DSP入門前的背景知識

DSP入門前的背景知識數(shù)字信號處理(DigitalSignal

Processing，簡稱DSP）是一門涉及很多學科而又廣泛應用于很多領域的新興學科。20世紀60年月以來，隨著計算機和信息技術的飛速進展，數(shù)字信號處理技術應運而生并得到飛快的進展。在過去的二十多年時間里，數(shù)字信號處理已經在通信等領域得到極為廣泛的應用.

數(shù)字信號處理是利用計算機或專用處理設備，以數(shù)字形式對信號進行采集、變換、濾波、估值、增強、壓縮、識別等處理，以得到符合人們需要的信號形式。

數(shù)字信號處理是圍圍著數(shù)字信號處理的理論、實現(xiàn)和應用等幾個方面進展起來的。數(shù)字信號處理在理論上的進展推動了數(shù)字信號處理應用的進展。反過來，數(shù)字信號處理的應用又促進了數(shù)字信號處理理論的提高.而數(shù)字信號處理的實現(xiàn)則是理論和應用之間的橋梁。

數(shù)字信號處理是以眾多學科為理論基礎的，它所涉及的范圍極其廣泛。例如,在數(shù)學領域，微積分、概率統(tǒng)計、隨機過程、數(shù)值分析等都是數(shù)字信號處理的基本工具，與網(wǎng)絡理論、信號與系統(tǒng)、掌握論、通信理論、故障診斷等也親密相關。近來新興的一些學科，如人工智能、模式識別、神經網(wǎng)絡等，都與數(shù)字信號處理密不行分。可以說,數(shù)字信號處理是把很多經典的理論體系作為自己的理論基礎,同時又使自己成為一系列新興學科的理論基礎。

數(shù)字信號處理的實現(xiàn)方法一般有以下幾種:

(1)

在通用的計算機（如PC機）上用軟件（如Fortran、C語言）實現(xiàn)；

（2)

在通用計算機系統(tǒng)中加上專用的加速處理機實現(xiàn);

(3)

用通用的單片機（如MCS-51、96系列等）實現(xiàn),這種方法可用于一些不太簡潔的數(shù)字信號處理，如數(shù)字掌握等;

（4)

用通用的可編程HYPERLINK”http：///news/listbylabel/label/DSP"DSP芯片實現(xiàn).與單片機相比,DSP芯片實現(xiàn)。在一些特殊的場合，要求的信號處理速度極高，用通用HYPERLINK”/news/listbylabel/label/DSP”DSP芯片很難實現(xiàn),例如專用于

FFT、數(shù)字濾波、卷積、相關等算法的HYPERLINK”/news/listbylabel/label/DSP"DSP芯片，這種芯片將相應的信號處理算法在芯片內部用硬件實現(xiàn),無需進行編程.

在上述幾種方法中,第1種方法的缺點是速度較慢,一般可用于HYPERLINK”http：///news/listbylabel/label/DSP"DSP算法的模擬;第2種和第5種方法專用性強,應用受到很大的限制，第2種方法也不便于系統(tǒng)的獨立運行；第3種方法只適用于實現(xiàn)簡潔的HYPERLINK”/news/listbylabel/label/DSP”DSP算法；只有第4種方法才使數(shù)字信號處理的應用打開了新的局面.

雖然數(shù)字信號處理的理論進展飛快，但在20世紀80年月以前，由于實現(xiàn)方法的限制,數(shù)字信號處理的理論還得不到廣泛的應用。直到20世紀70年月末80年月初世界上第一片單片可編程http：///news/listbylabel/label/DSP"DSP芯片的誕生及進展對近20年來通信、計算機、掌握等領域的技術進展起到十分重要的作用。

在HYPERLINK”/news/listbylabel/label/DSP”DSP系統(tǒng)中，輸入信號可以有各種各樣的形式.例如，它可以是麥克風輸出的語音信號或是電話線來的已調數(shù)據(jù)信號,可以是編碼后在數(shù)字鏈路上傳輸或存儲在計算機里的攝像機圖像信號等。

輸入信號首先進行帶限濾波和抽樣，然后進行A/D（Analog

toDigital）變換將信號變換成數(shù)字比特流。依據(jù)奈奎斯特抽樣定理，為保證信息不丟失,抽樣頻率至少必須是輸入帶限信號最高頻率的2倍。

/news/listbylabel/label/DSP"DSP的關鍵，這與其他系統(tǒng)（如電話交換系統(tǒng)）有很大的不同，在交換

系統(tǒng)中，處理器的作用是進行路由選擇,它并不對輸入數(shù)據(jù)進行修改。因此雖然兩者都是實時系統(tǒng),但兩者的實時約束條件卻有很大的不同。最后，經過處理后的數(shù)字樣值再經D/A（Digital

toAnalog)變換轉換為模擬樣值，之后再進行內插和平滑濾波就可得到連續(xù)的模擬波形.

必須指出的是，上面給出的HYPERLINK”http：///news/listbylabel/label/DSP"DSP系統(tǒng)模型是一個典型模型,但并不是全部的HYPERLINK”http：///news/listbylabel/label/DSP”DSP系統(tǒng)都必須具有模型中的全部部件。如語音識別系統(tǒng)在輸出端并不是連續(xù)的波形，而是識別結果，如數(shù)字、文字等；有些輸入信號本身就是數(shù)字信號（如CD：Compact

Disk），因此就不必進行模數(shù)變換了。

數(shù)字信號處理系統(tǒng)是以數(shù)字信號處理為基礎，因此具有數(shù)字處理的全部優(yōu)點：

（1）

接口便利。HYPERLINK”http：///news/listbylabel/label/DSP"DSP系統(tǒng)與其他以現(xiàn)代數(shù)字技術為基礎的系統(tǒng)或設備都是相互兼容的，與這樣的系統(tǒng)接口以實現(xiàn)某種功能要比模擬系統(tǒng)與這些系統(tǒng)接口要容易得多;

(2)

編程便利。DSP系統(tǒng)中的可編程/news/listbylabel/label/DSP"DSP系統(tǒng)以數(shù)字處理為基礎,受環(huán)境溫度以及噪聲的影響較小,牢靠性高;(4）

精度高。16位數(shù)字系統(tǒng)可以達到10^(—5)的精度；

（5)

可重復性好。模擬系統(tǒng)的性能受元器件參數(shù)性能變化比較大，而數(shù)字系統(tǒng)基本不受影響，因此數(shù)字系統(tǒng)便于測試、調試和大規(guī)模生產；

（6）

集成便利.HYPERLINK”/news/listbylabel/label/DSP”DSP系統(tǒng)中的數(shù)字部件有高度的規(guī)范性,便于大規(guī)模集成。

當然，數(shù)字信號處理也存在肯定的缺點。例如，對于簡潔的信號處理任務，如與模擬交換線的電話接口，若采納DSP系統(tǒng)中的高速時鐘可能帶來高頻干擾和電磁泄漏等問題，而且HYPERLINK”http：///news/listbylabel/label/DSP"DSP系統(tǒng)消耗的功率也較大。此外,D

SP技術更新的速度快，數(shù)學知識要求多，開發(fā)和調試工具還不盡完善。

雖然DSP系統(tǒng)存在著一些缺點，但其突出的優(yōu)點已經使之在通信、語音、圖像、雷達、生物醫(yī)學、工業(yè)掌握、儀器儀表等很多領域得到越來越廣泛的應用。

總的來說,DSP系統(tǒng)的設計還沒有格外好的正規(guī)設計方法。

在設計

HYPERLINK”/news/listbylabel/label/DSP”DSP

系統(tǒng)之前，首先必須依據(jù)應用系統(tǒng)的目標確定系統(tǒng)的性能指標、信號處理的要求，通?？捎脭?shù)據(jù)流程圖、數(shù)學運算序列、正式的符號或自然語言來描述。

其次步是依據(jù)系統(tǒng)的要求進行高級語言的模擬。一般來說，為了實現(xiàn)系統(tǒng)的最終目標，需要對輸入的信號進行適當?shù)奶幚?，而處理方法的不同會導致不同的系統(tǒng)性能，要得到最佳的系統(tǒng)性能，就必須在這一步確定最佳的處理方法，即數(shù)字信號處理的算法(Algorithm），因此這一步也稱算法模擬階段。例如，語音壓縮編碼算法就是要在確定的壓縮比條件下，獲得最佳的合成語音。算法模擬所用的輸入數(shù)據(jù)是實際信號經采集而獲得的,通常以計算機文件的形式存儲為數(shù)據(jù)文件。如語音壓縮編碼算法模擬時所用的語音信號就是實際采集而獲得并存儲為計算機文件形式的語音數(shù)據(jù)文件.有些算法模擬時所用的輸入數(shù)據(jù)并不肯定要是實際采集的信號數(shù)據(jù)，只要能夠驗證算法的可行性，輸入假設的數(shù)據(jù)也是可以的.

在完成其次步之后,接下來就可以設計實時/news/listbylabel/label/DSP"DSP芯片.然后設計DSP芯片的外圍電路及其他電路。軟件設計和編程主要依據(jù)系統(tǒng)要求和所選的HYPERLINK”http：///news/listbylabel/label/DSP”DSP芯片編寫相應的/news/listbylabel/label/DSP"DSP硬件和軟件設計完成后，就需要進行硬件和軟件的調試.軟件的調試一般借助于HYPERLINK”/news/listbylabel/label/DSP"DSP開發(fā)工具，如軟件模擬器、/news/listbylabel/label/DSP”DSP系統(tǒng)的開發(fā),格外是軟件開發(fā)是一個需要反復進行的過程，雖然通過算法模擬基本上可以知道實時系統(tǒng)的性能,但實際上模擬環(huán)境不行能做到與實時系統(tǒng)環(huán)境完全全都，而且將模擬算法移植到實時系統(tǒng)時必須考慮算法是否能夠實時運行的問題。如果算法運算量太大不能在硬件上實時運行，則必須重新修改或簡化算法。

DSP芯片，也稱數(shù)字信號處理器，是一種格外適合于進行數(shù)字信號處理運算的微處理器，其主要應用是實時快速地實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法。依據(jù)數(shù)字信號處理的要求，HYPERLINK”http：///news/listbylabel/label/DSP"DSP芯片一般具有如下主要特點：

(1)在一個指令周期內可完成一次乘法和一次加法；

（2)程序和數(shù)據(jù)空間分開，可以同時訪問指令和數(shù)據(jù)；

(3）片內具有快速

RAM，通?？赏ㄟ^獨立的數(shù)據(jù)總線在兩塊中同時訪問；

(4)具有低開銷或無開銷循環(huán)及跳轉的硬件支持；

（5)快速的中斷處理和硬件I/O支持；

(6)具有在單周期內操作的多個硬件地址產生器；

(7)可以并行執(zhí)行多個操作；

(8）支持流水線操作,使取指、譯碼和執(zhí)行等操作可以重疊執(zhí)行。

當然，與通用微處理器相比，DSP芯片的其他通用功能相對較弱些。

DSP芯片的進展

世界上第一個單片

HYPERLINK”/news/listbylabel/label/DSP"DSP

芯片應當是1978年

AMI公司發(fā)布的

S2811,1979年美國Intel公司發(fā)布的商用可編程器件2920是DSP芯片的一個主要里程碑.這兩種芯片內部都沒有現(xiàn)代HYPERLINK”http：///news/listbylabel/label/DSP"DSP芯片所必須有的單周期乘法器。1980年,日本

NEC

公司推出的μP

D7720是第一個具有乘法器的商用

HYPERLINK”http：///news/listbylabel/label/DSP”DSP

芯片。

在這之后，最成功的HYPERLINK”http：///news/listbylabel/label/DSP"DSP

芯片當數(shù)美國德州儀器公司(Texas

Instruments，簡稱TI）的一系列產品。TI

公司在1982年成功推出其第一代

/news/listbylabel/label/DSP"DSP芯片TMS32020、TMS320C25/C26/C28，第三代http：///news/listbylabel/label/DSP"DSP芯片TMS320C40/C44，第五代

http：///news/listbylabel/label/DSP”DSP芯片于一體的高性能HYPERLINK”http：///news/listbylabel/label/DSP"DSP芯片TMS320C8X以及目前速度最快的第六代HYPERLINK”/news/listbylabel/label/DSP”DSP芯片TMS320C62X/C67X等.TI將常用的HYPERLINK”http：///news/listbylabel/label/DSP"DSP芯片歸納為三大系列，即：TMS320C2000系列（包括TMS320C2X/C2XX）、TMS320C5000系列(包括TMS320C5X/C54X/C55X）、TMS320C6000系列（TMS320C62X/C67X)。如今，TI公司的一系列HYPERLINK”/news/listbylabel/label/DSP"DSP產品已經成為當今世界上最有影響的HYPERLINK”/news/listbylabel/label/DSP"DSP芯片。TI公司也成為世界上最大的

http：///news/listbylabel/label/DSP”DSP市場份額占全世界份額近

50％。

第一個采納CMOS工藝生產浮點DSP芯片。1983

年

日本Fujitsu

公司推出的MB8764，其指令周期為

120ns,且具有雙內部總線，從而使處理吞吐量發(fā)生了一個大的飛躍.而第一個高性能浮點HYPERLINK”http：///news/listbylabel/label/DSP"DSP芯片應是

AT＆T

公司于1984

年推出的HYPERLINK”http：///news/listbylabel/label/DSP”DSP32。

與其他公司相比，Motorola公司在推出

/news/listbylabel/label/DSP”DSP

芯片

MC96002.

美國模擬器件公司（AnalogDevices，簡稱AD）在/news/listbylabel/label/DSP”DSP芯片有ADSP2161/2162/2164以及ADSP2171/2181，浮點HYPERLINK”http：///news/listbylabel/label/DSP”DSP芯片有AHYPERLINK”/news/listbylabel/label/DSP”DSP21000/21020、ADSP21060/21062等。自1980年以來，HYPERLINK”/news/listbylabel/label/DSP"DSP芯片得到了突飛猛進的進展，HYPERLINK”/news/listbylabel/label/DSP”DSP芯片的應用越來越廣泛。從運算速度來看，MAC（一次乘法和一次加法)時間已經從20世紀80年月初的400ns（如TMS32010）降低到10ns以下（如TMS320C54X、TMS320C62X/67X等)，處理能力提高了幾十倍。DSP芯片內部關鍵的乘法器部件從1980年的占模片區(qū)（diearea）的40％左右下降到5%以下，片內RAM數(shù)量增加一個數(shù)量級以上。

從制造工藝來看，1980年采納4μm的

N溝道MOS(NMOS）工藝，而現(xiàn)在則普遍采納亞微米(Micron）CMOS工藝。HYPERLINK”/news/listbylabel/label/DSP"DSP芯片的引腳數(shù)量從1980年的最多64個增加到現(xiàn)在的200個以上，引腳數(shù)量的增加，意味著結構靈敏性的增加，如外部存儲器的擴展和處理器間的通信等。此外，HYPERLINK”/news/listbylabel/label/DSP”DSP芯片的進展使DSP系統(tǒng)的成本、體積、重量和功耗都有很大程度的下降.表1。1

是TI公司DSP芯片供應商的代表芯片的一些數(shù)據(jù)。

HYPERLINK”/news/listbylabel/label/DSP"DSP芯片可以依據(jù)下列三種方式進行分類。

1．按基礎特性分

這是依據(jù)HYPERLINK”/news/listbylabel/label/DSP"DSP芯片的工作時鐘和指令類型來分類的。如果在某時鐘頻率范圍內的任何時鐘頻率上，HYPERLINK”http：///news/listbylabel/label/DSP"DSP芯片都能正常工作，除計算速度有變化外,沒有性能的下降，這類DSP芯片一般稱為靜態(tài)DSP芯片.例如，日本OKI

電氣公司的DSP芯片、TI公司的TMS320C2XX系列芯片屬于這一類。

如果有兩種或兩種以上的HYPERLINK”/news/listbylabel/label/DSP"DSP芯片,它們的指令集和相應的機器代碼機管腳結構相互兼容，則這類DSP芯片稱為全都性http：///news/listbylabel/label/DSP”DSP芯片工作的數(shù)據(jù)格式來分類的.數(shù)據(jù)以定點格式工作的HYPERLINK”/news/listbylabel/label/DSP"DSP芯片稱為定點HYPERLINK”http：///news/listbylabel/label/DSP"DSP芯片，如TI公司的TMS320C1X/C2X、TMS320C2XX/C5X、TMS320C54X/C62XX系列，AD公司的A/news/listbylabel/label/DSP”DSP芯片，如TI公司的TMS320C3X/C4X/C8X，AD公司的AHYPERLINK”http：///news/listbylabel/label/DSP"DSP21XXX系列，AT＆T公司的HYPERLINK”/news/listbylabel/label/DSP”DSP32/32C，Motolora公司的MC96002等。

不同浮點HYPERLINK”http：///news/listbylabel/label/DSP"DSP芯片所采納的浮點格式不完全一樣，有的http：///news/listbylabel/label/DSP"DSP的用途來分，可分為通用型http：///news/listbylabel/label/DSP"DSP芯片。通用型DSP芯片屬于通用型DSP芯片是為特定的DSP運算而設計的，更適合特殊的運算，如數(shù)字濾波、卷積和FFT，如Motorola公司的/news/listbylabel/label/DSP”DSP芯片。

/news/listbylabel/label/DSP”DSP應用系統(tǒng),選擇HYPERLINK”http：///news/listbylabel/label/DSP”DSP芯片是格外重要的一個環(huán)節(jié)。只有選定了HYPERLINK”/news/listbylabel/label/DSP”DSP芯片，才能進一步設計其外圍電路及系統(tǒng)的其他電路?？偟膩碚f，HYPERLINK”http：///news/listbylabel/label/DSP"DSP芯片的選擇應依據(jù)實際的應用系統(tǒng)需要而確定。不同的HYPERLINK”/news/listbylabel/label/DSP”DSP應用系統(tǒng)由于應用場合、應用目的等不盡相同,對DSP芯片的選擇也是不同的。一般來說，選擇HYPERLINK”/news/listbylabel/label/DSP"DSP芯片時應考慮到如下諸多因素。

1．HYPERLINK”http：///news/listbylabel/label/DSP”DSP芯片的運算速度。

運算速度是HYPERLINK”http：///news/listbylabel/label/DSP”DSP芯片的一個最重要的性能指標，也是選擇HYPERLINK”http：///news/listbylabel/label/DSP"DSP芯片時所需要考慮的一個主要因素。DSP芯片的運算速度可以用以下幾種性能指標來衡量：

(1)

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。如TMS320LC549—80在主頻為80MHz時的指令周期為12。5ns；

（2）

MAC時間：即一次乘法加上一次加法的時間。大部分HYPERLINK”http：///news/listbylabel/label/DSP”DSP芯片可在一個指令周期內完成一次乘法和加法操作，如TMS320LC549-80的MAC時間就是12.5ns；

(3)

FFT執(zhí)行時間:即運行一個N點FFT程序所需的時間。由于FFT運算涉及的運算在數(shù)字信號處理中很有代表性，因此FFT運算時間常作為衡量DSP芯片運算能力的一個指標;

(4）

MIPS：即每秒執(zhí)行百萬條指令。如TMS320LC549-80的處理能力為80

MIPS，即每秒可執(zhí)行八千萬條指令;

（5)MOPS:即每秒執(zhí)行百萬次操作。如TMS320C40的運算能力為275

MOPS；

(6)

MFLOPS:即每秒執(zhí)行百萬次浮點操作。如TMS320C31在主頻為40MHz時的處理能力為40

MFLOPS；

(7)BOPS：即每秒執(zhí)行十億次操作。如TMS320C80的處理能力為2

BOPS.

2．DSP芯片的價格。

HYPERLINK”http：///news/listbylabel/label/DSP"DSP芯片的價格也是選擇DSP芯片，即使性能再高,其應用范圍肯定會受到肯定的限制，尤其是民用產品。因此依據(jù)實際系統(tǒng)的應用情況，需確定一個價格適中的http：///news/listbylabel/label/DSP"DSP芯片的價格往往下降較快，因此在開發(fā)階段選用某種價格稍貴的HYPERLINK”/news/listbylabel/label/DSP"DSP芯片，等到系統(tǒng)開發(fā)完畢，其價格可能已經下降一半甚至更多。

3．DSP芯片所供應的硬件資源是不相同的,如片內RAM、ROM的數(shù)量，外部可擴展的程序和數(shù)據(jù)空間，總線接口，I/O接口等。即使是同一系列的HYPERLINK”http：///news/listbylabel/label/DSP"DSP芯片(如TI的TMS320C54X系列），系列中不同HYPERLINK”/news/listbylabel/label/DSP"DSP芯片也具有不同的內部硬件資源，可以適應不同的需要。

4．HYPERLINK”http：///news/listbylabel/label/DSP"DSP芯片的運算精度.

一般的定點DSP芯片的字長為16位,如TMS320系列。但有的公司的定點芯片為24位，如Motorola公司的MC56001等。浮點芯片的字長一般為32位,累加器為40位。

5．DSP系統(tǒng)的開發(fā)過程中,開發(fā)工具是必不行少的。如果沒有開發(fā)工具的支持，要想開發(fā)一個簡潔的DSP系統(tǒng)幾乎是不行能的。如果有功能強大的開發(fā)工具的支持，如C語言支持，則開發(fā)的時間就會大大縮短。所以，在選擇HYPERLINK”http：///news/listbylabel/label/DSP”DSP芯片的同時必須注意其開發(fā)工具的支持情況,包括軟件和硬件的開發(fā)工具.

6．HYPERLINK”/news/listbylabel/label/DSP"DSP芯片的功耗.

在某些DSP應用場合，功耗也是一個需要格外注意的問題。如便攜式的HYPERLINK”/news/listbylabel/label/DSP”DSP設備、手持設備、野外應用的DSP設備等都對功耗有特殊的要求。目前，3。3V供電的低功耗高速DSP芯片已大量使用。

7．其他。

除了上述因素外，選擇/news/listbylabel/label/DSP”DSP系統(tǒng)可能最終要求的是工業(yè)級或軍用級標準，在選擇時就需要注意到所選的芯片是否有工業(yè)級或軍用級的同類產品。如果所設計的HYPERLINK”http：///news/listbylabel/label/DSP”DSP系統(tǒng)不僅僅是一個實驗系統(tǒng)，而是需要批量生產并可能有幾年甚至十幾年的生命周期，那么需要考慮所選的DSP芯片供貨情況如何，是否也有同樣甚至更長的生命周期等。

在上述諸多因素中，一般而言，定點DSP芯片，低功耗和低成本是其主要的特點。而TMS320C3X/C4X/C67X屬于浮點DSP芯片，運算精度高,用C語言編程便利，開發(fā)周期短，但同時其價格和功耗也相對較高。

DSP應用系統(tǒng)的運算量是確定選用處理能力為多大的DSP芯片的基礎。運算量小則可以選用處理能力不是很強的/news/listbylabel/label/DSP"DSP系統(tǒng)則必須選用處理能力強的DSP芯片，如果HYPERLINK”http：///news/listbylabel/label/DSP”DSP芯片的處理能力達不到系統(tǒng)要求，則必須用多個HYPERLINK”http：///news/listbylabel/label/DSP"DSP芯片并行處理.那么如何確定/news/listbylabel/label/DSP"DSP芯片呢?下面我們來考慮兩種情況.

1．按樣點處理

所謂按樣點處理就是DSP算法對每一個輸入樣點循環(huán)一次。數(shù)字濾波就是這種情況。在數(shù)字濾波器中，通常需要對每一個輸入樣點計算一次。例如，一個采納LMS算法的256

抽頭的自適應FIR濾波器，假定每個抽頭的計算需要3個MAC周期，則256抽頭計算需要256×3＝768個MAC周期。如果采樣頻率為8kHz，即樣點之間的間隔為125ms，HYPERLINK”http：///news/listbylabel/label/DSP"DSP芯片的MAC周期為200ns,則768個MAC周期需要153.6ms的時間，顯然無法實時處理，需要選用速度更高的HYPERLINK”/news/list