基于时间抽取FFT算法的DSP实现 毕业设计(论文)开题报告

基于时间抽取FFT算法的DSP实现开题报告填写要求1开题报告（含“文献综述”）作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期内完成，经指导教师签署意见及所在专业审查后生效；2开题报告内容必须用黑墨水笔工整书写或按教务处统一设计的电子文档标准格式打印，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见；3“文献综述”应按论文的框架成文，并直接书写（或打印）在本开题报告第一栏目内，学生写文献综述的参考文献应不少于15篇（不包括辞典、手册）；4有关年月日等日期的填写，应当按照国标GB/T 740894数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法规定的要求，一律用阿拉伯数字书写。如“2004年4月26日”或“2004-04-26”。5.开题报告（文献综述）字体请按宋体、小四号书写，行间距1.5倍。毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告1结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写不少于1000字的文献综述：一、课题研究的意义 快速傅氏变换（FFT）是离散傅氏变换的快速算法，它是根据离散傅氏变换的奇、偶、虚、实等特性，对离散傅立叶变换的算法进行改进获得的。有些信号在时域上是很难看出什么特征的，但是如果变换到频域之后，就很容易看出特征了。这就是很多信号分析采用FFT变换的原因。另外，FFT可以将一个信号的频谱提取出来，这在频谱分析方面也是经常用的。FFT的这种方法充分利用了DFT运算中的对称性和周期性，降低DFT的运算量。当N比较小时，FFT优势并不明显。但当N大于32开始，点数越大，FFT对运算量的改善越明显。比如当N为1024时，FFT的运算效率比DFT提高了100倍。在库利和图基提出的FFT算法中，其基本原理是先将一个N点时域序列的DFT分解为N个1点序列的DFT，然后将这样计算出来的N个1点序列DFT的结果进行组合，得到最初的N点时域序列的DFT值。它对傅氏变换的理论并没有新的发现，但是对于在数字系统中应用离散傅立叶变换，可以说是进了一大步。随着对信号处理实时性的要求，研究进一步减少fft运算量、fft的具体实现是非常必要的。二、国内外的研究现状1、FFT的发展史及其在信号处理中的重要地位 实际上，对于FFT这种基本的思想很早就由德国伟大的数学家高斯提出过，在某种情况下，天文学计算（也是现在FFT应用的领域之一）与等距观察的有限集中的行星轨道的内插值有关。由于当时计算都是靠手工，所以产生一种快速算法的迫切需要。 而且，更少的计算量同时也代表着错误的机会更少，正确性更高。高斯发现，一个富氏级数有宽度N=N1*N2，可以分成几个部分。计算N2子样本DFT的N1长度和N1子样本DFT的N2长度。只是由于当时尚欠东风计算机还没发明。在20世纪60年代，伴随着计算机的发展和成熟，库利和图基的成果掀起了数字信号处理的革命，因而FFT发明者的桂冠才落在他们头上。 之后，桑德（G.Sand）-图基等快速算法相继出现，几经改进，很快形成了一套高效运算方法，这就是现在的快速傅立叶变换（FFT）。这种算法使DFT的运算效率提高1到2个数量级，为数字信号处理技术应用于各种信号的实时处理创造了良好的条件，大大推进了数学信号处理技术。1984年，法国的杜哈梅（P.Dohamel）和霍尔曼（H.Hollamann）提出的分裂基块快速算法，使运算效率进一步提高。 库利和图基的FFT算法的最基本运算为蝶形运算，每个蝶形运算包括两个输入点，因而也称为基-2算法。在这之后，又有一些新的算法，进一步提高了FFT的运算效率，比如基-4算法，分裂基算法等。这些新算法对FFT运算效率的提高一般在50%以内，远远不如FFT对DFT运算的提高幅度。从这个意义上说，FFT算法是里程碑式的。可以说，正是计算机技术的发展和FFT的出现，才使得数字信号处理迎来了一个崭新的时代。除了运算效率的大幅度提高外，FFT还大大降低了DFT运算带来的累计量化误差，这点常为人们所忽略。 2、进一步减少FFT计算量的方法 研究进一步减少运算量的途径，以程序的杂度复换取计算量的进一步提高多类蝶形单元运算：在基2 FFT程序中，若包含了所有旋转因子，则称该算法为一类蝶形单元运算；若去掉的旋转因子，则称之为二类蝶形单元运算；若再去掉的旋转因子，则称为三类蝶形单元运算；若再处理，则称之为四类蝶形运算。我们将后三种运算称为多类蝶形单元运算。显然蝶形单元越多，编程就越复杂，但当N较大时，乘法运算的减少量是相当可观的。例如.N=4096时，三类蝶形单元运算的乘法次数为一类蝶形单元运算的75%。旋转因子的生成在FFT运算中，旋转因子，求余弦和正弦函数值的计算量很大，所以编程时，一种方法是在每级运算中直接产生，另一种方法是在FFT程序开始前预先计算好，存放在数组中，作为旋转因子表，在程序执行过程中直接查表得到。实序列的FFT算法在实际工作中，数据x(n)一般都是实序列。如果直接按FFT运算流图计算，就是把x(n)看成一个虚部为零的复序列进行计算，这就增加了运算时间。处理这个问题有二种方法，一种是早期提出的用一个N点FFT计算N点实序列的FFT。第二种方法是用N/2点FFT计算一个N点实序列的DFT。3、利用DSP实现FFT的方法 快速算法（FFT）中,为了避免重复计算和提高运算的速度,将旋转因子表以固定的数组的形式存放。其实部和虚部交替存储。一开始，先是DSP、串口的初始化，判断是否接受够一次FFT的数据量，如果没有，进行等待；这时，如果串口的RX FIFO中接受到了数据，就会立即产生中断，RX 的数据首先存入short型的数组a中，之后，检查数组a中的数据是否达到进行FFT的要求，如果达到要求，将一次的数据量送入FFT函数，对其进行变换，再将计算的结果送入到TX FIFO中输出；如果没有达到要求，则等待RX FIFO接收新的数据而产生的中断，进而数组a继续接收RX FIFO中的数据，直到a中的数据达到要求。之所以采取两个数组的ping-pong Buffer结构是由DSP与串口结构的特点决定的。（假设作n点FFT）一旦RX FIFO接受到一个字节，将导致DSP产生一个中断，那么就需要一个Buffer对其进行接收，当接收到2n个字节时，需要对其进行一次FFT(因为FFT的输入的各点是16bit的)。若n的数目较大，那么如果在n点FFT还未算完时，RX FIFO又接收到一个字节，这时将导致前面接收的字节覆盖后来接受的字节的后果，产生错误；为了避免上述情况，可以通过复杂的软件控制使FFT计算完后，再向Buffer中写新的数据，但这大大将降低数据的处理速度。所以，需要再开一个Buffer，形成ping-pong的结构，当一个Buffer中的数据进行FFT时，如果再有数据进来，可以放在另一个Buffer中，这样反复交替进行可以大大提高运算的效率和结果的准确性。4、DSP的发展史、现状及应用前景 DSP的功能越来越强，应用越来越广，达到甚至超过了微控制器的功能，比微控制器做得更好而且价格更便宜，许多家电用第二代DSP来控制大功率电机就是一个很好的例子。汽车、个人通信装置、家用电器以及数以百万计的工厂使用DSP系统。数码相机、IP电话和手持电子设备的热销带来了对DSP芯片的巨大需求。而手机、PDA、MP3播放器以及手提电脑等则是设备个性化的典型代表，这些设备的发展水平取决于DSP的发展。新的形势下，DSP面临的要求是处理速度更高，功能更多更全，功耗更低，存储器用量更少。 DSP的技术发展将会有以下一些走势： （1）系统级集成DSP是潮流。小DSP芯片尺寸始终是DSP的技术发展方向。当前的DSP尺寸小、功耗低、性能高。各DSP厂商纷纷采用新工艺，改进DSP芯核，并将几个DSP芯核、MPU芯核、专用处理单元、外围电路单元、存储单元统统集成在一个芯片上，成为DSP系统级集成电路。 （2）追求更高的运算速度和进一步降低功耗和几何尺寸。由于电子设备的个人化和客户化趋势，DSP必须追求更高更快的运算速度，才能跟上电子设备的更新步伐。同时由于DSP的应用范围已扩大到人们工作生活的各个领域，特别是便携式手持产品对于低功耗和尺寸的要求很高，所以DSP有待于进一步降低功耗。按照CMOS的发展趋势，依靠新工艺改进芯片结构，DSP运算速度的提高和功耗尺寸的降低是完全可能的。（3）DSP的内核结构进一步改善。DSP的结构主要是针对应用，并根据应用优化DSP设计以极大改进产品的性能。多通道结构和单指令多重数据、超长指令字结构、超标量结构、超流水结构、多处理、多线程及可并行扩展的超级哈佛结构(SHARC)在新的高性能处理器中将占据主导地位。（4）DSP嵌入式系统。DSP嵌入式系统是 DSP系统嵌入到应用电子系统中的一种通用系统。这种系统既具有DSP器件在数据处理方面的优势，又具有应用目标所需要的技术特征。在许多嵌入式应用领域，既需要在数据处理方面具有独特优势的DSP，也需要在智能控制方面技高一筹的微处理器(MCU)。因此，将DSP与MCU融合在一起的双核平台，将成为DSP技术发展的一种新潮流。（5）DSP的发展非常迅速，而销售价格逐年降低目前DSP的结构、总线、资源和接口技术都趋于标准化，尤其接口的标准化进展更快。这给从事系统设计的工程技术人员带来很大机遇，采用先进的DSP将会使开发的产品具有更强的市场竞争力。三、课题采用的技术 本课题将在CCS环境下，实现基于时间抽取的FFT算法。一、CCS的简介 CCS是一种针对TMS320系列DSP的集成开发环境,在Windows操作系统下，采用图形接口界面，提供环境配置、源文件编辑、程序调试、跟踪和分析等工具。 CCS有两种工作模式： 1、软件仿真器模式：可以脱离DSP芯片，在PC机上模拟DSP的指令集和工作机制，主要用于前期算法实现和调试。 2、硬件在线编程模式：可以实时运行在DSP芯片上,与硬件开发板相结合在线编程和调试应用程序。二、CCS的优点 CCS支持多DSP的调试；支持RTDX技术，可在不中断目标系统运行的情况下，实现DSP与其他应用程序的数据交换；提供DSP/BIOS工具，增强对代码的实时分析能力。CCS采用Windows风格界面，集编辑、编译、链接、软件仿真、硬件调试以及实时跟踪等功能于一体，极大地方便了DSP芯片的开发与设计，在对DSP的算法性能评估上是一个方便的工具。四、参考文献1 乔锐萍，崔涛，张芳娟TMS320C54x DSP原理与应用西安电子科技大学出版社M，2005.2 Rulph ChassaingDSP原理及其C编程开发技术电子工业出版社M，2005.3 于凤芹，张贞凯，张庆荣TMS320 C6000DSP结构原理与硬件设计北京航空航天大学出版社M，2008.4 郑红，王鹏，董云凤，吴冠DSP应用系统设计实践北京航空航天大学出版社M，2006.5 高海林，钱满义DSP技术及其应用清华大学出版社M，2009.6 汪安民，程昱DSP应用开发实用子程序人民邮电出版社M，2005.7 卢驰，胡进峰，丁庆生基于DSP的高精度雷达信号采集及FFT实现企业技术开发J，2010,29(11)：20-22。8 王笃亭基于DSP的FFT算法在无功补偿控制器上的应用现代电子技术J，2010，33(12)：194-196。9 柯勇，陶以彬，王世华间谐波检测的FFT算法改进和DSP实现北京科技大学学报J，2008,30(10)：4-8。10 朱林，王志凌，黄天戍基于DSP并行系统的FFT算法实现武汉理工大学学报J，2009，20(5)：3-6。11 李全利，刘长亮CCS上FFT运算的实现J,自动化技术与应用，2009，28(2):59-62。12 魏礼俊，胡毅在TMS320VC54x DSP上实现DIT实序列基2FFT的两种方法仪器仪表学报J，2005,26(8)：2-4。13 Giovanni Betta, Consolatina Liguori， Alfredo Paolillo， Antonio Pietrosanto. A DSP-based FFT-analyzer for the fault diagnosis of rotating machine based on vibration analysis. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement EI SCIJ,2002, 51(6)：3-8。14 Giovanni Betta, Consolatina Liguori, Antonio Pietrosanto. A multi-application FFT analyzer based on a DSP architecture. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement EI SCIJ, 2001, 50(3)：4-6。15 陈金鹰.DSP技术及应用.北京机械工业出版社M,2005.毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告2本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：课题将在CCS环境下，研究基于时间抽取的FFT算法的实现。具体研究途径为：1、 明确课题任务及要求，调研收集分析相关资料，了解本课题的研究现状，存在问题及研究意义；2、 熟练掌握集成开发环境CCS的使用方法，具体包括：CCS系统标准配置文件进行系统配置的步骤 ：启动CCS配置程序。清除以前定义的配置。选择与目标系统相匹配的配置文件。将所选中的配置文件加入到系统配置中。安装驱动程序。点击“Intall a Device Driver”，弹出选择器件驱动程序对话框。保存系统配置。打开“File”菜单，单击“Save”按钮，将系统配置在系统寄存器中，完成CCS的系统配置。创建新工程向工程中添加文件,察看源代码编译并运行程序修改并运行程序。3、掌握FFT的基本原理，实现方法，进一步减少计算量的方法； 4、选用TI TMS320 C54XDSP，在CCS环境下仿真实现DIT-FFT；5、撰写毕业论文。毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告指导教师意见：1对“文献综述”的评语：2对本课题的深度、广度及工作量的意见和对设计（论文）结果的预测：3.是否同意开题： 同意 不同意指导教师： 年 月 日所在专业审查意见：负责人： 年 月 日