數(shù)字信號處理

1、 數(shù)字信號處理 結(jié)業(yè)論文題 目： DSP技術(shù)在移動通信領(lǐng)域的應(yīng)用專 業(yè)： 電氣工程及其自動化班 級： 學(xué) 號： 姓 名： 日 期： 2014.12.15 DSP技術(shù)在移動通信領(lǐng)域的應(yīng)用摘要：隨著計算機和信息技術(shù)的不斷進步，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線通信技術(shù)能夠給用戶帶來更多的信息和更直觀的通信體驗，無線通信的發(fā)展趨勢更多呈現(xiàn)出的可視化通信和視頻通信，數(shù)字信號處理技術(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)處理運算能力必將推動了現(xiàn)代移動通信技術(shù)的飛速發(fā)展。關(guān)鍵字:DSP技術(shù)；圖像處理；移動通信技術(shù)Application of DSP techno

2、logy in modern mobile communication fieldAbstract: along with the advance of computer and information technology, the rapid development of DSP technology in high-speed data transmission, processing, and other fields has been widely used. Visualization of the wireless communication technology to prov

3、ide users with more information and more intuitive communication experience, the development trend of wireless communication more presents a visual communication and video communication, digital signal processing technology as the core of modern digital communication technology, the efficient and fa

4、st data processing capacity will promote the rapid development of modern mobile communications technology.Key words: DSP technology; Image processing; The mobile communication technology前言：現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)和計算機技術(shù)的快速發(fā)展， 設(shè)計手段的不斷更新,DSP的應(yīng)用領(lǐng)城特別是在通信領(lǐng)域的應(yīng)用不斷擴大。 現(xiàn)代通信技術(shù)正朝著數(shù)字化、綜合化、智能化、寬帶化和個人化方向發(fā)展，現(xiàn)代通信技術(shù)也越來越體現(xiàn)出綜合性， 與

5、電子、計算機、信號處理、智能處理和控制等相關(guān)學(xué)科的聯(lián)系越來越緊密，DSP強大的處理功能必將在通信系統(tǒng)中發(fā)揮關(guān)鍵的作用，并對現(xiàn)代通信業(yè)產(chǎn)生深遠的影響。數(shù)字信號處理的應(yīng)用數(shù)字信號處理（DigitalSignalProcessing，簡稱DSP）是一門涉及許多科學(xué)而又廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域的新興科學(xué)，DSP有兩種含義：數(shù)字信號處理，數(shù)字信號處理器。我們常說的DSP值的是數(shù)字信號處理器。數(shù)字信號處理器是一種適合完成數(shù)字信號處理運用的處理器。20世紀(jì)60年代以來，隨著計算機和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字信號處理技術(shù)應(yīng)運而生并且得到迅速發(fā)展。在過去的二十多年的時間里，數(shù)字信號處理已經(jīng)在通信等領(lǐng)域得到極為廣泛的應(yīng)用

6、。 數(shù)字型號處理是利用計算機或?qū)Ｓ糜嬎銠C或?qū)Ｓ锰幚碓O(shè)備，以數(shù)據(jù)形式對信號進行采集，變換，濾波，估值，增強，壓縮，識別等處理，以得到符合人們需要的信號形式。數(shù)字信號處理是以眾多科學(xué)為理論基礎(chǔ)的，他所涉及的范圍及其廣泛。例如，在數(shù)學(xué)領(lǐng)域，微積分，概論統(tǒng)計，隨機過程，數(shù)值分析等都是數(shù)字信號處理的基本工具，于網(wǎng)絡(luò)理論，信號與系統(tǒng)，控制論，通信理論，故障診斷等也密切相關(guān)。近來新興的一些科學(xué)，如人工智能，模式識別，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，都與數(shù)字信號處理密不可分。可以說數(shù)字信號處理是把許多經(jīng)典的理論體系作為自己的理論基礎(chǔ)，同時又使自己成為一系列新興科學(xué)的理論基礎(chǔ)。 DSP主要應(yīng)用在數(shù)字信號處理中，目的是為了能滿足實時

7、信號處理的要求，因此需要將數(shù)字信號處理中得常有運用執(zhí)行的盡可能快，這久決定龍DSP的特點和關(guān)鍵技術(shù)。適合數(shù)字信號的關(guān)鍵技術(shù)：DSP包含乘法器，累加器，特殊地址產(chǎn)生器，領(lǐng)開銷循環(huán)等；提高處理速度的關(guān)鍵技術(shù)：流水線技術(shù)，并行處理技術(shù)，超常指令，超標(biāo)量技術(shù)，DMA等。從廣義上講，DSP，微處理器和微控制器（單片機）等都屬于處理器，可以說DSP是一種cpu。DSP是數(shù)據(jù)和地址空間分開的哈佛結(jié)構(gòu)。 DSP技術(shù)應(yīng)用到我們的生活的每一個角落，從軍用到民用，從航空航天到生產(chǎn)生活，都越來越多地使用DSP.DSP技術(shù)在航空方面，主要用于雷達和聲納信號處理；在通信方面，主要用于移動電話，IP電話，ADSL和HFC的

8、信號傳輸；在控制方面，主要用于電機控制，光驅(qū)和硬盤驅(qū)動器；在測試/測量方面，主要用于虛擬儀器，自動測試系統(tǒng)，醫(yī)療診斷等；在電子娛樂方面，主要用于高清晰度電視，機頂盒，AC_3，家庭影院，DVD等應(yīng)用；還有數(shù)字相機，網(wǎng)絡(luò)相機等等都應(yīng)用了SP技術(shù)。同時，SOC芯片系統(tǒng)，無線應(yīng)用，嵌入式DSP都是未來DSP的發(fā)展方向和趨勢。可以說，沒有DSP就沒有對互聯(lián)網(wǎng)的訪問，也不會有多媒體，也沒有無線通信。因此DSP仍將是整個半導(dǎo)體工業(yè)的技術(shù)驅(qū)動力?，F(xiàn)在，DSP應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬，其涵蓋面包括寬帶Internet接入業(yè)務(wù)，下一代無線通信系統(tǒng)的發(fā)展，數(shù)字消費電子市場，汽車電子市場的發(fā)展等諸多多方面?，F(xiàn)代數(shù)字信號處理

9、器是執(zhí)行高速數(shù)字信號系統(tǒng)的IC電路，它恰好適合多媒體信息化社會需求，迅速發(fā)展壯大。如今，世界電子器件市場上，各種各樣的DSP器件已相當(dāng)豐富。大大小小封裝形式的DSP器件，已廣泛用于各種產(chǎn)品的生產(chǎn)領(lǐng)域，而且DSP的應(yīng)用領(lǐng)域仍在不斷的擴大，發(fā)展速度異常。以DSP芯片為核心構(gòu)造的數(shù)字信號處理系統(tǒng)，可集數(shù)據(jù)采集，傳輸，存儲和高速實時處理為一體，能充分體現(xiàn)數(shù)字信號處理系統(tǒng)的優(yōu)越性，能很好地滿足載人航天領(lǐng)域設(shè)備測量精度，可靠性，信道帶寬，功耗，工作電壓和重量等方面的要求。目前，DSP芯片正在向高性能，高集成化及低成本的方向發(fā)展，各種各類通用及專用的新型DSP芯片在不斷推出，應(yīng)用技術(shù)和開發(fā)手段在不斷完善。這

10、樣為實時數(shù)字信號處理的應(yīng)用尤其是再載人航天領(lǐng)域中得應(yīng)用提供了更為廣闊的空間。我們有理由相信，DSP芯片進一步的發(fā)展和應(yīng)用將會對載人航天信號處理領(lǐng)域產(chǎn)生深遠的影響。DSP主要應(yīng)用市場為3C領(lǐng)域，合占整個市場需求的90%。數(shù)字蜂窩電話是DSP最為重要的應(yīng)用領(lǐng)域之一。由于DSP具有強大的計算能力，使得移動通信的蜂窩電話重新崛起，并創(chuàng)造了一批諸如GSM、CDMA等全數(shù)字蜂窩電話網(wǎng)。在Modem器件中，DSP更是成效卓著，不僅大幅度提高了傳輸速率，且具有接收動態(tài)圖像能力。另外，可編程多媒體DSP是PC領(lǐng)域的主流產(chǎn)品。以XDSLModem為代表的高速通信技術(shù)與MPEG圖像技術(shù)相結(jié)合，使得高品位的音頻和視頻

11、形式的計算機數(shù)據(jù)有可能實現(xiàn)實時交換。目前的硬盤空間相當(dāng)大，這主要得益于CDSP（可定制DSP）的巨大作用。預(yù)計在今后的PC機中，一個DSP即可完成全部所需的多媒體處理功能。DSP也是消費類電子產(chǎn)品中的關(guān)鍵器件。由于DSP的廣泛應(yīng)用，數(shù)字音響設(shè)備的更新?lián)Q代周期變得非常短暫。用于圖像處理的DSP，一種用于JPEG標(biāo)準(zhǔn)的靜態(tài)圖像數(shù)據(jù)處理；另一種用于動態(tài)圖像數(shù)據(jù)處理。數(shù)字化移動電話盡管花樣繁雜，但基本上可劃為兩大類：高速移動電話和低速移動電話。其中，高速移動電話顧名思義是在高速移動體里使用的電話，諸如可在飛機、輪船和汽車等里自由通話的電話。雖然數(shù)字化高速移動通過標(biāo)準(zhǔn)很多，但當(dāng)今普遍應(yīng)用的是歐洲GSM標(biāo)

12、準(zhǔn)。自從推出數(shù)字化蜂窩式電話機以來，現(xiàn)已遍布全球70多個國家廣泛應(yīng)用。俗稱GSM標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字化蜂窩電話，叫做數(shù)字化大哥大，它具備國際漫游功能，SIMC給用戶帶來使用大哥大的方便?，F(xiàn)正在擴展數(shù)據(jù)通信服務(wù)能力以及它與ISDN系統(tǒng)兼容性，例如，英國BT公司的Cellnet部已經(jīng)利用GSM提供數(shù)字化數(shù)據(jù)和傳真服務(wù)，于是東芝筆記本電腦也安上了數(shù)字化的大哥大。所謂低速移動電話，當(dāng)然在高速移動體里完全不能應(yīng)用，然而在步行速度下卻很好用，價格遠比數(shù)字化大哥大便宜，因此稱為窮人的大哥大。低速移動電話就其實質(zhì)而論。它是數(shù)字化無繩電話，仍然保持模擬式無繩電話的子母式結(jié)構(gòu)：子機亦稱為手機，可以距母機為百米左右半徑內(nèi)的空

13、間里自由步行移動情況下實現(xiàn)通過話；母機也稱為基地站，可作為家庭里的留守電話，也可懸掛在商店的墻壁上，街道的電線柱上，廣為分布。由統(tǒng)一的交換設(shè)施進行管理，實現(xiàn)無縫交遞功能。這類低速移動電話式標(biāo)準(zhǔn)很多。例如，歐洲較為普遍應(yīng)用的DECI，日本、南韓東南亞應(yīng)用的以及Philips和我國聯(lián)合開發(fā)的DCCT。其中，尤以PHS和DECT制式低速移動電話發(fā)展較快，我國的DCCT由于缺乏關(guān)鍵性的DSP技術(shù)仍處于設(shè)計階段。數(shù)字化移動電話（包括高速和低速）的每個手機，都要用至少1個DSP器，因此，高速發(fā)展的數(shù)字化移動電話急需極為大量的DSP器件。而無論哪方面的應(yīng)用，首先須經(jīng)過信息的獲取或數(shù)據(jù)的采集過程得到所需的原始

14、信號，如果原始信號是連續(xù)信號，還須經(jīng)過抽樣過程使之成為離散信號，再經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換得到能為數(shù)字計算機或處理器所接受的二進制數(shù)字信號。如果所收集到的數(shù)據(jù)已是離散數(shù)據(jù)，則只須經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換即可得到二進制數(shù)碼。數(shù)字信號處理器的功能是將從原始信號抽樣轉(zhuǎn)換得來的數(shù)字信號按照一定的要求，例如濾波的要求，加以適當(dāng)?shù)奶幚?，即得到所需的?shù)字輸出信號。經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換先將數(shù)字輸出信號轉(zhuǎn)換為離散信號，再經(jīng)過保持電路將離散信號連接起來成為模擬輸出信號，這樣的處理系統(tǒng)適用于各種數(shù)字信號處理的應(yīng)用，只不過專用處理器或所用軟件有所不同而已。以下是本文對數(shù)字信號處理的主要研究領(lǐng)域：DSP技術(shù)在移動通信領(lǐng)域的應(yīng)用1 DSP技術(shù)應(yīng)用及發(fā)展

15、趨勢 1.1 DSP技術(shù)應(yīng)用簡述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)技巧來執(zhí)行轉(zhuǎn)換或提取信息，用數(shù)字序列來表示信號，進而實現(xiàn)處理現(xiàn)實信號的方法。近些年隨著計算機和信息技術(shù)的快速發(fā)展，DSP技術(shù)應(yīng)運而生，由原本的理論體系到產(chǎn)品應(yīng)用，DSP器件產(chǎn)品已經(jīng)走進我們的生活并帶來巨大的影響，并隨著技術(shù)的提高，成本的降低，使得其在語音處理，海量儲存，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、雷達處理、聲納處理、全球定位、調(diào)頻電臺等；在自動控制領(lǐng)域，DSP用于控制、深空作業(yè)、自動駕駛、機器人控制、磁盤

16、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憑借其強大的功能，優(yōu)良的特性應(yīng)用于當(dāng)今社會的許多方面，作為數(shù)字化技術(shù)的基石，它還將在將來充當(dāng)更為重要的角色。1.2 DSP技術(shù)的特點及優(yōu)勢DSP技術(shù)廣泛應(yīng)用到當(dāng)今眾多行業(yè)歸功于其超長的特點和優(yōu)勢。強大的數(shù)據(jù)處理能力和高速運行速度；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)高可靠性運行；DSP可實現(xiàn)模擬處理不能實現(xiàn)的功能，如線性相位、多抽樣處理、級聯(lián)等；可以時分復(fù)用，共享處理器；DSP方便調(diào)整處理器的系數(shù)實現(xiàn)自適應(yīng)濾波等；同時，DSP芯片還具備較高的性能/價格比、性能/功耗比、性能/

17、面積比。這些無疑都支撐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)展趨勢隨著DSP技術(shù)被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，其主要的發(fā)展趨勢可以歸結(jié)如下：（1）實現(xiàn)系統(tǒng)的集成，也就是將以往的多個DSP芯核、MPU芯核或存儲單元等，集成在同一個芯片上，實現(xiàn)集成電路；（2）對DSP的內(nèi)核結(jié)構(gòu)進行完善，以便能夠?qū)崿F(xiàn)單指令多重數(shù)據(jù)、超流水結(jié)構(gòu)以及多處理等功能；（3）提高運算速度和縮減功耗和相應(yīng)的幾何結(jié)構(gòu)尺寸；（4）就未來而言，主流應(yīng)該是定點DSP，與浮點DSP相比較而言，定點DSP器件需要的成本較低，并且其對于存儲器的要求也較低，實際工作中耗能較少。（5）如果能夠?qū)崿F(xiàn)與可編程器件的結(jié)合就

18、更好了，以便實現(xiàn)高速實時處理功能，用于滿足無線通信、多媒體等領(lǐng)域多功能和高性能的要求。2 現(xiàn)代移動通信技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r及趨勢2.1 移動通信技術(shù)發(fā)展簡述對于第一代、第二代無線通信技術(shù)，3G通信系統(tǒng)的發(fā)展給用戶帶來了前所未有的體驗，也給用戶帶來了豐富的應(yīng)用，但3G通信系統(tǒng)的無線傳輸模式CDMA模式的傳輸速率和數(shù)據(jù)格式的限制制約了無線通信技術(shù)的發(fā)展，尤其是可視化的無線通信技術(shù)能夠給用戶帶來更多的信息和更直觀的通信體驗，因此未來的無線通信的發(fā)展趨勢更多呈現(xiàn)出的可視化通信和視頻通信，顯然目前的3G通信技術(shù)不能滿足未來無線通信發(fā)展的需求。2.2 現(xiàn)代移動通信技術(shù)特點第四代移動通信技術(shù)，即4G技術(shù)是對當(dāng)前3G

19、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，同時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4G無線通信技術(shù)有更好的安全性和保密性，通話質(zhì)量更高，移動通信應(yīng)用更加多元化。4G移動通信技術(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通信體驗。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，用戶對無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)乃俣群头?wù)要求都能夠滿足。移動通信技術(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

20、能升級系統(tǒng)已成為未來移動通信技術(shù)發(fā)展的主流和趨勢。2.3 未來移動通信的技術(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)、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正越來越被關(guān)注，在移動通信領(lǐng)域，OFDM與CDMA的結(jié)合與優(yōu)勢互補，可抑制由多徑衰落信道所引起的ICI，并且利用FFT收發(fā)信號僅占用密度極小的載頻空間，頻譜效率較高，同時還可將多載波調(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，實現(xiàn)正交信號的高速率傳輸。OFDM的應(yīng)用潛力是巨大的，但還有許

21、多問題需要解決，只有對OFDM進行深入的研究， 很好的克服OFDM自身的缺陷，才能使OFDM技術(shù)在未來第四代移動通信等諸多領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。3 DSP技術(shù)在移動通信領(lǐng)域的應(yīng)用3.1 多核DSP技術(shù)在現(xiàn)代移動通信的應(yīng)用 基于4G網(wǎng)絡(luò)的高速數(shù)據(jù)傳輸效率，未來的移動通信中可視化、多媒體化將成為趨勢，對海量圖像語音信息的快速高效處理運算也將顯得尤為重要，DSP作為一種適用于密集型數(shù)據(jù)運算與實時信號處理的微處理器已成為具備高性能運算速度和高密集數(shù)據(jù)處理能力的實時圖像處理平臺的重要角色。因此一直以來，在眾多行業(yè)的許多信號處理系統(tǒng)中都采用以DSP為核心處理芯片，并通過不斷提高DSP工作頻率來獲得更快的處理

22、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，進而產(chǎn)生了難于解決的功耗和散熱問題，這也會使得芯片器件生產(chǎn)成本大幅度的增加。多核DSP是通過將多個DSP內(nèi)核集成到單一芯片上來提升芯片整體性能的。多個DSP內(nèi)核作為一個整體，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)展的一個重要方向。 圖像實時處理指的是，系統(tǒng)必須在有限的時間內(nèi)對外部輸入

23、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必須足夠小。設(shè)計根據(jù)實時性的指導(dǎo)思想，通過分析光電成像跟蹤測量系統(tǒng)上圖像數(shù)據(jù)處理的實時性要求，作為實時圖像處理平臺的設(shè)計依據(jù)。以平臺進行目標(biāo)檢測過程中，具有典型意義且頻繁使用的均值濾波運算方法進行計算量分析和存儲量分析為例，來說明圖像處理算法的計算量和存儲量對平臺有著直接的要求。3.2 基于多核DSP技術(shù)的實時圖像處理模塊 基于多核DSP的實時圖像處理模塊作為實時圖像處理平臺的組成單元。單一的多核DSP實時圖像處理模塊應(yīng)該即可作為獨立完成處理任務(wù)的個體，也可由多塊實時圖像處理模塊組合成實時圖像處理平臺，由多塊實時圖像處理模塊協(xié)同完成處理任務(wù)。設(shè)計采用多內(nèi)核DSP處理器可以帶來諸多好處。首先，多核DSP處理器可取代多片獨立DSP處理器和一片系統(tǒng)控制器，并且還體現(xiàn)出比較強的低功率優(yōu)勢。因此大大縮減 PCB 面積和整體功耗。其次，多個 DSP 內(nèi)核之間的存儲資源共享方式，可以進行無縫數(shù)據(jù)訪問操作，存儲器帶寬得到了擴展，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