DSP大作业报告DSP原理及其应用.docx
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DSP大作业报告DSP原理及其应用
1前言...............................................................3
1.1课程设计背景.....................................................3
1.2课程设计目的.....................................................3
1.3课程设计内容.....................................................3
1.1课程设计要求.....................................................3
2DSP及其开发环境...................................................4
2.1DSP系统的构成....................................................4
2.2DSP系统的特点及设计过程.........................................4
2.3TI和DSP介绍..................................................5
2.3.1C54x芯片.......................................................5
2.3.2C5410体系结构.................................................6
2.3.3中央处理器CPU.................................................7
2.3.4数据存储器寻址.................................................8
2.3.5程序存储器寻址................................................8
2.3.6流水线操作.....................................................8
2.3.7片上外设......................................................8
2.3.8外部总线接口..................................................8
2.3.9IEEE1149.1标准的逻辑扫描电路.................................9
2.4.1DSK简介........................................................9
2.4.2CCS开发环境....................................................10
3数字滤波器的设计原理......................................12
3.1关于IIR与FIR滤波器................................................12
3.2FIR滤波器的设计.................................................12
3.1.1FIR滤波器的基本结构.............................................12
3.1.2FIR滤波器的常规设计方法........................................13
3.3窗函数法设计FIR滤波器............................................15
3.3.1典型窗口函数介绍................................................15
3.3.2利用Hamming窗设计低通滤波器.....................................15
1前言
1.1课程设计背景
随着信息时代的到来,数字信号处理已经成为当今一门极其重要的学科和技术,并且在通信、语音、图像、自动控制等众多领域得到了广泛的应用。
在数字信号处理中,数字滤波器占有极其重要的地位,它具有精度高、可靠性好、灵活性大等特点。
现代数字滤波器可以用软件或硬件两种方式来实现。
软件方式实现的优点是可以通过滤波器参数的改变去调整滤波器的性能。
在信号处理领域中,对于信号处理的实时性、快速性的要求越来越高,因此在许多信息处理过程中,如对信号的过滤、检测、预测等,都要广泛地用到滤波器。
其中数字滤波器具有稳定性高、精度高、设计灵活、实现方便等许多突出的优点,避免了模拟滤波器所无法克服的电压漂移、温度漂移和噪声等问题,因而随着数字技术的发展,用数字技术实现滤波器的功能越来越受到人们的注意和广泛的应用。
而有限冲激响应(FIR)滤波器能在设计任意幅频特性的同时保证严格的线性相位特性,在声音和数据传输中应用非常广泛。
在计算量相等的情况下IIR数字滤波器比FIR滤波器的幅频特性优越,频率选择性也好,但是它有着致命的缺点相位特性不好控制,它的相位特性是的非线性函数。
例如双线性变换法产生的IIR滤波器模拟指标的频率与数字化指标的频率转换关系是,这是使频率产生严重的非线性的原因,这种W与w的非线性关系,使数字滤波器与模拟滤波器在响应与频率的对应关系上发生了畸变,如果需要线性相位,就必须用全通网络进行复杂的相位校正但是,在对程序运行周期数要求十分严格的DSP处理中加上一个全通均衡器是十分浪费资源的,另外即使加上全通均衡器对于因果的IIR滤波器仍将得不到线性的相位。
在现代电子系统中如图像处理数据传输等波形传递系统中都越来越多的要求信道具有线性的相位特性在这方面FIR滤波器具有独到的优点,它可以在幅度特性随意设计的同时保证精确严格的线性相位。
1.2课程设计目的
掌握FIR数字滤波器的设计思路及方法步骤,学会设计低通滤波器;
学会利用DSP技术课程以及其他有关先修课程的理论和生产实际知识去分析和解决具体问题;
熟悉汇编语言,学会用DSK/DEC5402CCS2.0软件编写汇编语言程序;
培养自己对工程设计的独立工作能力。
1.3课程设计内容
通过使用Matlab设计相应的FIR低通数字滤波器,得到滤波器H(z)的系数,然后根据这些系数,编写关于DSP的汇编程序。
在CCS软件上对已采集信号进行处理,最后滤除高频信号,输出我们需要的低频语音信号。
效果本文采取比较滤波前后信号的频谱图。
1.4课程设计要求
1、滤波器的设计的原理介绍;
2、FIR滤波器的设计;
3、FIR滤波器的DSP实现;
4、滤波器的为一低通滤波器,具体参数要求自己设定(不要与课本相同)
2.DSP及其开发环境
2.1DSP系统的构成。
一个典型的DSP系统如图1示。
图1典型的DSP系统
图1是一个用DSP做信号处理的典型框图。
由于DSP是用来对数字信号进行处理的,所以首先必须将输入的模拟信号变换为数字信号。
于是先对输入模拟信号进行调整,输出的模拟信号经过A/D变换后变成DSP可以处理的数字信号,DSP根据实际需要对其进行相应的处理,如FFT、卷积等;处理得到的结果仍然是数字信号,可以直接通过相应通信接口将它传输出去,或者对它进行D/A变换将其转换为模拟采样值,最后再经过内插和平滑滤波就得到了连续的模拟波形模拟信号。
当然,图中的有些环节并不是必需的。
如A/D转换,如果输入的是数字信号,就可以直接交给DSP进行运算。
2.2DSP系统的特点及设计过程。
由于数字信号处理系统是以数字信号处理理论为基础,所以具有数字信号处理的全部优点。
(1)接口方便
DSP系统与其它以数字技术为基础的系统或设备都是相互兼容的,比模拟系统与这些系统接口要容易的多。
(2)编程方便
DSP系统中的可编程DSP芯片可以使设计人员在开发过程中灵活方便的进行修改和升级,可以将C语言与汇编语言结合使用。
(3)具有高速性
DSP系统的运行较高,最新的DSP芯片运行速度高达10GMIPS以上。
(4)稳定性好
DSP系统以数字处理为基础,受周围环境,如噪声、温度等的影响小、可靠性高;
(5)精度高
例如16位数字系统可以达到10-5的精度;
(6)可重复性好
模拟系统的性能受元件参数性能变化影响大,而数字系统基本不受影响,更便于测试、调试和大规模生产。
(7)集成方便
DSP系统中的数字部件有高度的规范性,便于大规模生产。
当然DSP也存在一定的缺点。
例如,对于一些简单的信号处理任务,如与模拟交换线的电话接口,若采用DSP则使成本增加。
另外,DSP系统中的高速时钟通常在几十兆赫,可能带来高频干扰和电磁泄漏等问题,而且DSP的功率消耗在系统中也是较大的。
此外,DSP技术发展得很快,数学知识要求多,开发和调试工具还很不完善。
虽然DSP系统还存在一些缺点,但是随着近两年来DSP技术突飞猛进的发展,成本的下降,很多问题都得到了缓解。
其突出的优点已经使其在通信、语音、图像、雷达、生物医学、工业控制、仪器仪表等许多领域得到越来越广泛的应用。
2.3TI和DSP介绍
TI公司DSP种类多,品种齐全,适合各种需要。
目前,使用较为广泛的主要有三个系列:
C2000,C5000和C6000。
其他系列产品应用较少或已经淘汰。
每个系列又有多种DSP可供选择。
同一系列的DSP具有相同的内核、相同或兼容的汇编指令集;它们之间的差别是具有不同大小的片内存储器、不同的片内外设和外部接口等,工作电压和速度也有所区别。
以上3大系列DSP实现功能的侧重点不同,也就是说应用领域有所不同:
(1)C2000系列是16位定点DSP。
它是一个控制器系列,主要应用于工业控制领域,它除了具有一个DSP内核外,还有大量的片内外设资源,如A/D、定时器、各种同步和异步串口、看门狗、CAN总线接口等;加上其价格低廉,速度更高,可靠性更强,可以取代传统单片机。
内部具有Flash,方便固化程序,而其他系列DSP都没有内部Flash。
(2)C5000系列DSP是16位定点低功耗DSP,性价比极高,主要应用于无线通信系统及手持式通讯产品,如手机,PDA和GPS等。
C5000又分为C54X和C55X两个系列。
相对C2000系列来说,其内部存储更大,运行速度更快,更适合执行较为复杂的数字信号处理任务,但控制功能相对较弱。
一般由核心电压和I/O电压两种电压供电。
核心电压较低,所以功耗很低,且体积很小,方便集成。
(3)C6000系列是32位的DSP系列。
在TI的所有系列DSP中运行速度最快。
其中C62XX是定点DSP,而C64XX和C67XX是浮点DSP,它主要应用于需要大量快速运算的场合,如数字视频处理、无线基站等。
由于速度很高,所以功耗也很大。
2.3.1C54x芯片
在本设计中使用的DSP是TMS320VC5410。
它属于TIC5000系列中的C54X系列,正如前面所说,同一系列的DSP具有相同的内核、相同或兼容的汇编指令集,差别仅在于内存储器的大小,片内外设等等,所以就首先介绍一下C54系列DSP普遍具有的特点和性能。
54X具有改进的哈佛结构,使其处理能力达到最大。
分开的程序空间和地址空间提供了高度的并行性,可以同时访问程序指令和数据,例如三次读操作和一次写操作可以在一个周期内完成。
带并行存储的指令和具有特殊应用的指令充分利用了这种结构。
这种并行性支持一套强大的算术运算、逻辑运算和位操作运算,所以使得这些运算可以在单个机器周期内完成。
而且54X的运行机制还支持中断处理、重复操作和函数调用等等。
对于任意通用可编程芯片来说,一般都具备以下几个部分:
(1)内部存储器:
主要用来存储程序、执行程序、存储数据等;
(2)中央处理单元(CPU):
用来实现各种运算功能;
(3)片内外设:
用来实现一些特定功能,如时钟发生器、硬件定时器等等;
(4)外部总线接口:
用来和其他芯片接口,协同工作;
(5)通信接口:
用来从外围芯片获得数据或者将处理完的数据传输出去;
(6)内部总线:
用来连接芯片中不同的单元。
也就是说,以上各个部分的通信是通过内部总县来完成的。
2.3.2C5410体系结构.
(1)总线结构
5410体系结构由8条主要的16位总线、4条程序/数据总线和4条地址总线构成。
其中程序总线PB从程序存储器装载指令码和立即操作数3条数据总线CB、DB、EB负责将片上的各个不同的部分相互连接。
例如,CPU数据地址产生逻辑、程序地址产生逻辑、片上外设和数据存储器,其中CB和DB从数据存储器读取操作数,EB把操作数写到数据存储器4条地址总线PAB、CAB、DAB、EAB负责装载指令执行所需要的地址。
PB能加载保存于程序存储空间的操作数(如系数表)到乘法器和加法器进行乘-加操作或利用数据移动指令(MVPD和READA)把操作数移动到数据存储空间的目的地址中。
这种性能与双操作数读取的特性一起使54x支持单周期三操作数指令。
54x还有一条双向的片上总线用于访问片上外设,这条总线轮流使用DB和EB与CPU连接。
(2)内部存储器
5410存储器被组织成三个独立的可选择的空间:
程序存储空间、数据存储空间和I/O空间,大小都是64K,总共是192K。
大小包括随机存储器RAM和只读存储器ROM。
其中5410采用的RAM双存取访问RAM(DARAM)。
片上双存取访问RAM(DARAM)被组织在一些块上,因为每个DARAM块能够在每个机器周期中被访问两次,结合并行的体系结构,使得5410得以在指定的周期内完成四个并发的存储器操作。
一个取指操作、两个数据读操作和一个数据写操作,DARAM总是被映射到数据存储空间上,也可被映射进程序存储空间用于保存程序代码5410的26个CPU寄存器和片上外设寄存器被映射在数据存储空间。
C5410提供了三个控制位用于在存储空间中配置片上存储器,利用这三个控制位可以设置片上存储器怎样配置到不同存储空间,指定是配置到程序存储空间还是数据存储空间。
以上通过设置处理器模式状态寄存器PMST中的状态位可以进行调整。
(1)P/MC:
当此位是1时,禁止片上ROM配置到5410存储空间中,即微处理器模式。
当此位是0时,允许片上ROM配置到5410的程序存储空间中,即微计算机模式;
(2)OVLY:
当OVLY=1时片上RAM配置到程序和数据存储空间中,当OVLY=0时,片上RAM仅配置到数据存储空间;
(3)DROM:
当DROM=1时,片上ROM配置到程序和数据存储空间;当DROM=0时,片上ROM不配置到数据存储空间,DROM与MP/MC状态无关。
程序存储空间
当芯片复位时,复位、中断和陷阱矢量分配在FF80h开始的程序存储空间5410允许中断向量表重定位到任意一个128字的边界上,这让使用者可以把中断向量表放到程序存储器的其他位置,并从程序存储空间中删除片上ROM片上ROM中有128个字用于保存检测设备,应用代码要避开这段存储器FF00h-FF7Fh在5410片上的ROM中固化有以下内容。
其中片上ROM中固化的Sine表在程序中有着更广泛的应用价值,C5410利用页扩展的方式可以扩展程序存储器最多达1MB,为了实现页扩展,C5410提供了一些增强的特性:
(1)20条地址线;
(2)额外的存储器映射寄存器,扩展程序计数器XPC;
(3)六条额外的指令用于寻址扩展的程序存储空间,C5410有16页存储空间,每页64K当片上RAM配置到程序存储空间后扩展程序存储器的所有被分为两个部分:
共享部分和独立部分。
共享部分在任何一页都可以访问,独立部分则仅在特定页中访问。
当片上ROM可以访问时ROM配置到程序空间的第0页,在其他页中不能访问片上,ROM芯片通过XPC的值来访问程序存储器的各个页。
XPC作为存储器映射寄存器被放到数据存储器的001Eh处。
数据存储空间
C5410可以寻址64K的数据存储空间片上的ROM,双存取RAM(DARAM)可以通过软件配置到数据存储空间中,芯片在访问存储器时会自动访问这些单元。
当DAGEN数据地址产生器产生了不在片上存储器的地址时会自动产生一个外部总线操作。
一般将片上ROM配置到数据存储空间,需要修改PMST寄存器的DROM位,来允许将片上ROM当作数据存储器来访问。
C5410的数据存储器第0页的0000h-007Fh存放着寄存器映射寄存器内容包括:
(1)无等待状态访问的CPU寄存器共26个
(2)片上外设的控制和数据寄存器存放在0020h-005Fh的地址中
(3)用于补充的32个字的DARAM,这就不必将较大的RAM块分成小碎片
下面重点介绍几个重要的寄存器:
(1)中断寄存器IMRIFR
地址0h和1h其中中断屏蔽寄存器IMR可以个别的禁止或允许指定的可屏蔽中断,中断标志寄存器IFR可以指定当前的中断状态;
(2)状态寄存器ST0ST1
地址6h和7h状态寄存器包含C5410的不同的状态和模式,其中ST0包括了算术运算和位操作使用的状态位OVA、OVBC和TC及DP字段ARP字段,ST1反映了处理器和指令执行所依赖的模式和状态;
(3)辅助寄存器AR0~AR7
地址10h到17h共有8个16位的辅助寄存器可被CPU和辅助寄存器算术单元ARAus修改。
主要作用是产生16位的数据存储空间地址或作通用目的寄存器或保存变量;
(4)处理器模式状态寄存器
PMST地址1Dh用于控制存储器的配置;
(5)扩展程序计数器XPC
地址1Eh高7位指定当前程序存储器的页,低位指定当前程序存储器的地址。
3、I/O空间
C5410提供了64K的I/O空间,寻址范围是0000H-0FFFFH,作用是与片外设备连结PORTR和PORTW两条指令可以访问这段存储空间。
它适用于访问映射到I/O空间的设备而不是存储器。
2.3.3中央处理器CPU
C5410与其它的54x芯片使用相同的CPU它包括:
(1)40位算术逻辑单元(ALU)
(2)两个40位的累加器
(3)桶形移位器
(4)17*17位的乘法器
(5)40位加法器
(6)比较、选择和存储单元(CSSU)
(7)数据地址产生器DAGEN和程序地址产生器(PAGEN)
另外,还包括了指数译码器等特殊应用硬件元件,通过这些硬件极大的提高了C5410在作算术运算时的能力。
2.3.4数据存储器寻址
C5410提供了七种基本的寻址方式,如表1示。
表1TMS320C54X的寻址方式
2.3.5程序存储器寻址
PC寄存器一般用于程序存储器寻址。
由程序存储器地址产生逻辑PAGEN加载,一般PAGEN在取指之后连续增加PC值。
但当遇到非顺序的操作,如跳转,调用返回条件操作指令重复复位和中断时PC值产生非连续的变化。
2.3.6流水线操作
C5410的流水线一共有6级,流水线的每一级都是独立运行的,一个周期可以由六条指令处于流水线上的不同阶段。
当PC值出现非连续的变化时,如跳转调用和返回一条或多条流水线上的指令会被放弃。
2.3.7片上外设
C54x包含有相同的CPU,但是CPU连结不同的片上外设C5410包括的外设有:
(1)通用目的输出引脚BIO和XF
(2)软件等待状态发生器
(3)可编程存储器切换逻辑
(4)并行口
(5)硬件定时器
(6)串行口,主要是多通道缓冲串行口
2.3.8外部总线接口
C5410能寻址64K的数据存储器,64K的程序存储可外部扩展和64K的I/O空间,任何对外部存储器或I/O设备的访问都要使用外部总线接口,外部总线接口的READY引脚和片上的软件等待状态发生器保证处理器能够与各种速度不同的外部设备连接。
外部总线接口的HOLD方式允许其他设备占用54x的外部总线。
这样,外部设备就可以访问54x的程序存储器、数据存储器和I/O空间上的资源。
2.3.9IEEE1149.1标准的逻辑扫描电路
片上的JTAG接口符合IEEE1149.1标准,这个接口用于硬件仿真和测试,所应用的TI公司提供的开发套件中就包含了一个硬件仿真器,使用硬件仿真器可以缩短工程开发周期,提高工作效率。
2.4DSP的开发环境
DSP的开发系统包括硬件和软件两个方面。
其中硬件包括一套DSK开发板和仿真器;软件包括CCS开发环境。
DSP的开发主要是围绕着这两方面进行的。
2.4.1DSK简介
DSK的全称是DSPStarterKit,即DSP初学者套件。
DSK为用户提供了一个开发DSP的方便的平台。
由于DSK板上提供了基本的硬件支持,结合适当的软件开发工具,简化了开发工作,缩短了开发周期,在DSK板上主要包括如下资源:
100MHzVC5402DSP芯片
64K字外部扩展的SRAM64K*16
256K字的FLASH存储器256K*16
仿真器JTAG测试总线控制器SN74ACT8990JTAGTBC及与主机相连接的并行接口模/数转换器TITLC320AD50A/Dconverter两个
电话接口(DAA)
麦克风/扬声器接口
并行口
RS-232串行口
扩展子板接口
LED*4其中三个可供程序运行时点亮提示
DSK板上提供的丰富的硬件资源,使得开发过程中硬件方面可以节省大量的工作。
DSK板上提供了一个八位跳线开关,可以通过它申请外部中断,实现不同的功能。
另外,板上还提供了诸如14针的外部JTAG接头,10针的CPLD的JTAG接头,25针的符合IEEE-1284的为JTAG/HPI接入提供的并口等外部接口,通过JTAG接头可以与计算机内运行的CCSCodeComposerStudio进行实时数据交换RTDX提高编程调试的效率通过JTAG接头与主机进行实时数据交换的过程可见图3示。
图3实时数据交换的过程
JTAG接口符合IEEE1149.1标准边界扫描逻辑测试技术规范,这一技术规范是80年代由联合测试行动组JTAGJointTestActionGroup开发的,这个边界扫描测试BST结构提供了有效的测试,引线间隔致密的电路板上零部件的能力,通过BST结构测试引脚连结而不必使用物理测试探针,可以在器件正常工作时,获功能数据。
器件的边界扫描单元能够迫使逻辑追踪引脚信号或是从引脚或器件核心逻辑信号中捕获数据,强行加入的测试数据串行移入边界扫描单元捕获的数据串行移出并在器件外部同预期的结果进行比较。
通过扩展可以将多个器件连成菊花链,一次进行统一的输入与读出操作。
TI提供的增强型JTAG连接,是一种可与任意DSP系统相连的低侵扰式的连接,使得CCS能够控制程序的执行,实时监视程序运行。
通过主机和DSPAPIs提供主机和DSP之间的双向实时数据交换,能够使开发者实时连续的观察到DSP应用的实际工作方式,仿真接口提供主机一侧的JTAG连接,如TIXSD510。
2.4.2CCS开发环境
本节将介绍CCSCodeComposerStudio的基本开发环境、软件开发过程、CCS组件。
CCS提供了配置、建立、调试、跟踪和分析程序的工具,它便于实时、嵌入式信号处理程序的编制和测试,能够加速开发进程,提高工
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