数字信号处理器(DSP)原理与应用.ppt

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用DSP芯片实现数字滤波
应用 领域
采样率
(kHz)
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采样周 期 (μs)
MAC周期＝ MAC周期＝ MAC周期＝ 200ns 50ns 25ns (MAC) 指令数 指令数 指令数
运算 量
语音
8
125
768
625
2500
5000
声频
wenku.baidu.com44.1
22.7
768
113
主要内容
一、DSP的一般概念 二、DSP系统构成及设计方法 三、DSP 芯片的基本结构和特征 四、定点DSP及定点运算 五、浮点DSP及浮点运算 六、TMS320系列DSP芯片的工作原理 七、DSP系统软硬件设计 八、DSP应用实例
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一、DSP的一般概念
1、一般概念
其它：
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DSP芯片的运算速度 指令周期：即执行一条指令所需的时间 MAC时间：即一次乘法加上一次加法的时间 FFT执行时间：即运行一个N点FFT程序所需的时间 MIPS：即每秒执行百万条指令 MOPS：即每秒执行百万次操作 MFLOPS：即每秒执行百万次浮点操作 BOPS：即每秒执行十亿次操作
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DSP芯片的主要应用领域
（1）信号处理
•声码器
（2）图像处理
（3）仪器
•语音识别
•语音增强 •语音合成
（4）声音/语言
（5）控制 （6）军事应用 （7）电信 （8）无线电
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DSP芯片的主要应用领域
（1）信号处理
•磁盘控制
（2）图像处理
MIPS(Million Instruction per second)是 一种评估DSP速度的一个指标。DSP运行频率也 是评估DSP的一个指标，他们二者之间的联系 需要考虑到DSP体系结构（是否多路并行结构、 是执行定点还是浮点运算）。
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价格 商业级 ：一般应用；适用于实验室等环境较好 场合； 工业级 ：可靠性好；适用于工业现场等环境恶 劣场合； 军品 ：可靠性高；适用于各种恶劣场合； 航空级 ：可靠性很高；适用于特殊场合；
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按帧处理
中低速语音编码算法：
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10ms或20ms为一帧，每隔10ms或20ms语音编码算法循环一 次。 选择DSP芯片时应该比较一帧内DSP芯片的处理能力和DSP算 法的运算量。 假设：DSP芯片的指令周期为 p（ns），一帧的时间为 （ns） 则：在一帧内所能提供的最大运算量为 /p条指令。 如：TMS320LC549-80的指令周期为12.5ns，设帧长为20ms， 则一帧内所能提供的最大运算量为160万条指令
•通道多路复用
•1200至19200bps调制 •自适应均衡 •传真 •扩频通讯
（7）电信
（8）无线电
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DSP芯片的主要应用领域
（1）信号处理
•全球定位
（2）图像处理
（3）仪器 （4）声音/语言 （5）控制 （6）军事应用 （7）电信
•导航
•数字无线电/TV
（8）无线电
（3）仪器 （4）声音/语言
•数值控制
•声控 •伺服控制 •机器人控制 •激光打印机控制
（5）控制
（6）军事应用 （7）电信 （8）无线电
•发动机控制
•自适应驾驶
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DSP芯片的主要应用领域
（1）信号处理
•雷达处理
（2）图像处理
（3）仪器 （4）声音/语言 （5）控制
运算量是DSP芯片处理能力的标志 按样点处理
一个采用LMS（Least Mean Square）算法的 256 抽头的自适应FIR（Finite Impulse Response）滤波器 假定：3个MAC/抽头
则：256×3＝768个MAC周期
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设：采样频率为8kHz，即样点之间的间隔为 125μs；采样频率为44.1kHz，即样点之间的间 隔为22.7μs
商业级→工业级→军品→航空级
价格趋势
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硬件资源 内存：RAM、ROM、Flash等 寄存器：通用、特殊功能 I/O数量：单向、双向 寻址能力：直接、间接 定时器、计数器： 通讯接口： 内臵功能单元：A/D、D/A等
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数字信号处理（Digital Signal Processing）
以数字形式对信号进行采集、变换、滤波、估 值、增强、压缩、识别等处理
数字信号处理器（Digital Signal Processor）
DSP芯片
是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理 器，其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理
需求 分析
系统结 构选择
系统总 体构成
软硬件 设计
交付 使用
试运 行
系统 调试
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2、DSP芯片主要特点
在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法 程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据 片内具有快速 RAM，通常可通过独立的数据总线在两块
较快
快
嵌入式
嵌入式
复杂算法
复杂算法
好
中等
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DSP芯片的主要应用领域
（1）信号处理
（2）图像处理
（3）仪器 （4）声音/语言 （5）控制 （6）军事应用 （7）电信 （8）无线电
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DSP芯片的主要应用领域
（1）信号处理
（2）图像处理
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4、DSP分类
按基础特性： 静态 一致性（兼容性）
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按数据格式：
定点（Fixed）
浮点（Floating） 通用
按用途：
专用
5、DSP的性能指标
运算速度
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DSP芯片的价格
DSP芯片的硬件资源 DSP芯片的运算精度 DSP芯片的开发工具 DSP芯片的功耗
•声纳处理
•图像处理 •导航 •导弹制导 •高频调制解调器
（6）军事应用
（7）电信 （8）无线电
•保密通讯
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DSP芯片的主要应用领域
（1）信号处理
•回声对消 •ADPCM代码转换器 •数字交换机 •线路转发器解调器
（2）图像处理
（3）仪器 （4）声音/语言 （5）控制 （6）军事应用
数字信号处理器（DSP） 原理与应用
傅星 xingfu@tju.edu.cn 17-313 27406941
参考书与相关网址
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数字信号微处理器的原理与开发，天津大学出版社，
2004 DSP芯片的原理与开发应用（第2版），张雄伟，曹 铁勇编著，电子工业出版社，2000 DSP基础与应用系统设计，王念旭编著，北京航空航 天大学出版社，2001 www.ti.com.cn www.21ic.com
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血压计
DSP系统基本构成
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输入
抗混叠 滤波 A/D DSP
平滑 滤波 D/A
输出
存储器
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视频会议系统
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数字式家庭影院
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（3）仪器 （4）声音/语言 （5）控制 （6）军事应用 （7）电信 （8）无线电
•数字滤波
•卷积
•相关 •希尔伯特变换 •FFT •自适应滤波
•加窗
•波形产生
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DSP芯片的主要应用领域
（1）信号处理
•三维旋转
（2）图像处理
（3）仪器 （4）声音/语言 （5）控制 （6）军事应用 （7）电信 （8）无线电
算法
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数字信号处理的实现方法
在通用的计算机（如PC机）上用软件（如Fortran、
C语言）实现 ；速度慢 在通用计算机系统中加上专用的加速处理机实现； 应用受限制 用通用的单片机（如MCS-51、96系列等）实现 ； 仅限于简单算法 用通用的可编程DSP芯片实现 ；广泛应用 用专用的DSP芯片实现 ；应用受限制
用DSP芯片实现数字滤波
应用 领域
采样率
(kHz)
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采样周 期 (μs)
MAC周期＝ MAC周期＝ MAC周期＝ 200ns 50ns 25ns (MAC) 指令数 指令数 指令数
运算 量
语音
8
125
768
625
2500
5000
声频
44.1
22.7
768
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电机控制器
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POS机
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雷达
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医学图像监视系统
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数码相机
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MPEG-4压缩
系统设计的一般方法
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1999年 0.3μm CMOS 100MIPS 100MHz 32K字 16K字
价格
功耗 集成 晶体管数
$150.00
250mW/MIPS 50K
$ 15.00
12.5mW/MIPS 500K
$5.00~$25.00
0.45mW/MIPS
TMS320系列主要芯片发展
运算精度 CALU： 寄存器： 硬件乘法器： 片内RAM：
开发工具 功耗 其它 封装的形式： 质量标准： 供货情况： 生命周期：
一般而言，定点 DSP芯片的价格较便宜， 功耗较低，但运算精度 稍低。而浮点DSP芯片 的优点是运算精度高， 且C语言编程调试方便， 但价格稍贵，功耗也较 大。
•机器人视觉
•图像传输/压缩 •同态处理 •模式识别 •工作站
•动画/数字地图
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DSP芯片的主要应用领域
（1）信号处理
•频谱分析
（2）图像处理
•函数发生器
•模式匹配 •地震信号处理 •数字滤波 •锁相环
（3）仪器
（4）声音/语言 （5）控制 （6）军事应用 （7）电信 （8）无线电
DSP芯片的发展（续）
完成乘加操作的时间下降到10ns以下 乘法部件占模片区从40％下降到5％
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引脚数从64增加到200以上
重量和体积大大下降
采用低电压，功耗大大下降
TI DSP 芯片发展比较表
年份 制造工艺 MIPS MHz 内部RAM 内部ROM 1982年 4μm NMOS 5MIPS 20MHz 144字 1.5K字 1992年 0.8μm CMOS 40MIPS 80MHz 1K字 4K字
中同时访问 具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持 快速的中断处理和硬件I/O支持 具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器 可以并行执行多个操作 支持流水线操作，使取指、译码和执行操作可以重叠执 行
DSP的优缺点
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优点：大规模集成性、 稳定性好 精度高 可编程性 高速性能 可嵌入性 接口和集成方便 缺点：成本较高 高频时钟的高频干扰 功率消耗较大等 DSP技术更新速度快，开发和调试工具不尽完善
数字信号处理的实现方法
实现方法 PC机 高级语言 编程 速度 中等 快 慢 应用场合 非嵌入式 非嵌入式 嵌入式 适应性 复杂算法 复杂算法 简单算法
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性价比 较好 中等 较好
PC机＋高 速处理
单片机
硬件＋ 专用指令
汇编语言 编程
通用DSP
专用DSP
专用指令
硬件＋ 专用指令
3、DSP芯片的发展历史
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世界上第一个单片 DSP 芯片应当是1978年 AMI
公司发布的 S2811 1980 年，日本 NEC 公司推出的μPD7720是第 一个具有乘法器的商用 DSP 芯片 美国德州仪器（Texas Instruments）公司为世 界上最大的 DSP 芯片供应商，其DSP市场份额 占全世界份额近 50％， AD公司的ADSP2101，ADSP2111, ADSP2171, ADSP21000等系列；Motolora公司的MC56001， MC96002等