DSP课程设计报告.docx
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DSP课程设计报告
实验流程及课程知识
§4.1[实验4.1]卷积运算
一、实验目的
1.掌握卷积运算的基本原理；
2.掌握用C语言编写DSP程序的方法。
二、实验设备
1.一台装有CCS软件的计算机；
2.DSP实验箱的TMS320C5410主控板；
3.DSP硬件仿真器。
三、实验原理
卷积是数字信号处理中经常用到的运算。
其基本的表达式为：
写实现程序时需要注意两点：
（1）序列数组长度的分配，尤其是输出数组y（n）要有足够的长度；
（2）循环体中变量的位置，即n和m的关系。
四、实验结果
1.自定义h、x、y的值，输出图形如下所示：
x（n）:
h（n）:
y（n）:
2.Matlab程序：
对应的程序
closeall;clearall;
x=[15141312111098700000000000];
h=[22222222200000000000];
y=conv（h,x）;
nx=0:
length（x）-1;
subplot（3,1,1）;
stem（nx,x,'.'）;
title（'x'）;
nh=0:
length（h）-1;
subplot（3,1,2）;
stem（nh,h,'.'）;
title（'h'）;
ny=0:
length（y）-1;
subplot（3,1,3）;
stem（ny,y,'.'）;
title（'卷积结果y'）;
对应的Matlab图形：
§4.2[实验4.2]相关运算
一、实验目的
1. 掌握相关系数的估计方法；
2. 掌握用C语言编写DSP程序的方法。
二、实验设备
1.一台装有CCS软件的计算机；
2.DSP实验箱的TMS320C5410主控板；
3.DSP硬件仿真器。
三、实验原理
相关系数是数字信号处理中的一个重要概念，包括自相关系数和互相关系数。
它们的定义是：
，k为相关系数的阶数；
和
。
根据相关系数的定义，需要求输入信号的期望值，这在实际上是不可能实现的。
因此，通常只根据一定长度的已知输入信号求相关系数的一个估计，这时采用以下的公式：
（设N为已知信号的长度）
和
既然是估计值，那么就存在一致性和有效性的问题，可以证明上面两式的估计是有偏估计，而以下的则是无偏估计：
（无偏估计），
（无偏估计）
本实验在上面公式的基础上实现各阶相关系数的估计。
3、实验结果
无偏相关估计：
有偏相关估计：
§4.3[实验4.3]快速傅里叶变换（FFT）实现
一、实验目的
1.掌握FFT算法的基本原理；
2.掌握用C语言编写DSP程序的方法。
二、实验设备
1.一台装有CCS软件的计算机；
2.DSP实验箱的TMS320C5410主控板；
3.DSP硬件仿真器。
三、实验原理
傅里叶变换是一种将信号从时域变换到频域的变换形式，是信号处理的重要分析工具。
离散傅里叶变换（DFT）是傅里叶变换在离散系统中的表示形式。
但是DFT的计算量非常大，FFT就是DFT的一种快速算法,FFT将DFT的N2步运算减少至（N/2）log2N步。
离散信号x（n）的傅里叶变换可以表示为
，
式中的WN称为蝶形因子，利用它的对称性和周期性可以减少运算量。
一般而言，FFT算法分为时间抽取（DIT）和频率抽取（DIF）两大类。
两者的区别是蝶形因子出现的位置不同，前者中蝶形因子出现在输入端，后者中出现在输出端。
本实验以时间抽取方法为例。
时间抽取FFT是将N点输入序列x（n）按照偶数项和奇数项分解为偶序列和奇序列。
偶序列为：
x（0）,x
（2）,x（4）,…,x（N-2）；奇序列为：
x
（1）,x（3）,x（5）,…,x（N-1）。
这样x（n）的N点DFT可写成：
考虑到WN的性质，即
因此有：
或者写成：
由于Y（k）与Z（k）的周期为N/2，并且利用WN的对称性和周期性，即：
可得：
对Y（k）与Z（k）继续以同样的方式分解下去，就可以使一个N点的DFT最终用一组2点的DFT来计算。
在基数为2的FFT中，总共有log2（N）级运算，每级中有N/2个2点FFT蝶形运算。
单个蝶形运算示意图如下：
以N＝8为例，时间抽取FFT的信号流图如下：
从上图可以看出，输出序列是按自然顺序排列的，而输入序列的顺序则是“比特反转”方式排列的。
也就是说，将序号用二进制表示，然后将二进制数以相反方向排列，再以这个数作为序号。
如011变成110，那么第3个输入值和第六个输入值就要交换位置了。
本实验中采用了一种比较常用有效的方法完成这一步工作＿＿雷德算法。
四、实验结果
1.定义变量x的参数值，输出变量x及其FFT的波形图：
X（n）
FFT结果y（n）
2.对应Matlab源程序
closeall;clearall;
k=0:
63;
x=k;
y=fft（x,64）;
subplot（2,1,1）;
nx=0:
length（x）-1;
stem（nx,x）;
title（'x'）;
ny=0:
length（y）-1;
subplot（2,1,2）;
stem（ny,abs（y）,'.'）;
title（'FFT½á¹ûy'）;
对应的图形如下所示：
§4.4[实验4.4]离散余弦变换（DCT）实现
一、实验目的
1. 掌握离散余弦变换的概念和实现方法；
2. 掌握用C语言编写DSP程序的方法。
二、实验设备
1. 一台装有CCS软件的计算机；
2.DSP实验箱的TMS320C5410主控板；
3.DSP硬件仿真器。
三、实验原理
尽管傅里叶变换具有很多优点，得到了广泛的应用，但是它也有缺点。
例如：
傅里叶变换需要计算的是复数而不是实数，一般进行复数运算要比进行实数运算费时得多。
如果采用其它合适的完备正交函数系来代替傅里叶变换所利用的正、余弦函数构成的完备正交函数系，就可以避免这种复数运算。
离散余弦变换就是基于实数的正交变换。
一维的离散余弦变换的定义如下：
式中F（k）为第k个余弦变换系数，f（x）为时域中的N点序列。
要进行离散余弦变换可以从它的定义出发，但这样做的计算量相当大，在实际应用中非常不便，因此需要一种快速算法。
首先，将f（x）进行延拓：
按照一维离散余弦变换的定义有：
由于
是fe（x）的2N点离散傅里叶变换，因此，在作离散余弦变换时，可以把长度为N的序列f（x）的长度延拓为2N的序列，然后对延拓的结果进行离散傅里叶变换，最后提取离散傅里叶变换的实部便是离散余弦变换的结果。
在作离散傅里叶变换时可以采用快速傅里叶变换方法（FFT）。
四、实验结果
修改FFT变换的长度N，分别取8和16，所示的窗口如下图所示：
N=8
N=16
§4.7[实验4.7]自适应滤波器（LMS）实现
一、实验目的
1.掌握自适应滤波器的原理；
2.掌握LMS算法的原理；
3.掌握用C语言编写DSP程序的方法。
二、实验设备
1. 一台装有CCS软件的计算机；
2.DSP实验箱的TMS320C5410主控板；
3.DSP硬件仿真器。
三、实验原理
图1
（图1）为自适应滤波器结构的一般形式，图中x（k）为输入信号，通过参数可调的数字滤波器后产生输出信号y（k），将输出信号y（k）与标准信号（或者为期望信号）d（k）进行比较，得到误差信号e（k）。
e（k）和x（k）通过自适应算法对滤波器的参数进行调整，调整的目的是使误差信号
最小。
反复进行上面过程，使滤波器逐渐掌握了输入信号和噪声的统计规律，并以此为根据自动调整自己的参数，从而达到最佳的滤波效果。
一旦输入信号的统计规律发生了变化，滤波器能够自动跟上输入信号的变化，自动调整滤波器的参数，这就是自适应滤波的原理。
自适应滤波器的结构可以采用FIR型或IIR型，由于IIR滤波器存在稳定性问题，因此一般采用FIR滤波器作为自适应滤波器的结构。
自适应FIR滤波器结构又可分为三种结构类型：
横向型结构（TransversalStructure）、对称横向型结构（SymmetricTransversalStructure）、格型结构（LatticeStructure）。
本实验所采用的是自适应滤波器设计中最常用的FIR横向型结构。
设w（i）为横向滤波器的一组系数，滤波器的输出与输入信号间的关系可以表示为：
自适应滤波器除了包括一个按照某种结构设计的滤波器，还有一套自适应的算法。
滤波器的参数就是依照这种自适应算法来自动调整的，最常用的自适应算法是最小均方误差算法，即LMS算法（LeastMeanSquare）。
LMS算法的目标是通过调整系数，使输出误差序列e（n）=d（n）y（n）的均方值最小化，并且根据这个判据来修改权系数。
当均方误差达到最小时，得到最佳系数w*。
为了较快地求得近似的最佳系数，可以采用最快下降法，也叫梯度算法，这是一种迭代运算。
在采用种种近似和代替后，最后可以导出如下公式：
式中的u是由系统稳定性和迭代运算收敛速度决定的自适应步长，u越小，则收敛越慢，但是u太大则会导致系统的不稳定性。
本实验就是以这个公式为基础实现自适应滤波器的。
关于算法的详细推导过程及参数的选择原则，请读者参考数字信号处理的有关资料。
四、实验原理
输出信号y（k）与标准信号（或者为期望信号）d（k）的比较
误差信号e（k）
§5.1[实验5.1]McBSP配置GPIO实验
一、实验目的
1.熟悉5410的指令系统；
2.熟悉配置GPIO的方法。
二、实验设备
1.一台装有CCS5000软件的计算机；
2.DSP实验箱；
3.DSP硬件仿真器。
三、实验原理
DSP5410能够使用的GPIO资源很少，片上现有的只有XF和BIO两个，如果需要使用较多的GPIO引脚，可以将McBSP口和HPI口配置为GPIO口使用，本实验是将McBSP2口配置为GPIO口，输出5个信号用发光二极管来显示。
模块由五个发光二极管和一个锁存器组成。
“0”“1”信号由5410模块McBSP口输入，锁存器的控制信号由5410模块片选经由CPLD模块译码后输出。
实验结果：
§5.2[实验5.2]数码管控制实验
一、实验目的
1.熟悉5410的指令系统；
2.熟悉74HC573的使用方法。
二、实验设备
1.一台装有CCS5000软件的计算机；
2.插上5410主控板的DSP实验箱；
3.DSP硬件仿真器。
三、实验原理
此模块由数码管和八个锁存器组成。
数码管为共阴极型的。
数据由5410模块的低八位输入，锁存器的控制信号由5410模块输出，但经由CPLD模块译码后再控制对应的八个锁存器。
注:
其中七片数据均由5410传输过去
实验结果：
§5.3[实验5.3]液晶显示屏（LCD）实验
一、实验目的
1.掌握液晶的使用方法；
2.掌握液晶信号之间时序的正确识别和引入。
二、实验设备
1.一台装有CCS5000软件的计算机；
2.插上5410主控板的DSP实验箱；
3.DSP硬件仿真器。
三、实验原理
1.液晶简介
1
/CS1
H/L
L：
选择芯片（左半屏）信号
2
/CS2
H/L
L:
选择芯片（右半屏）信号
3
GND
0
电源地
4
VDD
5V
+5V
5
VO
-----
液晶驱动电压
6
D/I
H/L
D/I=’H’,表示DB7——DB0为显示数据;
D/I=’L’,表示DB7——DB0为显示指令数据
7
R/W
H/L
R/W=’H’,E=’H’数据被读到DB7—DB0
R/W=’L’,E=’H’—>’L’,数据被写到IR或DR
8
E
H/L
R/W=’L’,E信号的下降沿锁存DB7--DB0
R/W=’H’,E=’H’,DDRAM数据独到DB7—DB0
9~16
DB0----DB7
H/L
数据线
液晶的使用注意事项：
（1）液晶分左右半屏，通过CS0,CS1控制，CS1或CS0一个置1的同时另一个置0，其中置１的将被选中；
（2）RS和RW配合使用
RS
R/W
Function
0
0
Instruction
1
Statusread（busycheek）
1
0
Datawrite（frominputregistertodisplaydataRAM
1
Dataread（fromdisplaydataRAMtooutputregister）
（3）向LCD里写指令或数据前应先写指令相应的位置，对行，列，页的选择写命令时，由于命令字的位都有标志，所以写时LCD会自动识别；
（4）E，每次写数据或指令前都是变高，写入数据或指令后使E变低锁存；
（5）液晶的扭曲度可以通过调节VDD和VO之间的可调电阻得到。
2．对于5410芯片I/O口有二类寄存器：
（1）控制寄存器和数据方向寄存器，使用方法如下：
首先确定引脚的功能，即IO控制器寄存器，为0表示IO功能，为1表示基本功能。
本试验使用IO功能。
（2）引脚被配置为IO功能，就需要确定它的方向：
输入还是输出。
为1表示是输出引脚，否则是输入引脚。
对于IO功能的输入或输出是通过读写相应的数据方向寄存器来实现。
输入引脚对应读操作；输出引脚对应写操作。
本试验只用写操作。
实验结果：
§5.7[实验5.7]普通语音A/D与D/A转换实验
一、实验目的
1.熟悉5410DSP的MCBSP的使用；
2.了解AD50的结构；
3.掌握AD50各寄存器的意义及其设置；
4.掌握AD50与DSP的接口；
5.掌握AD50的通讯格式；
6.掌握AD50的DA实验。
二、实验设备
１.一台装有CCS软件的计算机；
２.DSP实验箱；
３.DSP硬件仿真器；
三、实验原理
1.DSP的MCBSP接口基础
TMS320VC5402提供了三个高速、全双工、多通道缓存串行口。
它提供了双缓存的发送寄存器和三缓存的接收寄存器，具有全双工的同步或异步通信功能，允许连续的数据流传输；数据发送和接收有独立可编程的帧同步信号；能够与工业标准的解码器、模拟接口芯片或其它串行A/D与D/A设备（如AD50,AIC23）、SPI设备等直接相接；支持外部时钟输入或内部可编程时钟；每个串行口最多可支持128通道的发送和接收；串行字长度可选，包括8、12、16、20、24和32位；支持m律和A律数据压缩扩展。
McBSP通过７个引脚（DX、DR、CLKX、CLKR、FSX、FSR和CLKS）与外设接口。
DX和DR引脚完成与外部设备进行通信时数据的发送和接收，由CLKX、CLKR、FSX、FSR实现时钟和帧同步的控制。
由CLKS来提供系统时钟。
发送数据时，CPU和DMA控制器将要发送的数据写到数据发送寄存器DXR，在FSX和CLKX作用下，由DX引脚输出。
接收数据时，来自DR引脚的数据在FSR和CLKR作用下，从数据接收寄存器DRR中读出数据。
接收和发送帧同步脉冲即可以由内部采样速率产生器产生，也可以由外部脉冲源驱动，McBSP分别在相应时钟的上升沿和下降沿进行数据检测。
串行口的操作由串行口控制寄存器2SPCR和引脚控制寄存器PCR来决定；接收控制寄存器RCR和发送控制寄存器XCR分别设置接收和发送的各种参数，如帧长度等。
2．AD50结构
AD50是TI公司生产的一个16位、音频范围（采样频率为2K～22.05KHZ）、内含抗混叠滤波器和重构滤波器的模拟接口芯片，它有一个能与许多DSP芯片相连的同步串行通信接口。
AD50C片内还包括一个定时器（调整采样率和帧同步延时）和控制器（调整编程放大增益，锁相环PLL，主从模式）。
AD50有28脚的塑料SOP封装（带DW后缀）和48脚的塑料扁平封装（带PT后缀），体积较小，适应于便携设备。
AD50的工作温度范围是0～70℃，单一5V电源供电或5V和3.3V联合供电，工作时的最大功耗为120mW。
AD50的内部结构简图如下：
最上面第一通道为模拟信号输入监控通道，第二通道为模拟信号转化为数字信号（A/D）通道，第三通道为数字信号转化为模拟信号（D/A）通道，最下面一路是AD50的工作频率和采样频率控制通道。
3．AD50内部寄存器及其作用
AD50内部有7个数据和控制寄存器，用于编程控制它们的工作状态。
寄存器0：
空操作寄存器。
寄存器1：
软件复位
软件掉电
选择16位或15位工作方式
硬件或软件二次通信请求方式的选择
寄存器2：
使能ALTDATA输入端
为ADC选择16/15位方式
寄存器3：
选择FS与FSD之间延迟SCLK的个数
告诉主机有几个从机被联上
寄存器4：
为输入和输出放大器选择放大器增益
选择N来设置采样频率，fs=MCLK/（128*N）或MCLK/（512*N）
在MCLK输入端使能外部时钟输入，并旁通内部的PLL
寄存器5，6：
保留
4．AD50与DSP的接口
AD50与TMS320VC5402是以SPI方式连接的。
AD50工作在主机模（M/S=1），提供SCLK（数据移位时钟）和FS（帧同步脉冲）。
TMS320VC5402工作于SPI方式的从机模式，BCLKX1和BFSX1为输入引脚，在接数据和发数据时都是利用外界时钟和移位脉冲。
5．AD50的通讯方式
AD50有两个通信方式一种是15+1方式软件申请第二串行通信的；另一种是用FC来切换通信方式。
软件不太可靠而且15位精度小，对于音频数据处理麻烦。
故我们采用拉高FC以达到切换通信方式。
普通AD/DA语音模块控制及原理图
实验结果
波形图
大作业
一、实验目的
1、掌握FIR低通滤波器的一种编程实现方法
2、进一步掌握CCS软件各项功能操作
3、进一步了解FIR体统滤波器的特性
4、
二、实验设备
1.一台装有CCS5000软件的计算机；
3.DSP硬件仿真器。
三、实验原理
1、
4、实验步骤
编写程序
系统函数：
#include
#ifdefWIN32
#include
#endif
#defineSAMPLEdouble/*definethetypeusedfordatasamples*/
voidclear（intntaps,SAMPLEz[]）
{
intii;
for（ii=0;iiz[ii]=0;
}
}
intmain（void）
{
#defineNTAPS6
staticconstSAMPLEh[NTAPS]={1.0,1.2,2.1,3.3,4.2,5.1，5.4，};
staticSAMPLEh2[2*NTAPS];
staticSAMPLEz[2*NTAPS];
#defineIMP_SIZE（3*NTAPS）
staticSAMPLEimp[IMP_SIZE];
SAMPLEoutput;
intii,state;
/*makeimpulseinputsignal*/
clear（IMP_SIZE,imp）;
imp[5]=1.5;
/*createaSAMPLEdh*/
for（ii=0;iih2[ii]=h2[ii+NTAPS]=h[ii];
}
/*testFIRalgorithms*/
printf（"Testingfir_basic:
\n"）;
clear（NTAPS,z）;
for（ii=0;iioutput=fir_basic（imp[ii],NTAPS,h,z）;
printf（"%3.1lf",（double）output）;
}
printf（"\n\n"）;
printf（"Testingfir_shuffle:
\n"）;
clear（NTAPS,z）;
state=0;
for（ii=0;iioutput=fir_shuffle（imp[ii],NTAPS,h,z）;
printf（"%3.1lf",（double）output）;
}
printf（"\n\n"）;
printf（"Testingfir_circular:
\n"）;
clear（NTAPS,z）;
state=0;
for（ii=0;iioutput=fir_circular（imp[ii],NTAPS,h,z,&state）;
printf（"%3.1lf",（double）output）;
}
printf（"\n\n"）;
printf（"Testingfir_split:
\n"）;
clear（NTAPS,z）;
state=0;
for（ii=0;iioutput=fir_split（imp[ii],NTAPS,h,z,&state）;
printf（"%3.1lf",（double）output）;
}
printf（"\n\n"）;
printf（"Testingfir_double_z:
\n"）;
clear（2*NTAPS,z）;
state=0;
for（ii=0;iioutput=fir_double_z（imp[ii],NTAPS,h,z,&state）;
printf（"%3.1lf",（double）output）;
}
printf（"\n\n"）;
printf（"Testingfir_double_h:
\n"）;
clear（NTAPS,z）;
state=0;
for（ii=0;iioutput=fir_double_h（imp[ii],NTAPS,h2,z,&state）;
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