【正文】 累加、取整、飽和等操作。 D B 15~ D B 0C B 15~ C B 0M U X符號控制桶形移位器（ 16~ 31 ）M S W / L S W寫選擇E B 15~ E B 0累加器 A累加器 B4040B AD C1616S X MTC （測試位） 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)計論文 11 ? 乘法器 /加法器單元 TMS320C54x CPU 中的 MAC 單元有一個 17 位 17 位的硬件乘法器，并且附帶了一個 40 位的專用加法器，可以在單周期內(nèi)完成一次乘法累加運算。 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)。它能對輸入的數(shù)據(jù)進行 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)計論文 10 圖 24 ALU 功能框圖 ? 累加器 TMS320C54x CPU 內(nèi)有兩個 40 位的累加器 A 和 B，它們用于存儲 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。除存儲操作指令（ ADDM、ANDM、 ORM 和 XORM）外， ALU 的運算結(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)邏輯運算單元 （ ALU）； 2 個 40bit 累加器A 和 B； 1 個 40bit 桶形移位寄存器；乘法器 /加法器單元（ MAC）；比較、選擇和存儲單元（ CSSU）；指數(shù)編碼器； CPU 狀態(tài)和控制寄存器；兩個地址發(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 I/O 存儲器空間訪問，訪問時，讀寫時序與程序存儲器空間和數(shù)據(jù)存儲器空間有很大不同。 I/O 存儲器空間有 64K 字尋址范圍（ 0000H~FFFFH）且只存在于片外。 64K 字的數(shù)據(jù)存儲器空間包括數(shù)據(jù)存儲器 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)存儲器 通過對處理器方式狀態(tài)寄存器 PMST 的 DROM 位的設(shè)置，將片內(nèi) ROM 映射到數(shù)據(jù)存儲空間（ DROM=1）或映射到程序存儲空間（ MP/ ______MC =0），這樣，就可以用指令將片內(nèi) ROM 作為數(shù)據(jù)存儲器中的數(shù)據(jù) ROM 來讀取。復(fù)位后，這些向量可以被重新映射到程序存儲器空間中任何一個 128 字頁的開頭。 圖 22 TMS320VC5402 存儲器 分配圖 圖 23 TMS320VC5402 擴展程序存儲圖 東北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計論文 9 ?程序存儲器 通過 MP/ ______MC 和 OVLY 位的設(shè)置，可以實現(xiàn)對片內(nèi)存儲器（ ROM、 RAM）的配置，即哪些片內(nèi)存儲器屬于程序存儲器空間。 I/O 存儲器空間可與存儲器映射外圍設(shè)備相接口，也可以作為附加的數(shù)據(jù)存儲器空間使用 ]15[ 。 程序存儲器空間存放要執(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)存儲器）連接在一起。獨立的程序總線和數(shù)據(jù)總線允許 CPU同時訪問程序指令和數(shù)據(jù)。 TMS320C54x 的總線結(jié)構(gòu) TMS320C54x DSP 采用先進的哈佛結(jié)構(gòu)和 8 總線結(jié)構(gòu) ]15[ ，其獨立的程序總線和數(shù)據(jù)總線允許同時讀取指令和操作數(shù)，實現(xiàn)高度的并行操作。它作為 TI 公司為實現(xiàn)低功耗、高速實時信號處理而專門設(shè)計的 16 位定點 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處理器型號眾多，本設(shè)計選用的是 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)計圖如附錄 I。硬件方面設(shè)計主要原理是：通過信號發(fā)送器產(chǎn)生的 0~2V 模擬信號，經(jīng)過 AD 采樣，送到 DSP進行 FFT 數(shù)字處理等過 程后，由 DA 將數(shù)字信號轉(zhuǎn)化成模擬信號，再通過示波器來顯示，完成頻譜分析，其間的時序控制和地址碼編譯由 CPLD 完成。通過這些資料，可以在學(xué)習(xí)前人成果的基礎(chǔ)上，對自己課題做好充分的擴展和發(fā)揮。由于該設(shè)計所包含的內(nèi)容很廣泛，在正式的開始寫之前，本人首先查閱過很多關(guān)于DSP 方面的資料，以利于對該課題有了一個很全面的宏觀把握，并且與指導(dǎo)老師進行溝通，只有這樣才會對自己的課題有一個更深入的了解。頻譜分析儀 MS2711D 的掃描時間：全頻寬時 =， 0 頻寬時 ~20s。頻譜分析儀 MS2711D的頻率掃描寬度： 6Hz~。ATTEN 的 AT606 的動態(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、快速實時分析發(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，頻譜分析儀的測量頻率范圍已達到 30Hz~50GHz，外混頻可以擴展到mm 波波段，分辨力帶寬從 1Hz~3MHz，測量信號的動態(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。直接法就是先計算N個數(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；間接法則是先計算 N個樣本數(shù)據(jù)的估計自相關(guān)函數(shù)，然后再計算自相關(guān)數(shù)據(jù)的傅里葉變換得到功率譜。功率譜估計可以分為經(jīng)典譜估計（非參數(shù)估計）和現(xiàn)代譜估計（參數(shù)估計）]10[。在雷達信號處理中可以根據(jù)回波信號的功率譜密度、譜峰的寬度、高度和位置可以確定運動目標(biāo)的位置、輻射強度和運動速度。利用給定的 N個樣本數(shù)據(jù)估計一個平穩(wěn)隨機信號的功率譜密度叫做譜估計 ]8[ 。規(guī)則信號可以用明確的數(shù)學(xué)關(guān)系式來描述，而隨機信號一般不可能用清楚的數(shù)學(xué)關(guān)系式來描述，也無法預(yù)測其未來瞬間的精確值，對于這些隨機性質(zhì)的數(shù)據(jù)只 能用概率和統(tǒng)計平均的方法來描述，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。 信號的測量可以從頻域和時域兩個方面進行，頻譜分析儀就是進行信號頻域測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，可以將運算減少到（ 2/N ） log N2 次乘法。 頻譜分析主要就是將時域信號轉(zhuǎn)化為頻域進行處理，一般要求使用時窗技術(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，一個頻帶有限的信號，可以對它進行時域采樣而不丟失任何信息， FFT 變換則說明對于時間有限的信號（有限長序列），也可以對其進行頻域采樣，而不丟失任何信息。 用 FFT 計算信號頻譜的算法 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 運算時間與取樣點數(shù)成對數(shù)關(guān)系，頻譜分析儀需要高頻率、高分辨率和高速運算時，要選用高速的 FFT 硬件，或者相應(yīng)的數(shù)字信號處理器（ DSP）。 東北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計論文 2 FFT 的性能用取樣點數(shù)和取樣率來表征，例如用 100KS/S 的取樣率對輸入信號取樣 1024 點，則最高輸入頻率是 50KHz 和分辨率是 50Hz，如果取樣點數(shù)為2048 點，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）對輸入信號取樣；再經(jīng)過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，它只能測量頻率的幅度，缺少相位信息，因此屬于標(biāo)量儀器而不是矢量儀器。 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，輸入信號經(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，就是輸入信號的頻譜圖，由于變頻器可以達到很寬的頻率，例如 30Hz~30GHz；與外部混頻器配合，可擴展到 100GHz 以上。 頻譜分析儀（簡稱頻譜儀），顧名思義它的功能是 確定一個變化過程（稱為信號）的頻率成分，以及各頻率成分之間的相對強弱關(guān)系 ]2[ 。頻譜分析儀可應(yīng)用于諸多領(lǐng)域，如通訊發(fā)射機以及干擾信號的測量，頻譜的監(jiān)測，器件的特性分析等，但各行各業(yè)對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)計方案介紹 .................................................................................................. 5 本文安排如下 .................................................................................................. 5 第 2 章 TMS320VC5402 芯片