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DSP芯片系统介绍

发布时间:2016-07-04 19:35:45

DSP芯片是利用计算机、微处理器或专用处理设备,以数字形式对信号进行采集、变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理,以得到符合需要的信号形式。DSP芯片在通信、自动控制、航空航天、仪器仪表、家用电器等众多领域里得到越来越广泛的应用。

DSP芯片构成

DSP芯片结构示意图

上面一个典型的DSP芯片示意图。输入信号可以有各种各样的形式,例如,可以是麦克风输出的语音信号,也可以是编码后在数字链路上传输或存储在计算机里的摄像机图像信号等。

一般地,输入信号首先进行带限滤波和抽样,然后进行模数(AD,AnalogtoDigital)转换将信号转换成数字比特流。根据奈奎斯特抽样定理,对低通模拟信号,为保持信息的不丢失,抽样频率至少必须是输入带限信号最高频率的两倍。

DSP芯片的输入是AD转换后得到的以抽样形式表示的数字信号,DSP芯片对输入的数字信号进行某种形式的处理,如进行一系列的乘累加操作(MAC)。数字处理是DSP的关键,这与其他系统(如电话交换系统)有很大的不同,在交换系统中,处理器的作用是进行路由选择,它并不对输入数据进行修改。因此,虽然两者都是实时系统,但两者的实时约束条件却有很大的不同。最后,经过处理后的数字样值再经数模(DA,DigitaltoAnalog)转换,转换为模拟样值,之后再进行内插和平滑滤波就可得到连续的模拟波形。

必须指出的是,上面给出的DSP应用系统模型只是一个典型模型,但并不是所有的 DSP应用系统都必须包括模型中的所有部分。如,语音识别系统在输出端并不是连续的波形而是识别结果,如数字、文字等。有些输入信号本身就是数字信号,如 CD(CompactDisk),因此就不必进行模数转换了。

DSP芯片特点

DSP芯片是以数字信号处理为基础的,因此具有数字处理的全部优点。

接口方便

DSP应用系统与其他以现代数字技术为基础的系统或设备都是相互兼容的。与这样的系统接口以实现某种功能,要比模拟系统与这些系统接口要容易得多。

编程方便

DSP应用系统中的可编程DSP芯片可使设计人员在开发过程中灵活方便地对软件进行修改和升级。

稳定性好

DSP应用系统以数字处理为基础,受环境温度以及噪声的影响较小、可靠性高。

精度高

16位数字系统可以达到10-5的精度。

可重复性好

模拟系统的性能受元器件参数性能变化比较大,而数字系统基本不受影响,因此数字系统便于测试、调试和大规模生产。

集成方便

DSP应用系统中的数字部件有高度的规范性,便于大规模集成。

DSP芯片数字信号处理也存在一定的缺点。对于简单的信号处理任务,如与模拟交换线的控制接口,若采用DSP则可能会使成本增加。DSP芯片中的高速时钟可能带来高频干扰和电磁泄漏等问题。此外,DSP技术更新的速度很快,数学知识要求多。

虽然DSP应用系统存在着一些缺点,但其突出的优点已经使其在工业控制、通信、语音、图像、雷达、生物医学、仪器仪表等许多领域得到越来越多的应用。

DSP芯片设计

DSP应用系统设计的一般过程

DSP设计

定义系统性能指标

在设计 DSP芯片之前,首先必须根据应用系统的目标确定系统的性能指标、信号处理的要求,通常可用数据流程图、数学运算序列、正式的符号或自然语言来描述。

采用高级语言进行性能模拟

一般来说,为了实现系统的最终目标,需要对输入的信号进行适当的处理,而处理方法的不同会导致不同的系统性能,要得到最佳的系统性能必须在这一步确定最佳的处理方法,即数字信号处理的算法,因此这一步也称算法模拟或仿真阶段。例如,语音压缩编码算法就是要在确定的压缩比条件下,获得最佳的合成语音。算法模拟所用的输入数据是实际信号经采集而获得的,通常以计算机文件的形式存储为数据文件。如语音压缩编码算法模拟时所用的语音信号就是实际采集而获得并存储为计算机文件形式的语音数据文件。有些算法模拟时所用的输入数据并不一定是实际采集的信号数据,只要能够验证算法的可行性,输入假设的数据也是可以的。

设计实时DSP应用系统

实时DSP应用系统的设计包括硬件设计和软件设计两个方面。硬件设计首先要根据系统运算量的大小、对运算精度的要求、系统成本限制以及体积、功耗等要求选择合适的DSP芯片。然后,设计DSP芯片的外围电路及其他电路。软件设计和编程主要根据系统要求和所选的DSP芯片,编写相应的DSP汇编程序。若系统运算量不大,也可用高级语言(如C语言)编程。当然由于现有的高级语言编译器的效率还比不上手工编写汇编语言的效率,因此在实际应用系统中常常采用高级语言和汇编语言的混合编程方法,即在算法运算量大的地方,用手工编写的方法编写汇编语言,而运算量不大的地方则采用高级语言。采用这种方法,既可缩短软件开发的周期,提高程序的可读性和可移植性,又能满足系统实时运算的要求。

借助开发工具进行软硬件调试

软件的调试一般借助于DSP开发工具,如软件模拟器、DSP开发系统或仿真器等。调试DSP算法时一般采用比较实时结果与模拟结果的方法,如果实时程序和模拟程序的输入相同,则两者的输出应该一致。应用系统的其他软件可以根据实际情况进行调试。硬件调试一般采用硬件仿真器进行调试,如果没有相应的硬件仿真器,且硬件系统不是十分复杂,也可以借助于一般的工具进行调试。

系统集成与独立系统运行

系统的软件和硬件分别调试完成后,就可以将软件脱离开发系统而直接在应用系统上运行。当然,DSP应用系统的开发,特别是软件开发是一个需要反复进行的过程,虽然通过算法模拟基本上可以知道实时系统的性能,但实际上模拟环境不可能做到与实时系统环境完全一致,而且将模拟算法移植到实时系统时必须考虑算法是否能够实时运行的问题。如果算法运算量太大不能在硬件上实时运行,则必须重新修改或简化算法。

DSP芯片开发

要开发一个完整的DSP应用系统,需要借助于诸多软硬件开发工具,下表列出了可能需要的开发工具。需要注意的是,有些工具不一定是必备的,如逻辑分析仪。有些工具则是可选的,如算法模拟时可以用C语言,也可以用MATLAB语言,还可以用其他程序语言。在采用TI公司的DSP芯片进行系统开发时,一般需采用CCS(CodeComposerStudio)工具软件,它是一个集成开发环境,包括了编辑、编译、汇编、链接、软件模拟、调试等几乎所有需要的软件。此外,如果 DSP应用系统中还有其他微处理器(如 MCS-51系列单片机),当然还必须有相应的开发工具支持。

开发步骤 开发内容 开发工具支持
硬件支持 软件支持
1 算法模拟 计算机 C语言,MATLAB语言等
2 DSP编程 计算机 编辑器(如Edit、Ultraedit等)
3 DSP调试 计算机,仿真器 DSP代码生成工具(包括 C编译器、汇编器、链接器等)、DSP软件模拟器 Simulator、CCS等)
4 DSP硬件设计 计算机 电路设计软件(如 Protel98、其他相关软件(如EDA软件等)
5 DSP硬件调试 计算机、DSP仿真器、示波器、信号发生器、逻辑分析仪等 相关支持软件
6 系统集成 计算机、DSP仿真器、编程器、示波器、信号发生器、逻辑分析仪等 相关支持软件

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