第一章DSP概論第一講

1、DSPDSP技術與應用技術與應用l李李 利利 DSP 中國水利水電出版社中國水利水電出版社l戴明幀戴明幀 TMS320C54x DSP ， 北京航空航天大學出版社北京航空航天大學出版社l彭啟宗彭啟宗 TMS320C54x DSP 電子科技大學出版社電子科技大學出版社參考教材：參考教材：學時：學時：3232（含（含8 8學時上機實驗）學時上機實驗）主講人：主講人：陳德宏陳德宏安徽工業(yè)大學電氣信息學院授課對象授課對象: :電氣電氣, ,自動化自動化1010級級數(shù)字信號處理技術的發(fā)展數(shù)字信號處理技術的發(fā)展:第一章第一章 緒緒 論論 信號處理在信號處理在生物醫(yī)學工程生物醫(yī)學工程、儀器設備儀器設備、海洋

2、海洋、遙感遙感、聲學聲學、聲納聲納、雷達雷達、地震學地震學、語音通信語音通信、數(shù)據(jù)通信數(shù)據(jù)通信和和核子核子科學科學等不同的領域都充分顯示它的重要性等不同的領域都充分顯示它的重要性 信號處理主要分為信號處理主要分為時域分析時域分析和和頻域分析頻域分析兩類。兩類。 時域分析和頻域分析之間的關系由時域分析和頻域分析之間的關系由傅立葉變換傅立葉變換和和反變換反變換聯(lián)系起來聯(lián)系起來 信號處理最基本的手段是信號處理最基本的手段是濾波濾波和和譜分析譜分析 信號處理算法的信號處理算法的模擬實現(xiàn)模擬實現(xiàn)可靠性可靠性、靈活性差靈活性差，對于某，對于某些復雜的算法些復雜的算法實現(xiàn)起來困難實現(xiàn)起來困難 奈奎斯特采樣理

3、論奈奎斯特采樣理論奠定了數(shù)字信號處理的基礎奠定了數(shù)字信號處理的基礎 6060年代和年代和7070年代，數(shù)字信號處理技術以年代，數(shù)字信號處理技術以理論研究理論研究為主為主 , , 美國科學家美國科學家A.V.OppenheimA.V.Oppenheim和和R.W.SchaferR.W.Schafer共同撰寫共同撰寫的的DIGITAL SIGNAL PROCESSINGDIGITAL SIGNAL PROCESSING是數(shù)字信號處理歷史是數(shù)字信號處理歷史上一本里程碑式的經(jīng)典著作上一本里程碑式的經(jīng)典著作 在數(shù)學領域，在數(shù)學領域，微積分微積分、概率統(tǒng)計概率統(tǒng)計、隨機過程隨機過程、數(shù)值數(shù)值分析分析等都是

4、數(shù)字信號處理的基本工具，它與等都是數(shù)字信號處理的基本工具，它與網(wǎng)絡理論網(wǎng)絡理論、信號與系統(tǒng)信號與系統(tǒng)、控制理論控制理論、通信理論通信理論、故障診斷故障診斷也密切相也密切相關。近年來新興的一些學科，如：關。近年來新興的一些學科，如：人工智能人工智能、模式識別、模式識別、神經(jīng)網(wǎng)絡神經(jīng)網(wǎng)絡等，都與數(shù)字信號處理密不可分。等，都與數(shù)字信號處理密不可分。 數(shù)字信號處理技術研究的對象從早期的數(shù)字信號處理技術研究的對象從早期的確定信號確定信號拓拓展到展到平穩(wěn)隨機信號平穩(wěn)隨機信號、非平穩(wěn)隨機信號非平穩(wěn)隨機信號、時變信號時變信號和和非高非高斯信號斯信號等，幾乎覆蓋了現(xiàn)實生活的每一個角落。同時等，幾乎覆蓋了現(xiàn)實生活

5、的每一個角落。同時數(shù)數(shù)字信號處理也因此成為一門具有完整體系的交叉學科字信號處理也因此成為一門具有完整體系的交叉學科 在在2020世紀世紀8080年代出現(xiàn)了專門為數(shù)字信號處理設計的年代出現(xiàn)了專門為數(shù)字信號處理設計的電子器件，其中以電子器件，其中以DSPDSP最引人注目。伴隨著微電子技術最引人注目。伴隨著微電子技術的突飛猛進，的突飛猛進，DSPDSP的更新步伐也越來越快，其應用擴展的更新步伐也越來越快，其應用擴展到到軍事、工業(yè)、通信軍事、工業(yè)、通信等諸多領域，成為現(xiàn)代化技術的重等諸多領域，成為現(xiàn)代化技術的重要組成部分。要組成部分。 圖圖1-1 典型的數(shù)字信號處理系統(tǒng)典型的數(shù)字信號處理系統(tǒng)1.1.1

6、 數(shù)字信號處理系統(tǒng)的構(gòu)成數(shù)字信號處理系統(tǒng)的構(gòu)成1.1.2 數(shù)字信號處理的實現(xiàn)（1 1）在通用的微機上用軟件實現(xiàn)。）在通用的微機上用軟件實現(xiàn)。 （2 2）利用特殊用途的）利用特殊用途的DSPDSP芯片來實現(xiàn)。芯片來實現(xiàn)。 （3 3）利用專門用于信號處理的通用）利用專門用于信號處理的通用DSPDSP芯片來實現(xiàn)。芯片來實現(xiàn)。 （4 4）用）用FPGA/CPLDFPGA/CPLD用戶可編程器件來實現(xiàn)用戶可編程器件來實現(xiàn)。 1.1.3 數(shù)字信號處理的特點與模擬系統(tǒng)（與模擬系統(tǒng)（ASP）相比，數(shù)字系統(tǒng)具有如下特點：）相比，數(shù)字系統(tǒng)具有如下特點：（1）精度高）精度高 （2）可靠性高）可靠性高 （3）靈活性大

7、）靈活性大（4）易于大規(guī)模集成）易于大規(guī)模集成 （5）可獲得高性能指標）可獲得高性能指標 二、二、DSPDSP的發(fā)展歷史的發(fā)展歷史 世界上第一個單片世界上第一個單片 DSP 芯片：芯片： 1978年年 AMI公司發(fā)布的公司發(fā)布的 S2811 1979年年 Intel公司發(fā)布的公司發(fā)布的2920 1980 年年 NEC 公司推出的公司推出的P D7720 有乘法器有乘法器 無單周期乘法器無單周期乘法器 最成功的最成功的DSP DSP 芯片當數(shù)芯片當數(shù)美國德州儀器公司美國德州儀器公司（Texas InstrumentsTexas Instruments，簡稱，簡稱TITI） 19821982年推出

8、了第一款年推出了第一款定點定點DSPDSP芯片芯片TMS32010TMS32010，隨后發(fā)展了，隨后發(fā)展了七代七代，如：如：C1XC1X、C2XC2X、C2XXC2XX、C5XC5X、C54XC54X及及C6XC6X定點定點DSPDSP浮點運算處理器浮點運算處理器DSPDSP發(fā)展了發(fā)展了三代三代，如：，如：C3XC3X、C4XC4X、C67XC67X多處理器多處理器發(fā)展了發(fā)展了一代一代，如：，如：C8XC8X 美國美國模擬器件公司模擬器件公司（Analog DevicesAnalog Devices，簡稱，簡稱ADAD）在）在DSPDSP芯片市場上也占有一定的份額芯片市場上也占有一定的份額其定

9、點其定點DSPDSP芯片有芯片有ADSP2101/2103/2105ADSP2101/2103/2105、ASDP2111/2115ASDP2111/2115、ADSP2161/2162/2164ADSP2161/2162/2164以及以及ADSP2171/2181ADSP2171/2181，浮點浮點DSPDSP芯片有芯片有ADSP21000/21020ADSP21000/21020、ADSP21060/21062ADSP21060/21062等等 除了除了TITI，ADAD公司、公司、MotorolaMotorola公司、公司、LUCENTLUCENT公司占據(jù)剩公司占據(jù)剩余市場，現(xiàn)在世界上余

10、市場，現(xiàn)在世界上DSPDSP有有300300多種，其中定點多種，其中定點200200多種多種 自自19801980年以來，年以來，DSPDSP芯片的芯片的運算速度運算速度 、乘法器部件乘法器部件占模片區(qū)（占模片區(qū)（die areadie area）、）、片內(nèi)片內(nèi)RAMRAM數(shù)量數(shù)量 、制造工藝制造工藝 、引腳數(shù)量引腳數(shù)量得到了突飛猛進的發(fā)展，得到了突飛猛進的發(fā)展，DSPDSP芯片的應用越來芯片的應用越來越廣泛越廣泛 年份年份19821982年年19921992年年19991999年年制造工藝制造工藝4 4 m NMOSm NMOS0.80.8 m CMOSm CMOS0.30.3 m CMOS

11、m CMOSMIPSMIPS5MIPS5MIPS40MIPS40MIPS100MIPS100MIPSMHzMHz20MHz20MHz80MHz80MHz100MHz100MHz內(nèi)部內(nèi)部RAMRAM144144字字1K1K字字32K32K字字內(nèi)部內(nèi)部ROMROM1.5K1.5K字字4K4K字字16K16K字字價格價格$150.00$150.0015.0015.00$5.00$25.00$5.00$25.00功耗功耗250mW/MIPS250mW/MIPS12.5mW/MIPS12.5mW/MIPS0.45mW/MIPS0.45mW/MIPS集成晶體管數(shù)集成晶體管數(shù)50K50K500K500K表表

12、1.1 TI DSP 1.1 TI DSP 芯片發(fā)展比較表（典型值）芯片發(fā)展比較表（典型值） 公司公司DSP芯片芯片推出時間推出時間（年）（年）MAC周期周期（ns）定點位數(shù)定點位數(shù) 浮點位數(shù)浮點位數(shù) TITMS32010TMS32020TMS320C25TMS320C30TMS320C40TMS320C50TMS320C203TMS320LC549TMS320C62X19821987198919891992199019961996199739020010060403512.510516/3216/3216/3224/323216/3216/3216/3216/3232/4040表表1.2 單

13、片可編程單片可編程DSP芯片芯片 公司公司DSP芯片芯片推出時間推出時間（年）（年）MAC周期周期（ns）定點位數(shù)定點位數(shù)浮點位數(shù)浮點位數(shù)NEC PD7720 PD772301980198525015016/3232AMIS2811197830012/16MotorolaMC56001MC96002MC560021986199019917550502432/6424/4832/44 AT&TDSP32CDSP16ADSP321019881988199280256016或或2416/362432/4032/40 ADADSP2101ADSP21020199019916040163232/

14、40 表表1.2 單片可編程單片可編程DSP芯片芯片 Digital Signals Processing 數(shù)字信號處理（方法、技術）數(shù)字信號處理（方法、技術） 什么是什么是DSPDSP？它有兩種含義：？它有兩種含義：Digital Signals Processor 數(shù)字信號處理器，也稱數(shù)字信號處理器，也稱DSPDSP芯片芯片 三、三、DSP芯片的特點芯片的特點（1）哈佛結(jié)構(gòu)）哈佛結(jié)構(gòu) (2) 多總線結(jié)構(gòu)多總線結(jié)構(gòu) （3 3）流水線結(jié)構(gòu)）流水線結(jié)構(gòu)（4）多處理單元）多處理單元 （5）特殊）特殊DSP指令指令 （7）運算精度高）運算精度高 （6）指令周期短）指令周期短 (8) 硬件配置強硬件配

15、置強 四四. DSP芯片的分類芯片的分類 （1）按基礎特性分：）按基礎特性分：即根據(jù)即根據(jù)DSP芯片的工作時鐘和指令類型芯片的工作時鐘和指令類型來分類來分類靜態(tài)靜態(tài)DSP芯片芯片 一致性一致性DSP芯片芯片 (2)按數(shù)據(jù)格式分：按數(shù)據(jù)格式分：根據(jù)根據(jù)DSP芯片工作的數(shù)據(jù)格式來分類芯片工作的數(shù)據(jù)格式來分類 定點定點DSP芯片芯片 浮點浮點DSP芯片芯片 3)按用途分：按用途分：按照按照DSP的用途來分類的用途來分類 通用型通用型DSP芯片芯片 專用型專用型DSP芯片芯片 TI公司及其公司及其DSP芯片簡介芯片簡介 TMS320C2000,TMS320C5000,TMS320C6000TMS320

16、C2000,TMS320C5000,TMS320C6000系列系列1、TMS320C2000系列：系列：四個子系列：四個子系列： C2XXC2XX子系列：子系列：1616位定點位定點DSPDSP、20MIPS20MIPS C24XC24X子系列：子系列：1616位定點位定點DSPDSP、20MIPS20MIPSLF240XLF240X子系列：子系列：1616位定點位定點DSPDSP、40MIPS40MIPS F28XF28X子系列：子系列：3232位定點位定點DSPDSP、150MIPS150MIPS 價格低，具有較高的性能和適用控制領域的必要價格低，具有較高的性能和適用控制領域的必要功能，廣

17、泛應用于工業(yè)自動化、電機控制、家用電器功能，廣泛應用于工業(yè)自動化、電機控制、家用電器和消費電子等領域和消費電子等領域代表器件：代表器件： TMS320F206PZTMS320F240TMS320LF2407TMS320F2812/11/10TMS320C20X周期指令周期指令/nsROM/字字RAM/字字Flash/字字同步串行同步串行口口異步串行異步串行口口C20325/35/50-544-11C20425/35/504k544-11C20525/35/50-4.5k-11F20625/35/50-4.5k32K11F20725/35/50-4.5k32K21C20935/504k4.5k-

18、TMS320C24X MIPS RAM/字字 ROM/字字 Flash/字字 I/O引腳引腳 比較比較/PWM通道通道 定時定時器器 同步串同步串行口行口 異步串異步串行口行口 A/D通道數(shù)通道數(shù)/（轉(zhuǎn)換時間（轉(zhuǎn)換時間/us） F240 20 544 - 16K 28 9/12 3/1 1116ch/6.6 C240 20 544 16K - 28 9/12 3/1 1116ch/6.6 F241 20 544 - 8K 26 5/8 2/1 118ch/0.85 C242 20 544 4K - 26 5/8 2/1 -18ch/0.85 F243 20 544 - 8K 32 5/8 2/

19、1 118ch/0.85 LF2407 30/40 2.5K - 32K 41 10/16 4/1 1116ch/6.6 LF2406 30/40 2.5K - 32K 41 10/16 4/1 1116ch/6.6 LF2402 30/40 544 - 8K 21 5/8 2/1 -18ch/0.85LC2406 30/40 2.5K 32K - 41 10/16 4/1 1116ch/6.6 LC2404 30/40 1.5K 16K - 41 10/16 4/1 1116ch/6.6 LC2402 30/40 4K 4K - 21 5/8 2/1 -18ch/0.85 TMS320C28

20、X TMS320C28X是到目前為止用于數(shù)字控制領域性能最好是到目前為止用于數(shù)字控制領域性能最好的的DSPDSP芯片。這種芯片采用芯片。這種芯片采用3232位的定點位的定點DSPDSP核，最高速度可核，最高速度可達達400MIPS400MIPS，可以在單個周期內(nèi)完成，可以在單個周期內(nèi)完成32X3232X32位的乘累加運算，位的乘累加運算，具有增強的電機控制外設、高性能的模數(shù)轉(zhuǎn)換能力和改進具有增強的電機控制外設、高性能的模數(shù)轉(zhuǎn)換能力和改進的通信接口，具有的通信接口，具有8GB8GB的線性地址空間，采用低電壓供電的線性地址空間，采用低電壓供電（3.3V3.3V外設外設/1.8V/1.8V核），與核

21、），與TMS320C24XTMS320C24X源代碼兼容源代碼兼容 CPUF2801F2806F2808F2810F2812MIPS100MIPS100MIPS100MIPS150MIPS150MIPSFlash16K X 1632K X 1664K X 1664K X 16 128 X 16RAM6K X 1610K X 1618K X 1618K X 1618K X 16 BootROM 4k x 16 4k x 16 4k x 16-ADC12位位 16通道通道12位位 16通道通道12位位 16通道通道12位位 16通道通道12位位 16通道通道MCBSP-11SPI24411SCI1

22、2222Package100-pin LQFP100-pin LQFP100-pin LQFP128-pin LQFP176-pin LQFP100-pin BGA100-pin BGA100-pin BGA179-pin BGAPrice$5.00$ 7.5$10.00$15.98$18.12C5000C5000系列主要應用領域為：手機、數(shù)碼相機、便攜式系列主要應用領域為：手機、數(shù)碼相機、便攜式媒體播放器、電信和媒體播放器、電信和IPIP產(chǎn)品產(chǎn)品。2、TMS320C5000系列：系列：（1）C54X系列：系列：16位定點位定點DSP、100160MIPS （2）C55X子系列：子系列：16位

23、定點位定點DSP、400MIPS （4）C55X+ARM9系列：即系列：即OMAP平臺平臺 代表器件代表器件：5402，5409，5410，5416, 5420。 代表器件代表器件：5510，5509，5502 （3）C54X+ARM7子系列子系列: 代表器件：代表器件：5470，5471，DSC21 2、TMS320C6000系列：系列：（1）C62X系列：系列：32位定點位定點DSP、12002400MIPS （2）C67X子系列：子系列：32位浮點位浮點DSP、12002400MIPS （3）C64X子系列：子系列：32位定點位定點DSP，40008000MIPS C6000C6000系

24、列系列DSPDSP的應用領域有：的應用領域有：寬帶通信、無線寬帶通信、無線3G3G基站、基站、醫(yī)療成象，無線局域網(wǎng)、區(qū)域用戶交換機、語音識別、醫(yī)療成象，無線局域網(wǎng)、區(qū)域用戶交換機、語音識別、多媒體網(wǎng)關、專業(yè)音頻設備、網(wǎng)絡照相機、機器視角、多媒體網(wǎng)關、專業(yè)音頻設備、網(wǎng)絡照相機、機器視角、安全認證、工業(yè)掃描機、高速打印機、高級加密器安全認證、工業(yè)掃描機、高速打印機、高級加密器等。等。 5、 DSP芯片的選擇芯片的選擇 （ A ）DSP芯片的運算速度芯片的運算速度( 1 ) 指令周期：即執(zhí)行一條指令所需的時間，通常以指令周期：即執(zhí)行一條指令所需的時間，通常以ns（納秒）為單位（納秒）為單位 ( 2

25、) MAC時間：即一次乘法加上一次加法的時間。時間：即一次乘法加上一次加法的時間。 ( 3 ) FFT執(zhí)行時間：即運行一個執(zhí)行時間：即運行一個N點點FFT程序所需的時間程序所需的時間 應用應用領域領域采樣率采樣率（kHzkHz）采樣采樣周期周期（ s s）768768抽頭抽頭LMSLMS濾波運算量濾波運算量（MACMAC數(shù)）數(shù)）每樣點允許每樣點允許 MACMAC指令數(shù)指令數(shù)（200ns200ns）每樣點允許每樣點允許MACMAC指令數(shù)指令數(shù)（50ns50ns）每樣點允許每樣點允許MACMAC指令數(shù)指令數(shù)（25ns25ns）話音話音8 8125125768768625 625 2500250050005000聲頻聲頻44.144.122.722.7768768113113453453907907表表1.3 1.3 用用DSPDSP芯片實現(xiàn)數(shù)字濾波芯片實現(xiàn)數(shù)字濾波（B）DSP芯片的價格芯片的價格 （C）DSP芯片的硬件資源芯片的硬件資源 （D D）DSPDSP芯片的運算精度芯片的運算精度 （F）DSP芯片的功耗芯片的功耗 （E）DSP芯片的開發(fā)工具芯片的開發(fā)工具 (G) (G) 封裝的形式、質(zhì)量標準、供貨情況、生命周期等封裝的形式、質(zhì)量標準、供