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浅析DSP技术应用及发展前景


浅析 DSP 的技术应用和发展前景
施红军
信息工程学院控制理论与控制工程 2012 级 14 班研究生 摘要:数字信号处理(DSP)是一门新兴学科,具有可程控、可预见性、精度高、稳定性好、可靠性和可 重复性好、易于实现自适应算法、大规模集成等优点,广泛应用于实时信号处理系统等各个领域中。随着 科学技术的飞速发展, DSP 技术彻底的变革了人们的工作、学习和生

活方式。本文概述了 DSP 技术的发 展过程,简要分析和介绍了 DSP 处理器在多个领域应用状况和最新发展,同时展望了 DSP 技术的发展前 景。 关键词:数字信号处理 应用 前景

Analysis of the Application and Development Prospect of DSP Technology SHI Hongjun
(School of Information and Engineering ,Control Theory and Control Engineering ,Class 201214 )

Abstract: Digital signal processing (DSP) is a new discipline,it has lots of advantages contained programmable, predictability, high precision, well stability, reliability and repeatability, easy realization of adaptive algorithm, large scale integration which is widely used in different kinds of fields just like the real-time signal processing system.With the rapid development of science and technology, DSP have changed people’s work, study and life style thoroughly. This paper mainly outlines the development process of digital signal processing technology, analyzes the application status in many areas of DSP processor ,introduces the latest developments in DSP, As well , Looks ahead the digital signal processing technology for the future development prospects. Keywords: DSP Application Prospects

引言 DSP(Digital Signal Processor)是专门用于数字信号处理的微处理器,它是 在数字信号处理的各种理论和算法的基础上发展起来的。 数字信号处理的本质是 信息提取和处理,用计算机或专用处理设备,将信息通过模拟、数字或光学方法 从各种环境中提取出来,并将其转变为人或机器便于使用的形态。 DSP 技术可以归结为: 以快速傅里叶变换和数字滤波器为核心, 以逻辑电路 为基础, 以大规模集成电路为手段, 利用软硬件来实现各种模拟信号的数字处理, 其中包括信号检测、信号变换、信号的调制和解调、信号的运算、信号的传输和 信号的交换等各种功能作用。

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DSP 的产生及发展[1] DSP 技术的发展历程主要经历了以下三个阶段: 第一阶段,上世纪 60、70 年代,DSP 仅仅是一个新的理论体系,提出了

DSP(Digital Signal Processing)的基本理论和算法基础。当时 DSP 仅仅停留在 教科书上,即便是研制出来的 DSP 系统也是由分立组件组成的,其应用领域仅 局限于军事、航空航天部门。 第二阶段,DSP 代表数字信号处理器,从理论走向产品。1982 年 TI 公司诞 生了世界上首枚 DSP 芯片,到了 80 年代中期,DSP 芯片伴随着 CMOS 技术的 发展应运而生,它在存储容量和运算速度上都得到了成倍的提高。80 年代后期, 第三代的 DSP 芯片运算速度得到了进一步提高,其应用于范围逐步扩大到通信 和计算机领域。90 年代以后 DSP 技术迅猛发展,大约每 2-3 年就更新换代,同 时新型集成度极高的 DSP 芯片广泛应用于通信、计算机领域。 第三阶段,赋能(enablement)时期,DSP 与高档 CPU 、SoC(System on Chip) 以及 FPGA 的融合。在这个阶段,DSP 技术发展将深入社会的各个领域,对人 类社会发展产生深远影响。 2 2.1 DSP 的相关特性[2] 哈佛结构 DSP 的发展,与哈佛结构的提出密切相关。在 20 世纪 30 年代中期,德国科 学家冯· 诺伊曼发明了新的计算机结构,并命名冯· 诺伊曼结构(图 1) ,PC 机的 CPU 就是基于冯诺伊曼的体系结构。 但是, 当程序指令与数据共用一个存储空间和单一的地址及数据总线的这一 结构在面对高速实时处理时,就会造成总线拥挤,哈佛大学将其加以改进后研制 的 MARK2I 计算机采用了与冯· 诺伊曼完全不同的另一种计算机结构(图 2), 称为 “哈佛结构” 这种结构由于采用了完全隔离的程序和数据存储器以及双独立总 线,大大的提高了运算处理速度。 与冯· 诺伊曼结构处理器比较,哈佛结构处理器有两个明显的特点: (1)使用两个独立的存储器模块,分别存储指令和数据,每个存储模块都 不允许指令和数据并存。
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(2)使用独立的两条总线,分别作为 CPU 与每个存储器之间的专用通信路 径,而这两条总线之间毫无关联。

图 1 冯· 诺伊曼结构

图 2 哈佛结构

后来,又提出了改进的哈佛结构,如图 3 所示。结构特点为: (1)使用两个独立的存储器模块,分别存储指令和数据,每个存储模块都 不允许指令和数据并存,以便实现并行处理。 (2)具有一条独立的地址总线和一条独立的数据总线,利用公用地址总线 访问两个存储模块(程序存储模块和数据存储模块) ,公用数据总线则被用来完 成程序存储模块或数据存储模块与 CPU 之间的数据传输。 (3)两条总线由程序存储器和数据存储器分时共用。

图 3 数据总线 2.2 流水线操作 与哈佛结构相关, DSP 芯片广泛采用流水线操作以减少指令执行时间, 流水 作业,使取指令、译码和执行等操作可以重叠执行,指令可以在单个机器周期内 完成,从而极大的提到了运算速度。 2.3 采用独立的硬件乘法器 采用独立的硬件乘法器, 指令总线和数据总线分开控制,乘法指令在单周期 内完成,优化卷积、数字滤波、快速傅里叶变换、离散余弦变换、矩阵运算等算
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法中的大量重复算法。 2.4 快速的指令周期 哈佛结构、流水线操作、专用的硬件乘法器、特殊的 DSP 指令,可使 DSP 芯片的指令周期在 200ns 以下。快速的指令周期使得 DSP 芯片能够实时实现许 多 DSP 应用。可以预见,随着微电子技术的发展,工作频率还将继续提高,指 令周期将进一步缩短。 2.5 良好的多机并行运行特性 随着数字信号处理器 DSP 芯片的广泛使用和 DSP 芯片价格的不断降低,多 个 DSP 芯片的并行处理已经成为近年来的研究热点,通过并行、串行和外存储 器等接口使多个芯片可以很方便的并行或串行工作以提高处理速度。 数字信号处理器是利用计算机或专用处理设备, 在模拟信号变换成数字信号 以后,以数字形式对信号进行采集、变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等高 速实时处理的专用处理器,其处理速度比最快的 CPU 还快 10~50 倍,数字信号 处理器(DSP)与通用微处理器(GPP)的异同如下表:

表 1 DSP 与 GPP 的比较 3 DSP 技术在各领域的应用[2] 近年来,随着科学技术的飞速发展,DSP 已成为通信领域里一门十分重要的 新兴学科,DSP 与通信领域中许多产品都联系密切。据统计,目前 DSP 在市场 上的使用情况如下: .通信 56.1%;
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.计算机 21.16%; .消费电子和自动控制 10.69%; .军事、航空 4.59%; .仪器仪表 3.5%; .工业控制 3.31%; .办公自动化 0.65%。 上述数据直观地说明了 DSP 应用的广泛性,同时描绘了 DSP 技术今后的发 展趋势,其应用主要有以下几个方面: 3.1 DSP 在多媒体中的应用 多媒体包括文字、语言、图像、图形和数据等媒体。多媒体信息中绝大部分 是视频数据和音频数据,而数字化的音、视频数据的数据量是非常庞大的,只有 采用先进的压缩编码算法其进行压缩, 节省存储空间, 提高通信线路的传输效率, 才能使高速的多媒体通信系统成为可能。 多媒体通信要求多媒体网络终端应能快 速处理信息,并具有较强的交互性。 因此,DSP 在语音编码、图像压缩与还原的语音通信中得到了成功的应用。 如今的 DSP 基本能实时实现大部分已形成国际标准的语音编解码算法与协议。 移动通信中的语音压缩和调制解调器也大量采用 DSP。现代 DSP 完全有能力实 现中、低速的移频键控、相移键控的调制与解调以及正交调幅调制与解调等。 3.2 DSP 在通信领域的应用 近年来, 随着通信技术的飞速发展, DSP 已经成为信号与信息处理领域里一 门十分重要的新兴学科,它是当今通信系统特别是无线电技术的主流发展方向。 目前,DSP 广泛应用于通信领域中,例如,Modem、数据加密、扩频通信、可 视电话等。 软件无线电是通信领域的前沿热点,是一种新的无线通信技术,是基于同一 硬件平台上、 安装不同的软件来灵活实现多通信功能多频段的无线电台,它可进 一步扩展至有线领域。随着 DSP 技术的发展和应用的成熟,特别是低功耗 DSP 芯片的出现, 使软件无线电的应用研究成为热点。信号的数字化是实现软件无线 电的先决条件。关键步骤是以可编程能力强的 DSP 来代替专用的数字电路,使 系统硬件结构与功能相对独立。 这样就可基于一个相对通用的硬件平台,通过软
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件实现不同的通信功能,并可对工作频率、系统频宽、调制方式和信源编码等进 行编程控制,系统的灵活性大大加强了。 3.3 DSP 仪器仪表领域的应用 DSP 已经涉足测量仪表和测试仪器行业, 而且已有取代高档单片机的趋势。 使用 DSP 开发测量仪表和测试仪器可将产品提升到一个崭新的水平。新款 DSP 丰富的片内资源可以大大简化仪器仪表的硬件电路,实现仪器仪 表的 SOC (System On Chip,即片上系统)设计。 仪器仪表的测量精度和速度是一项重要的指标,使用 DSP 芯片开发产品可 使这两项指标大大提高。以 TMS320F2810 为例,其高效的 32 位 CPU 内核、优 异的 12 位 A/D 转换器、 丰富的片内存储器以及灵活的指令系统为我们开发快速、 高精度仪器搭建了广阔的平台。目前 DSP 正处于一个高速发展的时期,仪器仪 表是 DSP 的一个重要应用领域,相信 DSP 的应用会推进仪器仪表的技术革新。 3.4 DSP 在智能控制领域中的应用 目前, 由于人工智能、 计算机科学、 传感器技术及其它相关学科的发展进步, 智能控制系统的性能对其控制方式也提出了更高的要求。由于实时性、数据量和 运算速度的不断提高,采用高速、高性能的 DSP 控制将成为智能控制领域主要 的控制方式。充分利用 DSP 实时运算速度快的特点,将 DSP 应用于智能控制系 统,这是当前发展的趋势。尤其是随着数字信号芯片速度的不断提高,并易于构 成并行处理网络,可大大提高控制系统的性能。 4 DSP 技术的发展前景[3,5] DSP 技术的发展日新月异,对人类的影响也越来越大。在未来几年里,DSP 产品将向着高性能、低功耗、加强融合和拓展多种应用的趋势发展,DSP 芯片将 越来越多地渗透到各种电子产品当中, 成为各种电子产品尤其是通信类电子产品 的技术核心。DSP 的未来发展趋势,大致可以分为以下几个方向: 4.1 SoC 化 SoC(System on Chip)技术是一种高度集成化、固件化的系统集成技术。使用
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SOC 技术设计系统的核心思想,就是要把整个应用电子系统全部集成在一个芯 片中。 缩小 DSP 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。TI 公司的 TMS320C80 代表当今 DSP 领域中的最高水平,它在 一块芯片上集成了 4 个 DSP、1 个 RISC 处理器、1 个传输控制器、2 个视频控 制器。 这样的芯片通常称之为 MVP(多媒体视频处理器) 它可支持各种图像 。 规格和各种算法,功能相当强。 4.2 高性能化[6] 当前,随着数据量飞速提高,更高的运行速度是未来 DSP 发展的必然要求 和趋势。如计算机处理器,低性能、低运算速度必将为社会发展所淘汰。 提高 DSP 运算速度,主要依靠新工艺改进其芯片结构。DSP 的处理性能按 照摩尔定律在飞速提高, 双核乃至六核使 DSP 的性能可轻松实现。 目前, 的 TI TM320C6X 芯片由于采用 VLIW(Very Long Instruction Word 超长指令字)结构 设计, 其处理速度已高达 2000MIPS。 TMS320C55xTM DSP 系列 C55xTM DSP 内核可以为高达 600 MIPS 的性能提供 300 MHz 时钟频率。当前 DSP 器件大 都采用 0.5μm--0.35μm CMOS 工艺,按照 CMOS 的发展趋势,DSP 的运算速度 再提高 100 倍(达到 1600GIPS)是完全有可能[3,5] 。 4.3 多核化 在市场需求不断提高的今天,多核化[7]是 DSP 发展的大势所趋,特别是面 向高速、高密度数据处理应用。多核 DSP 是面向高性能嵌入式应用而出现的一 类 CMP。 它在单个芯片内集成了多个 DSP 核和其他类型的处理器核。相比单 核 DSP,多核 DSP 具有更强的并行 处理能力、更优化的功耗管理方法、更方 便的编程和调试手段,将成为今后高性能嵌入式应用的核心器件。

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4.4

可编程化 可编程 DSP 给生产厂商和用户都提供了较大的灵活性。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 DSP 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。例如冰箱、洗衣机, 这些原来装有微控制器的家电如今已换成可编程 DSP 来进行大功率电机控制。 由于成本和功耗原因,可编程 DSP 应用广泛,如手机。在很多应用中,系 统厂商需要决定采用哪条路线实现大批量生产, 例如目前的 MP3 播放器有基于 ARM、DSP 或 ASIC 三种不同的方法,它们通过不同的路线实现低成本和低功 耗。总的来说,由于产品生命周期越来越短,设计师倾向于将越来越多的功能通 过软件实现。 4.5 定点 DSP 自十多年前浮点数字信号处理器(DSP)诞生以来,便为实时信号处理提供了 算术上更为先进的备选方案。 从理论上讲, 虽然浮点 DSP 的动态范围比定点 DSP 大,且更适合于 DSP 的应用场合,但定点运算的 DSP 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 DSP 器件仍是市场 上的主流产品。 据统计,目前销售的 DSP 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。 5 结束语 DSP 技术发展日新月异,其应用领域越来越广泛。随着新的通信技术、传输 方式和多媒体智能终端的迅速发展, DSP 算法、 标准和规程也在实践中不断发展、 改进和优化。DSP 编程的灵活性和不断增强的运算能力,使无线通信、多媒体技 术应用更加广泛。 作为控制理论与控制工程领域的一名在读研究生,我将努力学 习并掌握 DSP 的相关技术,抓住发展机遇,在未来社会变革中大有作为。

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参考文献:
[1] 百度百科 http://baike.baidu.com/view/1192.htm. [2] 晓云;陈杰;曾云;DSP 技术的最新发展及其应用现状,半导体技术,2003(09) [3] 程佩青,数字信号处理教程[M],清华大学出版社,2007 [4] 陈泰红. 手把手教你学 DSP:基于 TMS320C55x [M ].北京: 北京航空航天大学出版社,2011. [5] STRAUSS W. Digital signal processing, the new semi-conductor industry technology driver[J].IEEE Signal Processing Magazine,2000,17(2):52-56. [6] 嵌入式系统论文集.中国嵌入式系统主题研讨会,2010. [7] Angrisani, L.; D’Arco, M.; Greenhall, C.; Lo Moriello, R.S.; Real-time phase noise meter based on a digital signal processor [J] Instrumentation and Measurement Technology Conference, 2006. IMTC 2006. Proceedings of the IEEE,2010

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