数字信号处理器的设计
我们的语言不是数字信号。数字信号是一种由1和0组成的,能用数学方法处理的语言。我们讲出的话是现实世界中的模拟信号。我们每天遇到的现实世界信号都是模拟信号,如声音,光，温度和压力。数字信号是模拟信号的数值表示。在数字世界里,对这些信号进行处理可能会更容易,更节约成本。在现实世界中,我们通过模数转换过程中将信号转换为数字信号,(然后)对信号进行处理;如果需要的话,用数模转换器将信号转换到模拟世界中去。
数模转换和模数转换精要
数模转换关键性的第一步是对模拟信号进行采样。这一步是由采样保持电路完成的,采样保持电路按照固定的“采样间隔”进行采样。
采样间隔的长度和采样周期的长度相同,而采样周期的倒数就是采样频率fs。根据奈奎斯特采样定理,为了确保准确记录型号,最高频率为W HZ的信号(称为带限信号)每秒内必须采集至少2W个样本。如果不能满足这个最低要求,就会出“混叠”失真。混叠会使高频信号出现在较低频段。为了保证不出现混叠,在采样之前总是要进行低通滤波。这个低通滤波器(称为“抗混叠滤波器”)将频率超过所选采样频率一半的信号全部滤除。
经过一段短暂的采集时间之后(其间采集到一个样本),采样保持电路将这个样本一直保持到下一个采样间隔的开始。A/D转换器需要利用这个保持时间,生成模拟样本对应的码字。
A/D转换器为每个模拟样值选择一个量化电平。一个N位转换器可以在2n个可选量化电平当中进行选择。量化电平睡越多,量化误差(量化电平和实际电平之差)越小。最大量化误差不会超过量阶Q的一半。量阶的计算公式为Q=R/2N,其中R是模拟信号的满量程范围,N是转换器所用的位数。相对于量化误差的信号强度使用“动态范围”和“信噪比”来度量。
一个数字信号是用一组竖线表示的,竖线顶部的圆圈标出样本选用的量化电平。A/D转换器的比特率为Nfs,这里的fs是采样率。
最后,要为每个数字化样本分配一个码字,这样就完成了A/D转换过程。A/D转换的结果就是得到一个数字比特流。数字信号处理就是对这些码字集合处理。
总结一下,A/D转换过程由抗混叠滤波,采样,量化和数字化这四步组成。
数字信号处理完成之后,就必须进行D/A转换。首先,将码字转换为和码字所代表数字的大小成正比的模拟电压。这个电压值要在零阶保持到下一个码字出现,即需要保持一个采样间隔。这样,信号就是阶梯状的,信号中包含着频率超过W HZ的成分。D/A转换的最后一步就是:使用平滑滤波器滤除那些频率超过W HZ的成分。
对于采样信号中的任意频率f,其因采样而产生的镜像频率将出现在无数个频率处(kfs+fHz或kfs-fHz)。当采样率低于要求的奈奎斯特定律(即fs<2W时,高频信号的镜像就会因为混叠而错误地出现在基带内(或奈奎斯特区域内)。尽管在一般情况下要避免这种“欠采样”,但“欠采样”也有其用途。例如,高频窄带信号的采样率可以是信号带宽的两倍,而不必是信号最高频率的两倍。信号的所有重要特征都可以从因采样而出现在基带的频普副本中得到。根据信号频率和采样率之间的关系的不同,可能出现“频普反转”现象---基带频普的形状和信号真实频普的形状正好相反。
数字信号处理的实现技术
假如存在一种可以实现所有设计的通用处理器的话,电子行业的竞争就不会如此激烈了。然而,对于多数电子设计而言,可用于实现所需功能的处理器技术不止一种。当然,问题是如何在预算范围内选择一种具备最佳的性能,大小,功耗特点,并拥有易于快速开发的软件工具的处理器技术。经过20年的发展之后,数字信号处理器依然是具有竞争力的处理器。总之,数字信号处理器是信号处理的核心。
数字信号处理器(DSP)是一种速度极快,功能强大的微处理器。数字信号处理器之所以与众不同,是因为它能够实时地处理数据。实时处理能力使得数字信号处理器非常适合于那些不容许任何延迟的应用。例如,你是否使用过无法两人同时讲话的手机呢?你不得不等对方说完了才能开口。如果你们两人同时讲话,信号就会掉线---你听不到对方了。今天的数字手机使用了数字信号处理器,这样人们就可以正常通话。手机中的数字信号处理器处理的声音的速度如此之快,以至于你在说话的同时就能听到。与其他处理器相比较,使用数字信号处理器进行设计有如下几点优势:
1. 单周期乘法—累加操作
2. 实时性能模拟和仿真
3. 灵活性
4. 可靠性
5. 系统性能高
6. 系统成本低
然而,实现数字信号处理还可以有其他一些选择。与数字信号处理器相比,这些选择如何呢?
现场可编程门阵列
现场可编程门阵列(FPGA)具有在系统中重新配置的能力。在开发需要多次试用的应用时,这是一个巨大的优势;它能提供快速的上市时间。由于生成了专用的逻辑电路,所以对于指定任务FPGA能提供更好的性能。然而,FPGA相当昂贵,而且功耗一般也要大大高于功能相似的数字信号处理器。即便在无线通信的基础设备等设计中选用了FPGA技术,但一般还是将它和数字信号处理器联合使用,这样就能提供更大的灵活性,更好的性价比和更低的系统功耗。
专用集成电路。
通过设计,专用集成电路可以极好的完成某些特定功能,而且它的功效也可以很好。然而。ASIC无法进行现场编程;即使在产品开发阶段,也无法对其功能进行修改和升级。而且,每次推出一个新产品都需要重新进行设计并经历所有制造流程;这样做不但造价昂贵,而且不利于迅速上市。相反,可编程数字信号处理器可以不需要修改硬件而进行升级,升级只需修改软件程序,这样就极大地降低了系统成本,并且有利于通过下在代码而实现性能增强。因此,在实时信号处理应用中,可编程数字信号处理器是系统的基础,而ASIC一般用做该系统的总线接口,互连逻辑和(或)功能加速器。
通用微处理器
ASIC是为特定功能优化的。与ASIC相反,通用微处理器(GPP)最适合于完成多种不同的任务。然而,在终端产品必须实时响应的应用中,或者必须在电池驱动下实现实时响应的应用中,由于GPP实时性能较差,功耗大,所以就被排除在外了。GPP正在越来越多地被视为业界的庞然大物-----为了适应不断变化的实时应用市场,不断增加的PC兼容性和台式电脑性能使GPP受到了拖累。因为人们越来越喜欢小巧的手持无线产品(其处理器功耗为毫瓦级,而不是瓦级),所以数字信号处理器就成为了可编程技术的最佳选择。随着数字互联网设备变得更小,更快,更便于携带,这种趋势一定会保持下去。
所有处理器都可以完成数字信号处理任务。然而，专用数字信号处理器完成数字信号任务的效率和速度都是最好的。传统的处理器遵循冯。诺依曼模型，该模型采用一个单一的共享存储器，同时存储程序指令和数据；而数字信号处理器使用的是哈拂结构或改进哈拂结构，该结构包含多个程序和数据存储器以及访问这些存储器的多套总线。这样安排就意味着从存储器取指令或取数据所需的等待时间要少得多。实际上，至少可以同时取得一条指令和一个数据。这种任务的重叠称做流水线。除了多存储器和多总线之外，所有数字信号处理器都有快速的乘法器，累加器和移位器。而且许多数字信号处理器都有支持循环缓冲区的硬件。地址产生器可以加速对寄存器寻址的存储器寻址的存储器访问。
数字信号处理器分为定点和浮点两大类。定点数字信号处理器使用固定的比特数来代表实物。二进制小数点的位置可以由编程人员决定，这个位置决定了可以表示的实物范围。可用精度要随着表示范围的增加而下降，因为二进制小数点右边的比特数减少了。在16位数据中，可能出现的格式有16.0，15.1，14.2，13.3，12.4，11.5，10.6，9.7，8.8，7.9，6.10，5.11，4.12，3.13，2.14和1.15。所有16位定点数据格式的动态范围都是一样的，都是20。LOG2=96DB。动态范围的计算方法为：20LOG（满量程范围/最小可分辨差别）。
浮点数字信号处理器使用尾数和指数来表示实数，这种方法和科学记数法很相似---将尾数和指数组合成一个32位数。浮点器件的动态范围是用2E的最大值和最小值进行计算的，此处E是指数。这样，对于24尾数。这样，对于24尾数和8位有符号的表示方法而言，动态范围是1535.3DB。大的动态范围意味着系统具备更大的，表示很宽范围输入信号的能力，从很小的信号到很大的信号。
汇编语言是数字信号处理器使用的命令语言。为了使常见数字信号处理任务的编程更加方便，高效，数字信号处理器 往往采用专门指令。例如，多数数字信号处理器都提供多功能指令，这些指令利用数字信号处理运算都包含着大量的重复性操作。
为特定应用选择合适的数字信号处理器不是很容易的。首先要明确的是选择定点器件还是浮点器件。一般而言，定点器件比较便宜，而且速度也较快。而浮点器件更偏于编程，更适合运算密集型的算法。第二，数字信号处理器的数据宽度决定了他所代表数据的精度。速度也是一个问题，速度不仅仅是指一秒内有多少个机器周期，而且还包括每个周期能够执行多少条指令以及这些指令中的每一条能够完成多少工作。一种评估数字信号处理器最低要求的办法是：估计对每个到来的样本必须执行多少条指令。这个数乘以采样频率就得到了所需每秒指令数的最小值。
某个特定数字信号处理器提供的某些特定的软、硬件特点能够让一种选择优于另一种选择，可用片内存储器数量同样也能做到这一点。有的时候，选择数字信号处理器的理由是支撑硬件的匹配性很好，尤其是在片上集成的A/D和D/A转换器。对于低级编程语言和高级编程语言，软件开发工具是否高效便捷也是经常要考虑的主要因素 ，而是否能够得到第三方软件也是主要因素之一。当然了，成本永远都是因素之一。事实上，被选中的数字信号处理器往往速度快、功能多，而且也符合资金预算的要求。
购买数字信号处理器有三种形式：购买内核，购买处理器和购买板级产品。在数字信号处理器中，内核这个词是指处理器中运行关键任务的部分，它包括数据寄存器，乘法器，算术逻辑单元，地址产生器和程序定序器。一个完整的处理器需要将内核、存储器和外部接口组合起来。尽管内核设计和片内外设计是分别进行的，但是去被制作在同一片硅片上；这样，处理器就能成为单片集成电路。
假定你要制造蜂窝电话并希望在设计中使用数字信号处理器，你很可能会以处理器的形式购买数字信号处理器，也就是说，你会购买一片包含内核和其他内部功能的集成电路。为了在产品中使用这片集成电路，你必须设计一个印制电路板，而数字信号处理器将被焊接到这块电路板上，与其他电子元器件相连。这是使用数字信号处理器最常见的方式。
现在，假设你服务的公司要制造自己的集成电路。在这种情况下，你可能不会购买整个处理器，而仅会购买处理器的内核设计。在完成了相应的授权协议后，你就可以开始制造为特殊用途而定制的芯片了。这样做给了你选择片内存储器数量、数据收发方式和封装形式等的自由。在数字信号处理器市场中，这种定制器件成为越来越重要的一部分。
有几十家公司提供安装了数字信号处理器的印制电路板。在这些电路板上，有附加存储器，A/D和D/A转换器、EPROM插座和多个处理器等。虽然有些电路板可用做独立工作的计算机，但大部分电路板配置了主机（如PC）插板的形式。制造这种电路板的公司被称为“第三方开发商”。寻找第三方开发商最好形式是询问你要使用的数字信号处理器的生产商。查看数字信号处理器生产商的网站；如果在那里找不到的话，就给生产商发电子邮件。生产商非常乐于告诉你；谁在使用他们的产品以及如何与他们联系。
要记住：数字信号处理器和其他微处理器的界限并不是很清晰的。例如，让我们看一下INTEL是怎样描述其奔腾处理器新增的MMX技术的：“为了高效操作和处理视频、音频和图形数据，INTEL工程师新增了57条功能强大的指令。这些指令面向的是多媒体操作中经常出现的、高度并行和重复的程序。”
将来，我们一定会看到更多的数字信号处理功能融合到传统的微处理器和微控制器当中。这种变革的强大推动力之一就是网络和其他多媒体应用。这些应用的发展速度如此之快，以至于20年后的数字信号处理器很可能也会成为“传统的”微处理器。
微信
QQ1：3097331788 QQ2：2601997959 QQ3：2993773635
