数字信号处理新技术 课程论文院系：自动化工程学院专业: 测控技术与仪器姓名： 学号：浅谈浅谈 DSPDSP 技术的应用和发展技术的应用和发展数字信号处理（DSP,digital signal processing）是一门涉及许多领域的 新兴学科，在现代科技发展中发挥着极其重要的作用。近年来，数字信号处理 理论在不断取得进步的同时，随着半导体技术的突飞猛进，专用的数字信号处 理器芯片也获得了飞速发展。 数字信号处理器是在模拟信号变换为数字信号后对数字信号进行高速实时处理 的专用处理器，它具有计算速度快、体积小、功耗低等优点，是实现数字信号 处理的强大工具。近年来，随着半导体技术的进步，处理器芯片的处理能力越 来越强大，使得信号处理的研究可以主要放在算法和软件方面，不再像过去那 样需要过多考虑硬件。由于它的出色性能，DSP 目前被广泛应用于数字通信、 信号处理、工业控制、图像处理等领域。1 1  DSPDSP 的发展历程的发展历程在数字信号处理技术发展的初期（上世纪 5060 年代），人们只能在微处 理器上完成数字信号的处理。一般认为，世界上第一个单片 DSP 芯片是 1978 年 AMI 公司发布的 S2811。1980 年，日本 NEC 公司推出的 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柜橱世界上第 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 公司随后推出了第二代 DSP 芯片 TMS32020 及其系列，至今，TI 公司已 经推出了其第六代 DSP 芯片 TMS320C62X/C67X、TMS320C64X 等芯片。美国 Analog Device 公司在 DSP 芯片市场也有一定的份额，推出了一系列 具有自己特色的 DSP 芯片，如其定点的 DSP 芯片 ADSP2101/2103/2105，ADSP2111/2115，ADSP2161/62/64，浮点 DSP 有 ADSP21000/020、ADSP21060/21062 等。20 世纪 80 年代以来，DSP 芯片得到了突飞猛进的发展，从运算速度来看， MAC（一次乘加运算）时间已经从 80 年代初期的 400 ns 降到了 10 ns 以下（如 TI 公司的 TMS32054X、TMS320C62X/67X 等），处理能力提高了几十倍。DSP 芯 片的引脚数量从 1980 年的 64 个增加到现在的 200 个以上，引脚数量的增加也 加强了结构的灵活性1>。2 2  DSPDSP 系统和芯片的基本结构系统和芯片的基本结构2.1 DSP 系统的基本结构系统所需要处理的信号一般为自然条件下的模拟信号，这就需要首先将输 入的信号转换为数字的电信号。这就需要 A/D（模数转换）模块，A/D 模块将模 拟信号转换为数字的比特流，输入给 DSP 系统，DSP 系统对数字信号进行某种 处理之后，一般还需要输出为模拟信号来供人们使用，所以又用到了 D/A（数 模转换）模块，将处理后的数字信号转换为模拟值。整个系统的构成如图 1 所 示。 数字信号处理结构稳定性好，可重复性好，可以大规模集成，使得信号处理功 能更复杂，手段更灵活，精度更高。 2.2 DSP 芯片的结构特点2>DSP 处理芯片，为了适应信号处理运算的需要，结构与通用的其他计算机 或控制处理器相比，有较大的不同，主要的几点为：(1)具有专用的算术单元，如硬件乘法器，DSP 内部设有硬件乘法器来完成 乘法操作，以提高乘法速度。(2)具有特殊的总线结构哈佛结构。这种结构使 DSP 具有独立的地址总 线和数据总线，可以同时取地址和操作数。(3)流水处理。流水技术使多个不同的操作可以同时执行，处理器内将每条 指令的执行分为取址、解码、执行等阶段，不同的阶段并行执行，提高了程序 执行的效率和速度。(4)高速的片内存储器。DSP 芯片一般内部集成有程序和数据存储器，访问 速度快，缓解总线接口的压力，提高程序执行的速度。 一些其他特殊功能的 DSP 芯片还具有一些专用的设计结构，这里不一一列出。 总之，DSP 功能上的特点很大程度上是针对数字信号处理算法的特点，针对性 地组成专用的结构，以满足处理的需要。3 3  DSPDSP 芯片的产品和市场芯片的产品和市场3.1 应用领域和市场在近 20 多年的时间里，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。主要应用有：信号处理、通信、语 音、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（communication、computer、consumer通信、计算 机、消费类）领域，所占市场比例超过 90%，并且总体市场规模在不断扩大。 在数字化、个人化和网络化的推动下，预计未来的年均增长率高达 40%。在全 球的 DSP 市场中，TI 公司独占鳌头，占世界市场的 45%份额，其次是朗讯(28%)、 ADI(12%)、摩托罗拉(12%)、其他公司(3%) 3> 。 3.2 世界主要的 DSP 芯片制造公司及其产品 （1）TI 公司。TI（Texas Instruments）公司在业界一直处于领先的地位。近年，TI 在 原来的 TMS320C1X、TMS320C25、TMS320C3X/4X、TMS320C5X、TMS320C8X 的基础 上又推出了 3 种高性价比的 DSP 系列：TMS320C2000、TMS320C5000 和 TMS320C6000 系列。这 3 种芯片，在我国的信号处理硬件领域应用也是非常广 泛，下面作些简要介绍：TMS320C2000 系列主要用于工业控制领域，提供了全系列的高性能控制芯 片，代码运行效率高。除了较强的控制功能之外，还提供了方便的接口与高性能外围器件相连。主要型号有 TMS320C24X 和 28X 系列。TMS320C5000 系列为高性能的低功耗定点 DSP 芯片。处理速度最高可以达 到 900 MIPS，功耗很低，可以达到 0.33 mA/MHz。非常适合移动和手持系统的 应用。主要有 TMS320C54X 和 55X 系列。TMS320C6000 系列为新一代高性价比 DSP 芯片，是高端 DSP 处理器的代表。 C6000 系列的 DSP 定点运算可以达到 1200 到 8 000 MIPS（百万条指令/秒）， 浮点运算可以达到 600 到 1 800 MFLOPS（百万次浮点操作/秒）的运算速度。 主要有定点系列的 TMS320C62X 和浮点系列的 TMS320C67X。TMS320C64X 为 TI 最 新推出的高性能定点 DSP 处理器，时钟速度提高到 1 GHz，单片处理能力可达 到 8 000 MIPS。 （2）Analog Device 公司。ADI 公司的 DSP 目前主要分为 3 个系列：SHARC、Blackfin、TigerSHARC。 SHARC 系列一直在雷达、声纳信号处理等领域享有很高的声誉，很多商用、军 用的信号处理机中都可以看到 SHARC 的身影。单片处理能力有限的 SHARC 之所 以能够在通信信号处理领域有这么高的声誉，完全是由于 ADI 优秀的片间互连 技术（LINK 口），利用这个 LINK 口可以很方便地将几片、几十片 SHARC 连接 起来组成 DSP 阵列，从而在单片处理能力达不到要求的场所利用 DSP 阵列就很 容易达到了。Blackfin 是近几年推出的针对性能要求比较高，同时功耗要求又比较低的 场所。它所具备的优点很适合在便携式通信产品中应用。TigerSHARC 是从 SHARC 改进的高端 DSP，它的出现是 ADI 公司的 DSP 在高 端领域应用开创了历史性的局面。新推出的第二代 TigerSHARC ADSP-TS201S 主 频高达 600 MHz，处理能力高达 14.4 GOPS，还有超大容量的 RAM，使它一出世 就在高端领域脱颖而出。尤其适合软件无线电的应用。DSP 已经发展成为了一种成熟的技术，也是一种成熟的产品，它在数字信 息时代占据越来越重要的位置，所以其市场的扩展还存在着巨大的空间。DSP 的性能、价格和功耗是决定其市场的三个重要因素。挑战更高的性能，尽可能 降低价格和功耗，一直是 DSP 追求的目标。4 4  DSPDSP 处理系统的发展现状处理系统的发展现状4.1 国际发展现状简略国际 DSP 处理发展的现状，国外的商业化信号处理设备一直保持着快 速的发展势头。欧美等科技大国保持着国际领先的地位。例如美国 DSP  research 公司，Pentek 公司，Motorola 公司，加拿大 Dy4 公司等，他们很多 已经发展到相当大的规模，竞争也愈发激烈。我们从国际知名 DSP 技术公司发 布的产品中就可以了解一些当今世界先进的数字信号处理系统的情况。以 Pentek 公司一款处理板 4293 为例，使用 8 片 TI 公司 300 MHz 的 TMS320C6203 芯片，具有 19 200 MIPS 的处理能力，同时集成了 8 片 32 MB 的 SDRAM，数据吞吐 600 MB/s。该公司另一款处理板 4294 集成了 4 片 Motorola  MPC7410 G4 PowerPC 处理器，工作频率 400/500 MHz，两级缓存 256K64  bit，最高具有 16MB 的 SDRAM。ADI 公司的 TigerSHARC 芯片也由于其出色的协同工作能力，可以组成强大的处理器阵列，在诸多领域（特别是军事领域）获得了广泛的应用。以英国 Transtech DSP 公司的 TP-P36N 为例，它由 48 片 TS101b（TigerSharc）芯片 构成，时钟 250 MHz，具有 612 GFLOPS 的处理能力。DSP 应用产品获得成功的一个标志就是进入产业化。在以往的 20 年中，这 一进程在不断重复进行，而且周期在不断缩小。在数字信息时代，更多的新技 术和新产品需要快速地推上市场，因此，DSP 的产业化进程还是需要加速进行。 随着竞争的加剧，DSP 生产商随时调整发展规划，以全面的市场规划和完善的 解决方案，加上新的开发历年，不断深化产业化进程。 4.2 我国发展现状随着我国信息产业的发展，近年来我国的数字信号处理学科发展较快。DSP 处理器已经在我国的数字通信、信号处理、雷达、电子对抗、图像处理等方面 得到了广泛的应用，为科学技术和国民经济建设创造了很大价值。全国有很多 高校、科研机构的信号处理实验室都在大力研究性能更高的数字信号处理设备， 取得了很多研究成果。我国的科研人员通过对先进的 DSP 芯片的研究，已经研 制出一些高性能处理设备的解决方案，并且在板级 PCB 设计方面，也取得了宝 贵的设计经验。以我国某电子技术研究所研制的 DSP 雷达数字信号处理通用模块为例，它 使用了 6 片 ADSP21060 和大规模可编程器件构成通用处理模块。通过信号处理 算法并行设计、系统多数据流设计、处理任务分配调度程序设计，实现高速实 时雷达数字信号处理 4> 。以 FFT 算法为例，将任务分为 3 个流水处理过程： FFT、复数乘法、IFFT，实现多片 DSP 组成并行处理。在 33 MHz 时钟下，1 024 点处理通过时间为 0.7 ms，可以实现单通道数据率为 1 MHz，双通道并行工作 为 2 MHz。 国内的某大学所研制的基于 TMS320C6201 的高速实时数字信号处理平台，实现 基-2 的复数 FFT，允许输入数据的动态范围 16-bit，可以实现 59 s 内完成 512 点的 FFT，130 s 内可以完成 1 024 点的 FFT。但是，应该看到，我国在信号处理理论、高速高性能处理器设计和制造方 面与国际先进水平还有较大差距。而且，主