DSP数字信号处理绪论

DSP系统设计DigitalSignalProcessor数字信号处理器为什么要开展研究性教学改革上课记笔记考试背笔记考后全忘记学生掌握的、真正能运用的知识是靠学生自己学得的，而不是教师教给的。教学目标知识目标：数字信号处理基础算法、DSP芯片体系结构、语音或图像等应用领域基础知识。能力目标：DSP系统软硬件开发基本能力、系统设计和调试能力。素质目标：文献阅读与分析、需求分析、技术方案设计。教学方案

以学生为主体，将学生的自主学习和老师的有效指导相结合，教师协引导学生阅读分析文献并拟定面向个人研究兴趣的设计题目。设计题目按个人选定，依据应用领域分组。教师引导全班同学以课堂讨论形式点评学生的设计方案并提出问题。同学在实践环节中实施设计方案并进行功能型验证，如果可能则进一步测试相关技术指标。课程的考核方法

课程成绩结合课堂讨论和展示、实践环节表现、文献综述报告、设计报告等环节统一评定。感兴趣和基础好的同学可以参加实验板调试，加分环节设计能力的培养：单元设计题目30多个，2人一个；系统设计每人一个题目。9/4

绪论；DSP概况；开发环境；文献检索和分析综述11/4

实验1：CCS开发环境的使用16/4文献分析报告和讨论18/4

DSP的硬件结构、指令系统、实验系统介绍23/4

DSP的软件设计、目标文件格式25/4

实验2定时器波形产生实验30/4

定时器中断控制的ADC采样率、栅栏效应讨论2/5

实验3定时器中断控制的ADC实验7/5实验4：FFT实验

栅栏效应、歌曲频谱分析9/5McBSP与音频信号分析应用案例14/5

实验5音频信号采集和放送16/5

DSP设计案例1，工程设计流程；21/5实验系统设计与调试经验23/5

机动28/5设计方案研讨30/5

设计方案研讨4/6设计方案研讨6/6设计方案研讨11/6设计方案研讨13/6总结与讨论课程信息教材：TMS320C55xDSP原理及应用（第3版）。作者：汪春梅，孙晓波学时：30学时上课，10学时实验，2周的课程设计。学习方法：主动学习、多实践、多上网查相关资料、深入思考，与其他微处理器（单片机、ARM等）对比学习。

[1]DSP芯片的原理与开发应用（第4版），张雄伟等编著，电子工业出版社，2009[2]曾义芳.《DSP开发应用技术》.北京航空航天大学出版社2008[3]芯片数据手册、应用案例[4]公司网站.

http://.；http://；http://；http://；[5]61IC网站.http://www.61IC.COM[6]合众达电子http://[7]

闻亭科技/[8]中国DSP网；嵌入式开发网参考书与相关网址第一章DSP技术概述1.1DSP的一般概念1.2DSP芯片的特点、发展和应用1.3DSP系统的构成、特点和设计流程1.4DSP芯片的开发环境1.1DSP的一般概念强调的是对以数字形式表现的信号进行处理和研究的方法。是一门涉及许多学科且广泛应用于许多领域的新兴学科。DSP包括两层概念:1）.数字信号处理（DigitalSignalProcessing—DSP）2）.数字信号处理器（DigitalSignalProcessor——DSP）强调的是通过专用集成电路芯片，利用数字信号处理理论，在芯片上运行目标程序，实现对信号的某种处理。第一章DSP技术概述第一章DSP技术概述DSP技术的发展及现状

20世纪60年代兴起，算法多采用模拟仿真形式研究，无法做到实时处理；

20世纪70年代，集成电路技术发展，硬件实现FFT和数字滤波成为可能；

20世纪80年代，第一片商用数字信号处理器TMS320C10DSP研制成功；

20世纪90年代，数字信号处理飞速发展，在工程上实现和推广应用。

21世纪，数字信号处理器已广泛应用于各行各业，发挥着重要作用。1.1DSP的一般概念第一章DSP技术概述DSP技术的应用

1.通信及多媒体领域应用（1）数字式移动通信系统（2）软件无线电（SoftwareRadio）（3）高清晰度电视（HDTV）和语音及图像处理识别应用

2.控制领域的应用（1）电机和机器人控制（2）激光打印机、扫描仪和复印机等消费电子产品（3）网络控制及传输设备3.汽车、石油勘探、飞行器、医学4.军事武装设备：激光制导灵巧炸弹1.1DSP的一般概念DSPADC音频,数字视频

利用X86处理器完成实时数字信号处理

随着CPU技术的不断进步，X86处理器的处理能力不断发展，基于X86处理器的处理系统已经不仅局限于以往的模拟和仿真，也能满足部分数字信号的实时处理要求，而各种便携式或工业标准的推出，如PC104、PC104Plus结构，以及CPCI总线标准的应用，这些都改善了X86系统的抗恶劣环境的性能，扩展了X86系统的应用范围。

（1）处理器选择范围较宽：X86处理器涵盖了从386到奔腾系列，处理速度从100MHz到几GHz，而为了满足工控等各种应用，X86厂商也推出了多款低功耗处理器，其功耗远远小于商用处理器。（2）主板及外设资源丰富：无论是普通结构，还是基于PC104和PC104Plus结构，以及CPCI总线标准，都有多种主板及扩展子板可供选择，节省了用户的大量硬件开发时间。（3）有多种操作系统可供选择：这些操作系统包括Windows、Linux、WinCE等，而针对特殊应用，还可根据需要对操作系统进行剪裁，以适应实时数字信号处理要求。（4）开发、调试较为方便：X86的开发、调试工具十分成熟，使用者不需要很深的硬件基础，只要能够熟练使用VC、C-Build等开发工具即可进行开发。利用X86系统进行实时数字信号处理的优点：

X86进行实时信号处理的缺点

（1）数字信号处理能力不强：X86系列处理器没有为数字信号处理提供专用乘法器等资源，寻址方式也没有为数字信号处理进行优化，实时信号处理对中断的响应延迟时间要求十分严格，通用操作系统并不能满足这一要求；（2）硬件组成较为复杂：即使是采用最小系统，X86数字信号处理系统也要包括主板（包括CPU、总线控制、内存等）、非易失存储器（硬盘或电子硬盘、SD卡或CF卡）和信号输入/输出部分（这部分通常为AD扩展卡和DA扩展卡），如果再包括显示、键盘等设备，系统将更为复杂；（3）系统体积、重量较大，功耗较高：即使采用紧凑的PC104结构，其尺寸也达到96mm×90mm，而采用各种降低功耗的措施，X86主板的峰值功耗仍不小于5W，高功耗则对供电提出较高要求，则需要便携系统提供容量较大的电池，进一步增大了系统的重量；（4）抗环境影响能力较弱：便携系统往往要工作于自然环境当中，温度、湿度、振动、电磁干扰等都会给系统正常工作带来影响，而为了克服这些影响，X86系统所需付出的代价将是十分巨大的。

利用通用微处理器完成实时数字信号处理

通用微处理器的种类多，包括51系列及其扩展系列，德州仪器公司的MSP430系列，ARM公司的ARM7、ARM9、ARM10系列，等等，利用通用微处理器进行信号处理的优点如下。

(1)可选范围广：通用微处理器种类多，使用者可从速度、片内存储器容量、片内外设资源等各种角度进行选择，许多处理器还为执行数字信号处理专门提供了乘法器等资源。（2）硬件组成简单：只需要非易失存储器，A/D、D/A即可组成最小系统，这类处理器一般都包括各种串行、并行接口，可以方便地与各种A/D、D/A转换器进行连接。（3）系统功耗低，适应环境能力强。

（1）信号处理的效率较低：以一个两个数值乘法为例，处理器需要先用两条指令从存储器当中取值到寄存器中，用一条指令完成两个寄存器的值相乘，再用一条指令将结果存到存储器中，这样，完成一次乘法就花费了4条指令，使信号处理的效率难以提高。（2）内部DMA通道较少：数字信号处理需要对大量的数据进行搬移，如果这些数据搬移全部通过CPU进行，将极大的浪费CPU资源，但通用处理器往往DMA通道数量较少，甚至没有DMA通道，这也将影响信号处理的效率。利用通用微处理器进行信号处理的缺点每条指令可通过片内多功能单元完成取指、译码、取操作数和执行等多个步骤，实现多条指令的并行执行，从而在不提高系统时钟频率的条件下减少每条指令的执行时间。其过程如图1.2.3所示。

针对这些缺点，当前的发展趋势是在通用处理器中内嵌硬件数字信号处理单元，如很多视频处理器产品都是在ARM9处理器中嵌入H.264、MPEG4等硬件视频处理模块，从而取得了较好的处理效果；而另一条路径是在单片中集成ARM处理器和DSP处理器，类似的产品如德州仪器的OMAP处理器及最新的达芬奇视频处理器，它们就是在一个芯片中集成了一个ARM9处理器和一个C55x处理器或一个C64x处理器。如:TMS320DM270ARM9+TMS320C5909TMS320DM355ARM+协处理器图像硬压缩MPEG4TMS320DM375ARM+协处理器图像硬压缩MPEG4\H.264TMS320DM360ARM+协处理器图像硬压缩MPEG4\H.264

随着微电子技术的快速发展，FPGA的制作工艺已经进入到45nm时期，这意味在一片集成电路当中可以集成更多的晶体管，芯片运行更快，功耗更低。其主要优点如下。（1）适合高速信号处理：FPGA采用硬件实现数字信号处理，更加适合实现高速数字信号处理，对于采样率大于100MHz的信号，采用专用芯片或FPGA是适当的选择。（2）具有专用数字信号处理结构：纵观当前最先进的FPGA，如ALTERA公司的StratixⅡ、Ⅲ系列、CycloneⅡ、Ⅲ系列，Xilinx公司的Virtex-4、Virtex-5系列都为数字信号处理提供了专用的数字信号处理单元，这些单元由专用的乘法累加器组成，所提供的乘法累加器不仅减少了逻辑资源的使用，其结构也更加适合实现数字滤波器、FFT等数字信号处理算法。利用（FPGA）进行实时数字信号处理（1）开发需要较深的硬件基础：无论用VHDL还是VerilogHDL语言实现数字信号处理功能都需要较多的数字电路知识，硬件实现的思想与软件编程有着很大区别，从软件算法转移到FPGA硬件实现存在着很多需要克服的困难。（2）调试困难：对FPGA进行调试与软件调试存在很大区别，输出的信号需要通过示波器、逻辑分析仪进行分析，或者利用JTAG端口记录波形文件，而很多处理的中间信号量甚至无法引出进行观察，因此FPGA的更多工作是通过软件仿真来进行验证的，这就需要编写全面的测试文件，FPGA的软件测试工作是十分艰巨的。使用FPGA的缺点

数字信号处理器（DigitalSignalProcessor，DSP）是一种专门为实时、快速实现各种数字信号处理算法而设计的具有特殊结构的微处理器。DSP芯片已成为集成电路中发展最快的电子产品之一。DSP芯片迅速成为众多电子产品的核心器件，DSP系统也被广泛地应用于当今技术革命的各个领域——通信电子、信号处理、自动控制、雷达、军事、航空航天、医疗、家用电器、电力电子，而且新的应用领域还在不断地被发现、拓展。可以说，基于DSP技术的开发应用正在成为数字时代应用技术领域的潮流。利用数字信号处理器实时实现数字信号处理第一章DSP技术概述

DSP芯片的结构和特点1).处理器实现的两种结构冯•诺依曼结构1.2DSP芯片1).处理器实现的两种结构哈佛结构第一章DSP技术概述

DSP芯片的结构和特点1.2DSP芯片第一章DSP技术概述DSP芯片的结构和特点2).处理器的多总线和流水线

DSP芯片都采用多总线结构，可同时进行取指令和多个数据存取操作，并由辅助寄存器自动增减地址进行寻址，使CPU在一个机器周期内可多次对程序空间和数据空间进行访问，大大地提高了DSP的运行速度。3).采用流水线技术流水线结构，加上执行重复操作，就能保证在单指令周期内完成数字信号处理中用得最多的乘法-累加运算。1.2DSP芯片第一章DSP技术概述DSP芯片的结构和特点4).配有专用的硬件乘法-累加器

为了适应数字信号处理的需要，当前的DSP芯片都配有专用的硬件乘法-累加器，可在一个周期内完成一次乘法和一次累加操作，从而可实现数据的乘法-累加操作。如矩阵运算、FIR和IIR滤波、FFT变换等专用信号的处理。5).具有特殊的DSP指令

为了满足数字信号处理的需要，在DSP的指令系统中，设计了一些完成特殊功能的指令。如：TMS320C55xx中的FIRSADD指令和LMS指令，分别用于对称结构FIR滤波算法和LMS算法。1.2DSP芯片第一章DSP技术概述DSP芯片的结构和特点6)．快速的指令周期

由于采用哈佛结构、流水线操作、专用的硬件乘法器、特殊的指令以及集成电路的优化设计，使指令周期可在20ns以下。7)．支持多处理器结构为了满足多处理器系统的设计，许多DSP芯片都采用支持多处理器的结构。如：TMS320C40提供了6个用于处理器间高速通信的32位专用通信接口，使处理器之间可直接对通，应用灵活、使用方便1.2DSP芯片第一章DSP技术概述

DSP芯片的分类

按照用途，可将DSP芯片分为通用型和专用型两大类

通用型DSP芯片：一般是指可以用指令编程的DSP芯片，适合于普通的DSP应用，具有可编程性和强大的处理能力，可完成复杂的数字信号处理的算法。

专用型DSP芯片：是为特定的DSP运算而设计，通常只针对某一种应用，相应的算法由内部硬件电路实现，适合于数字滤波、FFT、卷积和相关算法等特殊的运算。主要用于要求信号处理速度极快的特殊场合。

1.2DSP芯片第一章DSP技术概述DSP芯片的分类根据芯片工作的数据格式，可分为定点DSP和浮点DSP两类定点DSP芯片：数据以定点格式工作。浮点DSP芯片：数据以浮点格式工作。不同的浮点DSP芯片所采用的浮点格式有所不同，有的DSP芯片采用自定义的浮点格式，有的DSP芯片则采用IEEE的标准浮点格式。1.2DSP芯片第一章DSP技术概述DSP芯片的分类TI公司的DSP芯片：浮点DSP：

TMS320C3x系列32bit第三代1990年；

TMS320C4x系列32bit第四代1990年；

TMS320C67x系列64bit第七代1998年。定点DSPC2x、C24x称为C2000系列，主要用于数字控制系统；

C54x、C55x称为C5000系列，主要用于功耗低、便于携带的通信终端；1.2DSP芯片

C5000系列（定点、低功耗）：C54XX，C55X相比其它系列的主要特点是低功耗，所以最适合个人与便携式上网以及无线通信应用，如手机、PDA、GPS等应用。处理速度在80MIPS--400MIPS之间。C54XX和C55XX一般只具有McBSP同步串口、HPI并行接口、定时器、DMA等外设。值得注意的是C55XX提供了EMIF外部存储器扩展接口，可以直接使用SDRAM，而C54XX则不能直接使用。C2000系列（定点、控制器）：C20X，F20X，F24X，F24XX，C28X，F28XX该系列芯片具有大量外设资源，如：A/D、定时器、各种串口（同步和异步），WATCHDOG、CAN总线/PWM发生器、数字IO脚等。是针对控制应用最佳化的DSP，在TI所有的DSP中，只有C2000有FLASH，也只有该系列有异步串口可以和PC的UART相连。TI公司DSP介绍C6000系列：C62XX，C67XX，C64XX该系列以高性能著称，最适合宽带网络和数字影像应用。32bit，其中：C62XX和C64XX是定点系列，C67XX是浮点系列。该系列提供EMIF扩展存储器接口。该系列只提供BGA封装，只能制作多层PCB。且功耗较大。C3X系列：浮点系列，非主流产品，VC33仍在广泛使用，但其速度较低，最高在150MIPS，但功耗较低。OMAP系列：OMAP处理器集成ARM的命令及控制功能，另外还提供DSP的低功耗实时信号处理能力，最适合移动上网设备和多媒体家电。TI公司DSP介绍Davinci：TMS320DM644x架构是一款高度集成的片上系统(SoC)，集成了数字视频所需的许多外部组件。DM644x器件建立在TI性能卓越的TMS320C64x+DSP内核基础之上，ARM926处理器、视频加速器、网络外设及外部存储器／存储设备接口等都专门为视频功能进行了调节。TMS320DM6443针对视频编码及解码应用进行了调优，可提供数字视频解码所需要的全部组件，包括带集成式图像缩放工具及画中画(OSD)引擎的模拟及数字视频输出。TMS320DM6446则特别适合视频编码与解码，其专门的视频处理前端添加了视频编码功能，能够捕获各种数字视频格式。其主要应用为网络照相机、机顶盒、视频电话、医疗成像等。TI公司DSP介绍文献检索学校主页>万方数据>高级检索推荐参考书《DSP》开发应用技术，曾义芳编著，北京航空航天大学出版社，2008年1月共10个专题，后附参考文献500余条该书所附文献为2008年以前文献，要求每人至少要包含一条2008年以后的新文献，越新越好。文献阅读和综述要求每人阅读一篇学位论文：重点阅读绪论、摘要和结论部分，了解学科领域的基本知识和发展状况，了解该领域所应用DSP芯片的特点和应用方案。不要求阅读软硬件设计细节。每人阅读至少2篇期刊论文：重点阅读引言、系统方案、结果和结论。鼓励增加网站资料每个小组中各人的文献不得相同，每人一份文献综述。每个小组综合优化各综述，课堂讨论。综述中可以按年代也可以按DSP类别整理。文献综述报告要求建立课程公共邮箱4.12前每人将各人检索文献的小综述发邮箱，组内共享，文件命名为学号+姓名+小综述4.14日前提交共享综合优化后的综述报告，文件命名为学号+姓名+综述4.15日组内商议择优推荐报告人4.16日报告人代表全组报告，Word文档即可，不要求PPTTMS320系列主要芯片发展第一章DSP技术概述制造工艺：NMOS→亚微米CMOS→深亚微米CMOS存储器容量：片内由几百→几百K；片外可达Mbit甚至Gbit级内部结构：多处理单元，多总线，多级流水线，接口完善运算速度：指令周期400ns→10ns，速度2.5MIPS→2000MIPS以上集成规模：集成A/D,D/A,滤波→模拟混合式DSP运算精度：字长8→16→24→32位；累加器40位开发工具：Simulator→Emulator→C-Compiler→CCS低功耗DSP芯片的发展现状和趋势

1.2DSP芯片第一章DSP技术概述DSP的内核结构将进一步改善DSP和微处理器的融合DSP和高档CPU的融合DSP和SOC的融合DSP和FPGA的融合实时操作系统RTOS与DSP的结合DSP的并行处理结构功耗越来越低

DSP芯片的发展现状和趋势

1.2DSP芯片第一章DSP技术概述几种通用数字信号处理器面向电信基础引用的TMS320TCI6486多核DSP：内部含有6个C64x+megamodule，主要用于语音分组网等电话设备中。TMS320C28x控制DSP：用于工业自动控制，照明控制系统、光通信网络系统等。DSP芯片的发展现状和趋势

1.2DSP芯片第一章DSP技术概述几种通用数字信号处理器TMS320C5000DSP+RISC:集成了C54xDSPCPU内核和ARM7内核，具有数字处理能力和控制接口能力,用于无线数据交换系统等。TMS320C55x低功耗DSP：嵌入式低功耗高性能处理器，面向3G手机、PDA、数字照相机等。OMAP5910处理器：集成了DSP和ARM，通过桥接技术实现了双CPU的数据交换DSP芯片的发展现状和趋势

1.2DSP芯片DSP开发工程师数字信号处理算法知识；DSP芯片的结构和开发要点；DSP系统设计能力。DSP系统基本构成抗混叠滤波A/DD/ADSP平滑滤波输入输出存储器第一章DSP技术概述1.3DSP系统DSP系统模拟系统数字信号模拟信号实时处理模拟器件FPGA/CPLDDSP芯片强调控制运算过程第一章DSP技术概述1.3DSP系统DSP系统的特点:DSP系统的特点

1）.精度高难17位字长模拟网络元件（R、L、C等）模拟网络系统数字系统DSP、D/A精度10-3精度10-3第一章DSP技术概述1.3DSP系统2）.可靠性强信号信号放大器A放大器B计算机A计算机B只要误差不超过0、1判决电平A、B结果可能不同A、B结果果相同DSP系统的特点

第一章DSP技术概述1.3DSP系统3）.集成度高

表面贴装ASIC芯片DSP系统DSPCPLDFPGA开发压缩体积降低成本DSP系统的特点

第一章DSP技术概述1.3DSP系统4）.接口方便以现代数字技术为基础的系统或设备都是兼容的，系统接口方便。5）.灵活性好

DSP系统DSP