1、高速實(shí)時(shí)信號(hào)處理,.,主講人 : 蘇 濤 博士,教授 研究方向: 快速算法研究 高速實(shí)時(shí)信號(hào)處理系統(tǒng)研究 研究?jī)?nèi)容: 并行實(shí)時(shí)信號(hào)處理機(jī)設(shè)計(jì) 信號(hào)處理軟件包和算法庫(kù) 數(shù)字信號(hào)處理器: DSP 大規(guī)?？删幊唐骷? FPGA/EPLD 雷達(dá)信號(hào)處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,目 錄,第一章 實(shí)時(shí)信號(hào)處理概述 信號(hào)處理的發(fā)展 信號(hào)處理分類(lèi) 高速信號(hào)處理的實(shí)際需要 信號(hào)處理的現(xiàn)狀 實(shí)時(shí)信號(hào)處理分類(lèi) 實(shí)時(shí)信號(hào)處理舉例 第二章 實(shí)時(shí)信號(hào)處理的設(shè)計(jì)流程 算法仿真 DSP軟件設(shè)計(jì)方法的變革 Matlab仿真DSP軟件設(shè)計(jì) Matlab下的DSP集成設(shè)計(jì)環(huán)境,第三章 基本原理和算法 基本結(jié)構(gòu) 采樣定理 正交插值-數(shù)字正交采樣

2、數(shù)據(jù)格式 譜分析和FFT 數(shù)字濾波器設(shè)計(jì) 卷積和相關(guān)的快速算法 自適應(yīng)信號(hào)處理 矩陣運(yùn)算 圖像和語(yǔ)音處理 通信信號(hào)處理的常用算法 雷達(dá)信號(hào)處理的常用算法,第四章 數(shù)字前端和后端設(shè)計(jì) 射頻收發(fā)子系統(tǒng) 中頻設(shè)計(jì) 模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換 數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換 模擬、數(shù)字頻率 預(yù)處理 第五章 處理單元的實(shí)現(xiàn)方法 多種數(shù)字信號(hào)處理器的比較 并行處理器 DSP處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程 FPGA/CPLD設(shè)計(jì)濾波器、FFT ？Matlab與DSP開(kāi)發(fā)的結(jié)合？,第六章 多處理器系統(tǒng)設(shè)計(jì) 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇 性能指標(biāo) 開(kāi)發(fā)難度 第七章 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和通信 運(yùn)算和IO的 平衡 運(yùn)算和IO的并行DMA 各種類(lèi)型的存儲(chǔ)器 數(shù)據(jù)通信方式 PCI/CP

3、CI總線 VME總線 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信 LVDS技術(shù),第八章 硬件設(shè)計(jì) 高速電路設(shè)計(jì)的特殊性 傳輸線效應(yīng) 電磁兼容和信號(hào)完整性 同步和異步電路 高速存儲(chǔ)器 負(fù)載匹配 電源設(shè)計(jì)和電平轉(zhuǎn)換 模數(shù)混合電路 第九章 軟件工程 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的軟件化 開(kāi)發(fā)手段的演變 DSP的程序設(shè)計(jì)和優(yōu)化 操作系統(tǒng) 測(cè)試 開(kāi)發(fā)層次分化 軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì),第十章 實(shí)時(shí)信號(hào)處理系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì) 折衷設(shè)計(jì) 效率、成本和兼容性 功耗和散熱 抗干擾設(shè)計(jì) 可靠性設(shè)計(jì) 冗余設(shè)計(jì) 加密 優(yōu)化改進(jìn) 進(jìn)度估計(jì),第十二章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的考慮 第十三章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例 濾波器設(shè)計(jì) 電力信號(hào)監(jiān)測(cè)設(shè)備 圖像處理 通用信號(hào)處理機(jī)設(shè)計(jì) 空時(shí)二維雷達(dá)自適應(yīng)信號(hào)處理,講述這門(mén)

4、課的目的： 實(shí)時(shí)信號(hào)處理中的：系統(tǒng)設(shè)計(jì)、關(guān)鍵技術(shù) 參考書(shū)： 高性能與高速實(shí)時(shí)信號(hào)處理： 、章： 算法應(yīng)用、并行處理系統(tǒng)設(shè)計(jì) 接口電路設(shè)計(jì)與編程： 2、 、 4、 、章： 硬件選型、電路設(shè)計(jì)、系統(tǒng)設(shè)計(jì),第一章 實(shí)時(shí)信號(hào)處理概述,1.1 信號(hào)處理的發(fā)展 信號(hào)處理:信息的變換和提取，是將信息從各種噪聲、干擾的環(huán)境中提取出來(lái)，并變換為一種便于為人或機(jī)器所使用的形式。從某種意義上說(shuō)，信號(hào)處理類(lèi)似于“沙里淘金”的過(guò)程：它并不能增加信息量(即不能增加金子的含量)，但是可以把信息(即金子)從各種噪聲、干擾的環(huán)境中(即散落在沙子中)提取出來(lái)，變換成可以利用的形式(如金條等等)。 信號(hào)以多種形式存在于自然界中，信

5、號(hào)處理可按多種形式進(jìn)行。 光信號(hào)經(jīng)過(guò)透鏡、偏振器可以得到處理。 但通常所說(shuō)的信號(hào)處理，幾乎無(wú)例外地以電信號(hào)的形式進(jìn)行。其他形式的信號(hào)可以通過(guò)傳感器轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。電信號(hào)通?？梢苑譃閮纱箢?lèi)：一類(lèi)是時(shí)間和幅度都連續(xù)取值的模擬信號(hào)；另一類(lèi)是時(shí)間和幅度只能取某些離散值的數(shù)字信號(hào)。所以，信號(hào)處理也分為模擬信號(hào)處理和數(shù)字信號(hào)處理兩大類(lèi)。,由模擬信號(hào)處理發(fā)展到數(shù)字信號(hào)處理 二十世紀(jì)70年代以來(lái)，數(shù)字技術(shù)快速發(fā)展并普及 數(shù)字技術(shù)的顯著優(yōu)點(diǎn)是： （1）高穩(wěn)定性與高精度：與模擬系統(tǒng)相比，其特性不易受使用條件影響，穩(wěn)定性、可靠性高，計(jì)算精度高 以加法器為例，模擬電路采用了運(yùn)放、電阻、電容。電源電壓，阻、容誤差，負(fù)載阻

6、抗匹配，溫度漂移都使加法結(jié)果不精確或不穩(wěn)定。同樣的電路，其電氣特性無(wú)法一致。如存在1%的誤差，調(diào)整校正很難-溫度變化后，重新調(diào)整。 數(shù)字電路：若采用16位定點(diǎn)，精度即可達(dá)到1/65536= 1.5*10-5 ，若采用32位浮點(diǎn)，精度即可達(dá)到1.7*10-38,（2）高度的靈活性：即可以通過(guò)在線重構(gòu)（CPLD）或軟件編程（DSP/PC）在相同的硬件上完成不同的處理功能。 （3）便于大規(guī)模集成：隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字電路的集成度越來(lái)越高，使數(shù)字系統(tǒng)體積小，重量輕，可靠性高，且便于批量生產(chǎn)。 （4）可以完成模擬系統(tǒng)無(wú)法具備的各種復(fù)雜處理功能。復(fù)雜的信號(hào)處理方法如自適應(yīng)算法、小波。 （5）便于存儲(chǔ)

7、和精確回放-驗(yàn)證；模擬信號(hào)用磁帶存儲(chǔ)，數(shù)字信號(hào)用磁盤(pán)存儲(chǔ)，注意：存儲(chǔ)同樣質(zhì)量的電視信號(hào)，磁帶體積小于磁盤(pán)（目前），為降低容量，目前數(shù)字化后的電視信號(hào)質(zhì)量不如原模擬信號(hào)。 （6）便于系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，信息共享。,廣義的DSP概念：數(shù)字信號(hào)處理的簡(jiǎn)稱(chēng)。 包括各種數(shù)字信號(hào)處理的算法，Matlab中的術(shù)語(yǔ)：諸如DFT及FFT變換，F(xiàn)IR數(shù)字濾波等；還指數(shù)字信號(hào)處理得以實(shí)現(xiàn)的硬件設(shè)備，即各種數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)。 狹義的DSP概念：專(zhuān)門(mén)指DSP處理器芯片。 如TI公司的TMS系列芯片，ADI公司的SHARC系列芯片等。 本課程中的DSP概念指DSP處理器芯片，它與CPU、FPGA并列作為數(shù)字信號(hào)處理的關(guān)鍵硬件核心。

8、,1.2 信號(hào)處理分類(lèi) 理論分析和仿真計(jì)算: 預(yù)先研究,模擬分析,系統(tǒng)設(shè)計(jì)前的仿真,事后分析 計(jì)算機(jī)/工作站：PC，巨型機(jī)，單臺(tái)/多機(jī)/網(wǎng)絡(luò) Fortran, C, Matlab 都是數(shù)字信號(hào)處理。側(cè)重于分析、驗(yàn)證、測(cè)試、模擬 實(shí)時(shí)信號(hào)處理: 在限定的時(shí)間內(nèi)，現(xiàn)場(chǎng)處理-特定的時(shí)間、地點(diǎn) 小遲延,專(zhuān)用型,體積/功耗小,成本低 大多數(shù)是嵌入式系統(tǒng)，脫離PC/:DSP/單片機(jī)/FPGA,A/D,D/A 移動(dòng)便攜式 少數(shù)是計(jì)算機(jī) EDA,DSP開(kāi)發(fā)工具,FPGA開(kāi)發(fā)環(huán)境,調(diào)試儀器 都是數(shù)字信號(hào)處理,許多信號(hào)處理的應(yīng)用都需要兩步： 第一步：從理論分析和仿真計(jì)算開(kāi)始，前期預(yù)研 第二步：發(fā)展到實(shí)時(shí)信號(hào)處理。

9、從側(cè)重于算法的搜索、優(yōu)化、驗(yàn)證，到在實(shí)際環(huán)境中實(shí)現(xiàn)它。 兩步在方法上的區(qū)別： 第一步，分析性能， 第二步，可行性如何，可靠性/成本/體積,1. 3 高速信號(hào)處理的實(shí)際需要 理論分析和仿真: 科學(xué)計(jì)算、地質(zhì)分析、氣象預(yù)測(cè)、仿真模擬、圖像處理，需要每秒幾十億到幾千億次運(yùn)算； 要模擬的系統(tǒng)越來(lái)越大，越來(lái)越細(xì)致/逼真 模擬核武器實(shí)驗(yàn)：每秒千億次運(yùn)算，一個(gè)月。模擬實(shí)況 超級(jí)巨型計(jì)算機(jī)，IBM的每秒萬(wàn)億次運(yùn)算的ASCII White，體積兩個(gè)籃球場(chǎng)，功耗相當(dāng)于一個(gè)中等城鎮(zhèn) 前身：深藍(lán)計(jì)算機(jī)，國(guó)際象棋比賽。 運(yùn)算能力（智力）與硬件和軟件都有關(guān) 新理論和新方法:性能好,復(fù)雜度和運(yùn)算量很大 -不斷提高的PC：3

10、GHz,實(shí)時(shí)信號(hào)處理領(lǐng)域 實(shí)時(shí)性強(qiáng),遲延小,體積小,功耗小，成本低 通信和語(yǔ)音信號(hào):每秒幾千萬(wàn)到幾億次運(yùn)算，手機(jī) 視頻信號(hào)和圖象:每秒幾億到幾十億次運(yùn)算，網(wǎng)絡(luò)圖像傳輸 工程應(yīng)用：導(dǎo)航，探測(cè)，識(shí)別 尖端技術(shù)：航空、航天、武器控制 雷達(dá)、聲納信號(hào):每秒幾十至幾百億次運(yùn)算。 新方法,擴(kuò)大的應(yīng)用領(lǐng)域，軍用轉(zhuǎn)民用,1. 4 信號(hào)處理的現(xiàn)狀 客觀基礎(chǔ)條件： 大規(guī)模集成電路(VLSI)設(shè)計(jì)手段和制作工藝提高: 工藝:0.1um 集成度:1000萬(wàn)門(mén) 速度:3GHz 單機(jī)處理能力以10年100倍的速度增長(zhǎng)； 出現(xiàn)每秒運(yùn)算80億次的運(yùn)算單元 單片設(shè)計(jì)利用了并行的兩種手段： 流水線、片內(nèi)多部件并發(fā)工作 單機(jī)性能受

11、限于： VLSI器件開(kāi)關(guān)速度、片芯內(nèi)部連線遲延、 理論特征尺寸,1978年Intel公司推出8086現(xiàn)在的Pentium IV處理器（這并不是當(dāng)前最快的處理器，而是最普及的高速處理器）， 20多年的時(shí)間里，CPU的速度是以超線性加速度提高的。在提高的這27000倍里，540倍來(lái)自于時(shí)鐘頻率的提高，另外50倍來(lái)自于處理器結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和變革。8086執(zhí)行一條指令需要15個(gè)時(shí)鐘周期，而Pentium一個(gè)時(shí)鐘周期可執(zhí)行3條指令。 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的更新: 多機(jī)處理,分布式并行處理 軟件技術(shù)的擴(kuò)展：底層次到高層次 獨(dú)立開(kāi)發(fā)到協(xié)同開(kāi)發(fā)、系統(tǒng)集成,通用并行計(jì)算機(jī)： 幾百幾千個(gè)處理單元 每秒幾千億次運(yùn)算（峰值速度

12、） 商用化 CM-5E: 2600億次運(yùn)算/秒 ParagonXR/S: 1500億次運(yùn)算/秒 SP2: 1360億次運(yùn)算/秒 美國(guó) “高性能計(jì)算與通信計(jì)劃”； ASCII WHITE：萬(wàn)億次/秒計(jì)算機(jī) 歐洲 “萬(wàn)億次計(jì)算機(jī)計(jì)劃” 日本 3800億次/秒計(jì)算機(jī),實(shí)時(shí)信號(hào)處理： 語(yǔ)音處理芯片：?jiǎn)纹棵雰|次運(yùn)算 圖象處理專(zhuān)用芯片：?jiǎn)纹棵霂资畠|次運(yùn)算 無(wú)線通信基站及軟件無(wú)線電：每秒幾十億次運(yùn)算 空時(shí)二維信號(hào)處理(STAP):大規(guī)模并行處理(MPP) STAP系統(tǒng)的EHPSCS：每秒幾十億次浮點(diǎn)運(yùn)算 脈動(dòng)陣/波前陣：ASIC技術(shù)，幾十千個(gè)處理單元， 每個(gè)0.11億次運(yùn)算/每秒,1.5 實(shí)時(shí)信號(hào)處理分

13、類(lèi) (1)按處理形式 流水處理：逐點(diǎn)處理，F(xiàn)IR，IIR，DFT，DBF 簡(jiǎn)單，遲延小 批處理（塊處理）：分批處理，數(shù)據(jù)到齊才開(kāi)始， 結(jié)果也同時(shí)輸出。FFT，相干積累 遲延大，運(yùn)算量小，要求存儲(chǔ)器大，系統(tǒng)復(fù)雜 選擇處理形式是由： 處理要求/特點(diǎn)決定的：吞吐率，遲延 其次也受性價(jià)比影響：當(dāng)兩種形式都能滿足要求時(shí)，選擇低性價(jià)比。,舉例：譜檢測(cè)， FFT: Nlog(N) DFT：N2 全檢測(cè)）（檢測(cè)8點(diǎn)） N=64 384 4096 512 N=1024 10000 1000000 8192 對(duì)慢變信號(hào)、大量頻率點(diǎn)檢測(cè)時(shí)，批處理方式的FFT算法成本低。 對(duì)快變信號(hào)、少量頻率點(diǎn)檢測(cè)時(shí)，流水DFT處理

14、方式性能好，成本低。 電話撥號(hào)中的DTMF檢測(cè)（12/16鍵，8音：4高+4低構(gòu)成16種鍵）；對(duì)DFT算法改進(jìn) DFT遞推算法，更新速度更快，及時(shí)監(jiān)測(cè)出信號(hào)頻率的變化 FFT的流水算法，運(yùn)算量太大，滑動(dòng)/部分重疊算法,小波 短時(shí)FT 當(dāng)采樣率一定時(shí)，對(duì)快變信號(hào)的檢測(cè)容易/及時(shí)，而對(duì)慢變信號(hào)反而較難-積累時(shí)間很長(zhǎng)。 對(duì)周期信號(hào)，采樣整數(shù)倍周期時(shí)間 電力信號(hào)中50Hz,100Hz ,150Hz ,200Hz .,1000Hz 采樣率為8KHz,檢測(cè)50Hz,需要采夠20ms的整數(shù)倍,存儲(chǔ)160點(diǎn)以上 采樣率為8KHz,檢測(cè)1000Hz,需要采夠1ms的整數(shù)倍,存儲(chǔ)8點(diǎn)以上 頻率分辨率*時(shí)間分辨率恒

15、定 df * dT = pi/4,(2)按實(shí)現(xiàn)方法 硬件：FPGA，ASIC，固定、簡(jiǎn)單，吞吐率高 軟件：PC、DSP、單片機(jī)，靈活，吞吐率低 (3)按實(shí)現(xiàn)途徑 完全開(kāi)發(fā)：從底層到系統(tǒng) 集成：購(gòu)買(mǎi)現(xiàn)成的板卡，操作系統(tǒng)、庫(kù)，軟件開(kāi)發(fā)，集成 不進(jìn)行底層設(shè)計(jì) 開(kāi)發(fā)周期短、難度低、體積大、成本高。 與PC等大量生產(chǎn)的設(shè)備的區(qū)別：外購(gòu)成品的成本高于自行設(shè)計(jì) (3)按規(guī)模分類(lèi) 單片/單板：簡(jiǎn)單 多片/多板：同構(gòu)，異構(gòu)；流水、并發(fā) (4)按應(yīng)用分類(lèi) 消費(fèi)產(chǎn)品：最關(guān)心成本，體積??；批量大，采用專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì) 尖端國(guó)防：性能第一,1.5 實(shí)時(shí)信號(hào)處理舉例 數(shù)碼相機(jī)-視頻壓縮，再存儲(chǔ) VCD/DVD -視頻解壓，每秒2

16、5-30 Frame / s 通信：語(yǔ)音編解碼-壓縮/解壓、傳輸 數(shù)字化監(jiān)控：視頻壓縮卡，傳送或存儲(chǔ)，用計(jì)算機(jī)解壓回放 可視門(mén)鈴：綜合上述技術(shù)，實(shí)時(shí)性要求比上述都強(qiáng)。,探測(cè)：便攜式儀器進(jìn)行實(shí)地操作，道路地基，堤壩漏洞縫隙 防撞雷達(dá)：汽車(chē)，毫米波 導(dǎo)航GPS：接收衛(wèi)星信號(hào) 導(dǎo)彈制導(dǎo)：收發(fā)信號(hào)、目標(biāo)跟蹤、識(shí)別、自毀 。 上述例子都不便于用PC機(jī)作為處理平臺(tái)。,實(shí)時(shí)信號(hào)處理系統(tǒng)完整的設(shè)計(jì)流程如下，可刪減 1 提出處理要求 2 建立模型，分析仿真，搜索算法，采用MATLAB工具: 算法性價(jià)比折衷：性能好，可實(shí)現(xiàn)性強(qiáng)-運(yùn)算量不大 確定A/D位數(shù)，采樣速率，算法，硬件選型，然后進(jìn)行盡可能細(xì)致的仿真驗(yàn)證。反

17、復(fù)進(jìn)行比較，避免后期修正這一步，25%時(shí)間，在增加 3 硬件設(shè)計(jì): 15%時(shí)間，在減少 選型 A/D轉(zhuǎn)換 數(shù)字信號(hào)處理:以DSP/FPGA為核心，DSP+FPGA+存儲(chǔ)器 D/A變換 輸入/輸出接口和控制 高速電路設(shè)計(jì),第二章 實(shí)時(shí)信號(hào)處理的設(shè)計(jì)流程,4 軟件設(shè)計(jì): 15%時(shí)間 采用可編程器件, DSP的高級(jí)語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言設(shè)計(jì) 5 軟硬件聯(lián)合調(diào)試: 25%時(shí)間 調(diào)試工具：PC、儀器 6 系統(tǒng)測(cè)試、改進(jìn)：20%時(shí)間 可靠性分析； 簡(jiǎn)化，去掉冗余設(shè)計(jì),要求: 滿足性能指標(biāo) 可擴(kuò)展與易維護(hù) 開(kāi)發(fā)周期短:設(shè)備成本和人力 軟件化、通用化 處理功能可擴(kuò)展:軟件/硬件擴(kuò)充 軟件無(wú)線電 可編程通用信號(hào)處理機(jī)

18、設(shè)計(jì)途徑: 自行設(shè)計(jì):低成本,周期長(zhǎng),難度大 購(gòu)買(mǎi)板級(jí)產(chǎn)品或成套系統(tǒng)=機(jī)箱+板+操作系統(tǒng)+軟件,設(shè)計(jì)流程,注意：Matlab采用雙精度浮點(diǎn)格式，實(shí)時(shí)信號(hào)處理用定點(diǎn)或單精度浮點(diǎn)格式（代價(jià)和速度），存在誤差。 雙精度浮點(diǎn)格式定點(diǎn)，模仿，精度動(dòng)態(tài)范圍 飽和概念限幅，指標(biāo)上的余量 雙精度浮點(diǎn)格式單精度浮點(diǎn)格式：IIR的極點(diǎn)移動(dòng)到單位圓外，半徑約束、嘗試修改設(shè)計(jì)參數(shù)； 大矩陣求逆，對(duì)角加載。余量設(shè)計(jì),高層次的設(shè)計(jì)方法：一體化,Matlab與DSP技術(shù)的結(jié)合 1 Matlab的優(yōu)點(diǎn)：一個(gè)強(qiáng)大的分析、計(jì)算的可視化工具，特別適用于數(shù)字信號(hào)處理算法的分析和模擬，使用非常方便。 信號(hào)處理以及實(shí)時(shí)信號(hào)處理的有力工具

19、。 2 Matlab的局限：程序執(zhí)行速度太慢，而Matlab所依賴的平臺(tái)是計(jì)算機(jī)等設(shè)備，這類(lèi)設(shè)備的體積大、功耗高，不適合于實(shí)時(shí)信號(hào)處理，設(shè)備的結(jié)構(gòu)也無(wú)法滿足實(shí)時(shí)信號(hào)處理所要求的高速數(shù)據(jù)輸入/輸出。因此Matlab在實(shí)時(shí)信號(hào)處理應(yīng)用中，適合于算法的模擬、對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的事后分析處理。 3 實(shí)時(shí)信號(hào)處理主要還靠DSP。一種新的技術(shù)，可以將DSP和Matlab兩者密切的結(jié)合起來(lái)，充分利用兩者的特長(zhǎng)，有力地促進(jìn)數(shù)字信號(hào)處理算法的實(shí)現(xiàn)。,概念區(qū)分 1 Matlab中的DSP指數(shù)字信號(hào)處理（D. S. Processing）， 用Matlab工具搜索、驗(yàn)證算法 用Matlab工具包檢驗(yàn)算法在實(shí)際硬件上的性能

20、ToolBoxesMATLAB Link for Code Composer Studio Blockset DSP Blockset: Design and simulate DSP systems Blockset Embedded Target for TI C6000 DSP C6711 DSK pi/4 - arctan(x);,tan(A)=x,A=artan(x); tan(pi/4-A)=(1-x)/(1+x),x接近切小于1，此值就很小，便于用較少的級(jí)數(shù)求出pi/4-A，從而得A x=0.99999時(shí)，9級(jí)的精度達(dá)到1.8*10-5,盡量不顯示求出: sin(a+b)=sina cosb+cosa sinb 查表和計(jì)算相結(jié)合： (1)用較少的存儲(chǔ)器建立一個(gè)初始表（粗精度），再用計(jì)算法提