DSP技术及应用(陈金鹰)

,*,信息工程学通信工程系,DSP,技术及应用,1,1.1 数字化的发展,1.2 DSP芯片技术,的特点,1.3 DSP的应用,主要内容,2,“今后的时代，控制世界的国家将不是靠军事，而是信息能力走在前面的国家。”,（,美国前总统克林顿,）,“信息时代的出现，将从根本上改变战争的进行方式。”,（,美国前陆军参谋长沙利文上将,）,“谁掌握了信息，控制了网络，谁就将拥有整个世界。”,（,美国著名未来学家阿尔温 托尔勒,）,3,一、信号处理的发展,二、数字信号处理的发展,三、未来在DSP,四、数字化的优点,五、模拟与数字各有所长,第一节 数字化的发展,4,基础,数字化,信息化,数字化,核心技术,数字信号处理,实时处理,DSP器件,DSP技术,热门技术,高端应用,前沿,数字化与DSP的关系,5,1.信号处理的标志,：,傅氏变换（FT）,2.信号分析的作用,：,加深对信号特性的了解,例如,一、信号处理的发展,频谱分布,噪声,杂散,用频谱仪分析信号,了解,6,3.信号处理的目的,：,改变信号的某些性能,信号的编码/解码 调制/解调,压缩/解压 扩频/解扩,典型应用,调频伴音,彩色副载频,残留边带调制,电视信号,调制,例,如,7,二、数字信号处理的发展,1.现代意义上的数字信号处理是随着数字计算机的出现和发展而发展的。,模拟信号,磁带,计算机,脱机,最初,记录,非实时,早期数字处理,8,2.快速傅立叶变换算法（FFT）是数字信号处理发展史上的一个重要里程碑,现代数字处理,（ Cooley-Tukey 1965年提出,FFT,）,将傅立叶变换的时间缩短了几个数量级,指出了数字信号处理快速算法发展方向,为实时处理带来了希望,9,3. DSP统治未来成为必然,大规模集成电路,快速高效算法,实际工作的需要,DSP器件,DSP技术,DSP应用,快速促进,10,三、未来在DSP,程控交换机,模拟交换机,取代,GSM和CDMA,取代,模拟移动通信系统,数码相机,胶卷和洗印业,正淘汰,数字化电视,模拟电视,取代,11,以计算机为中心的技术革命，正,在改变着工业、农业、科学技术、教育、国防的面貌，正在改变人们的生活习惯乃至思维习惯。,由此推论,：,崭露头角,DSP,一路春风,12,四、数字化的优点,模拟滤波器,数字滤波器,自适应滤波器,1.高度的程控能力与灵活性,模拟处理系统升级,修改硬件设计,调整硬件参数,数字处理系统的升级,改变软件设置,例,如,实现,13,2.,更高的精度,模拟处理系统,依赖元器件精度,数字处理系统,取决于A/D的位数,计算机字长,先进的算法,14,只要能判决,就能复原信号,3.可靠性和可重复性得到改善,模拟系统,环境温度,湿度,噪声,电磁场等,干扰影响大,数字系统,可靠性好,可重复性好,15,可靠性和可重复性的典型例子,信号,放大器A,信号,放大器B,计算机A,计算机B,A、B结果可能不同,A、B结结果相同,16,4.大规模集成,模拟系统,：,有一些模拟集成电路,品种较少,集成度不高,价格较高,数字系统,：,DSP 体积小,功能强,功耗小,一致性好,使用方便,性能/价格比高,17,5.,虚拟特性与升级,模拟系统,数字系统,一套系统对应一种功能,升级意味着新型号系统的研制,一套系统对应多种功能，只要装上不同的软件即可,升级可以只是软件的更新,18,数字系统,相同硬件平台,滤 波 器,语音合成,马达控制,软件1,软件2,软件n,19,例如,信息无失真压缩,（,LOSSLESS COMPRESSION,）,线性相位滤波器,（,LINEAR PHASE FILTER,）,软件无线电技术,（,Software Radio,）,6.特殊应用,有些应用只有数字系统才能实现,20,五、模拟与数字各有所长,数字系统,：,由计算机的处理速度决定,1.实时性,模拟系统,：,除开电路引入的延时外，处理是实时的,21,数字系统,：,按照奈奎斯特准则的要求，受S/H、A/D 和处理速度的限制,2.,高频信号的处理,模拟系统,：,可以处理包括微波毫米波乃至光波信号,22,3.,模拟与数字信号的转换,现实世界的信号绝大多数是模拟的,（温度、速度、压力等）,转 换,模拟的电信号,（电流、电压等）,要实现数字处理，就必须进行转换。,23,第二节 DSP芯片技术,的特点,一、微处理器发展与分类,二、DSP的特点,三、DSP与MCU的比较,24,1. 通用CPU的发展,一、微处理器发展与分类,冯.诺依曼结构,程序与数据存储器合二为一,C,P,U,程序/数据总线,地址总线,25,典型产品,8-bit Apple（6502）,NEC PC-8000（Z80）,8086/286/386/486/,Pentium/ Pentium,PowerPc、64-bit CPU（SUN Sparc、,DEC Alpha、 HP）,改CISC 复杂指令计算机为RISC 精简指令计算机,采取各种方法提高计算速度、时钟频率、高速总线，多级Cashe、协处理器等,增加有存储器（RAM/ROM）寄存器、时钟、计数器、定时器、串/并口、有的还有A/D和D/A,发展方向,26,采用硬件乘法器和哈佛结构设计的,CPU,标志,DSP,的诞生，如,Upd7720,、,TMS32010,DSP,独特的设计和优点，发展迅速，应用广泛,2.,DSP（Digital Signal Processor）的问世,哈佛结构,程序,存储器,CPU,数据,存储器,地址总线,程序总线,多数据总线,多地址总线,27,二、DSP的特点,哈佛结构,硬件乘法/累加器,多总线结构,多DSP协调工作模式,特殊的DSP指令 多级流水线,片上测试口,硬件配置强,低功耗,运算精度高,28,1.Harvard结构的优点,将程序与数据存储空间分开,各有独立的地址总线和数据总线,取指和读数可以同时进行,速度大大提高,MIPS-Million Instruction Per Second,MFLOPS-Million Floating Operation Per Second,已达20亿次浮点运算/秒， 90亿次定点运算/秒,29,2. 多流水线操作技术,(Pipeline),取指,译码,寻址,取数,运算,存储,取指,译码,寻址,取数,运算,存储,取指,译码,寻址,取数,运算,存储,流水线深度可达8级,30,DSP利用硬件乘法器,通过MAC指令在单周期内完成,A（k）B（nk）,这类运算的取数、乘法、累加,3. 独立的硬件乘法器,应用于有大量重复乘法和累加运算的：,卷积、数字滤波、FFT、相关、矩阵运算等算法中,通用计算机的乘法用软件实现，用若干个机器周期,31,MACD（乘法、累加、数据移动）,FIRS(一周期内完成FIR的乘法累加存储),LMS(一周期内完成一次最小圴方值运算),位倒序（ 用于FFT运算）等特殊指令,4. 特殊的DSP指令,使FFT、卷积等运算中的寻址、排序及计算速度大大提高。1024点FFT的时间已小于1ms。,例,如,32,多通道缓冲串行口(McBSP),主机接口(HPI),DMA控制器,软件控制等待状态发生器,锁相环时钟发生器,JTAG边界扫描逻辑电路,5. 硬件配置能力强,片,内,具,有,33,可工作在3.3V、2.5V、1.8V、0.9V的低电压,休眠与等待模式时大部份时钟停止工作,6. 耗电省,7. 运算精度高,支持,32,位、,40,位、,64,位双字运算、超长指令字,最高主频可达,1.1GHz,，,运行速度,90,亿次,/,秒,34,更高的运行速度和信号处理速度,多,DSP,协同工作,更方便的开发环境,大量专用,DSP,的出现（,DSP,核）,更高的性能,/,价格比,更广泛的应用,三、DSP与MCU的比较,35,第三节 DSP,的应用,一、数字化对社会和人类的影响,二、DSP,的应用举例,四、DSP开发工具,三、DSP,的市场前景,36,一、数字化对社会和人类的影响,1. 程控交换机,2. 移动通信系统,3. 手机已不仅仅是通话的工具,4. 数字照相机,5. 高清晰度电视（HDTV）,37,6. 等离子体电视机,7. 电视台和电台的数字设备,8. 家庭影院,9.,随身看、随身听和DVD,10.飞机驾驶模拟器,11.全球定位系统（GPS）,38,12.雷 达,13.,巡航导弹制导,14.F117发射激光制导灵巧炸弹,15.,图象识别与鉴别,16.,软件无线电,39,医院用的,B,超、,CT,、,核磁共振,卫星遥感遥测,天气预报、地震预报、地震探矿,风洞试验,数字化士兵、数字化战争,其他应用,40,