数字信号处理概述

加速处理模块
在通用微机内部加入专用的 加速处理模块，微机作为系统控 制使用。缺点是不适合嵌入式应 用。
DSP子系统实现方式
单片机（MCS51）
单片机采用的是冯•诺依曼总线结构，用它构成 的系统比较复杂，尤其是乘法运算速度慢，在运算 量大的实时控制系统中很难有所作为。
专用DSP芯片
专用DSP芯片可用于FFT、FIR、卷积、相关 等高速运算。一般速度较快，但是灵活性较差， 而且开发工具不完善。
2.0v 1.5v 0.8v 0.4v 0v
实现自适应算法 强调系统的自我学习能力： 神经网络 遗传算法
数据压缩 目的：减小传输带宽 模拟信号：带限滤波，失真 数字信号：压缩数据，几乎无失真
大规模集成 系统的一致性、可靠性显著提高 系统功耗、体积日益减小
模拟信号处理不可替代
自然界的信号绝大多数都是模拟信号
DSP应用技术（一） 韩红彪 133633872876
课程安排
DSP概述
理 论
TMS320C2000处理器 TMS320C2000软件环境
30学时 DSP系统设计
参考教材
《TMS320C2000系列DSP原理及应用技术》 何苏勤 王忠勇 电子工业出版社 《DSP基础与应用系统设计》 王念旭 北京航天航空大学出版社 《DSP芯片的原理与开发应用》 张雄伟 陈亮 徐光辉 电子工业出版社 《DSP集成开发环境CCS开发指南》 尹勇 欧光军 关荣锋 北京航天航空大学出版社 《Blackfin系列DSP原理与系统设计》 陈峰 电子工业出版社 《DSP接口电路设计与编程》 苏涛 蔡建隆 何学辉 西安电子科技大学出版社
同时处理多路输入/输出信号的方法，称为矢量 处理技术。 通常情况下，矢量处理用来计算两个信号之间 的相关程度。
矢量处理技术——软件无线电数学模型
1.6 通用DSPs芯片概述
发展历程及现状 DSP分类
发展历程 第一代——20世纪70年代末80年代初 特点：采用了哈佛结构，内部设置硬件乘法器。 第二代——20世纪80年代中期 特点：与第一代相比，在功能、速度及内存容量方面 有了很大突破，强化完善了指令功能及寻址方式。
数据压缩
大规模集成
可控性强 通过改变程序使微处理器实现不同的功能
数字滤波器
通过改变程序中的系数来实现低通、高通、 带通等不同的滤波任务以及性能
在一个统一的以高性能DSP处理器为核心的 软件无线电技术 硬件平台上，加载不同的程序来实现不同工 作模式的电台通信 虚拟仪器技术
是以在同一硬件平台上获取外部采样信号， 编写不同的软件来实现传统仪器的测量任务， 甚至更为复杂的信号运算、信号产生等功能
稳定性好 较模拟系统，数字系统受时间和环境的影响小的多； 数字制造采用大规模集成电路，其故障率远比采用分 立元件构成的模拟系统的低。
精度高 电阻精度：E96－1% 电容精度：D－0.5% AD：16bit－10－5
抗干扰性能强
3.3v
Vcc
VOH VIH VT VIL VOL GND
3.3V TTL 2.4v
一 数字信号处理概述
1.1 DSP技术概念 1.2 数字信号处理优势 1.3 DSP实际应用 1.4 实时数字信号处理概念 1.5 实时处理系统组成 1.6 通用DSPs芯片介绍 1.7 DSPs芯片特点 1.8 DSPs实现高速运算的途径 1.9 DSP芯片性能指标以及选型依据
1.1 DSP技术概念
DSP： Digital Signal Processing： 数字信号处理理论和方法 Digital Signal Processor： 可编程的用于数字信号处理的微处理器
DSP/ARM/单片机的区别： DSP：适合于数字信号处理，例如FFT、数字滤波算法、加密算法和复杂控制算 法等。 DSP根据名字就知道他是干嘛的了，一般用来作为专门处理数字信号。 ARM：具有强大的事务处理功能，可以配合嵌入式操作系统使用。 单片机：适用于简单的测控系统，功能相对简单，价格较低 ARM是通用处理器 ，和x86一样，可以在上面跑各种操作系统。 单片机的工作ARM和dsp都能作， 只是它便宜（而且有些单片机可靠性比arm和dsp都要强，比如工业控制用的单 片机），主要当作简单的控制器来使用，比如工业中的温度控制等。
譬如傅里叶变换运算。
输入
存储块m
存储块m＋1 处理块m
存储块m＋2 处理块m＋1
存储块m＋3 处理块m＋2
LTx
输出
Tc Tc＜LTx
优点：减少频繁读写存储器所带来的额外开销，获 得较高处理效率；可以使用较低速度的处理器。 缺点：时延以及足够的存储空间。
矢量处理（Vector Processing）
DSP技术： 将通用的或专用的DSP处理器用于完成数字 信号处理的方法和技术。
3D Stereo，MP3 Encoder/Decoder, Noise Reduction，VoIP…… HDLC Transmit/Receive， TCP/IP Protocol Stacks……
Position Control， Speed Control，RMS Signal Measure……
http://www.ti.com.cn/lsds/ti_zh/dsp/overview.page?DCMP=PPC_Google_TI&k_clickid=3e c1dce3-7b05-28e9-bb2b-00000e30ef38
http://www.ti.com.cn/lsds/ti_zh/dsp/overview.page?DCMP=PPC_Google_TI&k_clickid=3e c1dce3-7b05-28e9-bb2b-00000e30ef38
调 理
AD
0110001001000100……
模拟信号处理系统从根本上说是实时的
射频（RF）信号的处理要由模拟系统来完成
1.3 数字信号处理技术应用
1.4 实时数字信号处理概念
实时指的是系统必须在有限的时间内完成外部输入信 号的指定处理，即信号处理速度必须大于等于输入信号更 新的速度，而且从信号输入到处理后输出的延迟必须足够 的小。 数据率 运算量 实时 取决因素 算法复杂度
速度（MIPS）
RAM（Byte） 功耗（mW/MIPS） 价格（$）
5
256 250 150
40
2K 12.5来自百度文库15
5000
32K 0.1 5
20000
1M 0.001 0.15
MIPS：百万指令每秒
1.2 数字信号处理优势
可控性强 稳定性高 精度高 抗干扰性能强 实现自适应性
Tc …… 输出
…… Tc＜Tx
特点：每接收一个样本，就做一次新的运算。输 入样本周期与输出样本周期保持一致。 优点：其结果是随时更新的。输出样本和其影响 的输出结果之间的时延达到理论的最小值。 缺点：要求处理器的速度必须足够高，能在下一 个样本到达之前完成所有计算。
块处理（Block Processing）
芯片速度
常见信号的典型数据率
音频信号： 采样时钟44.1KHz，字长16bit，则数据率88.2KBps 实时处理速度至少为88.2KBps 视频信号： 一帧画面512×512点阵，每个像素点用16个色 阶表示，当传输速率为30帧/秒时，则数据率15MBps 实时处理速度至少为15MBps 结论： 对实时信号处理速度的要求与原始模拟信号 带宽以及数据格式（字长、维数）、算法复杂程 度等因素是密切相关的。
第三代——20世纪80年代末 特点：高速、多功能、大内存，并能进行32位浮点运 算。
第四代——20世纪90年代末 特点： （1）支持片内多核或多片并行工作 （2）片内海量的存储器，包括Cache （3）增强的DMA控制器 （4）丰富的外设及片内资源 （5）低功耗，小尺寸 如今： （1）强大高效的指令 （2）支持高速的数据互联 （3）日益丰富的片上资源 （4）高效的开发工具
3-DES，AES， DES，DM5 ……
V.17/V.21/V.29 Transmit/Receive ……
JPEG，MPEG Encode/Decode ……
DSP处理器主要性能的发展以及对将来的影响
典型DSP处理器性能 工艺水平（nm） 1980 3000 1990 800 2000 100 2010 20
1.5 实时DSP系统组成
实时DSP系统实现框图 DSP子系统的实现方式 通用DSPs构成的子系统 DSP系统典型数据处理方式
实时 DSP系统实现框图
模拟信号
AD 子系统
N
DSP 子系统
L
DA 子系统
模拟信号
DSP子系统是整个系统的核心
DSP子系统实现方式
通用微计算机
利用统一的平台，编写软件， 实现不同的功能。这种方法缺点 是速度太慢，不能用于实时系统， 只能用于仿真研究。
目前单片DSPs的处理能力： TMS320C6455：主频1.2GHz， 9600MIPS（每秒96亿条 指令） TMS320C6727：主频350MHz，2100MFLOPS（每秒21 亿次浮点操作） ADSP－TS201：主频600MHz，3600MFLOPS（每秒36 亿次浮点操作） 高性能的DSP使实 时信号处理的应用 空间越来越广阔。
首先将输入样本存放到存储器中，当L个输入样本都 到达以后，才开始处理。这种同时处理多个样本的方法 称为块处理技术，也叫帧处理（Frame Processing）。 在块处理技术中，输入样本按组存储，当有足够多的 样本到达后，开始处理这个样本块。主要应用在输出采 样率小于输入采样率(采用间隔T)的场合，其计算时间限 制在LT以内。
通用DSPs构成的子系统
输入 信号
前向 通道
存储器
DSP 芯片
通讯以 及人机 接口
输出 信号
后向 通道
数字 I/O
DSP 系 统译码 以及时 序控制
总线
DSP典型系统框图
物理 信号
传 感 器
幅值 调理 及抗 混叠 滤波
抽取
A/D 或V/f
前向通道示意图
输出
信号 转换
信号 放大 滤波
平滑 滤波
D/A
后向通道示意图
DSP系统典型数据处理方式
数据流处理（Stream Processing）
数据是在一个输入样本到达后，就立即开始进行与该 样本有关的运算，并在下一个样本到达之前完成。这种 在下一个样本输入之前完成上一个样本处理的方法称为 数据流处理方式。例如数字FIR滤波。 …… 输入 Tx ……
参考教材
《实时信号处理－信号处理系统设计与实现》 李玉柏 杨乐 李征 译 电子工业出版社 《DSP应用系统设计》 朱铭锆 赵勇 甘泉 电子工业出版社 《高速数字系统设计》 伍微 等译 机械工业出版社 TMS320C20x User’s Guide Texas Instruments Incorporated TMS320F/C24x DSP Controllers Reference Guide Texas Instruments Incorporated
TMS320C55x 最优功耗管理
OMAP
片内集成了 C55x核与 ARM处理器
德州仪器 TI公司DSP 产品分类
TMS320C64x
工业级性能最 高处理器 主频1GHz
TMS320C62x 最高的性价比
TMS320C67x 高精度的浮点
TMS320DM64x DaVinci 数字多 媒体芯片
美国模拟器件（ADI）公司DSP产品分类
可编程FPGA器件
利用VHDL或是VerilogHDL 硬件开发语言，通过软件编程来 改变FPGA内部门阵列结构，最 终用硬件实现特定数字信号处理 算法。这种实现方法具有通用性、 并行性，一般作为DSP芯片的协 处理器。
通用可编程DSP芯片
通用可编程DSP芯片有着更适合 于数字信号处理的硬件特点和指令 系统，而且其性价比随着微电子的 发展不断提高，非常适合实现性要 求高的应用领域。
德州仪器 TI公司DSP 产品分类
TMS320F28x： 32bit controller On chip flash memory 150MIPS
TMS320F240x： On chip flash memory 20-40MIPS $ 2.00
德州仪器 TI公司DSP 产品分类
TMS320C54x 提供板级的性 能与外设