实验二用SIMULATOR模拟实现数字信号处理.docx
《实验二用SIMULATOR模拟实现数字信号处理.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《实验二用SIMULATOR模拟实现数字信号处理.docx（24页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
实验二用SIMULATOR模拟实现数字信号处理
7.3实验二——用SIMULATOR模拟实现数字信号处理
本实验主要通过四个练习来了解如何利用SIMULATOR实现基本的信号处理方法。
实验包括以下几个练习：
练习一：
时域卷积运算
练习二：
DFT运算
练习三：
时域相关运算
练习四：
利用相关函数计算信号的功率谱
7.3.1练习一——时域卷积运算
练习一的目的是使学生掌握VisualDSP++的使用，同时加深对数字信号处理理论的理解。
这是一个较简单的计算两个输入序列的卷积程序。
两个输入序列的长度相同，分别写入到几个文件中。
程序编译运行时将数据读入存储器中，并对其进行卷积运算，计算结果存放于另一个缓冲区中。
1．程序说明
设输入序列X的长度为M，Y的长度为N，则程序按照因果系统计算卷积：
程序中一个输入序列X指定到数组inputx中，另一个输入序列Y指定到数组inputy中，卷积的输出指定到数组output中。
根据卷积原理，两个输入序列长度为M=N=64，输出序列长度为M+N-1=127。
程序主要由主程序和卷积子程序（位于pm_code段中）二个模块组成。
在主程序中，先将输入数组X复制到输出数组的后半部分，然后调用卷积子程序conv计算卷积。
卷积计算子程序中，将计算按照输出长度分成两段完成，在程序中利用left和right两个二重循环实现。
Left循环计算m=0~N-1，right循环计算m=N~N+M-1。
在计算卷积时，序列X采用正常序寻址，利用指令F5=DM（I9,M9）读取X（k），其中地址增量寄存器M9＝1，开始计算时寄存器I9指向序列X的第一个元素。
而序列Y是逆序寻址，利用指令F0=DM（I1,M2）读取Y（m-k），其中地址增量寄存器M2＝－1，开始计算时寄存器I1指向序列Y的最后一个元素。
实验测试程序主要模块的源程序如下：
/********************************************************************
conv.asmADSP-2106x
程序功能：
计算X[]与Y[]的卷积
******************************************************************/
#include"def21060.h"/*存储器映射的IOP寄存器定义*/
#defineLENGTH_X64/*符号常数*/
#defineLENGTH_Y64
.SECTION/DMdm_data;/*定义数据存储区中的变量*/
.VARinputx[LENGTH_X]="pulse1.dat";
.VARinputy[LENGTH_Y]="sin64.dat";
.VARoutput[LENGTH_X+LENGTH_Y-1]="zeros.dat";
.SECTION/PMpm_rsti;/*复位向量段*/
NOP;
USTAT2=0x108421;/*复位后程序从这里开始执行*/
DM（WAIT）=USTAT2;/*设置外部存储器访问为0等待*/
JUMPstart;
.SECTION/PMpm_code;
start:
M1=1;
I0=inputx;
L0=0;
I3=output+LENGTH_Y-1;
L3=0;
/*把数组inputx复制到output的后半段（位于LENGTH_Y－1开始）*/
LCNTR=LENGTH_X,docopydatauntillce;
F0=DM（I0,M1）;
copydata:
DM（I3,M1）=F0;
CALLconv;/*调用子程序,进行卷积计算*/
end:
IDLE;/*等待*/
/*********计算时域相关性的子程序 ****************************/
conv:
I2=output;
M1=1;
M2=-1;
M9=1;
F15=0;/*用于给累加器清零*/
/*计算前LENGTH_X个数据*/
LCNTR=LENGTH_X,DOleftUNTILLCE;
I9=I2;
I1=inputy+LENGTH_Y-1;/*指向inputy的结尾*/
F9=PASSF15,F0=DM（I1,M2）,F5=PM（I9,M9）;
LCNTR=LENGTH_Y,DOinner1UNTILLCE;
F13=F0*F5;
inner1:
F9=F9+F13,F0=DM（I1,M2）,F5=PM（I9,M9）;
/*F0=数组inputy,F5=数组inputx*/
left:
DM（I2,M1）=F9;/*存储计算结果,I2递增*/
/*计算后面LENGTH_Y-1个数据*/
R1=LENGTH_Y;/*内循次数计数器*/
LCNTR=LENGTH_Y-1,DOrightUNTILLCE;
I9=I2;
I1=inputy+LENGTH_Y-1;/*指向inputy的结尾*/
R1=R1-1;/*循环次数递减*/
F9=PASSF15,F0=DM（I1,M2）,F5=PM（I9,M9）;
LCNTR=R1,DOinner2UNTILLCE;
F13=F0*F5;
inner2:
F9=F9+F13,F0=DM（I1,M2）,F5=PM（I9,M9）;
/*F0=数组inputy,F5=数组inputx*/
right:
DM（I2,M1）=F9;/*存储计算结果,I2递增*/
RTS;
2．实验步骤
1）调入程序
启动运行VisualDSP++，运行菜单命令\Project\New来新建一个工程，工程名称自定义，正确设置工程的各个选项，将DSP_exp\float\unit_2\Conv目录下的源文件（conv.ASM和conv.ldf）加入到工程中，同时也将备用的数据文件pulse1.dat、pulse4.dat、square1.dat、square2.dat、sin64.dat、trig64.dat以及初始化文件zeros.dat加入工程中。
2）选择输入数据文件
编译程序前，在下述程序行中将输入数据文件改为pulse1.dat和sin64.dat：
.VARinputx[LENGTH_X]="pulse1.dat";
.VARinputy[LENGTH_Y]="sin64.dat";
其中pulse1.dat为单个冲击脉冲信号，sin64.dat为正弦信号。
3）编译程序
分析、理解源程序，在此基础上再编译运行程序。
可通过点击按钮命令或选择菜单命令\Project\BuildProject来完成编译。
本程序的sessions为ADSP-21062ADSP-2106xSimulator。
4）观察结果
按F5运行程序，然后执行菜单命令\View\DebugWindows\Plot命令，分别作出输入数据inputx[]和inputy[]与输出数据output[]的图形。
执行菜单命令\Debug\StepInto单步运行程序，打开RegisterFile和对应的存储区，观察寄存器和存储器的变化。
6）改变数据再运行
●数组inputx保持为pulse1.dat，将数组inputy分别改变为数据文件square1.dat（方波）、trig64.dat（三角波）重复3）,4），来考察程序的执行结果。
●数组inputx改变为pulse4.dat（4个冲击脉冲），将数组inputy分别改变为数据文件sin64.dat，square1.dat（方波）、trig64.dat（三角波）重复3）,4），来考察程序的执行结果。
●数组inputx改变为square1.dat，将数组inputy改变为数据文件square2.dat（方波），
重复3）,4），来考察程序的执行结果。
3.典型结果
图7.17正弦波与冲击脉冲的卷积
图7.18两个不同宽度的矩形脉冲的卷积
图7.19冲击脉冲序列与矩形脉冲的卷积
4．实验要求
1）利用plot功能，观察各种输入数据、输出数据的的波形；
2）按照实验步骤完成实验，比较给定的几种数据的卷积结果，说明几种信号卷积的差别。
3）在实验报告中记录square1和square2卷积的输入和输出数据及其波形,并利用数字信号处理课程所学知识分析结果。
7.3.2练习二——DFT计算
离散傅里叶变换（DFT）的计算公式为：
其中x（n）是输入的数字序列，n=0~N-1；X（k）是输入数字序列的DFT系数，k=0~N-1。
它仅存在于离散点，因此是离散谱。
通过本练习使学生加深对各种基本波形的DFT的理解，加深对数字信号处理理论的理解。
输入数据放在几个文件中，程序编译运行时将数据读入存储器中，并对其进行DFT运算，计算结果存放于输出缓冲区中。
本练习采用64点离散傅里叶变换，DFT程序流图如图7.20所示。
1.程序说明
1）程序中，输入的64点数据放在数据文件square64.dat、trig64.dat、noise64.dat，并赋给DM段中的input[N]数组。
2）正弦旋转因子sin（2nkπ/N）的值预先计算，并放在PM数据段的sin[N]数组中。
由于cos（2nkπ/N）=sin（2nkπ/N+π/2），所以cos［N］＝sine［N＋N/4］即可由正弦值数组中跳过N／4个数来获得其余弦值。
对正弦和余弦均采用循环寻址方式，I8中存放正弦地址；I9中存放sine基址加N/4，即余弦的地址：
其循环长度存在L8、L9中，均为64。
3）在DM数据段定义了两数组：
real[N]和imag[N]。
分别用来存放计算结果的实部和虚部。
I1、I2中分别存放输出数据imag和real的地址。
4）程序的数据处理部分采用子程序调用方式，子程序名为dft。
即：
Calldft（DB）；
采用迟延跳转方式，即该指令后的两条指令在子程序正式执行前被调用执行，来提高指令的执行效率。
5）B0＝input：
来取出输入数据的地址，放入I0，并设定循环基址，L0寄存器中放入数据循环长度。
DFT数据处理中采用双重循环来实现。
由于输入的数据和旋转因子表均采用循环寻址方式。
故在内循环中，无需将数组的起始地址复位。
在最后一个数据（数组中）被读取后，地址寄存器中的地址会自动变为数组的起始地址。
图7.17DFT程序流图
6）程序中因sin（2nkπ/N）中的k、n都是变量，所以在内循环中n从0到N变化，即对每一个k值均有N次相乘，将其相加，得到一个数的DFT变换值。
外循环中，每一循环k值加1，则旋转因子表寻址步长也应加1。
例子中在每一内循环后，将I10＋l，即使M8值加1。
7）程序中用到的指令含义
B0=input；设定循环基址，并使I0＝ipput
L0＝＠input；将数组input[N]的长度值赋给L0
F8＝PASSF15；将寄存器F15的值赋给F8
F0=DM（I0，M1）；将I0地址所在的值通过DM数据总线传输给F0寄存器，
并修改IO的地址值，即I0＝I0＋M1
F5＝PM（I9，M8）；将I9地址所在的值通过PM数据总线传输给F5，并修
改I9＝I9＋M8
DM（I2，M0）=F9；将F9的值通过DM数据总线存入到I2地址，并将I2=I2十M1
MODIFY（I10，M9）；修改I10地址值I10＝I10十M9
源程序代码：
／*DFT．ASMN点实数DFT
N－l
real（k）＋j*imag（k）＝SUMinput（n）*[C－j*S]；k＝0toN－l
n＝0
这里：
C＝COS（2*PI*k*n/N），S=sin（2*pi*k*n/N），j=sqrt（-1）*/
＃include“def21060.h”
＃defineN64
.SECTION／DMdm_data；／*变量定义在DM数据段*／
.VARInput［N］=“x.dat”；／*输入数据*／
.VARreal[N]＝“zeros64.dat”；／*输出数据的实部*／
.VARimagp[N]＝“zeros64.dat”；／*输出数据的虚部*／
.SECTION／PMpm_data；
.VARsine［N］=“sin64．dat”；／*定义正弦旋转因子表，放在PM数据段*／
／*余弦旋转因子表由正弦表移动N／4而得*／
.VARmodul[N]=“zeros64.dat”
.SECTION／PMpm_rsti；
NOP；
USTAT2＝0x108421；／*USTAT2为用户自定义寄存器*／
DM（WAIT）=USTAT2；／*WAIT寄存器用来设定与外设数据传
输时的等待周期及状态数*／
JUMPStart；
.SECTION／PMpm_code；/*程序代码段*／
START：
M1=l；／*地址修改寄存器*/
M9=1；
B0=input;／*设定循环基址*／
L0=＠input；／*输入数据循环长度*／
I1=imag；／*虚部输出地址*／
L1=0；
CALLdft（DB）；／*调用子程序，计算DFT*／
I2=real;／*实部输出地址*／
L2=0；
nop;
CALLmodl;/*调用子程序，计算DFT的模值*／
end：
IDLE；
/*********计算DFT子程序 ****************************/
dft：
/*dft子程序*／
B8＝sine；／*将sine放到I8基址，并设定循环基址*／
L8＝＠sine；
B9=sine；／*Cos表的循环基址*／
I9＝sine＋N/4；／*通过sine＋N／4得到cos放到I9基址*／
L9=＠sine；／*循环长度．*／
I10=0；／*用来调整M8的步长*／
L10＝0；
F15＝0；／*在每一外循环时，对F8、F9清0*／
LCNTR＝N，DOouterUNTILLCE；／*外循环*／
F8＝PASSF15，M8＝I10；
F9=PASSF15，F0＝DM（I0，M1），F5=PM（I9，M8）；
／*上二句是清F5、F9寄存器，设定M8步长，并读取X（n）和COS值*／
F12=F0*F5，F4＝PM（I8，M8）；
LCNTR=N－l，DOinnerUNTILLCE;／*内循环*／
F13＝F0*F4，F9＝F9+F12，F0＝DM（I0，M1），F5=PM（I9，M8）；
inner：
F12=F0*F5，F8=F8－F13，F4＝PM（I8，M8）;
F13＝F0*F4,F9＝F9＋F12；／*F8中放虚部值，F9中放实部值*／
F8=F8－F13，DM（I2，M1）＝F9；／*存实部值*／
MODIFY（I10,M9）；／*使旋转因子表的寻址步长加一*／
outer：
DM（I1，M1）=F8／*存虚部值*／
RTS；
/*********求模计算的子程序 ****************************/
modl:
I0=real;
L0=0;
I1=imag;
L1=0;
I8=modul;
L8=0;
F2=DM（I0,M1）;
F6=F2;
F3=DM（I1,M1）;
F7=F3;
F8=F2*F6;
F13=F3*F7;
LCNTR=N,DOmod_calUNTILLCE;
F8=F2*F6,F13=F8+F13,F3=DM（I1,M1）;
F4=RSQRTSF13,F7=F3;
F4=F4*F13,F2=DM（I0,M1）;
F13=F3*F7,F6=F2;
mod_cal:
PM（I8,M9）=F4;
NOP;
NOP;
RTS;
2.实验步骤
1）调入程序
启动运行VisualDSP++，建立新工程，将位于将DSP_exp\float\unit_2\DFT_MOD目录下的源文件（dft_mod.asm和dft_mod.ldf）添加到工程中，同时也将备用的数据文件square64.dat、sin64.dat、trig64.dat、noise64.dat以及初始化文件zeros64.dat加入工程中。
2）选择输入数据文件
编译程序前，在下述程序行中将输入数据文件改为square64.dat：
.VARinput[N]="square64.dat";
其中square64.dat为方波信号。
3）编译程序
分析、理解源程序，在此基础上再编译运行程序。
可通过点击按钮命令或选择菜单命令\Project\BuildProject来完成编译。
本程序的sessions为ADSP-21062ADSP-2106xSimulator。
4）观察结果
∙程序调试时，可在程序中设置多个断点，来观察输入数据x、输出数据的实部real、输出数据的虚部imag和求模后的数据mudul的值；
∙打开Memory\TwoColumn窗口，在窗口中用鼠标右键点击，在弹出的菜单中选择用浮点数（FloatingPoint32bit）格式显示数据。
∙单步执行时，就可看到寄存器和内存单元中动态的数据变化。
5）改变数据再运行
●数组input分别改变为数据文件trig64.dat（三角波）、niose64.dat（高斯白噪声），重复3）,4），来考察程序的执行结果。
3.典型实验结果
图7.21三角波及其DFT变换后的幅度谱
图7.22高斯白噪声及其DFT变换后的的幅度谱
4.实验要求
1）利用plot功能，观察输入数据x、输出数据的实部real、输出数据的虚部imag和求模后的modul的波形；
2）观察各种波形的DFT运算和求模运算的结果，比较并且说明不同输入数据对应的DFT运算输出和求模运算输出的结果；
3）在实验报告中记录square64的DFT输入和输出数据及其波形，并利用数字信号处理课程所学知识分析结果。
7.3.3练习三——时域相关计算
1.程序说明
本练习三完成序列的自相关计算。
目的是使学生加深对相关处理的理解。
这是一个较简单的计算输入序列的相关程序。
输入序列分别写入到几个文件中。
程序编译运行时将数据读入存储器中，并对其进行相关运算，计算结果存放于输出缓冲区中。
1．程序说明
设输入数据X的长度为M，Y的长度为N，则程序按照因果系统计算相关运算：
卷积和相关运算有相似性，因此练习三的程序代码与练习一相比，其主程序是基本相同，不同的是练习一的计算子程序完成卷积运算，而练习三的计算子程序完成相关运算。
程序中一个输入序列X指定到数组inputx中，另一个输入序列Y指定到数组inputy中，相关的输出指定到数组output中。
根据相关原理，两个输入序列长度为M=N=64，输出序列长度为M+N-1=127。
程序主要由主程序和相关子程序（位于pm_code段中）二个模块组成。
在主程序中，先将输入数组X复制到输出数组的后半部分，然后调用相关子程序relate计算卷积。
卷积计算子程序中，将计算按照输出长度分成两段完成，在程序中利用left和right两个二重循环实现。
Left循环计算m=0~N-1，right循环计算m=N~N+M-1。
在计算卷积时，序列X采用正常序寻址，利用指令F5=DM（I9,M9）读取X（k），其中地址增量寄存器M9＝1，开始计算时寄存器I9指向序列X的第一个元素。
而序列Y也是正常序寻址，利用指令F0=DM（I1,M1）读取Y（m+k），其中地址增量寄存器M2＝1，开始计算时寄存器I1指向序列Y的第一个元素。
下面是练习三的计算子程序：
/******************** 计算时域相关性的子程序 ********************/
relate:
I2=output;
M1=1;
M9=1;
F15=0;/*用于给累加器清零*/
/*下面的left循环计算前面LENGTH_X个相关数据*/
LCNTR=LENGTH_X,DOleftUNTILLCE;
I9=I2;
I1=inputy;/*指向inputy*/
F9=PASSF15,F0=DM（I1,M1）,F5=PM（I9,M9）;
LCNTR=LENGTH_Y,DOinner1UNTILLCE;
F13=F0*F5;
inner1:
F9=F9+F13,F0=DM（I1,M1）,F5=PM（I9,M9）;
/*F0=数组inputy,F5=数组inputx*/
left:
DM（I2,M1）=F9;/*存储计算结果,I2递增*/
/*下面的right循环计算后面LENGTH_Y-1个相关数据*/
R1=LENGTH_Y;/*内循环次数计数器*/
LCNTR=LENGTH_Y-1,DOrightUNTILLCE;
I9=I2;
I1=inputy;/*指向inputy*/
R1=R1-1;/*内循环次数递减*/
F9=PASSF15,F0=DM（I1,M1）,F5=PM（I9,M9）;
LCNTR=R1,DOinner2UNTILLCE;
F13=F0*F5;
inner2:
F9=F9+F13,F0=DM（I1,M1）,F5=PM（I9,M9）;
/*F0=数组inputy,F5=数组inputx*/
right:
DM（I2,M1）=F9;/*存储计算结果*/
RTS;
2.实验步骤：
1）调入程序
启动运行VisualDSP++，运行菜单命令\Project\New来新建一个工程，工程名称自定义，正确设置工程的各个选项，将DSP_exp\float\unit_2\Corr目录下的源文件加入到工程中，同时也将备用的数据文件square64.dat、noise64.dat、sin64.dat、trig64.dat加入到工程中。
2）选择输入数据文件
编译程序前，在下述程序行中将输入数据文件改为squre64.dat：
.VARinputx[LENGTH_X]="squre64.dat";
.VARinputy[LENGTH
升级会员 