DSP原理與應(yīng)用結(jié)課論文

1、 DSP原理與應(yīng)用結(jié)課論文題目：DSP技術(shù)在現(xiàn)代移動(dòng)通信領(lǐng)域的應(yīng)用學(xué)院：計(jì)算機(jī)學(xué)院專業(yè)班級(jí)：通信工程姓名：學(xué)號(hào)：指導(dǎo)老師：趙鴻圖日期:2014/1/7DSP技術(shù)在現(xiàn)代移動(dòng)通信領(lǐng)域的應(yīng)用摘要：隨著計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的不斷進(jìn)步，DSP技術(shù)的快速發(fā)展在高速數(shù)據(jù)傳輸處理等領(lǐng)域有著廣泛地應(yīng)用?？梢暬臒o(wú)線通信技術(shù)能夠給用戶帶來(lái)更多的信息和更直觀的通信體驗(yàn)，無(wú)線通信的發(fā)展趨勢(shì)更多呈現(xiàn)出的可視化通信和視頻通信，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)作為當(dāng)代數(shù)字通信的核心技術(shù)，其高效快速的數(shù)據(jù)處理運(yùn)算能力必將推動(dòng)了現(xiàn)代移動(dòng)通信技術(shù)的飛速發(fā)展。DSP芯片本身的適用性使它完全切合移動(dòng)通信的需要，解決了2G時(shí)代的技術(shù)瓶頸，在3G時(shí)代將有著

2、廣闊的應(yīng)用前景關(guān)鍵字:DSP技術(shù)；圖像處理；移動(dòng)通信技術(shù); 3G前言：現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，設(shè)計(jì)手段的不斷更新,DSP的應(yīng)用領(lǐng)城特別是在通信領(lǐng)域的應(yīng)用不斷擴(kuò)大?，F(xiàn)代通信技術(shù)正朝著數(shù)字化、綜合化、智能化、寬帶化和個(gè)人化方向發(fā)展，現(xiàn)代通信技術(shù)也越來(lái)越體現(xiàn)出綜合性，與電子、計(jì)算機(jī)、信號(hào)處理、智能處理和控制等相關(guān)學(xué)科的聯(lián)系越來(lái)越緊密，DSP強(qiáng)大的處理功能必將在通信系統(tǒng)中發(fā)揮關(guān)鍵的作用，并對(duì)現(xiàn)代通信業(yè)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。1 DSP技術(shù)應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)1.1 DSP技術(shù)應(yīng)用簡(jiǎn)述DSP是一門涉及許多學(xué)科應(yīng)用于許多領(lǐng)域的新興學(xué)科。DSP通過數(shù)學(xué)技巧來(lái)執(zhí)行轉(zhuǎn)換或提取信息，用數(shù)字序列來(lái)表示信號(hào)，

3、進(jìn)而實(shí)現(xiàn)處理現(xiàn)實(shí)信號(hào)的方法。近些年隨著計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的快速發(fā)展，DSP技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，由原本的理論體系到產(chǎn)品應(yīng)用，DSP器件產(chǎn)品已經(jīng)走進(jìn)我們的生活并帶來(lái)巨大的影響，并隨著技術(shù)的提高，成本的降低，使得其在語(yǔ)音處理，海量?jī)?chǔ)存，汽車電子，數(shù)據(jù)通信等方面得到廣泛的應(yīng)用。且在民用的醫(yī)學(xué)、通信和多媒體信息等傳統(tǒng)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛外，還涉及到軍事方面，如保密通信、雷達(dá)處理、聲納處理、全球定位、調(diào)頻電臺(tái)等；在自動(dòng)控制領(lǐng)域，DSP用于控制、深空作業(yè)、自動(dòng)駕駛、機(jī)器人控制、磁盤控制等；在儀器儀表方面，DSP用于頻譜分析，函數(shù)發(fā)生、數(shù)據(jù)采集、地震處理等。DSP憑借其強(qiáng)大的功能，優(yōu)良的特性應(yīng)用于當(dāng)今社會(huì)的許多方面，作為數(shù)字

4、化技術(shù)的基石，它還將在將來(lái)充當(dāng)更為重要的角色。1.2 DSP技術(shù)的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)DSP技術(shù)廣泛應(yīng)用到當(dāng)今眾多行業(yè)歸功于其超長(zhǎng)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和高速運(yùn)行速度；較高的品質(zhì)和抗干擾性能，增加了DSP芯片在各種苛刻環(huán)境下的應(yīng)用，保證系統(tǒng)高可靠性運(yùn)行；DSP可實(shí)現(xiàn)模擬處理不能實(shí)現(xiàn)的功能，如線性相位、多抽樣處理、級(jí)聯(lián)等；可以時(shí)分復(fù)用，共享處理器；DSP方便調(diào)整處理器的系數(shù)實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)濾波等；同時(shí)，DSP芯片還具備較高的性能/價(jià)格比、性能/功耗比、性能/面積比。這些無(wú)疑都支撐DSP成為數(shù)字化核心，促使DSP不斷的得到發(fā)展和應(yīng)用。1.3 DSP技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)隨著DSP技術(shù)被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，其主要的

5、發(fā)展趨勢(shì)可以歸結(jié)如下：（1）實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的集成，也就是將以往的多個(gè)DSP芯核、MPU芯核或存儲(chǔ)單元等，集成在同一個(gè)芯片上，實(shí)現(xiàn)集成電路；（2）對(duì)DSP的內(nèi)核結(jié)構(gòu)進(jìn)行完善，以便能夠?qū)崿F(xiàn)單指令多重?cái)?shù)據(jù)、超流水結(jié)構(gòu)以及多處理等功能；（3）提高運(yùn)算速度和縮減功耗和相應(yīng)的幾何結(jié)構(gòu)尺寸；（4）就未來(lái)而言，主流應(yīng)該是定點(diǎn)DSP，與浮點(diǎn)DSP相比較而言，定點(diǎn)DSP器件需要的成本較低，并且其對(duì)于存儲(chǔ)器的要求也較低，實(shí)際工作中耗能較少。（5）如果能夠?qū)崿F(xiàn)與可編程器件的結(jié)合就更好了，以便實(shí)現(xiàn)高速實(shí)時(shí)處理功能，用于滿足無(wú)線通信、多媒體等領(lǐng)域多功能和高性能的要求。2 現(xiàn)代移動(dòng)通信技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r及趨勢(shì)2.1 移動(dòng)通信技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)

6、述對(duì)于第一代、第二代無(wú)線通信技術(shù)，3G通信系統(tǒng)的發(fā)展給用戶帶來(lái)了前所未有的體驗(yàn)，也給用戶帶來(lái)了豐富的應(yīng)用，但3G通信系統(tǒng)的無(wú)線傳輸模式CDMA模式的傳輸速率和數(shù)據(jù)格式的限制制約了無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，尤其是可視化的無(wú)線通信技術(shù)能夠給用戶帶來(lái)更多的信息和更直觀的通信體驗(yàn)，因此未來(lái)的無(wú)線通信的發(fā)展趨勢(shì)更多呈現(xiàn)出的可視化通信和視頻通信，顯然目前的3G通信技術(shù)不能滿足未來(lái)無(wú)線通信發(fā)展的需求。2.2 現(xiàn)代移動(dòng)通信技術(shù)特點(diǎn)第四代移動(dòng)通信技術(shù)，即4G技術(shù)是對(duì)當(dāng)前3G技術(shù)的一次全新的革新和發(fā)展，它融合了3G通信技術(shù)的諸多優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)提供了更為高速的信息傳輸速度，為用戶的多媒體業(yè)務(wù)和可視化通信提供了可能，同時(shí)4G無(wú)

7、線通信技術(shù)有更好的安全性和保密性，通話質(zhì)量更高，移動(dòng)通信應(yīng)用更加多元化。4G移動(dòng)通信技術(shù)的高速信息傳輸率和高抗干擾能力、更好的兼容性將為用戶提供更好的移動(dòng)通信體驗(yàn)。它能夠提供更加高速和穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸速率，因此能夠通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)傳輸視頻圖像和高清晰度的電視數(shù)據(jù)等成為可能，第四代移動(dòng)通信技術(shù)能夠給用戶完美的網(wǎng)絡(luò)下載和網(wǎng)絡(luò)傳輸體驗(yàn)，用戶對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)乃俣群头?wù)要求都能夠滿足。移動(dòng)通信技術(shù)作為網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的重要組成部分，更高的網(wǎng)絡(luò)傳輸速度和更科學(xué)、人性化的智能升級(jí)系統(tǒng)已成為未來(lái)移動(dòng)通信技術(shù)發(fā)展的主流和趨勢(shì)。2.3 未來(lái)移動(dòng)通信的技術(shù)要求隨著DSP芯片技術(shù)、VLSI器件的發(fā)展, TCM技術(shù)、軟判決技術(shù)、

8、信道自適應(yīng)技術(shù)等的出現(xiàn), OFDM 技術(shù)開始從理論向?qū)嶋H應(yīng)用轉(zhuǎn)化，由于其自身具有的抗多徑干擾、抗窄帶干擾、頻譜利用率高等優(yōu)越性,，OFDM正越來(lái)越被關(guān)注，在移動(dòng)通信領(lǐng)域，OFDM與CDMA的結(jié)合與優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，可抑制由多徑衰落信道所引起的ICI，并且利用FFT收發(fā)信號(hào)僅占用密度極小的載頻空間，頻譜效率較高，同時(shí)還可將多載波調(diào)制與預(yù)去技術(shù)相結(jié)合，這樣就可在接收設(shè)備復(fù)雜度不變及消除ICI的情況下，實(shí)現(xiàn)正交信號(hào)的高速率傳輸。OFDM的應(yīng)用潛力是巨大的，但還有許多問題需要解決，只有對(duì)OFDM進(jìn)行深入的研究，很好的克服OFDM自身的缺陷，才能使OFDM技術(shù)在未來(lái)第四代移動(dòng)通信等諸多領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。3 D

9、SP技術(shù)在移動(dòng)通信領(lǐng)域的應(yīng)用3.1 多核DSP技術(shù)在現(xiàn)代移動(dòng)通信的應(yīng)用基于4G網(wǎng)絡(luò)的高速數(shù)據(jù)傳輸效率，未來(lái)的移動(dòng)通信中可視化、多媒體化將成為趨勢(shì)，對(duì)海量圖像語(yǔ)音信息的快速高效處理運(yùn)算也將顯得尤為重要，DSP作為一種適用于密集型數(shù)據(jù)運(yùn)算與實(shí)時(shí)信號(hào)處理的微處理器已成為具備高性能運(yùn)算速度和高密集數(shù)據(jù)處理能力的實(shí)時(shí)圖像處理平臺(tái)的重要角色。因此一直以來(lái)，在眾多行業(yè)的許多信號(hào)處理系統(tǒng)中都采用以DSP為核心處理芯片，并通過不斷提高DSP工作頻率來(lái)獲得更快的處理速度。然而隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，受到了芯片面積的制約，單芯片上集成晶體管的數(shù)量，也將受到限制的增加。特別是隨著工作主頻的提高，進(jìn)而產(chǎn)生了難于解決的功

10、耗和散熱問題，這也會(huì)使得芯片器件生產(chǎn)成本大幅度的增加。多核DSP是通過將多個(gè)DSP內(nèi)核集成到單一芯片上來(lái)提升芯片整體性能的。多個(gè)DSP內(nèi)核作為一個(gè)整體，向外界提供服務(wù)，整體芯片可獲得成倍的工作頻率。而功耗和成本，則比離散個(gè)數(shù)的單核DSP降低了一半以上。因此，多核DSP的體系架構(gòu)和解決方案，順利解決處理性能和功耗問題，使多核DSP成為提高DSP性能的有效方法和高性能 DSP 發(fā)展的一個(gè)重要方向。圖像實(shí)時(shí)處理指的是，系統(tǒng)必須在有限的時(shí)間內(nèi)對(duì)外部輸入的圖像數(shù)據(jù)完成指定的處理。即圖像處理的速度必須大于或等于輸入圖像數(shù)據(jù)的更新速度。而且從圖像輸入到處理后輸出的延時(shí)必須足夠小。設(shè)計(jì)根據(jù)實(shí)時(shí)性的指導(dǎo)思想，通

11、過分析光電成像跟蹤測(cè)量系統(tǒng)上圖像數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性要求，作為實(shí)時(shí)圖像處理平臺(tái)的設(shè)計(jì)依據(jù)。以平臺(tái)進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)過程中，具有典型意義且頻繁使用的均值濾波運(yùn)算方法進(jìn)行計(jì)算量分析和存儲(chǔ)量分析為例，來(lái)說(shuō)明圖像處理算法的計(jì)算量和存儲(chǔ)量對(duì)平臺(tái)有著直接的要求。3.2 基于多核DSP技術(shù)的實(shí)時(shí)圖像處理模塊基于多核DSP的實(shí)時(shí)圖像處理模塊作為實(shí)時(shí)圖像處理平臺(tái)的組成單元。單一的多核DSP實(shí)時(shí)圖像處理模塊應(yīng)該即可作為獨(dú)立完成處理任務(wù)的個(gè)體，也可由多塊實(shí)時(shí)圖像處理模塊組合成實(shí)時(shí)圖像處理平臺(tái)，由多塊實(shí)時(shí)圖像處理模塊協(xié)同完成處理任務(wù)。設(shè)計(jì)采用多內(nèi)核DSP處理器可以帶來(lái)諸多好處。首先，多核DSP處理器可取代多片獨(dú)立DSP處理器和

12、一片系統(tǒng)控制器，并且還體現(xiàn)出比較強(qiáng)的低功率優(yōu)勢(shì)。因此大大縮減 PCB 面積和整體功耗。其次，多個(gè) DSP 內(nèi)核之間的存儲(chǔ)資源共享方式，可以進(jìn)行無(wú)縫數(shù)據(jù)訪問操作，存儲(chǔ)器帶寬得到了擴(kuò)展，并降低了訪問延遲。第三、DSP內(nèi)核與外部FPGA之間可通過SRIO高速串行傳輸通道來(lái)交換數(shù)據(jù)信息，而非低速的EMIFA接口總線。第四、多DSP內(nèi)核架構(gòu)可使多個(gè)內(nèi)核保持高度的緩存一致性，因?yàn)槟骋粌?nèi)核可將其緩存中的最新數(shù)據(jù)直接快速拷貝到另一內(nèi)核中，而無(wú)需通過存儲(chǔ)器。圖像處理平臺(tái)技術(shù)很大程度上依賴于 DSP 技術(shù)的發(fā)展。圖像處理的計(jì)算需求一般較高，且因應(yīng)用背景需求不同，圖像處理平臺(tái)又呈現(xiàn)出不同的體系架構(gòu)和功能特點(diǎn)。因此圖

13、像處理平臺(tái)應(yīng)需具備高計(jì)算性能、實(shí)時(shí)性、適應(yīng)性和可靠性。3.3 DSP技術(shù)在2G時(shí)代的應(yīng)用DSP技術(shù)在2G時(shí)代就已經(jīng)開始應(yīng)用，最典型的就是以DSP芯片作為蜂窩電話的核心。我們知道，所有第二代（2G）數(shù)字蜂窩電話都是基于雙處理器體系結(jié)構(gòu)的；即包含一個(gè)數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）和一個(gè)簡(jiǎn)單指令集計(jì)算機(jī)（RISC）微控制器（MCU）。其中，DSP用來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)制解調(diào)器和通信協(xié)議棧中物理層協(xié)議的功能；而MCU則用來(lái)支持用戶操作界面，并實(shí)現(xiàn)通信協(xié)議棧中上層協(xié)議的各項(xiàng)功能。 在已有的2G手機(jī)市場(chǎng)中， DSP芯片以TI公司生產(chǎn)的TMS320C54X系列為主，65%的蜂窩電話采用了這類芯片。在不同的多址模式中

14、，DSP芯片可負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)不同的功能：在時(shí)分多址（TDMA）模式手機(jī)中，DSP芯片負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流的調(diào)制解調(diào)，利用編解碼實(shí)現(xiàn)傳輸誤碼糾正并維持通信鏈路的穩(wěn)定性，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密、解密以保證通信的安全性，對(duì)話音數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮和解壓縮。在碼分多址（CDMA）模式手機(jī)中，DSP芯片負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)符號(hào)級(jí)功能，如前向糾錯(cuò)、加密或語(yǔ)音壓縮和解壓縮。與此同時(shí)，DSP芯片還可以負(fù)責(zé)控制ASIC硬件；其中，后者負(fù)責(zé)對(duì)擴(kuò)頻信號(hào)進(jìn)行調(diào)制解調(diào)及后處理。在早期的2G手機(jī)中，這些功能可以由TMS320C54X系列DSP芯片實(shí)現(xiàn)，其時(shí)鐘工作頻率大約為40MHz。數(shù)字技術(shù)的一大優(yōu)點(diǎn)，就是可以支持多種數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)。然而，由于受到帶寬的制約，2

15、G移動(dòng)電話只能為用戶提供幾種相對(duì)簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)。在大多數(shù)數(shù)字移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)中，最高的數(shù)據(jù)傳輸速率僅為9.6至14.4千比特每秒（Kbps）。盡管，如此低速率的數(shù)據(jù)傳輸能力已經(jīng)可以滿足最基本的數(shù)據(jù)應(yīng)用的要求，如：瀏覽股票報(bào)價(jià)等；但是，為了實(shí)現(xiàn)包括互聯(lián)網(wǎng)接入在內(nèi)的高級(jí)業(yè)務(wù)，就必須提供更高速率的數(shù)據(jù)傳輸能力。這就是2G移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)向2.5G和3G移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)變的根本動(dòng)力。3.4  第三代移動(dòng)通信技術(shù)對(duì)芯片的要求 第三代移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)有兩個(gè)主要目標(biāo)：一是實(shí)現(xiàn)多媒體、寬帶化、智能化和高質(zhì)量的全球通信；二是規(guī)范尋呼、無(wú)繩、蜂窩和低軌道衛(wèi)星在內(nèi)的多種標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)一"空中接口"。I

16、MT-2000將寬帶CDMA視為優(yōu)先考慮的方案，但在頻分模式的選擇上，歐洲建議由GSM向上過渡；北美建議由CDMA向上發(fā)展，日本力求與歐洲靠近。因此，對(duì)第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)提出了一系列要求：頻譜利用率高、可提供全球無(wú)縫覆蓋和漫游、可提供多種的業(yè)務(wù)、多種移動(dòng)通信的融合、各種運(yùn)行環(huán)境、系統(tǒng)的起始配置小而簡(jiǎn)單等。而這些要求對(duì)芯片的要求也變得更高，最典型的要求就是適用芯片應(yīng)具有卓越的運(yùn)行與處理能力，以及更高的兼容性。3.5 DSP在3G通信中的適用性DSP技術(shù)是隨著時(shí)代的進(jìn)步迅速發(fā)展的，目前DSP領(lǐng)域出現(xiàn)了片內(nèi)集成多個(gè)處理器的新型DSP芯片，其結(jié)構(gòu)是將一個(gè)通用的CPU核與一個(gè)或多個(gè)專用的DSP并行單元集

17、成在同一芯片上。這種集成度的提高極大地提高了并行算法的效率，從而可以有效地利用信號(hào)處理帶寬，達(dá)到以往需要多處理手段或?qū)崿F(xiàn)專門功能的ASIC芯片才能實(shí)現(xiàn)的各項(xiàng)功能。目前先進(jìn)的可編程DSP大約可提供數(shù)百到上千MOPS的運(yùn)算速度。實(shí)時(shí)軟件無(wú)線電系統(tǒng)中基帶以下部分完全可由DSP實(shí)現(xiàn)。 因此，以DSP為核心的軟件無(wú)線電系統(tǒng)對(duì)3G通信具有極大的適用性，例如：方便的可量測(cè)性、單個(gè)信道的低耗費(fèi)、簡(jiǎn)便的軟硬件升級(jí)性、用于任何無(wú)線協(xié)議的單一結(jié)構(gòu)等等。4 結(jié)語(yǔ) 結(jié)合DSP技術(shù)發(fā)展的最新成果，利用多核DSP超強(qiáng)的計(jì)算性能和無(wú)以擬比的低功耗優(yōu)勢(shì)。設(shè)計(jì)的基于FPGA+多核DSP的實(shí)時(shí)圖像處理模塊在當(dāng)今乃至未來(lái)的移動(dòng)通信、多媒體信息傳輸處理中有著卓越的優(yōu)勢(shì)。隨著DSP技術(shù)的飛速發(fā)展必將推動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展完善。在未來(lái)DSP的內(nèi)核結(jié)構(gòu)進(jìn)一步改善，并進(jìn)一步針對(duì)應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，多通道結(jié)構(gòu)和單指令多重?cái)?shù)據(jù)，超長(zhǎng)指令結(jié)構(gòu)、超流水結(jié)構(gòu)、多處理、多線程及可并行擴(kuò)展的超級(jí)哈佛結(jié)構(gòu)將占據(jù)新高性能處理器，這也必將繼續(xù)豐富多媒體信息和移動(dòng)通信信息傳輸?shù)亩鄻踊Ｎ磥?lái)的移動(dòng)通信將越來(lái)越依賴于DSP技術(shù) 。 考參文獻(xiàn)：1朱春琴，吳秀云.淺談DSP技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展趨勢(shì)分析J.產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2013(12):122 - 123.2晏菁.淺談DSP技術(shù)及相關(guān)應(yīng)用J.兩化融