【正文】 用來(lái)完成乘法運(yùn)算，專(zhuān)用加法器用來(lái)完成累加、取整、飽和等操作。 D B 15~ D B 0C B 15~ C B 0M U X符號(hào)控制桶形移位器（ 16~ 31 ）M S W / L S W寫(xiě)選擇E B 15~ E B 0累加器 A累加器 B4040B AD C1616S X MTC （測(cè)試位） T ： 16~ 31A S M （ 4~ 0 ） ： 16~ 15指令寄存器立即數(shù) ： 16~ 15 或 0~ 1540A L UC S S U16 圖 25 40 位桶形移位器的功能框圖 東北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 11 ? 乘法器 /加法器單元 TMS320C54x CPU 中的 MAC 單元有一個(gè) 17 位 17 位的硬件乘法器，并且附帶了一個(gè) 40 位的專(zhuān)用加法器，可以在單周期內(nèi)完成一次乘法累加運(yùn)算。 桶形移位寄存器的輸入可以為： ?從 DB 獲得的 16 位操作數(shù)； ?從 DB 和CB 獲得的 32 位操作數(shù)； ?從累加器 A 或 B 獲得的 40 位操作數(shù)。它能對(duì)輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行 0~31 位的左移和 0~16 位的右移操作。 東北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 10 圖 24 ALU 功能框圖 ? 累加器 TMS320C54x CPU 內(nèi)有兩個(gè) 40 位的累加器 A 和 B，它們用于存儲(chǔ) ALU或乘法器 /加法器單元輸出的數(shù)據(jù)，也能輸出數(shù)據(jù)到 ALU或乘法器 /加法器中。除存儲(chǔ)操作指令（ ADDM、ANDM、 ORM 和 XORM）外， ALU 的運(yùn)算結(jié)果通常都被傳送到目的累加 器（累加器 A 和 B）。 CPU 的基本組成如下： 40bit 算術(shù)邏輯運(yùn)算單元（ ALU）； 2 個(gè) 40bit 累加器A 和 B； 1 個(gè) 40bit 桶形移位寄存器；乘法器 /加法器單元（ MAC）；比較、選擇和存儲(chǔ)單元（ CSSU）；指數(shù)編碼器； CPU狀態(tài)和控制寄存器；兩個(gè)地址發(fā)生器。 TMS320C54x 的中央處理單元（ CPU） 中央處理單元（ CPU ]15[ ）是 DSP 芯片的核心部件，它的性能直接關(guān)系到 DSP器件的性能。有兩條指令 PORTR 和 PORTW，可以對(duì) I/O 存儲(chǔ)器空間訪問(wèn)，訪問(wèn)時(shí)，讀寫(xiě)時(shí)序與程序存儲(chǔ)器空間和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間有很大不同。 I/O 存儲(chǔ)器空間有 64K 字尋址范圍（ 0000H~FFFFH）且只存在于片外。 64K 字的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器映 射寄存器 MMR， 0000H~001FH是常用的 CPU寄存器地址， 0020H~005FH 是片內(nèi)外設(shè)寄存器的地址。 ? 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 通過(guò)對(duì)處理器方式狀態(tài)寄存器 PMST 的 DROM 位的設(shè)置，將片內(nèi) ROM 映射到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間（ DROM=1）或映射到程序存儲(chǔ)空間（ MP/ ______MC =0），這樣，就可以用指令將片內(nèi) ROM 作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù) ROM 來(lái)讀取。復(fù)位后，這些向量可以被重新映射到程序存儲(chǔ)器空間中任何一個(gè) 128 字頁(yè)的開(kāi)頭。 圖 22 TMS320VC5402 存儲(chǔ)器分 配圖 圖 23 TMS320VC5402 擴(kuò)展程序存儲(chǔ)圖 東北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 9 ?程序存儲(chǔ)器 通過(guò) MP/ ______MC 和 OVLY 位的設(shè)置，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)片內(nèi)存儲(chǔ)器（ ROM、 RAM）的配置，即哪些片內(nèi)存儲(chǔ)器屬于程序存儲(chǔ)器空間。 I/O 存儲(chǔ)器空間可與存儲(chǔ)器映射外圍設(shè)備相接口，也可以作為附加的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間使用 ]15[ 。 程序存儲(chǔ)器空間存放要執(zhí)行的指令和執(zhí)行中所用的系數(shù)表。 東北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 8 ? 4 條地址總線（ PAB、 CAB、 DAB 和 EAB） 4 條地址總線（ PAB、 CAB、 DAB 和 EAB）用于傳送執(zhí)行指令所需要的地址。 ? 3 條數(shù)據(jù)總線（ CB、 DB 和 EB） 3 條數(shù)據(jù)總線（ CB、 DB 和 EB）將內(nèi)部各單元（如 CPU、數(shù)據(jù)地址生成電路、程序地址 生成電路，片內(nèi)外圍設(shè)備以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器）連接在一起。獨(dú)立的程序總線和數(shù)據(jù)總線允許 CPU同時(shí)訪問(wèn)程序指令和數(shù)據(jù)。 TMS320C54x 的總線結(jié)構(gòu) TMS320C54x DSP 采用先進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)和 8 總線結(jié)構(gòu) ]15[ ，其獨(dú)立的程序總線和數(shù)據(jù)總線允許同時(shí)讀取指令和操作數(shù)，實(shí)現(xiàn)高度的并行操作。 它作為 TI 公司為實(shí)現(xiàn)低功耗、高速實(shí)時(shí)信號(hào)處理而專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的 16 位定點(diǎn) DSP，成為當(dāng)前 TMS320C5000 系列 DSP 中最為廣泛應(yīng)用且最為成熟的處理器 ]15[ 。 DSP處理器型號(hào)眾多，本設(shè)計(jì)選用的是 TI 公司的 TMS320VC5402 芯片，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖 21 所示。最后一章則指出了本論文的一些特點(diǎn)及其不足之處，并提出了一些改善方法，指明了下一步的研究方向。具體原理圖如圖 11 所示。具體設(shè)計(jì)圖如附錄 I。硬件方面設(shè)計(jì)主要原理是：通過(guò)信號(hào)發(fā)送器產(chǎn)生的 0~2V模擬信號(hào)，經(jīng)過(guò) AD 采樣，送到 DSP進(jìn)行 FFT 數(shù)字處理等過(guò)程 后，由 DA 將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化成模擬信號(hào)，再通過(guò)示波器來(lái)顯示，完成頻譜分析，其間的時(shí)序控制和地址碼編譯由 CPLD 完成。通過(guò)這些資料，可以在學(xué)習(xí)前人成果的基礎(chǔ)上，對(duì)自己課題做好充分的擴(kuò)展和發(fā)揮。由于該設(shè)計(jì)所包含的內(nèi)容很廣泛，在正式的開(kāi)始寫(xiě)之前，本人首先查閱過(guò)很多關(guān)于DSP 方面的資料，以利于對(duì)該課題有了一個(gè)很全面的宏觀把握，并且與指導(dǎo)老師進(jìn) 行溝通，只有這樣才會(huì)對(duì)自己的課題有一個(gè)更深入的了解。頻譜分析儀 MS2711D 的掃描時(shí)間：全頻寬時(shí) =， 0 頻寬時(shí) ~20s。頻譜分析儀 MS2711D的頻率掃描寬度： 6Hz~。ATTEN 的 AT606 的動(dòng)態(tài)范圍： 60~+6dBm。 ATTEN 的 AT606 的靈敏度為 ? 1dB。 MS2711D 的頻譜儀的分辨力帶寬 60Hz~1MHz。 ATTEN 的 AT606 的輸入頻率范圍 ~650MHz； MS2711D 的頻率范圍 60K~3GHz，而 Anritsu 安立的 MS2665C 頻譜儀輸入頻率范圍：9KHz~，整體而言，目前輸入頻率范圍有所擴(kuò)大。 衡量頻譜分析儀優(yōu)劣的一些主要技術(shù)指標(biāo)有 ]12[ ： （ 1） 輸入頻率范圍 指頻譜分析儀能夠正常工作的最大頻率區(qū)間，以 Hz 表示該范圍的上限和下 東北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 4 限，由掃描本振的頻率范圍決定。低頻頻譜分析儀向著 數(shù)字分析、快速實(shí)時(shí)分析發(fā)展；高頻和微波頻普儀向著寬掃頻、全景顯示發(fā)展。 現(xiàn)在，頻譜分析儀的測(cè)量頻率范圍已達(dá)到 30Hz~50GHz，外混頻可以擴(kuò)展到mm 波波段，分辨力帶寬從 1Hz~3MHz，測(cè)量信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍 100dB，顯示平均噪聲 110dBm。 70 年代末，隨著集成電路技術(shù)，快速 A/D 變換技術(shù)，頻率合成技術(shù)，數(shù)字存儲(chǔ)技術(shù)，尤其是微處理器技術(shù)的飛速發(fā)展，頻譜儀的技術(shù)指標(biāo)大幅度提高。 頻譜分析儀發(fā)展現(xiàn)狀 30 年代末期，第一代掃頻式頻譜儀誕生。直接法就是先計(jì)算N個(gè)數(shù)據(jù)的傅里葉變換，然后取頻域和其共軛的乘積得到功率譜；間接法則是先計(jì)算 N個(gè)樣本數(shù)據(jù)的估計(jì)自相關(guān)函數(shù)，然后再計(jì)算自相關(guān)數(shù)據(jù)的傅里葉變換得到功率譜。功率譜估計(jì)可以分為經(jīng)典譜估計(jì)（非參數(shù)估計(jì)）和現(xiàn)代譜估計(jì)（參數(shù)估計(jì)）]10[。在雷達(dá)信號(hào)處理中可以根據(jù)回波信號(hào)的功率譜密度、譜峰的寬度、高度和位置可以確定運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的位置、輻射強(qiáng)度和運(yùn)動(dòng)速度。利用給定的 N個(gè)樣本數(shù)據(jù)估計(jì)一個(gè)平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)的功率譜密度叫做譜估計(jì) ]8[ 。規(guī)則信號(hào)可以用明確的數(shù)學(xué)關(guān)系式來(lái)描述，而隨機(jī)信號(hào)一般不可能用清楚的數(shù)學(xué)關(guān)系式來(lái)描述，也無(wú)法預(yù)測(cè)其未來(lái)瞬間的精確值，對(duì)于這些隨機(jī)性質(zhì)的數(shù)據(jù)只能 用概率和統(tǒng)計(jì)平均的方法來(lái)描述，比如均值、均方差、方差、概率密度函數(shù)、概率分布函數(shù)、相關(guān)函數(shù)以及功率譜密度函數(shù)等。 信號(hào)的測(cè)量可以從頻域和時(shí)域兩個(gè)方面進(jìn)行，頻譜分析儀就是進(jìn)行信號(hào)頻域測(cè)量即頻譜分析的儀器設(shè)備 ]7[ 。 20 世紀(jì) 60 年代，Coolley 和 Tuckey 提出了 FFT，可以將運(yùn)算減少到（ 2/N ） log N2 次乘法。 頻譜分析主要就是將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)化為頻域進(jìn)行處理，一般要求使用時(shí)窗技術(shù)，如快速傅里葉變換（ FFT）、離散傅里葉變換（ DFT）等。 根據(jù)采樣定律，一個(gè)頻帶有限的信號(hào)，可以對(duì)它進(jìn)行時(shí)域采樣而不丟失任何信息， FFT 變換則說(shuō)明對(duì)于時(shí)間有限的信號(hào)（有限長(zhǎng)序列），也可以對(duì)其進(jìn)行頻域采樣，而不丟失任何信息。 用 FFT 計(jì)算信號(hào)頻譜的算法 離散傅里葉變換 X（ k）可看作是 z 變換在單位圓上的等距高采樣值，同樣，X(k)也可看作是序列傅氏變換 X( ?ej )的采樣，采樣間隔位 NN /2?? ? 。 FFT 運(yùn)算時(shí)間與取樣點(diǎn)數(shù)成對(duì)數(shù)關(guān)系，頻譜分析儀需要高頻率、高分辨率和高速運(yùn)算時(shí)，要選用高速的 FFT 硬件，或者相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)處理器（ DSP）。 東北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 2 FFT 的性能用取樣點(diǎn)數(shù)和取樣率來(lái)表征，例如用 100KS/S 的取樣率對(duì)輸入信號(hào)取樣 1024 點(diǎn)，則最高輸入頻率是 50KHz 和分辨率是 50Hz，如果取樣點(diǎn)數(shù)為2048 點(diǎn)，則分辨率提高到 25Hz。 目前半導(dǎo)體工藝水平可制成分辨率 8 位和取樣率 4GS/S 的 ADC 或者分辨率12 位和取樣率 800MS/S 的 ADC，亦即，原理上儀器可達(dá)到 2GHz 的帶寬。這種 新型的頻譜分析儀采用數(shù)字方法直接由模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ ADC）對(duì)輸入信號(hào)取樣；再經(jīng)過(guò)FFT 處理后獲得頻譜分布圖。但是，傳統(tǒng)的頻譜分析儀也有明顯的缺點(diǎn)，它只能測(cè)量頻率的幅度，缺少相位信息，因此屬于標(biāo)量?jī)x器而不是矢量?jī)x器。 傳統(tǒng)頻譜分析儀 傳統(tǒng)的頻譜分析儀的前端電路是一定帶寬內(nèi)可調(diào)諧的接收機(jī)，輸入信號(hào)經(jīng)變頻器變頻后由低通濾波器輸出，濾波輸出作為垂直分量，頻率作 為水平分量，在示波器屏幕上繪出坐標(biāo)圖，就是輸入信號(hào)的頻譜圖，由于變頻器可以達(dá)到很寬的頻率，例如 30Hz~30GHz；與外部混頻器配合，可擴(kuò)展到 100GHz 以上。 頻譜分析儀（簡(jiǎn)稱(chēng)頻譜儀），顧名思義它的功能是確 定一個(gè)變化過(guò)程（稱(chēng)為信號(hào)）的頻率成分，以及各頻率成分之間的相對(duì)強(qiáng)弱關(guān)系 ]2[ 。頻譜分析儀可應(yīng)用于諸多領(lǐng)域，如通訊發(fā)射機(jī)以及干擾信號(hào)的測(cè)量，頻譜的監(jiān)測(cè)，器件的特性分析等，但各行各業(yè)對(duì)其性能要求也不盡相同。 Due to the CPU adopts FFT algorithm, so the principle of FFT is introduced and its implementation on TMS320VC5402. Finally, this paper briefly introduces the integrated development environment CCS for the development of DSP. Keywords： TMS320VC5402； Spectrum analyzer； FFT； Power spectrum III 東北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 目 錄 摘要 ................................................................................................................................. I Abstract .......................................................................................................................... II 第 1 章 緒論 .................................................................................................................. 1 課題背景及其研究現(xiàn)狀 .................................................................................. 1 頻譜分析儀發(fā)展現(xiàn)狀 ...................................................................................... 3 主要研究方法（手段） .................................................................................. 4 設(shè)計(jì)方案介紹 .................................................................................................. 5 本文安排如下 .................................................................................................. 5 第 2 章 T