DSP技術(shù)及其應(yīng)用前景

1、DSP技術(shù)及其應(yīng)用前景07124799殷優(yōu)07124808黃匡奇07125007馬旸2011/2/27DSPDSP技術(shù)及其應(yīng)用前景第第 頁共11頁DSPDSP技術(shù)及其應(yīng)用前景第第6頁共11頁芯片很難實現(xiàn)，而專用DSP芯片可以將相應(yīng)的信號處理處理算法在芯片內(nèi)部用硬件實現(xiàn),無需編程。三、DSP的主要應(yīng)用DSPs芯片自20世紀80年代初誕生以來，在短短的十多年時間內(nèi)得到了飛速發(fā)展。隨著DSPs芯片性價比和開發(fā)手段的不斷提高，DSPs已經(jīng)在社會生活各個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。如同20世紀80年代和90年代微處理器(CPU)隨著PC市場的急劇擴張而迅速發(fā)展一樣，DSPs也正在經(jīng)歷一場由通信、網(wǎng)絡(luò)和信息家電帶動

2、的高速增長時期。由于DSPs的應(yīng)用領(lǐng)域比微處理器要廣，近年來DSPs市場的年平均增長率一直保持在30%左右，甚至超過了20世紀80年代和90年代微處理器的增長速度。DSPs市場的起爆劑是數(shù)字移動電話，1997年生產(chǎn)規(guī)模即達1億部。目前DSPs在數(shù)字便攜電話、無線基站、中心局交換機等通信領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛。另外，網(wǎng)絡(luò)市場的急速膨脹使DSPs在56KMODEM、ADSLMODEM、機頂盒等產(chǎn)品中大量得到應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用已經(jīng)成為DSPs高速發(fā)展的主要市場。除了通信、網(wǎng)絡(luò)、雷達等領(lǐng)域外，近來DSPs也在馬達控制、數(shù)碼相機、助聽器等很有潛力的市場不斷拓展，另外空調(diào)、洗衣機類產(chǎn)品為節(jié)省電能也都開始采用DSP

3、s。據(jù)預測，包括模擬集成電路在內(nèi)，到2007年DSPs的市場將達到500億美元。還是以TI公司1997年推出的高端DSPsTMS320C6000系列為例，TI公司在芯片設(shè)計上瞄準的是多通道無線通信和有線通信的應(yīng)用領(lǐng)域，例如蜂窩基站、pooledMODEM以及xDSL系統(tǒng)。實際上C6000系列的高速處理能力及其出色的對外接口能力，使得它在雷達、聲納、醫(yī)用儀器、圖像處理等領(lǐng)域都具有極大的應(yīng)用潛力。C6000系列DSPs所帶來的新的系統(tǒng)設(shè)計方法使得傳統(tǒng)的基于硬件設(shè)計變?yōu)榛谲浖O(shè)計，C6000的開發(fā)工具則能夠很好地支持這一設(shè)計思想，并充分利用C6000高度并行的VLIW結(jié)構(gòu)。其中C6000的C編譯器

4、的效率可達80%以上，創(chuàng)新的線性匯編語言和C6000匯編優(yōu)化器配合使用，可使代碼效率達95%以上，同時編程工作量也成倍降低。DSP技術(shù)在現(xiàn)代通信中的應(yīng)用最為活躍，我們具體介紹具有特殊代表性的幾個例子如下：1、數(shù)字式蜂房系統(tǒng)數(shù)字式蜂房系統(tǒng)使用通用DSP來實現(xiàn)語音合成(speechsynthesis),糾錯編碼(error-correctioncoding)，基帶調(diào)制解調(diào)器(basebandmodem)以及系統(tǒng)控制等功能。2、軟件無線電(Softwarewireless)軟件無線電是利用同樣的硬件設(shè)備和不同的軟件模塊，來適應(yīng)不同頻段、不同調(diào)制方式下的通信。軟件無線電中，最重要和最具有挑戰(zhàn)性的部分就

5、是高性能的A/D、D/A變換器和以DSP為核心的實時信號處理。軟件無線電對DSP提出了實時性很高的要求,它有力的促進著DSP的發(fā)展，其中包括單片處理器的性能、多處理器協(xié)同工作的能力、DSP軟件開發(fā)環(huán)境和DSP實施操作系統(tǒng)等方面。軟件無線電在通信系統(tǒng)中，特別是在第三代移動通信系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越成為研究的熱點。例如，在歐洲的先進通信技術(shù)與業(yè)務(wù)計劃中(ACIS),有多項計劃是將軟件無線電技術(shù)應(yīng)用在第三代移動通信系統(tǒng)中。美國也正在研究基于軟件無線電技術(shù)的第三代移動通信系統(tǒng)的多頻帶與多模式手機與基站，使軟件無線電設(shè)備升級的成本大幅度降低，同時，軟件無線電技術(shù)與計算機技術(shù)正在不斷融合，為第三代移動通信系統(tǒng)

6、提供良好的用戶界面。我國對軟件無線電技術(shù)也相當重視，例如，我國提出的第三代移動通信系統(tǒng)方案SCDMA(同步碼分多址)是一種同步的直接擴頻CDMA(碼分多址)技術(shù)，他結(jié)合了DSP、智能天線、軟件無線電技及全質(zhì)量語音壓縮編碼技術(shù)等現(xiàn)代通信技術(shù)。圖3表示移動通信手持終端中的信號和信息的傳輸與處理過程，DSP在其中的核心作用是是顯而易見的。3、均衡和信道估計信道模擬式DSP的另一個重要應(yīng)用，并用其估計回聲噪音或碼間干擾。回聲和噪音的對消對有線和無線通信同樣重要，很適合用DSP來實現(xiàn)。均衡是另一種信道估計技術(shù)，用于消除由于信道延時擴展引起的碼間干擾。4、語音和字符識別DSP還常常完成用戶界面的任務(wù)。這是

7、因為以DSP為基礎(chǔ)的產(chǎn)品有很強的設(shè)計靈活性，允許系統(tǒng)的設(shè)計者把附加的任務(wù)交給DSP，以便更充分地利用其處理能力。在移動電話中，語音撥號功能就可以由DSP來實現(xiàn)。在使用個人數(shù)字助理(PersonalDigitalAssistant)技術(shù)時，把計算機和通信應(yīng)用結(jié)合在一起，人機界面設(shè)計變得更加重要。5、調(diào)制解調(diào)器調(diào)制解調(diào)器中復雜的數(shù)學運算基本上主要依靠DSP或由DSP核組成的ASIC來完成的。在便攜式計算機中，對調(diào)制解調(diào)器的大小、重量、功耗特別關(guān)注，對DSP的要求更高。調(diào)制解調(diào)器的速度隨著DSP速度的提高而不斷提高。6、多媒體多媒體是將傳統(tǒng)的模擬視頻信號和聲音信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號來實現(xiàn)的。視頻和聲音信

8、號的數(shù)字化會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)要依靠高性能的DSP來減小對存儲空間和傳輸帶寬地要求。需要由DSP來完成的任務(wù)包括視頻信號和聲音信號的編碼/解碼、彩色空間轉(zhuǎn)換、回音消除、濾波、誤碼校正、復用、bit流協(xié)議處理等。例如，在網(wǎng)絡(luò)電話(VoiceoverIP；VoIP)中，模擬語音信號必須經(jīng)過處理，轉(zhuǎn)換成適合在IP網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)腎P數(shù)據(jù)包，這個過程需要先進行數(shù)字編碼，轉(zhuǎn)換為PCM碼，然后經(jīng)過專門的DSP芯片進行數(shù)據(jù)壓縮，最后再打上IP包的標記，形成IP數(shù)據(jù)包的形式，以適合IP網(wǎng)絡(luò)上的傳輸帶寬，這涉及PCM、DSP、編碼、壓縮等內(nèi)容。在IP電話中，利用DSP技術(shù)進行語音壓縮和解碼，可以極大地提高語音

9、質(zhì)量，降低對存儲空間的要求，加快系統(tǒng)處理速度，并進一步壓縮對帶寬的需求。圖4表示VoIP傳輸?shù)幕具^程，可以看出，DSP技術(shù)在進行語音壓縮和解碼時起著至關(guān)重要的作用。近年來，隨著計算機輔助設(shè)計、制造和超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，各種ASIC專用芯片，如FFT芯片，數(shù)字濾波器芯片語音識別和合成芯片語音和圖像壓縮編碼芯片等大量出現(xiàn)。最新的發(fā)展趨勢是進一步提高集成性，將CPU、DSP、大容量存儲器、現(xiàn)場可編程門陣列等集成在同一芯片上，這樣組成的數(shù)字信號處理系統(tǒng)具有很大的靈活性，可以作為多媒體的硬件平臺。DSP技術(shù)是現(xiàn)代通信的核心技術(shù)之一，未來的通信將越來越依賴數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展?，F(xiàn)代通信技術(shù)的發(fā)展要

10、求將先進的通信技術(shù)、微電子技術(shù)和計算技術(shù)結(jié)合在一起?？梢栽O(shè)想，在使用了現(xiàn)代DSP技術(shù)的通信系統(tǒng)中，原先不能互聯(lián)的多種通信體制將綜合為一個通用的通信體制，人們可以擺脫終端的束縛，實現(xiàn)“一機在手，漫游天下”的夢想。這種嶄新的通信體制將給我們的生活方式，甚至思維模式帶來巨大的變化。四、DSP的發(fā)展前景1、努力向系統(tǒng)級集成邁進縮小DSP芯片尺寸始終是DSP的技術(shù)發(fā)展方向。當前的DSP多數(shù)基于RISC(精簡指令集計算）結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是尺寸小、功耗低、性能高。各DSP廠商紛紛采用新工藝，改進DSP芯核，并將幾個DSP芯核、MPU芯核、專用處理單元、外圍電路單元、存儲單元統(tǒng)統(tǒng)集成在一個芯片上，成為DS

11、P系統(tǒng)級集成電路。這樣的集成縮小了整機的體積，縮短了產(chǎn)品上市的時間，是一個重要的發(fā)展趨勢。2、進一步改善DSP的內(nèi)核結(jié)構(gòu)DSP的結(jié)構(gòu)主要是針對應(yīng)用，并根據(jù)應(yīng)用優(yōu)化DSP設(shè)計，以極大改進產(chǎn)品性能。多通道結(jié)構(gòu)和單指令多重數(shù)據(jù)（SIDM）、超常指令字結(jié)構(gòu)（VLIM）、超標量結(jié)構(gòu)、超流水結(jié)構(gòu)、多處理、多線程及可并行擴展的哈佛（SHARC）結(jié)構(gòu)，在新的高性能處理器中將占據(jù)主導地位。3、可編程是DSP主導產(chǎn)品可編程DSP給生產(chǎn)廠商提供了很大的靈活性。生產(chǎn)廠商可在同一個DSP平臺上開發(fā)出各種不同型號的系列產(chǎn)品，以滿足不同用戶的需求。同時，可編程DSP也為廣大用戶提供了易于升級的良好途徑。人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，許多微

12、處理器能做的事情，使用可編程DSP將做得更好更便宜。4、追求更高的運算速度，進一步降低功耗和幾何尺寸由于電子設(shè)備的個人化和客戶化趨勢，DSP必須追求更快更高的運算速度，才能跟上電子設(shè)備的更新步伐。同時由于DSP的應(yīng)用范圍已擴大到人們工作生活的各個領(lǐng)域，特別是便攜式手持產(chǎn)品對低功耗和尺寸的要求很高，所以DSP有待于進一步降低功耗。按照CMOS的發(fā)展趨勢，依靠新工藝改進芯片結(jié)構(gòu)，DSP運算速度的提高和功耗幾何尺寸的降低是完全可能的。例如，采用0.13口m最新半導體工藝制造的口PD77210用1.5V低電壓供電，功耗僅為以往產(chǎn)品的一半。5、與其它可編程器件結(jié)合DSP的許多新應(yīng)用需要比傳統(tǒng)DSP具有更

13、加強大的數(shù)字信號處理能力，設(shè)計者往往會借助PLD和FPGA來滿足日益提高的信號處理需求。與常規(guī)DSP器件相比，F(xiàn)PGA器件配合傳統(tǒng)DSP器件可以處理更多信道，可在基站中用來實現(xiàn)高速實時處理，滿足無線通信、多媒體等領(lǐng)域多功能和多性能的需要。6、DSP嵌入式系統(tǒng)DSP嵌入式系統(tǒng)是DSP系統(tǒng)嵌入到應(yīng)用電子系統(tǒng)中的一種通用系統(tǒng)。這種系統(tǒng)既具有DSP器件在數(shù)據(jù)處理方面的優(yōu)勢，又具有應(yīng)用目標所需要的技術(shù)特征。在許多嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域，既需要在數(shù)據(jù)處理方面具有獨特優(yōu)勢的DSP,也需要在智能控制方面技高一籌的微處理器MCU。因此，將DSP與MCU融合在一起的雙核平臺，將成為DSP技術(shù)發(fā)展的新潮流。7、專用DSP芯

14、片針對特定的終端應(yīng)用，DSP器件也逐漸從傳統(tǒng)的通用性處理器中分離出更多的直接面向特定應(yīng)用的器件。這些器件多采用DSP+ARM的雙核結(jié)構(gòu)，既可滿足核心算法的需求，又能滿足網(wǎng)絡(luò)傳輸和用戶界面等需求。同時，越來越多的專用接口以及協(xié)處理器被集成到芯片中，用戶只需添加極少的外部芯片，即可構(gòu)成一個完整的應(yīng)用系統(tǒng)。例如，面向第三代無線通信終端的OMAP1510、面向數(shù)碼相機的DM270、面向?qū)I(yè)音頻設(shè)備的DA610、面向媒體處理的DM642芯片等，都是典型例子。五、DSP的未來走向上世紀90年代初，“DSP”變成一項熱門技術(shù)，而這個名詞也日漸流行。這個縮寫代表兩個意思：數(shù)字信號處理過程，以及數(shù)字信號處理器。

15、通?？梢愿鶕?jù)上下文來判斷它的含意，但在有些情況下二者是可以互換的，比如你做數(shù)字信號處理，可能是在一個數(shù)字信號處理器上進行的。今天，DSP已隨處可見。現(xiàn)在難以找到不涉及數(shù)字信號處理的嵌入式系統(tǒng)，也難以找到不擁有面向DSP架構(gòu)特點的嵌入式處理器。在某種意義上，現(xiàn)在所有的處理器都必須是“DSP”。但DSP的風頭似乎正在減退。德州儀器(TI)和模擬器件公司(ADI)等主要DSP處理器廠商，不再象以前那樣頻繁使用DSP這個縮寫。最近幾年，他們的新聞稿更多地使用“視頻處理器”或“多媒體芯片”或“融合處理器”(當然這些處理器都承擔數(shù)字信號處理任務(wù))。我們很少見到軟件公司再宣傳其“DSP”軟件構(gòu)件，而是推廣音頻后處理算法等。用于監(jiān)控應(yīng)用的視頻處理確實屬于DSP，我們的“DSP”基準也與多媒體應(yīng)用有關(guān)。信號處理應(yīng)用變得如此多樣化，DSP部分如此緊密地與非DSP部分結(jié)合在一起，因此整個DSP產(chǎn)業(yè)都在轉(zhuǎn)向以應(yīng)用