DSP的信號處理系統(tǒng)在電子信息工程中應(yīng)用研究

摘 要：本篇內(nèi)容通過介紹在電子信息工程中對于DSP數(shù)字信號處理系統(tǒng)的要求及其在電子產(chǎn)品信息化系統(tǒng)工程中的運(yùn)用優(yōu)勢在何處，并從數(shù)字信息系統(tǒng)建設(shè)總體方案設(shè)計(jì)，DSP數(shù)據(jù)處理部分，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理方式，DSP在應(yīng)用時(shí)的算法、系統(tǒng)應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)應(yīng)用測試分析等方面，逐步探討在電子信息工程中使用DSP的信息管理網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)措施，以期能為進(jìn)一步促進(jìn)DSP數(shù)字信號處理系統(tǒng)在電子產(chǎn)品信息化系統(tǒng)工程中的運(yùn)用，做以參考。

關(guān)鍵詞：DSP;信號處理系統(tǒng);電子信息工程;系統(tǒng)設(shè)計(jì)

DSP的數(shù)字信號處理技術(shù)是一門綜合性新技術(shù)，于20世紀(jì)60年代飛速發(fā)展，并在通信等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，其主要是通過數(shù)字的形式對信號進(jìn)行各項(xiàng)處理，使得人們獲得符合需求的信號形式。將DSP的信號處理系統(tǒng)集成化應(yīng)用于電子信息工程之中，有較強(qiáng)的可控性，并可對數(shù)據(jù)進(jìn)行快速的處理，能夠改善傳統(tǒng)系統(tǒng)中所存在的設(shè)備分散，操作性不佳等問題。

1.DSP的信號處理系統(tǒng)在電子信息工程中應(yīng)用要求

首先在實(shí)驗(yàn)過程中要保證系統(tǒng)的連貫性，實(shí)驗(yàn)所需要用到的相關(guān)設(shè)備，必須要具備良好的操作性，這樣才能給后期的應(yīng)用提供一個(gè)良好的環(huán)境。在實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用的過程之中，其核心工作內(nèi)容是計(jì)算以及相關(guān)處理技術(shù)，此項(xiàng)信號處理系統(tǒng)對平臺處理信號的能力要求較高，并且為滿足DSP的信號處理技術(shù)所具備的高速計(jì)算處理特點(diǎn)，應(yīng)將處理系統(tǒng)的接口設(shè)計(jì)符合外圍信號處理電路以及處理能力的實(shí)際需求。在設(shè)計(jì)時(shí)，DSP信號處理單元為系統(tǒng)的核心，系統(tǒng)所有作業(yè)都應(yīng)在DSP信號處理單元完成，并且要實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)對其有可控的特性。為將兩者相完美結(jié)合，其系統(tǒng)還應(yīng)具備可便捷性，因此在設(shè)計(jì)時(shí)要將DSP信號處理系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)進(jìn)行連接，技術(shù)人員可以通過計(jì)算機(jī)中所呈現(xiàn)的人機(jī)相連畫面對其進(jìn)行操作，這樣也符合電子信息技術(shù)對于綜合實(shí)踐平臺的要求[1]。

2.DSP的信號處理系統(tǒng)在電子信息工程中應(yīng)用優(yōu)勢

2.1DSP信號處理特點(diǎn)

DSP數(shù)字信號處理功能的實(shí)現(xiàn)主要是使用了各種設(shè)計(jì)方式，它對數(shù)碼信息的處理過程有著各種靈活計(jì)算，在實(shí)際數(shù)據(jù)處理的流程中使用了特定的晶片構(gòu)成，而這些晶片構(gòu)成和通常的微數(shù)據(jù)處理器明顯不同，它有著自身的地址總線，能夠提升處理水平與處理效率，在數(shù)據(jù)傳輸方面，還具有并行傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，能夠有效提升傳輸效率，系統(tǒng)本身也具有可優(yōu)化和可擴(kuò)展的特點(diǎn)。基于DSP信號處理系統(tǒng)的這些功能，許多復(fù)雜信號可以得到良好處理，因此該項(xiàng)技術(shù)也在許多領(lǐng)域得到應(yīng)用，不僅是信號處理領(lǐng)域，還包括通信控制與電子信息工程領(lǐng)域。

2.2有著較強(qiáng)的可控性

DSP信號處理系統(tǒng)具有明顯可控性，該特征主要表現(xiàn)為對不同的信號處理任務(wù)選用不同處理軟件，開展針對性處理，提升處理效果并實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)化控制。比如說計(jì)算機(jī)工程中的信號處理工作，使用DSP技術(shù)可以利用程序進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的采集與載入，讓系統(tǒng)具備計(jì)算機(jī)調(diào)制解調(diào)器的作用，DSP技術(shù)下的信號處理系統(tǒng)中還具體特殊數(shù)字濾波器裝置，該裝置與一般濾波器不同，具有可針對程序編程的差異來進(jìn)行濾波處理的功能，避免內(nèi)部產(chǎn)生構(gòu)造破壞情況，提升信號處理的安全水平，其可控性也表現(xiàn)為靈活度較高以及適應(yīng)性較強(qiáng)等特征[2]。

2.3可對數(shù)據(jù)快速處理

DSP設(shè)計(jì)的信號處理系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)處理后大多是采用特殊器件，其處理的水平比較好，還可以提高工作效率。分析從其芯片的具體構(gòu)造中得知，其內(nèi)部存在著相對單獨(dú)的程序空間和信息存儲模塊，能夠一邊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理一邊完成對應(yīng)指令，因而數(shù)據(jù)處理的速度較快，信號處理系統(tǒng)的穩(wěn)定性也比較強(qiáng)，現(xiàn)階段的市面上基于DSP技術(shù)的信號處理器都具有強(qiáng)大處理功能，處理后的傳輸速率也能夠達(dá)到每秒百兆字節(jié)，具有顯著優(yōu)勢。

2.4有著較高的集成性

DSP信號處理系統(tǒng)具有較高的集成性，該項(xiàng)特征也使得系統(tǒng)的優(yōu)化性能更強(qiáng)，可提升信號處理水平。例如，將DSP信號處理器與以往使用的模擬信號處理器進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)其裝置內(nèi)部配置的芯片結(jié)構(gòu)具有高集成性特點(diǎn)，這種結(jié)構(gòu)主要是基于集成電路的設(shè)計(jì)理念，能夠提升對高維高速計(jì)算機(jī)的利用率，芯片結(jié)構(gòu)本身的功能十分強(qiáng)大，不過自重較輕、體積較小，因此，在實(shí)際使用過程中不會消耗過多能源，具有節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)，目前這種芯片結(jié)構(gòu)具有很好的發(fā)展前景。

3.在電子信息工程中應(yīng)用DSP的信號處理系統(tǒng)對策

3.1系統(tǒng)總體方案

系統(tǒng)包括兩個(gè)部分其一，DSP單元，其二，微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)單元。信號處理的主要處理任務(wù)均要在DSP單元進(jìn)行，而系統(tǒng)上的輸入和輸出通道主要性能都是實(shí)時(shí)處理和觀察信息，在系統(tǒng)下零點(diǎn)五部分DSP處理器要和PC微機(jī)相連接，主要承擔(dān)著數(shù)據(jù)的交換和控制。而DSP在控制系統(tǒng)中仍然受PC微機(jī)的控制，并要完成相關(guān)處理任務(wù)。DSP在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，可即時(shí)信息處理在入口與出口信道之間所傳輸?shù)母鞣N數(shù)據(jù)消息，并兼顧信息處理在電子計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)中所傳輸?shù)姆抡嬗嵦枺?dāng)信息處理完成之后則再將信息處理成果回輸于電子計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)中，由電子計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)再將其成果加以波形表示、統(tǒng)計(jì)訊息算法等處理程序。在操作系統(tǒng)中，基于DSP處理器的所有應(yīng)用程序，均由PC微機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)管理與監(jiān)控，因此根據(jù)DSP加載程序靈活性的特點(diǎn)，系統(tǒng)平臺上則可以完成針對各種電子信息工程件的管理運(yùn)算。在設(shè)計(jì)整體系統(tǒng)架構(gòu)時(shí)，DSP單元應(yīng)包含三個(gè)部分，分別是實(shí)時(shí)通道、存儲器以及接口[3]。

3.2DSP處理部分

DSP處理部分結(jié)構(gòu)應(yīng)包括如下結(jié)構(gòu)和功能：首先，前置放大器，為了使前端的模擬信號電壓加大，這樣就可以使其輸出的電平滿足A/D的要求;第二，模擬低通濾波器，其主要功用一是為了使信號的最高頻率低于實(shí)際采集頻率一半，這樣就可以確保實(shí)時(shí)的信息在采集后不會丟失，并滿足奈奎斯特采樣定理，二是為了濾波掉經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換后的高頻分量;第三，信道選擇開關(guān)，一是為了適應(yīng)系統(tǒng)需要，當(dāng)信息直通時(shí)可在輸入終端上直接連接信息發(fā)生器等專用設(shè)備，二是為了能夠觀察出D/A器件的特性;第四，A/D轉(zhuǎn)換器，其主要功能是將從輸入端口中所送至的模擬信號變成數(shù)字信號，再輸送至DSP數(shù)字信號處理器之中，其DSP可通過編程控制A/D的采樣頻率，這樣便可滿足不同的處理需求;第五，D/A轉(zhuǎn)換器，與A/D信號轉(zhuǎn)換器功能相同，但要將最終的數(shù)據(jù)處理結(jié)果轉(zhuǎn)換變?yōu)槟M信號;第六，功率放大器;主要是為了方便觀察和測量;第七，DSP芯片;第八，程序存儲器;第九，數(shù)據(jù)存儲器;第十，高速數(shù)據(jù)傳輸通道;第十一，命令控制接口;第十二，串行通信擴(kuò)展接口。

3.3計(jì)算機(jī)的處理

計(jì)算機(jī)處理部分主要包括四個(gè)部分：第一，ISA通信接口單元;第二，PC處理單元;第三，人機(jī)界面;第四，支持軟件。從第一部分來說，ISA通信接口單元的設(shè)置主要是用來完成在DSP和PC之間的數(shù)據(jù)和控制傳輸功能，而ISA的內(nèi)部通訊則使用了IO接口訪問方式。從第二部分來說，因?yàn)樵诳刂葡到y(tǒng)中的DSP處理單元完全受PC單元控制，所以PC單元要作為主控制器來運(yùn)行，并且需要對DSP單元數(shù)據(jù)進(jìn)行的處理。人機(jī)界面的功能其主要是為了實(shí)現(xiàn)人機(jī)可交互操作，一是界面將顯示DSP處理所產(chǎn)生的結(jié)果數(shù)據(jù)，并進(jìn)行分析和保存。二是充當(dāng)功能控制區(qū)的作用，可通過人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)對于DSP處理板硬件的控制，并且可按照之前所設(shè)定好的系統(tǒng)參數(shù)，控制所需要顯示比例、靜態(tài)以及動態(tài)等呈現(xiàn)。在支持軟件方面的設(shè)置，其一是為了支持DSP各種程序的應(yīng)用，方便技術(shù)人員在PC機(jī)的人機(jī)界面上進(jìn)行操作，對所需要的各類應(yīng)用進(jìn)行下載，并進(jìn)行相應(yīng)的處理。二是為了節(jié)省DSP處理板上使用的大容量POM，使用此程序代替將DSP應(yīng)用程序?qū)懭胩幚戆迳蟁OM的操作，這樣能夠提升系統(tǒng)整體的靈活性[4]。

3.4DSP應(yīng)用算法

基于DSP的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)信息工程中可以完成對各種數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)處理工作，所以在每一個(gè)階段都有其應(yīng)用計(jì)算的處理過程，其中包括了數(shù)字濾波器、高速傅立葉變換等。數(shù)字濾波器的描述方式主要有兩種，一種為方框圖表示法，另一種則是信流圖表示法。但在結(jié)構(gòu)的計(jì)算方面，有三種基本計(jì)算的單元，依次是：其一，加法器;其二，單位延時(shí);其三，乘常數(shù)乘法。數(shù)字波濾器的分布種類較多，其功能也不相同，主要可以分為FIR和IIR兩種。IIR數(shù)字濾波器的有理系統(tǒng)函數(shù)可表示為：

3.5系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

第一，數(shù)字信號處理中心單元。當(dāng)設(shè)置系統(tǒng)時(shí)，數(shù)字信號處理中心單元即是整個(gè)系統(tǒng)器件的核心，主要承擔(dān)著完成對數(shù)據(jù)的運(yùn)算、儲存和傳送等幾大功能。其所組成的主體部分由DSP元件TMS320C31以及部分外圍的電路所組成。其中，TMS320C31即是該單元的核心元件，所有作業(yè)內(nèi)容都需經(jīng)過此器件才能夠完成，選擇TMS320C31芯片的原因，是由于其性能較高。其高速緩沖存儲器的容量為64*32位，可用于存儲重復(fù)碼段，并能夠減少片外存取的次數(shù)。第二，核心元件的基礎(chǔ)組成。TMS320C31CPU一般由浮點(diǎn)/整數(shù)乘法器、計(jì)算邏輯單元、輔助寄存器計(jì)算單位、CPU寄存器組、32位的桶型移位裝置及其內(nèi)部總線通道所組成。第三，系統(tǒng)硬件中比較關(guān)鍵的三個(gè)時(shí)序?yàn)椋浩湟唬鎯ζ髯x時(shí)序;其二，存儲器寫時(shí)序;其三，中斷響應(yīng)時(shí)序。第四，核心元件在操作系統(tǒng)中的特性設(shè)置。首先在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法上，主要采取了二個(gè)功能設(shè)計(jì)方法，其一，微處理器方法;其二，微型計(jì)算機(jī)/引導(dǎo)裝載程序方法。其次在存儲器控件的分配上，主要依賴于微處理器工作。再次，在外部擴(kuò)展存儲器方面，主要應(yīng)用到了EPROM芯片以及SRAM芯片[5]。

3.6系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在DSP系統(tǒng)軟件的研發(fā)環(huán)節(jié)包括如下基本過程：第一，算法的仿真建模技術(shù)，其重點(diǎn)是利用Matlab軟件工具語言對其信號處理方式加以建模，并要檢驗(yàn)其算法的基本結(jié)構(gòu)及其可實(shí)踐操作性;第二，語句編寫程序，使用匯編語言、C語句的混編技術(shù)進(jìn)行程式編排并將之轉(zhuǎn)換，進(jìn)而輸出結(jié)果至匯編語言編譯器中并完成編排，最后獲得目標(biāo)文檔;第三，可運(yùn)行性文檔，將之前所獲得的目標(biāo)文檔，直接送入鏈路器中并完成連接，最后便可獲得可運(yùn)行文檔;第四，調(diào)試運(yùn)行器環(huán)節(jié)，在此環(huán)節(jié)要將所有可運(yùn)行的目標(biāo)文檔直接送入調(diào)式器中，并完成調(diào)試運(yùn)行，其目的是為提高，系統(tǒng)運(yùn)算結(jié)果的正確性，若出現(xiàn)了偏差，則可返回上一次并重新檢測加以調(diào)整，需要調(diào)試的主要內(nèi)容還有軟件系統(tǒng)模擬、應(yīng)用軟件操作系統(tǒng)、評測模式和控制系統(tǒng)模擬。第五，完成代碼變換后，在交換時(shí)，先要進(jìn)入代碼EPROM，并使之遠(yuǎn)離模擬器的運(yùn)行程序，以檢驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)果是否正確，若發(fā)現(xiàn)失敗則可返回上一次進(jìn)行的調(diào)整;第六，軟件測試環(huán)節(jié)。

3.7系統(tǒng)測試分析

利用仿真數(shù)據(jù)分析等技術(shù)手段，可以一并檢測系統(tǒng)的某些特性是否穩(wěn)定，比如快速傅立葉變換的使用以及數(shù)字濾波器的使用。首先要完成光譜分析測試，其重點(diǎn)是對實(shí)時(shí)信息和計(jì)算機(jī)的仿真數(shù)據(jù)利用FTT進(jìn)行不同的計(jì)算，結(jié)算結(jié)果將與Matlab仿真結(jié)果進(jìn)行對比，這樣能夠進(jìn)一步驗(yàn)證系統(tǒng)在頻譜的計(jì)算過程中所呈現(xiàn)出的性能是否穩(wěn)定。其測試步驟包括：第一，頻率取樣;第二，F(xiàn)FT運(yùn)算;第三，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果，最后計(jì)算機(jī)還要對模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并和結(jié)果進(jìn)行對比。在數(shù)字濾波測試環(huán)節(jié)其主要包括，第一，低通;第二，高通;第三，帶通;第四，帶阻;第五，測試結(jié)果分析，最后進(jìn)行模擬數(shù)據(jù)處理。

結(jié)束語：

DSP的信號處理系統(tǒng)在電子信息產(chǎn)業(yè)中使用上具有許多優(yōu)點(diǎn)，而且可以規(guī)避傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)技術(shù)處理所面臨的挑戰(zhàn)與問題，可將電子信息工程實(shí)踐變得更加綜合化，系統(tǒng)整體的信號處理能力變得更加高效。當(dāng)今我國現(xiàn)在對于DSP的信號處理系統(tǒng)研究及運(yùn)用存在著一定的局限性，因此相關(guān)科研人員應(yīng)加大對于DSP數(shù)字信號處理技術(shù)的研究，使其在電子信息工程領(lǐng)域可得到發(fā)展與優(yōu)化。

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作者簡介：

張慶，1986年，男;籍貫：江蘇宜興，本科，工程師，研究方向：測試計(jì)量技術(shù)與儀器