数字信号处理方法与实现
贺知明 副教授
电子科技大学
四川 ?成都
DSP结构特点、分类、发展及应用
实时数字信号处理系统,
采集系统 + DSP芯片
非实时系统,
PC机上进行处理系统的模拟与仿真
或 仿真库 + DSP芯片
两个方面促进了 DSP的发展
大规模集成电路技术的发展
算法革命
例:以 FFT快速算法为代表的新算法的提
出。
DSP,MPU,MCU的比较
DSP(数字信号处理器),面向高性能、
重复性、数值运算密集型的实时处理;
MPU(通用微处理器,含 CPU):大量
应用于计算机;
MCU(微控制器):适用于以控制为主
的处理过程。
MPU与 DSP结构上的对比
MPU:采用冯 ?诺依曼结构,即程序指令
和数据共用一个存储空间和单一的地址
和数据总线;
MPU与 DSP结构上的对比
DSP:为提高运算速度,满足实时算法
要求,当前 DSP采用 哈佛结构,即将程
序指令和数据的存储空间分开,各有自
己的地址和数据总线,使得处理指令和
数据可同时进行,大大提高处理效率。
即可流水处理(取指、译码、访问数据、
执行等各指令周期重叠起来)。
MPU与 DSP结构上的对比
DSP结构相对单一,一般采用汇编语言
编程,其任务 完成时间的可预测性 相对
于结构和指令复杂,并严重依赖于编译
系统的 MPU具有优势。
基于 DSP的优势,新推出的高性能 MPU
片内已融入了 DSP功能。
MPU与 DSP结构上的对比
通常,在相同的指令周期和片内指令缓
存条件下,DSP是 MPU运算速度的 4倍
以上。
实时数字信号处理技术的核心和标志是
数字信号处理器( DSP)。
DSP的结构特点 ( 1)
普遍采用数据总线和程序总线分离的哈
佛及改进哈佛结构(超级哈佛结构)。
与严格意义上的哈佛结构的区别在于:它允许
数据在程序存储空间和数据存储空间之间传输,
从而提高运行的速度和编程灵活性,没有必要
设置专门的系数 ROM,给系统设计带来方便。
DSP的结构特点 ( 2)
采用流水技术。
每条指令都由片内多个功能单元分别完成,在
不提高时钟频率的条件下,减少每条指令的执
行时间。
DSP的结构特点( 3)
片内多条总线可以同时进行取指令和多
个数据存取操作,并有辅助寄存器用于
寻址。
DSP的结构特点 ( 4)
大多配有独立的硬件乘法器和加法器。
主要针对滤波、相关、矩阵运算等处理过程需
要大量乘法累加运算的特点,使得同一时钟周
期内可以完成乘及累加两个运算,也大大加快
了 FFT的蝶形运算速度。
DSP的结构特点 ( 5)
带有 DMA通道控制器及串行通信口等,
配合片内多总线结构,数据块传输速度
大大提高。
DSP的结构特点 ( 6,7)
配有中断处理器和定时控制器,可以方
便地构成一个小规模系统。
具有软硬件等待功能,能与各种外部存
储器接口。
DSP的分类
数字信号处理器的采用是为了达到实时
信号的高速处理,为适应各种不同的实
际应用,产生了多种类型、不同档次的
DSP器件。
DSP按用途分类
专用 DSP:硬件直接实现。
一般只针对一种应用,只能通过加载数
据,控制参数或在管脚上加控制信号来
使其具有 有限的可编程能力 。
几乎都采用 定点数据格式 。
通用 DSP:用软件实现。
专用 DSP
针对某种具体应用而设计,常见的有,
卷积 /相关器 A100,PDSP16256、
HSP43168,FFT专用 DSP PDSP16510、
A41102,复乘加器组 PDSP16116和
PDSP16318,复数乘法器 GA3806,求
模 /相角器 PDSP16330等。
卷积 /相关器 A100
A100是由 INMOS公司生产的 32位可变系
数字长的横向滤波器。
输入
…..,x x x CN-1 CN-2 C0
+ D + …..,D + 输出
转置型横向滤波器
卷积 /相关器 A100
系数字长
W


输入
字长
输出
范围
输出
字长
内部
字长
可级
联否
晶振 F 工作
频率
封装
4,8,
12,16bit
32 16bit 4级
可选
24bit
36bit
是 30MHz 2F/W
84PGA
4种可变
系数字长
固定
阶数
采用定点数据格式,为保
证精度和防止溢出,其片
内运算单元采用较宽字长,
并有移位控制功能可选择
合适的输出字段
如,W=12bit,工
作频率为 5MHz
采用多个功能操作一致的乘加器组,易
流水实现。
可多片级联使用,以增加滤波器长度。
A100曾广泛应用,但处理能力相对落后,
已由 PDSP16256取代。
卷积 /相关器 A100
卷积 /相关器 PDSP16256
PLESSY GEC公司产品,固定系数字长
( 12bit),可变阶数的横向滤波器。
内部为两个可分 /可级联的 8阶横向滤波
器,全速( 40MHz)工作时,相当于 16
阶。
若按 2的幂次复用各阶乘法器,则可以在
工作速率倍减的同时,获得阶数的倍增。
卷积 /相关器 PDSP16256
也采用转置型横向滤波器结构(可级
联),与 A100不同的是它的每个抽头
都对应很多个系数,当系数循环切换,
而数据暂时不更新时,相当于对同一
输入数据乘以多组权系数,等效于系
数字长加长。
卷积 /相关器 PDSP16256
可见,处理能力有了较大提高。
缺点是系数字长固定为 12bit,精度受限。
系数字
长 W
阶数 输入
字长
输出
字长
内部
字长
可级
联否
晶振 F 工作
速率
封装
12bit 16*2m 16bit 32bit 32bit
是 40MHz F/ 2m
144PQFP
208PQFP
m=0,1,2,3,最大 16*23=128 阶,对应工作速率 5MHz
FFT专用 DSP—— PDSP16510
PLESSY GEC公司产品,40MHz主频,
256点与 1024点两种工作模式,可提供
1024点复数 FFT所需工作空间,1024
点 FFT需要在前端加上数据缓存器,并
有无重合,1/4重合,1/2重合和 3/4重
合等多个选项。
FFT专用 DSP—— PDSP16510




16bit(实)
16bit(虚)
工作区 A
工作区 B
窗函数( 3组)
旋转因子 ROM表
40MHz