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1、DSPDSP技术与应用技术与应用l李李 利利 DSP 中国水利水电出版社中国水利水电出版社l戴明帧戴明帧 TMS320C54x，北京航空航天大学出版社北京航空航天大学出版社l彭启宗彭启宗 TMS320C54x 电子科技大学出版社电子科技大学出版社参考教材：参考教材：学时：学时：3232（含（含8 8学时上机实验）学时上机实验）主讲人：主讲人：陈德宏陈德宏安徽工业大学电气信息学院授课对象授课对象:自自,气气,仪仪,通通,电电0505级级数字信号处理技术的发展数字信号处理技术的发展:第一章第一章 绪绪 论论 信号处理在信号处理在生物医学工程生物医学工程、仪器设备仪器设备、海洋海洋、遥感遥感、声学声
2、学、声纳声纳、雷达雷达、地震学地震学、语音通信语音通信、数据通信数据通信和和核子核子科学科学等不同的领域都充分显示它的重要性等不同的领域都充分显示它的重要性 信号处理主要分为信号处理主要分为时域分析时域分析和和频域分析频域分析两类。两类。时域分析和频域分析之间的关系由时域分析和频域分析之间的关系由傅立叶变换傅立叶变换和和反变换反变换联系起来联系起来 信号处理最基本的手段是信号处理最基本的手段是滤波滤波和和谱分析谱分析 信号处理算法的信号处理算法的模拟实现模拟实现可靠性可靠性、灵活性差灵活性差，对于某些，对于某些复杂的算法复杂的算法实现起来困难实现起来困难 奈奎斯特采样理论奈奎斯特采样理论奠定了
3、数字信号处理的基础奠定了数字信号处理的基础 6060年代和年代和7070年代，数字信号处理技术以年代，数字信号处理技术以理论研究理论研究为主为主 ,美国科学家美国科学家A.V.OppenheimA.V.Oppenheim和和R.W.SchaferR.W.Schafer共同撰写共同撰写的的DIGITAL SIGNAL PROCESSINGDIGITAL SIGNAL PROCESSING是数字信号处理历史是数字信号处理历史上一本里程碑式的经典著作上一本里程碑式的经典著作 在数学领域，在数学领域，微积分微积分、概率统计概率统计、随机过程随机过程、数值数值分析分析等都是数字信号处理的基本工具，它与等
4、都是数字信号处理的基本工具，它与网络理论网络理论、信号与系统信号与系统、控制理论控制理论、通信理论通信理论、故障诊断故障诊断也密切相也密切相关。近年来新兴的一些学科，如：关。近年来新兴的一些学科，如：人工智能人工智能、模式识别、模式识别、神经网络神经网络等，都与数字信号处理密不可分。等，都与数字信号处理密不可分。数字信号处理技术研究的对象从早期的数字信号处理技术研究的对象从早期的确定信号确定信号拓拓展到展到平稳随机信号平稳随机信号、非平稳随机信号非平稳随机信号、时变信号时变信号和和非高非高斯信号斯信号等，几乎覆盖了现实生活的每一个角落。同时等，几乎覆盖了现实生活的每一个角落。同时数数字信号处理
5、也因此成为一门具有完整体系的交叉学科字信号处理也因此成为一门具有完整体系的交叉学科 在在2020世纪世纪8080年代出现了专门为数字信号处理设计的年代出现了专门为数字信号处理设计的电子器件，其中以电子器件，其中以DSPDSP最引人注目。伴随着微电子技术最引人注目。伴随着微电子技术的突飞猛进，的突飞猛进，DSPDSP的更新步伐也越来越快，其应用扩展的更新步伐也越来越快，其应用扩展到到军事、工业、通信军事、工业、通信等诸多领域，成为现代化技术的重等诸多领域，成为现代化技术的重要组成部分。要组成部分。图图1-1典型的数字信号处理系统典型的数字信号处理系统1.1.1 数字信号处理系统的构成数字信号处理
6、系统的构成1.1.2 数字信号处理的实现（1 1）在通用的微机上用软件实现。）在通用的微机上用软件实现。（2 2）利用特殊用途的）利用特殊用途的DSPDSP芯片来实现。芯片来实现。（3 3）利用专门用于信号处理的通用）利用专门用于信号处理的通用DSPDSP芯片来实现。芯片来实现。（4 4）用）用FPGA/CPLDFPGA/CPLD用户可编程器件来实现用户可编程器件来实现。1.1.3 数字信号处理的特点与模拟系统（与模拟系统（ASP）相比，数字系统具有如下特点：相比，数字系统具有如下特点：（1）精度高）精度高（2）可靠性高）可靠性高（3）灵活性大）灵活性大（4）易于大规模集成）易于大规模集成（5
7、）可获得高性能指标）可获得高性能指标 二、二、DSPDSP的发展历史的发展历史 世界上第一个单片世界上第一个单片DSP芯片：芯片：1978年年AMI公司发布的公司发布的S2811 1979年年 Intel公司发布的公司发布的2920 1980年年NEC公司推出的公司推出的PD7720 有乘法器有乘法器 无单周期乘法器无单周期乘法器 最成功的最成功的DSP DSP 芯片当数芯片当数美国德州仪器公司美国德州仪器公司（Texas InstrumentsTexas Instruments，简称简称TITI）19821982年推出了第一款年推出了第一款定点定点DSPDSP芯片芯片TMS32010TMS3
8、2010，随后发展了随后发展了七代七代，如：如：C1XC1X、C2XC2X、C2XXC2XX、C5XC5X、C54XC54X及及C6XC6X定点定点DSPDSP浮点运算处理器浮点运算处理器DSPDSP发展了发展了三代三代，如：，如：C3XC3X、C4XC4X、C67XC67X多处理器多处理器发展了发展了一代一代，如：，如：C8XC8X 美国美国模拟器件公司模拟器件公司（Analog DevicesAnalog Devices，简称简称ADAD）在）在DSPDSP芯片市场上也占有一定的份额芯片市场上也占有一定的份额其定点其定点DSPDSP芯片有芯片有ADSP2101/2103/2105ADSP2
9、101/2103/2105、ASDP2111/2115ASDP2111/2115、ADSP2161/2162/2164ADSP2161/2162/2164以及以及ADSP2171/2181ADSP2171/2181，浮点浮点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公司占据剩公司占据剩余市场，现在世界上余市场，现在世界上DSPDSP有有300300多种，其中定点多种，其中定点200
10、200多种多种 自自19801980年以来，年以来，DSPDSP芯片的芯片的运算速度运算速度 、乘法器部件乘法器部件占模片区（占模片区（die areadie area）、）、片内片内RAMRAM数量数量 、制造工艺制造工艺 、引脚数量引脚数量得到了突飞猛进的发展，得到了突飞猛进的发展，DSPDSP芯片的应用越来芯片的应用越来越广泛越广泛 年份年份19821982年年19921992年年19991999年年制造工艺制造工艺4 4 m NMOSm NMOS0.80.8 m CMOSm CMOS0.30.3 m CMOSm CMOSMIPSMIPS5MIPS5MIPS40MIPS40MIPS100
11、MIPS100MIPSMHzMHz20MHz20MHz80MHz80MHz100MHz100MHz内部内部RAMRAM144144字字1K1K字字32K32K字字内部内部ROMROM1.5K1.5K字字4K4K字字16K16K字字价格价格$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集成晶体管数集成晶体管数50K50K500K500K表表1.1 TI DSP 1.1 TI DSP 芯片发展比较表（典型值）芯片发展比
12、较表（典型值）公司公司DSP芯片芯片推出推出时间时间（年）（年）MAC周期周期（ns）定点位数定点位数浮点位数浮点位数TITMS32010TMS32020TMS320C25TMS320C30TMS320C40TMS320C50TMS320C203TMS320LC549TMS320C62X19821987198919891992199019961996199739020010060403512.510516/3216/3216/3224/323216/3216/3216/3216/3232/4040表表1.2 单片可编程单片可编程DSP芯片芯片 公司公司DSP芯片芯片推出推出时间时间（年）（年）
13、MAC周期周期（ns）定点位数定点位数浮点位数浮点位数NEC PD7720 PD772301980198525015016/3232AMIS2811197830012/16MotorolaMC56001MC96002MC560021986199019917550502432/6424/4832/44AT&TDSP32CDSP16ADSP321019881988199280256016或或2416/362432/4032/40ADADSP2101ADSP21020199019916040163232/40表表1.2 单片可编程单片可编程DSP芯片芯片 Digital Signals Proces
14、sing 数字信号处理（方法、技术）数字信号处理（方法、技术）什么是什么是DSPDSP？它有两种含义：它有两种含义：Digital Signals Processor 数字信号处理器，也称数字信号处理器，也称DSPDSP芯片芯片 三、三、DSP芯片的特点芯片的特点（1）哈佛结构）哈佛结构(2)多总线结构多总线结构（3 3）流水线结构）流水线结构（4）多处理单元）多处理单元（5）特殊）特殊DSP指令指令（7）运算精度高）运算精度高（6）指令周期短）指令周期短(8)硬件配置强硬件配置强 四四.DSP芯片的分类芯片的分类（1）按基础特性分：）按基础特性分：即根据即根据DSP芯片的工作时钟和指令类型芯
15、片的工作时钟和指令类型来分类来分类静态静态DSP芯片芯片 一致性一致性DSP芯片芯片(2)按数据格式分：按数据格式分：根据根据DSP芯片工作的数据格式来分类芯片工作的数据格式来分类 定点定点DSP芯片芯片 浮点浮点DSP芯片芯片 3)按用途分：按用途分：按照按照DSP的用途来分类的用途来分类 通用型通用型DSP芯片芯片 专用型专用型DSP芯片芯片 TI公司及其公司及其DSP芯片简介芯片简介 TMS320C2000,TMS320C5000,TMS320C6000TMS320C2000,TMS320C5000,TMS320C6000系列系列1、TMS320C2000系列：系列：四个子系列：四个子系
16、列：C2XXC2XX子系列：子系列：1616位定点位定点DSPDSP、20MIPS20MIPS C24XC24X子系列：子系列：1616位定点位定点DSPDSP、20MIPS20MIPSLF240XLF240X子系列：子系列：1616位定点位定点DSPDSP、40MIPS40MIPS F28XF28X子子系列：系列：3232位定点位定点DSPDSP、150MIPS150MIPS 价格低，具有较高的性能和适用控制领域的必要价格低，具有较高的性能和适用控制领域的必要功能，广泛应用于工业自动化、电机控制、家用电器功能，广泛应用于工业自动化、电机控制、家用电器和消费电子等领域和消费电子等领域代表器件：
17、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异步串行异步串行口口C20325/35/50-544-11C20425/35/504k544-11C20525/35/50-4.5k-11F20625/35/50-4.5k32K11F20725/35/50-4.5k32K21C20935/504k4.5k-TMS320C24X MIPS RAM/字字 ROM/字字 Flash/字字 I/O引脚引脚 比较比较/PWM通道通道 定时定时
18、器器 同步串同步串行口行口 异步串异步串行口行口 A/D通道数通道数/（转换时间（转换时间/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 2/1 118ch/0.85 LF2407 30/40 2.5K-32K 41 10/16 4/1 1116ch/6.6 LF2406 30/40 2.5K
19、-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 TMS320C28XTMS320C28X是到目前为止用于数字控制领域性能最好是到目前为止用于数字控制领域性能最好的的DSPDSP芯片。这种芯片采用芯片。这种芯片采用3232位的定点位的定点DSPDS
20、P核，最高速度可核，最高速度可达达400MIPS400MIPS，可以在单个周期内完成可以在单个周期内完成32X3232X32位的乘累加运算，位的乘累加运算，具有增强的电机控制外设、高性能的模数转换能力和改进具有增强的电机控制外设、高性能的模数转换能力和改进的通信接口，具有的通信接口，具有8GB8GB的线性地址空间，采用低电压供电的线性地址空间，采用低电压供电（3.3V3.3V外设外设/1.8V/1.8V核），与核），与TMS320C24XTMS320C24X源代码兼容源代码兼容 CPUF2801F2806F2808F2810F2812MIPS100MIPS100MIPS100MIPS150MI
21、PS150MIPSFlash16K 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-11SPI24411SCI12222Package100-pin LQFP100-pin LQFP100-pin LQFP128-pin LQFP176-pin LQFP100-pin BGA100-pin BG
22、A100-pin BGA179-pin BGAPrice$5.00$7.5$10.00$15.98$18.12C5000C5000系列主要应用领域为：手机、数码相机、便携式系列主要应用领域为：手机、数码相机、便携式媒体播放器、电信和媒体播放器、电信和IPIP产品产品。2、TMS320C5000系列：系列：（1）C54X系列：系列：16位定点位定点DSP、100160MIPS（2）C55X子系列：子系列：16位定点位定点DSP、400MIPS（4）C55X+ARM9系列：即系列：即OMAP平台平台 代表器件代表器件：5402，5409，5410，5416,5420。代表器件代表器件：5510，5
23、509，5502（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位定点位定点DSP、12002400MIPS（2）C67X子系列：子系列：32位浮点位浮点DSP、12002400MIPS（3）C64X子系列：子系列：32位定点位定点DSP，40008000MIPS C6000C6000系列系列DSPDSP的应用领域有：的应用领域有：宽带通信、无线宽带通信、无线3G3G基站、基站、医疗成象，无线局域网、区域用户交换机、语音识别、医疗成象，无线局域网、区域用户交换机、语音识别、多媒体网关、
24、专业音频设备、网络照相机、机器视角、多媒体网关、专业音频设备、网络照相机、机器视角、安全认证、工业扫描机、高速打印机、高级加密器安全认证、工业扫描机、高速打印机、高级加密器等。等。5、DSP芯片的选择芯片的选择（A）DSP芯片的运算速度芯片的运算速度(1)指令周期：即执行一条指令所需的时间，通常以指令周期：即执行一条指令所需的时间，通常以ns（纳秒）为单位纳秒）为单位(2)MAC时间：即一次乘法加上一次加法的时间。时间：即一次乘法加上一次加法的时间。(3)FFT执行时间：即运行一个执行时间：即运行一个N点点FFT程序所需的时间程序所需的时间 应用应用领域领域采样率采样率（kHzkHz）采样采样
25、周期周期（s s）256256抽头抽头LMSLMS滤波运算量滤波运算量（MACMAC数）数）每样点允许每样点允许 MACMAC指令数指令数（200ns200ns）每样点允许每样点允许MACMAC指令数指令数（50ns50ns）每样点允许每样点允许MACMAC指令数指令数（25ns25ns）话音话音8 8125125768768625 625 2500250050005000声频声频44.144.122.722.7768768113113453453907907表表1.3 1.3 用用DSPDSP芯片实现数字滤波芯片实现数字滤波（B）DSP芯片的价格芯片的价格（C）DSP芯片的硬件资源芯片的硬件
26、资源（D D）DSPDSP芯片的运算精度芯片的运算精度 （F）DSP芯片的功耗芯片的功耗（E）DSP芯片的开发工具芯片的开发工具(G)(G)封装的形式、质量标准、供货情况、生命周期等封装的形式、质量标准、供货情况、生命周期等因素因素(5)MOPS：即每秒执行百万次操作即每秒执行百万次操作(4)MIPS：即每秒执行百万条指令即每秒执行百万条指令(6)MFLOPS：即每秒执行百万次浮点操作即每秒执行百万次浮点操作(7)BOPS：即每秒执行十亿次操作即每秒执行十亿次操作 七、七、DSPDSP芯片的应用芯片的应用 (1)信号处理信号处理如数字滤波、自适应滤波、快速傅立叶变换、如数字滤波、自适应滤波、快
27、速傅立叶变换、相关运算、谱分析、卷积、模式匹配、加窗、波形产生等相关运算、谱分析、卷积、模式匹配、加窗、波形产生等(2)通信通信如调制解调器、自适应均衡、数据加密、数据压缩、回如调制解调器、自适应均衡、数据加密、数据压缩、回波抵消、多路复用、传真、扩频通信、纠错编码、可视电话等波抵消、多路复用、传真、扩频通信、纠错编码、可视电话等(3)语音语音如语音编码、语音合成、语音识别、语音增强、说话如语音编码、语音合成、语音识别、语音增强、说话人辨认、说话人确认、语音邮件、语音存储等人辨认、说话人确认、语音邮件、语音存储等(4)图形图形/图像图像如二维和三维图形处理、图像压缩与传输、图像如二维和三维图形
28、处理、图像压缩与传输、图像增强、动画、机器人视觉等；增强、动画、机器人视觉等；(5)军事军事如保密通信、雷达处理、声纳处理、导航、导弹制导等如保密通信、雷达处理、声纳处理、导航、导弹制导等(6)仪器仪表仪器仪表如频谱分析、函数发生、锁相环、地震处理等；如频谱分析、函数发生、锁相环、地震处理等；(7)自动控制自动控制如引擎控制、声控、自动驾驶、机器人控制、磁盘控制等如引擎控制、声控、自动驾驶、机器人控制、磁盘控制等(8)医疗医疗如助听、超声设备、诊断工具、病人监护等；如助听、超声设备、诊断工具、病人监护等；(9)家用电器家用电器如高保真音响、音乐合成、音调控制、玩具与游戏、数如高保真音响、音乐合成、音调控制、玩具与游戏、数字电话字电话/电视等电视等