第2章实时数字信号处理概述

①由信号的频率和性质决定系统采样频率；
②由采样频率完成任务书最复杂的算法所需最大时间及 系统对实时程度的要求判断系统能否完成工作；
③由数据量及程序的长短决定片内RAM的容量，是否需 要扩展片外RAM及片外RAM容量；
④由系统所要求的精度决定是16位还是32位，是定点还是 浮点运算；
⑤根据系统是计算用还是控制用来决定对输入输出端口 的要求。在一些特殊的控制场合还有一些专门的芯片可 供选用。如电机控制领域很适合用TMS320C2XX系列集 成了ADC，6路PWM输出及强大的人机接口。
2 实时数字信号处理技术概述
2.1 绪论 2.2 实时数字信号处理系统的组成 2.3 数字信号处理器的选择和发展 2.4 实时数字信号处理系统的设计
2.1 绪论
信号类型：连续时间信号（模拟信号）、离散 时间信号、数字信号
模拟信号：有源、无源器件处理
随着信息科学和微电子技术的快速发展，数字 信号处理的理论及数字信号处理器己广泛应用于 通信、家电、航空航天、工业测量和控制、生物 医学工程及军事等许许多多的领域。由于设计和 实现一个实时的数字信号处理系统不仅需要系统 地掌握信号处理的理论，而且要熟练地掌据DSP 硬件的知识，因此，对设计者的要求是非常高、 也是相当全而的。
③是否具备本应用所需要的某些特殊功能。如串行通 信口、片内语音处理功能、片内A／D或D／A集成、 与特定外部设备接口等等；
④价格成本。不单指芯片本身价格，还包括必需的外 部配套器件成本；
⑤ 体积。同样包括了构成最小系统的电路尺寸；
⑥ 功耗。是否有低功耗（3.3 V／2.5 V/1.8V/1.5V）型 号，能否电池供电；
2 DSP软件编程的特点
在此对软件开发流程做简单的介绍。
①与计算机的汇编语言比起来，由于 TI公司汇编语言的指 令系统比计算机汇编语言的指令系统要简单一些，而且由 于有许多专门为数字信号处理而设计的指令，因此是比较 容易掌握并运用于数字信号处理的编程中的。
②与高级语言比起来，使用DSP汇编语言的用户一定要熟 悉DSP芯片内部结构和指令系统。尤其是在多DSP并行处 理的场合，或在便携电话、磁盘驱动器等编程空间很小的 场合，这对偏重高效的DSP软件是非常重要的。
软件无线电需要有强大处理能力的硬件平台作支持， 运行不同软件就能支持多种通信体制，将传统通信系统中 前端处理的专用硬件用可编程器件替代，大大增强了系统 的兼容性和可升级能力，而性能迅速提高的DSP和FPGA 技术可以满足，而且并行浮点DSP适合通信领域日益复杂 的数据处理所要求的高精度、大动态范围、大运算量，在 未来将取代更多的定点DSP。
发展方向是：可重构、软件无线电技术。
2.4 实时数字信号处理系统的设计
一、总体方案设计
现对如图所列各步骤作一简要说明。
在进行DSP系统设计之前，首先要明确设 计任务，给出设计任务书。在设计任务书中， 应该将系统要达到的功能描述准确、清楚。描 述的方式可以是人工语言，也可以是流程图或 算法描述。在此之后应该把设计任务书转化为 量化的技术指标，这些技术指标主要包括：
发展水平。而在广阔的民用产品设计中，成本和性能 同样重要，例如定点DSP的成本远低于浮点DSP，通 信、语音、图像处理往往采用定点DSP就可以满足要 求。定点DSP功耗也较低，一般在 0.5～1.5W，其低 电压（2.5V、3.3V）型仅 200mw以下，而且在休眠模 式下（Power down或Sleep）功耗更低。浮点 DSP由 于片内集成度、运算复杂性较高，功耗是定点DSP的 3～5倍。因而过去和现在定点DSP在应用广泛性上占 主导地位。但随着VLSI技术的发展，决定芯片生产成
二、软件设计
1、算法确定
采用通用计算机开发DSP软件，其优点： ①MATLAB、C/C++、DSP软件包能有效缩短
算法和软件的开发时间，另外C能移植到 DSP、FPGA硬件平台； ②易于调试和修改； ③基于磁盘文件输入输出操作易于实现，系统 行为易于分析； ④采用浮点数据格式实现高精度； ⑤针对定点DSP进行定点仿真计算，易于比 较。
本的因素中，生产批量的大小起着越来越大的作用， 尽管浮点DSP的结构复杂、集成度很
高，如果它能获得市场的承认而得到广泛应用，其价 格会大幅度下降。
另外，各种DSP面向不同应用领域，有其各自的 结 构 和 功 能 特 点 。 以 TMS320 系 列 为 例 ， TMS320F240适合于电机控制，TMS320C54X适合于 通信及语音处理，TMS320C80则面向多媒体应用，雷 达、声纳信号处理所需要的大动态范围和高速实时处 理需要TMS320C4X／C67X这样的高性能或并行DSP。
2.2.1 输入、输出通道
➢ 输入通道：放大器、抗混叠滤波器、ADC 放大器：放大倍数(增益)、带宽、电平、耦合形式 [直流（视频）、交流（变压器耦合、中频）] 抗混叠滤波器：低通、带通、截止频率
ADC：精度（位数）、采样频率（视频、中频）、 SNR≈6BdB(16BIT:96dB)、并串、自校验等 ➢ 输入通道重要：a.应用情况 ；b. 量化噪声（ADC为 主）；c.设计难度。
采用高级语言或Matlab等对算法进行仿真，确定最佳 算法并初步确定参数，对系统中的哪些功能用软件 （DSPs）来实现，哪些功能用硬件（如FPGA）实现进 行初步的分工，如FFT、FIR、FFT等是否需要用硬件来 实现等。根据技术指标和算法，大致可以确定应该选用 的DSP芯片的型号。在确定DSP芯片选型之后，进行系 统的软件和硬件（包括FPGA）设计。
④针对滤波、相关、矩阵运算等需要大量乘法 累加运算的特点，DSP大都配有独立的乘法器
和加法器，使得同一时钟周期内可以完成相乘、 累加两个运算，许多DSP可以同时进行乘、加、 减运算，大大加快了FFT的蝶形运算速度；
⑤许多DSP带有DMA通道控制器，以及串行 通信口等，配合片内多总线结构，数据块传送 速度大大提高；
同一型号DSP有多种速度级别、工作温度和封装 形式，而且价格与其购买量关系很大。DSP集成度和 性能呈加速增长势头，更新换代速度越来越快。采用 主流产品和兼容性有保证的型号很重要。DSP的发展 趋势：一是采用低压（3.3 V/2.5V/1.8V/1.5V/1.2V）， 可以大大减少系统功耗，降低散热要求；二是采用越 来 越 密 集 的 封 装 形 式 ， 从 DIP→PGA→PLCC→QFP →TQFP→BGA，管脚间距越来越小，对电路板设计、 制作、器件安装的要求越来越高。DSP另一大趋势是 软件化，未来DSP需要“单片系统”，即在一个芯片 上包括了处理控制单元、存储器、输入输出设备甚至
⑦ 应用开发时间周期。应具备完善的开发调试工具， DSP本身易学易用；
⑧ 型号延续性。产品有较好的应用前景，或者未来有 兼容／替代型号，这要求生产厂家有相当实力，能在 芯片生产或开发调试系统上得到其它厂商的支持。
当选择一种DSP满足上述要求后，还应选择更具 体的类型，如速度、工作温度范围、封装等等。许多 DSP都提供了具备片内ROM型的产品，片内ROM可以 将定型的程序代码固化到DSP片内，从而减少了系统 的体积、功耗、电磁辐射干扰，速度也有所提高，当 大批量生产时可降低成本。但这种ROM几乎都是一次 性写入的，而且需要由厂家专门制作，其批量起点高 （万片），带来了很大的资金投入和生产风险，因此 对普通使用者 ，这些ROM 是无用的 。有些 DSP导程序，供各种加载模式下自动调用。有些 DSP如 TM320F206，其片内则有FLASH。
介绍实时数字信号处理系统的基本概念。
2.2 实时数字信号处理系统的组成
数字信号处理实现：非实时与实时
非实时：PC机等 实时：1、快速的算法、高效的编程；
2、高性能的硬件支持。 完成实时数字信号处理任务的高性能硬件包 括：DSPs、FPGA、MEMORY等器件。另外还 有输入/输出通道、通信（串、并行）、人机接口、 总线（PCI、USB、VXI、 3xBUS 、LAN、CAN） 等，整个系统的协调运行还要依靠正确的逻辑控 制电路设计。
①DSP采用数据和程序总线分离的哈佛结构及 改进的哈佛结构，而非冯·诺依曼结构，指令执 行速度更高；
②DSP大多采用流水技术，从而在不提高时钟 频率的条件下减少了每条指令的执行时间；
③片内有多条总线可以同时进行取指令和多个 数据存取操作，并且有辅助寄存器用于寻址， 它们可以在寻址访问前或访问后自动修改内容， 以指向下一个要访问的地址；
DSP处理系统中除了DSP外，另外的不可缺器件
就 是 存 储 器 ， 一 个 独 立 系 统 必 须 有 EPROM 、 EEPROM、FLASH、SSD（固态盘）等非易失性存储
器来存放程序、初始化数据、表格等，为了采用低成
本、小体积的存储器，就要选用那些带有8bit字节方式 加载功能的DSP，如 TMS320C31等，而 TM320C30 则必须用32 bit的存储加载。当DSP的片内存储器不够 使用时，有必要采用可读写的片外存储器，SRAM速 度 高 ， 与 DSP 连 接 简 单 ， 能 被 DSP 全 速 访 问 （ 无 等 待 ） ， 但 成 本 高 、 容 量 小 、 体 积 大 ， DRAM 则 与 SRAM完全相反。为了克服DRAM必须刷新所带来的 不 利 影 响， 已经有一种带一页 SRAM 缓存的增强型 DRAM（EDRAM），除了DSP访问跨页时需要插入等 待周期外，大多数情况下，EDRAM几乎与SRAM的性 能一样，但容量大得多，而且DSP无须考虑对EDRAM 中DRAM的刷新。
➢ 输出通道：DAC、重构滤波器、放大器（如CD 播放机）
DAC：精度（位数）、采样频率（速度）、并串、 处理（内插滤波）
重构滤波器：低通、截止频率
放大器：变压器（差分变单端/高速）、电流、电 压、带宽、驱动能力等
2.2.2 DSP硬件
2.2.2.1 数字信号处理器的特点
实时数字信号处理技术的核心和标志是数字信 号处理器(DSPs)。第一个DSPs（TMS32010） 以来，处理器技术水平得到了十分迅速的提高， 而FFT等提出促进DSPs的发展。DSPs有别于普 通的科学计算与分析，它强调运算处理的高速实 时性，因此DSPs除了具备普通微处理器所强调的 高速运算和控制功能外，针对高速实时数字信号 处理，在处理器结构、指令系统、指令流程上做 了很大的改动，其结构特点如下：