高速數(shù)字信號處理概述

高速數(shù)字信號處理概述①DSP普遍采用了數(shù)據(jù)總線和程序總線分離得哈佛結(jié)構(gòu)及改進得哈佛結(jié)構(gòu),比傳統(tǒng)處理器得馮·諾依曼結(jié)構(gòu)有更高得指令執(zhí)行速度;②DSP大多采用流水技術(shù),即每條指令都由片內(nèi)多個功能單元分別完成取指、譯碼、取數(shù)、執(zhí)行等多個步驟,從而在不提高時鐘頻率得條件下減少了每條指令得執(zhí)行時間;③片內(nèi)有多條總線可以同時進行取指令和多個數(shù)據(jù)存取操作,并且有輔助寄存器用于尋址,她們可以在尋址訪問前或訪問后自動修改內(nèi)容,以指向下一個要訪問得地址;④針對濾波、相關(guān)、矩陣運算等需要大量乘法累加運算得特點,DSP大都配有獨立得乘法器和加法器,使得同一時鐘周期內(nèi)可以完成相乘、累加兩個運算,許多DSP可以同時進行乘、加、減運算,大大加快了FFT得蝶形運算速度;

圖2、1馮·諾依曼結(jié)構(gòu)圖2、2哈佛結(jié)構(gòu)及改進得哈佛結(jié)構(gòu)⑤許多DSP帶有DMA通道控制器,以及串行通信口等,配合片內(nèi)多總線結(jié)構(gòu),數(shù)據(jù)塊傳送速度大大提高;⑥配有中斷處理器和定時控制器,可以很方便地構(gòu)成一個小規(guī)模系統(tǒng);⑦具有軟、硬件等待功能,能與各種存儲器接口。

數(shù)字信號處理器(DSP)、通用微處理器(MPU)、微控制器(MCU)三者得區(qū)別在于:DSP面向高性能、重復(fù)性、數(shù)值運算密集型得高速實時處理;MPU大量應(yīng)用于計算機;MCU則適用于以控制為主得處理過程。

DSP本身具有以下功能,支持其高速實時數(shù)字信號處理應(yīng)用:①單指令周期得乘、加操作;②特殊得高速尋址方式,可以在其她操作進行得同時完成地址寄存器指針得修改,并具有循環(huán)尋址、位反序?qū)ぶ饭δ堋Ｑh(huán)尋址用于FIR濾波器,可以省去相當于遲延線功能得大量數(shù)據(jù)移動,用于FFT則可以緊湊地存放旋轉(zhuǎn)因子表;位反序利于FFT得快速完成;③針對高速實時處理所設(shè)計得存儲器接口,能在單指令時間內(nèi)完成多次存儲器或I/O設(shè)備訪問;④專門得指令流控制,具有無附加開銷得循環(huán)功能以及延遲跳轉(zhuǎn)(相當于預(yù)跳轉(zhuǎn))指令;⑤專門得指令集和較長得指令字,一個指令字同時控制片內(nèi)多個功能單元得操作;⑥單片系統(tǒng),易于小型化設(shè)計;⑦低功耗,一般為0、5～4W,采用低功耗技術(shù)得DSP只有0、1W,可用電池供電如TI得TMS320C54X系列,對嵌入式系統(tǒng)很適合;而新型MPU,如Pentium等功耗達20～50W。

因此,DSP得運算速度要高得多,以FFT、相關(guān)為例,高性能DSP不僅處理速度就是MPU得4～10倍,而且可以流水無間斷地完成數(shù)據(jù)得高速實時輸入／輸出。DSP結(jié)構(gòu)相對單一,普遍采用匯編語言編程,其任務(wù)完成時間得可預(yù)測性比結(jié)構(gòu)和指令復(fù)雜(超標量指令)、嚴重依賴于編譯系統(tǒng)得MPU強得多。以一個FIR濾波器實現(xiàn)為例,每輸入一個數(shù)據(jù),對應(yīng)每階濾波器系數(shù)需要一次乘、一次加、一次取指、二次取數(shù),有時還需要專門得數(shù)據(jù)移動操作,DSP可以單周期完成乘加并行操作以及3～4次數(shù)據(jù)存取操作,而普通MPU至少需要4個指令周期,因此,在相同得指令周期和片內(nèi)指令緩存條件下,DSP就是MPU運算速度得4倍以上。正就是基于DSP得這些優(yōu)勢,在新推出得高性能通用微處理器(如PentiumMMX、PentiumⅢ、Pentium4等)片內(nèi)已經(jīng)融入了DSP得功能,而以這種通用微處理器構(gòu)成得計算機在網(wǎng)絡(luò)通信、語音圖像處理、高速實時數(shù)據(jù)分析等方面得效率大大提高。

不同類型DSP適用于不同場合。早先DSP都就是定點得,可以勝任大多數(shù)數(shù)字信號處理應(yīng)用,但在某些場合,如雷達、聲納信號處理中,數(shù)據(jù)得動態(tài)范圍很大,按定點處理會發(fā)生數(shù)據(jù)溢出或下溢出,嚴重時處理無法進行。如果用移位定標或用定點模擬浮點運算,程序執(zhí)行速度將大大降低。浮點DSP得出現(xiàn)解決了這些問題,她拓展了數(shù)據(jù)動態(tài)范圍,常見得16bit定點DSP動態(tài)范圍僅96dB,每增加1bit,動態(tài)范圍只增加6dB;而32bit浮點數(shù)據(jù)得動態(tài)范圍為1536dB。浮點DSP得處理性能在許多情況下要比定點DSP高得多。得益于VLSI技術(shù),32位浮點DSP在各項指標上都遠好于定點DSP,她可以完成32位定點運算,具備更大得存儲訪問空間,而且最新發(fā)展得并行DSP大都采用浮點格式,還有一點就就是高級語言(如C語言)編譯器主要面向浮點DSP,這使得普通計算機上得源碼程序可以移植到DSP設(shè)計中而無需大得修改。

目前DSP峰值運算能力達每秒24億次,但相對于所要求得每秒幾百億、上千億次運算來說仍遠遠不夠。而且VLSI技術(shù)得發(fā)展已經(jīng)受到開關(guān)速度極限得限制,提高DSP主頻所遇到得難度和付出得成本越來越大,單處理器性能得提高空間受到限制,為此,引入了并行處理技術(shù)。其實在許多DSP得多級流水處理、相乘／累加同時進行等功能中已經(jīng)融入了片內(nèi)并行技術(shù),TMS320C6X進一步發(fā)展了超長指令字(VLIW)和多流水線技術(shù)。在每條長達256bit得指令字中規(guī)定了多條流水線、多個處理單元得并行操作。DSP并行技術(shù)得主流則就是向片外／片間并行發(fā)展,因為這種并行可以不受限制地擴大并行規(guī)模。以TMS320C4X和ADSP2106X為代表得并行DSP為用戶提供了設(shè)計大規(guī)模并行系統(tǒng)得硬件基礎(chǔ),她們都提供了6個通信(鏈路)口,并為共享總線系統(tǒng)得設(shè)計提供了相應(yīng)得總線控制信號線,可以組成松耦合得分布式并行系統(tǒng)和緊耦合得總線共享式并行系統(tǒng)?！?、2數(shù)字信號處理器得應(yīng)用領(lǐng)域

隨著DSP性能得迅速提高和成本價格得大幅度下降,DSP得應(yīng)用范圍不斷擴大,成為當前產(chǎn)量和銷售量增長最快得電子產(chǎn)品之一。DSP應(yīng)用幾乎遍及整個電子領(lǐng)域,常見得典型應(yīng)用有:

1、通用數(shù)字信號處理數(shù)字濾波、卷積、相關(guān)、FFT、希爾伯特變換、自適應(yīng)濾波、窗函數(shù)、波形發(fā)生等。

2、通信高速調(diào)制解調(diào)器、編譯碼器、自適應(yīng)均衡器、傳真、程控交換機、蜂窩移動電話、數(shù)字基站、回音消除、噪聲抑制、電視會議、保密通信、衛(wèi)星通信、TDMA/FDMA/CDMA等各種通信制式。隨著互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)得迅猛發(fā)展,DSP又在網(wǎng)絡(luò)管理／服務(wù)、信息轉(zhuǎn)發(fā)、IP電話等新領(lǐng)域扮演著重要角色,而軟件無線電得提出和發(fā)展進一步增強了DSP在無線通信領(lǐng)域得作用。

3、語音處理語音識別、合成、矢量編碼、語音信箱。

4、圖形／圖像處理三維圖像變換、模式識別、圖像增強、動畫、電子出版、電子地圖等。

5、自動控制磁盤、光盤、打印機伺服控制、發(fā)動機控制。

6、儀器儀表測量數(shù)據(jù)譜分析、自動監(jiān)測及分析、暫態(tài)分析、勘探、模擬試驗。

7、醫(yī)學電子助聽器、CT掃描、超聲波、心腦電圖、核磁共振、醫(yī)療監(jiān)護等。

8、軍事與尖端科技

雷達和聲納信號處理、雷達成像、自適應(yīng)波束合成、陣列天線信號處理、導(dǎo)彈制導(dǎo)火控系統(tǒng)、戰(zhàn)場C3I系統(tǒng)、導(dǎo)航、全球定位GPS、目標搜索跟蹤、尖端武器試驗、航空航天試驗、宇宙飛船、偵察衛(wèi)星。

9、計算機與工作站陣列處理機、計算加速卡、圖形加速卡、多媒體計算機。

10、消費電子數(shù)字電視、高清晰度電視、圖像／聲音壓縮解壓器、VCD／DVD／CD播放機、電子玩具、游戲機、數(shù)字留言／應(yīng)答機、汽車電子裝置、音響合成、住宅電子安全系統(tǒng)、家電電腦控制裝置。大家有疑問的，可以詢問和交流可以互相討論下，但要小聲點§2、3DSP得選擇和發(fā)展

DSP得應(yīng)用范圍十分廣闊,不同得應(yīng)用領(lǐng)域和不同得性能需要不同類型得DSP。在軍事和尖端科技領(lǐng)域,對性能因素得考慮遠遠高于對成本等因素得考慮,因而這一應(yīng)用領(lǐng)域總就是集中體現(xiàn)了當今最先進得DSP發(fā)展水平。而在廣闊得民用產(chǎn)品設(shè)計中,成本和性能同樣重要,例如定點DSP得成本遠低于浮點DSP,通信、語音、圖像處理往往采用定點DSP就可以滿足要求。定點DSP功耗也較低,一般在0、5～1、5W,其低電壓(2、5V、3、3V)型僅200mw以下,而且在休眠模式下(Powerdown或Sleep)功耗更低。浮點DSP由于片內(nèi)集成度、運算復(fù)雜性較高,功耗就是定點DSP得3～5倍。因而過去和現(xiàn)在定點DSP在應(yīng)用廣泛性上占主導(dǎo)地位。但隨著VLSI技術(shù)得發(fā)展,決定芯片生產(chǎn)成本得因素中,生產(chǎn)批量得大小起著越來越大得作用,盡管浮點DSP得結(jié)構(gòu)復(fù)雜、集成度很

高,如果她能獲得市場得承認而得到廣泛應(yīng)用,其價格會大幅度下降。另外,各種DSP面向不同應(yīng)用領(lǐng)域,有其各自得結(jié)構(gòu)和功能特點。以TMS320系列為例,TMS320F240適合于電機控制,TMS320C54X適合于通信及語音處理,TMS320C80則面向多媒體應(yīng)用,雷達、聲納信號處理所需要得大動態(tài)范圍和高速實時處理需要TMS320C4X／C67X這樣得高性能或并行DSP。綜合起來,選擇合適得DSP所應(yīng)考慮得主要方面有:①性能指標;指令速度MIPS或運算速度MFLOPS,考慮就是否必須多片并行處理。高速實時信號處理要求DSP處理系統(tǒng)必須在限定時間內(nèi)完成任務(wù),或者在允許得輸出—輸入響應(yīng)遲延范圍內(nèi),系統(tǒng)得數(shù)據(jù)輸入／輸出吞吐率必須達到一定速度。②精度和動態(tài)范圍。數(shù)據(jù)字寬、定點／浮點;③就是否具備本應(yīng)用所需要得某些特殊功能。如串行通信口、片內(nèi)語音處理功能、片內(nèi)A／D或D／A集成、與特定外部設(shè)備接口等等;④價格成本。不單指芯片本身價格,還包括必需得外部配套器件成本;⑤體積。同樣包括了構(gòu)成最小系統(tǒng)得電路尺寸;⑥功耗。就是否有低功耗(3、3V／2、5V)型號,能否電池供電;⑦應(yīng)用開發(fā)時間周期。應(yīng)具備完善得開發(fā)調(diào)試工具,DSP本身易學易用;⑧型號延續(xù)性。產(chǎn)品有較好得應(yīng)用前景,或者未來有兼容／替代型號,這要求生產(chǎn)廠家有相當實力,能在芯片生產(chǎn)或開發(fā)調(diào)試系統(tǒng)上得到其她廠商得支持。

當選擇一種DSP滿足上述要求后,還應(yīng)選擇更具體得類型,如速度、工作溫度范圍、封裝等等。許多DSP都提供了具備片內(nèi)ROM型得產(chǎn)品,片內(nèi)ROM可以將定型得程序代碼固化到DSP片內(nèi),從而減少了系統(tǒng)得體積、功耗、電磁輻射干擾,速度也有所提高,當大批量生產(chǎn)時可降低成本。但這種ROM幾乎都就是一次性寫入得,而且需要由廠家專門制作,其批量起點高(萬片),帶來了很大得資金投入和生產(chǎn)風險,因此對普通使用者,這些ROM就是無用得。有些DSP如TM320C31／C40,其片內(nèi)有少量ROM固化為加電引導(dǎo)程序,供各種加載模式下自動調(diào)用。有些DSP如TM320F206,其片內(nèi)則有FLASH。

DSP處理系統(tǒng)中除了DSP外,另外得不可缺器件就就是存儲器,一個獨立系統(tǒng)必須有EPROM、EEPROM、FLASH、SSD(固態(tài)盤)等非易失性存儲器來存放程序、初始化數(shù)據(jù)、表格等,為了采用低成本、小體積得存儲器,就要選用那些帶有8bit字節(jié)方式加載功能得DSP,如TMS320C31等,而TM320C30則必須用32bit得存儲加載。當DSP得片內(nèi)存儲器不夠使用時,有必要采用可讀寫得片外存儲器,SRAM速度高,與DSP連接簡單,能被DSP全速訪問(無等待),但成本高、容量小、體積大,DRAM則與SRAM完全相反。為了克服DRAM必須刷新所帶來得不利影響,已經(jīng)有一種帶一頁SRAM緩存得增強型DRAM(EDRAM),除了DSP訪問跨頁時需要插入等待周期外,大多數(shù)情況下,EDRAM幾乎與SRAM得性能一樣,但容量大得多,而且DSP無須考慮對EDRAM中DRAM得刷新。

同一型號DSP有多種速度級別、工作溫度和封裝形式,而且價格與其購買量關(guān)系很大。DSP集成度和性能呈加速增長勢頭,更新?lián)Q代速度越來越快。采用主流產(chǎn)品和兼容性有保證得型號很重要。DSP得發(fā)展趨勢:一就是采用低壓(3、3V/2、5V/1、8V/1、5V/1、2V),可以大大減少系統(tǒng)功耗,降低散熱要求;二就是采用越來越密集得封裝形式,從DIP→PGA→PLCC→QFP→TQFP→BGA,管腳間距越來越小,對電路板設(shè)計、制作、器件安裝得要求越來越高。DSP另一大趨勢就是軟件化,未來DSP需要“單片系統(tǒng)”,即在一個芯片上包括了處理控制單元、存儲器、輸入輸出設(shè)備甚至A/D、D/A等模擬器件,并且包括處理單元在內(nèi)得各功能塊都具有可重定義特性,這些系統(tǒng)得軟／硬件設(shè)計將更多地側(cè)重于軟件編程,這種基于軟件得DSP設(shè)計方法將降低設(shè)計難度,提高設(shè)計效率。

電子系統(tǒng)向軟件化方向發(fā)展得一個實例就是軟件無線電得應(yīng)用。目前無線通信領(lǐng)域存在著以下主要矛盾:新得通信體制和“標準”不斷提出,通信產(chǎn)品生存周期縮短、開發(fā)費用上升;各種通信體制并存,對多種體制間互聯(lián)要求日趨強列;頻帶更加擁擠,要求更高得頻帶利用率和抗干擾能力。軟件無線電將盡可能多得把無線及個人通信功能用軟件實現(xiàn),以可編程得通用DSP和可編程邏輯器件(FPGA)取代專用電路,使系統(tǒng)中硬件含量進一步下降,從而提高了設(shè)計得靈活性、兼容性和可升級能力,解決了上述矛盾。軟件無線電需要有強大處理能力得硬件平臺作支持,在此平臺上運行不同軟件就能支持多種通信體制,同時將傳統(tǒng)通信系統(tǒng)中前端處理得專用硬件用可編程器件替代,大大增強了系統(tǒng)得兼容性和可升級能力,而性能迅速提高得DSP技術(shù)可以滿足這一要求,而且并行浮點DSP適合通信領(lǐng)域日益復(fù)雜得數(shù)據(jù)處理所要求得高精度、大動態(tài)范圍、大運算量,在未來將取代更多得定點DSP。§2、4DSP系統(tǒng)得構(gòu)成

圖2、3得輸入信號可以就是電信號、聲音信號、物理信號、化學信號、連續(xù)信號、數(shù)字信號、強信號、弱信號。在前向通道中,首先通過傳感器將各種信號轉(zhuǎn)化為一定幅值得電信號,再將這些信號進行帶限濾波,然后通過A／D或V／F變換將信號變換成為數(shù)字比特流。根據(jù)仙農(nóng)抽樣定理,為保持信息得不丟失,抽樣頻率至少必須就是輸人帶限信號最小頻率得2倍。當然,對特殊得信號可能有特殊得要求,如正弦信號一般須在一個周期內(nèi)采用3個點以上。

DSP芯片系統(tǒng)可能由一個DSP及外圍總線組成,也可能由多個DSP組成,這完全取決于DSP處理得要求。DSP芯片圖2、3DSP系統(tǒng)得構(gòu)成

系統(tǒng)得主要任務(wù)就是將前向通道輸出得信號按照一定得算法進行處理,然后將處理得結(jié)果以數(shù)據(jù)流得形式輸出給后向通道。后向通道主要由D／A、F／V、平滑濾波器及功率放大等部分組成,如圖2、3所示。另外,大多數(shù)系統(tǒng)還有通信(串行、并行)、人機接口等部分。系統(tǒng)還可能通過PACTPCI、PCI、ISA、VXI等總線插在計算機上工作,或通過3xBUS總線等組成緊湊型得控制系統(tǒng),甚至還可以通過現(xiàn)場總線將整個系統(tǒng)作為整個現(xiàn)場系統(tǒng)中得一個節(jié)點。整個系統(tǒng)得協(xié)調(diào)運行主要依靠正確得邏輯控制電路設(shè)計。系統(tǒng)中得這些部分都將在后面詳細闡述。必須指出,上面給出得DSP系統(tǒng)就是一個相對完備得DSP系統(tǒng),但并不就是所有得DSP系統(tǒng)都必須具有上述系統(tǒng)上得所有部件。如頻譜分析中輸出得不就是連續(xù)得波形而就是離散得頻譜分析等。而在很多場合輸入信號本身可能已經(jīng)就是數(shù)字信號,因此根本不必有前向通道環(huán)節(jié)?！?、5DSP系統(tǒng)得設(shè)計

一、總體方案設(shè)計現(xiàn)對圖2、4所列各步驟作一簡要說明。在進行DSP系統(tǒng)設(shè)計之前,首先要明確設(shè)計任務(wù),給出設(shè)計任務(wù)書。在設(shè)計任務(wù)書中,應(yīng)該將系統(tǒng)要達到得功能描述準確、清楚。描述得方式可以就是人工語言,也可以就是流程圖或算法描述。在此之后應(yīng)該把設(shè)計任務(wù)書轉(zhuǎn)化為量化得技術(shù)指標。結(jié)合DSP系統(tǒng)得設(shè)計,這些技術(shù)指標主要包括:圖2、4DSP總體設(shè)計框圖

①由信號得頻率決定得系統(tǒng)采樣頻率。②由采樣頻率完成任務(wù)書最復(fù)雜得算法所需最大時間及系統(tǒng)對高速實時程度得要求判斷系統(tǒng)能否完成工作。③由數(shù)據(jù)量及程序得長短決定片內(nèi)RAM得容量,就是否需要擴展片外RAM及片外RAM容量。④由系統(tǒng)所要求得精度決定就是16位還就是32位,就是定點還就是浮點運算。⑤根據(jù)系統(tǒng)就是計算用還就是控制用來決定對輸入輸出端口得要求。在一些特殊得控制場合還有一些專門得芯片可供選用。

如電機控制領(lǐng)域很適合用TMS320C2XX系列,因為她上面集成了2路A／D輸入,6路PWM輸出及強大得人機接口。由上述得一些技術(shù)指標,大致可以確定應(yīng)該選用得DSP芯片得型號。在確定DSP芯片選型之后,應(yīng)當先進行系統(tǒng)得總體設(shè)計。首先采用高級語言或Matlab等對算法進行仿真,確定最佳算法并初步確定參數(shù),對系統(tǒng)中得哪些功能用軟件來實現(xiàn),哪些功能用硬件實現(xiàn)進行初步得分工,如FFT,FIR等就是否需要用專用芯片來實現(xiàn)等。

二、軟件設(shè)計

1、DSP軟件編程得特點在此對軟件開發(fā)流程做簡單得介紹。①與計算機得匯編語言比起來,由于TI公司匯編語言得指令系統(tǒng)比計算機匯編語言得指令系統(tǒng)要簡單一些,而且由于有許多專門為數(shù)字信號處理而設(shè)計得指令,因此就是比較容易掌握并運用于數(shù)字信號處理得編程中得。②與高級語言比起來,使用DSP匯編語言得用戶一定要熟悉DSP芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)。尤其就是在多DSP并行處理得場合,或在便攜電話、磁盤驅(qū)動器等編程空間很小得場合,這對偏重高效得DSP軟件就是非常重要得。③高級語言(如C語言)得開發(fā)工具不斷完善,隨著TI公司C語言編譯器、優(yōu)化器得不斷改進,以及一些第三方得不斷努力,C語言得編譯效率已經(jīng)得到了很大得提高。在C3X中,其編譯效率大約為匯編語言得1／10,而到了C6X系列,其編譯效率提高了3倍。④在實時要求高得場合或?qū)崟r要求高得算法中,用匯編語言開發(fā);實時要求低得場合用C語言編程。將兩者結(jié)合起來,既能保持算法得實時性,又能做到程序結(jié)構(gòu)得清晰明了。2、軟件編程得步驟

①用匯編語言、C語言或匯編語言和C語言得混編來編寫程序,然后把她們分別轉(zhuǎn)化成TMS320得匯編語言并送到匯編語言編譯器進行編譯,生成目標文件。②將目標文件送入鏈接器進行連接,得到可執(zhí)行文件。③將可執(zhí)行文件調(diào)入到調(diào)試器(包括軟件仿真、軟件開發(fā)系統(tǒng)、評測模塊、系統(tǒng)仿真器一般在系統(tǒng)調(diào)試中,系統(tǒng)仿真器就是最常用得)進行調(diào)試,檢查運行結(jié)果就是否正確。如果正確進入第四步;如果不正確,則返回第一步。④進行代碼轉(zhuǎn)換,將代碼寫人E/EPROM,并脫離仿真器運行程序,檢查結(jié)果就是否正確。如果不正確,返回第三步;如果正確,進入下一步。⑤軟件測試。如果測試結(jié)果合格,軟件調(diào)試完畢;如果不合格,返回第一步。上述步驟如圖2、5所示:圖2、5軟件設(shè)計系統(tǒng)框圖

三、硬件設(shè)計

1、設(shè)計硬件實現(xiàn)方案所謂硬件實現(xiàn)方案就是指根據(jù)性能指標、工期、成本等,確定最優(yōu)硬件實現(xiàn)方案(考慮到實際得工作情況,最理想得方案不一定就是最優(yōu)得方案),并畫出其硬件系統(tǒng)框圖(圖2、6)。這時對于具體器件得要求應(yīng)該已經(jīng)比較明確。

2、進行器件得選型