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1、word
JIANGSU UNIVERSITY
本 科 生 課程設(shè)計
DSP課程設(shè)計實驗報告
基于ICETEK5509實驗箱和基2FFT算法的頻譜分析
學院名稱：計算機科學與通信工程學院
專業(yè)班級：通信工程
學生：
指導教師：
指導教師職稱：
年月
一、 設(shè)計目的與意義
1、本課程設(shè)計與理論課、實驗課一起構(gòu)成《DSP芯片原理與應(yīng)用》完整課程
體系；
2、針對理論課、實驗課中無時間和不方便提與容和需強調(diào)重點進展補充與
完善；
3、
2、以原理算法的實現(xiàn)與驗證體會DSP技術(shù)的系統(tǒng)性，并加深根本原理的體會。
二、 設(shè)計要求
1、系統(tǒng)設(shè)計要求：
⑴.設(shè)計一個以ICETEK5509為硬件主體，F(xiàn)FT為核心算法的頻譜分析系統(tǒng)
方案；
⑵.用C語言編寫系統(tǒng)軟件的核心局部，熟悉CCS調(diào)試環(huán)境的使用方法，
在CCS IDE中仿真實現(xiàn)方案功能；
⑶.在實驗箱上由硬件實現(xiàn)頻譜分析。
2、具體要求：
⑴.FFT算法C語言實現(xiàn)與驗證
1) 參考教材節(jié)FFT核心算法在CCS軟件仿真環(huán)境中建立FFT工
程：添加main()函數(shù)，更改教材中個別語
3、法錯誤，添加相應(yīng)的庫文
件，建立正確的FFT工程；
2) 設(shè)計檢測信號，驗證FFT算法的正確性與FFT的局部性質(zhì)；
3) 運用FFT完成IFFT的計算。
⑵.單路、多路數(shù)模轉(zhuǎn)換〔A/D〕
1) 回顧CCS的根本操作流程，尤其是開發(fā)環(huán)境的使用；
2) 參考實驗指導和示例工程掌握5509芯片A/D的C語言根本控制流
程；
3) 仔細閱讀工程的源程序，做好注釋，為后期開發(fā)做好系統(tǒng)采集前端
設(shè)計的準備。
⑶.系統(tǒng)集成，實現(xiàn)硬件頻譜
4、分析
1) 整合前兩個工程，實現(xiàn)連續(xù)信號的頻譜分析工程的構(gòu)建；
2) 參考A/D轉(zhuǎn)換示例和DSP系統(tǒng)功能自檢示例完成硬件連接，并測試
開發(fā)系統(tǒng)運行效果；
3) 基于現(xiàn)有系統(tǒng)，對于實時頻譜分析給出進一步開發(fā)設(shè)計和系統(tǒng)改良
方案。
三、課程設(shè)計原理
1、DSP應(yīng)用系統(tǒng)構(gòu)成：
注：一般的輸入信號首先進展帶限濾波和抽樣，然后進展模數(shù)〔A/D〕轉(zhuǎn)換，將信號變成數(shù)字比特流。根據(jù)奈奎斯特抽樣定理，對低通信號模擬，為保持信號的不丟失，抽樣頻率必須至少是輸入帶限信號的最高頻率的2倍，工程上為帶限
5、信號最高頻率的3-5倍。
2、快速離散傅里葉變換〔FFT〕的根本原理:
頻譜分析系統(tǒng)
FFT是一種快速有效地計算離散傅里葉變換〔DFT〕的方法。它是根據(jù)離散傅里葉變換的奇、偶、虛、實等特性，對離散傅里葉變換的算法進展改良獲得的?！ ?
因為需要N次復數(shù)乘法和N-1次復數(shù)加法，所以計算全部X(k)，共需要次復數(shù)乘法和N(N-1)次復數(shù)加法。實現(xiàn)一次復數(shù)乘法需要四次實數(shù)乘法和兩次實數(shù)加法，一次復數(shù)加法需要兩次實數(shù)加法，因此直接計算全部X(k)共需要4次實數(shù)乘法和2N(2N-1)次實數(shù)加法。為減少運算量，提高運算速度，就必須改良算法。
FFT算法就是不斷地把長序列的DF
6、T分解成幾個短序列的DFT，并利用的周期性和對稱性來減少DFT的運算次數(shù)。
具有以下固有特性：
(1)的周期性：
(2)的對稱性：
(3)的可約性：
另外，。
利用的上述特性，將x(n)或X(k)序列按一定規(guī)律分解成短序列進展運算，這樣可以防止大量的重復運算，提高計算DFT的運算速度。算法形式有很多種，但根本上可以分為兩大類，即按時間抽取(Decimation In Time，DIT)FFT算法和按頻率抽取(Decimation InFrequency，DIF)FFT算法。
N=8的按時間抽取FFT
N=8的按頻率抽取FFT
2.1實數(shù)序列的F
7、FT：
反FFT運算可以表示為：
式中，是時域信號的傅里葉變換。比擬和可以看出，通過如下修改，我們可以用FFT算法來實現(xiàn)反FFT:
⑴增加一個歸一化因子；
⑵將用其復共軛代替。
由于第二點需要修改符號，因此FFT程序還不能不加修改的來計算反FFT。
因為
可見，求的反FFT可以分為以下三個步驟：
⑴取的共軛，得；
⑵求的FFT,得；
⑶取的共軛，并除以，即得。
采用這種方法可以完全不用修改FFT程序就可以計算反FFT。
3、單路、多路模數(shù)轉(zhuǎn)換實驗原理〔AD)
⑴ TMS320VC5509A模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊特性：
—帶置采樣和保持的10位模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊ADC,最
8、小轉(zhuǎn)換時間為500ns,
最大采樣率為21.5KHz。
—2個模擬輸入通道〔AIN0-AIN1〕。
—采樣和保持獲取時間窗口有單獨的預定標控制。
⑵ 模數(shù)轉(zhuǎn)換工作過程：
—模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊接到啟動轉(zhuǎn)換模塊后，開始轉(zhuǎn)換第一通道的數(shù)據(jù)。
—經(jīng)過一個采樣時間的延遲后，將采樣結(jié)果放入轉(zhuǎn)換結(jié)果存放器保存。
—轉(zhuǎn)換完畢，設(shè)置標志。
—等待下一個啟動信號。
⑶ 模數(shù)轉(zhuǎn)換的程序控制：
模數(shù)轉(zhuǎn)換相對于計算機來說是一個較為緩慢的過程。一般采用中斷方式啟動轉(zhuǎn)換或保存結(jié)果，這樣在CPU忙于其它工作時可以少占用處理時間。設(shè)計轉(zhuǎn)換程序應(yīng)首先考慮處理過程如何與模數(shù)轉(zhuǎn)換的時間相匹配，
9、根據(jù)實際需要選擇適當?shù)挠|發(fā)轉(zhuǎn)換手段，也要能與時地保存結(jié)果。
由于TMS320VC5509A DSP芯片的A/D轉(zhuǎn)換精度是10位，轉(zhuǎn)換結(jié)果的低10位為所需數(shù)值，所以在保存時應(yīng)注意將結(jié)果的高6位去除，取出低10位有效數(shù)字。
⑷ 實驗程序流程圖：
開 始
初始化CPU時鐘、 EMIF、AD采樣時鐘
啟動AD0通道采集〔連續(xù)
256次〕存入緩沖區(qū)nADC0
啟動AD1通道采集〔連續(xù)256次〕存入緩沖區(qū)nADC1
實驗程序流程圖
四.實驗程序和流程圖：
1、FFT
⑴FFT程
10、序：
#include
struct px { float real,imag;}; //定義一個復數(shù)結(jié)構(gòu)
struct px s[257]; //FFT輸入和輸出：均從s[1]開始存放
struct px EE(struct px ,struct px ); //定義復數(shù)相乘結(jié)構(gòu)
void FFT(struct px *, int ); //FFT函數(shù)預定義
#define pi 3.14159265
struct
11、px EE(struct px b1,struct px b2) //兩個復數(shù)的相乘--b1*b2
{struct px b3; //定義相乘的結(jié)果b3
b3.real=b1.real*b2.real-b1.imag*b2.imag;
b3.imag=b1.real*b2.imag+b1.imag*b2.real;
return(b3); }
12、 //返回相乘結(jié)果b3
/*輸入：xin(實部，虛部), 輸出：xin(實部，虛部), N：FFT點數(shù)*/
void FFT(struct px *xin, int N)
{ int f,m,nv2,nm1,i,k,j=1,l;
struct px v,w,t; //v為蝶形因子，w為中間變量
nv2=N/2;
f=N;
fo
13、r (m=1;(f=f/2)!=1;m++) {;} //計算蝶形運算的級數(shù)m=3，
nm1=N-1;
/*變址運算*/
for (i=1;i<=nm1;i++) //實現(xiàn)位反轉(zhuǎn)
{ if(i
14、 for (l=1;l<=m;l++)
{le=pow(2,l);
lei=le/2;
v.real=1.0;v.imag =0.0; //第一級蝶形運算的運算因子
w.real =cos(pi/lei);w.imag =-sin(pi/lei); //用于改變蝶形運算因子中間變量
for(j=1;j<=lei;j++) // 改變第二,三蝶形運算的運算因子 {for(i=j;i<=N;i=i+le) /
15、/循環(huán) N/le 次
{ip=i+lei;
t=EE(xin[ip],v);
xin[ip].real=xin[i].real-t.real;
xin[ip].imag =xin[i].imag-t.imag;
xin[i].real=xin[i].real+t.real;
xin[i].imag=xin[i].imag+t.imag;}
v=EE(v,w);
}}}
return;
}
/*
16、****************main programe********************/
#include
#include
#include
#include
float result[257];
float input[257];
struct px s[257];
int Num=256 ;
const float pp=3.14159 ;
main()
{
int i=1 ;
for(;i<257;i++)
{
//s[i].re
17、al=sin(pi*i/128);
s[i].real=cos(2*pp*i/256);
s[i].imag=0 ;
input[i]=sin(2*pp*i/256);
}
FFT(s,Num);
for(i=1;i<257;i++)
{
result[i]=sqrt(pow(s[i].real,2)+pow(s[i].imag,2));
}
開始
輸入xin,N
m=log2N
變址運算
l=1
完畢
輸出頻譜圖
l++
第l次蝶形運算
l<=m
}
⑵FFT流
18、程圖
3、AD
⑴AD程序
#include "myapp.h"
#include "ICETEK-VC5509-EDU.h"
#include "scancode.h"
#include "fft.h"
#include "math.h"
struct px s0[257],s1[257];
float input0[256],input1[256],output0[256],output1[256];
void InitADC();
19、 void wait( unsigned int cycles );
void EnableAPLL( );
unsigned int nADC0[256],nADC1[256];
main()
{ int i;
unsigned int uWork;
EnableAPLL();
SDRAM_init();
InitADC();
PLL_Init(132);
while ( 1 )
{ for ( i=0;i<256;i++ )
{ ADCCTL=0x8000; // 啟動AD轉(zhuǎn)換，通道0
w
20、hile ( uWork&0x8000 );
nADC0[i]=uWork&0x0fff; //0xfff→0x3ff 取后十位，前兩位一直為0
s0[i+1].real=nADC0[i]; //實部為nADC0中的值
input0[i]= s0[i+1].real;
s0[i+1].imag=0; //虛部為0
}
for ( i=0;i<256;i++ )
{ ADCCTL=0x9000; // 啟動AD轉(zhuǎn)換，通道1
while (
21、 uWork&0x8000 );
nADC1[i]=uWork&0x0fff;//0xfff→0x3ff 取后十位，前兩位一直為0
s1[i+1].real=nADC1[i]; //實部為nADC1中的值
input1[i]= s1[i+1].real;
s1[i+1].imag=0;//虛部為0
}
FFT(s0,256); //調(diào)用FFT函數(shù)對s0進展FFT變換
FFT(s1,256); //調(diào)用FFT函數(shù)對s1進展
22、FFT變換
23、
24、
25、
26、
27、
28、
for(i=0;i<256;i++)
{ output0[i]=sqrt(pow(s0[i+1].real,2)+pow(s0[i+1].imag,2)); //取模
29、 output1[i]=sqrt(pow(s1[i+1].real,2)+pow(s1[i+1].imag,2));}
asm( " nop"); // break point
}
}
void InitADC()
{
ADCCLKCTL=0x23; // 4MHz ADCLK 4*(35+1)=144MHz
ADCCLKDIV=0x4f00;
}
void wait( unsigned int cycles )
{ int i;
for ( i = 0 ; i < cycles ; i++ ){ }}
void Enable
30、APLL( )
{ /* Enusre DPLL is running */
*( ioport volatile unsigned short* )0x1f00 = 4;
wait( 25 );
*( ioport volatile unsigned short* )0x1f00 = 0;
// MULITPLY
*( ioport volatile unsigned short* )0x1f00 = 0x3000;
// COUNT
*( ioport volatile unsigned short* )0x1f0
31、0 |= 0x4F8;
wait( 25 );
//*( ioport volatile unsigned short* )0x1f00 |= 0x800
// MODE
*( ioport volatile unsigned short* )0x1f00 |= 2;
wait( 30000 );
// APLL Select
*( ioport volatile unsigned short* )0x1e80 = 1;
// DELAY
wait( 60000 );
}
32、
⑵AD流程圖
開始
初始化CPU時鐘、EMIF、AD采樣時鐘
啟動AD0通道采集〔連續(xù)256次〕存入緩沖區(qū)nADC 0
將nADC0數(shù)據(jù)賦值給s0結(jié)構(gòu)體中的實部，虛部為0
啟動AD1通道采集〔連續(xù)256次〕存入緩沖區(qū)nADC 1
將nADC1數(shù)據(jù)賦值給s1結(jié)構(gòu)體中的實部，虛部為0
FFT〔s0,256〕
FFT(s1,256)
圖5-2 AD流程圖
五、實驗步驟與結(jié)果分析
實驗步驟與結(jié)果分析
33、1、FFT驗證的步驟和分析：
⑴實驗步驟：
參考教材中的FFT核心算法在CCS軟件仿真中建立FFT工程：
首先更改FFT算法中的個別語法錯誤，初步理解程序，其次編寫main()函數(shù)使系統(tǒng)能夠找到程序入口地址，由于正余弦信號的頻譜為脈沖信號，因此這里采用正余弦與其線性組合作為檢測信號，編寫檢測信號程序時，應(yīng)注意將采樣點放入結(jié)構(gòu)體數(shù)組s[257]中。然后添加庫文件到工程中，編譯、下載，用viewgraphTime/Frequency…觀察波形，設(shè)置觀察窗口為：
⑵實驗結(jié)果截圖：
檢測信號為input[i]=sin(2*pp*〔i-1〕/256)
檢測
34、信號input[i]=cos(2*pp*〔i-1/〕256)
檢測信號為直流信號Input[i]=1
檢測信號input[i]=sin(10*2*pp*〔i-1〕/256)
input[i]=0.5+sin(10*2*pp*i/256)+cos(50*2*pp*i/256)
⑶實驗結(jié)果分析：
1) 信號中有直流分量，有正弦信號和余弦信號，但在時域波形中得
不出信號的組成如何；
2)在0頻時有直流分量；
3)正余弦信號頻譜實部大小相等關(guān)于中間值〔129,0〕對稱，虛部大
小相等方
35、向相反，關(guān)于中間值〔129,0〕對稱，因此驗證了FFT算
法的正確性；
4)換個角度思考，可以利用此算法來驗證奈奎斯特抽樣定理，正余
弦時域中任意線性組合不影響頻譜分布，以與驗證FFT的柵欄效
應(yīng)，只能看到整數(shù)倍頻的點等。
2、IFFT驗證的步驟和分析：
⑴實驗結(jié)果截圖：
1) 輸入信號為cos(2*pi*m/256)時
cos(2*pi*m/256)輸入信號和IFFT后時域圖
2) 輸入信號為sin(2*pi*m/256)時
36、 sin(2*pi*m/256)輸入信號和IFFT后時域圖
3) 輸入信號為1+sin(2*pi*m/256)+cos(2*pi*m/256)時
1+sin(2*pi*m/256)+cos(2*pi*m/256)輸入信號和IFFT后時域圖
3、兩通道模數(shù)轉(zhuǎn)換〔A/D〕在開發(fā)環(huán)境中的調(diào)試
⑴ 通道波形的產(chǎn)生
根據(jù)實驗指導書中的操作步驟調(diào)試出兩通道一樣的正弦波，使圖像在CCS界面中動態(tài)變化，調(diào)節(jié)實驗板上的頻率、波形控制按鈕，圖形界面輸出相應(yīng)的波形，圖6-3-1為0通道在10KHZ—100KHZ、1通道在10—100HZ事的正弦波：
37、
4.兩個工程整合后:
六、課程設(shè)計心得
本次DSP課程設(shè)計針對理論課、實驗課中無時間和不方便提與容和需強調(diào)重點進展補充與完善，以原理算法的實現(xiàn)與驗證體會DSP技術(shù)的系統(tǒng)性，并加深了我對根本原理的體會。在這幾天中，我學到了如下幾點：
⑴ 通過對FFT算法進展分析研究，從根底深入研究和學習，掌握FFT
算法的關(guān)鍵；
⑵ 通過對DSP芯片工作原理以與開發(fā)環(huán)境的回顧，在DSP芯片上實現(xiàn)對信
號的實時頻譜分析；
⑶ 這次課程設(shè)計，雖然不能做到完全理解掌握，但依然讓我加深了對各門專
業(yè)課之間的聯(lián)系；
⑷ 通過與同組成員的互相溝通，不僅使各自的知識得到了擴大，而且從中得
到了很多的啟示，增強了團隊合作能力；
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江蘇大學 dsp課程設(shè)計
