实时信号处理系统设计与实现教案.ppt

slide # 实时信号处理系统设计与实现 王明全 wmingquan@ 2014 课程目标 了解 实时信号处理的概念、技术和发展趋势 掌握 算法从通用计算环境移植到VLSI结构的方法 重点 基于FPGA的数字信号处理系统的设计和实现技术 学时：40（第1～10周） 相关课程 基础课程 数字电路设计，信号与系统 数字信号处理理论 可编程逻辑器件与EDA技术 硬件描述语言（VHDL或Verilog） 后续课程 VLSI数字信号处理系统设计 嵌入式实时信号处理技术及应用实践 信号与信息处理和电子与通信工程专业研究生学位课 教材 Digital Signal Processing with FPGA (3rd Edition), Uwe Meyer-Baese, Springer, 2007 第2版中译本：数字信号处理的FPGA实现，刘凌 译，清华大学出版社，2006 参考书目（1） VLSI Digital Signal Processing Systems – Design and Implementation, keshab K. Parhi, Wiley, 1999 中译本：VLSI数字信号处理系统设计与实现，陈弘毅 等译，机械工业出版社，2004 参考书目（2） 实时信号处理-信号处理系统的设计与实现，J.G.Ackenhusen著，李玉柏 等译，电子工业出版社，2002 VLSI数字信号处理-设计与实现，张欣 著，科学出版社，2003 无线通信FPGA设计，田耘 等编， 电子工业出版社，2008 讲授内容安排 1.绪论 数字信号处理与FPGA，数字信号处理的技术要求、设计与实现 2.数字系统与基本算术单元设计 数字表示法，加法器、乘法器和除法器设计，浮点运算实现，MAC和SOP 3.数字滤波器设计 FIR滤波器，IIR滤波器 4.多采样率信号处理 5. Fourier变换 DFT，FFT，DCT 第1章 绪论 I. VLSI数字信号处理概述 数字信号处理系统 数字信号处理系统的VLSI设计目标 数字信号处理系统的设计目标 以最佳的速度、功耗和面积等技术指标实现复杂的信号处理运算。 数字信号处理系统VLSI设计目标 充分利用硬件电路直接完成数字信号处理所具有的高速优势，形成高性能的全硬件数学信号处理系统。 系统实时性（1） 将数字信号处理系统的功能定义为一个变换Tj，对输入信号xi（n）进行处理，得到输出信号yj（m）。 系统实时性（2） Tc LTx时输入和相应输出的定时关系 Tc小于帧持续时间，输出总能跟上输入 系统实时性（3） Tc LTx时输入和相应输出的定时关系 Tc 小于帧持续时间，前一帧的计算要在下一帧的最后一个样本到达之后才能完成，输出会越来越落后于输入 系统实时性（4） 实时概念 如果在使用变换Tj计算每个输出样本yj（m）的时候，完成计算所需时间不超过对输出yj（m）有影响的所有xi（n）的持续时间，则称该系统是实时的。 核心意义：实时系统的基本要求就是对xi（n）进行的计算Tj必须在特定时间内完成，这个时间就是样本集xi（n）的持续时间。 实时处理的判别条件 1.输入样本周期Tx 2.变换Tj的复杂度 3.完成变换的计算速度 数据驱动特性 数据驱动特性 一旦所有的数据准备好，DSP系统中任何子任务或计算皆可执行。 系统由数据流而非系统时钟进行同步。 DSP系统可以用不需要全局时钟的异步电路实现。 非中止性 数字信号处理应用 典型数字信号处理算法 卷积，相关和数字滤波器 随机梯度和最小均方差自适应滤波器 快匹配算法和离散余弦变换 (DCT)——运动估计 矢量量化——图像处理和压缩 Viterbi算法——动态规划 抽取和插值——多速率信号处理 小波和滤波器组 数字信号处理应用的发展 VLSI数字信号处理系统的优势 通用结构器件实现（通用可编程处理器 （GPP）和DSP 处理器）—— 软件计算系统 利用软件和相应的计算逻辑电路完成信号处理计算，算法易于实现； 串行，无法实现并行处理； 灵活性（通用性）好，但限制数字信号处理速度； 一般用作主控制器。 专用结构 (全定制VLSI电路) 实现速度、结构和功耗的整体优化； 功能针对算法专门设计； 并行计算结构，系统处理速度提高； 灵活性（通用性）差，价格竞争优势弱； 一般用作协处理器。 数字信号处理系统性能衡量标准 所需的硬件电路资源或软件空间 由数据吞吐量和时钟频率决定的运行速度 实现既定任务所需的功耗 有限字长效应 由量化和四舍五入造成 CMOS工艺进展 性能鸿沟！（1） 随着应用需求的不断提升，以及算法复杂度的不断增高，对更高性能的信号处理器的需求不断增加，传统的固定架构的DSP处理器无法应对； 在处理复杂度不断提升的算法的高性能模块时，需要采用