数字信号处理的硬件实现 基于DSP的
第 一 章 绪 论
第 一 节 数字信号处理概述
数字信号处理，或者说对信号的数字处理，是60年代前后发展起来的一门新兴学科。进入 70年代以来，随着电子计算机、大规模集成电路(LSI) 和超大规模集成电路(VLSI), 以及微处 理器技术的迅猛发展，数字信号处理无论在理论上还是在工程应用中，都是目前发展最快的学 科之一，并且日趋完善和成熟。
由于数字计算机和大规模集成电路的发展和普及，有人似乎认为现在是“数字万能”的时 代了，这是一种偏见。作为一次信息源，或称为原始信号源，例如语音、图像等模拟信号，它的重 要性今后也不会改变。然而，数字技术的发展却为模拟信号的数字处理开辟了广阔的前景。对 数字信号处理没有一个严格的定义，我们不妨把用包括软件在内的数字技术来处理模拟信号 叫做数字信号处理。或者简单地说，数字信号处理就是用数字的方法对信号进行变换和处理。
从学科的内容看，数字滤波器和快速傅里叶变换是数字信号处理的两个最重要的学科分 支，也是数字信号处理的核心内容。如果仅仅用数字滤波器代替某个系统中的模拟滤波器，则 还不能充分发挥数字技术的特长。事实上，对信号进行调制、滤波、变换、增强、压缩、检测、估 计、识别等，都是数字信号处理的研究范围。用数字的方法实现具有各种功能的信号处理系统， 可以使系统做到更加经济和小型化，进而有可能实现过去用模拟技术难以实现的各种功能。
图1-1给出了模拟信号数字化处理系统的简化框图。此系统先将模拟信号变换为数字信 号，经数字信号处理后，再变换成模拟信号输出。其中抗混叠滤波器的作用，是将输入信号x(t) 中高于折叠频率(其值等于采样频率的一半)的分量滤除，以防信号频谱的混叠。随后，信号经 采样和 A/D 变换后，变成数字信号x(n)。 数字信号处理器对x(n)进行处理，得到输出数字信 号 y(n), 经 D/A 变换器变成模拟信号。此信号经低通滤波器，滤除不需要的高频分量，最后输 出平滑的模拟信号y(t)。
实际的数字信号处理系统并不一定要包括图1-1所示的所有方框。有些系统只需数字信 号输出，就不需要 D/A 变换器；有些系统的输入已经是数字信号，那么就不需要 A/D 变换器； 对于纯数字系统，则只需要数字信号处理器这一核心部分就行了。
目前，数字信号处理技术已广泛应用于数字通信、雷达、遥感、声纳、语音合成、图像处理、 测量与控制、高清晰度电视、数字音响、多媒体技术、地球物理学、生物医学工程、振动工程，以 及机器人等各个领域，而且随着科学技术的发展，其研究范围和应用领域还在不断地发展和扩大。
数字信号处理技术之所以发展得这样快，应用得这样广，是与它的突出的优点分不开的。 归纳起来，它有以下四个方面的优点：
1. 精度高 大家知道，模拟电路中元器件的精度要达到10*3以上是比较困难的，而数字 系统17位字长就可以达到10-5的精度。在有些高精密的系统中，有时只有采闸数字技术才能 达到精密的要求。例如，雷达系统中的脉冲压缩技术，从理论上讲，要使主副瓣之比达到35dB 或40dB 是可行的。但是在采用模拟处理时，由于元件与工艺的限制只能做到30dB 左右。可是 当采用数字式脉冲压缩装置时，若脉宽r=500μs 、 压缩比D=2⁰=1024 、A/D 变换器用8位， 则其主副瓣之比可以达到40dB, 且动态范围可以大到60dB。由此可见，数字处理技术可以解 决那些模拟处理中精度根本无法实现的问题。
2. 灵活性大 模拟信号处理装置，一旦参数选定就不易改变。数字系统则不然，它的系数 是可调的，甚至还可以具有可编程和自适应的能力。例如，将乘法器的各种系数存放在存储器 中，在进行数字处理时，机器根据外部环境的变化，自动改变乘法器系数，以得到性能指标最优 的数字系统，这比改变模拟系统的特性要方便得多。
3. 可靠性高 这是因为数字系统只有“0”和“1”两个信号电平，其受温度、环境以及噪声 等的影响比模拟系统小。加上数字系统大多采用大规模甚至超大规模集成电路，所以其故障率 远比采用分立元件的模拟系统来得低。因而，数字系统比模拟系统稳定性好，可靠性高。
4.“时分复用” 所谓“时分复用”,即利用一套装置同时处理几个通道的信号。例如，由存 储器和运算单元组成的处理地震信号的数字滤波器，若地震仪记录的数据为每秒取样20次， 即每次间隔时间为50ms, 而数字滤波器处理一个点的速度假定为50 μs,于是，1000个这样的 待处理点，可以共用一个运算单元。运算单元的速度越高，则数字系统能同时处理的信道数也 越多。
当然，目前看来数字信号处理也有其局限性，例如：
1. 处理速度还不高 当进行实时处理时，输入信号的一个样点的处理必须在它的取样周 期内完成，所以采样频率不能选得太高，从而使被处理信号的频谱上限受到限制，不能处理很 高频率的信号。
2. 系统规模大，价格高 对于简单的信号处理来说，也要采用A/D 和 D/A 变换器以及 时钟和控制电路，这是不利的。
3. 存在量化噪声和运算误差 有时设计不当还会出现极限环振荡现象。
不过，与上述局限性相比，数字信号处理的优点还是非常突出的，随着超大规模集成电路 的发展，高效率算法获得成功，以及对硬件的优化，上述局限性将会逐步得到克服。
第二节 数字信号处理技术的实现
数字信号处理技术的实现方法，一般可以分为三类；软件实现法，硬件实现法以及软、硬件 结合实现法。
1. 软件实现法 即在通用计算机上按照数字滤波器的数学模型，编制出程序(即软件)对 信号进行处理。其优点是灵活、方便和可靠，并能做到一机时分复用。缺点是计算需要时间，一 般不能做到实时处理。而且，从成本上来看这种方法也是不合算的。这是因为通常的数字信号 处理算法虽然比较简单，但却是大量重复的算术运算，输入和输出的操作较少。如要求实时运算，即使是中等速度的信号处理，也只有很大的计算机才能提供所需的计算速度，而此时通用 计算机的复杂运算系统只有一小部分被利用，这使得通用计算机的体系结构与大多数信号处 理的算法不匹配，造成浪费。基于上述原因，导致人们致力于下面所述的通用和专用数字信号 处理机的设计和实现。
2. 硬件实现法 即根据数字滤波器的数学模型和算法，设计通用或专用数字信号处理 机。计算程序全部“硬化”,整个数字滤波器都是用硬设备实现。这些硬设备包括加法器、存储 器、控制器、输入/输出接口等，甚至还配有各种类型的外部设备。一般说来，数字信号处理的算 法有两个特点：
(1)大量的乘法和累加运算。最普遍的算术运算关系式为
式中：a; 为待处理系数；xi 为采样数据或中间结果。
(2)输入/输出(I/O) 运算数小于算术运算数。
正是这两个特点，推动着人们寻求信号处理的专用结构。数字信号处理机分为通用信号处 理机和专用信号处理机两种。
通用信号处理机在进行数字信号处理时灵活性大，适应性强，具有可编程能力。与通用计 算机相比，通用信号处理机的特征是指令存储器和数据存储器分开，这将使数据吞吐量有显著 地增加 ·并可使数据字长和指令字长相互独立。在数字信号处理机中，数据字长和指令字长互 相独立是需要的，因为数据字长通常要比指令字长短得多。
在许多应用场合，例如数字通信、雷达和声纳等，对数字信号处理功能的要求是有限的和 具体的，因而可以采用专用的数字信号处理机。这是指一种由硬件实体组成的独立系统，其目 的在于实时完成一组具体的和明确的数字信号处理算法。不过这种专用处理机没有通用处理 机那样机动灵活。
从技术实现的观点看，所谓数字信号处理就是控制单个或多个数字序列进行计算和存储 的过程。所以用通用数字计算机和用通用或专用数字信号处理机完成数字信号处理并无本质 区别。不过，后者的优点是速度快，可以做到实时处理，设备利用率也高，但是一经制成，其功能 就不易改变。
3. 软硬件结合实现法 这种方法是利用微处理器进行数字信号处理。亦即利用一部分硬 件，再配以相应的软件，使微处理器的硬件得到充实，软件得到改造，从而成为可编程的专用信 号处理机。在一个数字信号处理系统中，软件和硬件究竟各占多少比例合适，其主要标准是系 统的性能价格比。显然，性能好、造价低的系统，才算是最佳的系统。
本书主要讨论数字信号处理的硬件实现(包括软硬件结合实现)的方法。随着集成电路技 术的进步，用硬件实现的专用数字信号处理设备已经达到了实时处理的速度，并且具有批量数 据处理的能力。当前，硬件处理设备的实现主要体现在以下几个方面：
(1)广泛采用高速器件和并行处理方式，以提高速度，满足实时处理的需要。
(2)研制并生产了一些VLSI 专用浮点信号处理器芯片，可提供很大的动态范围，同时也 简化了硬件结构。
(3)超并行的阵列处理结构大量出现，可适应批量数据处理的需要，并且具有实时处理的 速度。
(4)信号处理机大多数都具有可编程能力，灵活性较强。
(5)充分利用通用器件或利用规格化的集成技术研制新的VLSI 器件，同时，广泛使用计 算机模拟研制过程和利用CAD 实现 VLSI 排版，以缩短研制周期，降低生产成本，提高经济效 益。
在进行硬件设计的过程中，一般需要经过以下三个阶段：
(1)对所设计系统进行全部或局部仿真，验证所设计的参数；
(2)根据对系统的要求，选定所用器件的系列和品种；
(3)研制硬件结构。
在许多数字信号处理系统中，采用什么样的寄存器长度、运算系统以及存储器配置方式， 对于系统的性能和复杂程度将有重大的影响。像数字滤波器和FFT 处理机等硬设备的寄存器 长度，可以通过计算机仿真得到最好的估算。例如，由系统的精度和速度的要求，决定采用浮点 制还是定点制；为了防止溢出，应采用什么样的标度因子；在运算的哪些步骤上需要进行溢出 检查和处理，等等。在设计和研制硬件之前，可以借助仿真试验程序对各种各样的系统参数加 以调整，在设计制造过程中同样还可以对各种参数进行小范围的调整。除了利用软件进行仿真 外，还可以利用面包板、通用电路板等工具，对部分电路或分系统进行调试，以验证某些参数和 逻辑设计的正确性，并估算系统的处理速率以及成本和工时等。
在完成上述任务之后，可以从成本、功耗、集成度等系统要求去考虑选择何种器件。一般来 讲 ，CMOS 型器件的功耗和成本都比较低，但其速度也相对要低一些。ELC 型器件的速度最 高，但相应的功耗也大。由于一个系统中各部分器件的速度要求不一定是完全一样的，所以可 以混合选用各种逻辑系列。不过，这时要注意各种不同逻辑系列的信号电平、噪声容限以及时 钟等，以便在它们之间进行适当的连接。
在硬件研制过程中，为使性能价格比达到最大，通常可以采取并行、复用和流水作业等工 作方式。所谓并行，是指为了完成同一任务，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(例如作为一个数字滤波器)有很大的富裕量时， 可让其完成多个任务，这就是复用；流水结构虽然也是多处理器完成同一个任务，但它与并行 处理的主要区别在于：并行处理彼此之间的数据交换不多，而流水结构类似于生产中的流水 线，数据经过一道道工序的处理，而从外部来看数据的处理速率是很高的。
此外，还要指出，在硬件的研制中，逻辑设计固然重要，但信号处理机的工艺和结构问题也 不应当忽视。它涉及到系统性能是否稳定、工作是否可靠，以及调试和维修是否方便等问题。
第三节 数字信号处理技术的发展概况
数字信号处理是从20世纪60年代发展起来的。当时，主要采用计算机模拟的方法研究数 字滤波器问题。到了70年代，由于LSI 技术得到了发展，才使得用硬件实现数字滤波器成为可 能。一开始，还只能用多个IC 芯片实现数字信号处理中的一个基本运算部件(例如加法器、乘 法器、延迟器等),因而所构成的数字信号处理设备体积比较大。随着集成度的提高，可以在一 个芯片内集成多个运算部件，从而使数字滤波器的应用进一步扩大。到70年代，开始研究如何 充分发挥软件的通用性和灵活性，将微处理器应用于数字信号处理。只是由于微处理器速度不 高，在许多场合都难以实现实时处理。但是，信号处理器的开发就是在这种设想的基础上发展
起来的。80年代，通用数字信号处理器的成熟和大量涌现，使得音频范围内数字信号处理技术 迅速得到广泛的实时应用。近些年来，除了不断提高通用数字信号处理器的速度和功能外，又 出现了许多工作频率达20MHz 以上的专用芯片和积木式部件，从而使数字信号处理技术进 人视频实时处理阶段，用户可以根据要求灵活地选用器件构成各种专用的实时处理系统。
目前，通用数字信号处理器已经进展到第四代、第五代，正在向高精度、高速度和高性能方 向发展。例如，DSP32 、UPD77230和 TMS320C30 等都是32位浮点芯片，DSP16B 的时钟频率 达80MHz 。有的数字信号处理器除了增大芯片内RAM 的容量和片外寻址能力外，还增加了 串/并行口的数量和速度，增加计数-定时器、A/D 和 D/A 变换器等。TMS320C40 指令周期为 40ns,片中含有6个DMA (直接存储器存取)控制器，适于进行并行处理。TMS320C80 (又称多 媒体视频处理器)具有5个强有力的、完全可编程的处理器，每秒执行20亿次操作，支持各种 并行处理。在每秒处理期内，它可以在片内传送2.4GB 的数据和1.8GB 的指令，向片外数据 存储器传送400MB 的数据。再如，ADSP-21060/ADSP-21062 是一种超级哈佛结构计算机，内 有4组独立的总线，单周期执行指令，指令周期为25ns, 即40MIPS (每秒百万条指令)。最高可 以执行120MFLOPS (每秒百万次浮点运算)。32位单精度和40位扩展精度浮点数据格式，或 32位定点数据格式。完成1024复数点 FFT 的时间为0.46ms 。有4兆位/2兆位(ADSP- 21060/ADSP-21062) 的在片SRAM (静态随机存取存储器)和10个DMA 通道。可用于语音、 图像和成像处理等应用领域。通用数字信号处理器的工作频率、数据吞吐能力和功能上的进一 步提高，将使其在数字通信、广播、电视、雷达等领域中的应用越来越广。
专用DSP(数字信号处理器)芯片的速度要比通用DSP 快得多。目前，可作视频实时处理 的 FIR (有限冲激响应)数字滤波器芯片就有几十种。它们的共同特点是，具有多个乘法累加器 构成独立的计算单元，便于级联运行。有的还可以实现自适应FIR 滤波器或作IIR(无限冲激 响应)滤波器。实现FFT 算法的专用芯片也有好多种。除矢量处理器ZR3416 和 ZR34325 外， 还有专用FFT 芯片TMC2310, 它包括5个功能块，指令周期为50ns,1024 点复数FFT 可在 0.5ms 内完成，取祥率(含窗)可达2MHz 。此外，图像处理芯片也发展得很快。
高速、实时信号处理是现代信号处理技术发展的一个显著特点，它需要极高的数据吞吐率 和巨大的实时计算量。这种技术融合了信号处理理论、VLSI 技术和计算机技术，是一个具有 确定应用环境的专用计算机系统。常见的高速、实时信号处理系统结构有四种：
1. 流水线处理 当算法具有递归性、数据流规整、数据通信呈现局部传输特性时，采用流 水线结构提高数据在网络中的通过率是一种有效的方法。实际流水线结构存在的一个常见问 题是流水级间的“瓶颈”问题。
2. 并行处理 提高目前计算机系统性能最重要和最有效的办法是“大量地并行”。并行处 理有两个含义：一是同时性，指两个或多个事件在同一时刻发生在多个硬件资源中；二是并发 性，指两个或多个事件在同一时间间隔内发生在多个硬件资源中。通常，狭义地理解就是同时 性，即从空间看有多少硬件资源在同时工作。显然，并行处理结构会提高系统的数据吞吐率和 数据处理能力。
3. 阵列结构 阵列处理器的出现标志着实时信号处理技术发展到了一个新的可以投入 实用的阶段。阵列处理的最大优点在于最大限度地利用了VLSI 技术的特点，采用高度并流水的结构形式，非常适合完成数据处理量大、运算规整、具有局部模块特性的实时信号处理 和图像处理任务。目前，阵列结构主要有脉动(Systolic)阵和波前(Wavefront)阵两种形式。
4.RISC(简化指令系统计算机)结构 RISC 结构是相对于复杂指令系统计算机CISC 而 言的，它是从80年代发展起来的新型计算机结构形式。 RISC 不仅简化指令，而且通过指令的 简化使计算机结构更加简单合理，从而提高运算速度，其途径是减少程序执行的机器周期数。 十多年来，RISC 结构显示了巨大的结构优越性，越来越普遍地被人们接受为新的计算机体系 结构原则。RISC 结构的目的就是使计算机(处理器)的体系结构更加简单、紧凑、合理和有效。 最优秀的RISC 结构并行处理芯片首推英国INMOS 公司的Transputer 系列。1992年7月，用 Transputer芯片构成的欧洲超级计算机工程宣告完成，以Transputer 为核心的第五代智能计 算机模型已在日本投入试运行。
第四节 数字信号处理技术的应用
数字信号处理的重要性，目前正逐渐为人们所认识，其应用领域也越来越广泛。现已卓有 成效的应用领域有：通信、雷达、声纳、遥感、生物医学工程、语音和图像处理、电子测量、自动控 制、地震学、振动学、电子对抗、航天测控技术、制导、模式识别等。
通信方面的数字信号处理(包括语音和图像视频信号的处理),大多要求实时处理，在处理 速度上有严格的要求，因此多采用硬件实现方案。过去，由于集成电路速度的限制，信号的数字 处理首先从频率较低的语音信号开始。例如数据调制解调器，电话电路终端装置，回音抑制器 和消除器，数字传输，脉码调制(PCM) 终端装置，频分多路传输终端以及宽带信号接收机等。 随着集成电路技术的进步，信号的数字处理已由音频扩展到视频，编码方法也越来越高级，由 普通的线性 PCM、增量编码器而发展出一些工作方式较为新颖的浮点PCM 编码器、自适应 增量编码器、自适应差分脉冲编码器(ADPCM) 和图像数字频带压缩等技术，数字调制解调器 也开始采用微处理器控制。有一种自适应数字数据传输系统，其核心部件就是快速傅里叶变换 处理机，它可以兼容移频键控、移相键控和移相调幅结合等六种数据传输中的调制方式，相当 于未用数字信号处理机的八种设备的功能，而且这种智能性的通信系统能够自适应传输信道 的特性变化，且始终保持最佳效果。
近代雷达技术的各个方面，越来越多地运用信号的数字处理技术。相控阵天线是数字技术 与天线技术相结合的产物。数字式频率综合器，复杂调制或编码信号的形成，高稳定载频或载 频捷变，往往都要采用数字技术来实现和控制。数字式脉冲压缩技术，数字式动目标显示或检 测，恒虚警处理机，各种算法的目标检测器以及视频积累等，大大提高了现代雷达的信号处理 和检测的能力。至于数字式角度和距离自动跟踪系统，雷达数据的录取和航迹相关，雷达目标 的数字显示等，更是大量应用数字技术的例子。
早期的声纳系统仅装备有简单的滤波器和基阵。随着时代的发展，对声纳的要求也越来越 高。而这些要求超出了最复杂的模拟系统所能实现的功能，所以导致了在声纳中采用数字技 术。例如，主动声纳站中采用数字式相关接收机和匹配滤波器，以改善输出信噪比。FFT 技术 可使声纳站得到比较准确的距离多普勒估计。在被动声纳站中，通常需要对海洋环境噪声的来 源进行检测和分类，因而各种高分辨力的谱分析和线谱跟踪方法，包括便于用数字技术实现的自适应谱估计算法，得到了应用。
在生物医学电子工程中，数字信号处理技术也得到了广泛的应用。无论在脑电波自动分析 系统，还是在心电图自动分析系统、断层摄影(CT) 、超声波断层摄影(UCT) 、数字电子显微
镜，以及其它的新型医用电子仪器中，都大量地采用了数字信号处理技术。
地震勘探是石油与天然气勘探的重要手段。地震勘探法是把地层作为传输信道的通信系 统，送入地下一个宽带的尖脉冲信号。由于受到局部散射、混响以及微小地震噪声等因素的影 响，往往不能从接收信息中获得期望信号的全部参数。采用一套特殊的地震信息处理方法，包 括一维和二维数字滤波、最佳滤波、反鸣震与反卷积滤波，以及深度点叠加等，可以使地震信息 改善并实现信息的自动提取和分析。
在图像处理方面，如增强X 射线、增强和分析探测森林火灾或农业的航空摄影照片，分析 卫星天气照片以及增强从月球和深空探测器送回的电视传输信号等，都需要用二维数字信号 处理技术，排除背景的干扰，从而获得清晰的图像。
总之，数字信号处理技术正在越来越广泛地应用到科学技术的各个领域。
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