数字信号处理(DSP)应用系统中的低功耗设计 - albert的专栏 - 52RD博客_
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数字信号处理(DSP)应用系统中的低功耗设计(&09:51)
随着电池供电系统应用的日趋广泛，许多系统特别是便携式产品都面临低功耗设计的问题，以DSP为核心的应用系统当然也不例外。本文就TMS320系列定点DSP器件为例，介绍一些行之有效的降低功耗的设计方法。
一、合理选择DSP器件
　　应根据系统要求来选择合适的DSP器件。在典型的DSP应用系统中，通常其核心是由一片或多片DSP构成数据处理模块，由于系统运算量大且速度要求高，因此DSP内部的部件开关状态转换十分频繁，这使得DSP器件的功耗在应用系统的功耗中占有相当的比例，所以设计人员在进行电路低功耗设计时要熟悉DSP及其相关产品的情况。DSP器件的功耗与该系统的电源电压有关，同一系列的产品，其供电电压也可能不同，如TMS320C2XX系列中供电电压就有5V和3.3V两种，在系统功耗是系统设计首要目标的情况下，应尽可能地选择低电压供电的DSP器件。选择3.3V低电压供电的DSP除了能减小DSP本身的功耗以降低系统的总功耗外，还可以使外部逻辑电路功耗降低，这对实现系统低功耗有着重要的作用。DSP生产厂家也比较注重系统功耗的问题，德州仪器公司（TI）为实现低功耗应用系统而设计了一批新型的DSP器件，以其中的TMS320C55X为例， C55X可以在0.9V和0.05mW/MIPS环境下运行，传输速率可达800MIPS，其功耗相当于TI上一代芯片C54X功耗的15%左右，非常适合应用于电池供电系统。此外，TI公司还充分考虑 DSP电源供电设计的问题，为支持DSP设计的TPS767D3XX将两个1-A线性稳压器和两个上电复位开关封装在一起，它不仅降低组件数量和电路板大小，使系统的成本降低，对于系统降低功耗也有重要的作用。
　　TPS767D3XX在全部1-A输出范围内提供极快的瞬态响应、低压差和几乎恒定的低静态电流（典型值为85μA），压差在1A时的典型值为350mV。可以说，选择何种器件基本上就决定了系统功耗的大小。
二、让DSP以适当的速度运行
　　TMS320系列的DSP一般采用CMOS工艺，CMOS电路的静态功耗极小，而其动态功耗的大小与该电路改变逻辑状态的频率和速度密切相关。TMS320系列应用系统的功耗与工作频率即系统时钟（CLKOUT1）成正比。在不需要DSP的全部运算能力时，可以适当地降低TMS320的系统时钟频率令DSP适速运行以降低系统功耗。当时钟频率增加时，电流也相应地增加，执行同样程序代码的时间会相应缩短。例如，以1.2mA/MHz运行一段500个时钟周期代码，当CLKOUT1为10MHz时，DSP执行该段代码用时50μs，所需电流为12mA；当CLKOUT1增加到20MHz时，所需电流增加到24mA，执行时间缩短为25μs。TMS320系列执行一段用户程序所耗能量与器件执行快慢无关，因为该能量仅仅取决于DSP器件内部逻辑状态转换的数目。如此看来，似乎DSP的功耗并未降低，那为什么不让DSP全速运行呢？原来，DSP以全速运行完代码后使用IDLE指令，进入降功耗模式后，仍然是要消耗能量的。尽管DSP全速运行和适速运行该段代码所耗电能是相同的，但是在前一种情况下，DSP在空闲状态还要消耗能量，而后一种情况,将节省这部分的能量。因此，在实际应用系统中并不需要DSP的最高MIPS运算能力时，适当降低系统的时钟频率能有效地降低系统功耗。
三、在软件设计中降低功耗
　　CPU内部执行不同的指令时所消耗的电流是不同的，在软件编程时如果能充分考虑到这一因素,在允许的情况下尽可能多使用低功耗指令，可以降低系统功耗。TMS320C55X有几种降功耗模式，这些降功耗模式中最常用的是IDLE和IDLE2指令。IDLE指令将CPU内部操作挂起，但是仍保留内部各部件逻辑的时钟，允许串口等片内外设继续工作。在使用20MHz的系统时钟时,使用IDLE指令所需电流的典型值为10mA。在相同的系统时钟下，执行IDLE2指令只需要3mA的电流；若关闭内部部件的输入时钟时执行IDLE2指令，这时电流值不超过5μA，CPU所消耗的电能将大大降低。
对诸如NOP（空操作）这类简单的指令而言，使用RTP（重复指令）将节省约12mA的电流；但是对MACD（相乘、累加及数据块移动指令）这类比较复杂而且所需电流较大的指令来说，使用重复指令反而会增加大约14mA的电流，达到90mA，这个数值是在所有数据并行处理的时候得到的，这里的并行处理是指MACD的操作数存放在不同的数据块中,对它们进行操作的时候，两块数据将被同时选中。因此为了降低系统功耗，在软件设计时应尽可能地将所要操作的数据存储在同一个数据块中，比如TMS320C209可将MACD的操作数一同存储在其片内4K的SARAM中。
四、存储器类型对功耗的影响
　　前文已经提到，在DSP器件按某一算法对数据进行处理时，DSP片内的CPU将消耗大部分的能量。但是，数据处理所在的存储环境也就是存储器的类型对系统功耗有着较大的影响。以TMS320C2XX为例，片内的存储器有单访问RAM(SARAM)，双访问RAM(DARAM)和ROM三种，TMS320C206还有闪速存储器。DSP应用系统可用片内的SARAM、DARAM、ROM或片外扩展的ROM来存储用户指令代码，由于DARAM仅有256字节的容量，因此在一般情况下它被设置为数据RAM。在相同的条件下执行一段测试代码，程序在片内的ROM运行要比在SARAM中运行节省10%的能量。这是因为SARAM不能存储用户代码，断电后程序丢失，它只能将程序从ROM中加载后运行。在将代码用BLPD（从程序存储器到数据存储器的块移动）、TBLR（表读）和RPT（重复下一条指令）等指令从程序区传送到数据区的过程中要消耗部分能量，而在片内的ROM中运行代码则可节省这部分能量。执行存放在片内存储器的用户代码所耗能量要比执行存放在片外的存储器低，其原因是程序在片内ROM中运行可省去驱动外部程序存储器接口电路所需要的电流。
五、正确处理外围电路
　　外围电路包括输入和输出两部分。从输出部分来看，外部电路的驱动要消耗一部分能量，除在DSP系统中使用的逻辑电路采用CMOS器件外，应尽可能地选用低功耗的外围器件，例如系统的显示部分应选用LCD（液晶显示器）等。当外部接口中逻辑电路所用的门电路较多时，应使用单片的PAL或ASIC来完成。从输入部分来看，DSP芯片中未使用的输入引脚应接地或接电源电压，若将这些引脚悬空，在引脚上很容易积累电荷，产生较大的感应电动势，使输入引脚电位处于0与1间的过渡区域。这时反相器上、下两个场效应管都会导通，使系统功耗大大增加。
　　除前面所提影响DSP应用系统功耗的几个因素以外，还有很多其他因素，比如DSP应用系统所处环境的温度等。具体到任何一个实际的应用系统，在达到设计指标的前提下应细致地对硬件、软件进行多方面的优化，从而有效地降低系统功耗。
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52RD网友：(9-4)
liufx(游客)：(8-3)
52RD网友：(5-4)《数字信号处理》与《信号与系统》有什么关系？
先学了《信号与系统》再学习《数字信号处理》，相对于《信号与系统》而言，《数字信号处理》的内容稍微贴近实际操作一点，也是为了将来学习 DSP 打基础（如果你学的话）。然而《信号与系统》又是学《数字信号处理》的基础，从傅里叶变换深入到拉普拉斯变换，最后再过度到离散域的 z 变换。离散域正是《数字信号处理》的主要背景。学好高数，学《信号与系统》轻松些，学好《信号与系统》，学《数字信号处理》轻松些。
信号与系统的主要内容有两部分，信号与系统信号就是傅里叶变换，拉普拉斯变换，Z变换三大变换，连续和离散信号，抽样量化等等系统就是线性非线性，时变非时变，因果稳定还有反馈、滤波器等等~~数字信号处理的主要内容就是把信号与系统中离散信号抽出再详细讲解主要内容是离散傅里叶变换，抽样量化，当然我们的学的书里还讲了FIR和IIR滤波器的知识综上可以看出信号与系统是基础数字信号处理是关于离散信号的深入
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数字信号处理:系统分析与设计(原书第2版)
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原书名：Digital Signal Processing:System Analysis and Design,Second Edition
原出版社：
ISBN：9上架时间：出版日期：2013 年4月开本：16开页码：590版次：2-1
所属分类：
《国外电子电气经典教材系列：数字信号处理?系统分析与设计（原书第2版）》适用于大学本科生和研究生作为数字信号处理课程的教学参考书，也可作为从事通信和信息处理相关工程技术人员的参考书。
《数字信号处理:系统分析与设计(原书第2版)》对数字信号处理的理论方法、实现及应用给出了完整的介绍，对离散时间信号及系统、傅里叶变换和z变换、小波分析和数字滤波器设计等诸多关键论题进行了详细的讨论。在第1版基础上《数字信号处理:系统分析与设计(原书第2版)》补充了包括多重速率数字信号处理系统、线性预测、时频分析和谱估计等随机数字信号处理的内容，帮助读者深刻理解基本理论和分析方法，最后对列举的大量例题作出了详细的解答。
《数字信号处理:系统分析与设计(原书第2版)》适用于大学本科生和研究生作为数字信号处理课程的教学参考书，也可作为从事通信和信息处理相关工程技术人员的参考书。
《数字信号处理:系统分析与设计(原书第2版)》
第1章　离散时间信号和系统1
1.1　概述1
1.2　离散时间信号1
1.3　离散时间系统4
1.3.1　线性4
1.3.2　时不变性5
1.3.3　因果关系5
1.3.4　冲激响应与卷积和6
1.3.5　稳定性8
1.4　差分方程与时域响应8
1.4.1　递归与非递归系统对比11
1.5　求解差分方程11
1.5.1　计算冲激响应17
1.6　连续时间信号采样19
1.6.1　基本原理19
1.6.2　采样定理19
　　随着科学技术的发展，信息技术取得了令人瞩目的成就。作为现代信息技术理论基础的数字信号处理技术得到不断的丰富和完善。“数字信号处理”课程不仅是电子与信息类专业本科生的必修课，而且已成为电气工程与自动化、机械电子工程和机电一体化等专业的重要专业基础课之一。国内外许多大学都开设了面向本科生和研究生的数字信号处理理论课程，也出现了大量的优秀教材。
　　《数字信号处理:系统分析与设计(原书第2版)》是巴西里约热内卢联邦大学电子和计算机工程系Paulo S.R.Diniz教授、Eduardo A.B.da Silva副教授和Sergio L.Netto副教授三位作者多年教学和科研工作的总结。
　　《数字信号处理:系统分析与设计(原书第2版)》全面、系统地阐述了数字信号处理的理论基础，除对离散时间信号及系统、傅里叶变换、z变换、小波分析和数字滤波器设计的确定性数字信号处理方法进行了极为详细的介绍外，还用较大的篇幅对随机数字信号处理理论展开论述，其中包括多重速率数字信号处理系统、线性预测、时频分析和谱估计等。《数字信号处理:系统分析与设计(原书第2版)》内容丰富、理论性强、概念清晰。为帮助读者深刻理解书中涵盖的基本理论和分析方法，每章都列举了大量的例题，并作出了详细的解答，同时提供了配合基本理论的MATLAB工具箱的相关函数和仿真实验方法。各章末尾提供了习题，帮助读者进一步巩固所学的理论知识。
　　《数字信号处理:系统分析与设计(原书第2版)》在第1版的基础上进行了修改和完善。《数字信号处理:系统分析与设计(原书第2版)》在例题结束处标示“△”符号，在定理结束处标示“◇”符号，在证明结束处标示“□”符号，便于读者阅读。译者在个别处添加了译者注，便于读者对专用术语的理解。为帮助读者准确理解信号处理领域的专业术语，在索引中补充了专业术语的中英文对照。
　　《数字信号处理:系统分析与设计(原书第2版)》可作为电子与信息类专业高等院校的本科生和研究生的教学用书，也可供电气工程与自动化、机械电子工程和机电一体化等相关专业的技术人员及自学人员使用。《数字信号处理:系统分析与设计(原书第2版)》一定会对“数字信号处理”课程教学和工程设计实践起到积极作用，书中有关数字滤波器等方面的设计内容一定会受到读者的欢迎。
　　《数字信号处理:系统分析与设计(原书第2版)》由三位译者承担全部的翻译工作，其中新疆大学信息科学与工程学院的于迎霞老师负责第1～4章的翻译和初校；汪烈军博士负责第5章、第6章、第12章和第13章的翻译和初校；其余部分由西安交通大学的张太镒教授负责翻译和初校。全书由张太镒负责协调和审校，新疆大学信息科学与工程学院的丁亮、汤俊、谢卫民、钟森海、张莉、汪明伟、杨清华、卢帆、吉兵、王佳星等协助翻译了相关章节，为《数字信号处理:系统分析与设计(原书第2版)》翻译工作的完成做出了贡献。
　　《数字信号处理:系统分析与设计(原书第2版)》在翻译过程中得到了机械工业出版社华章公司的热心指导和大力支持。此外，广东台山鸿万电子有限公司工程部的尚磊冬、郭慧明、梁天波、袁素云和王伟之等也参与了《数字信号处理:系统分析与设计(原书第2版)》的翻译工作，在此表示深深的谢意。
　　由于译者水平有限，书中难免有不妥之处，敬请读者不吝指正。
　　2013年1月于西安交通大学
　　《数字信号处理:系统分析与设计(原书第2版)》的前身是巴西电信公司所属的TELEBRAS（该公司由之前的巴西电信控股）研究和发展中心的工程师培训教材。《数字信号处理:系统分析与设计(原书第2版)》第一作者早在1987年教授这门课，主要目的是介绍高效数字滤波器的设计方法，以解决工程上的一些问题。后来，第一作者将其作为COPPE/里约热内卢联邦大学电气工程专业数字滤波器和数字信号处理课程的基础参考书。
　　多年来，原先的学生都有这样的疑问：既然这本教材里表述了独特的观点，是值得出版的，却为何迟迟不出版？造成这种情况的原因虽然有许多，但其中一个重要原因是在这个课题上已经能见到很多写得很好的教材，并且，在这个课题上经过多年的教学和研究后，作者更关注其他问题，而不是枯燥的写作工作。直到最后，《数字信号处理:系统分析与设计(原书第2版)》原稿用葡萄牙文撰写，再将其译成英文，这真是一项冗长而乏味的工作。
　　在随后的几年里，第二作者和第三作者使用原始教材用于教学，在此过程中应不断赋予新的思想，补充新的方法。这时，我们决定更新原来的教材，将其变成一本现代教科书。于是，《数字信号处理:系统分析与设计(原书第2版)》在第1版的基础上更新了原来的内容，加入了2002年以来三位作者为许多课程教学编写的大量的新素材。
　　《数字信号处理:系统分析与设计(原书第2版)》第2版不像最初的教材那样主要集中在滤波器设计和实现上。现在的版本包括大量有关离散时间系统、离散变换、谱估计、多重速率系统、滤波器组和小波的内容。
　　《数字信号处理:系统分析与设计(原书第2版)》主要是作为有基本线性系统课程基础的本科生数字信号处理课程的教科书，其更深入的章节也可作为研究生相关课程的课本。在里约热内卢联邦大学和其他许多大学的课本里大多采用这种结构。第2版的一大特色是引入了Do-it-yourself部分，通过MATLAB实验检测读者对于其理论知识的学习情况。在许多章节末尾，都有一小节是关于MATLAB的内容，目的是指导读者如何使用MATLAB工具进行数字信号处理系统的分析与设计。
　　《数字信号处理:系统分析与设计(原书第2版)》的一个突出特点是用一种简洁、完整的形式对数字信号处理设计与分析进行广泛的讨论，使读者充分发挥主观能动性来开发实际的系统。尽管《数字信号处理:系统分析与设计(原书第2版)》主要作为本科生和研究生的教科书，但由于它的前身是一本工业界的培训教材，所以对从事信号处理系统开发工作的工程技术人员具有潜在的价值。实际上，我们的目标是为读者提供一种工具，使他们明白为什么和如何使用数字信号处理系统，怎样用多项式和比率多项式来逼近传递函数的特征，为什么传递函数到适当结构的映射对实际应用那么重要，怎样描述、分析和探索确定性的和随机信号时域和频域表示之间的权衡。为此，每一章中有大量的例子和需要解决的问题，特别是第2版添加了许多新的示例和需要求解的习题，以帮助读者深入理解概念，同时也可作为对正文的补充。
　　《数字信号处理:系统分析与设计(原书第2版)》第1章和第2章介绍离散时间信号处理和z变换的基本概念。尽管许多读者都比较熟悉这部分内容，但可以通过阅读这些章节了解各种符号以及作者讲解这些概念的方法。第1章回顾离散时间系统的概念，包括离散时间信号和系统的表示方法及其时域响应。最重要的是介绍了采样定理，它是离散时间系统解决连续时间实际问题的条件。这一章还介绍了随机信号的基本概念，接下来是实验部分，帮助读者测试离散信号与系统学习进展程度。第2章介绍z变换和傅里叶变换，它是一种描述离散时间信号与系统的有用的数学工具，讨论了z变换和傅里叶变换的基本性质，包括z变换域的稳定性测试。这一章还说明了随机信号分析怎样得益于z域表达式。
　　第3章讨论离散变换，重点是离散傅里叶变换(Discrete Fourier Transform，DFT)，它是对时域离散信号进行频域分析的重要工具。DFT可对时域离散信号进行频域离散描述。序列描述是计算机的特性，DFT提供了强有力的工具，使我们可以像处理原始序列那样来处理频域信息。DFT的重要性更进一步体现在计算DFT的高效率计算算法，即所谓的快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform，FFT)。本章还介绍了实系数变换，如余弦和正弦变换，广泛应用于现代音视频编码和其他许多应用场合。本章也对变换的正交性进行了讨论。本章还讨论了信号的几种表述形式，可供读者选择使用。
　　第4章介绍了将传递函数映射为一个数字滤波器的基本结构，以及数字滤波器结构的一些基本分析方法和特性。本章还介绍了一些简单且有用的积木块，广泛应用于一些设计和应用场合。
　　第5章从简单的频率采样方法和广泛使用的窗口方法开始，介绍了几种有限冲激响应（Finite-duration Impulse Response，FIR）滤波器的逼近方法。这种方法提供了不同信号处理应用场合的窗口方案；还介绍了包括最大平坦滤波器和加权最小二乘(Weighted Least-Square，WLS)法的其他逼近方法。本章也给出了基于多元最优化算法（雷米兹交换法）的切比雪夫逼近。这种方法可得到给定一系列规定频率响应规范的最小阶数线性相位的传递函数。这一章还讨论了最小二乘切比雪夫方法，获得转移函数的最大值和规定的逼近误差总能量。这种逼近方法在各种文献里讨论得不多，但很有实际应用价值。
　　第6章讨论了无限冲击响应（Infinite-duration Impulse Response，IIR）滤波器的逼近，首先介绍经典连续时间转移函数的逼近，即巴特沃斯、切比雪夫和椭圆逼近，它们用适当的变换方法产生离散时间转移函数。本章还介绍了两种变换方法，即冲激响应不变法和双线性变换法。本章还包括离散时间域的频率变换的内容，介绍了使用最优化技术的IIR数字滤波器幅度和相位的同时逼近，提供一个满足更一般规范的传递函数设计工具。本章末尾总结了时域逼近的要点。
　　第7章介绍了经典估计理论的基本概念，首先描述了基于周期图的非参数谱估计方法，接着是最小方差谱估计。本章继续讨论建模理论，讨论了有理数传递函数模型，描述了耶鲁沃克方程，还介绍了几种参数谱估计方法，即线性预测法、协方差法、自相关方法、莱文森杜斌算法和伯格方法等。本章还讨论了作为线性预测方法的一个扩展的维纳滤波器。
　　第8章从多重采样率出发介绍离散时间系统的基本理论。本章重点讨论多重采样率系统的基本性质，介绍抽取和插值操作，举例说明高效数字滤波器的设计。本章讨论许多采样率系统的关键属性，如逆操作和诺贝尔一致性，并介绍了一些分析工具，如多相分解和切换模型。此外，还讨论了重叠块滤波的概念，广泛用于一些数字信号处理构建模块的快速实现。本章还针对抽取和插值如何影响随机信号性能进行了讨论。
　　第9章讨论了有关滤波器组内部结构的一些性质，以及完全重构滤波器组的概念和架构。本章还介绍了滤波器组和反多路复用器的分类和一些分析工具，以及多重速率滤波器组的设计技术，包括双边带滤波器组、余弦调制滤波器组和重叠变换的几种形式。
　　第10章介绍了时频分析和离散小波变换的概念，以及小波变换的信号多分辨率表示，并讨论了用滤波器组设计小波变换的问题。此外，介绍了一些针对信号表示产生正交（和双正交）基的设计技术。本章也介绍了小波分类、设计和实现所需小波的一些特性。
　　第11章简要介绍了最广泛应用于实现数字信号处理系统的二进制数字表示法。本章还阐述了如何将基本元素用于这些系统的问题，讨论了特定的，然而是有意义的分布式算法的实现类型。本章还介绍了解释数字滤波器量化效果的模型，讨论了分析和处理有限字长表示信号和滤波器系数效果的方法，重点介绍了乘积中量化噪声的影响、限制内部信号动态范围的信号缩放、设计传递函数中的量化系数和可能发生在递归实现中的非线性振荡等问题。这些分析都是用来指导滤波器的实现，获得实用的数字滤波器有限精度的实现。
　　第12章介绍一些在满足规范或特殊要求的前提下降低FIR滤波器的运算复杂度的技术。本章首先介绍广泛应用于滤波器组设计的格型结构，以及在构建模块设计中用到的几种FIR滤波器实现形式，如多相、频域、递归运算和以及修正辛格形式等。本章重点介绍了用于设计窄带低通和高通滤波器的前置滤波器和内插法，另外，还介绍了用满足更一般规范的窄过渡带滤波器频率响应的掩蔽法，以及窄带通和带阻滤波器的积分法。
　　第13章介绍了若干数字IIR滤波器的实现方法，详细讨论了这些滤波器有限精度实现的特点，给读者提供了设计IIR滤波器的选择。本章介绍了几种结构类型，即用直接形式二阶模块的并行和级联形式、用部分最优和无极限环状态空间模块的并行和级联形式、格型滤波器和几种波动数字滤波器形式。另外，本章还讨论了双互补滤波器和在正交镜像滤波器组设计中的应用。
　　《数字信号处理:系统分析与设计(原书第2版)》所包括的内容可作为本科生数字信号处理课程或研究生一年级课程。《数字信号处理:系统分析与设计(原书第2版)》可以根据需要选择不同的课程组合。下面介绍信号处理课程中可供选择的组合方式。
　　r针对大学三年级的离散时间系统或数字信号处理的课程：应包括第1、2、3、4章的绝大部分和第7章的非参数方法部分，还可以包括第5章和第6章的非迭代逼近方法，即第5章的频率采样和窗口法，第6章的基于模拟的逼近方法和IIR滤波器的连续时间到离散时间变换方法。
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