【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 北京科技大學(xué)遠(yuǎn)程與成人教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 2 DSP技術(shù) DSP 芯片發(fā)展 數(shù)字信號(hào)處理 (Digital Signal Processing)是利用專用處理器或計(jì)算機(jī)，以數(shù)字的形式 對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣、變換、濾波、增強(qiáng)、壓縮、識(shí)別、分析、合成、變換 處理，提取有用的信息，得到符合人們要求的信號(hào)形式，進(jìn)行有效的傳輸與應(yīng)用。數(shù)字信號(hào)處理器 (Digital Signal Processor，簡(jiǎn)稱 DSP)是一種處理數(shù)字信號(hào)的專用微處理器，主要應(yīng)用于實(shí)時(shí)快速地實(shí)現(xiàn)各種信號(hào)的數(shù)字處理算法。它在結(jié)構(gòu)上針對(duì)數(shù)字信號(hào)處理的特點(diǎn)進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化，并增加了特殊指令專門用于數(shù)字處理，因而處理速度更快，效率更高 。 自 20世紀(jì) 70 年代末 80年代初 DSP 芯片誕生以來， DSP 芯片得到飛速發(fā)展。最初僅在信號(hào)處理領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用，近年來隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，其高速運(yùn)算能力使很多復(fù)雜的控制算法和功能得以實(shí)現(xiàn)，同時(shí)將實(shí)時(shí)處理能力和控制器的外設(shè)功能集于一身，在控制領(lǐng)域內(nèi)也得到很好的應(yīng)用。目前 DSP 芯片的價(jià)格 越來越低，性能價(jià)格比日益提高，具有巨大的應(yīng)用潛力。經(jīng)過十幾年的發(fā)展， DSP 器件在高速度、可編程、小型化、低功耗等方面都有了長(zhǎng)足的發(fā)展，單片 DSP 芯片最快每秒可完成 16 億次 (1600MIPS，每秒 1600 兆次指令 )的運(yùn)算，目前，市場(chǎng)占有率最大的是 TI 公司的 TMS320 系列 DSP芯片。 DSP 芯片基本結(jié)構(gòu) TMS320 系列 DSP 芯片的基本結(jié)構(gòu)主要包括 :哈佛結(jié)構(gòu)、多總線結(jié)構(gòu)、流水線操作、專用的硬件乘法器、特殊的 DSP 指令、快速的指令周期 。 （ 1） 哈佛結(jié)構(gòu) 哈佛結(jié)構(gòu)主要特點(diǎn)是程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器相互獨(dú)立， 每個(gè)存儲(chǔ)器獨(dú)立編址、獨(dú)立訪問，取指令和取操作數(shù)可同時(shí)進(jìn)行，程序空間和數(shù)據(jù)空間之間可相互傳送數(shù)據(jù) 。系統(tǒng)中設(shè)置了程序總線和數(shù)據(jù)總線兩條總線，使數(shù)據(jù)的吞吐率提高一倍。由于程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器在分開的兩個(gè)空間里，取指令和執(zhí)行能完全重疊運(yùn)行，提高了指令執(zhí)行速度。 （ 2） 多總線結(jié)構(gòu) DSP 芯片都采用多總線結(jié)構(gòu)，可同時(shí)進(jìn)行取指令和多個(gè)數(shù)據(jù)存取操作，并由輔助寄存器自動(dòng)增減地址進(jìn)行尋址，使 CPU 在一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)可多次對(duì)程序空間和數(shù)據(jù)空間進(jìn)行訪問，大大提高了 DSP 運(yùn)行速度。 TMS320C55X 系列內(nèi)部有 P, C, D, E 等 4 組總 線，每組 總線中有地址總線和數(shù)據(jù)總線，這樣在一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)可以完成如下操作 : 1)從程序存儲(chǔ)器中取一條指令 2)從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀兩個(gè)操作數(shù) 3)向數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫一個(gè)操作數(shù) （ 3） 流水線操作 (Pipeline) 流水線操作原理 :將指令分成幾個(gè)子操作，每個(gè)子操作由不同的操作階段完成。TMS320 系列流水線深度從 2到 6級(jí)不等， TMS320C5510 有 6級(jí)的流水線， TMS320C6000系列有 8 級(jí)流水線。流水線結(jié)構(gòu)使得取指令、譯碼、取操作數(shù)、執(zhí)行幾個(gè)操作可以獨(dú)立進(jìn)行，不同指令的不同階段在時(shí)間上的執(zhí)行能完全重疊。 （ 4） 專用的硬件乘法器 DSP 芯片都配有專用的硬件乘法一累加器，即用專門的硬件來實(shí)現(xiàn)單周期乘法，并用累加器寄存器來處理多個(gè)乘積的累加，可在一個(gè)周期內(nèi)完成一次數(shù)據(jù)乘加操作，如北京科技大學(xué)遠(yuǎn)程與成人教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 矩陣運(yùn)算、 FIR和 IIR 濾波、 FFT 變換等專用信號(hào)處理。 （ 5） 特殊的 DSP 指令 為滿足數(shù)字信號(hào)處理的需要，在 DSP 的指令系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)了一些完成特殊功能的指令用來完成專門的數(shù)字信號(hào)處理操作。如 TMS320C55X 中的 FIRS 和 LMS 指令，專門用于系數(shù)對(duì)稱的 FIR 濾波器和 LMS算法。 為實(shí)現(xiàn) FFT、卷積等運(yùn)算，當(dāng)前的 DSP 大多在指令系統(tǒng)中設(shè)置了循環(huán)尋址 (Circular addressing)、位碼倒置 (bitreversed)指令和其他特殊指令，使得在進(jìn)行這些運(yùn)算時(shí)，尋址、排序及計(jì)算速度有了很大的提高。 （ 6） 快速的指令周期 采用哈佛結(jié)構(gòu)、流水線操作、專用的硬件乘法器、特殊指令及集成電路優(yōu)化設(shè)計(jì)，使指令周期可在 20ns 以下。 TMS320C55X 的運(yùn)算速度可達(dá) 1OOMIPS，即 100 百萬條 /秒。 DSP 系統(tǒng)構(gòu)成 下圖所示即是一個(gè)典型的 DSP 系統(tǒng)。圖中輸入信號(hào)可以是各種形式，如麥克風(fēng)輸出的語音信號(hào)或電話線出來的己調(diào)數(shù)據(jù)信號(hào)或數(shù)碼相機(jī)拍攝的圖像信號(hào)等。 圖 DSP 系統(tǒng)框圖 其中，輸入信號(hào)應(yīng)先經(jīng)帶限濾波和抽樣處理，再進(jìn)行 A/D 變換，將輸入信號(hào)變換成數(shù)字比特流。根據(jù)奈奎斯特抽樣定理，為保證信息的不丟失，抽樣頻率應(yīng)該不小于輸入信號(hào)最高頻率的 2 倍，一般取 4 到 6 倍。在本設(shè)計(jì)中，所使用的抽樣頻率為 5 倍的截止頻率。 DSP 芯片的輸入是經(jīng) A/D變換后得到的以抽樣形式表示的數(shù)字信號(hào)， DSP 芯片對(duì)輸入的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行某種形式的處理，如進(jìn)行一系列的乘法累加操作 (MAC)等。數(shù)字處理是該 DSP 系統(tǒng)的關(guān)鍵，這與其他系統(tǒng)有很大的不同。最后，經(jīng)過處理后的數(shù)字樣值再經(jīng) D/A 變換轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)樣值，之后再進(jìn)行內(nèi)插和平滑濾波處理就可得到連續(xù)的模擬信號(hào)。 上面給出的 DSP 系統(tǒng)只是一個(gè)典型模型，并不是所有的 DSP 系統(tǒng)都必須具有模型中的所有部件，應(yīng)根據(jù)具體要求來變化。 本設(shè)計(jì)中用到的北京精儀達(dá)盛有限公司的 DSP 實(shí)驗(yàn)箱的實(shí)驗(yàn)板上有 A/D , D/A 轉(zhuǎn)換芯片，相當(dāng)于模型系統(tǒng)中的中間三個(gè)部件。在不是自行設(shè)計(jì) DSP 系統(tǒng)的情況下，可以先不考慮硬件方面的設(shè)計(jì)。另外，有些輸入信號(hào)本身就是數(shù)字信號(hào)，如 CD(Compact Disk)，就可以沒有模數(shù)變換這個(gè)過程。 DSP 系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程 在設(shè)計(jì) DSP 系統(tǒng)之前，應(yīng)根據(jù)應(yīng)用要求確定系統(tǒng)的性能指標(biāo)、信號(hào)處理的要求，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行任務(wù)劃分 。然后用 C 等高級(jí)語言或者 MATLAB ,SystemView 等開發(fā)工具模擬所選定的對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理的算法，此處的輸入數(shù)據(jù)是實(shí)際信號(hào)經(jīng)采集而獲得的，常以計(jì)算機(jī)文件的形式存儲(chǔ)為數(shù)據(jù)文 件。有些算法模擬時(shí)所用的輸入數(shù)據(jù)并不一定為抗混疊濾波器 A/D轉(zhuǎn)換 DSP芯片 D/A轉(zhuǎn)換 低通濾波器 輸入 輸出 北京科技大學(xué)遠(yuǎn)程與成人教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 實(shí)際采集的信號(hào)數(shù)據(jù)，只要能夠驗(yàn)證算法的可行性，輸入模擬假設(shè)的數(shù)據(jù)也可以。 然后根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)算量大小、對(duì)精度要求、系統(tǒng)成本及體積、功耗等要求選擇合適的 DSP 芯片及其他組件 。再接著進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)和調(diào)試，即根據(jù)選定的原件建立原理圖、制作 PCB 板、器件安裝及加電調(diào)試 。同時(shí)，用 DSP 匯編語言或者高級(jí) C語言或二者相嵌套法生成可執(zhí)行程序，用 DSP仿真器或者軟件模擬器調(diào)試程序。 最后，將軟件加載到硬件系統(tǒng)中運(yùn)行，用 DSP 仿真器等來測(cè)試檢查所開發(fā)系統(tǒng)的運(yùn)行能否符合實(shí)時(shí)要求 ，或?qū)④浖撾x開發(fā)系統(tǒng)直接在應(yīng)用系統(tǒng)上運(yùn)行。 TMS320C55X概述 TMS320C55x 是 TI 公司在 TMS320VC54x 的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的并能與 TMS320VC54x兼容的一個(gè)系列。 TMS320CSSx 通過增加功能單元，增強(qiáng)了 DSP 的運(yùn)算能力，而且性能更好，功耗更低，是目前 TMS320 家族中最省電的芯片。這些特性使其更適合在數(shù)據(jù)速率高，運(yùn)算量大又要求低功耗的 3G 無線通信中應(yīng)用。 CPU 結(jié)構(gòu) C55X 的 CPU 是并行結(jié)構(gòu)，具有強(qiáng)大的運(yùn)算功能，可在一個(gè)指令周期中高速完成多項(xiàng)算術(shù)運(yùn)算。主要由以下幾部分構(gòu)成 : (1) 40bit 算術(shù)邏輯運(yùn)算單元 ALU:它是 C55X 的大腦，對(duì)各種數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)各種功能。還有處理溢出的功能，也可以進(jìn)行布爾運(yùn)算或者把這個(gè) 40 位的 ALU 看作為兩個(gè) 16 位的 ALU，同時(shí)執(zhí)行兩個(gè) 16 位的操作。 (2) 2 個(gè) 40bit 累加器 A, B:累加器 A和 B 存儲(chǔ)來自 ALU 或乘法器 /加法器單元的輸出數(shù)據(jù)，也能輸出到 ALU 或者乘法器 /累加器中。每個(gè)累加器可以分為低字位 (bit 1 sbit0)、高位字 (bit31bit 16)和保護(hù)位 (bit39bit32)。 (3)桶形移位寄存器 :它在 ALU 運(yùn)算以前，對(duì)來自數(shù)據(jù)存貯器的操作數(shù)或者累加器進(jìn)行定標(biāo)，或?qū)奂悠鞯闹颠M(jìn)行算術(shù)邏輯移位和歸一化處理，或?qū)υ诶奂悠鞯闹祵⒁尜A到存貯器之前進(jìn)行定標(biāo)?？蓪?duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行 Obit31 bit 的左移和 Obit16bit 的右移。 (4)乘法器 /加法器單元 :由 17bitx 17bit 的乘法器、 40bit 的加法器、帶符號(hào) /無符號(hào)輸入控制、小數(shù)控制、零檢測(cè)器、舍入器 (二進(jìn)制補(bǔ)碼 )、溢出 /飽和邏輯和 16bit的暫存器組成。 (5)比較、選擇和存貯單元 CSSU:完成累加器的高位字和低位字間的最大值比較，并存貯在數(shù)據(jù)存貯器中，不改變狀態(tài)寄存器 STO中的測(cè)試 /控制位和傳送寄存器 TRN 的值。還可利用優(yōu)化的片內(nèi)硬件促進(jìn) Viterbi 型蝶形運(yùn)算。 (6)指數(shù)編碼器 :為支持單周期指數(shù)運(yùn)算指令 (EXP)的專用硬件，累加器中的值以二進(jìn)制補(bǔ)碼形式在 T寄存器中存貯，范圍為 8bit31bit。 (7) CPU 狀態(tài)和控制寄存器 :C55X 有三個(gè)，狀態(tài)寄存器 STO、狀態(tài)寄存器 ST1 和處理器工作方式狀態(tài)寄存器 PMST，都是存貯器映像寄存器。 STO 反映了尋址要求和計(jì)算中間運(yùn)行狀態(tài)， STl 反映了尋址要求、計(jì)算的初始設(shè)置、 I/O 及中斷控制， PMST 反映了處理器工作狀態(tài)。 C55X 有 8條 16bit 的總線，即 : 4條地址總線 (PAB , CAB , DAB , EAB):傳送執(zhí)行指令所需地址。 3條數(shù)據(jù)總線 ((CB, DB, EB):連接內(nèi)部各單元，即連接 CPU、程序地址產(chǎn)生邏輯、數(shù)據(jù)地址產(chǎn)生邏輯、片內(nèi)外設(shè)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。其中 CB, DB 傳送讀自數(shù)據(jù)存貯器的數(shù)，EB 傳送寫到存貯器的數(shù)。 北京科技大學(xué)遠(yuǎn)程與成人教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 1條程序總線 ((PB):從程序存儲(chǔ)器裝載指令碼和立即數(shù)。 內(nèi)部存貯器 C55X 共有 192K 字的尋址空間，分為大小都是 64K 字 3 個(gè)獨(dú)立的可選擇空間 :程序存儲(chǔ)空間、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間和 vo 空間，分別用來存放要執(zhí)行的指令和系數(shù)表、指令所用數(shù)據(jù)、連接存貯器映像外圍設(shè)備。在任一個(gè)存貯空間中， RAM, ROM, EPROM, EEPROM或存貯器映像外圍設(shè)備，都可駐留在片內(nèi)或片外。 C55X 片內(nèi)存貯器為隨機(jī)存儲(chǔ)器 (RAM)和只讀存儲(chǔ)器 (ROM), RAM 一般映射到數(shù)據(jù)空間，但也可組成程序空間 。ROM 一 般構(gòu)成程序空間，也可部分安排到數(shù)據(jù)空間。 RAM 又分為單尋址 RAM(SARAM)和雙尋址 RAM(DARAM)，在同一個(gè)周期內(nèi)， CPU 可以對(duì) DARAM 進(jìn)行讀和寫操作，但對(duì) SARAM 只能進(jìn)行一次讀或?qū)懖僮鳌?C55X 并行結(jié)構(gòu)和內(nèi)部 RAM 的雙尋址能力，使 CPU 在任一給定的機(jī)器周期內(nèi)同時(shí)進(jìn)行包括 1 次取指、 2 次操作數(shù)和 1次寫操作數(shù)的 4 次存儲(chǔ)器操作。 3 FIR數(shù)字濾波器理論及基于 MATLAB的設(shè)計(jì)仿真 數(shù)字濾波器分類 數(shù)字濾波器總的說可以分為兩大類，一類為經(jīng)典濾波器，一類為現(xiàn)代濾波器。經(jīng)典濾波器，即輸入信號(hào)中有效的信號(hào)和干擾信號(hào)成分各自占有不同的頻帶，通過一個(gè)合適的選頻濾波器達(dá)到把干擾信號(hào)有效濾除的目的。但如果有效信號(hào)和干擾信號(hào)頻帶相互重疊，則經(jīng)典濾波器將無效?，F(xiàn)代濾波器，主要是從含有噪聲的數(shù)據(jù)記錄 (又稱為時(shí)間序列 )中估計(jì)出信號(hào)的某些特征或信號(hào)本身?，F(xiàn)代濾波器把信號(hào)和噪聲都視為隨機(jī)信號(hào)，利用它們的統(tǒng)計(jì)特征 (如自相關(guān)函數(shù)、功率譜等 )推導(dǎo)出一套最佳的估值算法，然后用硬件或軟件予以實(shí)現(xiàn)。主要有維納濾波器、卡爾曼濾波器、自適應(yīng)濾 波器、線性預(yù)測(cè)濾波器等最佳濾波器 。 數(shù)字濾波器還可從頻率響應(yīng)特性 (濾波功能 )、結(jié)構(gòu)形式、實(shí)現(xiàn)方法等來分類。根頻率響應(yīng)特性，可分為低通、高通、帶通、帶阻四種類型 。根據(jù)構(gòu)成方式和實(shí)現(xiàn)方法，可分為遞歸式和非遞歸式 。根據(jù)單位沖激響應(yīng) h(n)的長(zhǎng)度可分為有限沖激響應(yīng)濾波器FIR 和無限沖激響應(yīng)濾波器 IIR。 而 FIR 濾波器它具有總是穩(wěn)定、有嚴(yán)格精確的線性相位、可以設(shè)計(jì)任意幅度頻率特性或多通帶 (多阻帶 )濾波器、硬件比較容易實(shí)現(xiàn)且方法靈活等優(yōu)點(diǎn)，是 IIR 濾波器無法比擬的。因此，它在高保真的信號(hào)處理，如數(shù)字音頻、圖像處理、數(shù) 據(jù)傳輸、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。 FIR數(shù)字濾波器的結(jié)構(gòu) FIR 濾波器的單位脈沖響應(yīng) h(n)是一個(gè)有限長(zhǎng)序列，其傳遞函數(shù) H(z)一般為 : ??? ?? 10 )()( Nn nznhzH 式 （ 31） 對(duì)應(yīng)的差分方程為 )()( 10 inxbzy Ni i ?? ??? n≥ 0 式 （ 32） 北京科