第2章 高速数字信号处理

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1、第二章第二章 数字信号处理技术概述数字信号处理技术概述2.1 数字信号处理器的特点数字信号处理器的特点 2.2 数字信号处理器的应用领域数字信号处理器的应用领域 2.3 数字信号处理器的选择和发展数字信号处理器的选择和发展 2.4 数字信号处理系统的构成数字信号处理系统的构成 2.5 数字信号处理系统的设计数字信号处理系统的设计 2.1 数字信号处理器的特点数字信号处理器的特点 高速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)。自第一个DSP（TI的TMS32010）问世以来，处理器技术水平得到了十分迅速的提高，而快速付立叶变换等实用算法的提出促进了专门实现数字信号处理的一类微处

2、理器的分化和发展。数字信号处理有别于普通的科学计算与分析。它强调运算处理的高速实时性，因此DSP除了具备普通微处理器所强调的高速运算和控制功能外，针对高速实时数字信号处理，在处理器结构、指令系统、指令流程上做了很大的改动，其结构特点如下： DSP普遍采用了数据总线和程序总线分离的哈佛结构及改进的哈佛结构，比传统处理器的冯诺依曼结构有更高的指令执行速度； DSP大多采用流水技术，即每条指令都由片内多个功能单元分别完成取指、译码、取数、执行等多个步骤，从而在不提高时钟频率的条件下减少了每条指令的执行时间； 片内有多条总线可以同时进行取指令和多个数据存取操作，并且有辅助寄存器用于寻址，它们可以在寻址

3、访问前或访问后自动修改内容，以指向下一个要访问的地址； 针对滤波、相关、矩阵运算等需要大量乘法累加运算的特点，DSP大都配有独立的乘法器和加法器，使得同一时钟周期内可以完成相乘、累加两个运算，许多DSP可以同时进行乘、加、减运算，大大加快了FFT的蝶形运算速度； 图2.1 冯诺依曼结构图2.2 哈佛结构及改进的哈佛结构 许多DSP带有DMA通道控制器，以及串行通信口等，配合片内多总线结构，数据块传送速度大大提高； 配有中断处理器和定时控制器，可以很方便地构成一个小规模系统； 具有软、硬件等待功能，能与各种存储器接口。 数字信号处理器（DSP）、通用微处理器（MPU）、微控制器（MCU）三者的区

4、别在于：DSP面向高性能、重复性、数值运算密集型的高速实时处理；MPU大量应用于计算机；MCU则适用于以控制为主的处理过程。 DSP本身具有以下功能，支持其高速实时数字信号处理应用：单指令周期的乘、加操作；特殊的高速寻址方式，可以在其它操作进行的同时完成地址寄存器指针的修改，并具有循环寻址、位反序寻址功能。循环寻址用于FIR滤波器，可以省去相当于迟延线功能的大量数据移动，用于FFT则可以紧凑地存放旋转因子表；位反序利于FFT的快速完成；针对高速实时处理所设计的存储器接口，能在单指令时间内完成多次存储器或I/O设备访问；专门的指令流控制，具有无附加开销的循环功能以及延迟跳转（相当于预跳转）指令；

5、专门的指令集和较长的指令字，一个指令字同时控制片内多个功能单元的操作；单片系统，易于小型化设计；低功耗，一般为 0.54W，采用低功耗技术的DSP只有 0.1W，可用电池供电如TI的TMS320C54X系列，对嵌入式系统很适合；而新型MPU，如 Pentium等功耗达2050W。 因此，DSP的运算速度要高得多，以FFT、相关为例，高性能DSP不仅处理速度是MPU的410倍，而且可以流水无间断地完成数据的高速实时输入输出。 DSP结构相对单一，普遍采用汇编语言编程，其任务完成时间的可预测性比结构和指令复杂（超标量指令）、严重依赖于编译系统的MPU强得多。以一个FIR滤波器实现为例，每输入一个数

6、据，对应每阶滤波器系数需要一次乘、一次加、一次取指、二次取数，有时还需要专门的数据移动操作，DSP可以单周期完成乘加并行操作以及34次数据存取操作，而普通MPU至少需要4个指令周期，因此，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。 正是基于DSP的这些优势，在新推出的高性能通用微处理器（如 Pentium MMX、Pentium、Pentium 4等）片内已经融入了 DSP的功能，而以这种通用微处理器构成的计算机在网络通信、语音图像处理、高速实时数据分析等方面的效率大大提高。 不同类型DSP适用于不同场合。早先DSP都是定点的，可以胜任大多数数字信号处理应用，但在

7、某些场合，如雷达、声纳信号处理中，数据的动态范围很大，按定点处理会发生数据溢出或下溢出，严重时处理无法进行。如果用移位定标或用定点模拟浮点运算，程序执行速度将大大降低。浮点DSP的出现解决了这些问题，它拓展了数据动态范围，常见的16bit定点DSP动态范围仅96dB，每增加1bit，动态范围只增加6dB；而32bit浮点数据的动态范围为1536dB。浮点DSP的处理性能在许多情况下要比定点DSP高得多。得益于VLSI技术，32位浮点DSP在各项指标上都远好于定点DSP，它可以完成32位定点运算，具备更大的存储访问空间，而且最新发展的并行DSP大都采用浮点格式，还有一点就是高级语言（如C语言）编

8、译器主要面向浮点DSP，这使得普通计算机上的源码程序可以移植到DSP设计中而无需大的修改。 目前DSP峰值运算能力达每秒24亿次，但相对于所要求的每秒几百亿、上千亿次运算来说仍远远不够。而且VLSI技术的发展已经受到开关速度极限的限制，提高DSP主频所遇到的难度和付出的成本越来越大，单处理器性能的提高空间受到限制，为此，引入了并行处理技术。其实在许多DSP的多级流水处理、相乘累加同时进行等功能中已经融入了片内并行技术，TMS320C6X进一步发展了超长指令字（VLIW）和多流水线技术。在每条长达256bit的指令字中规定了多条流水线、多个处理单元的并行操作。DSP并行技术的主流则是向片外片间并

9、行发展，因为这种并行可以不受限制地扩大并行规模。以TMS320C4X和ADSP2106X为代表的并行DSP为用户提供了设计大规模并行系统的硬件基础，它们都提供了6个通信（链路）口，并为共享总线系统的设计提供了相应的总线控制信号线，可以组成松耦合的分布式并行系统和紧耦合的总线共享式并行系统。 2.2 数字信号处理器的应用领域数字信号处理器的应用领域 随着DSP性能的迅速提高和成本价格的大幅度下降，DSP的应用范围不断扩大，成为当前产量和销售量增长最快的电子产品之一。DSP应用几乎遍及整个电子领域，常见的典型应用有： 1通用数字信号处理通用数字信号处理 数字滤波、卷积、相关、FFT、希尔伯特变换、

10、自适应滤波、窗函数、波形发生等。 2通信通信 高速调制解调器、编译码器、自适应均衡器、传真、程控交换机、蜂窝移动电话、数字基站、回音消除、噪声抑制、电视会议、保密通信、卫星通信、TDMA/FDMA/CDMA等各种通信制式。随着互联网络的迅猛发展，DSP又在网络管理服务、信息转发、IP电话等新领域扮演着重要角色，而软件无线电的提出和发展进一步增强了DSP在无线通信领域的作用。 3语音处理语音处理 语音识别、合成、矢量编码、语音信箱。 4图形图像处理图形图像处理 三维图像变换、模式识别、图像增强、动画、电子出版、电子地图等。 5自动控制自动控制 磁盘、光盘、打印机伺服控制、发动机控制。 6仪器仪表

11、仪器仪表 测量数据谱分析、自动监测及分析、暂态分析、勘探、模拟试验。 7医学电子医学电子 助听器、CT扫描、超声波、心脑电图、核磁共振、医疗监护等。 8军事与尖端科技军事与尖端科技 雷达和声纳信号处理、雷达成像、自适应波束合成、阵列天线信号处理、导弹制导火控系统、战场C3I系统、导航、全球定位GPS、目标搜索跟踪、尖端武器试验、航空航天试验、宇宙飞船、侦察卫星。 9计算机与工作站计算机与工作站 阵列处理机、计算加速卡、图形加速卡、多媒体计算机。 10消费电子消费电子 数字电视、高清晰度电视、图像声音压缩解压器、VCDDVDCD播放机、电子玩具、游戏机、数字留言应答机、汽车电子装置、音响合成、住