DSP技术的应用和发展前景

姓名：王浩晴班级：电气工程及其自动化学号：0909141053 DSP技术的应用和发展前景
【摘要】数字信号处理（DSP）是广泛应用于许多领域的新兴学科，因其具有
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中。

本文概述了DSP 技术在各个领域的应用状况，以及在未来的发展前景。

【关键词】数字信号处理数据处理信息技术
1.引言
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。

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。

数字信号处理是利用计算机或专用处理设备，
以数字形式对信号进行采集、变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理，以
得到符合人们需要的信号形式。

2.DSP器件的特点
1．高速、高精度运算能力
（1）硬件乘法累加操作，在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法。

（2）哈弗结构和流水线结构。

哈佛结构的主要特点是将程序和数据存储在
不同的存储空间中，即程序存储器和数据存储器是两个相互独立的存储器，每个
存储器独立编址，独立访问。

与两个存储器相对应的是系统中设置了程序总线和
数据总线，从而使数据的吞吐率提高了一倍。

由于程序和存储器在两个分开的空
间中，因此取指和执行能完全重叠。

流水线与哈佛结构相关，DSP芯片广泛采用
流水线以减少指令执行的时间，从而增强了处理器的处理能力。

使取指、译码和
执行等操作可以重叠执行，处理器可以并行处理二到四条指令，每条指令处于流
水线的不同阶段。

（3）硬件循环控制。

大多数的DSP都有专门的硬件，用于零开销循环。

所
谓零开销循环是指处理器在执行循环时，不用花时间去检查循环计数器的值、条
件转移到循环的顶部、将循环计数器减1。

（4）特殊的寻址模式。

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FFT很有用）。

（5）具有丰富的外设。

DSP具有DMA（有一组或多组独立的DMA总线，与
CPU的程序、数据总线并行工作，在不影响CPU工作的条件下，DMA速度已达
800Mbyte/s以上）、串口、定时器等外设。

2．强大的数据通信能力。

3．灵活的可编程性。

DSP骗内设置RAM和ROM，可以方便地拓展程序、数据及I/O空间，同时允许ROM和RAM直接数据传送。

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
4．低功耗设计。

DSP可以工作在省电状态，节省了能源。

3.DSP的发展历程
第一种商品化的 IC 数字信号处理器是英特尔的 2920，早在 1979 年就在取代全双工、1200bps 数字硬调制解调器中的模拟滤波器组了。

同时，迅速增多的微处理器和外设提高了处理以数字表示信号的可行性。

那时几乎任何商业化信号处理任务都需要模拟计算，伴有复杂的反馈回路和补偿电路来维持稳定性。

各种依赖位片处理器小型电脑和数据采集硬件的技术都极其昂贵，并且通常只适合于研究人员。

能够经济地把信号数字化，并在数字领域进行数学计算，从而减少漂移和其它用模拟技术处理也很昂贵的不精确条件，这种逻辑很有吸引力，它直接导致今天市场上出现多种系列的 DSP。

八十年代前后，陆续有公司设计出适合于DSP处理技术的处理器，于是DSP 开始成为一种高性能处理器的名称。

TI在1982年发表一款DSP处理器名为TMS32010，其出色的性能和特性倍受业界的关注，当然新兴的DSP业务的确承担着巨大的风险，究竟向哪里拓展是生死攸关的问题。

当努力使DSP处理器每MIPS 成本也降到了适合于商用的低于$10美元范围时，DSP不仅在在军事，而且在工业和商业应用中不断获得成功。

1991年TI推出的DSP批量单价首次低于$5美元而可与16 位的微处理器相媲美，但所能提供的性能却是其5至10倍。

进入九十年代，有多家公司跻身于DSP领域与TI进行市场竞争。

TI首家提供可定制 DSP，称作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，适时地提供各种面向未来发展的解决方案。

到九十年代中期，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。

德州仪器通过不断革新，推陈出新，DSP业务也一跃成为TI的最大的业务，并始终处于全球DSP市场的领导地位。

虽然这个阶段DSP每MIPS的价格已降到10美分到1美元的范围，但DSP所带动的市场规模巨大。

当今DSP之所以可以在嵌入式应用方面挑战微处理器CPU，在数字控制方面可挑战单片机MCU，还在于DSP结构体系已实现多样性。

DSP既有追求高性能并行结构，也有追求低功耗的省点核心；DSP中不仅可以集成闪存、数据转换器和多种接口，还可以集成CPU核心、视频和音频接口。

软件可编程性始终是DSP市场拓展的关键。

目前DSP开发工作中的80%以上已是软件工作。

数字信息产品中需要应用到许许多多新的技术和标准，其中不少需要经过不断完善。

DSP首先可以构建一个强大灵活的硬件平台和软件基础，然后集成各种软件，其中可以包括标准算法、驱动、协议和应用等等。

DSP软件还易于维护和升级，大量工作可以在线实现。

DSP的应用已经涵盖了工业、通信、娱乐、个人医疗、教育、环境控制、安全等领域，我们期待着更多更好的应用。

将来的人们对具有DSP核心的数字信息
产品大概会情有独衷，因为 DSP会创造更多的价值。

4.DSP技术在各领域的应用
1.DSP技术在电力系统模拟量采集和测量中的应用
计算机进入电力系统调度后，引入了EMS/DMS/SCADA的概念，而电力系统数据采集和测量是SCADA的基础部分。

传统的模拟量的采集和获得，通过变送器将一次PT和CT的电气量变为直流量，在进行A/D转换送给计算机。

应用了交流采用技术以后，经过二次PT、CT的变换后，直接对每周波的多点采样值采用DSP 处理算法进行计算，得到电压和电流的有效值和相角，免去了变送器环节。

这不仅使得分布布置的分布式RTU很快地发展起来，而且还为变电站自动化提供了功能综合优化的手段。

2. DSP在变电站自动化的应用
变电站自动化元件较多，模拟量、开关量比较多而且比较分散，要求的实时性也较高，DSP能快速采集、精确处理各种信息，尤其在并行处理上可实现多机多任务操作，实用十分灵活、方便，片内诸多的接口为通讯及人机接口提供了容易的扩展，由于接口的多样化，使励磁、调速器及继电保护的挂网监控更容易。

由于DSP集成度高，硬件设计方便，使设计起来更容易，而且增加了产品的可靠性，DSP在冗余设计上更容易，为水电站实现无人值班，少人值守的发展方向，提供了可靠的新技术。

3.DSP在多媒体通信中的应用
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，儿数字化的音、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对其进行压缩，节省储存空间，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。

4.DSP在软件无线电的应用
软件无线电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，他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。

软件无线电具有系统结构通用、功能实现软件化和互操作性好等一系列优点。

其体系结构有电源、天线、多带射频转换器和A/D/A变换器与DSP组成。

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、调制方式和新品编码等进行编程控制，系统的灵活性大大加强了。

5.DSP在机器人控制中的应用
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长足进步，使得机器人的研究在高水平上进行，同时也对机器人控制系统的性能提出了更高的要求。

随着机器人控制系统对实时性、数据量和计算要求的不断提高，采用高速、高性能的DSP将成为主要的控制方式。

将DSP应用于机器人的控制系统，充分利用DSP实时运算速度快的特点，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，可大大提高控系统的性能。

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5.DSP未来的发展趋势
全球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未来的发展趋势，大致可以分为以下几个方向：
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，但其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。

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)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。

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
现场编程门阵列器件和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。

【参考文献】
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电子中心，湖南大学应用物理系）半导体技术. 2003年 28卷 9期
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