1、.1課程設(shè)計(jì)(論文)題 目名稱基于DSP的FFT的實(shí)現(xiàn)課 程 名 稱專業(yè)課程設(shè)計(jì)學(xué)生*系 、專 業(yè)信息工程系通信工程指導(dǎo)教師2021 年4月27 日摘 要隨著計(jì)算機(jī)和微電子技術(shù)的飛速開展，基于數(shù)字信號(hào)處理的頻譜分析已經(jīng)應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域并且發(fā)揮著重要作用。信號(hào)處理方法是當(dāng)前機(jī)械設(shè)備故障診斷中重要的技術(shù)根底之一，分析結(jié)果的準(zhǔn)確程度是診斷成功與否的關(guān)鍵因素。研究頻譜分析是當(dāng)前主要的開展方向之一。數(shù)字信號(hào)處理根本上從兩個(gè)方面來解決信號(hào)的處理問題：一個(gè)是時(shí)域方法，即數(shù)字濾波；另一個(gè)是頻域方法，即頻譜分析.本文主要介紹了離散傅里葉變換以及快速傅里葉變換，通過對(duì)DFT以及FFT算法進(jìn)展研究，從根底深入研究和學(xué)

2、習(xí)，掌握FFT算法的關(guān)鍵。通過對(duì)DSP芯片工作原理以及開發(fā)環(huán)境的學(xué)習(xí)，掌握CCS的簡(jiǎn)單調(diào)試和軟件仿真，在DSP芯片上實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的實(shí)時(shí)頻譜分析。關(guān)鍵字:DSP；CCS仿真軟件；FFT目 錄TOC o 1-3 t h z u HYPERLINK l _Toc372 第1章 緒論 PAGEREF _Toc372 1 HYPERLINK l _Toc11741 1.1 DSP簡(jiǎn)介 PAGEREF _Toc11741 1 HYPERLINK l _Toc10135 1.2設(shè)計(jì)目的 PAGEREF _Toc10135 1 HYPERLINK l _Toc17529 1.3設(shè)計(jì)容 PAGEREF _Toc1

3、7529 1 HYPERLINK l _Toc31440 1.4設(shè)計(jì)原理 PAGEREF _Toc31440 1 HYPERLINK l _Toc28485 1.5FFT算法的DSP實(shí)現(xiàn)過程 PAGEREF _Toc28485 2 HYPERLINK l _Toc20522 第2章 硬件實(shí)現(xiàn) PAGEREF _Toc20522 4 HYPERLINK l _Toc9376 2.1系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc9376 4 HYPERLINK l _Toc27648 2.2原理圖的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc27648 5 HYPERLINK l _Toc2314 第3章 軟件設(shè)計(jì)

4、PAGEREF _Toc2314 7 HYPERLINK l _Toc21532 3.1 FFT運(yùn)算及存儲(chǔ)分配 PAGEREF _Toc21532 7 HYPERLINK l _Toc22857 3.2設(shè)計(jì)流程圖 PAGEREF _Toc22857 8 HYPERLINK l _Toc28611 第4章 系統(tǒng)仿真 PAGEREF _Toc28611 9 HYPERLINK l _Toc28351 4.1 FFT實(shí)現(xiàn)的方法 PAGEREF _Toc28351 9 HYPERLINK l _Toc19777 4.2程序運(yùn)行結(jié)果 PAGEREF _Toc19777 9HYPERLINK l _Toc

5、30538 第5章 總結(jié) PAGEREF _Toc30538 12 HYPERLINK l _Toc24752 致 PAGEREF _Toc24752 13 HYPERLINK l _Toc1392 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc1392 14 HYPERLINK l _Toc28169 附錄 源程序 PAGEREF _Toc28169 15.1第1章 緒論1.1 DSP簡(jiǎn)介數(shù)字信號(hào)處理(Digital Signal Processing，簡(jiǎn)稱DSP)是一門涉及許多學(xué)科而又廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域的新興學(xué)科。數(shù)字信號(hào)處理是利用計(jì)算機(jī)或?qū)Ｓ锰幚碓O(shè)備，以數(shù)字的形式對(duì)信號(hào)進(jìn)展分析、采集、合成、變換、濾

6、波、估算、壓縮、識(shí)別等加工處理，以便提取有用的信息并進(jìn)展有效的傳輸與應(yīng)用。數(shù)字信號(hào)處理是以眾多學(xué)科為理論根底,它所涉及的圍極其廣泛。如數(shù)學(xué)領(lǐng)域中的微積分、概率統(tǒng)計(jì)、隨機(jī)過程、數(shù)字分析等都是數(shù)字信號(hào)處理的根底工具。它與網(wǎng)絡(luò)理論、信號(hào)與系統(tǒng)、控制理論、通信理論、故障診斷等密切相關(guān)。1.2設(shè)計(jì)目的1加深對(duì)DFT算法原理和根本性質(zhì)的理解；2熟悉FFT的算法原理和FFT子程序的算法流程和應(yīng)用；3學(xué)習(xí)用FFT對(duì)連續(xù)信號(hào)和時(shí)域信號(hào)進(jìn)展頻譜分析的方法；4學(xué)習(xí)DSP中FFT的設(shè)計(jì)和編程思想；5學(xué)習(xí)使用CCS的波形觀察器觀察波形和頻譜情況；6簡(jiǎn)要畫出硬件設(shè)計(jì)電路圖。1.3設(shè)計(jì)容用DSP匯編語言進(jìn)展編程，實(shí)現(xiàn)FFT

7、運(yùn)算，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)展頻譜分析。1.4設(shè)計(jì)原理快速傅氏變換FFT是一種高效實(shí)現(xiàn)離散傅氏變換的快速算法，是數(shù)字信號(hào)處理中最為重要的工具之一，它在聲學(xué)、語音、電信、和信號(hào)處理等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。對(duì)于有限長(zhǎng)離散數(shù)字信號(hào)*n，0 n N-1，其離散譜*k可以由離散付氏變換DFT求得?？梢苑奖愕陌阉膶憺槿缦滦问剑翰浑y看出，WN是周期性的，且周期為N，即N的周期性是DFT的關(guān)鍵性質(zhì)之一。為了強(qiáng)調(diào)起見，常用表達(dá)式WN取代W以便明確其周期是N。FFT算法可以分為按時(shí)間抽取FFT和按頻率抽取FFT兩大類，輸入也有和復(fù)數(shù)之分，一般情況下，都假定輸入序列為復(fù)數(shù)。FFT算法利用旋轉(zhuǎn)因子的對(duì)稱性和周期性，加快了運(yùn)算速

8、度。用定點(diǎn)DSP芯片實(shí)現(xiàn)FFT程序時(shí)，一個(gè)比較重要的問題是防止中間結(jié)果的溢出，防止中間結(jié)果的溢出的方法是對(duì)中間數(shù)值歸一化。為了防止對(duì)每級(jí)都進(jìn)展歸一化會(huì)降低運(yùn)算速度，最好的方法是只對(duì)可能溢出的進(jìn)展歸一化，而不可能溢出的則不進(jìn)展歸一化。由DFT的定義可以看出，在*n為復(fù)數(shù)序列的情況下，完全直接運(yùn)算N點(diǎn)DFT需要N-12次復(fù)數(shù)乘法和NN-1次加法。因此，對(duì)于一些相當(dāng)大的N值如1024來說，直接計(jì)算它的DFT所作的計(jì)算量是很大的。FFT的根本思想在于，將原有的N點(diǎn)序列序列分成兩個(gè)較短的序列，這些序列的DFT可以很簡(jiǎn)單的組合起來得到原序列的DFT。例如，假設(shè)N為偶數(shù)，將原有的N點(diǎn)序列分成兩個(gè)N/2點(diǎn)序列

9、，則計(jì)算N點(diǎn)DFT將只需要約(N/2)2 2=N2/2次復(fù)數(shù)乘法。即比直接計(jì)算少作一半乘法。因子N/22表示直接計(jì)算N/2點(diǎn)DFT所需要的乘法次數(shù)，而乘數(shù)2代表必須完成兩個(gè)DFT。上述處理方法可以反復(fù)使用，即N/2點(diǎn)的DFT計(jì)算也可以化成兩個(gè)N/4點(diǎn)的DFT假定N/2為偶數(shù)，從而又少作一半的乘法。這樣一級(jí)一級(jí)的劃分下去一直到最后就劃分成兩點(diǎn)的FFT運(yùn)算的情況。1.5 FFT算法的DSP實(shí)現(xiàn)過程DSP芯片的出現(xiàn)使FFT的實(shí)現(xiàn)方法變得更為方便。由于大多數(shù)DSP芯片都具有在單指令周期完成乘法累加操作，并且提供了專門的FFT指令，使得FFT算法在DSP芯片實(shí)現(xiàn)的速度更快。FFT算法可以分為按時(shí)間抽取F

10、FT和按頻率抽取FFT兩大類，輸入也有實(shí)數(shù)和復(fù)數(shù)之分，一般情況下，都假定輸入序列為復(fù)數(shù)。運(yùn)算序列的存儲(chǔ)分配FFT運(yùn)算時(shí)間是衡量DSP芯片性能的一個(gè)重要指標(biāo)，因此提高FFT的運(yùn)算速度是非常重要的。在用DSP芯片實(shí)現(xiàn)FFT算法時(shí)，應(yīng)允許利用DSP芯片所提供的各種軟、硬件資源。如何利用DSP芯片的有限資源，合理地安排好所使用的存儲(chǔ)空間是十分重要的。1.5.2 FFT運(yùn)算的實(shí)現(xiàn)用TMS320C54*的匯編程序?qū)崿F(xiàn)FFT算法主要分為四步：(1)實(shí)現(xiàn)輸入數(shù)據(jù)的比特反轉(zhuǎn)輸入數(shù)據(jù)的比特反轉(zhuǎn)實(shí)際上就是將輸入數(shù)據(jù)進(jìn)展碼位倒置，以便在整個(gè)運(yùn)算后的輸出序列是一個(gè)自然序列。在用匯編指令進(jìn)展碼位倒置時(shí)，使用碼位倒置可以大

11、大提高程序執(zhí)行速度和使用存儲(chǔ)器的效率。在這種尋址方式下，AR0存放的整數(shù)N是FFT點(diǎn)的一半，一個(gè)輔助存放器指向一個(gè)數(shù)據(jù)存放的單元。當(dāng)使用位碼倒置尋址將AR0加到輔助存放器時(shí)，地址將以位碼倒置的方式產(chǎn)生。(2)實(shí)現(xiàn)N點(diǎn)復(fù)數(shù)FFTN點(diǎn)復(fù)數(shù)FFT算法的實(shí)現(xiàn)可分為三個(gè)功能塊，即第一級(jí)蝶形運(yùn)算、第二級(jí)蝶形運(yùn)算、第三級(jí)至 QUOTE 級(jí)蝶形運(yùn)算。對(duì)于任何一個(gè)2的整數(shù)冪 QUOTE ，總可以通過M次分解最后成為2點(diǎn)的DFT計(jì)算。通過這樣的M次分解，可構(gòu)成M即 QUOTE 級(jí)迭代計(jì)算，每級(jí)由N/2個(gè)蝶形運(yùn)算組成。(3)功率譜的計(jì)算用FFT計(jì)算想*(n)的頻譜，即計(jì)算*k= QUOTE *(k)一般是由實(shí)部 Q

12、UOTE (k)和虛部 QUOTE (k)組成的復(fù)數(shù)，即*k= QUOTE (k)+j QUOTE (k)因此，計(jì)算功率譜時(shí)只需將FFT變換好的數(shù)據(jù)，按照實(shí)部實(shí)部 QUOTE (k)和虛部 QUOTE (k)求它們的平方和，然后對(duì)平方和進(jìn)展開平方運(yùn)算。但是考慮到編程的難度，對(duì)于求FFT變換后數(shù)據(jù)的最大值，不開平方也可以找到最大值，并對(duì)功率譜的結(jié)果沒有影響，所以在實(shí)際的DSP編程中省去了開方運(yùn)算。第2章 硬件實(shí)現(xiàn)2.1系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)基于DSP的系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的第一步，系統(tǒng)設(shè)計(jì)總是從最小系統(tǒng)開場(chǎng)，逐步向系統(tǒng)應(yīng)用圍擴(kuò)展，最終以DSP為核心的大系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。因此最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

13、DSP設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。DSP最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括DSP電源和地線的設(shè)計(jì)，JTAG仿真口的設(shè)計(jì)、復(fù)位和時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì)、上拉和下拉引腳的設(shè)計(jì)等。TMS320C54*鎖相環(huán)電路、指示燈、 濾波電路時(shí)鐘復(fù)位電路TPS7333Q電源模塊RAM存儲(chǔ)模塊JTAG仿真電路圖2.1.1 最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)芯片介紹1該模塊上的資源有32千字FLASH；2千字SARAM，544字DARAM，外擴(kuò)64千字的程序ROM，64千字的數(shù)據(jù)RAM；3兩個(gè)事件管理器EVA和EVB；4可擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器總共192K字空間：64K程序存儲(chǔ)器，64K字?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間，64K字I/O尋址空間；5看門狗定時(shí)模塊；619位A/D轉(zhuǎn)換器；7控制局域網(wǎng)絡(luò)

14、CAN模塊，串行通信接口SCI模塊；816位串行外設(shè)SPI接口模塊；9基于鎖相環(huán)的時(shí)鐘發(fā)生器；10高達(dá)40個(gè)可單獨(dú)編程或復(fù)用的通用輸入/輸出引腳GPIO；115個(gè)外部中斷；12電源管理包括3種低功耗模式，能獨(dú)立地將外設(shè)器件轉(zhuǎn)入低功耗工作模式；2.2原理圖的設(shè)計(jì)DSP最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括DSP電源設(shè)計(jì)，JTAG仿真口的設(shè)計(jì)、復(fù)位和時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì)、上拉和下拉引腳的設(shè)計(jì)等電源電路的設(shè)計(jì)電源電路的選擇是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要的局部，設(shè)計(jì)好壞對(duì)系統(tǒng)的影響最大。首先需要注意的是，為了減少電源噪聲和互相干擾，數(shù)字電路和模擬電路一般要獨(dú)立供電，數(shù)字地和模擬地也要分開，并最終通過一個(gè)磁珠在一點(diǎn)連在一起，用TPS733

15、3Q進(jìn)展3.3V電壓的轉(zhuǎn)換對(duì)最小系統(tǒng)供電圖2.2.1 電源電路復(fù)位電路設(shè)計(jì)TMS320C54*部帶有復(fù)位電路，因此可以直接RS復(fù)位引腳外面接一個(gè)上拉電阻即可，這對(duì)于簡(jiǎn)化外圍電路，減少電路板尺寸很有用處，但是為了調(diào)試方便經(jīng)常采用手動(dòng)復(fù)位電路。鎖相環(huán)電路設(shè)計(jì)圖2.2.3 鎖相環(huán)電路JTAG口JTAG是Joint Test Action Group的簡(jiǎn)稱，又稱JTAG口，它是一符合IEEE Std 1149.1邊界掃描邏輯標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)接口。它主要用于在硬件上對(duì)DSP進(jìn)展實(shí)時(shí)在線仿真測(cè)試和DSP程序的下載，它提供對(duì)所連接設(shè)備的邊界掃描，同時(shí)也可以用來測(cè)試引腳到引腳的連續(xù)性，以及進(jìn)一步進(jìn)展DSP芯片的外圍

16、器件的操作測(cè)試。第3章 軟件設(shè)計(jì)3.1 FFT運(yùn)算及存儲(chǔ)分配1DSP芯片的出現(xiàn)使FFT的實(shí)現(xiàn)方法變得更為方便，由于大多數(shù)DSP芯片都具有在單指令周期完成乘法累加的操作，并提供了專門的FFT指令，使得FFT算法在DSP的實(shí)現(xiàn)速度更快。一般，F(xiàn)FT的算法可分為按時(shí)間抽取FFT和按頻率抽取FFT，輸入也有實(shí)數(shù)和復(fù)數(shù)之分，一般情況下都假定輸入是復(fù)數(shù)序列。2FFT運(yùn)算序列的存儲(chǔ)分配FFT運(yùn)算時(shí)間是衡量DSP芯片性能的一個(gè)重要指標(biāo)，因此提高FFT的運(yùn)算速度是非常重要的。在用DSP芯片實(shí)現(xiàn)FFT算法時(shí)，應(yīng)允許利用DSP芯片所提供的各種軟、硬件資源。如何合理的利用DSP芯片的有限資源，合理的安排DSP芯片所提

17、供的存儲(chǔ)空間相當(dāng)關(guān)鍵。本設(shè)計(jì)采用如下所示的存儲(chǔ)分配：圖3.1數(shù)據(jù)空間分配圖3.2設(shè)計(jì)流程圖DSP初始化串口設(shè)置AD設(shè)置設(shè)置信號(hào)源類型、頻率幅值、和采樣點(diǎn)數(shù)串口接收，AD采樣位碼倒置FFT運(yùn)算功率譜計(jì)算串口發(fā)送轉(zhuǎn)換結(jié)果觀看轉(zhuǎn)換結(jié)果，保存數(shù)據(jù)圖3.2 程序流程圖第4章 系統(tǒng)仿真4.1 FFT實(shí)現(xiàn)的方法1根據(jù)N值，修改rfft_task.asm中的兩個(gè)常數(shù)，如N=64.K_FFT_SIZE.set 64K_LOGN .set 62準(zhǔn)備輸入數(shù)據(jù)文件in.dat。輸入數(shù)據(jù)按實(shí)部、虛部，實(shí)部、虛部，順序存放。3匯編、仿真執(zhí)行，得到輸出數(shù)據(jù)文件out.dat。4根據(jù)out.dat作圖，就可以得到輸入信號(hào)的功

18、率譜圖。當(dāng)N超過1024時(shí)，除了修改K_FFT_SIZE和K_LOGN兩個(gè)常數(shù)外，還要增加系數(shù)并且修改rfft_task d命令文件。通過data.pjt完成一個(gè)64點(diǎn)FFT程序，輸入信號(hào)為一正弦波。操作步驟如下：1進(jìn)入CCS環(huán)境。2翻開CCS選擇FileNewSource File。3編寫源程序代碼。4創(chuàng)立工程文件。5點(diǎn)擊Project選擇Build Options。6在彈出的對(duì)話框在設(shè)置相應(yīng)的編譯參數(shù)，一般情況下，按默認(rèn)值就可以。7在彈出的對(duì)話框中選擇連接的參數(shù)設(shè)置，設(shè)置傳輸文件、堆棧的大小以及初始化的方式。8點(diǎn)擊ProjectBuild all，對(duì)工程進(jìn)展編譯。9點(diǎn)擊Fileload p

19、rogram，彈出的對(duì)話框中載入debug文件夾下的.out可執(zhí)行文件。10點(diǎn)擊debugGo M ain回到C程序的入口。11運(yùn)行程序，觀察結(jié)果。4.2程序運(yùn)行結(jié)果驗(yàn)證輸入數(shù)據(jù)波形，設(shè)置參數(shù)：Start Address=0*2800，Page=Data，Acquisition Buffer Size=64，Display Data Size=64，DSP Data Type=32-bit signed integer 點(diǎn)擊OK，就可以看到輸入數(shù)據(jù)波形：圖4.2.1輸入數(shù)據(jù)波形全速運(yùn)行程序，看輸出結(jié)果，設(shè)置波形對(duì)話框參數(shù)：Start Address=0*2c80，Page=Data，Acqui

20、sition Buffer Size=64，Display Data Size=64，DSP Data Type=16-bit signed integer點(diǎn)擊OK，就可以看到FFT輸出結(jié)果：圖4.2.2 FFT輸出結(jié)果第5章 總結(jié)在本次課程設(shè)計(jì)中，我、*、*三人一組。*負(fù)責(zé)硬件設(shè)計(jì)局部，*負(fù)責(zé)軟件設(shè)計(jì)局部，我負(fù)責(zé)系統(tǒng)仿真及論文的編寫。在系統(tǒng)仿真時(shí)我們需要在實(shí)驗(yàn)箱上設(shè)置信號(hào)源，信號(hào)源的幅度應(yīng)該設(shè)在1000左右，信號(hào)的頻率設(shè)在300左右，電壓偏移設(shè)為1，通道設(shè)為0。在論文編寫的過程中，我首先對(duì)本次課程設(shè)計(jì)進(jìn)展了總體設(shè)計(jì)，然后根據(jù)*、*和我各自負(fù)責(zé)的容進(jìn)展匯總編排。通過本次課程設(shè)計(jì)我發(fā)現(xiàn)DSP應(yīng)用

21、型很強(qiáng)，許多的原理，程序看似簡(jiǎn)單，真正去做才知道知識(shí)并沒有自己想象的那樣扎實(shí)。從而懂得了理論與實(shí)際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，才能真正為社會(huì)效勞，從而提高自己的實(shí)際動(dòng)手能力和獨(dú)立思考的能力。樹立了對(duì)自己工作能力的信心，相信會(huì)對(duì)今后的學(xué)習(xí)工作生活有非常重要的影響。而且大大提高了動(dòng)手的能力，使我充分體會(huì)到了在創(chuàng)造過程中探索的困難和成功時(shí)的喜悅。本次設(shè)計(jì)也讓我明白了思路即出路，有什么不懂不明白的地方要及時(shí)請(qǐng)教或上網(wǎng)查詢，只要認(rèn)真鉆研，動(dòng)腦思考，動(dòng)手實(shí)踐，就沒有弄不懂的知識(shí)，收獲頗豐。致 在此次設(shè)計(jì)中，*教師作為我的指導(dǎo)教師，至始至終都給予我了不少幫助，從下任務(wù)書開場(chǎng)，就幫我制定規(guī)劃，提醒我應(yīng)注意的問題，借給我資料和實(shí)驗(yàn)器材，和我一起調(diào)程序，并提出了很多的修改意見以及完善方案。此外還認(rèn)真批閱了我的論文，指出其中很多瑕疵和不清晰的地方，更重要的是在我遇到困難時(shí)對(duì)我的鼓勵(lì)，讓我不懈怠、不退縮、也讓我更有信心，可以說我的每一點(diǎn)進(jìn)展都與黃教師的付出是分不開