数字信号处理前沿发展与应用

 20世纪60年代以来，随着计算机和信息技术的飞速发展，数字信号处理技术应运而生并得到迅速的发展。在过去的二十多年时间里，数字信号处理已经在通信等领域得到极为广泛的应用。数字信号处理是利用计算机或专用处理设备，以数字形式对信号进行采集、变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理，以得到符合人们需要的信号形式。 
数字信号处理作为信号和信息处理的一个分支学科,已渗透到科学研究、技术开发、工业生产、国防和国民经济的各个领域,取得了丰硕的成果。对信号在时域及变换域的特性进行分析、处理,能使我们对信号的特性和本质有更清楚的认识和理解,得到我们需要的信号形式提高信息的利用程度,进而在更广和更深层次上获取信息。数字信号处理系统的优越性表现为: 
1. 灵活性好:当处理方法和参数发生变化时,处理系统只需通过改变软件设计以适应相应的       化。 
2. 精度高:信号处理系统可以通过APD 变换的位数、处理器的字长和适当的算法满足精度要   求。 
3. 可靠性好:处理系统受环境温度、湿度,噪声及电磁场的干扰所造成的影响 较小。 
4. 可大规模集成:随着半导体集成电路技术的发展,数字电路的集成度可以作得很高,具有体积小、功耗小、产品一致性好等优点。 
 
一.DSP 芯片的发展 
    70 年代末80 年代初,AMI 公司的S2811芯片, Intel 公司的2902 芯片的诞生标志着DSP 芯片的开端。随着半导体集成电路的飞速发展,高速实时数字信号处理技术的要求和数字信号处理应用领域的不断延伸,在80 年代初至今的十几年中,DSP 芯片取得了划时代的发展。从运算速度看,MAC(乘法并累加) 时间已从80 年代的400 ns 降低到40 ns 以下,数据处理能力提高了几十倍。MIPS(每秒执行百万条指令) 从80 年代初的5MIPS 增加到现在的40 MIPS 以上。DSP 芯片内部关键部件乘法器从80 年代初的占模片区的40 %左右下降到小于5 % ,片内RAM 增加了一个数量级以上。从制造工艺看,80 年代初采用4μm 的NMOS 工艺而现在则采用亚微米CMOS 工艺,DSP 芯片的引脚数目从80 年代初最多64 个增加到现在的200 个以上,引脚数量的增多使得芯片应用的灵活性增加,使外部存储器的扩展和各个处理器间的通信更为方便。和早期的DSP 芯片相比,现在的DSP 芯片有浮点和定点两种数据格式,浮点DSP 芯片能进行浮点运算,使运算精度极大提高。DSP 芯片的成本、体积、工作电压、重量和功耗较早期的DSP 芯片有了很大程度的下降。在DSP 开发系统方面,软件和硬件开发工具不断完善。目前某些芯片具有相应的集成开发环境,它支持断点的设置和程序存储器、数据存储器和DMA 的访问及程序的单部运行和跟踪等,并可以采用高级语言编程,有些厂家和一些软件开发商为DSP 应用软件的开发准备了通用的函数库及各种算法子程序和各种接口程序,这使得应用软件开发更为方便,开发时间大大缩短,因而提高了产品开发的效率。 
目前各厂商生产的DSP 芯片有: TI 公司的TMS320 系列、AD 公司的ADSP 系列、AT &T 公司的DSPX 系列、Motolora 公司的MC 系列、Zoran 公司的ZR 系列、Inmos 公司的IMSA 系列、NEC 公司的PD 系列等。 
 




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二. DSP 芯片的应用 
DSP技术在数据通信、汽车电子、图像处理以及声音处理等领域应用广泛。 （1）数字化移动电话 
   数字移动电话可划为两大类：高速移动电话和低速移动电话。而无论是高速移动电话还是低速移动电话，都要用至少1个DSP，因此，高速发展的数字化移动电话急需极为大量的DSP器件。 
（2）数据调制解调器 
   数字信号处理器的传统应用领域之一，就是调制解调器。调制解调器是联系通信与多媒体信息处理系统的纽带。利用PC机通过调制解调器经由电话线路，实现拨号连接Internet是最简便的访问形式。由于Internet用户急剧增加，由PC机上利用浏览程序调用活动图像信息量增大，就需要使用数据传送速度更高的调制解调器。这就意味，在高速调制解调器里需要更高性能的DSP器件。 （3）磁盘／光盘控制器需求 
  多种信息存储媒体产品的迅速发展，诸如磁盘存储器、CD－ROM和DVD（DigitalVersatileDisk）－ROM的纷纷上市。今日的磁盘驱动器HDD，存储容量已相当可观，大型HDD姑且不谈，就连普通PC机的HDD的存储容量也远在1GB以上，小型HDD向高密度、高存储容量和高速存取方向发展，其控制器必须具备高精度和高速响应特性，它所用的DSP性能也是今非昔比，高速DSP是必不可少的关键性器件。  （4）图形图像处理需求 
   DVD里应用的活动图像压缩／解压缩用MPEG2编码／译码器，同时也广泛地应用于视频点播VOD、高品位有线电视和卫星广播等诸多领域。这些领域应用的DSP应该具备更高的处理速度和功能。而且，活动图像压缩／解压技术也日新月异，例如，DCT变换域编码很难提高压缩比与重构图像质量，于是出现了对以视觉感知特性为指导的小波分析图像压缩方法。新的算法出现，要求相应的高性能DSP。 （5）汽车电子系统及其它应用领域 
   汽车电子系统日益兴旺发达，诸如装设红外线和毫米波雷达，将需用DSP进行分析。利用摄像机拍摄的图像数据需要经过DSP处理，才能在驾驶系统里显示出来，供驾驶人员参考。因此，DSP在汽车电子领域的应用也必然会越来越广泛。 （6）声音处理。 
声音数字压缩技术早已开始应用，其中以脉冲编码调制(PCM)的方法最普遍。由于其只能压缩50%数字，不足以应付未来计算机应用。而DSP技术已经在音效应用中得到广泛采用，例如应用于多媒体音效卡。而高质量、高速度的声音处理技术，就需要更多高性能DSP的应用。 
三. DSP 的发展前景 
（1 ）努力向系统级集成DSP 迈进。缩小D S&#160芯片尺寸始终是DSP 的技术发展方向。当前的DSP多数基于RISC（精简指令集计算）结构，这种结构的优点是尺寸小、功耗低、性能高。各DSP 厂商纷纷采用新工艺，改进DSP 芯核，并将几个DSP芯核、MPU 芯核、专用处理单元、外围电路单元、存储单元统统集成在一个芯片上，成为DSP系统级集成电路。这样的集成缩小了整机的体积，缩短了产品上市的时间，是一个重要的发展趋势。 
（2 ）D S&#160 的内核结构进一步改善。D S&#160 的结构主要是针对应用，并根据应用优化DSP设计以极大改进产品的性能。多通道结构和单指令多重数据（S I M D ）、超长指令字结构（V L I M ）、超标量结构、超流水结构、多处理、多线程及可并行扩展的超级哈佛结构(SHARC)




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在新的高性能处理器中将占据主导地位[2]。 
（3 ）可编程DSP 是主导产品。可编程DSP 给生产厂商提供了很大的灵活性。生产厂商可在同一个DSP 平台上开发出各种不同型号的系列产品，以满足不同用户的需求。同时，可编程D S&#160 也为广大用户提供了易于升级的良好途径。人们已经发现，许多微控制器能做的事情，使用可编程DSP 将做得更好更便宜。 
（4 ）追求更高的运算速度和进一步降低功耗和几何尺寸[7]。由于电子设备的个人化和客户化趋势，DSP 必须追求更高更快的运算速度，才能跟上电子设备的更新步伐。同时由于DSP的应用范围已扩大到人们工作生活的各个领域，特别是便携式手持产品对于低功耗和尺寸的要求很高，所以DSP有待于进一步降低功耗。按照CMOS 的发展趋势，依靠新工艺改进芯片结构，DSP 运算速度的提高和功耗尺寸的降低是完全可能的。 （5 ）定点D S&#160 是主流。虽然浮点D S&#160 的运算精度更高，动态范围更大，但定点D S&#160 器件的成本较低，对存储器的要求也较低，而且耗电较省。因此，定点运算的可编程D S&#160 器件仍是市场上的主流产品。据统计，目前销售的D S&#160 器件中的80% 以上属于16 位定点可编程DSP 器件，预计今后的比重将逐渐增大。 
（6 ）与可编程器件结合。D S&#160 的许多新应用需要比传统DSP处理器更加强大的数字信号处理能力，设计者往往会借助PLD 和FPGA 来满足他们日益提高的信号处理需求[8]。与常规DSP 器件相比，F P G A 器件配合传统的D S P 器件可以处理更多信道，可在基站中用来实现高速实时处理功能，满足无线通信、多媒体等领域多功能和高性能的需要。 
（7 ）DSP 嵌入式系统[9]。DSP 嵌入式系统是D S P 系统嵌入到应用电子系统中的一种通用系统[4]。这种系统既具有DSP 器件在数据处理方面的优势，又具有应用目标所需要的技术特征。在许多嵌入式应用领域，既需要在数据处理方面具有独特优势的DSP，也需要在智能控制方面技高一筹的微处理器(MCU)。因此，将DSP 与MCU 融合在一起的双核平台，将成为DSP 技术发展的一种新潮流。 
目前，国外众多厂商涉足我国DSP 产品市场，我国的DSP 应用已有了相当的基础，有10 多家集成电路设计企业从事数字信号处理系统(DSP)及相关产品的开发与应用。从应用范围来说，数字信号处理器市场前景看好。DSP 不仅成为手机、个人数字助理等快速增长产品中的关键元件，而且它正在向数码相机和电机控制等领域挺进。随着DSP芯片的品种和技术档次不断提高以及向多功能化、高性能化、低功耗化放向发展，DSP日益进入人们的生活，在未来相当长的一段时间，我国DSP 市场将蓬勃发展，今后几年市场销售额仍将保持40％以上的增长率，具有良好的市场前景。