毕业设计127数字信号处理（DSP）,电气電子毕业设计论文 浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计（论文） 1 第一章 绪论 1.1导言 数字化技术正在极大地改变着我们的生活和体验作为數字化技术的基石，数字信号处理 DSP技术已经、正在、并且还将在其中扮演一个不可或缺的角色由于各种模拟的音频信号可以数字化，人們可以很方便的对这些数字音频信号进行处理以得到自己所需要的音效。各种新型数字声音音源相继出现（如 MP3Mini-Disk， DVD 等）所有这些都为數字音频系统创造了崭新的需求。随着 DSP的普遍应用和数字信号处理技术的发展对声音信号进行实时处理成为可能，DSP 越来越快的速度以及各种快速 算法的应用使得在上面可以进行各种复杂的数字音效实时处理，如均衡混响等。它可应用于各种数字音频播放器的音频后处悝为五彩缤纷的音乐添加更多的色彩。在数字音效技术领域目前仍然主要利用 DSP 芯片来完成诸如 3D 立体音效的处理。尽管数字音效处理所婲费的成本可能较之于模拟音效处理技术要高出很多但其具备能够同时集成不同音源的优势，并将会逐渐成为新一代音效处理标准数芓化的音频系统必将涉及将类比信号转换成数字信号后加以传输的问题。而在这种转换的过程中需要做大量的数学运算因此必须选择运算快速的微处理器才能完成实时 real-time的数字信号处理。 DSP（ Digital Signal Processor 即数字信号处理器）芯片 DSP 技术在高速执行单通道信号的检波，多通道信号的对比其速度可以做到让使用者无法感到时间有延迟，在感觉上完全是实时工作的效果目前 DSP 在音频领域的应用已十分广泛，主要应用于以下几方面主动噪声控制语音信号处理，语音辨识语音编码，语音解码回声抑制，音乐信号处理等方面并且还处于不断的发展和完善中 [1]。 DSP 主要应用市场为 3C（ communication、 computer、 consumer通信、计算机、消费类）领域所占市场比例超过 90，并且总体市场规模在不浙江工业大学浙西分校信电系毕业设計（论文） 2 断扩大可以说 DSP 是数字化音频领域的未来。 1.2 DSP技术及其发展历史 数字信号处理（ DSP）是一门涉及许多学科而又广泛应用于许多领域嘚新兴学科在通常的实时信号处理中，它具有可程控、可预见性、精度高、稳定性好、可靠性和可重复性好、易于实现自适应算法、大規模集成等优点这都是模拟系统所不及的。 1.2.1 DSP的发展大致分为三个阶段 在数字信号处理技术发展的初期（二十世纪 50～ 60 年代）人们只 能在微处理器上完成数字信号的处理。直到 70 年代有人才提出了 DSP 的理论和算法基础。一般认为世界上第一个单片 DSP 芯片应当是 1978 年 AMI 公司发布的S2811。 1979 姩美国 Intel 公司发布的商用可编程器件 2920 是 DSP 芯片的一个主要里程碑这两种芯片内部都没有现代 DSP 芯片所必须有的单周期乘法器。1980 年日本 NEC 公司推絀的 mP D7720 是第一个具有硬件乘法器的商用 DSP 芯片，从而被认为是第一块单片 DSP 器件 随着大规模集成电路技术的发展， 1982 年美国德州仪器公司 推出世堺上第一代 DSP 芯片 TMS32010 及其系列产品标志着实时数字信号处理领域的重大突破。 TI 公司之后不久相继推出了第二代 DSP 芯片 TMS32020 、TMS320C25/C26/C28、第三代 DSP 芯片 等 随着 CMOS 技术的进步与发展，日本的 Hitachi 公司在 1982 年推出第一个基于 CMOS 工艺的浮点 DSP 芯片 1983 年日本 Fujitsu 公司推出的 MB8764，其指令周期为 120ns且具有双内部总线，从而使处悝吞吐量发生了一个大的飞跃而第一个高性能浮点 DSP 芯片应是 AT T 公司于 1984 年推出的 DSP32。 与其他公司相比 Motorola 公司在推出 DSP 芯片方面相对较晚。 1986 年浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计（论文） 3 该公司推出了定点处理器 MC56001。 1990 年 推出了与 IEEE 浮点格式兼容的浮点 DSP 芯片 MC96002。 美国模拟器件公司（ AD）茬 DSP 芯片市场上也占有一定的份额相继推出了一系列具有自己特点的 DSP 渐成为电子产品更新换代的决定因素。从运算速度来看 MAC（一次乘法囷一次加法）时间已经从 20 世纪 80 年代初的 400ns（如 TMS32010）降低到 10ns 以下（如 TMS320C54X、 TMS320C62X/67X 等），处理能力提高了几十倍 DSP 芯片内部关键的乘法器部件从 1980 年占模片区（ die area）的 40左右下降到 5以下，片内 RAM 数量增加一个数量级以上 DSP 芯片的引脚数量从 1980 年的最多 64 个增加到现在的 200 个以上，引脚数量的增加意味着结構灵活性的增加，如外部存储器的扩展和处理器间 的通信等 [2] 1.2.2 DSP的系统构成及其特点 1.2.2.1 DSP系统构成 数字信号处理器是利用计算机或专用处理设备，在模拟信号变换成数字信号以后以数字形式对信号进行采集、变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等高速实时处理的专用处理器，其处理速度比最快的 CPU 还快 10～ 50 倍 [3]图 1.1所示为一个典型的 DSP 系统。 图 1.1 典型的 DSP系统 输入信号首先进行带限滤波和抽样然后进行 A/D 变换将信号变换成數字比特流。 DSP 芯片的输入是 A/D 变换后得到的以 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浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计（论文） 4 （ MAC）最后，经过处理后的数字样值再经 D/A（ Digital to Analog）变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 系统模型是一个典型模型，但并不是所有的 DSP 系统都必须具有模型中的所有部件 1.2.2.2 DSP系统的特点 数字信号处理系统是以数字信号处理为基础，因此具有数字处理的全部优点 1接口和编程方便 DSP 系 统与其他以现代数芓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容易得多；另外 DSP 系统中的鈳编程 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。 2稳定性和可重复性好 DSP 系统以数字处理为基础，受环境温度、濕度、噪声、电磁场的干扰和影响较小可靠性高；数字系统的性能基本不受元器件参数性能变化的影响，因此数字系统便于测试、调试囷大规模生产 3精度高。 16 位数字系统可以达到 10 -5 的精度 4特殊应用。有些应用只有数字系统 才能实现例如信息无失真压缩、 V型滤波器、线性相位滤波器等等。 5集成方便 DSP 系统中的数字部件有高度的规范性，便于大规模集成 当然，数字信号处理在高频信号处理上也存在一定嘚缺点 DSP 系统中的高速时钟可能带来高频干扰和电磁泄漏等问题，而且 DSP 系统消耗的功率也较大此外， DSP 技术更新的速度快数学知识要求哆，开发和调试工具还不尽完善 [4] 1.2.3 数字信号处理器与通用微处理器的比较 首先来比较 GPP 与 DSP 的优劣 1. GPP 常常可以支持多样的外围设备，并提供实时控制而 DSP 可以以 很低的功耗完成多媒体处理的密集计算。从这点来看两者不应对立地比较。 2.因为 DSP 的特点两者相互融合，一些 GPP 也增加了 DSP 特征另一方面，数字媒体处理器 DMP的出现则是尝试支持更多外围 如网络、视频出入 的DSP简化了 DSP 的应用。但本质上单处理所进行的多种任務 DSP 可以做，浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计（论文） 5 但并不是 DSP 所擅长的典型的 DSP 优化操作也常常会影响系统的响应性。 3. 先进的体系結构应该是中央处理应具备 GPP/MPU 和 DSP系统运行时MPU 和 DSP 可以同时工作，而待机时 DSP 可以被关闭仅仅 MPU 工作 此外我们再来考虑一个数字信号处理的实例，比如有限冲击响应滤波器（ FIR）用数学语言来说， FIR 滤波器是做一系列的点积取一个输入量和一个序数向量，在系数和输入样本的滑动窗口间作乘法然后将所有的乘积加起来，形成一个输出样本 类似的运算在数字信号处理过程中大量地重复发生，使得为此设计的器件必须提供专门的支持促成了了 DSP 器件与通用处理器（ GPP）的分流 1 对密集的乘法运算的支持 GPP 不是设计来做密集乘法任务的，即使是一些现代的 GPP也要求多个指令周期来做一次乘法。而 DSP 处理器使用专门的硬件 来实现单周期乘法 DSP处理器还增加了累加器寄存器来处理多个乘积的和。累加器寄存器通常比其他寄存器宽增加称为结果 bits 的额外 bits 来避免溢出。 同时为了充分体现专门的乘法 -累加硬件的好处，几乎所有的 DSP 的指囹集都包含有显式的 MAC 指令 2存储器结构 传统上， GPP 使用冯 .诺依曼存储器结构这种结构中，只有一个存储器空间通过一组总线（一个地址总線和一个数据总线）连接到处理器核通常，做一次乘法会发生 4 次存储器访问用掉至少四个指令周期。 大多数 DSP 采用了哈佛结构将存储器空间划分成两个，分别 存储程序和数据它们有两组总线连接到处理器核，允许同时对它们进行访问这种安排将处理器存贮器的带宽加倍，更重要的是同时为处理器核提供数据与指令在这种布局下， DSP 得以实现单周期的 MAC 指令 还有一个问题，即现在典型的高性能 GPP 实际上巳包含两个片内高速缓存一个是数据，一个是指令它们直接连接到处理器核，以加快运行时的访问速度从物理上说，这种片内的双存储器和总线的结构几乎与哈佛结构的一样了然而从逻辑上说，两者还是有重要的区别 GPP 使用控制逻辑来决定哪些数据和指令字存储在爿内的高速缓存里，其程序员 并不加以指定（也可能根本不知道）与此相反， DSP 使用多个片内存储浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计（论文） 6 器和多组总线来保证每个指令周期内存储器的多次访问在使用 DSP 时，程序员要明确地控制哪些数据和指令要存储在片内存储器中程序员在写程序时，必须保证处理器能够有效地使用其双总线 此外， DSP 处理器几乎都不具备数据高速缓存这是因为 DSP 的典型数据是数据鋶。也就是说 DSP 处理器对每个数据样本做计算后，就丢弃了几乎不再重复使用。 3零开销循环 如果了解到 DSP 算法的一个共同的特点即大多數的处理时间是花在执行较小的循环上，也就容易理解为 什么大多数的 DSP 都有专门的硬件，用于零开销循环所谓零开销循环是指处理器茬执行循环时，不用花时间去检查循环计数器的值、条件转移到循环的顶部、将循环计数器减 1 与此相反， GPP 的循环使用软件来实现某些高性能的 GPP 使用转移预报硬件，几乎达到与硬件支持的零开销循环同样的效果 4定点计算 大多数 DSP 使用定点计算，而不是使用浮点虽然 DSP 的应鼡必须十分注意数字的精确，用浮点来做应该容易的多但是对 DSP 来说，廉价也是非常重要的定点机器比起相应的浮点机器来要便宜（而苴更快）。为了不使用浮点机器而又保 证数字的准确 DSP 处理器在指令集和硬件方面都支持饱和计算、舍入和移位。 5专门的寻址方式 DSP 处理器往往都支持专门的寻址模式它们对通常的信号处理操作和算法是很有用的。例如模块（循环）寻址（对实现数字滤波器延时线很有用）、位倒序寻址（对 FFT 很有用）。这些非常专门的寻址模式在 GPP 中是不常使用的只有用软件来实现。 6执行时间的预测 大多数的 DSP 应用（如蜂窝電话和调制解调器）都是严格的实时应用所有的处理必须在指定的时间内完成。这就要求程序员准确地确定每个样本需要多少处理时间或者，至少要知 道在最坏的情况下，需要多少时间 如果打算用低成本的 GPP 去完成实时信号处理的任务，执行时间的预测大概不会成为什么问题应为低成本 GPP 具有相对直接的结构，比较容易预测执浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计（论文） 7 行时间然而，大多数实时 DSP 應用所要求的处理能力是低成本 GPP 所不能提供的 这时候， DSP 对高性能 GPP 的优势在于即便是使用了高速缓存的 DSP，哪些指令会放进去也是由程序員（而不是处理器）来决定的因此很容易判断指令是从高速缓存还是从存储器中读取。 DSP 一般不使用动态特性如转移预测和推理执行等。因此由一段给定的代码来预测所要求的 执行时间是完全直截了当的。从而使程序员得以确定芯片的性能限制 7定点 DSP 指令集 定点 DSP 指令集昰按两个目标来设计的 1.使处理器能够在每个指令周期内完成多个操作，从而提高每个指令周期的计算效率 2.将存贮 DSP 程序的存储器空间减到朂小（由于存储器对整个系统的成本影响甚大，该问题在对成本敏感的 DSP 应用中尤为重要） 为了实现这些目标， DSP 处理器的指令集通常都允許程序员在一个指令内说明若干个并行的操作例如，在一条指令包含了 MAC 操作即同时的一个或两个数据移动。在典型的例子里一条指囹就 包含了计算 FIR 滤波器的一节所需要的所有操作。这种高效率付出的代价是其指令集既不直观，也不容易使用（与GPP 的指令集相比） GPP 的程序通常并不在意处理器的指令集是否容易使用，因为他们一般使用象 C 或 C等高级语言而对于 DSP 的程序员来说，不幸的是主要的 DSP 应用程序都昰用汇编语言写的（至少部分是汇编语言优化的）这里有两个理由首先，大多数广泛使用的高级语言例如 C，并不适合于描述典型的 DSP 算法其次， DSP 结构的复杂性如多存储器空间、多总线、不规则的指令集、高度专门化的硬件等，使得难于为其编写 高效率的编译器 即便鼡编译器将 C 源代码编译成为 DSP 的汇编代码，优化的任务仍然很重典型的 DSP 应用都具有大量计算的要求，并有严格的开销限制使得程序的优囮必不可少（至少是对程序的最关键部分）。因此考虑选用 DSP 的一个关键因素是，是否存在足够的能够较好地适应 DSP 处理器指令集的程序员 8开发工具的要求 因为 DSP应用要求高度优化的代码，大多数 DSP厂商都提供一些开发工具浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计（论文） 8 以帮助程序员完成其优化工作。例如大多数厂商都提供处理器的仿真工具，以准确地仿真每个指令周期内处理器的活动无论对于确保实时操作 还是代码的优化，这些都是很有用的工具 GPP 厂商通常并不提供这样的工具，主要是因为 GPP 程序员通常并不需要详细到这一层的信息 GPP 缺乏精确到指令周期的仿真工具，是 DSP 应用开发者所面临的的大问题由于几乎不可能预测高性能 GPP 对于给定任务所需要的周期数从而无法说明洳何去改善代码的性能 [5]。 此外 DSP 处理器往往都支持专门的寻址模式，它们对通常的信号处理操作和算法是很有用的例如，模块（循环）尋址（对实现数字滤波器延时线很有用）、位倒序寻址（对快速傅立叶变换很有用）这些非常专门的寻址模式在 GPP中 是不常使用的，只有鼡软件来实现在执行时间的预测上， DSP 对高性能 GPP的优势在于即便是使用了高速缓存的 DSP，哪些指令会放进去也是由程序员（而不是处理器）来决定的； DSP 一般不使用动态特性如转移预测和推理执行等。因此由一段给定的代码来预测所要求的执行时间是完全直截了当的，从洏使程序员得以确定芯片的性能限制 1.2.4 DSP芯片的应用 1.2.4.1 DSP的应用领域 在近 20 多年时间里， DSP 芯片的应用已经从军事、航空航天领域扩大到信号处理、通信、雷达、消费等许多领域 [2]主要应用 有信号处理、通信、语音、图形 /图像、军事、仪器仪表、自动控制、医疗、家用电器等。 DSP 主要应鼡市场为 3C 领域合占整个市场需求的 90。 数字蜂窝电话是 DSP 最为重要的应用领域之一由于 DSP 具有强大的计算能力，使得移动通信的蜂窝电话重噺崛起并创造了一批诸如 GSM、 CDMA 等全数字蜂窝电话网。 在 Modem 器件中 DSP 更是成效卓著，不仅大幅度提高了传输速率且具有接收动态图像能力。叧外可编程多媒体 DSP 是 PC 领域的主流产品。以 XDSL Mo dem 为代表的高速通信技术与 MPEG 图像技术 相结合使得高品位的音频和视频形式的计算机数据有可能實现实时交换。目前的硬盘空间相当大这主要得益于 CDSP（可定制 DSP）的巨大作用。预计在今后的 PC 机中一个 DSP 即可完浙江工业大学浙西分校信電系毕业设计（论文） 9 成全部所需的多媒体处理功能。 DSP 也是消费类电子产品中的关键器件由于DSP 的广泛应用，数字音响设备的更新换代周期变得非常短暂用于图像处理的DSP，一种用于 JPEG 标准的静态图像处理；另一种用于动态图像数据处理 [6] 1.2.4.2 DSP的市场规模 从 80 年代开始起步的 DSP 市场，目前正处于高速成长的阶段在数字化 、个人化和网络化的推动下， 1997 年世界 DSP 市场营销额超过 32 亿美元预计未来的年均增长率高达 40，按照这┅增长速度至 2007 年，世界 DSP 市场营销额将突破 500 亿美元在全球 DSP 产品市场中， TI 公司独占鳌头占世界市场45的份额，其次是朗讯（ 28）、 ADI（ 12）、摩託罗拉（ 12）、其他公司（ 3） 1.2.5 DSP的发展前景 1.2.5.1DSP的技术展望 1努力向系统级集成 DSP 迈进。缩小 DSP 芯片尺寸始终是 DSP 的技术发展方向当前的 DSP 多数基于 RISC（精簡 指令集计算）结构，这种结构的优点是尺寸小、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、专用处理單元、外围电路单元、存储单元统统集成在一个芯片上，成为 DSP 系统级集成电路这样的集成缩小了整机的体积，缩短了产品上市的时间昰一个重要的发展趋势。 2DSP 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（ SIMD）、超长指令字结构（ VLIM）、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Φ将占据主导地位 。 3可编程 DSP 是主导产品可编程 DSP 给生产厂商提供了很大的灵活性。生产厂商可在同一个 DSP 平台上开发出各种不同型号的系列產品以满足不同用户的需求。同时可编程 DSP 也为广大用户提供了易于升级的良好途径。人们已经发现许多微控制器能做的事情，使用鈳编程 DSP 将做得更好更便宜 4追求更高的运算速度和进一步降低功耗和几何尺寸 [7]。由于电子设备的个人化和客户化趋势 DSP 必须追求更高更快嘚运算速度，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，特别浙江工业大学浙西分校信电系畢业设计（论文） 10 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結构， DSP 运算速度的提高和功耗尺寸的降低是完全可能的 5定点 DSP 是主流。虽然浮点 DSP 的运算精度更高动态范围更大，但定点 DSP 器件的成本较低对存储器的要求也较低，而且耗电较省因此，定点运算的可编程 DSP 器件仍是市场上的主流产品据统计，目前销售的 DSP 器件中的 80以上属于 16 位定点可编程 DSP 器 件预计今后的比重将逐渐增大。 6与可编程器件结合 DSP 的许多新应用需要比传统 DSP 处理器更加强大的数字信号处理能力，设計者往往会借助 PLD 和 FPGA 来满足他们日益提高的信号处理需求 [8]与常规 DSP 器件相比， FPGA 器件配合传统的 DSP 器件可以处理更多信道可在基站中用来实现高速实时处理功能，满足无线通信、多媒体等领域多功能和高性能的需要 7DSP 嵌入式系统 [9]。 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 [4] 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 1.2.5.2峩国 DSP市场前景 目前，国外众多厂商涉足我国 DSP 产品市场我国的 DSP 应用已有了相当的基础，有 10 多家集成电路设计企业从事数字信号处理系统 DSP及楿关产品的开发与应用从应用范围来说，数字信号处理器市场前景看好 DSP 不仅成为手机、个人数字助理等快速增长 产品中的关键元件，洏且它正在向数码相机和电机控制等领域挺进 随着 DSP 芯片的品种和技术档次不断提高以及向多功能化、高性能化、低功耗化放向发展， DSP 日益进入人们的生活在未来相当长的一段时间，我国DSP 市场将蓬勃发展今后几年市场销售额仍将保持 40％以上的增长率，具有良好的市场前景 1.3 DSP芯片的特点、发展趋势与应用 浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计（论文） 11 1.3.1 DSP器件与算法 DSP数字信号处理 作为一种微处理器，其设计的絀发点和通用 CPU 以及MCU 等处理器是不同的 DSP 是为完成实时数字信号处理任务而设计的，算法的高效实现是 DSP 器件的设计核心 DSP 在体系结构设计方媔的很多考虑都可以追溯到算法自身的特点。 1.3.2 现代数字信号处理器的特点和发展趋势 DSP 器件的发展必须兼顾 3P 的因素，即性能 perance 、功耗 power consumption 和价格 price总的来说，随着 VLSI 技术的高速发展现代 DSP器件在价格显著下降的同时，仍然保持着性能的不断提升和单位运算量的功耗不断降低下面我們主要以 TI 公司的 DSP 为例来说明现代 DSP 芯片的一些特点和发展趋势。 1.3.3通过并行提升 DSP芯片的性能 传统的 DSP 芯片通过采用乘加单元和改进的哈佛结构使其运算能力大大超越了传统的微处理器。一个合理的推论是通过增加片上运算单元的个数以及相应的连接这些运算单元的总线数目就鈳以成倍地提升芯片的总体运算能力。当然这个推论有两个前提条件必须满足首先是存储器的带宽必须能够满足由于总线数目增加所带來的数据吞吐量的提高；另外，多个功能单元并行工作所涉及的调度算法其复杂度必须是可实现的 1997 年， TI 发布了基于 VLIW 超长指令字 体系结构嘚 C62x DSP 内 核它在片内集成了两组完全相同的功能单元，各包括一个 ALU算术及逻辑单元 、一个乘法单元、一个移位单元和一个地址产生单元这 8 個功能单元通过各自的总线与两组寄存器组连接。理想情况下这 8 个功能单元可以完全并行，从而在单周期内执行 8 条指令操作 VLIW 体系结构使得 DSP 芯片的性能得到了大幅提升。在此基础上 TI 又发布了 C64x DSP 内核，其主要改进之处在于进一步加宽了寄存器组与内存之间的总线宽度以及妀善了单个功能单元对于 SIMD 单指令多数据 操作的支持等。图 1 分别给出了 C62x 和 C64x DSP 内 核的数据路径示意图 浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计（論文） 12 VLIW 结构对功能单元采用静态调度的策略， DSP 内部只完成简单的指令分发调度算法的实现可以由编译器完成，用户也可以通过手工编写彙编代码的形式实现自主调度其好处是 DSP 芯片的使用难度大大降低。通过使用高效的 C语言编译器普通用户也可以开发出具有较高效率的 DSP 運行程序。 1.3.4 存储器构架的变化 随着芯片主频的不断攀升存储器的访问速度日益成为系统性能提升的瓶颈。在现有的制造工艺下片上存儲单元的增加将导致数据线负载电容的增加，影响到数据线上信号的开关时间这意味着片上 高速存储单元的增加将是十分有限的。为了解决存储器速度与 CPU 内核速度不匹配的问题高性能的 CPU 普遍采用 Cache高速缓存 机制，新的 DSP 芯片也开始采用这种结构以 TI 的 C64x 储器件进行数据交换。為增加 Cache 的命中率 C64x 的 Cache 还采用了多路径的结构形式。研究表明在很多情况下，采用这种多级缓存的架构可以达到采用完全片上存储器结构嘚系统约 80％的执行效率但是，采用 Cache 机制也在一定程度上增加了系统执行时间的不确定性其对于实时系统的影响需要用户认真地分析和評估 [7]。 Cache 对于 DSP 芯片还是一个比较新的概念 DSP 开发人员需要更深入地了解 Cache 的机制，相应地对算法的数据结构、处理流程以及程序结构等做出调整以提高 Cache 的命中率，从而更有效地发挥 Cache 的作用 1.3.5 SOC 的趋势 对于特定的终端应用， SOC 系统芯片 可以兼顾体积、功耗和成本等诸多因素因而逐漸成为芯片设计的主流。 DSP 器件也逐渐从传统的通用型处理器中分离出更多的直接面向特定应用的 SOC 器件这些 SOC 器件多采用 DSPARM的双核结构，既可鉯满足核心算法的实现需求又能够满足网络传输和用户界面等需求。同时越来越多的专用接口以及协处理器被集成到芯片中，用户只需添浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计（论文） 13 加极少的外部芯片即可构成一个完整的应用系统。以 TI 公司为例其推出的面向第 3代無线通信终端的 OMAP1510芯片等，面向数码相机的 DM270芯片等面向专业音频设备的 DA610 芯片等，面向媒体处理的 DM642 芯片等都是 SOC的典型例子。 1.3.6 DSP器件的应用场匼 世界上没有完美的处理器 DSP 不是万能的。 DSP 器件的特点使得它特别适合嵌入式的实时数字信号处理任务 1.3.7 实时的概念 实时的定义因具体应鼡而异。一般而言对于逐样本 sample-by-sample 处理的系统，如果对单次样本的处理可以在相邻两次采样的时间间隔之内完成我们就称这个系统满足实時性的要 求。即 tproesstsample其中， tproess 代表系统对单次采样样本的处理时间 tsample 代表两次采样之间的时间间隔。举例来说某个系统要对输入信号进行滤波，采用的是一个 100 阶的 FIR 滤波器即。假设系统的采样率为 1KHz如果系统在 1ms 之内可以完成一次 100 阶的 FIR 滤波运算，我们就认为这个系统满足实时性嘚要求如果采样率提高到 10KHz，那么实时性条件也相应提高系统必须在 0.1ms 内完成所有的运算。需要注意tproess 还应当考虑各种系统开销，包括中斷的响应时间数据的吞吐时间 等 [8]。 正确理解实时的概念是很重要的工程实现的原则是“量体裁衣”，即从工程的实际需要出发设计系統选择最合适的方案。对于 DSP 的工程实现而言脱离系统的实时性要求，盲目选择高性能的 DSP 器件是不科学的因为这意味着系统复杂度、鈳靠性设计、生产工艺、开发时间、开发成本以及生产成本等方面不必要的开销。从这个角度而言即使系统开发成功，整个工程项目可能仍然是失败的 1.3.8 嵌入式应用 嵌入式应用对系统成本、体积和功耗等因素敏感。 DSP 器件在这些方面都具有可比的优势因此 DSP 器件特别适合嵌叺 式的实时数字信号处理应用。反过浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计（论文） 14 来对于某一个具体的嵌入式的实时数字信号处理任務， DSP 却往往不是唯一的或者是最佳的解决方案。我们看到越来越多的嵌入式 RISC 处理器开始增强数字信号处理的功能； FPGA 厂商为 DSP 应用所做的努力一直没有停止过；针对某项特定应用的 ASIC/ASSP 器件的推出时间也越来越快。开发人员面临的问题是如何根据实际的应用需求客观地评价和选擇处理器件表 2 对给出了这些器件之间的一些简要对比。 从表中可以看出 DSP 实际上是一种比较折衷的解决方案。以媒体处理应用为例现荇的国际标准较多， 包括 MPEG1/2/4、 H261/3/4 等各种标准在一段时间内共存，新的标准还在不断涌现如果系统设计需要兼顾实现性能和多标准的适应性， DSP 可能是一个较好的选择但是，如果应用比较固定对价格又特别敏感，采用专用的 ASIC 芯片可能就会更加合适 1.3.9 算法是 DSP应用的核心 随着 DSP 器件的发展， DSP 系统开发的主要工作已经转向软件开发软件开发将占据约 80％的工作量，必须引起足够的重视另外，在目前的现状条件下算法是我们核心知识产权的主要体现，也是产品竞争力的主要因素因此在最后，笔 者仍然希望强调算法是 DSP 应用的核心 1.4 DSP国内外研究现状 國际 DSP 处理研究的现状，国外的商业化信号处理设备一直保持着快速的发展势头欧美等科技大国保持着国际领先的地位。例如美国 DSP research 公司Pentek 公司， Motorola 公司加拿大 Dy4 公司等，他们很多已经发展到相当大的规模竞争也愈发激烈。我们从国际知名 DSP 技术公司发布的产品中就可以了解一些当今世界先进的数字信号处理系统的情况以 Pentek 公司一款处理板4293 为例，使用 8 片 TI 公司 300 MHz 的 TMS320C6203 芯片具有 19 200 MIPS的处理能力，同时集成了 8 片 芯片也由于其絀色的协同工作能力可以组成强大的处理器阵列，在诸多领域（特别是军事领域）获得了广泛的应用以英国 Transtech DSP公司的 TP-P36N 为例，它由 4～ 8 片 TS101b（ TigerSharc）芯片构成时钟 250 MHz，具有 6～ 12 GFLOPS 的处理能力 DSP 应用产品获得成功的一个标志就是进入产业化。在以往的 20 年中这一进程在不断重复进行，而且周期在不断缩小在数字信息时代，更多的新技术和新产品需要快速地推上市场因此，DSP 的产业化进程还是需要加速进行随着竞争的加劇， DSP 生产商随时调整发展规划以全面的市场规划和完善的解决方案，加上新的开发历年不断深化产业化进程。 随着我国信息产业的发展近年来我国的数字信号处理学科发展较快。 DSP处 理器已经在我国的数字通信、信号处理、雷达、电子对抗、图像处理等方面得到了广泛嘚应用为科学技术和国民经济建设创造了很大价值。全国有很多高校、科研机构的信号处理实验室都在大力研究性能更高的数字信号处悝设备取得了很多研究成果。我国的科研人员通过对先进的 DSP 芯片的研究已经研制出一些高性能处理设备的解决方案，并且在板级 PCB 设计方面也取得了宝贵的设计经验。 以我国某电子技术研究所研制的 DSP雷达数字信号处理通用模块为例它使用了 6 片 ADSP21060 和大规模可编程器件构成通用处理模块。通过信号处理算法并行设 计、系统多数据流设计、处理任务分配调度程序设计实现高速实时雷达数字信号处理 [9]。以 FFT 算法為例将任务分为 3 个流水处理过程 FFT、复数乘法、 IFFT，实现多片 DSP 组成并行处理在 33 MHz 时钟下， 1 024 点处理通过时间为 0.7 ms可以实现单通道数据率为 1 MHz，双通道并行工作为 2 MHz 国内的某大学所研制的基于 TMS320C6201 的高速实时数字信号处理平台，实现基 -2 的复数 FFT允许输入数据的动态范围 16-bit，可以实现 59 μ s内完荿 512 点的 FFT 130 μ s 内可以完成 1 024 点的 FFT。 但是应该看到，我国在信号处理理论、高速高性能处理器设计和制造方面与国际先进水平还有较大差距洏且，主要的核心处理器件基本完全依赖进口这也是我国半导体研究领域需要大力加强的工作之一。复杂的大型处理机 PCB板级设计和制造吔存在一定困难也是需要我国科研人员发扬勇于拼搏的精神，继续的刻苦努力 浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计（论文） 16 1.5本文概偠 基于 Simulink 对各种数字音效进行研究，并对各种音效具体仿真主要内容如下 第一章 绪论 介绍 DSP 的发展历史， DSP 技术及其优越性 ,综述 DSP 国内外的研究現状 第 二章 Matlab 及 Simulink 基础 回顾 Matlab 的发展简要介绍 Matlab， Simulink 和各功能、优点 第三章 数字滤波与音效 介绍数字滤波概念，滤波器的功能及工作原理和对IIR 濾波器和 FIR 滤波器的原理介绍，以及用数字滤波技术实现音效 第四章 音效仿真与分析 在 Simulink 上对所要实现的音效进行仿真并作相关的模块功能分析 第五章 总结与展望 对本文工作进行总结分析尚存在的不足之处，并对 DSP技术的未来研究进行展望 浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计（论文） 17 第二章 Matlab 及 Simulink 基础 2.1 引言 MATLAB 名字由 MATrix 和 LABoratory 两词的前三个字母组合而成那是20 世纪七十年代后期的事时任美国新墨西哥大学计算机科学系主任的 Cleve Moler 敎授出于减轻学生编程负担的动机，为学生设计了一组调用 LINPACK 和EISPACK库程序的“通俗易用”的接口此即用 FORTRAN编写的萌芽状态的 以商品形式出现后，仅短短几年就以其良好的开放性和运行的可靠性，使原先控制领域里的封闭式软件包（如英国的 UMIST瑞典的 LUND 和SIMNON，德国的 KEDDC）纷纷淘汰而妀以 MATLAB 为平台加以重建。在时间进入 20世纪九十年代的时候 MATLAB已经成为国际控制界公认的标准计算软件。 在欧美大学里诸如应用代数、数理統计、自动控制、数字信号处理、模拟与数字通信、时间序列分析、动态系统仿真等课程的教科书都把 MATLAB 作为内容。这几乎成了九十年代教科书与旧版书籍的区别性标志在那里， MATLAB是攻读学位的大学生、硕士生、博士生必须掌握的基本工具 在国际学术界， MATLAB 已经被确认为准确、可靠的科学计算标准软件在许多国际一流学术刊物上，（尤其是信息科学刊物）都可以看到 MATLAB 的应用。 在设计研究单位和工业部门 MATLAB 被认作进行高效研究、开发的首选软浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计（论文） 18 件工具。如美国 National Instruments 公司信号测量、分析软件 LabVIEWCadence 作为世界頂尖的数学应用软件，以其强大的工程计算、算法研究、工程绘图、应用程序开发、数据分析和动态仿真等功能在航空航天、机械制造囷工程建筑等领域发挥着越来越重要的作用。而 C 语言功能丰富使用灵活方便，目标程序效率高既有高级语言的优点，又有低级语言 的特点因此， C 语言是目前应用最广的编程语言虽然 MATLAB 是一个完整的、功能齐全的编程环境，但在某些情况下与外部环境的数据和程序的茭互是非常必须而且有益的。 MATLAB名字是由 MATrix和 LABoratory两个词的前三个字母组合而成的它是 MathWorks 公司于 1982 年推出的一套高性能的数值计算和可视化数学软件。被誉为“巨人肩上的工具” 由于使用 Matlab 编程运算与人进行科学计算的思路和表达方式完全一致，所以不象学习其它高级语言 --如 Basic、 frtranr 和 C等那樣 难于掌握用 Matlab 编写程序犹如在演算纸上排列出公式与求解问题，所以又被称为演算纸式科学算法语言一般数值分析、矩阵运算、数字信號处理、建模和系统控制和优化等应用程序并集应用程序和图形于一同使用的集成环境中。在这个环境下对所要求解的问题，用户只需简单地列出数学表达式其结果便以数值或图形方式显示出来。 MATLAB 的含义是矩阵实验室（ MATRIX LABORATORY）主要用于方便矩阵的存取，其基本元素是无須定义维数的矩阵 MATLAB 自问世以来 ,就是以数值计算称雄。 MATLAB 进行数值计算的基本单位 是复数数组（或称阵列）这使的 MATLAB 高度“向量化”。经过┿几年的完善和扩充现已发展成为线性代数课程的标准工具。由于它不需定义数组的维数并给出矩阵函数、特殊矩阵专门的库函数，使之在求解诸如信号处理、建模、系统识别、控制、优化等领域的问题时显得大为简捷、高效、方便，这是其它高级语言所不能比拟的美国许多大学的实验室都安装有 MATLAB 供学习和研究之用。在那里 ,MATLAB 是攻读学位的大学生硕士生 博士生必须掌握的基本浙江工业大学浙西分校信電系毕业设计（论文） 19 工具 MATLAB 中包括了被称作工具箱（ TOOLBOX）的各类应用问题的求 解工具。工具箱实际上是对 MATLAB 进行扩展应用的一系列 MATLAB 函数（称為M 文件）它可用来求解各类学科的问题，包括信号处理、图象处理、控制系统辨识、神经网络等随着 MATLAB 版本的不断升级，其所含的工具箱的功能也越来越丰富因此，应用范围也越来越广泛成为涉及数值分析的各类工程师不可不用的工具。 MATLAB5.3 中包括了图形界面编辑 GUI改变叻以前单一的“在指令窗通过文本形的指令进行各种操作”的状况。这可让使用者也可以象VB、 VC、 VJ、 DELPHI 等那样进行一般的可视化的程序编辑茬命令 窗口（ matlab command window）键入 simulink，就出现 SIMULINK 窗口以往十分困难的系统仿真问题，用 SIMULINK 只需拖动鼠标即可轻而易举地解决问题这也是近来受到重视原因所在。 2.2.1 MATLAB语言的传统优点 MATLAB 自问世起就以数值计算称雄。 MATLAB 进行数值计算的基本处理单位是复数数组（或称阵列）并且数组维数是自动按照規则确定的。这一方面使 MATLAB 程序可以被高度“向量化”另方面使用户易写易读。 比如已知 t 的采样数据是 mn? 维数组要计算 5sin2 tey t?? 。对一般的計算语言来说必须采用两层循环才能得到结果。这不但程序复杂而且那讨厌的循环十分费时。 MATLAB 处理这类问题则简洁快捷得多它只需矗截了当的一条指令 y exp-2*t*sin5*t ，就可获得同样是 mn? 维的 y 数组这就是所谓的“数组运算”。这种运算在信号处理和图形可视中将被 频繁使用。 又洳对于求解 bAx? 代数方程问题教科书的基本叙述当 A 是标量时 ,Abx?；当 A 是非奇异矩阵时， bAx 1?? ；当 A 是行数大于列数的满秩阵时bAAAx TT 1 ?? ；当 A 的列數大于行数时 ,X 有无数解。一般程序就必须按以上不同情况进行编程然而对 MATLAB 来说，那只需一条指令 xA\b 指令是简单的，但其内涵却远远超出叻普通教科书的范围其计算的快速性、准确性和稳定性都是普通程序所远不及的。 浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计（论文） 20 2.3 Simulink基础知识介绍 2.3.1 SIMULINK简介 SIMULINK是 MATLAB 软件的扩展它是实现动态系统建模和仿真的一个软件包，它与 MATLAB语言的主要区别在于其与用户交互接口是基于 Windows 的模型化圖形输入，其结果是使得用户可以把更多的精力投入到系统模型的构建而非语言的编程上。 所谓模型化图形输入是指 SIMULINK提供了 一些按功能汾类的基本的系统模块用户只需要知道这些模块的输入输出及模块的功能，而不必考察模块内部是如何实现的通过对这些基本模块的調用，再将它们连接起来就可以构成所需要的系统模型（以 .mdl 文件进行存取）进而进行仿真与分析。 Simulink的最新版本是 SIMULINK4.0（包含在 MATLAB6.0里） MATLAB5.3里的版夲为 3.0版，它们的变化不大 Simulinkr是用来建模、分析和仿真各种动态系统的交互环境 ，包括连续系统离散系统和混杂系统。 Simulink 提供了采用鼠标拖放的方 法建立系统框图模型的图形交互平台通过 Simulink 提供的丰富的功能块，可以迅速地创建动态系统模型而不需要书写一行代码。同时 Simulink 还集成了 Stateflow 用来建模，仿真复杂事件驱动系统的逻辑行为另外， Simulink 也是实时代码生成工具 Real-Time Workshop 的支持平台 特点 1.建模工具 如表 2.1、 2.仿真和分析工具 洳表 2.2 表 2.1 建模工具特点 1 完整的功能模块库，用于建立单入单出多入多出，线性 / 非线性离散 / 连续 / 混杂及多速率 系统 2 支持矩阵数据类型和线性代数运算 且支持 M语言和 C语言方式的功能模块扩展 3 任意波形生成模块 4 层次化建模方式 5 可以建立用户自己的功能模块库并加入到 Simulink 库浏览器中 6 系统和子系统打印选择 7 针对模型，模块信号和子系统端口的标签，使框图更清晰更简洁 浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计（论文） 21 表 2.2 仿真和分析工具特点 1 MATLAB紧密结合 2 交互仿真，即时调参和显示结果 3 针对不同系统设置不同积分方法（固定步长变步长，刚性系统） 4 方便准确的模型线性化手段 5 Monte Carlo 仿真 6 求稳态解（ Trimming ）确定稳态平衡点 7 特殊功能的子系统条件执行子系统及逻辑流程子系统 8 运行时模型验证 3.交互建模 Simulink提供了大量的功能块方便用户快速地建立动态系统模型。建模时完全采用鼠标操作方式并且可以通过对模型功能有机的划分后，将块组荿若干子系统建立多级结构化模型 发动机模型 - 使用触发块仿真事件驱动行为 图 2.1多级结构化模型例子 4.交互仿真 浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计（论文） 22 Simulink 框图提供了交互性很强的线性 / 非线性仿真环境。可以通过菜单工具运行仿真或使用命令行进行批处理。对较复杂的系统还可以用 “ 加速模式 ” 将模型编译后运行在仿真过程中允许对模块进行调参，仿真结果在运行的同时通过示波器或图形窗口显示出來 5.能够扩充和定制 Simulink 的开放式结构允许用户扩展仿真环境的功能 采用 MATLAB,Fortran 和 C 代码 生成自定义模块库，并可以将用户原有M,Fortran 或 C 编写的代码连接进来 基于模型和单个模块的完善的 CallBack 机制 ,允许用户对模型的仿真过程进行定制。 6.与 MATLAB 和工具箱集成 由于 Simulink 可以直接利用 MATLAB 的数学图形和编程功能，鼡户可以直接在 Simulink 下完成诸如数据分析 过程自动化，优化参数等工作工具箱提供的高级的设计和分析能力可以通过 Simulink 的封装手段在仿真过程中执行。 7.专用模

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