淺析DSP技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用及其發(fā)展前景

1 引言

    DSP即為數(shù)字信號(hào)處理器(Digital Signal Processing)，是在模擬信號(hào)變換成數(shù)字信號(hào)以后進(jìn)行高速實(shí)時(shí)處理的專用處理器。它的工作原理是將現(xiàn)實(shí)世界的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再用數(shù)學(xué)方法處理此信號(hào)，得到相應(yīng)的結(jié)果。自從數(shù)字信號(hào)處理器(Digital Signal Processor)問世以來，由于它具有高速、靈活、可編程、低功耗和便于接口等特點(diǎn)，已在圖形、圖像處理，語(yǔ)音、語(yǔ)言處理，通用信號(hào)處理，測(cè)量分析，通信等領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。隨著成本的降低，控制界已對(duì)此產(chǎn)生濃厚興趣，已在不少場(chǎng)合得到成功應(yīng)用。DSP數(shù)字信號(hào)處理器DSP芯片采用了數(shù)據(jù)總線和程序總線分離的哈佛結(jié)構(gòu)及改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，較傳統(tǒng)處理器的馮?諾依曼結(jié)構(gòu)具有更高的指令執(zhí)行速度。其處理速度比最快的CPU快10-50倍。在當(dāng)今數(shù)字化時(shí)代背景下，DSP 已成為通信、計(jì)算機(jī)、消費(fèi)類電子產(chǎn)品等領(lǐng)域的基礎(chǔ)器件，被譽(yù)為信息社會(huì)革命的“旗手”。

2 DSP技術(shù)的發(fā)展歷程

    DSP發(fā)展歷程大致分為四個(gè)階段：第一階段是70年代理論先行，第二階段是80年代產(chǎn)品普及，第三階段是90年代突飛猛進(jìn)，第四階段是21 世紀(jì)再創(chuàng)輝煌。

    在DSP出現(xiàn)之前數(shù)字信號(hào)處理只能依靠MPU（微處理器）來完成。但MPU較低的處理速度無法滿足高速實(shí)時(shí)的要求。因此，70年代有人提出了DSP的理論和算法基礎(chǔ)。而DSP僅僅停留在教科書上，即便是研制出來的DSP系統(tǒng)也是由分立組件組成的，其應(yīng)用領(lǐng)域僅局限于軍事、航空航大部門。

    隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，1982年世界上誕生了首枚DSP芯片。這種DSP器件采用微米工藝NMOS技術(shù)制作，雖功耗和尺寸稍大，但運(yùn)算速度卻比MPU快了幾十倍，尤其在語(yǔ)音合成和編碼解碼器中得到了廣泛應(yīng)用。DSP芯片的問世標(biāo)志著DSP應(yīng)用系統(tǒng)由大型系統(tǒng)向小型化邁進(jìn)了一大步。隨著CMOS技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，第二代基于CMOS工藝的DSP芯片應(yīng)運(yùn)而生，其存儲(chǔ)容量和運(yùn)算速度成倍提高，成為語(yǔ)音處理、圖像硬件處理技術(shù)的基礎(chǔ)。80年代后期，第三代DSP芯片問世，運(yùn)算速度進(jìn)一步提高，其應(yīng)用于范圍逐步擴(kuò)大到通信、計(jì)算機(jī)領(lǐng)域。

    90年代DSP發(fā)展最快，相繼出現(xiàn)了第四代和第五代DSP器件?，F(xiàn)在的DSP屬于第五代產(chǎn)品，它與第四代相比，系統(tǒng)集成度更高，將DSP芯核及外圍組件綜合集成在單一芯片上。這種集成度極高的DSP芯片不僅在通信、計(jì)算機(jī)領(lǐng)域大顯身手，而且逐漸滲透到人們?nèi)粘ＯM(fèi)領(lǐng)域，前景十分可觀。

2 DSP技術(shù)在各領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用

2.1 通信領(lǐng)域的應(yīng)用

    近年來，隨著通信技術(shù)的飛速發(fā)展，DSP已經(jīng)成為信號(hào)與信息處理領(lǐng)域里一門十分重要的新興學(xué)科，它代表著當(dāng)今無線系統(tǒng)的主流發(fā)展方向?，F(xiàn)在，通信領(lǐng)域中許多產(chǎn)品都與DSP密切聯(lián)系，例如，Modem、數(shù)據(jù)加密、擴(kuò)頻通信、可視電話等。而尋找DSP芯片來實(shí)現(xiàn)算法最開始的目標(biāo)是在可以接受的時(shí)間內(nèi)對(duì)算法做仿真，隨后是將波形存儲(chǔ)起來，然后再加以處理。圖1所示，給出了一個(gè)典型的DSP應(yīng)用系統(tǒng)。數(shù)字蜂窩電話是DSP最為重要的應(yīng)用領(lǐng)域。因DSP具有強(qiáng)大的計(jì)算能力，使得移動(dòng)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)[3]。由于采用DSP 技術(shù)，蜂窩電話的更新?lián)Q代變得更為容易，只需在統(tǒng)一的硬件平臺(tái)基礎(chǔ)上，通過軟件的不斷升級(jí)生產(chǎn)各式各樣的新款手機(jī)。

圖1 系統(tǒng)方框圖[!--empirenews.page--]

    輸入信號(hào)首先進(jìn)行帶限濾波和抽樣，然后進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字比特流。根據(jù)香農(nóng)抽樣定理，為保持信息的不丟失，抽樣頻率至少必須是輸入帶限信號(hào)最高頻率的兩倍。

2.2 儀器儀表領(lǐng)域的應(yīng)用

    DSP已經(jīng)涉足測(cè)量?jī)x表和測(cè)試儀器行業(yè)，而且大有取代高檔單片機(jī)的趨勢(shì)。使用DSP開發(fā)測(cè)量?jī)x表和測(cè)試儀器可將產(chǎn)品提升到一個(gè)嶄新的水平。新款DSP豐富的片內(nèi)資源可以大大簡(jiǎn)化儀器儀表的硬件電路，實(shí)現(xiàn)儀器儀表的SOC（System On Chip,即片上系統(tǒng)）設(shè)計(jì)。

    儀器儀表的測(cè)量精度和速度是一項(xiàng)重要的指標(biāo)，使用DSP芯片開發(fā)產(chǎn)品可使這兩項(xiàng)指標(biāo)大大提高。以TMS320F2810為例，其高效的32位CPU內(nèi)核、優(yōu)異的12位A/D轉(zhuǎn)換器、豐富的片內(nèi)存儲(chǔ)器以及靈活的指令系統(tǒng)為我們開發(fā)快速、高精度儀器搭建了廣闊的平臺(tái)。

    目前DSP正處于一個(gè)高速發(fā)展的時(shí)期，儀器儀表是DSP的一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域，相信DSP的應(yīng)用會(huì)推進(jìn)儀器儀表的技術(shù)革新。

2.3 PC領(lǐng)域中的應(yīng)用

    可編程多媒體DSP是PC領(lǐng)域的主流產(chǎn)品。以XDSL Modem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形式的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)有可能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)交換。預(yù)計(jì)在今后的PC機(jī)中，一個(gè)DSP即可完成全部所需的多媒體的處理功能。

2.4 全新數(shù)碼助聽器中的應(yīng)用

    由于傳統(tǒng)助聽器線路功能的局限性，無法滿足大部分聽障患者的要求，這個(gè)使命理所當(dāng)然的留給了全數(shù)碼助聽器。在國(guó)外，助聽器的技術(shù)正由傳統(tǒng)的電子放大電路逐步被DSP所取代。DSP具有強(qiáng)大的處理功能，能讓聽障患者聽到更清晰的、想要聽到的聲音，去除患者不想聽到的聲音，從而使現(xiàn)代的助聽器技術(shù)產(chǎn)生一個(gè)質(zhì)的飛躍。數(shù)字信號(hào)處理是全數(shù)碼助聽器的核心部分。它為調(diào)整輸入/輸出特性和系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性提供很強(qiáng)的靈活性 。

2.5 圖形圖像技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用

    DVD里應(yīng)用的活動(dòng)圖像壓縮／解壓縮用MPEG2編碼／譯碼器，同時(shí)也廣泛地應(yīng)用于視頻點(diǎn)播VOD、高品位有線電視和衛(wèi)星廣播等諸多領(lǐng)域。在這些領(lǐng)域里，應(yīng)用的DSP應(yīng)該具備更高的處理速度和功能。而且，活動(dòng)圖像壓縮／解壓技術(shù)也日新月異，例如，DCT變換域編碼很難提高壓縮比與重構(gòu)圖像質(zhì)量，于是出現(xiàn)了對(duì)以視覺感知特性為指導(dǎo)的小波分析圖像壓縮方法。新的算法出現(xiàn)，要求相應(yīng)的高性能DSP。最近，日本各大學(xué)和高技術(shù)企業(yè)對(duì)于開發(fā)虛擬現(xiàn)實(shí)VR系統(tǒng)，投入相當(dāng)力量，利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)圖像學(xué)CG生成3維圖形，迫切需要多個(gè)DSP并行處理系統(tǒng)。其中，系統(tǒng)里的結(jié)點(diǎn)DSP單元，要求采用與并行處理相適應(yīng)的體系結(jié)構(gòu)。[!--empirenews.page--]

2.6 汽車電子系統(tǒng)及其他應(yīng)用領(lǐng)域

    汽車電子系統(tǒng)日益興旺發(fā)達(dá)起來，諸如裝設(shè)紅外線和毫米波雷達(dá)，將需用DSP進(jìn)行分析。如今，汽車愈來愈多，防沖撞系統(tǒng)已成為研究熱點(diǎn)。而且，利用攝像機(jī)拍攝的圖像數(shù)據(jù)需要經(jīng)過DSP處理，才能在駕駛系統(tǒng)里顯示出來，供駕駛?cè)藛T參考。應(yīng)用DSP的領(lǐng)域可以說是不勝枚舉，電視會(huì)議系統(tǒng)里，也大量應(yīng)用DSP器件。視聽機(jī)器里也都應(yīng)用DSP。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，將會(huì)出現(xiàn)許許多多的DSP新應(yīng)用領(lǐng)域。

3 DSP技術(shù)的發(fā)展前景

    目前，DSP市場(chǎng)正處于高速成長(zhǎng)階段，在數(shù)字化、個(gè)人化和網(wǎng)絡(luò)化的推動(dòng)下，2009年世界DSP市場(chǎng)營(yíng)業(yè)額已超過800億美元，預(yù)計(jì)未來的年增長(zhǎng)率高達(dá)40%，在全球DSP市場(chǎng)中，僅就美國(guó)而言，據(jù)估計(jì)，美國(guó)有超過1億輛汽車、幾千萬臺(tái)個(gè)人通信裝置、每個(gè)家庭中就有5～20個(gè)聯(lián)網(wǎng)的家用電器以及數(shù)以百萬計(jì)的工廠使用DSP系統(tǒng)。中國(guó)已成為DSP芯片的最大市場(chǎng)，數(shù)碼相機(jī)、IP電話和手持電子設(shè)備的熱銷帶來了對(duì)DSP芯片的巨大需求。盡管DSP市場(chǎng)日趨成熟，但仍有成長(zhǎng)空間?；ヂ?lián)網(wǎng)和設(shè)備個(gè)性化是當(dāng)前信息社會(huì)的特征?；ヂ?lián)網(wǎng)是PC時(shí)代全球經(jīng)濟(jì)新的增長(zhǎng)點(diǎn)，由于PC市場(chǎng)仍未飽和，市場(chǎng)潛力巨大，也是DSP潛在的應(yīng)用領(lǐng)域。而手機(jī)、PDA、MP3播放器以及手提電腦等則是設(shè)備個(gè)性化的典型代表，這些設(shè)備的發(fā)展水平取決于DSP的發(fā)展。新的形勢(shì)下，DSP面臨的要求是處理速度更高，功能更多更全，功耗更低，存儲(chǔ)器用量更少。DSP的技術(shù)發(fā)展將會(huì)有以下一些走勢(shì)：

    （1）系統(tǒng)級(jí)集成DSP是潮流。小DSP芯片尺寸始終是DSP的技術(shù)發(fā)展方向。當(dāng)前的DSP尺寸小、功耗低、性能高。各DSP廠商紛紛采用新工藝，改進(jìn)DSP芯核，并將幾個(gè)DSP芯核、MPU芯核、專用處理單元、外圍電路單元、存儲(chǔ)單元統(tǒng)統(tǒng)集成在一個(gè)芯片上，成為DSP系統(tǒng)級(jí)集成電路。

    （2）追求更高的運(yùn)算速度和進(jìn)一步降低功耗和幾何尺寸[4]。由于電子設(shè)備的個(gè)人化和客戶化趨勢(shì)，DSP必須追求更高更快的運(yùn)算速度，才能跟上電子設(shè)備的更新步伐。同時(shí)由于DSP的應(yīng)用范圍已擴(kuò)大到人們工作生活的各個(gè)領(lǐng)域，特別是便攜式手持產(chǎn)品對(duì)于低功耗和尺寸的要求很高，所以DSP有待于進(jìn)一步降低功耗。按照CMOS的發(fā)展趨勢(shì)，依靠新工藝改進(jìn)芯片結(jié)構(gòu)，DSP運(yùn)算速度的提高和功耗尺寸的降低是完全可能的。

    （3）DSP的內(nèi)核結(jié)構(gòu)進(jìn)一步改善[5]。DSP的結(jié)構(gòu)主要是針對(duì)應(yīng)用，并根據(jù)應(yīng)用優(yōu)化DSP設(shè)計(jì)以極大改進(jìn)產(chǎn)品的性能。多通道結(jié)構(gòu)和單指令多重?cái)?shù)據(jù)（SIMD）、超長(zhǎng)指令字結(jié)構(gòu)（VLIM）、超標(biāo)量結(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)(SHARC)在新的高性能處理器中將占據(jù)主導(dǎo)地位。

    （4）DSP嵌入式系統(tǒng)[5]。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)[4> 。這種系統(tǒng)既具有DSP器件在數(shù)據(jù)處理方面的優(yōu)勢(shì)，又具有應(yīng)用目標(biāo)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(dú)特優(yōu)勢(shì)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(tái)，將成為DSP技術(shù)發(fā)展的一種新潮流。

4 結(jié)束語(yǔ)

    目前DSP技術(shù)的應(yīng)可以說是日新月異，它的應(yīng)用領(lǐng)域就像一個(gè)是個(gè)大金礦，還遠(yuǎn)沒有探測(cè)完。當(dāng)前對(duì)數(shù)字信號(hào)處理問題的關(guān)心仍然是產(chǎn)業(yè)界流行的趨勢(shì)。每天，我們翻開一本新的雜志，都會(huì)有關(guān)于DSP技術(shù)最新發(fā)展的報(bào)道，數(shù)字化的到來對(duì)我們既是機(jī)遇也是挑戰(zhàn)。相信DSP技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用將對(duì)我們的工作和生活以及觀念產(chǎn)生更大的影響，值得為之奮斗。