DSP原理与应用论文

DSP原理与应用论文

信息科学与工程学院

电子信息工程

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DSP 的发展及应用

一、DSP 数字信号处理器的发展

步入21世纪之后,社会进入数字化的时代,而数字信号处理器( digital signal processor)正是这场数字化革命的核心。从20世纪60年代数字信号处理理论的崛起, 到20世纪80年代世界上第一个单片可编程DSP芯片产生以来, 数字信号处理器的发展迅猛异常。

数字信号处理是利用专用或通用数字信号处理芯片,通过数字计算的方法对信号进行处理。与模拟信号处理相比, 数字信号处理具有精确,灵活,抗干扰能力强,可靠性好和易于大规模集成等特点。DSP 系统以数字信号处理为基础,与模拟信号处理系统相比,其优点:

a. 接口简单、方便。由于数字信号的电气特性简单,不同的DSP系统相互连接时,在硬件接口上容易实现；

b. 精度高,稳定性好。数字信号处理仅受量化误差和有限字长的影响,处理过程不引入其他噪声,因此有较高的信噪比。另外模拟系统的性能受元器件参数性能影响较大,而数字系统基本不变,因此数字系统更便于测试、调试及批量生产;

c. 编程方便,容易实现复杂的算法。在DSP系统中,DSP芯片提供了一个高速计算平台,系统功能依赖于软件编程实现。当其与现代信号处理理论和计算数学相结合时,可以实现复杂的信号处理功能;

d. 集成方便。现代DSP芯片都是将DSP芯核及其外围电路综合集成在单一芯片上。这种结构便于设计便携式高集成度的数字产品。

现代DSP芯片作为可编程超大规模集成(VLSI) 器件,通过可下载的软件或固件来实现数字信号处理功能。DSP芯片除具有普通微处理器的高速运算和控制功能外,还针对高数据传输速率,数值运算密集的实时数字信号处理,在处理器结构,指令系统,和指令流程设计上做了较大改动。其结构特点有: 1. DSP 芯片普遍采用改进的哈佛结构,即数据总线和程序总线相互分离,这使得处理指令和数据可以同时进行,提高了处理效率；2 DSP 芯片大多采用流水线技术,即每条指令的执行划分为取指,译码,取数等若干步骤,由片内多个功能单元分别完成。这相当于多条指令并行执行,从而大大提高了运行速度。3. 片内有多条总线可以同时进行取指和取操作数动作,并且有辅助寄存器自动增减地址协助寻址。4. 配有独立的乘法器、加法器和特殊指令,适用于需要大量乘累加器操作的矩阵运算,FFT ,Viterbi译码和相关的专用信号处理运算。e. 大多数DSP 芯片一

般都带有DMA控制器, 外部存储器,外部存储器扩展接口,串行通信,配合片内多总线结构,可以实现大吞吐量数据传送。5. DSP芯片一般配有中断处理器、定时器,片内存储器和锁相环( PLL)等片内集成外设,可以方便的实现一个嵌入式自封闭控制的处理系统。6. 省电管理和低功耗。适于便携式数字终端设备。

二、DSP器件的分类

DSP[器件按设计要求可以分为两类。第一类，应用领域为廉价的、大规模嵌入式应用系统，如手机、磁盘驱动(DSP用作伺服电机控制)以及便携式数字音频播放器等。在这些应用中价格和集成度是最重要的考虑因素。对于便携式电池供电的设备，功耗也是一个关键的因素。尽管这些应用常常需要开发运行于DSP的客户应用软件和外围支持硬件，但易于开发的要求仍然是次要的因素，因为批量生产可以分摊开发成本，从而降低单位产品的开发成本。另外一类是需要用复杂算法对大量数据进行处理的应用，例如声纳探测和地震探测等，也需要用DSP器件。该类设备的批量一般较小、算法要求苛刻、产品很大而且很复杂。所以设计工程师在选择处理器时会尽量选择性能最佳、易于开发并支持多处理器的DSP器件。有时，设计工程师更喜欢选用现成的开发板来开发系统而不是从零开始硬件和软件设计，同时可以采用现成的功能库文件开发应用软件。

三、DSP 数字信号处理器的应用

DSP芯片性价比的不断提高以及数字化产品、Internet和计算机的不断普及,使DSP的应用范围不断扩大。DSP的应用几乎遍及整个电子领域,其中3

G( communication ,comput2er ,consumer) 领域占整个市场需求的90 %。常见的应用有:

a. 通用数字信号处理,包括数字滤波、FFT、自适应滤波、模式匹配等;

b. 通信,包括高速MODEM、自适应均衡器、传真、数字留言机、程控交换、数字基站、可视电话、FDMAΠ TDMAΠ CDMA 制式移动电话、卫星通信设备、保密通信设备、IP 电话数字广播和软件无线电等;

c. 家用计算机。包括高速大容量硬盘、语音识别与合成、计算机加速卡、扫描仪、阵列处理机和多媒体处理等;

d. 语音处理。包括语音编码,语音识别与合成,人声识别,矢量编码和语音信箱等;

e. 图像、视频处理。包括图像变换、图像处理、图像压缩等;

f. 军事用途。雷达探测、雷达成像、声纳信号处理、加密通信和电子对抗等;

g. 航空航天。包括虚拟训练设备、自动驾驶、GPS、故障记录和分析设备等;

可以预见,随着DSP芯片性价比的提高和数字信号处理技术的不断发展,DSP芯片将会在更广阔的领域得到应用。DSP芯片可分为定点DSP芯片、浮点DSP芯片两大类。这是根据DSP 芯片工作的数据格式来分类的。数据以定点格式工作的DSP芯片称为定点DSP 芯片, 如TI 公司的TMS320C2000系列,TMS320C5000系列,TMS320C6000系列等,数据以浮点格式工作的称为浮点DSP芯片,如TI公司的TMS320C3X4X,TMX320C6000系列Π中的TMS320C67XX等。此外,按DSP 芯片的用途来分,可分为通用型DSP 芯片和专用型DSP 芯片。专用型DSP芯片已将算法固化在芯片中,完成特定功能。我们现在使用的芯片主要是TI 公司的TMS320C5000 系列和TMS320C6000 系列, 其中TMS320C5000系列目前包括TMS320C54x系列和

TMS320C55x系列两大类。这两类芯片软件完全兼容,所不同的是TMS320C55x 具有更低的功耗和更高的性能。TMS320C54x系列是为实现低功耗, 高性能而专门设计的定点DSP芯片,主要应用在无线通信等领域。

四、Code Composer Studio ( CCS) 的简介

Code Composer Studio 简称CCS,是TI公司推出的为开发TMS320系列DSP软件的集成开发环境( IDE)。CCS工作在Windows操作系统下,类似于VC + +的集成开发环境,采用图形接口界面,提供有编辑工具和工程管理工具。它将诸如汇编器、链接器、Π + + 编译器、CC 建库工具等集成在了一个统一的开发平台中。CCS 所集成的代码调试工具具有各种调试功能,包括了原TI公司提供的C源代码调试器和模拟器所具有的所有功能。能对TMS320 系列DSP 进行指令级的仿真和进行可视化的实时数据分析。此外,还提供了丰富的输入Π出库函数和信号处理的库函数,极大的方便了TMS320系列DSP软件的开发过程。

1、CCS 集成开发环境,包括编辑器、工程管理工具、调试工具等;

2、用CCS 的软件开发流程CCS IDE 支持的DSP 软件开发的各个阶段如下:

a. 设计—总体设计;

b. 代码生成—创建工程、编写源代码、配置文件;