数字信号处理器DSP原理与应用.ppt

数字信号处理器（数字信号处理器（DSPDSP）） 原理与应用原理与应用傅星傅星 xingfu@xingfu@ 17-31317-313 2740694127406941Tianjin University参考书与相关网址参考书与相关网址n n数字信号微处理器的原理与开发，天津大学出版社数字信号微处理器的原理与开发，天津大学出版社 ，，2004 2004 n nDSPDSP芯片的原理与开发应用（第芯片的原理与开发应用（第2 2版），张雄伟，曹版），张雄伟，曹 铁勇编著，电子工业出版社，铁勇编著，电子工业出版社，20002000n nDSPDSP基础与应用系统设计，王念旭编著，北京航空航基础与应用系统设计，王念旭编著，北京航空航 天大学出版社，天大学出版社，20012001n n Tianjin University主要内容主要内容一、一、DSPDSP的一般概念的一般概念 二、二、DSPDSP系统构成及设计方法系统构成及设计方法 三、三、DSP DSP 芯片的基本结构和特征芯片的基本结构和特征 四、定点四、定点DSPDSP及定点运算及定点运算 五、浮点五、浮点DSPDSP及浮点运算及浮点运算 六、六、TMS320TMS320系列系列DSPDSP芯片的工作原理芯片的工作原理 七、七、DSPDSP系统软硬件设计系统软硬件设计 八、八、DSPDSP应用实例应用实例Tianjin University一、一、DSPDSP的一般概念的一般概念n数字信号处理（Digital Signal Processing）以数字形式对信号进行采集、变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理n数字信号处理器（Digital Signal Processor） DSP芯片是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器，其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法 1 1、一般概念、一般概念Tianjin University 数字信号处理的实现方法数字信号处理的实现方法 n在通用的计算机（如PC机）上用软件（如Fortran 、C语言）实现 ；速度慢n在通用计算机系统中加上专用的加速处理机实现； 应用受限制n用通用的单片机（如MCS-51、96系列等）实现 ； 仅限于简单算法n用通用的可编程DSP芯片实现 ；广泛应用n用专用的DSP芯片实现 ；应用受限制Tianjin University 数字信号处理的实现方法数字信号处理的实现方法 复杂算法复杂算法复杂算法复杂算法简单算法简单算法复杂算法复杂算法复杂算法复杂算法适应性适应性好好嵌入式嵌入式较快较快专用指令专用指令通用通用DSPDSP中等中等嵌入式嵌入式快快硬件＋硬件＋ 专用指令专用指令专用专用DSPDSP较好较好嵌入式嵌入式慢慢汇编语言汇编语言 编程编程单片机单片机中等中等非嵌入式非嵌入式快快硬件＋硬件＋ 专用指令专用指令PCPC机＋高机＋高 速处理速处理较好较好非嵌入式非嵌入式中等中等高级语言高级语言 编程编程PCPC机机性价比性价比应用场合应用场合速度速度实现方法实现方法Tianjin University DSPDSP芯片的主要应用领域芯片的主要应用领域（（1 1）信号处理）信号处理（（2 2）图像处理）图像处理（（3 3）仪器）仪器（（4 4）声音）声音/ /语言语言（（5 5）控制）控制（（6 6）军事应用）军事应用（（7 7）电信）电信（（8 8）无线电）无线电Tianjin University DSPDSP芯片的主要应用领域芯片的主要应用领域（（1 1）信号处理）信号处理（（2 2）图像处理）图像处理（（3 3）仪器）仪器（（4 4）声音）声音/ /语言语言（（5 5）控制）控制（（6 6）军事应用）军事应用（（7 7）电信）电信（（8 8）无线电）无线电•数字滤波•卷积•相关•希尔伯特变换•FFT•自适应滤波•加窗•波形产生Tianjin University DSPDSP芯片的主要应用领域芯片的主要应用领域（（1 1）信号处理）信号处理（（2 2）图像处理）图像处理（（3 3）仪器）仪器（（4 4）声音）声音/ /语言语言（（5 5）控制）控制（（6 6）军事应用）军事应用（（7 7）电信）电信（（8 8）无线电）无线电•三维旋转•机器人视觉•图像传输/压缩•同态处理•模式识别•工作站•动画/数字地图Tianjin University DSPDSP芯片的主要应用领域芯片的主要应用领域（（1 1）信号处理）信号处理（（2 2）图像处理）图像处理（（3 3）仪器）仪器（（4 4）声音）声音/ /语言语言（（5 5）控制）控制（（6 6）军事应用）军事应用（（7 7）电信）电信（（8 8）无线电）无线电•频谱分析•函数发生器•模式匹配•地震信号处理•数字滤波•锁相环Tianjin University DSPDSP芯片的主要应用领域芯片的主要应用领域（（1 1）信号处理）信号处理（（2 2）图像处理）图像处理（（3 3）仪器）仪器（（4 4）声音）声音/ /语言语言（（5 5）控制）控制（（6 6）军事应用）军事应用（（7 7）电信）电信（（8 8）无线电）无线电•声码器•语音识别•语音增强•语音合成Tianjin University DSPDSP芯片的主要应用领域芯片的主要应用领域（（1 1）信号处理）信号处理（（2 2）图像处理）图像处理（（3 3）仪器）仪器（（4 4）声音）声音/ /语言语言（（5 5）控制）控制（（6 6）军事应用）军事应用（（7 7）电信）电信（（8 8）无线电）无线电•磁盘控制•数值控制•声控•伺服控制•机器人控制•激光打印机控制•发动机控制•自适应驾驶Tianjin University DSPDSP芯片的主要应用领域芯片的主要应用领域（（1 1）信号处理）信号处理（（2 2）图像处理）图像处理（（3 3）仪器）仪器（（4 4）声音）声音/ /语言语言（（5 5）控制）控制（（6 6）军事应用）军事应用（（7 7）电信）电信（（8 8）无线电）无线电•雷达处理•声纳处理•图像处理•导航•导弹制导•高频调制解调器•保密通讯Tianjin University DSPDSP芯片的主要应用领域芯片的主要应用领域（（1 1）信号处理）信号处理（（2 2）图像处理）图像处理（（3 3）仪器）仪器（（4 4）声音）声音/ /语言语言（（5 5）控制）控制（（6 6）军事应用）军事应用（（7 7）电信）电信（（8 8）无线电）无线电•回声对消•ADPCM代码转换器•数字交换机•线路转发器解调器•通道多路复用•1200至19200bps调制•自适应均衡••扩频通讯Tianjin University DSPDSP芯片的主要应用领域芯片的主要应用领域（（1 1）信号处理）信号处理（（2 2）图像处理）图像处理（（3 3）仪器）仪器（（4 4）声音）声音/ /语言语言（（5 5）控制）控制（（6 6）军事应用）军事应用（（7 7）电信）电信（（8 8）无线电）无线电•全球定位•导航•数字无线电/TVTianjin University血压计血压计Tianjin UniversityDSPDSP系统基本构成系统基本构成抗混叠抗混叠 滤波滤波A/DA/DD/AD/ADSPDSP平滑平滑 滤波滤波输入输入输出输出存储器存储器Tianjin University视频会议系统视频会议系统Tianjin University数字式家庭影院数字式家庭影院Tianjin University电机控制器电机控制器Tianjin UniversityPOSPOS机机Tianjin University雷达雷达Tianjin University医学图像监视系统医学图像监视系统Tianjin University数码相机数码相机Tianjin UniversityMPEG-4MPEG-4压缩压缩Tianjin University系统设计的一般方法系统设计的一般方法需求 分析系统结 构选择系统总 体构成软硬件 设计系统 调试试运 行交付 使用Tianjin University 2 2、、DSPDSP芯片主要特点芯片主要特点 n在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法 n程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据 n片内具有快速 RAM，通常可通过独立的数据总线在两块 中同时访问 n具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持 n快速的中断处理和硬件I/O支持 n具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器 n可以并行执行多个操作 n支持流水线操作，使取指、译码和执行操作可以重叠执 行 Tianjin UniversityDSPDSP的优缺点的优缺点n优点：大规模集成性、 稳定性好精度高可编程性高速性能可嵌入性接口和集成方便n缺点：成本较高高频时钟的高频干扰功率消耗较大等DSP技术更新速度快，开发和调试工具不尽完善 Tianjin University3 3、、DSPDSP芯片的发展历史芯片的发展历史 n n世界上第一个单片世界上第一个单片 DSP DSP 芯片应当是芯片应当是19781978年年 AMIAMI 公司发布的公司发布的 S2811 S2811 n n1980 1980 年，日本年，日本 NEC NEC 公司推出的公司推出的μPD7720μPD7720是第是第 一个具有乘法器的商用一个具有乘法器的商用 DSP DSP 芯片芯片 n n美国德州仪器（美国德州仪器（Texas InstrumentsTexas Instruments）公司为世）公司为世 界上最大的界上最大的 DSP DSP 芯片供应商，其芯片供应商，其DSPDSP市场份额市场份额 占全世界份额近占全世界份额近 5050％，％，n nADAD公司的公司的ADSP2101ADSP2101，，ADSP2111, ADSP2171, ADSP2111, ADSP2171, ADSP21000ADSP21000等系列；等系列；MotoloraMotolora公司的公司的MC56001MC56001，， MC96002MC96002等等Tianjin UniversityDSPDSP芯片的发展（续）芯片的发展（续）n完成乘加操作的时间下降到10ns以下n乘法部件占模片区从40％下降到5％n引脚数从64增加到200以上n重量和体积大大下降n采用低电压，功耗大大下降Tianjin UniversityTI DSP TI DSP 芯片发展比较表芯片发展比较表 500K50K集成 晶体管数0.45mW/MIPS12.5mW/MIPS250mW/MIPS功耗$5.00~$25.00$ 15.00$150.00价格16K字4K字1.5K字内部ROM32K字1K字144字内部RAM100MHz80MHz20MHzMHz100MIPS40MIPS5MIPSMIPS0.3μm CMOS0.8μm CMOS4μm NMOS制造工艺艺1999年1992年1982年年份Tianjin UniversityTMS320TMS320系列主要芯片发展系列主要芯片发展Tianjin University4、DSP分类通用专用定点（Fixed）浮点（Floating）按基础特性：按基础特性：按数据格式：按数据格式：按用途：按用途：静态一致性（兼容性）Tianjin Universityn运算速度nDSP芯片的价格 nDSP芯片的硬件资源nDSP芯片的运算精度 nDSP芯片的开发工具 nDSP芯片的功耗 n其它：5 5、、DSPDSP的性能指标的性能指标 Tianjin Universityn nDSPDSP芯片的运算速度芯片的运算速度 n n指令周期：即执行一条指令所需的时间指令周期：即执行一条指令所需的时间 n nMACMAC时间：即一次乘法加上一次加法的时间时间：即一次。