数字信号论文范文

时间:2023-03-20 07:36:15

数字信号论文

数字信号论文范文第1篇

全桥逆变器采用的是绝缘栅双极晶体管,控制方式为有限双极性控制[4],如图2所示。全桥逆变器的工作原理为:接通任一桥臂的两个绝缘栅双极晶体管,如IGBT1和IGBT3,接通时间ton,其值为DTs/2,(D为占空比,Ts为交替接通周期)。另一桥臂的晶体管IGBT2和IGBT4依次接通Ts/2。除IGBT1与IGBT4同时接通或IGBT2与IGBT3同时接通外,高频变压器的一次电压和输出电压均为零。受负载电感的影响,负载处在一个交替接通周期内可以形成稳定的恒定电流。脉宽调制脉冲的宽度和负载的性质共同决定了负载电流的大小。在晶体管IGBT2和IGBT4的脉宽调制波形设置一个死区时间,以防所有开关管同时接通而产生短路。输出电流的调节通过IGBT1和IGBT3驱动信号的脉宽调节。

2数字脉宽调制

作为逆变电路的核心,输入信号经脉宽调制器与给定值比较后,转变为具有一定占空比的脉冲信号输出并驱动电路,进而对整个逆变电源的输出进行调整和控制。数字信号处理器中自带有脉宽调制模块,该模块中具有8个I/O引脚,组成编号为PWM1H/PWM1L、PWM2H/PWM2L、PWM3H/PWM3L、PWM4H/PWM4L的4个高/低端引脚对,并分别由4个占空比发生器控制。I/O引脚对低端与高端的状态在负载互补时恰好相反。脉宽调制模块具有4种工作模式,能够实现有限双极性控制。数字脉宽调制流程如图3所示,其工作模式由脉宽调制时基控制寄存器设定。引脚对PWM1H/PWM1L设置为递增/递减模式时,可以控制全桥逆变器中的晶体管IGBT2和IGBT4;引脚对PWM2H/PWM2L设置为双更新模式时,可以控制全桥逆变器中的晶体管IGBT1和IGBT3。无论何种工作模式,脉宽调制的定时周期均通过控制寄存器实现。IGBT2和IGBT4的占空比由占空比寄存器1设定,并在有限双极性控制模式下设置为1;IGBT1和IGBT3的占空比由占空比寄存器2设定,并在有限双极性控制模式下不断更新,其更新数据由PI控制模块根据反馈电流或电压计算得到。脉宽调制时基控制寄存器的值在实时控制过程中不断增加,并不断与占空比寄存器的值进行比较,直至两者相等时输出脉宽调制信号,并通过设置置位比较控制寄存器将输出信号分为低有效和高有效。通过设置脉宽调制模块自带死区时间发生器的控制位,可以为PWM1H/PWM1L的死区时间设置插入位置和大小。2.3PI调节对于对象为惯性环节或滞后环节的连续控制系统,理想的控制方法是比例+积分(PI)控制,以保证系统稳定后不会出现稳态误差。由于高频逆变电源的对象为二阶惯性环节,因此适于采用增量式PI控制[5]。在由数字信号处理器控制的逆变电路中,采用软件得到的高频方波信号具有精准的占空比和频率,如图4所示。图中Ig和If分别为基准电流和实测电流,e为两者的差值,即电流偏差,Ig为数字信号处理器产生的方波电流。PI调节的执行机构和控制对象分别为脉宽调制模块和全桥逆变电路。即将电流偏差e输入PI控制器,由脉宽调制模块输出脉冲信号,以调节逆变电路的交替接通,进而控制电流。

3实验研究

该点焊实验以自制的高频逆变电路为电源,实际负载采用电阻箱,逆变电路采用有限双极性控制功率,电压波形如图5所示。三段焊电流具有缓慢升降的作用,可用于复杂动态焊接过程,提高焊接工艺水平。三段焊电流的实现通过三个不同参数的设置实现,如图6所示。电流波形的电流和时间分别设置为:1.0kA、6.5ms,1.5kA、7.0ms,2.0kA、8.0ms。迹示教的轨迹存储功能,能够完成不规则焊缝的多层多道焊接。(3)进行了盾体焊接及切割试验,获取了相应的试验数据,验证了所研发焊接/切割机器人应用于盾体焊缝自动焊接及切割的可行性。

数字信号论文范文第2篇

1.1时域采样定理离散时间信号是从连续时间信号通过等间隔采样得到的,因此,弄清采样得到的信号与原始信号的关系是必要的,其中最重要的就是信号经过采样以后,信号信息会不会丢失?如果不丢失,即从采样信号无失真恢复出原始信号应该具备那些条件?也就是采样频率如何来确定的问题。在讲述之前,首先让学生观察如图1所示图形。通过观察图1所示图形的类比,积极引导让学生找出其中的差异。图1为某单一频率信号,由图1可看出,当在一个周期内采集8个采样点的时候,可以很轻松的恢复出原来模拟信号的样子;当采样点数减少4个的时候,一样可以看得出原模拟信号的包络;继续减少采样点数为2个时,仍可以观察得到信号的大致形状;但当采样点数为1个时,就无法确定原模拟信号的形状了,从而可以得到一个近似的结果,也就是一个周期内至少有两个采样点,即fs>2fc。同学们有了一个直观的认识后,再根据推导得出结论,学生接受起来就变的容易,记忆也更深刻。

1.2频率分辨率频率分辨率在信号谱分析中是一个非常重要的概念,它反应了将两个相邻谱峰分开的能力,是分辨两个不同频率分量的最小间隔。频域采样间隔F=fs/N=1/NT=1/Tp,而文献中指出F=fs/N称为计算分辨率,即该分辨率是靠计算得到的,但它不反映真实的频率分辨率能力。F=1/Tp称为物理分辨率,补零仅仅提高了物理分辨率,而要得到高分辨率谱,则要通过增加数据记录。这让学生很难理解,教师也不好描述,以Matlab程序辅助图形讲解,如图2所示的两个模拟信号,通过图2可观察到的信号截取的有效长度对频率确定的影响。(a)只能观察到正弦信号很短的时间,不能测量其频率。(b)观察到周期的一半,可以估计出其频率,但有很大的不确定性。(c)观察到两个周期,不确定性被大大降低。

2例题图示引导法

双线性变换法与脉冲响应不变法相比其主要优点是避免了频率响应的混叠现象,但它的优点以频率的严重非线性为代价的。对于分段常数型的滤波器,双线性变换后,仍得到幅频特性为分段常数的滤波器,但是各个分段的边缘的临界频率发生了畸变,需要进行预畸变。

3类比法

拉普拉斯变化可以理解为是一种广义的傅立叶变换,它把频域扩展为复频域,扩大了信号的变换范围,并为分析系统响应提供了统一的规范方法。即H(s)为H(j赘)的推广。具体方法是:信号(ft)之所以不能满足绝对可积的条件,是当t寅∞或t寅-∞时,(ft)不为零,若用一个实指数函数e-滓t去乘(ft),只要滓的数值选择适当,就可以使收敛条件成立,e-滓t称为收敛因子。此时傅立叶变换公式变为。与所学过的知识,类比讲述,学生很容易掌握并且不容易忘记。这样的例子还很多,包括时域采样定理与频域采样,FIR滤波器的窗函数法和频率采样法等知识点的类比法。

4结论

形象化教学法、例题教学法、类比教学法等教学方法的运用使数字信号处理的一些知识点形象化、通俗化、直观化,使数字信号处理的学习变得情趣盎然、深入浅出,体现了一直倡导的理论教学要与实际相结合的教学方法。教学实践证明,形象化教学特别适合于这些理论性强,知识点多,学时少课程的教学;而类比教学法,体现了课程之间的连续性,相似性,特别适合数字信号处理这种与前修课程知识点紧密联系的课程。多样化教学方法明显提高了学生的学习兴趣,调动了学习的积极性,提高了教学效果,深受学生们欢迎。

数字信号论文范文第3篇

另外一类是需要用复杂算法对大量数据进行处理的应用,例如声纳探测和地震探测等,也需要用DSP器件。该类设备的批量一般较小、算法要求苛刻、产品很大而且很复杂。所以设计工程师在选择处理器时会尽量选择性能最佳、易于开发并支持多处理器的DSP器件。有时,设计工程师更喜欢选用现成的开发板来开发系统而不是从零开始硬件和软件设计,同时可以采用现成的功能库文件开发应用软件。

在实际设计时应根据具体的应用选择合适的DSP。不同的DSP有不同的特点,适用于不同的应用,在选择时可以遵循以下要点。

算法格式

DSP的算法有多种。绝大多数的DSP处理器使用定点算法,数字表示为整数或-1.0到+1.0之间的小数形式。有些处理器采用浮点算法,数据表示成尾数加指数的形式:尾数×2指数。

浮点算法是一种较复杂的常规算法,利用浮点数据可以实现大的数据动态范围(这个动态范围可以用最大和最小数的比值来表示)。浮点DSP在应用中,设计工程师不用关心动态范围和精度一类的问题。浮点DSP比定点DSP更容易编程,但是成本和功耗高。

由于成本和功耗的原因,一般批量产品选用定点DSP。编程和算法设计人员通过分析或仿真来确定所需要的动态范围和精度。如果要求易于开发,而且动态范围很宽、精度很高,可以考虑采用浮点DSP。

也可以在采用定点DSP的条件下由软件实现浮点计算,但是这样的软件程序会占用大量处理器时间,因而很少使用。有效的办法是“块浮点”,利用该方法将具有相同指数,而尾数不同的一组数据作为数据块进行处理。“块浮点”处理通常用软件来实现。

数据宽度

所有浮点DSP的字宽为32位,而定点DSP的字宽一般为16位,也有24位和20位的DSP,如摩托罗拉的DSP563XX系列和Zoran公司的ZR3800X系列。由于字宽与DSP的外部尺寸、管脚数量以及需要的存储器的大小等有很大的关系,所以字宽的长短直接影响到器件的成本。字宽越宽则尺寸越大,管脚越多,存储器要求也越大,成本相应地增大。在满足设计要求的条件下,要尽量选用小字宽的DSP以减小成本。

在关于定点和浮点的选择时,可以权衡字宽和开发复杂度之间的关系。例如,通过将指令组合连用,一个16位字宽的DSP器件也可以实现32位字宽双精度算法(当然双精度算法比单精度算法慢得多)。如果单精度能满足绝大多数的计算要求,而仅少量代码需要双精度,这种方法也可行,但如果大多数的计算要求精度很高,则需要选用较大字宽的处理器。

请注意,绝大多数DSP器件的指令字和数据字的宽度一样,也有一些不一样,如ADI(模拟器件公司)的ADSP-21XX系列的数据字为16位而指令字为24位。

DSP的速度

处理器是否符合设计要求,关键在于是否满足速度要求。测试处理器的速度有很多方法,最基本的是测量处理器的指令周期,即处理器执行最快指令所需要的时间。指令周期的倒数除以一百万,再乘以每个周期执行的指令数,结果即为处理器的最高速率,单位为每秒百万条指令MIPS。

但是指令执行时间并不能表明处理器的真正性能,不同的处理器在单个指令完成的任务量不一样,单纯地比较指令执行时间并不能公正地区别性能的差异。现在一些新的DSP采用超长指令字(VLIW)架构,在这种架构中,单个周期时间内可以实现多条指令,而每个指令所实现的任务比传统DSP少,因此相对VLIW和通用DSP器件而言,比较MIPS的大小时会产生误导作用。

即使在传统DSP之间比较MIPS大小也具有一定的片面性。例如,某些处理器允许在单个指令中同时对几位一起进行移位,而有些DSP的一个指令只能对单个数据位移位;有些DSP可以进行与正在执行的ALU指令无关的数据的并行处理(在执行指令的同时加载操作数),而另外有些DSP只能支持与正在执行的ALU指令有关的数据并行处理;有些新的DSP允许在单个指令内定义两个MAC。因此仅仅进行MIPS比较并不能准确得出处理器的性能。

解决上述问题的方法之一是采用一个基本的操作(而不是指令)作为标准来比较处理器的性能。常用到的是MAC操作,但是MAC操作时间不能提供比较DSP性能差异的足够信息,在绝大多数DSP中,MAC操作仅在单个指令周期内实现,其MAC时间等于指令周期时间,如上所述,某些DSP在单个MAC周期内处理的任务比其它DSP多。MAC时间并不能反映诸如循环操作等的性能,而这种操作在所有的应用中都会用到。

最通用的办法是定义一套标准例程,比较在不同DSP上的执行速度。这种例程可能是一个算法的“核心”功能,如FIR或IIR滤波器等,也可以是整个或部分应用程序(如语音编码器)。图1为使用BDTI公司的工具测试的几款DSP器件性能。

在比较DSP处理器的速度时要注意其所标榜的MOPS(百万次操作每秒)和MFLOPS(百万次浮点操作每秒)参数,因为不同的厂商对“操作”的理解不一样,指标的意义也不一样。例如,某些处理器能同时进行浮点乘法操作和浮点加法操作,因而标榜其产品的MFLOPS为MIPS的两倍。

其次,在比较处理器时钟速率时,DSP的输入时钟可能与其指令速率一样,也可能是指令速率的两倍到四倍,不同的处理器可能不一样。另外,许多DSP具有时钟倍频器或锁相环,可以使用外部低频时钟产生片上所需的高频时钟信号。

存储器管理

DSP的性能受其对存储器子系统的管理能力的影响。如前所述,MAC和其它一些信号处理功能是DSP器件信号处理的基本能力,快速MAC执行能力要求在每个指令周期从存储器读取一个指令字和两个数据字。有多种方法实现这种读取,包括多接口存储器(允许在每个指令周期内对存储器多次访问)、分离指令和数据存储器(“哈佛”结构及其派生类)以及指令缓存(允许从缓存读取指令而不是存储器,从而将存储器空闲出来用作数据读取)。图2和图3显示了哈佛存储器结构与很多微控制器采用的“冯·诺曼”结构的差别。

另外要注意所支持的存储器空间的大小。许多定点DSP的主要目标市场是嵌入式应用系统,在这种应用中存储器一般较小,所以这种DSP器件具有小到中等片上存储器(4K到64K字左右),备有窄的外部数据总线。另外,绝大多数定点DSP的地址总线小于或等于16位,因而可外接的存储器空间受到限制。一些浮点DSP的片上存储器很小,甚至没有,但外部数据总线宽。例如TI公司的TMS320C30只有6K片上存储器,外部总线为24位,13位外部地址总线。而ADI的ADSP2-21060具有4Mb的片上存储器,可以多种方式划分为程序存储器和数据存储器。

选择DSP时,需要根据具体应用对存储空间大小以及对外部总线的要求来选择。

开发的简便性

对不同的应用来说,对开发简便性的要求不一样。对于研究和样机的开发,一般要求系统工具能便于开发。而如果公司在开发下一代手机产品,成本是最重要的因素,只要能降低最终产品的成本,一般他们愿意承受很烦琐的开发,采用复杂的开发工具(当然如果大大延迟了产品上市的时间则是另一回事)。

因此选择DSP时需要考虑的因素有软件开发工具(包括汇编、链接、仿真、调试、编译、代码库以及实时操作系统等部分)、硬件工具(开发板和仿真机)和高级工具(例如基于框图的代码生成环境)。利用这些工具的设计过程如图4所示。

选择DSP器件时常有如何实现编程的问题。一般设计工程师选择汇编语言或高级语言(如C或Ada),或两者相结合的办法。现在大部分的DSP程序采用汇编语言,由于编译器产生的汇编代码一般未经最优化,需要手动进行程序优化,降低程序代码大小和使流程更合理,进一步加快程序的执行速度。这样的工作对于消费类电子产品很有意义,因为通过代码的优化能弥补DSP性能的不足。

使用高级语言编译器的设计工程师会发现,浮点DSP编译器的执行效果比定点DSP好,这有几个原因:首先,多数的高级语言本身并不支持小数算法;其次,浮点处理器一般比定点处理器具有更规则的指令,指令限制少,更适合编译器处理;第三,由于浮点处理器支持更大的存储器,能提供足够的空间。编译器产生的代码一般比手动生成的代码更大。

不管是用高级语言还是汇编语言实现编程,都必须注意调试和硬件仿真工具的使用,因为很大一部分的开发时间会花在这里。几乎所有的生产商都提供指令集仿真器,在硬件完成之前,采用指令集仿真器对软件调试很有帮助。如果所用的是高级语言,对高级语言调试器功能进行评估很重要,包括能否与模拟机和/或硬件仿真器一起运行等性能。

大多数DSP销售商提供硬件仿真工具,现在许多处理器具有片上调试/仿真功能,通过采用IEEE1149.1JTAG标准的串行接口访问。该串行接口允许基于扫描的仿真,即程序员通过该接口加载断点,然后通过扫描处理器内部寄存器来查看处理器到达断点后寄存器的内容并进行修改。

很多的生产商都可以提供现成的DSP开发系统板。在硬件没有开发完成之前可用开发板实现软件实时运行调试,这样可以提高最终产品的可制造性。对于一些小批量系统甚至可以用开发板作为最终产品电路板。

支持多处理器

在某些数据计算量很大的应用中,经常要求使用多个DSP处理器。在这种情况下,多处理器互连和互连性能(关于相互间通信流量、开销和时间延迟)成为重要的考虑因素。如ADI的ADSP-2106X系列提供了简化多处理器系统设计的专用硬件。

电源管理和功耗

DSP器件越来越多地应用在便携式产品中,在这些应用中功耗是一个重要的考虑因素,因而DSP生产商尽量在产品内部加入电源管理并降低工作电压以减小系统的功耗。在某些DSP器件中的电源管理功能包括:a.降低工作电压:许多生产商提供低电压DSP版本(3.3V,2.5V,或1.8V),这种处理器在相同的时钟下功耗远远低于5V供电的同类产品。

b.“休眠”或“空闲”模式:绝大多数处理器具有关断处理器部分时钟的功能,降低功耗。在某些情况下,非屏蔽的中断信号可以将处理器从“休眠”模式下恢复,而在另外一些情况下,只有设定的几个外部中断才能唤醒处理器。有些处理器可以提供不同省电功能和时延的多个“休眠”模式。

c.可编程时钟分频器:某些DSP允许在软件控制下改变处理器时钟,以便在某个特定任务时使用最低时钟频率来降低功耗。

d.控制:一些DSP器件允许程序停止系统未用到的电路的工作。

不管电源管理特性怎么样,设计工程师要获得优秀的省电设计很困难,因为DSP的功耗随所执行的指令不同而不同。多数生产商所提供的功耗指标为典型值或最大值,而TI公司给出的指标是一个例外,该公司的应用实例中详细地说明了在执行不同指令和不同配置下的功耗。

成本因素

在满足设计要求条件下要尽量使用低成本DSP,即使这种DSP编程难度很大而且灵活性差。在处理器系列中,越便宜的处理器功能越少,片上存储器也越小,性能也比价格高的处理器差。

封装不同的DSP器件价格也存在差别。例如,PQFP和TQFP封装比PGA封装便宜得多。

在考虑到成本时要切记两点。首先,处理器的价格在持续下跌;第二点,价格还依赖于批量,如10,000片的单价可能会比1,000片的单价便宜很多。

本文小结

数字信号论文范文第4篇

1.1电平转换电路因为DSP的GPIO端口所能承受的电平为3.3V,而解码芯片HCTL_2021和光耦的输出信号为5V。为了保证DSP的GPIO端口能正常工作,需要接入电平转换芯片SN74LVC4245A,该芯片的功能是将5V电平转化3.3V电平。

1.2解码电路作为HCTL_2020的改良版,HCTL_2021在稳定性和抗干扰方面都有着突出的表现。交流伺服电机的光电编码器接入解码芯片HCTL_2021。解码芯片内部具有计数功能,当HCTL_2021捕捉到光电编码器输出正电平时计数值加1。解码以后的数据经8位数据线,依次将高8位和低8位输出至DSP。同时为了节省引脚,本系统设计时将4块HCTL_2021并联后接入DSP的GPIO端口。DSP通过软件设置分时读取解码芯片的数据。

2全自动信封包装机控制系统软件设计

2.1PID控制算法简介按偏差的比例、微分、积分进行控制的控制器叫PID控制器。数字PID控制器的原理框图如图3所示。其中,r(k)为系统给定值,e(k)为误差,u(k)为控制量,c(k)实际输出。PID控制器解决了自动控制理论所要解决的最基本问题,即系统的稳定性、快速性和准确性。调节PID的参数,可以实现在系统稳定的前提下,兼顾系统的带负载能力和抗干扰能力。Kp为比例系数;ki=(kp×T)/Ti为积分系数;kd=(kp×Td)/T为微分系数;Ti为积分时间常数,Td为微分时间常数,T为积分周期。当进行PID调节时,系统在运行初期由于偏差过大,会导致调节量u(k)过大,从而导致超调过大给系统带来很大的冲击。故需要对(1)式中的e(k)做一定的限幅处理。另外,当系统进入稳定状态以后,必然会产生一定的稳态误差,该误差在一个很小的范围内波动,如果控制器反复对其进行调节势必造成系统的不稳定。所以,系统必须设定一个输出允许带e0,即当采集到的偏差|e(k)|<e0时,不改变控制量。PID控制程序流程图如图4所示。

2.2PID算法在系统中的实现由于本系统的同步控制由一主多从的模式来实现,所以,2、3、4号伺服电机的转速和位置信号必须跟随1号伺服电机的转速和位置信号的变化。DSP中事件管理器模块的定时器产生频率可控的PWM波来控制伺服电机,PWM波的频率控制电机的转速,PWM波的个数控制电机的位置。设多伺服电机轴编码器输出脉冲数偏差值为e(k),在k时刻电机的实际反馈转速分别为u1(k)、u2(k)、u3(k)、u4(k)。各伺服电机轴同步速度偏差值。根据不同的生产工艺要求可以设定允许偏差值的最大变化范围max,当e(k)≤eM时,系统不需要进行调节控制,当e(k)>eM时,需要进行调节控制。本系统以TMS320F2812为控制器实现PID控制。在软件中设置定时中断,在中断程序中,计算各从伺服电机的转速和位置并与1号伺服电机的转速与位置信号进行比较,求出偏差值e(k)。经PID调节,对于偏差做出快速反应和补偿。本系统的软件处理采用增量式调节。(3)式中,u(k)为1号伺服电机控制量增量,其中i=2,3,4;u1(k)、ui(k)、ui(k-1)、ui(k-2)分别是k、k-1、k-2时刻1号伺服电机及i号电机轴的编码器输出脉冲采样值;Kp是比例系数;Ki是积分系数;Ki=KpT∑i;Kd是微分系数,Kd=KpT∑d;T是采样周期;∑i是积分时间常数;∑d是微分时间常数。

3系统设计中遇到的问题及解决方法

1同步启动为了保证4台伺服电机的位置相同,本系统设计了同步启动程序。由于伺服电机每次转到其固有零点时会发出一条高电平信号Z,将该信号接入DSP的捕获引脚。当DSP捕获引脚捕捉到高电平跳变时,立即PWM波的输出,使伺服电机停止在固有零点处。当4台伺服电机都停止后,延迟一定时间,再同时启动4台电机,这样就实现了同步启动。2数据的分时读取每台伺服电机反馈的QEP编码信号通过HCTL_2021解码后都会产生8路数据输出信号,4台伺服电机将会产生高达32路的数据输出信号,如果直接连到DSP的I/O,将会极大地占用DSP的I/O口,不利于DSP的充分利用。此时,DSP分时读取4块解码器HCTL_2021的数据输出信号成为有效的解决办法。实验中,伺服电机在运转过程中每转一圈将输出2500个QEP编码脉冲,将每一路编码脉冲经过光耦隔离后送入到HCTL_2021的信号输入端进行解码。本系统在软件上采用中断方式分时读取GPIO上4块芯片的解码结果。并将1号伺服电机的信息保存到变量date1中。2、3、4号伺服电机的信息分别存放在变量date2、date3、date4中。通过分时读取,作者解决了DSP引脚不足的问题,最大限度的利用了DSP的引脚资源。特别需要注意的是:由于数字电路的电平转换需要一定的时间,所以在改变控制信号的电平后需要延迟一定时间,等其真正稳定。分时读取程序的流程图如图6所示。

4实验结果及结论

系统硬件和软件调试完成后,作者选择了韩国MECPAPION公司的交流伺服电机,并且依照厂方产品设计要求确定了四台伺服电机的型号分别为APM-SE12MDK、APM-SE09MDK、APM-SE09MDK、APM-SE06MDK,并在负载条件下进行了不同转速的同步运行实验。实验结果表明,当转速小于500r/min时,系统稳定;当转速大于500r/min小于900r/min时,系统将会出现稍微的误差,但误差产生后PID控制器将会及时纠正误差;当转速大于900r/min时,系统误差严重,本系统不能及时纠正误差,导致误差随时间积累,一定时间后将会超出控制范围而导致信封包装机不能够正常工作。在这种情况下,需要使用更高频率的DSP或者使用更大惯量比的伺服电机。

数字信号论文范文第5篇

摘要:数字信号处理(DSP)系统由于受运算速度的限制,其实时性在相当的时间内远不如模拟信号处理系统。从80年代至今的十多年中,DSP芯片在运算速度、运算精度、制造工艺、芯片成本、体积、工作电压、重量和功耗方面取得了划时代的发展,开发工具和手段不断完善。DSP芯片有着非常快的运算速度,使许多基于DSP芯片的实时数字信号处理系统得以实现。目前,DSP芯片已应用在通信、自动控制、航天航空及医疗领域,取得了相当的成果。在载人航天领域,基于DSP芯片的技术具有广阔的应用前景。

TheDevelopmentandApplicationsofDigitalSignalProcessing(DSP)-chip

Abstract:Duetothelimitationofoperationspeed,realtimeperformanceofdigitalsignalprocessing(DSP)systemisfarfromthatofanalogsignalprocessingsystemindecadesago.Sinceearly80’s,DSPchipshavebeengreatlyimprovedinthefollowingaspects:operationspeed,computationprecision,fabricationtechnics,cost,chipvolume,operationalpowersupplyvoltage,weightandpowerconsumption.Furthermore,developmenttoolsandmethodshavebeendevelopedgreatly.ModernDSPchipscanbeoperatedveryfast,whichmaketheimplementationofmanyDSPbasedsignalprocessingsystempossible.NowDSPchipshavebeenwidelyappliedsuccessfullyincommunication,automaticcontrol,aerospaceandmedicine.DSPbasedtechnologyhasverypromisingfutureinmannedspaceflightarea.

Keywords:digitalsignalprocessing(DSP);chip;development;application

数字信号处理作为信号和信息处理的一个分支学科,已渗透到科学研究、技术开发、工业生产、国防和国民经济的各个领域,取得了丰硕的成果。对信号在时域及变换域的特性进行分析、处理,能使我们对信号的特性和本质有更清楚的认识和理解,得到我们需要的信号形式,提高信息的利用程度,进而在更广和更深层次上获取信息。数字信号处理系统的优越性表现为:1.灵活性好:当处理方法和参数发生变化时,处理系统只需通过改变软件设计以适应相应的变化。2.精度高:信号处理系统可以通过A/D变换的位数、处理器的字长和适当的算法满足精度要求。3.可靠性好:处理系统受环境温度、湿度,噪声及电磁场的干扰所造成的影响较小。4.可大规模集成:随着半导体集成电路技术的发展,数字电路的集成度可以作得很高,具有体积小、功耗小、产品一致性好等优点。

然而,数字信号处理系统由于受到运算速度的限制,其实时性在相当长的时间内远不如模拟信号处理系统,使得数字信号处理系统的应用受到了极大的限制和制约。自70年代末80年代初DSP(数字信号处理)芯片诞生以来,这种情况得到了极大的改善。DSP芯片,也称数字信号处理器,是一种特别适合进行数字信号处理运算的微处理器。DSP芯片的出现和发展,促进数字信号处理技术的提高,许多新系统、新算法应运而生,其应用领域不断拓展。目前,DSP芯片已广泛应用于通信、自动控制、航天航空、军事、医疗等领域。

DSP芯片的发展

70年代末80年代初,AMI公司的S2811芯片,Intel公司的2902芯片的诞生标志着DSP芯片的开端。随着半导体集成电路的飞速发展,高速实时数字信号处理技术的要求和数字信号处理应用领域的不断延伸,在80年代初至今的十几年中,DSP芯片取得了划时代的发展。从运算速度看,MAC(乘法并累加)时间已从80年代的400ns降低到40ns以下,数据处理能力提高了几十倍。MIPS(每秒执行百万条指令)从80年代初的5MIPS增加到现在的40MIPS以上。DSP芯片内部关键部件乘法器从80年代初的占模片区的40%左右下降到小于5%,片内RAM增加了一个数量级以上。从制造工艺看,80年代初采用4μm的NMOS工艺而现在则采用亚微米CMOS工艺,DSP芯片的引脚数目从80年代初最多64个增加到现在的200个以上,引脚数量的增多使得芯片应用的灵活性增加,使外部存储器的扩展和各个处理器间的通信更为方便。和早期的DSP芯片相比,现在的DSP芯片有浮点和定点两种数据格式,浮点DSP芯片能进行浮点运算,使运算精度极大提高。DSP芯片的成本、体积、工作电压、重量和功耗较早期的DSP芯片有了很大程度的下降。在DSP开发系统方面,软件和硬件开发工具不断完善。目前某些芯片具有相应的集成开发环境,它支持断点的设置和程序存储器、数据存储器和DMA的访问及程序的单部运行和跟踪等,并可以采用高级语言编程,有些厂家和一些软件开发商为DSP应用软件的开发准备了通用的函数库及各种算法子程序和各种接口程序,这使得应用软件开发更为方便,开发时间大大缩短,因而提高了产品开发的效率。

目前各厂商生产的DSP芯片有:TI公司的TMS320系列、AD公司的ADSP系列、AT&T公司的DSPX系列、Motolora公司的MC系列、Zoran公司的ZR系列、Inmos公司的IMSA系列、NEC公司的PD系列等。

通用DSP芯片的特点1.在一个周期内可完成一次乘法和一次累加。

2.采用哈佛结构,程序和数据空间分开,可以同时访问指令和数据。

3.片内有快速RAM,通常可以通过独立的数据总线在两块中同时访问。

4.具有低开销或无开销循环及跳转硬件支持。

5.快速中断处理和硬件I/O支持。

6.具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器。

7.可以并行执行多个操作。

8.支持流水线操作,取指、译码和执行等操作可以重叠进行。

DSP芯片的应用

随着DSP芯片性能的不断改善,用DSP芯片构造数字信号处理系统作信号的实时处理已成为当今和未来数字信号处理技术发展的一个热点。随着各个DSP芯片生产厂家研制的投入,DSP芯片的生产技术不断更新,产量增大,成本和售价大幅度下降,这使得DSP芯片应用的范围不断扩大,现在DSP芯片的应用遍及电子学及与其相关的各个领域。

典型应用(1)通用信号处理:卷积,相关,FFT,Hilbert变换,自适应滤波,谱分析,波形生成等。(2)通信:高速调制/解调器,编/译码器,自适应均衡器,仿真,蜂房网移动电话,回声/噪声对消,传真,电话会议,扩频通信,数据加密和压缩等。(3)语音信号处理:语音识别,语音合成,文字变声音,语音矢量编码等。(4)图形图像信号处理:二、三维图形变换及处理,机器人视觉,电子地图,图像增强与识别,图像压缩和传输,动画,桌面出版系统等。(5)自动控制:机器人控制,发动机控制,自动驾驶,声控等。(6)仪器仪表:函数发生,数据采集,航空风洞测试等。(7)消费电子:数字电视,数字声乐合成,玩具与游戏,数字应答机等。

在医学电子学方面的应用如同其它数字图像处理一样,DSP芯片已在医学图像处理,医学图像重构等领域,如CT、核磁成象技术等方面得到了广泛的应用,已取得了令人满意的效果。在助听,电子耳涡等方面也取得了相当的进展(文献[1,2])。国内、外也有关于脑电、心电、心音和肌电信号处理方面基于DSP芯片系统的报道(文献[4~7]),我们对1996年以前国外生物医学工程的部分核心期刊,如IEEETransactionsonBiomedicalEngineering,ComputersandBiomedicalResearch等核心期刊进行检索,有关基于DSP芯片处理系统的报道很少。对国内生物医学工程的核心期刊,如《中国医疗器械杂志》、《中国生物医学工程杂志》、《生物医学工程学杂志》和《中国生物医学工程学报》等刊物进行检索,未见有关基于DSP芯片系统方面的报道。对我所的光盘数据库进行检索,未见有关在航天医学方面应用的报告。

我们认为在生理信号处理领域基于DSP芯片的技术可以解决我们在实际工作中遇到的某些问题,如当生理信号数据量很大(如脑电,肌电等)且处理算法相对复杂时,现有的微机在实时采样、处理、存储和显示方面往往不能满足实际应用要求,而基于DSP芯片的高速处理单元和微机构成主从系统可以较好地解决这类问题。

载人航天领域中信号传输带宽的限制需要对生理数据进行实时压缩;大型实验中对庞大的数据进行实时处理依赖于数字处理系统的构成;载人航天中对数据处理精度,可靠性要求以及功耗、工作电压、体积、重量等方面的限制需要我们在构造处理系统中选择性能优良的芯片。我们认为将DSP技术应用于载人航天领域具有十分重要的意义。

结束语

以DSP芯片为核心构造的数字信号处理系统,可集数据采集、传输、存储和高速实时处理为一体,能充分体现数字信号处理系统的优越性,能很好地满足载人航天领域设备测量精度、可靠性、信道带宽、功耗、工作电压和重量等方面的要求。目前,DSP芯片正在向高性能、高集成化及低成本的方向发展,各种各类通用及专用的新型DSP芯片在不断推出,应用技术和开发手段在不断完善。这样为实时数字信号处理的应用——尤其是在载人航天领域中的应用提供了更为广阔的空间。我们有理由相信,DSP芯片进一步的发展和应用将会对载人航天信号处理领域产生深远的影响。

[参考文献]

[1]李小华,李雪琳,徐俊荣.基于DSP的数字助听器的研究.95年生物电子学[C],医学传感器等联合学术会议文集,北京,1995:438~439

[2]候刚,徐俊荣.用于植入式多道电子耳涡的一种数字实时语音特征分析系统的研究[M].生物医学工程前沿,合肥:中国科技大学出版社,1993:471~476

[3]邱澄宇,何宏彬.用于心电信号数据压缩的数字信号处理器[M].生物医学工程前沿,合肥:中国科技大学出版社,1993:463~466

[4]VijayaKrishnaG,PrasadSS,PatilKM.ANewDSP-BasedMultichannelEMGAcquisitionandAnalysisSystem[J].ComputersAndBiomedicalReserch,1996,29:395~406

[5]刘松强.数字信号处理系统及其应用[M].北京:清华大学出版社,1996:223~228

数字信号论文范文第6篇

1光纤模型

对于一些较为复杂的矢量信息的调制,光通信系统当中则一般都是用IQ调制器进行;光纤模型是为了将通信相干系统内处理数字信号进行提高,因此必须要具体研究整个系统内信号进行光纤传输的现象,而该现象则需要从物理以及数学的模型当中入手,对对应的补偿或均衡技术进行研究过程中将数字信号处理技术的作用发挥出来,使得光信号变换成为电磁波的形式,具体的解是在麦克斯韦方程组导出的波动方程中进行的,表达式是:其中X是信号偏振方向的单位向量,是初始振幅的傅立叶表示,是常数,最终将光信号基态模式分布成F(x,y)看成是近似高斯函数。另外在研究接收端过程中,一般都是将光相干接收机作为主要组成进行研究,其能够对接收机进行直接测探,让所检测的信号强度信息得以增强,同时还能够将强度调制信号进行光电转换前对其进行除匹配滤波之外的处理。

2信号处理

研究相干光通信系统内处理数字信号的技术主要是:光纤信道是信号进行传输的通道,而其中所出现的不同形式的失真或者损伤就会在结合过程中出现线性或者非线性的失真。而线性失真的补偿是不存在因果关系,即无需顾虑其顺序问题,不过需要在具体算法当中遵循以下原则:分离所需估计的线性失真为单独形式的变量,并补偿态应该优先估计,对于算法较为简单的变量,然后再补偿随机变量,最后才是对所有变量进行完整补偿。算法流程:每个方框所代表的都是相干接收机内的数字信号处理系统的子系统,且子系统之间所可能出现的反馈线路的具体图表也要进行表示,在预处理算法的研究中,它是指在进行实质的信道均衡、载波恢复之前,对采样后的信号进行一定程度的预先处理,为形成数字信号处理算法做出充分的准备。

3信号补偿

使用数字信号处理算法之后,相干光通信系统对信号补偿是在接收端,具体使用过程当中则会根据情况的不同来使用不同形式的数字信号处理子系统。去偏移系统可以针对偏振之间的采样时刻偏移进行补偿。正交化系统可以补偿因调制器和混频器缺陷造成的欠正交状况。归一化系统能够将信号具备单位的能力和幅度,进而使得信号发生色度色散后可利用静态信道的均衡系统对其进行补偿。即使出现不当采样而导致误差出现时,也能够使用采样时钟来对系统进行相关补偿。即自适应的信道均衡系统能够对于偏振所出现的相关损伤进行补偿,载波相位回复系统是估计载波相位的噪声,进而对所出现的失真进行补偿。载波频率恢复系统则是对发送端和接收端之间载波所出现的频率偏移进行补偿和估计。对于光线非线性造成的信号损伤可以借助非线性补偿系统进行补偿。

4相关耦合

在应用数字信号处理算法过程当中,先在接收端破和所输入的光信号和本振光,进而根据上述的数字信号处理技术子系统来对所耦合的光信号进行模数转化、去偏移以及正交化恢复等处理,然后根据实际的应用环境来选择具体形式的反馈和补偿。即相干光通信系统中有了数字信号处理算法的应用将会对其色散、偏振等造成的信号失真有了非常有效的补偿,进而更好的促进了相干光通信系统的发展。

二、小结

数字信号处理算法在相干光通信系统中的应用能够将各种形式损耗带来补偿,进而使得相干光通信的质量得到质的提升。光纤通信技术不断发展,如何将数字信号处理算法的复杂程度降低,进而使得补偿的范围和性能得到增强是当前该领域研究的主要内容。

数字信号论文范文第7篇

(1)这两种信号都是以8MHz为一个传输带宽单位,模拟频道一个8MHz带宽传输一套节目,数字频道一个8MHz带宽传输5—6套节目,所以在同样一个单位带宽损伤情况下,模拟信号只有一套节目出现故障,而数字信号会直接影响5—6套节目的收看。

(2)网络中传输的虽然都是已调制的高频信号,但数字频道是多电平正交幅度调制(64QAM)的数字调制方式。模拟频道是残留边带幅度调制的模拟调制方式,二者共同点是都有“幅度调制”的特点,对传输网络的幅度线性失真都是非常敏感的。

(3)要全面理解数字频道和模拟频道在传输电平测量上的区别。1)不管是模拟频道还是数字频道,在网络中的传输功率都是相同的,但二者在频道内的能量分布不同,特别是峰值能量的数值差异很大。在测量上,二者的传输电平有不同的表述方式。数字频道是数字信号调制的高频载波,在频道内,能量是相对均匀分布的,各频率处“峰值”相等。测量时用“频道内平均功率”来表示。模拟频道是模拟信号调制的高频载波,频道内功率比较集中分布在“图像载波”和“伴音载波”附近,有明显的峰值,测量时,用峰值处的平均电平表示,所以尽管数字频道与模拟频道传输时功率大致相同,但在测试上数字频道电平要比模拟频道电平低10dB左右。二者差值太小数字频道容易进入非线性状态,除自身信号劣化外,还会干扰网络内模拟频道;二者差值太大,数字频道电平低,载噪比损失大,数字信号也会劣化。或者模拟频道电平的峰值超过网络设备的最大失真范围,信号变劣,还会产生副产物,干扰数字频道。2)每个环节电平控制。网络中传输电平是由光电收发设备、放大器、机顶盒等有源设备,器件的性能,网络拓扑结构、布置,传输节目套数,用户数量等共同决定的,在设计时作了详尽充分的考虑,并在系统图中标定了各关键点的传输电平。所以,按照设计要求,随时控制各关键点的传输电平是网络安全运行的关键,只有如此,才能稳定网络运行。在网络运行维护中,控制各个环节电平,以下几个原则问题应做到:①数字频道与模拟频道的电平是由前端决定的,特别是二者的差值是由前端保证的,所以前端调制器输出电平要严格控制好,随时检测,发现电平差异,立即纠正。②前端输入到光发射机的高频信号电平要认真按设计要求控制,不要因为同轴电缆分配网的某些变化随意提高或降低,同轴电缆分配网的电平调整服从光传输电平。③所有光接收机的输出电平也要按照设计调整,并留有电缆放大器自动控制的余量,用于温度变化补偿,机内各部位的衰减器也要按设计标定的数值安装,因为不同环节的衰减器分别影响非线性失真和载噪比。④原有的模拟同轴电缆分配网不需做大的变动,电平大体可维持正常。偏差太大的,就必须按设计要求重新配置干线放大器,调整电平也要象处理光接收机一样,按要求配置各环节衰减器。光接收机实质上是一台加了光接收模块的干线放大器。用户放大器以下的电缆分配网络调整时以用户获得足够电平、用户之间点评均衡为原则。总之,模拟数字混合传输网各个环节的电平控制至关重要。对于模拟信号,输出信号太高,会造成非线性失真‘出现网纹、交调等;输出信号太低,造成载噪比低,出现雪花、噪点等。而对于数字信号,电平输出过高或过低,都表现为停帧、马赛克或黑屏等。因此,各个环节的电平要控制得当。

2如何检测和处理数字电视故障

(1)初次安装时无法收到数字电视节目,一般由于两个原因:一是有线电视线路故障,维修人员应用数字场强仪测量数字信号电平是否在合理范围内,或者检查连接线接头是否松动,应使各种街头连接牢固。二是因为用户没有将视频线连到机顶盒与电视上,或没有把电视调到AV状态下,这种现象占报修率60%以上。

(2)安装后收台不全,很多频道显示加密状态,多数情况是用户没有弄清数字电视收费政策,只有已付费的频道才能收看,其他需要另外付费的节目虽然可以看到台标但都会是加密状态。

(3)收看时出现马赛克或卡碟的声音,基本是有线电视线路故障,多出在雨雪天或大风天之后,对有线线路进行维修后可以好转。还可能是用户室内有线接头接触不良,现行的方法都是手工完成的,这就要求工作人员在各器件与电缆的连接中不能有丝毫大意,否则将产生电弧及打火现象。当频率较低时阻抗大、信号衰减大,载噪比在25dB以下时,将出现个别频点播出的电视节目出现马赛克或卡碟的声音。

(4)前端机房节目播出频点改变后部分频道无信号,更改播出频点这种问题不会经常发生,但是改动后会给用户收看节目造成不便,如果不重新搜索,部分频道将显示无信号,这时应尽量教会用户如何重新设置新的频点并搜索。也有的机顶盒需要进行软件升级。

(5)如果单个或几个数字频道电平过低,比邻近数字频道低5dB以上,会引起该频道所有节目都无法观看,这时要检查该频道电平比其他频道信号过低的原因。其主要有以下几种故障:同轴电缆屏蔽网接触不良、折断;电缆或插接头的主芯生锈,接触不良;光接点输出故障;致使输出单个或几个数字频道电平过低等。

(6)用户家中线路故障造成有线数字信号线性失真、损耗或反射等,一般有以下几种情况:①用户家中末端几个分头直接拧在一起,而未用分支分配器链接或分支分配器分支口接反;②接头抽芯、松动或屏蔽网线未接,这时需要重新做接头;③同轴电缆老化,芯线氧化腐蚀严重,需要更换同轴电缆线;④机顶盒输入接口连接不良,致使数字信号缺台或马赛克。

(7)用户家中的家电设备有高频干扰,主要表现在,当家用电器在使用时,机顶盒出现干扰,个别频道无法收看。因此,应将机顶盒远离这些家用电器使用。大石桥市有线电视网络公司自数字电视开通以来,先后用过长虹、金网通及九联等多种型号的机顶盒。虽然每种机顶盒的处理方法不尽相同,但是上述故障基本上每种盒子都遇到过,而且是现实工作中出现频率最多的问题。在此抛砖引玉,希望对从事数字电视服务的人员有所帮助。

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