數(shù)字信號處理技術(shù)與應(yīng)用資料

1、The World Leader in High-Performance Signal Processing Solutions定點(diǎn)(dn din)數(shù)字信號處理器（DSP）技術(shù)與應(yīng)用by Zhang Li共三十六頁2課程的主要內(nèi)容(nirng)和目的 本課程主要介紹 Analog Device公司ADSP-Blackfin系列16位定點(diǎn)DSP的體系結(jié)構(gòu)和軟/硬件開發(fā)環(huán)境，通過幾個典型的實(shí)驗(yàn)使大家初步掌握DSP系統(tǒng)的硬件構(gòu)成、 軟件開發(fā)以及系統(tǒng)的綜合調(diào)試方法。課程的重要性： 直接面向應(yīng)用 IT工程師三大實(shí)用技能(jnng)* PCB設(shè)計* DSP應(yīng)用* FPGA應(yīng)用共三十六頁3第一(dy)部分:

2、數(shù)字信號處理器（DSP）概述數(shù)字信號處理(xn ho ch l)的特點(diǎn)特別強(qiáng)調(diào)運(yùn)算處理的實(shí)時性(Real-Time Capability)模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換A/D Converter數(shù)字信號處理運(yùn)算數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換D/A Converter待處理的信號處理后的信號數(shù)字信號處理及數(shù)字信號處理器（DSP）Digital Signal Processor共三十六頁4數(shù)字(shz)信號處理器（DSP）結(jié)構(gòu)特點(diǎn) DSP面向高性能、重復(fù)性、數(shù)值運(yùn)算密集型的實(shí)時處理，它具有適合數(shù)字信號處理算法的指令、適合數(shù)字信號處理數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的存儲器結(jié)構(gòu)和尋址機(jī)構(gòu)、并行處理能力和嵌入式性能等。其體系結(jié)構(gòu)一般具有以下特點(diǎn)：采用分離程

3、序總線與數(shù)據(jù)總線的哈佛結(jié)構(gòu)（CPU：普林斯頓結(jié)構(gòu)），有著較高的指令執(zhí)行速度，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜需要兩套地址產(chǎn)生電路。采用流水線技術(shù)，使取指、譯碼、取操作數(shù)、執(zhí)指等步驟并行完成，提高了指令的執(zhí)行速度。除了算數(shù)邏輯單元（ALU）外，具有獨(dú)立的乘加器(MAC),使其能夠在一個周期內(nèi)完成相乘(xin chn)和累加兩個操作，加快了各種典型處理算法的處理速度。具有適用于典型處理算法的特殊存儲器尋址方式，如循環(huán)尋址、位反序?qū)ぶ返?。針對?shí)時處理的專用的數(shù)據(jù)接口(SRAM、DMA、SPORT，etc.)，使數(shù)據(jù)的存取速度得以提高。專門的指令流控制邏輯，如無附加開銷的循環(huán)轉(zhuǎn)移指令。集成度高，能夠?qū)崿F(xiàn)單片、低功耗的處理系

4、統(tǒng)。共三十六頁5數(shù)字(shz)信號處理器（DSP）的應(yīng)用領(lǐng)域通用數(shù)字信號處理(數(shù)字濾波、卷積、相關(guān)(xinggun)、變換等)通信（高效數(shù)字調(diào)制/解調(diào)、編/解碼器、自適應(yīng)均衡、IP處理、軟件無線電等）語音處理（語音識別/合成/壓縮/解壓縮等）圖形/圖象處理（圖象變換、模式識別、圖象壓縮/解壓縮等）自動控制（高精度、高速度伺服控制）軍事/航空/航天（雷達(dá)/聲吶信號處理、雷達(dá)成像、制導(dǎo)/火控系統(tǒng)、導(dǎo)航/定位系統(tǒng)、戰(zhàn)場C3I系統(tǒng)等）消費(fèi)電子（數(shù)字高清晰度電視（HDTV）、CD/VCD/DVD編解碼器、多媒體信息處理、汽車電子等）共三十六頁6DSP的典型應(yīng)用民用(mnyng)領(lǐng)域共三十六頁7DSP的典

5、型(dinxng)應(yīng)用民用領(lǐng)域共三十六頁8DSP的典型(dinxng)應(yīng)用軍事應(yīng)用共三十六頁9DSP的典型應(yīng)用(yngyng)軍事應(yīng)用(yngyng)共三十六頁10坦克(tnk)火控系統(tǒng)DSP的典型應(yīng)用(yngyng)軍事應(yīng)用(yngyng)共三十六頁11DSP的典型應(yīng)用(yngyng)軍事應(yīng)用(yngyng)共三十六頁12DSP的典型應(yīng)用(yngyng)軍事應(yīng)用(yngyng)飛機(jī)(fij)火控系統(tǒng)共三十六頁13DSP的典型應(yīng)用(yngyng)軍事應(yīng)用(yngyng)共三十六頁14DSP的典型(dinxng)應(yīng)用軍事應(yīng)用各類導(dǎo)彈(dodn)彈載數(shù)字信號處理機(jī)共三十六頁15DSP的典型應(yīng)用(y

6、ngyng)軍事應(yīng)用(yngyng)共三十六頁16 主要分為通用DSP和專用DSP兩大類通用DSP：其所要實(shí)現(xiàn)的處理算法由軟件程序控制實(shí)現(xiàn)。應(yīng) 用靈活性大，通過更改軟件程序能夠?qū)崿F(xiàn)不同的 處理算法。 產(chǎn)品是各種類型的可編程DSP芯片，應(yīng)用較廣泛 的是： TI公司的TMS320系列 AD公司的ADSP21XX系列專用DSP：針對某種具體應(yīng)用而設(shè)計，所要實(shí)現(xiàn)的處理算法 由硬件直接實(shí)現(xiàn)。運(yùn)算處理速度極高，但完成的 算法單一、精度和動態(tài)范圍有限，需要與外圍電 路配合才能構(gòu)成系統(tǒng)，功耗(n ho)也較大，因此應(yīng)用范 圍較窄， 主要應(yīng)用于儀器/ 儀表以及軍事等需要 極高處理處理能力的領(lǐng)域。 主要產(chǎn)品：FF

7、T專用DSP、卷積/相關(guān)器、復(fù)乘加 器等。* 用ASIC/FPGA實(shí)現(xiàn)的DSPDSP的分類(fn li)共三十六頁17DSP的分類(fn li)DSP專用DSP橫向(hn xin)濾波器FFT復(fù)乘/累加器求模/相角嵌入式DSP定點(diǎn) DSP32bit浮點(diǎn)DSP32bit浮點(diǎn)并行DSP超高性能DSP16bit 定點(diǎn)DSP24bit 定點(diǎn)DSP通用DSP共三十六頁18數(shù)字信號處理器（DSP）的開發(fā)(kif)與調(diào)試 DSP系統(tǒng)的設(shè)計分為硬件/軟件兩個部分。兩者可以在各自的開發(fā)平臺上分別進(jìn)行前期設(shè)計與調(diào)試，然后(rnhu)進(jìn)行系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)。硬件設(shè)計 DSP選型/系統(tǒng)結(jié)構(gòu)確立 性能/功耗分析 開發(fā)周期/成本

8、分析 電路設(shè)計/調(diào)試調(diào)試工具：DSP在線硬件仿真器（Emulator)、DSP開發(fā)/評估板（Evaluation Board)、示波器、邏輯分析儀。軟件設(shè)計 算法確定/程序流程圖 軟件編制（匯編/C語言） 匯編/編譯/鏈接 軟件模擬調(diào)試工具：匯編/編譯/鏈接程序，軟件模擬/調(diào)試器（Simulator/Debugger)系統(tǒng)聯(lián)調(diào)對整個系統(tǒng)的軟/硬件進(jìn)行的綜合調(diào)試。調(diào)試工具：硬件仿真器、DSP開發(fā)/調(diào)試集成環(huán)境（IDE/IDDE）、DSP OS，etc.共三十六頁19DSP系統(tǒng)(xtng)的開發(fā)流程圖系統(tǒng)(xtng)級設(shè)計系統(tǒng)(xtng)功能要求系統(tǒng)性能及算法模擬 處理速度、開發(fā)周期、體積、成本，

9、功耗、供貨、升級器件選型：DSP型號、存儲器、I/O、FPGA、A/D、D/A系統(tǒng)設(shè)計框圖硬件設(shè)計軟件設(shè)計共三十六頁20DSP系統(tǒng)的開發(fā)(kif)流程圖電路/軟件設(shè)計電路(dinl)原理圖設(shè)計生成電路網(wǎng)表設(shè)計印制電路板印制板制造器件安裝軟件流程圖繪制高級語言程序設(shè)計匯編語言程序設(shè)計匯編算法庫實(shí)時運(yùn)行庫編譯匯編鏈接軟件模擬修正硬件調(diào)試軟/硬件系統(tǒng)聯(lián)調(diào)示波器邏輯分析儀共三十六頁21DSP系統(tǒng)(xtng)的開發(fā)流程圖系統(tǒng)(xtng)聯(lián)調(diào)系統(tǒng)在線(zi xin)仿真硬件電路軟件程序PC機(jī)仿真仿真結(jié)果?有誤錯修正固化程序嵌入系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行聯(lián)調(diào)連接外部設(shè)備綜合測試滿足系統(tǒng)要求?否修正否修正成品制造示波器邏輯

10、分析儀共三十六頁22ADSP-Blackfin在線(zi xin)仿真器共三十六頁23ADSP-BF533開發(fā)(kif)/評估板共三十六頁24DSP及其開發(fā)(kif)的新趨勢 片上系統(tǒng)SoC(System-on-Chip) 隨著VLSI技術(shù)的發(fā)展，針對一定的應(yīng)用領(lǐng)域，可以使整個系統(tǒng)以DSP為核心進(jìn)行設(shè)計，并將應(yīng)用中所涉及的諸如 RAM、I/O、A/D、D/A等附加電路單元全部集成在一片IC芯片中，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（Re-Configurable). 這樣一來，系統(tǒng)以后的功能擴(kuò)展與升級將非常簡單，只需要重新編寫軟件程序即可。同時系統(tǒng)的功耗(n ho)會大大的降低，

11、 可靠性會大大的提高。而這對便攜/移動應(yīng)用非常重要。模塊化設(shè)計 DSP及支持芯片/軟件生產(chǎn)廠商，均依據(jù)一定的標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計生產(chǎn)電路板級DSP處理模塊， 同時為這種模塊提供豐富的符合標(biāo)準(zhǔn)的軟件開發(fā)系統(tǒng)和算法資源庫。 這樣做的好處是降低了硬件設(shè)計難度、 減少了硬件設(shè)計時間， 更重要的是模塊化設(shè)計得到了豐富的軟件支持，大大提高了設(shè)計效率。 共三十六頁25二進(jìn)制代數(shù)(dish)復(fù)習(xí)DSP中的二進(jìn)制數(shù)表示(biosh)方法ADSP系列定點(diǎn)數(shù)DSP使用2的補(bǔ)碼進(jìn)行操作。若要有效地對該系列DSP進(jìn)行編程，了解以下概念及定義是非常重要的。1) 有符號 / 無符號數(shù)格式2) 小數(shù) / 整數(shù)格式3) 小數(shù)的范圍4)

12、16進(jìn)制到2進(jìn)制的轉(zhuǎn)換5) 2進(jìn)制到16進(jìn)制的轉(zhuǎn)換共三十六頁262進(jìn)制（Binary ）- （16進(jìn)制）Hexadecimal 10進(jìn)制（Decimal ）數(shù)據(jù)(shj)轉(zhuǎn)換表Decimal 0 123456789101112131415Hexadecimal 01 23456789ABCDEFBinary 0000 000100100011010001010110011110001001101010111100110111101111共三十六頁27有符號(fho)數(shù)與無符號(fho)數(shù)無符號(fho)數(shù)有符號數(shù)0 x00000V (最小負(fù)值) 0 xFFFF5V (最大正值)0 x8000-

13、5V (最小負(fù)值) 0 x00000V 0 x7FFF5V (最大正值)S/U U U U U U U U U U U U U U U U0152進(jìn)制表示實(shí)際物理量共三十六頁28有符號(fho)數(shù)（原碼）與2的補(bǔ)碼有符號數(shù)（原碼）的最高位（MSB）為符號位。1表示負(fù)數(shù)0表示正數(shù)* 有符號數(shù)（原碼）“0”有兩種表示方法（+/-0）。* 有符號數(shù)（原碼）的運(yùn)算比較復(fù)雜，類似于正負(fù)數(shù)的筆算 ，先要比較兩個數(shù)絕對值的大小，然后確定如何計算，最 后在確定符號位。2的補(bǔ)碼Xcmp = 2n + X (n-字長位數(shù)）* 性質(zhì)：正數(shù)的補(bǔ)碼與其原碼相同。負(fù)數(shù)的補(bǔ)碼仍是負(fù)數(shù)，它是 將其原碼的符號位保持不變而將其數(shù)

14、值部分求補(bǔ)得到。 “0”在補(bǔ)碼中的表示是唯一的。* 補(bǔ)碼的求法：一個負(fù)數(shù)的補(bǔ)碼等于其原碼除符號位保持不變外 ，其余(qy)各位按位求反，再在最低位加1。* 補(bǔ)碼的運(yùn)算：符號位與數(shù)值位一樣參加運(yùn)算（若符號位有進(jìn)位 則丟棄）。* 溢出的判別：“雙高位判別法”Cs：最高位（符號位）的進(jìn)位情況。 若有進(jìn)位，Cs = 1;Cp：數(shù)值部分的最高位的進(jìn)位情況。若有進(jìn)位，Cp = 1;Overflow = Cs xor Cp共三十六頁292的補(bǔ)碼(b m)表示方法對于2的補(bǔ)碼表示法， 一個數(shù)符號位的位權(quán)值是-(2)(M-1)，M是2進(jìn)制小數(shù)點(diǎn)左邊的位數(shù)。對于一個 4.2 型式(xn sh)的數(shù)字, 符號位的位

15、權(quán)值是 -(23). 例子: 0101.01 = 0 * (-8) + 1 * (4) + 0 * (2) + 1 * (1) + 0 * (1/2) + 1 * (1/4) = 5.25 1101.01 = 1 * (-8) + 1 * (4) + 0 * (2) + 1 * (1) + 0 * (1/2) + 1 * (1/4)= - 2.752進(jìn)制小數(shù)點(diǎn)-2-13012-(2 )22222符號位共三十六頁30小數(shù)(xiosh)與整數(shù)表示法 1.15型式(xn sh)的小數(shù)格式S F F F F F F F F F F F F F F FS I I I I I I I I I I I I

16、I I I小數(shù)點(diǎn)小數(shù)點(diǎn) 16.0型式的整數(shù)格式共三十六頁31DSP是針對小數(shù)表示型式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(shj)的DSP也支持整數(shù)表示型式 共三十六頁3216位二進(jìn)制數(shù)的表示(biosh)范圍最大10進(jìn)制正數(shù) (0 x7FFF) 0.999969482421875 1.999938964843750 3.999877929687500 7.999755859375000 15.999511718750000 31.999023437500000 63.998046875000000 127.996093750000000 255.992187500000000 511.984375000000000

17、 1023.968750000000000 2047.937500000000000 4095.875000000000000 8191.750000000000000 16383.500000000000000 32767.000000000000000最大10進(jìn)制負(fù)數(shù) (0 x8000) 1.0 2.0 4.0 8.0 16.0 32.0 64.0 128.0 256.0 512.0 1024.0 2048.0 4096.0 8192.0 16384.0 32768.0 最低有效位（ LSB ）為1時的10進(jìn)制數(shù)值 (0 x0001) 0.000030517578125 0.0000610

18、35156250 0.000122070312500 0.000244140625000 0.000488281250000 0.000976562500000 0.001953125000000 0.003906250000000 0.007812500000000 0.015625000000000 0.031250000000000 0.062500000000000 0.125000000000000 0.250000000000000 0.500000000000000 1.000000000000000格式 1.15 2.14 3.13 4.12 5.11 6.10 7.9 8.8

19、 9.7 10.6 11.5 12.4 13.3 14.2 15.1 16.0 小數(shù)整數(shù)共三十六頁33不同(b tn)數(shù)制表示實(shí)例+5 V-5 V0 V0 x7FFF0 x00000 x800012345格式(g shi)0 x7FFF 0 x3FFF 0 x0000 0 xCCCD 0 x80001) 2) 3) 4) 5)16.01.155 V 2.5 V 0 V -2.0 V -5.0 V= 32767 - = 16383 - = 0 - = -13107 - = -32768 -0.999969482. - 0.499969482. - 0.0000000. - -0.39999398

20、6. - -1.0000000. -5 V 2.5 V 0 V -2.0 V -5.0 V共三十六頁34有兩種將16進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為10進(jìn)制數(shù)的方法，一種簡單(jindn)，一種較復(fù)雜. 復(fù)雜的方法 : 先將16進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成2進(jìn)制數(shù). 確定小數(shù)點(diǎn)的位置. 將每一位的2進(jìn)制位數(shù)值乘以其相應(yīng)的位權(quán)值。例子: 將 0 x2A00（ 以1.15 、2的補(bǔ)碼格式表示）轉(zhuǎn)換10進(jìn)制數(shù)值0 x2A00 = 0.010 1010 0000 0000 = 2-2 + 2-4 + 2-6 = 0.25 + 0.0625 + 0.015625 = 0.328125 = 0.33 = 1/3 簡單的方法 : 先將16進(jìn)制數(shù)直接轉(zhuǎn)換成10進(jìn)制數(shù)（整數(shù)整數(shù)）。再用轉(zhuǎn)換后的10進(jìn)制數(shù)除以2N，N是2進(jìn)制小數(shù)點(diǎn)右邊的位數(shù)。例子: 將 0 x2A00（ 以1.15 、2的補(bǔ)碼格式表示）轉(zhuǎn)換10進(jìn)制數(shù)值0 x2A00 10752 / 215 = 10752 / 32768 = 0.32812516進(jìn)制(1.15