《数字信号处理》绪论.ppt

课程绪论,一.数字信号处理的基本概念1.信号2.信号分类3.模拟信号4.数字信号5.二者关系6.数字信号处理,DSP(Digital Signal Processing)是近几十年发展起来的一门新兴学科。DSP是利用计算机或专用设备，以数值计算的方法对信号进行采集、变换、综合、估值、识别等加工处理，借以达到提取信息和便于应用的目的的一门学科。1、信号 信号是传输信息的函数，是信息的物理表现形式；而信息是信号的具体内容，通俗地讲，信息就是有用的消息。信息是一个十分抽象而又复杂的概念，它包含在消息之中，是通信系统中传送的对象，是客观世界的第三要素；其特点是无形的，可共享的，无限的，可度量的。消息不等于信息，同一消息可含有不同的信息量。2、信号的分类 依载体：电信号、磁信号、声信号、光信号、热信号、机械信号。依变量个数：一维、二维、多维（矢量）信号。,依周期性：周期信号x(t)=x(t+kT);非周期信号。依是否为确定函数：确定信号；随机信号。依能量或功率是否有限：能量信号；功率信号。无论是用模拟方法还是用数字方法，都是将所研究的信号先变成电信号，即所谓模拟信号。因此，可把信号分为模拟信号和数字信号两类。3.模拟信号 用电压或电流去模拟其他物理量，如声音、温度、压力、图象等所得到的信号。4.数字信号 在时间上和幅度上都是离散的信号。它可由模拟信号经离散和量化得到，亦可客观存在。本质上，它只是一系列的“数”。5.两者关系 模拟经A/D变换得数字；数字经D/A变换得模拟。6.数字信号处理 通俗地讲，处理就是加工，因数字信号常表示成序列，加工实际上就是相加、相乘和位移。,二.数字信号处理的学科概貌（研究内容）1.信号的采集 实现信号的数字化，包括取样、量化。2.信号的分析 信号描述与运算，各种变换，时、频域分析。3.系统分析 线性系统与非，时变系统与非，线性时（移）不 变系统，因果系统与非，线性时（移）不变因果系 统。4.快速算法 FFT,WFT,快速卷积、相关算法。5.数字滤波技术(1)IIR数字滤波器的分析与设计；(2)FIR数字滤波器的分析与设计。,6.信号的频谱分析与估值 确定信号：谱分析；随机信号：相关计算、谱估计。7.特殊算法 反卷积，信号重构。8.数字信号处理的实现(1)在通用微机上，用软件实现;(2)用单片机实现;(3)专用数字信号处理芯片DSP。,三.数字信号处理系统的基本组成1.框图,前置预滤波器,A/D变换器,数字信号处理器,D/A变换器,模拟滤波器,y(n),y(t),2.各单元的作用 前置预滤波器：滤除高于某一频率的信号，防混迭。A/D变换器：完成抽样和量化，实现数字化。如下图所示：,数字信号处理器：,y(n),0,1,2,3,4,n,D/A变换器：模拟滤波器：,四.数字信号处理的特点精度高 模拟系统：由元器件确定（10-3）；数字系统：由字长确定。2.灵活性高 数字系统的性能主要由乘法器的系数决定。3.可靠性高 只有“0”和“1”两个电平，受温度噪声影响小。4.容易集成 规范性高，电路参数要求不高。,5.时分复用,6.可获得高性能指标 如频谱分析：模拟方法10Hz;数字方法10-3Hz.7.便于二维与多维处理 用存储一祯或数祯图象信号，实现二、多维 处理。8.速度不够高，工作频率也不够高 几十MHz以下。,五.本课程的特点 1.数学工具多 微积分，概率统计，随机过程，高等代数，数值分析，积分变换，复变函数等。2.要求基础强 网络理论、信号与系统是本课程的理论基础。3.与其它学科密切相连 与最优控制、通信理论、故障诊断、计算机、微电子技术不可分，又是人工智能、模式识别、神经网络等新兴学科的理论基础之一。,六.讲授内容与参考书 经典的：1.A.V.Oppenheim，“Digital Signal Processing”,1975.中译本有多种2.W.D.Stanley,“Digital Signal Processing”,1975.中译本常迥译1979.3.黄顺吉等，数字信号处理及其应用,国防 工业出版社，19824.邹理和，吴北熊等，,数字信号处理,上、下册,国防工业出版社,1985.5.何振亚，数字信号处理的理论与应用，上、下册，人民邮电出版社，1985.,研究生用：6.胡广书，数字信号处理-理论 算法与实现 清华大学出版社，1997.7.张贸达，现代信号处理，清华大学 1996.8.王宏禹，随机数字信号处理，国防工业出版社，1994.9.程乾生，信号数字处理的数学原理，石油工业出版社（第2版），1993.,较新的：10.吴镇扬，数字信号的原理与实现，东 南大 学，1997.11.赵尔沅等，数字信号处理实用教程，人民邮 电，1999.12.姚天任等，现代数字信号处理，华中理工，1999.13.丁玉美等，数字信号处理，西安电子科大，（第2版），2001.14.A.V.奥本海姆，R.W.谢弗著，黄建国等译，离散时间信号处理，科学出版社，2000.,英文原版：S.J.Orfanidis,Introduction to signal processing,Copyright 1996 by Prentice Hell Comp.S.K.Mitra,Digital signal processing a computer-based approach,second edition,Copyright 2001 by McGraw-Hill Comp.,2023年5月30日,DSP原理及应用,19,第1章 DSP绪论,内容提要 进入21世纪之后，数字化浪潮正在席卷全球，数字信号处理器DSP（Digital Signal Processor）正是这场数字化革命的核心，无论在其应用的广度还是深度方面，都在以前所未有的速度向前发展。本章主要对数字信号处理进行简要介绍。首先对数字信号处理进行了概述，介绍了DSP的基本知识；接着介绍了可编程DSP芯片，对DSP芯片的发展、特点、分类、应用和发展趋势作了论述；然后介绍DSP系统，对DSP系统的构成、特点、设计过程以及芯片的选择进行了详细的介绍；最后对DSP产品作了简要介绍。,2023年5月30日,DSP原理及应用,20,第1章 DSP绪论,知识要点,数字信号处理,DSP芯片的特点,DSP系统,DSP系统的设计过程,2023年5月30日,DSP原理及应用,21,第1章 DSP绪论,1.1 数字信号处理概述 1.2 可编程DSP芯片 1.3 DSP系统 1.4 DSP产品简介,2023年5月30日,DSP原理及应用,22,第1章 DSP绪论,1.1 数字信号处理概述,数字信号处理（简称DSP）是一门涉及多门学科并广泛应用于很多科学和工程领域的新兴学科。,数字信号处理是利用计算机或专用处理设备，以数字的形式对信号进行分析、采集、合成、变换、滤波、估算、压缩、识别等加工处理，以便提取有用的信息并进行有效的传输与应用。,数字信号处理是以众多学科为理论基础,它所涉及的范围极其广泛。如数学领域中的微积分、概率统计、随机过程、数字分析等都是数字信号处理的基础工具。它与网络理论、信号与系统、控制理论、通信理论、故障诊断等密切相关。,2023年5月30日,DSP原理及应用,23,第1章 DSP绪论,DSP可以代表数字信号处理技术（Digital SignalProcessing）,也可以代表数字信号处理器（DigitalSignalProcessor）。前者是理论和计算方法上的技术,后者是指实现这些技术的通用或专用可编程微处理器芯片。,数字信号处理包括两个方面的内容:1算法的研究 2数字信号处理的实现,2023年5月30日,DSP原理及应用,24,第1章 DSP绪论,1算法的研究 算法的研究是指如何以最小的运算量和存储器的使用量来完成指定的任务，如20世纪60年代出现的快速傅里叶变换（FFT），使数字信号处理技术发生了革命性的变化。近几年来，数字信号处理的理论和方法得到了迅速的发展，诸如：语音与图像的压缩编码、识别与鉴别，信号的调制与解调、加密和解密，信道的辨识与均衡，智能天线，频谱分析等各种快速算法都成为研究的热点、并取得了长足的进步，为各种实时处理的应用提供了算法基础。,2023年5月30日,DSP原理及应用,25,第1章 DSP绪论,2数字信号处理的实现 数字信号处理的实现是用硬件、软件或软硬结合的方法来实现各种算法。数字信号处理的实现一般有以下几种方法：,在通用计算机（PC机）上用软件（如Fortran、C语言）实现，但速度慢，不适合实时数字信号处理，只用于算法的模拟；,在通用计算机系统中加入专用的加速处理机实现，用以增强运算能力和提高运算速度。不适合于嵌入式应用，专用性强，应用受到限制；,用单片机实现，用于不太复杂的数字信号处理。不适合于以乘法-累加运算为主的密集型DSP算法；,用通用的可编程DSP芯片实现，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，在实时DSP领域中处于主导地位；,用专用的DSP芯片实现，可用在要求信号处理速度极快的特殊场合，如专用于FFT、数字滤波、卷积、相关算法的DSP芯片，相应的信号处理算法由内部硬件电路实现。用户无需编程，但专用性强，应用受到限制；,用基于通用DSP核的ASIC芯片实现。随着专用集成电路ASIC(Application Specific IntegratedCircuit)的广泛使用,可以将DSP的功能集成到ASlC中。一般说来，DSP核是通用DSP器件中的CPU部分，再配上用户所需的存储器(包括Cache、RAM、ROM、flash、EPROM)和外设(包括串口、并口、主机接口、DMA、定时器等)，组成用户的ASIC。,2023年5月30日,DSP原理及应用,26,第1章 DSP绪论,1.2 可编程DSP芯片,数字信号处理器（DSP）是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器，主要用于实时快速实现各种数字信号处理的算法。在20世纪80年代以前，由于受实现方法的限制,数字信号处理的理论还不能得到广泛的应用。直到20世纪80年代初，世界上第一块单片可编程DSP芯片的诞生，才使理论研究成果广泛应用到实际的系统中，并且推动了新的理论和应用领域的发展。可以毫不夸张地讲，DSP芯片的诞生及发展对近20年来通信、计算机、控制等领域的技术发展起到十分重要的作用。,2023年5月30日,DSP原理及应用,27,第1章 DSP绪论,1.2.1 DSP芯片的发展概况,DSP芯片诞生于20世纪70年代末，至今已经得到了突飞猛进的发展，并经历了以下三个阶段。,第一阶段，DSP的雏形阶段（1980年前后）。,1978年AMI公司生产出第一片DSP芯片S2811。1979年美国Intel公司发布了商用可编程DSP器件Intel2920,由于内部没有单周期的硬件乘法器，使芯片的运算速度、数据处理能力和运算精度受到了很大的限制。运算速度大约为单指令周期200250ns，应用领域仅局限于军事或航空航天部门。这个时期的代表性器件主要有：Intel2920（Intel）、PD7720（NEC）、TMS32010（TI）、DSP16（AT&T）、S2811（AMI）、ADSp21（AD）等。,2023年5月30日,DSP原理及应用,28,第1章 DSP绪论,1.2.1 DSP芯片的发展概况,第二阶段，DSP的成熟阶段（1990年前后）。,这个时期的DSP器件在硬件结构上更适合数字信号处理的要求，能进行硬件乘法、硬件FFT变换和单指令滤波处理，其单指令周期为80100ns。如TI公司的TMS320C20，它是该公司的第二代DSP器件,采用了CMOS制造工艺，其存储容量和运算速度成倍提高，为语音处理、图像硬件处理技术的发展奠定了基础。20世纪80年代后期，以TI公司的TMS320C30为代表的第三代DSP芯片问世，伴随着运算速度的进一步提高，其应用范围逐步扩大到通信、计算机领域。这个时期的器件主要有:TI公司的TMS320C20、30、40、50系列，Motorola公司的DSP5600、9600系列，AT&T公司的DSP32等。,2023年5月30日,DSP原理及应用,29,第1章 DSP绪论,1.2.1 DSP芯片的发展概况,第三阶段，DSP的完善阶段（2000年以后）。,这一时期各DSP制造商不仅使信号处理能力更加完善,而且使系统开发更加方便、程序编辑调试更加灵活、功耗进一步降低、成本不断下降。尤其是各种通用外设集成到片上,大大地提高了数字信号处理能力。这一时期的DSP运算速度可达到单指令周期10ns左右，可在Windows环境下直接用C语言编程,使用方便灵活，使DSP芯片不仅在通信、计算机领域得到了广泛的应用，而且逐渐渗透到人们日常消费领域。目前,DSP芯片的发展非常迅速。硬件方面主要是向多处理器的并行处理结构、便于外部数据交换的串行总线传输、大容量片上RAM和ROM、程序加密、增加I/O驱动能力、外围电路内装化、低功耗等方面发展。软件方面主要是综合开发平台的完善，使DSP的应用开发更加灵活方便。,2023年5月30日,DSP原理及应用,30,第1章 DSP绪论,1.2.2 DSP芯片的特点,数字信号处理不同于普通的科学计算与分析，它强调运算的实时性。除了具备普通微处理器所强调的高速运算和控制能力外,针对实时数字信号处理的特点,在处理器的结构、指令系统、指令流程上作了很大的改进,其主要特点如下：1采用哈佛结构 DSP芯片普遍采用数据总线和程序总线分离的哈佛结构或改进的哈佛结构,比传统处理器的冯诺伊曼结构有更快的指令执行速度。,2023年5月30日,DSP原理及应用,31,第1章 DSP绪论,1采用哈佛结构,(1)冯诺伊曼（Von Neuman）结构,该结构采用单存储空间，即程序指令和数据共用一个存储空间，使用单一的地址和数据总线，取指令和取操作数都是通过一条总线分时进行。当进行高速运算时，不但不能同时进行取指令和取操作数，而且还会造成数据传输通道的瓶颈现象，其工作速度较慢。,2023年5月30日,DSP原理及应用,32,第1章 DSP绪论,1采用哈佛结构,(1)冯诺伊曼（Von Neuman）结构,2023年5月30日,DSP原理及应用,33,第1章 DSP绪论,1采用哈佛结构,（2）哈佛（Harvard）结构,该结构采用双存储空间，程序存储器和数据存储器分开，有各自独立的程序总线和数据总线，可独立编址和独立访问，可对程序和数据进行独立传输，使取指令操作、指令执行操作、数据吞吐并行完成，大大地提高了数据处理能力和指令的执行速度，非常适合于实时的数字信号处理。微处理器的哈佛结构如图1.2.2所示。,2023年5月30日,DSP原理及应用,34,第1章 DSP绪论,1采用哈佛结构,（2）哈佛（Harvard）结构,外部管理数据总线,外部管理地址总线,数据总线,数据地址总线,程序数据总线,程序地址总线,外部管理数据总线,外部管理地址总线,数据总线,数据地址总线,程序数据总线,程序地址总线,2023年5月30日,DSP原理及应用,35,第1章 DSP绪论,1采用哈佛结构,（3）改进型的哈佛结构,改进型的哈佛结构是采用双存储空间和数条总线，即一条程序总线和多条数据总线。其特点如下：,允许在程序空间和数据空间之间相互传送数据,使这些数据可以由算术运算指令直接调用,增强芯片的灵活性；,提供了存储指令的高速缓冲器（cache）和相应的指令,当重复执行这些指令时,只需读入一次就可连续使用，不需要再次从程序存储器中读出,从而减少了指令执行作需要的时间。如：TMS320C6200系列的DSP,整个片内程序存储器都可以配制成高速缓冲结构。,2023年5月30日,DSP原理及应用,36,第1章 DSP绪论,1.2.2 DSP芯片的特点,2采用多总线结构,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。如：TMS320C54x系列内部有P、C、D、E等4组总线，每组总线中都有地址总线和数据总线，这样在一个机器周期内可以完成如下操作：,从程序存储器中取一条指令；,从数据存储器中读两个操作数；,向数据存储器写一个操作数。,2023年5月30日,DSP原理及应用,37,第1章 DSP绪论,1.2.2 DSP芯片的特点,3采用流水线技术,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。,利用这种流水线结构，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。如：,2023年5月30日,DSP原理及应用,38,第1章 DSP绪论,1.2.2 DSP芯片的特点,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：TMS320C54x中的FIRS和LMS指令，专门用于完成系数对称的FIR滤波器和LMS算法。,2023年5月30日,DSP原理及应用,39,第1章 DSP绪论,1.2.2 DSP芯片的特点,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。如：TMS320C54x的运算速度为100MIPS，即100百万条/秒。,7硬件配置强,新一代的DSP芯片具有较强的接口功能，除了具有串行口、定时器、主机接口（HPI）、DMA控制器、软件可编程等待状态发生器等片内外设外，还配有中断处理器、PLL、片内存储器、测试接口等单元电路，可以方便地构成一个嵌入式自封闭控制的处理系统。,2023年5月30日,DSP原理及应用,40,第1章 DSP绪论,1.2.2 DSP芯片的特点,8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；,9省电管理和低功耗,DSP功耗一般为0.54W，若采用低功耗技术可使功耗降到0.25W，可用电池供电，适用于便携式数字终端设备。,2023年5月30日,DSP原理及应用,41,第1章 DSP绪论,1.2.3 DSP芯片的分类,为了适应数字信号处理各种各样的实际应用，DSP厂商生产出多种类型和档次的DSP芯片。在众多的DSP芯片中，可以按照下列3种方式进行分类。,1.按基础特性分类 2.按用途分类 3.按数据格式分类,2023年5月30日,DSP原理及应用,42,第1章 DSP绪论,1.2.3 DSP芯片的分类,1按基础特性分类,这种分类是依据DSP芯片的工作时钟和指令类型进行的。可分为静态DSP芯片和一致性DSP芯片。,如果DSP芯片在某时钟频率范围内的任何频率上都能正常工作，除计算速度有变化外，没有性能的下降，这类DSP芯片一般称之为静态DSP芯片。例如，TI公司的TMS320系列芯片、日本OKI电气公司的DSP芯片都属于这一类芯片。,如果有两种或两种以上的DSP芯片，它们的指令集和相应的机器代码及管脚结构相互兼容，则这类DSP芯片被称之为一致性的DSP芯片。例如，TI公司的TMS320C54x。,2023年5月30日,DSP原理及应用,43,第1章 DSP绪论,1.2.3 DSP芯片的分类,2.按用途分类,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。,2023年5月30日,DSP原理及应用,44,第1章 DSP绪论,1.2.3 DSP芯片的分类,3按数据格式分类,根据芯片工作的数据格式，按其精度或动态范围，可将通用DSP划分为定点DSP和浮点DSP两类。,若数据以定点格式工作的定点DSP芯片。若数据以浮点格式工作的浮点DSP芯片。,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。,2023年5月30日,DSP原理及应用,45,第1章 DSP绪论,1.2.4 DSP芯片的应用,随着DSP芯片价格的下降，性能价格比的提高，DSP芯片具有巨大的应用潜力。,主要应用：,1.信号处理 2.通 信 3.语 音 4.图像处理 5.军 事,6.仪器仪表 7.自动控制 8.医疗工程 9.家用电器 10.计 算 机,如：数字滤波、自适应滤波、快速傅氏变换、Hilbert变换、相关运算、频谱分析、卷 积、模式匹配、窗函数、波形产生等；,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、移动通信、纠错编译码、可视电话、路由器等；,如：语音编码、语音合成、语音识别、语音增强、语音邮件、语音存储、文本语音转换等；,如：二维和三维图形处理、图像压缩与传输、图像鉴别、图像增强、图像转换、模式识别、动画、电子地图、机器人视觉等；,如：保密通信 雷达处理 声纳处理 导航 导弹制导 电子对抗 全球定位GPS 搜索与跟踪 情报收集与处理等,如：频谱分析、函数发生、数据采集、锁相环、模态分析、暂态分析、石油/地质勘探、地震预测与处理等；,如：引擎控制 声 控 发动机控制 自动驾驶 机器人控制 磁盘/光盘伺服控制 神经网络控制等,如：助听器 X-射线扫描 心电图/脑电图 超声设备 核磁共振 诊断工具 病人监护等,如：高保真音响 音乐合成 音调控制 玩具与游戏 数字电话/电视 高清晰度电视HDTV 变频空调 机顶盒等,如：震裂处理器 图形加速器 工作站 多媒体计算机等,2023年5月30日,DSP原理及应用,46,第1章 DSP绪论,1.2.5 DSP芯片的发展现状和趋势,1DSP芯片的现状,（1）制造工艺,早期DSP采用4m的NMOS工艺。现在的DSP芯片普遍采用0.25m或0.18m亚微米的CMOS工艺。芯片引脚从原来的40个增加到200个以上，需要设计的外围电路越来越少，成本、体积和功耗不断下降。,（2）存储器容量,早期的DSP芯片，其片内程序存储器和数据存储器只有几百个单元。目前，片内程序和数据存储器可达到几十K字，而片外程序存储器和数据存储器可达到16M48位和4G40位以上。,2023年5月30日,DSP原理及应用,47,第1章 DSP绪论,1.2.5 DSP芯片的发展现状和趋势,1DSP芯片的现状,（3）内部结构,目前，DSP内部均采用多总线、多处理单元和多级流水线结构，加上完善的接口功能，使DSP的系统功能、数据处理能力和与外部设备的通信功能都有了很大的提高。,（4）运算速度,近20年的发展，使DSP的指令周期从400ns缩短到10ns以下，其相应的速度从2.5MIPS提高到2000MIPS以上。如TMS320C6201执行一次1024点复数FFT运算的时间只有66S。,2023年5月30日,DSP原理及应用,48,第1章 DSP绪论,1.2.5 DSP芯片的发展现状和趋势,1DSP芯片的现状,（5）高度集成化,集滤波、A/D、D/A、ROM、RAM和DSP内核于一体的模拟混合式DSP芯片已有较大的发展和应用。,（6）运算精度和动态范围,DSP的字长从8位已增加到32位，累加器的长度也增加到40位，从而提高了运算精度。同时，采用超长字指令字（VLIW）结构和高性能的浮点运算，扩大了数据处理的动态范围。,2023年5月30日,DSP原理及应用,49,第1章 DSP绪论,1.2.5 DSP芯片的发展现状和趋势,1DSP芯片的现状,（7）开发工具,具有较完善的软件和硬件开发工具，如：软件仿真器Simulator、在线仿真器Emulator、C编译器和集成开发环境CCS等，给开发应用带来很大方便。,CCS是TI公司针对本公司的DSP产品开发的集成开发环境。它集成了代码的编辑、编译、链接和调试等诸多功能，而且支持C/C+和汇编的混合编程。开放式的结构允许外扩用户自身的模块。,2023年5月30日,DSP原理及应用,50,第1章 DSP绪论,1.2.5 DSP芯片的发展现状和趋势,2国内DSP的发展现状,进入21世纪以后，中国新兴的数字消费类电子产品进入增长期，市场呈现高增长态势，普及率大幅度提高，从而带动了DSP市场的高速发展。此外，计算机、通信和消费类电子产品的数字化融合也为DSP提供了进一步的发展机会。,随着中国数字消费类产品需求的大幅增长，以及DSP对数字信号高速运算与同步处理能力的提高，DSP的应用领域将逐渐从移动电话领域扩展到新型数字消费类领域。,应用：用于图像压缩与传输等图像信号的处理，语音的编码、合成、识别和高保真等语音信号的处理以及通信信号的调制解调、加密、多路复用、扩频、纠错编码等处理。,2023年5月30日,DSP原理及应用,51,第1章 DSP绪论,1.2.5 DSP芯片的发展现状和趋势,3DSP技术的发展趋势,未来的10年，全球DSP产品将向着高性能、低功耗、加强融合和拓展多种应用的趋势发展，DSP芯片将越来越多地渗透到各种电子产品当中，成为各种电子产品尤其是通信类电子产品的技术核心。,DSP技术将会有以下一些发展趋势：,（1）DSP的内核结构将进一步改善,多通道结构和单指令多重数据（SIMD）、特大指令字组（VLIM）将在新的高性能处理器中占主导地位，如AD公司的 ADSP-2116x。,2023年5月30日,DSP原理及应用,52,第1章 DSP绪论,1.2.5 DSP芯片的发展现状和趋势,3DSP技术的发展趋势,（2）DSP 和微处理器的融合,微处理器MPU：是一种执行智能定向控制任务的通用处理器，它能很好地执行智能控制任务，但是对数字信号的处理功能很差。,DSP处理器：具有高速的数字信号处理能力。,在许多应用中均需要同时具有智能控制和数字信号处理两种功能。将DSP和微处理器结合起来，可简化设计，加速产品的开发，减小PCB体积，降低功耗和整个系统的成本。,2023年5月30日,DSP原理及应用,53,第1章 DSP绪论,1.2.5 DSP芯片的发展现状和趋势,3DSP技术的发展趋势,（3）DSP 和高档CPU的融合,大多数高档MCU，如Pentium 和PowerPC都是SIMD(单指令多数据流（Single Instruction Multiple Data）技术)指令组的超标量结构，速度很快。在DSP中融入高档CPU的分支预示和动态缓冲技术，具有结构规范，利于编程，不用进行指令排队，使DSP性能大幅度提高。,（4）DSP 和SOC的融合,SOC是指把一个系统集成在一块芯片上。这个系统包括DSP 和系统接口软件等。,2023年5月30日,DSP原理及应用,54,第1章 DSP绪论,1.2.5 DSP芯片的发展现状和趋势,3DSP技术的发展趋势,（5）DSP 和FPGA的融合,FPGA是现场可编程门阵列器件。它和DSP集成在一块芯片上，可实现宽带信号处理，大大提高信号处理速度。,（6）实时操作系统RTOS与DSP的结合,随着DSP处理能力的增强，DSP系统越来越复杂，使得软件的规模越来越大，往往需要运行多个任务，各任务间的通信、同步等问题就变得非常突出。随着DSP性能和功能的日益增强，对DSP应用提供RTOS的支持已成为必然的结果。,2023年5月30日,DSP原理及应用,55,第1章 DSP绪论,1.2.5 DSP芯片的发展现状和趋势,3DSP技术的发展趋势,（7）DSP的并行处理结构,为了提高DSP芯片的运算速度，各DSP厂商纷纷在DSP芯片中引入并行处理机制。这样，可以在同一时刻将不同的DSP与不同的任一存储器连通，大大提高数据传输的速率。,（8）功耗越来越低,随着超大规模集成电路技术和先进的电源管理设计技术的发展，DSP芯片内核的电源电压将会越来越低。,2023年5月30日,DSP原理及应用,56,第1章 DSP绪论,1.3 DSP系统,1.3.1 DSP系统的构成,一个典型的DSP系统应包括抗混叠滤波器、数据采集A/D转换器、数字信号处理器DSP、D/A转换器和低通滤波器等组成。,2023年5月30日,DSP原理及应用,57,第1章 DSP绪论,DSP系统的处理过程：,将输入信号x(t)进行抗混叠滤波，滤掉高于 折叠频率的分量，以防止信号频谱的混叠；,经采样和A/D转换器，将滤波后的信号转换 为数字信号x(n)；,数字信号处理器对x(n)进行处理，得数字信 号y(n)；,经D/A转换器，将y(n)转换成模拟信号；,经低通滤波器，滤除高频分量，得到平滑的 模拟信号y(t)。,2023年5月30日,DSP原理及应用,58,第1章 DSP绪论,1.3.2 DSP系统的特点,（1）接口方便（2）编程方便（3）具有高速性（4）稳定性好（5）精度高（6）可重复性好（7）集成方便,2023年5月30日,DSP原理及应用,59,第1章 DSP绪论,1.3.3 DSP系统的设计过程,DSP应用系统的设计过程如图所示。,根据需求写出任务书确定设计目标,算法研究和系统模拟实现定义系统性能指标,选择DSP芯片和外围芯片,硬件设计,硬件调试,软件设计,软件调试,系统集成和测试,设计步骤分几个阶段：,（1）明确设计任务，确定设计目标（2）算法模拟，确定性能指标（3）选择DSP芯片和外围芯片（4）设计实时的DSP应用系统（5）硬件和软件调试（6）系统集成和测试,2023年5月30日,DSP原理及应用,60,第1章 DSP绪论,1.3.4 DSP芯片的选择,在进行DSP系统设计时，选择合适的DSP芯片是非常重要的一个环节。通常依据系统的运算速度、运算精度和存储器的需求等来选择DSP芯片。一般来说，选择DSP芯片时应考虑如下一些因素。,1DSP芯片的运算速度 2DSP芯片的价格 3DSP芯片的运算精度 4DSP芯片的硬件资源,5DSP芯片的开发工具 6DSP芯片的功耗 7其它因素,2023年5月30日,DSP原理及应用,61,第1章 DSP绪论,1.3.4 DSP芯片的选择,2DSP芯片的价格,DSP芯片的价格也是选择DSP芯片所需考虑的一个重要因素。,在系统的设计过程中，应根据实际系统的应用情况来选择一个价格适中的DSP芯片。,3DSP芯片的运算精度,运算精度取决于DSP芯片的字长。定点DSP芯片的字长通常为16位和24位。浮点DSP芯片的字长一般为32位。,2023年5月30日,DSP原理及应用,62,第1章 DSP绪论,4DSP芯片的硬件资源,DSP芯片的硬件资源主要包括：片内RAM、ROM的数量，外部可扩展的程序和数据空间，总线接口，I/O接口等。不同的DSP芯片所提供的硬件资源是不相同的，应根据系统的实际需要，考虑芯片的硬件资源。,5DSP芯片的开发工具,快捷、方便的开发工具和完善的软件支持是开发大型、复杂DSP应用系统的必备条件。在选择DSP芯片的同时必须注意开发工具对芯片的支持，包括软件和硬件的开发工具等。,2023年5月30日,DSP原理及应用,63,第1章 DSP绪论,6DSP芯片的功耗,在某些DSP应用场合，功耗也是一个需要特别注意的问题。如便携式的DSP设备、手持设备、野外应用的DSP设备等都对功耗有特殊的要求。,7其它因素,选择DSP芯片还应考虑封装的形式、质量标准、供货情况、生命周期等。,2023年5月30日,DSP原理及应用,64,第1章 DSP绪论,1.4 DSP产品简介,目前，在生产通用DSP的厂家中，最有影响的公司有：AD公司 AT&T公司（现在的Lucent公司）Motorola公司 TI公司（美国德州仪器公司）NEC公司。,2023年5月30日,DSP原理及应用,65,第1章 DSP绪论,1AD公司,定点DSP：ADSP21xx系列 16bit 40MIPS；浮点DSP：ADSP21020系列 32bit 25MIPS；并行浮点DSP：ADSP2106x系列 32bit 40MIPS；超高性能DSP：ADSP21160系列 32bit 100MIPS。,2AT&T公司,定点DSP：DSP16系列 16bit 40MIPS；浮点DSP：DSP32系列 32bit 12.5MIPS。,2023年5月30日,DSP原理及应用,66,第1章 DSP绪论,3Motorola公司,定点DSP：DSP56000系列 24bit 16MIPS；浮点DSP：DSP96000系列 32bit 27MIPS。,4NEC公司,定点DSP：PD77Cxx系列 16bit；PD770 xx系列 16bit；PD772xx系列 24bit或32bit。,2023年5月30日,DSP原理及应用,67,第1章 DSP绪论,5TI公司,该公司自1982年推出第一款定点DSP芯片以来，相继推出定点、浮点和多处理器三类运算特性不同的DSP芯片，共计已发展了七代产品。其中，定点运算单处理器的DSP有七个系列，浮点运算单处理器的DSP有三个系列，多处理器的DSP有一个系列。主要按照DSP的处理速度、运算精度和并行处理能力分类，每一类产品的结构相同，只是片内存储器和片内外设配置不同。,2023年5月30日,DSP原理及应用,68,第1章 DSP绪论,5TI公司,定点DSP：TMS320C1x系列 16bit 第一代 1982年前后；TMS320C2x系列 16bit 第二代 1987年前后；TMS320C5x系列 16bit 第五代 1993年；TMS320C54x系列 16bit 第七代 1996年；TMS320C24x系列 16bit 第七代 1996年；TMS320C6x系列 32bit 第七代 1997年；TMS320C55x系列 16bit 第七代 2000年。,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。,多处理器DSP：TMS320C8x系列 32bit 第六代 1994年。,C2x、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；C62x、C64x和C67x称为C6000系列，主要用于高性能复杂的通信系统，如移动通信基站。,