第09课 TigerSHARC数字信号处理概述典型的DSP系统设计参考

2.数字信号处理的硬件实现硬件实现是针对特定的应用目标，经优化，设计为专用的软硬件系统。

优点：容易做到实时处理；缺点：设备只能专用。

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3.片上系统（SOC, System on a Chip） SOC包含有数字和模拟电路、模拟和数字转换电路、微处理器、微控制器以及数字信号处理器等。

SOC的设计方法将以组装为基础，采用自上至下的设计方法，在设计过程中大量重复使用自行设计或其他第三方拥有知识产权的IP(Intelligent Property模块。

SOC要充分考虑如何合理划分软件和硬件所实现的系统功能以及如何实现软、硬件之间的信息传递。

SOC将是数字信号处理系统的一个新型的实现方法。

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术语解释并行是指为了完成同一个任务，几个处理器同时工作，使系统能胜任单个处理器所不能完成的任务；当一个处理器完成单个任务(比如一个滤波器有很大的富余量时，可让其完成多个任务，这就是复用；流水结构也是多处理器完成同一任务，它与并行结构的主要区别在于并行的各个处理器之间数据交换不多，而流水结构类似于生产中的流水线，数据经一道道“工序”处理。

采用并行或流水结构，完全取决于数字信号处理的运算结构。

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大部分信号的初始形态是事物的运动变化，为了测量它们和处理它们，先要用传感器把它们的特征转换成电 信号，等到这些电信号处理完后，再把它们转变为我们能看见、能听见或能利用的形态。
数字信号处理前后需要一些辅助电路，它们和数字信号处理器构成一个系统。图1是典型的数字信号处理系统， 它由7个单元组成。
图1数字信号处理系统 初始信号代表某种事物的运动变换，它经信号转换单元可变为电信号。例如声波， 它经过麦克风后就变为电信号。又如压力，它经压力传感器后变为电信号。电信号可视为许多频率的正弦波的组 合。
为了勘探地下深处所储藏的石油和天然气以及其他矿藏，通常采用地震勘探方法来探测地层结构和岩性。这 种方法的基本原理是在一选定的地点施加人为的激震，如用爆炸方法产生一振动波向地下传播,遇到地层分界面即 产生反射波,在距离振源一定远的地方放置一列感受器，接收到达地面的反射波。从反射波的延迟时间和强度来判 断地层的深度和结构。感受器所接收到的地震记录是比较复杂的，需要处理才能进行地质解释。处理的方法很多， 有反褶积法，同态滤波法等，这是一个尚在努力研究的问题。
处理器
DSP芯片，也称数字信号处理器，是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器，其主要应用是实时 快速地实现各种数字信号处理算法。根据数字信号处理的要求，DSP芯片一般具有如下主要特点：
（1）在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法； （2）程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据； （3）片内具有快速RAM，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问； （4）具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持； （5）快速的中断处理和硬件I/O支持； （6）具有在单周期内操作的多个硬件产生器； （7）可以并行执行多个操作； （8）支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。 当然，与通用微处理器相比，DSP芯片的其他通用功能相对较弱些

1.2.1 DSP芯片的发展概况 DSP芯片的发展概况
第三阶段， 的完善阶段（ 年以后） 第三阶段，DSP的完善阶段（2000年以后） 的完善阶段 年以后 这一时期各DSP制造商不仅使信号处理能力更加完善，而 制造商不仅使信号处理能力更加完善， 这一时期各 制造商不仅使信号处理能力更加完善 且使系统开发更加方便、程序编辑调试更加灵活、 且使系统开发更加方便、程序编辑调试更加灵活、功耗进一步 降低、成本不断下降。尤其是各种通用外设集成到片上， 降低、成本不断下降。尤其是各种通用外设集成到片上，大大 地提高了数字信号处理能力。这一时期的DSP运算速度可达到 地提高了数字信号处理能力。这一时期的 运算速度可达到 单指令周期10ns左右，可在 Windows 环境下直接用 C 语言编 左右， 单指令周期 左右 使用方便灵活， 芯片不仅在通信、 程，使用方便灵活，使DSP芯片不仅在通信、计算机领域得到 芯片不仅在通信 了广泛的应用，而且逐渐渗透到人们日常消费领域。 了广泛的应用，而且逐渐渗透到人们日常消费领域。 目前， 芯片的发展非常迅速。 目前，DSP芯片的发展非常迅速。硬件方面主要是向多处 芯片的发展非常迅速 理器的并行处理结构、便于外部数据交换的串行总线传输、 理器的并行处理结构、便于外部数据交换的串行总线传输、大 容量片上RAM和ROM、程序加密、增加 驱动能力、外围电 驱动能力、 容量片上 和 、程序加密、增加I/O驱动能力 路内装化、低功耗等方面发展。软件方面主要是综合开发平台 路内装化、低功耗等方面发展。 的完善， 的应用开发更加灵活方便。 的完善，使DSP的应用开发更加灵活方便。 的应用开发更加灵活方便
1.2.1 DSP芯片的发展概况 DSP芯片的发展概况
DSP芯片诞生于 世纪 年代末，至今已经得到 芯片诞生于20世纪 年代末， 芯片诞生于 世纪70年代末 了突飞猛进的发展，并经历了以下三个阶段。 了突飞猛进的发展，并经历了以下三个阶段。

数字信号处理DSP教材 2006.4.18§1.前言§2.数字信号预处理§3.东华信号测试分析系统中数字信号预处理§4.经典数字信号处理§5.近代数字信号处理技术：§6.DSP软件性能示例: DH-5920/22动态信号测试分析系统§7.专题附录一:参考文献附录二:图例(六张)(下文中各注为较深内容,初学时可跳过不看;本次讲座也不讲)在对传感器传来的即原始的信号进行处理前应了解其基本情况1.机械的测试工况(起动,惰转或盘车,正常运行 ,带故障运行 ,短时超速试验,停车),2.传感器种类型号性能:加速度,速度,位移,力,应变片;非接触式(如涡流计,LVDT差动变压器,霍尔传感器),接触式(LVDT差动变压器,ICP压电计(要恆流源),非ICP压电计(要电荷放大器,需要其参数)传感器灵敏度,频率范围,动态范围,安装方式(磁铁座,螺接,粘接,胶带(双面胶带,金属胶带+502)3. 数采仪器种类型号性能 ,通道数,AC耦合还是DC耦合,4.传感器与数采仪器何时校准,校准后的灵敏度等参数变动情况5.响应点测量位置,方向与编号 , 激励点位置,方向与编号,采样时间间隔Δt(采样频率Fs=1/Δt) 与采样点数 N,6.测试过程中工况和仪器增益或量程或滤波器截止频率变化情况 ( 如有 ),7. 是在现场测原型还是在实验室测模型(模型可用测力法,原型常常只能用不测力法)等等应在分析前由测试人员提供给信号处理人员.* 3M带: 鲍山 010-********,139******** 德国带: 赵小亮(长城所) 010-********* 带ICP(集成电路压电计)插座的东华数采仪器可直接与ICP传声器(麦克风)连接测量声音或噪声国内最好的声望公司ICP传声器+放大器约4000元, 测量声音可以求共振频率以至振型* 智能传感器TEDS(Transducer Electronic Data Sheet, 符合IEEE-P1451标准)是智能型模拟和数字混合模式传感器. 模拟模式用于输出测量信息,数字模式用于储存传感器信息如传感器型号,序列号,灵敏度校准值, 安装位置方向等.并可用专用仪器或通用PDA等读出* 无线传感器有兰牙和IEEE802.11,大容量存储传感器东华也正在研制中§1.前言1.1信号是载有信息的载体或物理表达式,.它携带信息从源到目的地.信号（SIGNAL）一词有时指纯信息（INFORMATION,如信噪比SNR），有时指混有噪声的信息（如信号降噪）.噪声也可称为对我们'无用的信息'，它干扰我们研究'有用的信息'.注1: 信号与信息有时概念不同,如信号理论（如本文）,信息理论（如编码学,密码学等，本文不涉及）.1.2 信号分类很多，如1.以物理特性分1.1 电信号1.2 振动信号一般机械或结构固有频率范围 0~10 kHz(MIL-STD-819F)试验频率范围飞行环境 20~2000 Hz地面运输 0.3~200 Hz1.3 冲击信号,爆炸信号1.4 声信号可听声 20~20 kHz1.5 力信号力传感器有的以最高频率计,有的(如PCB)以时间常数计1.6 压力信号压力传感器最高频率难以测量,用前沿上升时间(可用激波管测量)推算Fh=0.35/τFh--最高频率, τ--压力由0.1幅值上升到0.9幅值的时间1.7 应变信号应变无互易原理, 动应变的频响矩阵非对称阵.2.以连续或离散分2.1 模拟信号传感器输出的信号，也叫连续信号2.2 采样信号时间域用时间间隔Δt离散后的信号2.3 量化信号幅值域用量化单位q量化后的信号2.4 数字信号时间域和幅值域双离散后的信号从模拟信号到数字信号转换除双离散外,有时还有‖有限化‖（截断）,把无限信号变成有限信号,或把过长信号变成足够长的信号.截断也称加矩形窗.说明1:模拟信号变成数字信号用模数转换器ADC实现N位ADC的动态范围(也叫信噪比) DR=6.02N+1.76≈6N (dB)例 N=16,DR≈96(dB) 说明2: 离散化产生泄漏Leakage,有限化产生混迭Aliasing, 详见后述.量化产生量化误差(高频) 说明3: 现在ADC位数最多已达24位,量化误差可忽略不计3.输入(激励)信号:一般为力 f(t)输出(响应)信号:一般为加速度 a(t)系统(特性)信号:常用脉冲响应函数 h(t),详见后述说明4:用于系统识别,或环境试验,或共振试验…的输入信号正弦定频(Dwell), 正弦步进, 正弦(慢)扫描,多频正弦脉冲, 正弦快扫(Chirp),阶跃纯随机(Pure Random),猝发随机(Burst Random),伪随机(Pseudo Random),周期随机4. 静态信号(直流信号)准静态(Quasi-Static) 信号,也称缓变信号. 频率大约小于1~2赫兹动态信号最低频率Fl > 0 (一般在0.1~0.3Hz左右)静动态信号最低频率Fl = 0,要用有直流响应的电容式加速度计,压阻式加速度计, 应变式加速度计测量5．( 时域 )实信号( 时域 )复信号 Xc(t)=Xr(t)+j Xi(t) Xr(t)-- 复信号的实部, Xi(t)-- 复信号的虚部, j=√-1物理信号全是实信号，但在研究相量（PHASOR）,微分方程求解,迟滞阻尼,细化（ZOOM），包络（ENVELOP）, 实信号的傅里叶变换(频域复信号)等等问题必须采用复信号注1: ADC常用有逐次逼近型和Sigma-Delta(Σ-Δ) 型,后者可用过采样,整形,调制等措施大大抑制噪声.注2：如果一系统,输入实信号Xr时, 输出为实信号Yr; 则可证明当假设输入为复信号X=Xr+jXi而原信号作其实部时, 计算得到的输出复信号的实部一定是Yr!注3：实信号也可表示为两共轭复信号之和,如cosωt=0.5(e jωt+ e-jωt)（欧拉公式）.它简化了计算, 如微积分变成乘除，微分方程变成代数方程等，但也带来了物理上无意义的‖负频率‖和‖双边谱‖,‖单边谱‖之争.6. 时限(|t|>T0,x(t)=0)，非时限频限(|f|>T0,X(f)=0), 非频限由傅里叶变换的尺度性质如 y(t)←→Y(f) 则y(kt)←→(1/|k|)Y(f/k),可知时域愈宽（窄），频域愈窄（宽）还可由傅里叶变换公式可得时限信号频域一定频无限,反之亦然7．平稳信号（Stationary,统计特性与时间起点无关），非平稳信号；6．时域单边（因果Causal）信号t < 0 x(t)=0时域双边（非因果）信号频域单边（解析）信号， f < 0 X(f)=0频域双边（非解析）信号注 4：海森堡测不准（不确定）原理：原定理为量子力学中位置和动量不能同时测准，量子力学与信号处理比拟时，变成信号时域宽度乘频域宽度ΔtΔf≥1/2,等式只对高斯信号成立.注5：单个信号本无所谓因果不因果,此名词来自因果系统的脉响函数h(t)必须是单边函数.注6：解析信号名词来自数学中满足Cauchy-Riemann可微条件的复函数称为解析函数解析信号是复信号，其频谱是单边谱，与实测结果相同(实测不会有负频率!).7．最小相位，非最小相位（最大相位，混合相位）信号；幅值谱相同的信号可能有无限多个,其相位谱有最小相位, 最大相位和中间相位(混合相位）注7:MATLAB命令RCEPS可将非最小相位信号转变成幅值谱相同的最小相位信号.8．确定性信号( 周期，非周期，似ALMOST周期,瞬态；... ),可以预测某时刻的瞬时值随机信号 :不能预测某时刻的瞬时值,只能了解其统计特性值如概率密度或各阶矩(均值,方差,…) 随机信号又可分为平稳随机信号:统计特性不随时间而变非平稳随机信号；遍历(Ergodic)信号集时间平均等于集合平均非遍历信号集以下讨论与范数(Norm),信号空间理论有关的一种分类.它对了解小波理论,了解近代分析仪为什么有多种单位 (U,U2,U/Hz,U2/Hz,U2s/Hz,U/√Hz )很有用.注7:MATLAB命令RCEPS可将非最小相位信号转变成幅值谱相同的最小相位信号注8：范数最通俗解释是比大小,标量可比大小,矢量,矩阵,函数也要用范数来比大小. 标量大小只有一个标准,范数有多个标准,常用欧几里德范数.1.2.1 .模拟信号(设x(t)单位为U)的分类1.绝对可积信号x(t): ∫|x(t)|dt < ∞t = -∞~+∞绝对可积信号傅里叶变换存在,有傅里叶谱密度X(f), X(f)单位为U/Hz2.平方可积信号x(t): ∫|x(t)|2dt < ∞t = -∞~+∞平方可积信号有能量谱密度(ESD)Gxx(f),Gxx(f)单位为(U2s)/Hz3.均方可积信号x(t): TLim (1/T) ∫|x(t)|2dt < ∞T→∞ 0均方可积信号有功率谱密度(PSD)Pxx(f),Pxx(f)单位为U2/Hz信号理论中的‖功率‖指‖平方量‖,如电压平方,电流平方,加速度平方,...; 平方量乘秒为‖能量‖.1.2.2.离散信号(设x(nΔt)单位为U)1.绝对可和信号x(nΔt):绝对可和信号有傅里叶谱X(mΔf), X(mΔf)单位为U2.平方可和信号x(nΔt):平方可和信号有能量谱Gxx(mΔf), Gxx(mΔf)单位为U2s3.均方可和信号x(Δt):均方可和信号有功率谱Pxx(mΔf), Pxx(mΔf)单位为U2x(nΔt)以后简写为x(n)或x n X(mΔf) 以后简写为X(m)或X m注 9:大多数模拟信号如果绝对可积,则也平方可积,但两者仍有本质区别,如有绝对可积但非平方可积信号,如狄拉克函数δ(t), 时域绝对可积(=1)但平方不可积.时域绝对可积,频域可能非绝对可积( 如δ(t),时域面积为一,频域面积为无穷大)但是由巴氏(Parseval)定理,时域如果平方可积, 频域一定平方可积.又平方可积函数的和，积与卷积仍为平方可积函数巴氏定理:∫|y(t)|2dt=∫|Y(f)|2df注 10:周期信号如正，余弦波（简弦波）非绝对可积,现在可用广义函数作‖广义的‖傅里叶变换, 但早期不知道，研究输入为交流电的电系统特性时，有人将输入X，输出Y写为复指数如：X=Acos（ωt+α）-→X=A e jαe jωt，其中A exp(jα)称为相量（相位矢量PHASOR=PHASe vectOR）,输入，输出相除后,exp(jωt)消掉，比值为频率函数，称为阻抗Z”(Z=X/Y )，导纳Y ( Y=Y/X )。