数字信号处理器(DSP)原理与应用.ppt

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
•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
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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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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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
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
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
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
113
453
（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
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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
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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
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
（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
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 DIPS 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
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
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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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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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
•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
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
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
453
907
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
•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
907
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
113
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
数字信号处理器（DSP） 原理与应用
傅星 xingfu@ 17-313 27406941
参考书与相关网址
Tianjin University
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
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。
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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