江苏大学 dsp课程设计.docx

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江苏大学dsp课程设计

JIANGSUUNIVERSITY

本科生课程设计

DSP课程设计实验报告

基于ICETEK5509实验箱和基2FFT算法的频谱分析

学院名称：

计算机科学与通信工程学院

专业班级：

通信工程

学生：

指导教师：

指导教师职称：

年月

1、设计目的与意义

1、本课程设计与理论课、实验课一起构成《DSP芯片原理与应用》完整课程

体系；

2、针对理论课、实验课中无时间和不方便提及容和需强调重点进行补充与

完善；

3、以原理算法的实现与验证体会DSP技术的系统性，并加深基本原理的体会。

2、设计要求

1、系统设计要求：

⑴.设计一个以ICETEK5509为硬件主体，FFT为核心算法的频谱分析系统

方案；

⑵.用C语言编写系统软件的核心部分，熟悉CCS调试环境的使用方法，

在CCSIDE中仿真实现方案功能；

⑶.在实验箱上由硬件实现频谱分析。

2、具体要求：

⑴.FFT算法C语言实现与验证

1）参考教材14.3节FFT核心算法在CCS软件仿真环境中建立FFT工

程：

添加main（）函数，更改教材中个别语法错误，添加相应的库文

件，建立正确的FFT工程；

2）设计检测信号，验证FFT算法的正确性及FFT的部分性质；

3）运用FFT完成IFFT的计算。

⑵.单路、多路数模转换（A/D）

1）回顾CCS的基本操作流程，尤其是开发环境的使用；

2）参考实验指导和示例工程掌握5509芯片A/D的C语言基本控制流

程；

3）仔细阅读工程的源程序，做好注释，为后期开发做好系统采集前端

设计的准备。

⑶.系统集成，实现硬件频谱分析

1）整合前两个工程，实现连续信号的频谱分析工程的构建；

2）参考A/D转换示例和DSP系统功能自检示例完成硬件连接，并测试

开发系统运行效果；

3）基于现有系统，对于实时频谱分析给出进一步开发设计和系统改良

方案。

三、课程设计原理

1、DSP应用系统构成：

注：

一般的输入信号首先进行带限滤波和抽样，然后进行模数（A/D）转换，将信号变成数字比特流。

根据奈奎斯特抽样定理，对低通信号模拟，为保持信号的不丢失，抽样频率必须至少是输入带限信号的最高频率的2倍，工程上为带限信号最高频率的3-5倍。

2、快速离散傅里叶变换（FFT）的基本原理:

频谱分析系统

　　FFT是一种快速有效地计算离散傅里叶变换（DFT）的方法。

它是根据离散傅里叶变换的奇、偶、虚、实等特性，对离散傅里叶变换的算法进行改进获得的。

　　因为需要N次复数乘法和N-1次复数加法，所以计算全部X（k）

，共需要

次复数乘法和N（N-1）次复数加法。

实现一次复数乘法需要四次实数乘法和两次实数加法，一次复数加法需要两次实数加法，因此直接计算全部X（k）共需要4

次实数乘法和2N（2N-1）次实数加法。

为减少运算量，提高运算速度，就必须改进算法。

FFT算法就是不断地把长序列的DFT分解成几个短序列的DFT，并利用

的周期性和对称性来减少DFT的运算次数。

具有以下固有特性：

（1）

的周期性：

（2）

的对称性：

（3）

的可约性：

另外，

。

利用

的上述特性，将x（n）或X（k）序列按一定规律分解成短序列进行运算，这样可以避免大量的重复运算，提高计算DFT的运算速度。

算法形式有很多种，但基本上可以分为两大类，即按时间抽取（DecimationInTime，DIT）FFT算法和按频率抽取（DecimationInFrequency，DIF）FFT算法。

N=8的按时间抽取FFT

N=8的按频率抽取FFT

2.1实数序列的FFT：

反FFT运算可以表示为：

式中，

是时域信号

的傅里叶变换。

比较

和

可以看出，通过下列修改，我们可以用FFT算法来实现反FFT:

⑴增加一个归一化因子

；

⑵将

用其复共轭

代替。

由于第二点需要修改符号，因此FFT程序还不能不加修改的来计算反FFT。

因为

可见，求

的反FFT可以分为以下三个步骤：

⑴取

的共轭，得

；

⑵求

的FFT,得

；

⑶取

的共轭，并除以

，即得

。

采用这种方法可以完全不用修改FFT程序就可以计算反FFT。

3、单路、多路模数转换实验原理（AD）

⑴TMS320VC5509A模数转换模块特性：

—带置采样和保持的10位模数转换模块ADC,最小转换时间为500ns,

最大采样率为21.5KHz。

—2个模拟输入通道（AIN0-AIN1）。

—采样和保持获取时间窗口有单独的预定标控制。

⑵模数转换工作过程：

—模数转换模块接到启动转换模块后，开始转换第一通道的数据。

—经过一个采样时间的延迟后，将采样结果放入转换结果寄存器保存。

—转换结束，设置标志。

—等待下一个启动信号。

⑶模数转换的程序控制：

模数转换相对于计算机来说是一个较为缓慢的过程。

一般采用中断方式启动转换或保存结果，这样在CPU忙于其它工作时可以少占用处理时间。

设计转换程序应首先考虑处理过程如何与模数转换的时间相匹配，根据实际需要选择适当的触发转换手段，也要能及时地保存结果。

由于TMS320VC5509ADSP芯片的A/D转换精度是10位，转换结果的低10位为所需数值，所以在保留时应注意将结果的高6位去除，取出低10位有效数字。

⑷实验程序流程图：

开始

初始化CPU时钟、EMIF、AD采样时钟

启动AD0通道采集（连续

256次）存入缓冲区nADC0

启动AD1通道采集（连续256次）存入缓冲区nADC1

实验程序流程图

四.实验程序和流程图：

1、FFT

⑴FFT程序：

#include

structcompx{floatreal,imag;};//定义一个复数结构

structcompxs[257];//FFT输入和输出：

均从s[1]开始存放

structcompxEE（structcompx,structcompx）;//定义复数相乘结构

voidFFT（structcompx*,int）;//FFT函数预定义

#definepi3.14159265

structcompxEE（structcompxb1,structcompxb2）//两个复数的相乘--b1*b2

{structcompxb3;//定义相乘的结果b3

b3.real=b1.real*b2.real-b1.imag*b2.imag;

b3.imag=b1.real*b2.imag+b1.imag*b2.real;

return（b3）;}//返回相乘结果b3

/*输入：

xin（实部，虚部）,输出：

xin（实部，虚部）,N：

FFT点数*/

voidFFT（structcompx*xin,intN）

{intf,m,nv2,nm1,i,k,j=1,l;

structcompxv,w,t;//v为蝶形因子，w为中间变量

nv2=N/2;

f=N;

for（m=1;（f=f/2）!

=1;m++）{;}//计算蝶形运算的级数m=3，

nm1=N-1;

/*变址运算*/

for（i=1;i<=nm1;i++）//实现位反转

{if（i

{t=xin[j];xin[j]=xin[i];xin[i]=t;}

k=nv2;

while（k

j=j+k;}

/*fft*/

{intle,lei,ip;

for（l=1;l<=m;l++）

{le=pow（2,l）;

lei=le/2;

v.real=1.0;v.imag=0.0;//第一级蝶形运算的运算因子

w.real=cos（pi/lei）;w.imag=-sin（pi/lei）;//用于改变蝶形运算因子中间变量

for（j=1;j<=lei;j++）//改变第二,三蝶形运算的运算因子{for（i=j;i<=N;i=i+le）//循环N/le次

{ip=i+lei;

t=EE（xin[ip],v）;

xin[ip].real=xin[i].real-t.real;

xin[ip].imag=xin[i].imag-t.imag;

xin[i].real=xin[i].real+t.real;

xin[i].imag=xin[i].imag+t.imag;}

v=EE（v,w）;

}}}

return;

}

/*****************mainprograme********************/

#include

#include

#include

#include

floatresult[257];

floatinput[257];

structcompxs[257];

intNum=256;

constfloatpp=3.14159;

main（）

{

inti=1;

for（;i<257;i++）

{

//s[i].real=sin（pi*i/128）;

s[i].real=cos（2*pp*i/256）;

s[i].imag=0;

input[i]=sin（2*pp*i/256）;

}

FFT（s,Num）;

for（i=1;i<257;i++）

{

result[i]=sqrt（pow（s[i].real,2）+pow（s[i].imag,2））;

}

开始

输入xin,N

m=log2N

变址运算

l=1

结束

输出频谱图

l++

第l次蝶形运算

l<=m

}

⑵FFT流程图

3、AD

⑴AD程序

#include"myapp.h"

#include"ICETEK-VC5509-EDU.h"

#include"scancode.h"

#include"fft.h"

#include"math.h"

structcompxs0[257],s1[257];

floatinput0[256],input1[256],output0[256],output1[256];

#definepi3.14159265

voidInitADC（）;

voidwait（unsignedintcycles）;

voidEnableAPLL（）;

unsignedintnADC0[256],nADC1[256];

main（）

{inti;

unsignedintuWork;

EnableAPLL（）;

SDRAM_init（）;

InitADC（）;

PLL_Init（132）;

while

（1）

{for（i=0;i<256;i++）

{ADCCTL=0x8000;//启动AD转换，通道0

do{uWork=ADCDATA;}//ADCDATA见ICETEK-VC5509-EDU.h

while（uWork&0x8000）;

nADC0[i]=uWork&0x0fff;//0xfff→0x3ff取后十位，前两位一直为0

s0[i+1].real=nADC0[i];//实部为nADC0中的值

input0[i]=s0[i+1].real;

s0[i+1].imag=0;//虚部为0

}

for（i=0;i<256;i++）

{ADCCTL=0x9000;//启动AD转换，通道1

do{uWork=ADCDATA;}//ADCDATA见ICETEK-VC5509-EDU.h

while（uWork&0x8000）;

nADC1[i]=uWork&0x0fff;//0xfff→0x3ff取后十位，前两位一直为0

s1[i+1].real=nADC1[i];//实部为nADC1中的值

input1[i]=s1[i+1].real;

s1[i+1].imag=0;//虚部为0

}

FFT（s0,256）;//调用FFT函数对s0进行FFT变换

FFT（s1,256）;//调用FFT函数对s1进行FFT变换

for（i=0;i<256;i++）

{output0[i]=sqrt（pow（s0[i+1].real,2）+pow（s0[i+1].imag,2））;//取模

output1[i]=sqrt（pow（s1[i+1].real,2）+pow（s1[i+1].imag,2））;}

asm（"nop"）;//breakpoint

}

}

voidInitADC（）

{

ADCCLKCTL=0x23;//4MHzADCLK4*（35+1）=144MHz

ADCCLKDIV=0x4f00;

}

voidwait（unsignedintcycles）

{inti;

for（i=0;i

voidEnableAPLL（）

{/*EnusreDPLLisrunning*/

*（ioportvolatileunsignedshort*）0x1f00=4;

wait（25）;

*（ioportvolatileunsignedshort*）0x1f00=0;

//MULITPLY

*（ioportvolatileunsignedshort*）0x1f00=0x3000;

//COUNT

*（ioportvolatileunsignedshort*）0x1f00|=0x4F8;

wait（25）;

//*（ioportvolatileunsignedshort*）0x1f00|=0x800

//MODE

*（ioportvolatileunsignedshort*）0x1f00|=2;

wait（30000）;

//APLLSelect

*（ioportvolatileunsignedshort*）0x1e80=1;

//DELAY

wait（60000）;

}

⑵AD流程图

开始

初始化CPU时钟、EMIF、AD采样时钟

启动AD0通道采集（连续256次）存入缓冲区nADC0

将nADC0数据赋值给s0结构体中的实部，虚部为0

启动AD1通道采集（连续256次）存入缓冲区nADC1

将nADC1数据赋值给s1结构体中的实部，虚部为0

FFT（s0,256）

FFT（s1,256）

图5-2AD流程图

五、实验步骤及结果分析

实验步骤及结果分析

1、FFT验证的步骤和分析：

⑴实验步骤：

参考教材中的FFT核心算法在CCS软件仿真中建立FFT工程：

首先更改FFT算法中的个别语法错误，初步理解程序，其次编写main（）函数使系统能够找到程序入口地址，由于正余弦信号的频谱为脉冲信号，因此这里采用正余弦及其线性组合作为检测信号，编写检测信号程序时，应注意将采样点放入结构体数组s[257]中。

然后添加rts55.lib库文件到工程中，编译、下载，用viewgraphTime/Frequency…观察波形，设置观察窗口为：

⑵实验结果截图：

检测信号为input[i]=sin（2*pp*（i-1）/256）

检测信号input[i]=cos（2*pp*（i-1/）256）

检测信号为直流信号Input[i]=1

检测信号input[i]=sin（10*2*pp*（i-1）/256）

input[i]=0.5+sin（10*2*pp*i/256）+cos（50*2*pp*i/256）

⑶实验结果分析：

1）信号中有直流分量，有正弦信号和余弦信号，但在时域波形中得

不出信号的组成如何；

2）在0频时有直流分量；

3）正余弦信号频谱实部大小相等关于中间值（129,0）对称，虚部大

小相等方向相反，关于中间值（129,0）对称，因此验证了FFT算

法的正确性；

4）换个角度思考，可以利用此算法来验证奈奎斯特抽样定理，正余

弦时域中任意线性组合不影响频谱分布，以及验证FFT的栅栏效

应，只能看到整数倍频的点等。

2、IFFT验证的步骤和分析：

⑴实验结果截图：

1）输入信号为cos（2*pi*m/256）时

cos（2*pi*m/256）输入信号和IFFT后时域图

2）输入信号为sin（2*pi*m/256）时

sin（2*pi*m/256）输入信号和IFFT后时域图

3）输入信号为1+sin（2*pi*m/256）+cos（2*pi*m/256）时

1+sin（2*pi*m/256）+cos（2*pi*m/256）输入信号和IFFT后时域图

3、两通道模数转换（A/D）在开发环境中的调试

⑴通道波形的产生

根据实验指导书中的操作步骤调试出两通道相同的正弦波，使图像在CCS界面中动态变化，调节实验板上的频率、波形控制按钮，图形界面输出相应的波形，图6-3-1为0通道在10KHZ—100KHZ、1通道在10—100HZ事的正弦波：

4.两个工程整合后:

六、课程设计心得

本次DSP课程设计针对理论课、实验课中无时间和不方便提及容和需强调重点进行补充与完善，以原理算法的实现与验证体会DSP技术的系统性，并加深了我对基本原理的体会。

在这几天中，我学到了如下几点：

⑴通过对FFT算法进行分析研究，从基础深入研究和学习，掌握FFT

算法的关键；

⑵通过对DSP芯片工作原理以及开发环境的回顾，在DSP芯片上实现对信

号的实时频谱分析；

⑶这次课程设计，虽然不能做到完全理解掌握，但依然让我加深了对各门专

业课之间的联系；

⑷通过与同组成员的互相沟通，不仅使各自的知识得到了扩充，而且从中得

到了很多的启示，增强了团队合作能力；