数字信号处理的应用与发展 历程

数字信号处理的应用

数字信号处理是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。

自然界中存在的各种各样的信息和信号都可以通过传感器转换为电信号，例如：声音、语言和音乐可以通过传声器（如话筒）转换成音频信号；人体器官的运动信息（如心电、脑电、血压和血流）可转换成不同类型的生物医学信号；机器运转产生的一些物理变（如温度、压力、转速、振动和噪声等）可用不同类型的传感器转换成对应于各种物理量的电信号；在人造卫星上用遥感技术可得到地面上的地形、地貌，甚至农田水利和各种建筑设施的信息；雷达、声纳能探测远方飞机和潜艇的距离、方位和运行速度等信息。

总之，在现代社会里，信息和信号与人民生活、经济建设、国防建设等很多方面都有着密切的关系。

DSP芯片的应用

随着DSP芯片性能的不断改善，用DSP芯片构造数字信号处理系统作信号的实时处理已成为当今和未来数字信号处理技术发展的一个热点。随着各个DSP芯片生产厂家研制的投入，DSP芯片的生产技术不断更新，产量增大，成本和售价大幅度下降，这使得DSP芯片应用的范围不断扩大，现在DSP芯片的应用遍及电子学及与其相关的各个领域。

典型应用(1)通用信号处理：卷积，相关，FFT，Hilbert变

换，自适应滤波，谱分析，波形生成等。(2)通信：高速调制/解调器，编/译码器，自适应均衡器，仿真，蜂房网移动电话，回声/噪声对消，传真，电话会议，扩频通信，数据加密和压缩等。(3)语音信号处理：语音识别，语音合成，文字变声音，语音矢量编码等。(4)图形图像信号处理：二、三维图形变换及处理，机器人视觉，电子地图，图像增强与识别，图像压缩和传输，动画，桌面出版系统等。(5)自动控制：机器人控制，发动机控制，自动驾驶，声控等。(6)仪器仪表：函数发生，数据采集，航空风洞测试等。(7)消费电子：数字电视，数字声乐合成，玩具与游戏，数字应答机等。

在医学电子学方面的应用

如同其它数字图像处理一样，DSP芯片已在医学图像处理，医学图像重构等领域，如CT、核磁成象技术等方面得到了广泛的应用，已取得了令人满意的效果。在助听，电子耳涡等方面也取得了相当的进展(文献［1,2］)。国内、外也有关于脑电、心电、心音和肌电信号处理方面基于DSP芯片系统的报道(文献［4～7］)，我们对1996年以前国外生物医学工程的部分核心期刊，如IEEE Transactions on Biomedical Engineering,Computers and Biomedical Research等核心期刊进行检索，有关基于DSP芯片处理系统的报道很少。对国内生物医学工程的核心期刊，如《中国医疗器械杂志》、《中国生物医学工程杂志》、《生物医学工程学杂志》和《中国生物医学工程学报》等刊物进行检索，未见有关基

于DSP芯片系统方面的报道。对我所的光盘数据库进行检索，未见有关在航天医学方面应用的报告。

我们认为在生理信号处理领域基于DSP芯片的技术可以解决我们在实际工作中遇到的某些问题，如当生理信号数据量很大(如脑电，肌电等)且处理算法相对复杂时，现有的微机在实时采样、处理、存储和显示方面往往不能满足实际应用要求，而基于DSP

芯片的高速处理单元和微机构成主从系统可以较好地解决这类问题。

载人航天领域中信号传输带宽的限制需要对生理数据进行实时压缩；大型实验中对庞大的数据进行实时处理依赖于数字处理系统的构成；载人航天中对数据处理精度，可靠性要求以及功耗、工作电压、体积、重量等方面的限制需要我们在构造处理系统中选择性能优良的芯片。我们认为将DSP技术应用于载人航天领域具有十分重要的意义。

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。

嵌入式DSP在家电中的应用

DSP擅善于数学运算，嵌入式DSP电机控制芯片把DSP内核与一系列功能强盛的控制外设集成到一个芯片上，这样便能以快速的DSP内核作为计算引擎，加上片内的A/D模块提高了电机控制带宽，而且允许低本钱实现更加复杂垢控制和无传感器的算法，因此能控制交流感应电动机、无刷直流电动机和开关磁阻电机，需不需要速度或位置传感器，甚至特另外电流传感方式。这些计算能力和优化的外设使它很容易的完成更多的功能，如功率因数的校正;在不增加控制器本钱的情况下，满意某些特别应用的要求，如洗衣机的平衡控制。

新经济将我们带进一个全数字的世界，更多的数字信息将要涌入家庭，如网络冰箱就是量例。嵌入式DSP使控制器甚至是电器之间建立通信成为易事。最新的嵌入式DSP带调试用的JTAG和为家庭网络控制用的CAN总线。DSP计算引擎将与更先进的外设集成，提供一种单片解决方案。因此优化的外设是可编程的，而且处于软件的实时控制之下，所以嵌入式DSP可提供更加灵活多样的控

制特征，且易于升级。

本文将从嵌入式DSP电机控制芯片的基本特征开始，介绍一下基于DSP的磁场定向控制和扩展卡尔曼滤波算法。

嵌入式DSP电机控制芯片

差别的厂商，他们的DSP电机控制芯片在DSP内核、外设、编程语言以及其它半导体技术中均有差别。先进的DSP内核与优化的外设结合，不但可用于电机控制，也可以用于通信和其它功率电子控制。由于每个应用之间在外设方面相差很大。为所有的应用设计一个嵌入式的电机控制芯片是不经济的，也是不现实的。通常，都会有一系列产品为差别的应用而优化。外设至少应包括3～6相16位PWM孕育发生器、多重辅助PWM计数器、模仿量收罗系统、参考电压、串行通信口、通用I/O口，另外也可以包括编程器接口、CAN总线和JTAG接口、DMA控制器、DPI口等等。一些嵌入式DSP具有片内Flash存储器，如ADI的DashDSP系列。