DSP技术概述

DSP技术概述
1引言
2 DSP微处理器
3 DSP技术的应用
4 DSP发展轨迹
5 DSP未来发展
1引言
数字信号处理(Digital Signal Processing，简称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。

20世纪60年代以来，随着计算机和信息技术的飞速发展，数字信号处理技术应运而生并得到迅速的发展。

数字信号处理是一种通过使用数学技巧执行转换或提取信息，来处理现实信号的方法，这些信号由数字序列表示。

在过去的二十多年时间里，数字信号处理已经在通信等领域得到极为广泛的应用。

德州仪器、Freescale等半导体厂商在这一领域拥有很强的实力。

2 DSP微处理器
DSP（digital signal processor）是一种独特的微处理器，是以数字信号来处理大量信息的器件。

其工作原理是接收模拟信号，转换为0或1的数字信号，再对数字信号进行修改、删除、强化，并在其他系统芯片中把数字数据解译回模拟数据或实际环境格式。

它不仅具有可编程性，而且其实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序，远远超过通用微处理器，是数字化电子世界中日益重要的电脑芯片。

它的强大数据处理能力和高运行速度，是最值得称道的两大特色。

DSP微处理器（芯片）一般具有如下主要特点：
①在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法；
②程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据；
③片内具有快速RAM，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问；
④具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持；
⑤快速的中断处理和硬件I/O支持；
⑥具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器；
⑦可以并行执行多个操作；
⑧支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。

当然，与通用微处理器相比，DSP微处理器（芯片）的其他通用功能相对较弱些。

DSP优点：
①对元件值的容限不敏感，受温度、环境等外部参与影响小；
②容易实现集成；
③VLSI 可以时分复用，共享处理器；
④方便调整处理器的系数实现自适应滤波；
⑤可实现模拟处理不能实现的功能：线性相位、多抽样率处理、级联、易
于存储等；
⑥可用于频率非常低的信号。

DSP缺点：
①需要模数转换；
②受采样频率的限制，处理频率范围有限；
③数字系统由耗电的有源期间构成，没有无源设备可靠。

但是其优点远远超过缺点。

3 DSP技术的应用
语音处理：语音编码、语音合成、语音识别、语音增强、语音邮件、语音储存等。

图像/图形：二维和三维图形处理、图像压缩与传输、图像识别、动画、机器人视觉、多媒体、电子地图、图像增强等。

军事：保密通信、雷达处理、声呐处理、导航、全球定位、跳频电台、搜索和反搜索等。

仪器仪表：频谱分析、函数发生、数据采集、地震处理等。

自动控制：控制、深空作业、自动驾驶、机器人控制、磁盘控制等。

医疗：助听、超声设备、诊断工具、病人监护、心电图等。

家用电器：数字音响、数字电视、可视电话、音乐合成、音调控制、玩具与游戏等。

4 DSP发展轨迹
DSP产业在约40年的历程中经历了三个阶段：第一阶段，DSP意味着数字信号处理，并作为一个新的理论体系广为流行；随着这个时代的成熟，DSP进入了发展的第二阶段，在这个阶段，DSP代表数字信号处理器，这些DSP器件使我们生活的许多方面都发生了巨大的变化；接下来又催生了第三阶段，这是一个赋能(enablement)的时期，我们将看到DSP理论和DSP架构都被嵌入到SoC类产品中。

” 第一阶段，DSP意味着数字信号处理。

80年代开始了第二个阶段，DSP从概念走向了产品，TMS32010所实现的出色性能和特性备受业界关注。

方进先生在一篇文章中提到，新兴的DSP业务同时也承担着巨大的风险，究竟向哪里拓展是生死攸关的问题。

当设计师努力使DSP处理器每MIPS成本降到了适合于商用的低于10美元范围时，DSP在军事、工业和商业应用中不断获得成功。

到1991年，TI推出价格可与16位微处理器不相上下的DSP芯片，首次实现批量单价低于5美元，但所能提供的性能却是其5至10倍。

到90年代，多家公司跻身DSP领域与TI进行市场竞争。

TI首家提供可定制DSP——cDSP，cDSP 基于内核DSP的设计可使DSP具有更高的系统集成度，大加速了产品的上市时间。

同时，TI瞄准DSP电子市场上成长速度最快的领域。

到90年代中期，这种可编程的DSP器件已广泛应用于数据通信、海量存储、语音处理、汽车电子、消费类音频和视频产品等等，其中最为辉煌的成就是在数字蜂窝电话中的成功。

这时，DSP业务也一跃成为TI最大的业务，这个阶段DSP每MIPS的价格已降到10美分到1美元的范围。

21世纪DSP发展进入第三个阶段，市场竞争更加激烈，TI及时调整DSP发展战略全局规划，并以全面的产品规划和完善的解决方案，加之全新的开发理念，深化产业化进程。

成就这一进展的前提就是DSP每MIPS价格目标已设定为几个美分或更低。

5 DSP未来发展
①数字信号处理器的内核结构进一步改善，多通道结构和单指令多重数据(SIMD)、特大指令字组(VLIM)将在新的高性能处理器中将占主导地位
② DSP 和微处理器的融合：
微处理器是低成本的，主要执行智能定向控制任务的通用处理器能很好执行智能控制任务，但是数字信号处理功能很差。

而DSP的功能正好与之相反。

在
许多应用中均需要同时具有智能控制和数字信号处理两种功能，如数字蜂窝电话就需要监测和声音处理功能。

因此，把DSP和微处理器结合起来，用单一芯片的处理器实现这两种功能，将加速个人通信机、智能电话、无线网络产品的开发，同时简化设计，减小PCB体积，降低功耗和整个系统的成本。

例如，有多个处理器的Motorola公司的DSP5665x，有协处理器功能的Massan公司FILU-200，把MCU功能扩展成DSP和MCU功能的TI公司的TMS320C27xx以及Hitachi 公司的SH-DSP，都是DSP和MCU融合在一起的产品。

互联网和多媒体的应用需要将进一步加速这一融合过程。

③ DSP 和高档CPU的融合：
大多数高档GPP如Pentium 和PowerPC都是SIMD指令组的超标量结构，速度很快。

LSI Logic 公司的LSI401Z采用高档CPU的分支预示和动态缓冲技术，结构规范，利于编程，不用担心指令排队，使得性能大幅度提高。

Intel公司涉足数字信号处理器领域将会加速这种融合。

④ DSP 和SOC的融合：
SOC(System-On-Chip)是指把一个系统集成在一块芯片上。

这个系统包括DSP 和系统接口软件等。

比如Virata公司购买了LSI Logic公司的ZSP400处理器内核使用许可证，将其与系统软件如USB、10BASET、以太网、UART、GPIO、HDLC等一起集成在芯片上，应用在xDSL上，得到了很好的经济效益。

因此，SOC芯片近几年销售很好，由1998年的1.6亿片猛增至1999年的3.45亿片。

1999年，约39%的SOC产品应用于通讯系统。

今后几年，SOC将以每年31%的平均速度增长，到2004年将达到13亿片。

毋庸置疑，SOC将成为市场中越来越耀眼的明星。

⑤ DSP 和FPGA的融合：
FPGA是现场编程门阵列器件。

它和DSP集成在一块芯片上，可实现宽带信号处理，大大提高信号处理速度。

据报道，Xilinx 公司的Virtex-II FPGA对快速傅立叶变换(FFT)的处理可提高30倍以上。

它的芯片中有自由的FPGA可供编程。

Xilinx公司开发出一种称作Turbo卷积编译码器的高性能内核。

设计者可以在FPGA中集成一个或多个Turbo内核，它支持多路大数据流，以满足第三代(3G)WCDMA无线基站和手机的需要，同时大大节省开发时间，使功能的增加或性能的改善非常容易。

因此在无线通信、多媒体等领域将有广泛应用。