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DSP基础知识 数字信号处理

2019-07-16 16:03发布

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DSP基础知识  数字信号处理

数字信号处理（DSP）是一门涉及许多学科而又广泛应用于许多领域的新兴学科。在通常的实时信号处理中，它具有可程控、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，这都是模拟系统所不及的。
DSP的发展大致分为三个阶段：
  
   在数字信号处理技术发展的初期（二十世纪 50～60年代），人们只能在微处理器上完成数字信号的处理。直到70年代，有人才提出了DSP的理论和算法基础。一般认为，世界上第一个单片 DSP 芯片应当是1978年AMI公司发布的S2811。1979年美国Intel公司发布的商用可编程器件2920是DSP 芯片的一个主要里程碑。这两种芯片内部都没有现代DSP芯片所必须有的单周期乘法器。1980 年，日本 NEC 公司推出的mP D7720是第一个具有硬件乘法器的商用 DSP 芯片，从而被认为是第一块单片DSP器件。
  随着大规模集成电路技术的发展，1982年美国德州仪器公司推出世界上第一代DSP芯片TMS32010及其系列产品，标志着实时数字信号处理领域的重大突破。TI公司之后不久相继推出了第二代DSP芯片TMS32020、TMS320C25/C26/C28、第三代DSP芯片TMS320C30/C31/C32。90年代DSP发展最快，TI公司相继推出第四代DSP芯片 TMS320C40/C44、第五代DSP芯片TMS320C5X/C54X、第二代DSP芯片的改进型TMS320C2XX、集多片DSP芯片于一体的高性能DSP芯片TMS320C8X以及目前速度最快的第六代DSP芯片 TMS320C62X/C67X等。
  随着CMOS技术的进步与发展，日本的Hitachi 公司在1982年推出第一个基于CMOS工艺的浮点DSP芯片，1983年日本Fujitsu公司推出的 MB8764，其指令周期为120ns，且具有双内部总线，从而使处理吞吐量发生了一个大的飞跃。而第一个高性能浮点DSP芯片应是AT&T公司于1984年推出的DSP32。
  与其他公司相比，Motorola公司在推出 DSP 芯片方面相对较晚。1986年，该公司推出了定点处理器MC56001。1990年，推出了与IEEE浮点格式兼容的浮点DSP芯片MC96002。
  美国模拟器件公司（AD）在DSP芯片市场上也占有一定的份额，相继推出了一系列具有自己特点的DSP芯片，其定点DSP芯片有ADSP2101/2103/ 2105、ASDP2111/2115、ADSP2161/2162/2164以及ADSP2171/2181，浮点DSP芯片有ADSP21000/ 21020、ADSP21060/21062等。
  自1980年以来，DSP芯片得到了突飞猛进的发展，DSP芯片的应用越来越广泛，并逐渐成为电子产品更新换代的决定因素。从运算速度来看， MAC（一次乘法和一次加法）时间已经从20世纪80年代初的400ns（如TMS32010）降低到10ns以下（如TMS320C54X、TMS320C62X/67X等），处理能力提高了几十倍。DSP芯片内部关键的乘法器部件从1980年占模片区（die area）的40%左右下降到5%以下，片内RAM数量增加一个数量级以上。DSP芯片的引脚数量从1980年的最多64个增加到现在的200个以上，引脚数量的增加，意味着结构灵活性的增加，如外部存储器的扩展和处理器间的通信等。
2 DSP系统构成及其特点
2.1 DSP系统构成
  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。图1所示为一个典型的DSP系统。
  输入信号首先进行带限滤波和抽样，然后进行A/D变换将信号变换成数字比特流。DSP芯片的输入是A/D变换后得到的以抽样形式表示的数字信号，DSP芯片对输入的数字信号进行某种形式的处理，如进行一系列的乘累加操作（MAC）。最后，经过处理后的数字样值再经D/A（Digital to Analog）变换转换为模拟样值，之后再进行内插和平滑滤波就可得到连续的模拟波形。
  必须指出的是，上面给出的DSP系统模型是一个典型模型，但并不是所有的DSP系统都必须具有模型中的所有部件。
2.2 DSP系统的特点[1]
  数字信号处理系统是以数字信号处理为基础，因此具有数字处理的全部优点：
  （1）接口和编程方便。DSP系统与其他以现代数字技术为基础的系统或设备都是相互兼容的，与这样的系统接口以实现某种功能要比模拟系统与这些系统接口容易得多；另外，DSP系统中的可编程DSP芯片可使设计人员在开发过程中灵活方便地对软件进行修改和升级。
  （2）稳定性和可重复性好。DSP系统以数字处理为基础，受环境温度、湿度、噪声、电磁场的干扰和影响较小，可靠性高；数字系统的性能基本不受元器件参数性能变化的影响，因此数字系统便于测试、调试和大规模生产。
  （3）精度高。16位数字系统可以达到10 -5的精度。
  （4）特殊应用。有些应用只有数字系统才能实现，例如信息无失真压缩、V型滤波器、线性相位滤波器等等。
  （5）集成方便。DSP系统中的数字部件有高度的规范性，便于大规模集成。
  当然，数字信号处理在高频信号处理上也存在一定的缺点。DSP系统中的高速时钟可能带来高频干扰和电磁泄漏等问题，而且DSP系统消耗的功率也较大。此外，DSP技术更新的速度快，数学知识要求多，开发和调试工具还不尽完善。
2.3 数字信号处理器与通用微处理器的比较[3,4]
表1列出了二者的主要不同之处：
  此外，DSP处理器往往都支持专门的寻址模式，它们对通常的信号处理操作和算法是很有用的。例如，模块（循环）寻址（对实现数字滤波器延时线很有用）、位倒序寻址（对快速傅立叶变换很有用）。这些非常专门的寻址模式在GPP中是不常使用的，只有用软件来实现。在执行时间的预测上，DSP对高性能GPP的优势在于，即便是使用了高速缓存的DSP，哪些指令会放进去也是由程序员（而不是处理器）来决定的；DSP一般不使用动态特性，如转移预测和推理执行等。因此，由一段给定的代码来预测所要求的执行时间是完全直截了当的，从而使程序员得以确定芯片的性能限制。
3DSP芯片的应用
3.1 DSP的应用领域
  在近20多年时间里，DSP芯片的应用已经从军事、航空航天领域扩大到信号处理、通信、雷达、消费等许多领域 [2]。主要应用有：信号处理、通信、语音、图形/图像、军事、仪器仪表、自动控制、医疗、家用电器等。
  DSP主要应用市场为3C领域，合占整个市场需求的90%。 数字蜂窝电话是DSP最为重要的应用领域之一。由于DSP具有强大的计算能力，使得移动通信的蜂窝电话重新崛起，并创造了一批诸如GSM、CDMA等全数字蜂窝电话网。 在Modem器件中，DSP更是成效卓著，不仅大幅度提高了传输速率，且具有接收动态图像能力。另外，可编程多媒体DSP是PC领域的主流产品。以XDSL Mo dem为代表的高速通信技术与MPEG图像技术相结合，使得高品位的音频和视频形式的计算机数据有可能实现实时交换。目前的硬盘空间相当大，这主要得益于CDSP（可定制DSP）的巨大作用。预计在今后的PC机中，一个DSP即可完成全部所需的多媒体处理功能。DSP也是消费类电子产品中的关键器件。由于DSP的广泛应用，数字音响设备的更新换代周期变得非常短暂。用于图像处理的DSP，一种用于JPEG标准的静态图像数据处理；另一种用于动态图像数据处理。
3.2 DSP的市场规模
  从80年代开始起步的DSP市场，目前正处于高速成长的阶段。在数字化、个人化和网络化的推动下，1997年世界DSP市场营销额超过32亿美元，预计未来的年均增长率高达40%，按照这一增长速度，至2007年，世界DSP市场营销额将突破500 亿美元。
在全球DSP产品市场中，TI公司独占鳌头，占世界市场45%的份额，其次是朗讯（28%）、ADI（12%）、摩托罗拉（12%）、其他公司（3%）。
4 DSP的发展前景
4.1 DSP的技术展望[2,6]
  （1）努力向系统级集成DSP迈进。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。这样的集成缩小了整机的体积，缩短了产品上市的时间，是一个重要的发展趋势。
  （2）DSP的内核结构进一步改善。DSP的结构主要是针对应用，并根据应用优化DSP设计以极大改进产品的性能。多通道结构和单指令多重数据（SIMD）、超长指令字结构（VLIM）、超标量结构、超流水结构、多处理、多线程及可并行扩展的超级哈佛结构(SHARC)在新的高性能处理器中将占据主导地位 [2]。
  （3）可编程DSP是主导产品。可编程DSP给生产厂商提供了很大的灵活性。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。
  （4）追求更高的运算速度和进一步降低功耗和几何尺寸[7]。由于电子设备适配器的个人化和客户化趋势，DSP必须追求更高更快的运算速度，才能跟上电子设备的更新步伐。同时由于DSP的应用范围已扩大到人们工作生活的各个领域，特别是便携式手持产品对于低功耗和尺寸的要求很高，所以DSP有待于进一步降低功耗。按照CMOS的发展趋势，依靠新工艺改进芯片结构，DSP运算速度的提高和功耗尺寸的降低是完全可能的。
  （5）定点DSP是主流。虽然浮点DSP的运算精度更高，动态范围更大，但定点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。
  （6）与可编程器件结合。DSP的许多新应用需要比传统DSP处理器更加强大的数字信号处理能力，设计者往往会借助PLD和FPGA来满足他们日益提高的信号处理需求[8]。与常规DSP器件相比， FPGA器件配合传统的DSP器件可以处理更多信道，可在基站中用来实现高速实时处理功能，满足无线通信、多媒体等领域多功能和高性能的需要。
  （7）DSP嵌入式系统[9]。DSP嵌入式系统是 DSP系统嵌入到应用电子系统中的一种通用系统[4] 。这种系统既具有DSP器件在数据处理方面的优势，又具有应用目标所需要的技术特征。在许多嵌入式应用领域，既需要在数据处理方面具有独特优势的DSP，也需要在智能控制方面技高一筹的微处理器(MCU)。因此，将DSP与MCU融合在一起的双核平台，将成为DSP技术发展的一种新潮流。


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