由廠家專門制作，其批量起點(diǎn)高（萬片），帶來了很大的資金投入和生產(chǎn)風(fēng)險，因此對普通使用者，這些ROM是無用的。有些 DSP如 TM320C31C40，其片內(nèi)有少量 ROM固化為加電引導(dǎo)程序，供各種加載模式下自動調(diào)用。有些 DSP如 TM320F

10、206，其片內(nèi)則有FLASH。 DSP處理系統(tǒng)中除了DSP外，另外的不可缺器件就 是 存 儲 器 ， 一 個 獨(dú) 立 系 統(tǒng) 必 須 有 E P R O M 、EEPROM、FLASH、SSD（固態(tài)盤）等非易失性存儲器來存放程序、初始化數(shù)據(jù)、表格等，為了采用低成本、小體積的存儲器，就要選用那些帶有8bit字節(jié)方式加載功能的DSP，如 TMS320C31等，而 TM320C30則必須用32 bit的存儲加載。當(dāng)DSP的片內(nèi)存儲器不夠使用時，有必要采用可讀寫的片外存儲器，SRAM速度高，與DSP連接簡單，能被DSP全速訪問（無等待），但成本高、容量小、體積大，DRAM則與SRAM完全相反。為了克服

11、DRAM必須刷新所帶來的不利影響，已經(jīng)有一種帶一頁SRAM緩存的增強(qiáng)型DRAM（EDRAM），除了DSP訪問跨頁時需要插入等待周期外，大多數(shù)情況下，EDRAM幾乎與SRAM的性能一樣，但容量大得多，而且DSP無須考慮對EDRAM中DRAM的刷新。 同一型號DSP有多種速度級別、工作溫度和封裝形式，而且價格與其購買量關(guān)系很大。DSP集成度和性能呈加速增長勢頭，更新?lián)Q代速度越來越快。采用主流產(chǎn)品和兼容性有保證的型號很重要。DSP的發(fā)展趨勢：一是采用低壓（3.3 V/2.5V/1.8V/1.5V/1.2V），可以大大減少系統(tǒng)功耗，降低散熱要求；二是采用越來越密集的封裝形式，從DIPPGAPLCCQF

12、P TQFPBGA，管腳間距越來越小，對電路板設(shè)計、制作、器件安裝的要求越來越高。DSP另一大趨勢是軟件化，未來DSP需要“單片系統(tǒng)”，即在一個芯片上包括了處理控制單元、存儲器、輸入輸出設(shè)備甚至 A/D、 D/A等模擬器件，并且包括處理單元在內(nèi)的各功能塊都具有可重定義特性，這些系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計將更多地側(cè)重于軟件編程，這種基于軟件的DSP設(shè)計方法將降低設(shè)計難度，提高設(shè)計效率。 電子系統(tǒng)向軟件化方向發(fā)展的一個實(shí)例是軟件無線電的應(yīng)用。目前無線通信領(lǐng)域存在著以下主要矛盾：新的通信體制和“標(biāo)準(zhǔn)”不斷提出，通信產(chǎn)品生存周期縮短、開發(fā)費(fèi)用上升；各種通信體制并存，對多種體制間互聯(lián)要求日趨強(qiáng)列；頻帶更加擁擠，要

13、求更高的頻帶利用率和抗干擾能力。軟件無線電將盡可能多的把無線及個人通信功能用軟件實(shí)現(xiàn)，以可編程的通用DSP和可編程邏輯器件（FPGA）取代專用電路，使系統(tǒng)中硬件含量進(jìn)一步下降，從而提高了設(shè)計的靈活性、兼容性和可升級能力，解決了上述矛盾。軟件無線電需要有強(qiáng)大處理能力的硬件平臺作支持，在此平臺上運(yùn)行不同軟件就能支持多種通信體制，同時將傳統(tǒng)通信系統(tǒng)中前端處理的專用硬件用可編程器件替代，大大增強(qiáng)了系統(tǒng)的兼容性和可升級能力，而性能迅速提高的DSP技術(shù)可以滿足這一要求，而且并行浮點(diǎn)DSP適合通信領(lǐng)域日益復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理所要求的高精度、大動態(tài)范圍、大運(yùn)算量，在未來將取代更多的定點(diǎn)DSP。2.4 實(shí)時數(shù)字信號處

14、理系統(tǒng)的設(shè)計實(shí)時數(shù)字信號處理系統(tǒng)的設(shè)計 一、總體方案設(shè)計一、總體方案設(shè)計 現(xiàn)對如圖所列各步驟作一簡要說明。 在進(jìn)行DSP系統(tǒng)設(shè)計之前，首先要明確設(shè)計任務(wù)，給出設(shè)計任務(wù)書。在設(shè)計任務(wù)書中，應(yīng)該將系統(tǒng)要達(dá)到的功能描述準(zhǔn)確、清楚。描述的方式可以是人工語言，也可以是流程圖或算法描述。在此之后應(yīng)該把設(shè)計任務(wù)書轉(zhuǎn)化為量化的技術(shù)指標(biāo)，這些技術(shù)指標(biāo)主要包括： 由信號的頻率和性質(zhì)決定系統(tǒng)采樣頻率； 由采樣頻率完成任務(wù)書最復(fù)雜的算法所需最大時間及系統(tǒng)對實(shí)時程度的要求判斷系統(tǒng)能否完成工作； 由數(shù)據(jù)量及程序的長短決定片內(nèi)RAM的容量，是否需要擴(kuò)展片外RAM及片外RAM容量； 由系統(tǒng)所要求的精度決定是16位還是32位，

15、是定點(diǎn)還是浮點(diǎn)運(yùn)算； 根據(jù)系統(tǒng)是計算用還是控制用來決定對輸入輸出端口的要求。在一些特殊的控制場合還有一些專門的芯片可供選用。如電機(jī)控制領(lǐng)域很適合用TMS320C2XX系列集成了ADC，6路PWM輸出及強(qiáng)大的人機(jī)接口。 采用高級語言或Matlab等對算法進(jìn)行仿真，確定最佳算法并初步確定參數(shù)，對系統(tǒng)中的哪些功能用軟件（DSPs）來實(shí)現(xiàn)，哪些功能用硬件（如FPGA）實(shí)現(xiàn)進(jìn)行初步的分工，如FFT，F(xiàn)IR等是否需要用硬件來實(shí)現(xiàn)等。根據(jù)技術(shù)指標(biāo)和算法，大致可以確定應(yīng)該選用的DSP芯片的型號。在確定DSP芯片選型之后，進(jìn)行系統(tǒng)的軟件和硬件（包括FPGA）設(shè)計。 二、軟件設(shè)計二、軟件設(shè)計 1、算法確定算法確定

16、 采用通用計算機(jī)開發(fā)DSP軟件，其優(yōu)點(diǎn)： MATLAB、C/C+、DSP軟件包能有效縮短 算法和軟件的開發(fā)時間，另外C能移植到 DSP、FPGA硬件平臺； 易于調(diào)試和修改； 基于磁盤文件輸入輸出操作易于實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng) 行為易于分析； 采用浮點(diǎn)數(shù)據(jù)格式實(shí)現(xiàn)高精度； 針對定點(diǎn)DSP進(jìn)行定點(diǎn)仿真計算，易于比 較。 2 DSP軟件編程的特點(diǎn)軟件編程的特點(diǎn) 在此對軟件開發(fā)流程做簡單的介紹。 與計算機(jī)的匯編語言比起來，由于 TI公司匯編語言的指令系統(tǒng)比計算機(jī)匯編語言的指令系統(tǒng)要簡單一些，而且由于有許多專門為數(shù)字信號處理而設(shè)計的指令，因此是比較容易掌握并運(yùn)用于數(shù)字信號處理的編程中的。 與高級語言比起來，使用DS

17、P匯編語言的用戶一定要熟悉DSP芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)。尤其是在多DSP并行處理的場合，或在便攜電話、磁盤驅(qū)動器等編程空間很小的場合，這對偏重高效的DSP軟件是非常重要的。 高級語言（如 C語言）的開發(fā)工具不斷完善，隨著 TI公司 C語言編譯器、優(yōu)化器的不斷改進(jìn)，以及一些第三方的不斷努力，C語言的編譯效率已經(jīng)得到了很大的提高。在C3X中，其編譯效率大約為匯編語言的110，而到了C6X系列，其編譯效率提高了3倍。 在實(shí)時要求高的場合或?qū)崟r要求高的算法中，用匯編語言開發(fā)；實(shí)時要求低的場合用C語言編程。將兩者結(jié)合起來，既能保持算法的實(shí)時性，又能做到程序結(jié)構(gòu)的清晰明了。 3、軟件編程的步驟、軟件編程的

18、步驟 用匯編語言、C語言或匯編語言和C語言的混編來編寫程序，然后把它們分別轉(zhuǎn)化成TMS320的匯編語言并送到匯編語言編譯器進(jìn)行編譯，生成目標(biāo)文件。 將目標(biāo)文件送入鏈接器進(jìn)行連接，得到可執(zhí)行文件。 將可執(zhí)行文件調(diào)入到調(diào)試器（包括軟件仿真、軟件開發(fā)系統(tǒng)、評測模塊、系統(tǒng)仿真器一般在系統(tǒng)調(diào)試中，系統(tǒng)仿真器是最常用的）進(jìn)行調(diào)試，檢查運(yùn)行結(jié)果是否正確。如果正確進(jìn)入第四步；如果不正確，則返回第一步。 進(jìn)行代碼轉(zhuǎn)換，將代碼寫人 E/EPROM，并脫離仿真器運(yùn)行程序，檢查結(jié)果是否正確。如果不正確，返回第三步；如果正確，進(jìn)入下一步。 軟件測試。如果測試結(jié)果合格，軟件調(diào)試完畢；如果不合格，返回第一步。 軟件設(shè)計系統(tǒng)

19、框圖如圖所示。高級軟件開發(fā)工具：CCS（TI）和Visual DSP+ （ADI） 三、硬件設(shè)計三、硬件設(shè)計 1、設(shè)計硬件實(shí)現(xiàn)方案、設(shè)計硬件實(shí)現(xiàn)方案 所謂硬件實(shí)現(xiàn)方案是指根據(jù)性能指標(biāo)、工期、成本等，確定最優(yōu)硬件實(shí)現(xiàn)方案（考慮到實(shí)際的工作情況，最理想的方案不一定是最優(yōu)的方案），并畫出其硬件系統(tǒng)框圖。這時對于具體器件的要求應(yīng)該已經(jīng)比較明確。 2、進(jìn)行器件的選型、進(jìn)行器件的選型 一般系統(tǒng)中常用 ADC、DAC、內(nèi)存、電源、邏輯控制、通信、人機(jī)接口、總線等基本部件。下面將大致介紹它們的確定原則，至于具體的介紹詳見后續(xù)各章。 硬件系統(tǒng)設(shè)計框圖硬件系統(tǒng)設(shè)計框圖 AD：根據(jù)采樣頻率、精度來確定AD型號，是否

20、要求片上自帶采保、多路器、基準(zhǔn)電源等。 DA：信號頻率、精度是否要求自帶基準(zhǔn)電源、多路器、輸出運(yùn)放等。 內(nèi)存：內(nèi)存：包括SRAM，EPROM（或 EEPROM或 FLASH MEMORY），在 TMS320C6X等一些產(chǎn)品中還有SDRAM，SBSRAM。所有這些的選型主要考慮工作頻率、內(nèi)存容量位長（8位16位32位）、接口方式（串行還是并行）、工作電壓是5 V還是3.3 V或2.5V。 邏輯控制：邏輯控制：首先是確定用PLD，EPLD，還是用FPGA。其次根據(jù)自己的特長和公司芯片的特點(diǎn)決定采用哪家公司的哪一系列的產(chǎn)品。最后還須根據(jù)DSP的頻率決定芯片的工作頻率以確定使用的芯片。 數(shù)據(jù)交換：數(shù)據(jù)

21、交換：根據(jù)數(shù)據(jù)交換的速率決定采用交換方式。 Network Interface Units: Serial Communication Interface (SCI) - UART：RS232、RS422 Serial Peripheral Interface ( SPI) Inter Integrated Circuit ( I2C) Bus Controller Area Network (CAN) Local Interconnect Network (LIN) Universal Serial Bus (USB) Local / Wide Area Networks (LAN, WAN)如果還有更高的要求則應(yīng)考慮通過總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。再高則可采用 LVDS、FPDP和光纖。 總線：總線：一般有ISA、PCI、VME等。采用哪一種總線主要看使用的場合、數(shù)據(jù)傳輸速率的高低（總線寬度、頻率高低、同步