DSP原理及应用

DSP原理及应用

DSP的应用和发展前景

课程名称：DSP原理与应用

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1．引言

DSP即为数字信号处理器(Digital Signal Processing)，是在模拟信号变换成数字信号以后进行高速实时处理的专用处理器。它的工作原理是将现实世界的模拟信号转换成数字信号，再用数学方法处理此信号，得到相应的结果。自从数字信号处理器(Digital Signal Processor)问世以来，由于它具有高速、灵活、可编程、低功耗和便于接口等特点，已在图形、图像处理，语音、语言处理，通用信号处理，测量分析，通信等领域发挥越来越重要的作用。随着成本的降低，控制界已对此产生浓厚兴趣，已在不少场合得到成功应用。DSP数字信号处理器DSP芯片采用了数据总线和程序总线分离的哈佛结构及改进的哈佛结构，较传统处理器的冯诺依曼结构具有更高的指令执行速度。其处理速度比最快的CPU快10-50倍。在当今数字化时代背景下，DSP 已成为通信、计算机、消费类电子产品等领域的基础器件，被誉为信息社会革命的“旗手”。

2. DSP的发展历程

DSP发展历程大致分为四个阶段：第一阶段是70年代理论先行，第二阶段是80年代产品普及，第三阶段是90年代突飞猛进，第四阶段是21 世纪再创辉煌。在DSP出现之前数字信号处理只能依靠MPU（微处理器）来完成。但MPU较低的处理速度无法满足高速实时的要求。因此，70年代有人提出了DSP的理论和算法基础。而DSP仅仅停留在教科书上，即便是研制出来的DSP系统也是由分立组件组成的，其应用领域仅局限于军事、航空航大部门。随着大规模集成电路技术的发展，1982年世界上诞生了首枚DSP芯片。这种DSP器件采用微米工艺NMOS技术制作，虽功耗和尺寸稍大，但运算速度却比MPU快了几十倍，尤其在语音合成和编码解码器中得到了广泛应用。DSP芯片的问世标志着DSP应用系统由大型系统向小型化迈进了一大步。随着CMOS技术的进步与发展，第二代基于CMOS工艺的DSP芯片应运而生，其存储容量和运算速度成倍提高，成为语音处理、图像硬件处理技术的基础。80年代后期，第三代DSP芯片问世，运算速度进一步提高，其应用于范围逐步扩大到通信、计算机领域。90年代DSP发展最快，相继出现了第四代和第五代DSP器件。现在的DSP属于第五代产品，它与第四代相比，系统集成度更高，将DSP芯核及外围组件综合集成在单一芯片上。这种集成度极高的DSP芯片不仅在通信、计算机领域大显身手，而且逐渐渗透到人们日常消费领域，前景十分可观。

3. DSP在各领域的应用

3.1 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。

3.2 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

超级哈佛结构(SHARC)在新的高性能处理器中将占据主导地位。

(3) 可编程DSP是主导产品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

(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。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。TI最新发布的OMAP平台是这方面的典型例子。目前，国外众多厂商涉足我国DSP产品市场，我国的DSP应用已有了相当的基础，有1O多家集成电路设计企业从事数字信号处理系统(DSP)及相关产品的开发与应用。从应用范围来说，数字信号处理器市场前景看好。随着DSP芯片的品种和技术档次不断提高以及向多功能化、高性能化、低功耗化方向发展，DSP日益进入人们的生活，在未来相当长的一段时间，我国DSP市场将蓬勃发展，今后几年市场销售额仍将保持40％以上的增长率，具有良好的市场前景。数字信号处理器以其功能强、速度快、接口简单、稳定性好、编程和开发方便、精度高的特点成为信号处理系统开发的主流器件，在通信、语言、图像、生物医学、工业控制、仪器仪表等许多领域得到了日益广泛的应用。随着数字信号处理新技术及微电子技术的不断发展，DSP的处理速度将会不断提高，应用范围将更加广泛，必将为数字化事业的发展奠定坚实的基础。

DSP在移动通信中的适用性

DSP技术是随着时代的进步迅速发展的，目前DSP领域出现了片内集成多个处理器的新型DSP芯片，其结构是将一个通用的CPU核与一个或多个专用的DSP 并行单元集成在同一芯片上。这种集成度的提高极大地提高了并行算法的效率，从而可以有效地利用信号处理带宽，达到以往需要多处理手段或实现专门功能的ASIC芯片才能实现的各项功能。这是DSP技术向软件无线电迈进的关键的一步。在实际应用中，目前使用软件无线电技术的基站系统中已经采用多处理器的硬件结构。目前先进的可编程DSP大约可提供数百到上千MOPS的运算速度。实时软件无线电系统中基带以下部分完全可由DSP实现。因此，以DSP为核心的软件无线电系统对3G通信具有极大的适用性。典型的以DSP为核心的软件无线电多信道的硬件平台作为移动通信终端将体现出以下一些明显的优越性：

1、方便的可量测性：无论是两个信道的基站还是上百个信道的基站都可以建立在相同基本设置的硬件上。这样可以简化设计过程，降低生产费用，减小逻辑复杂度和领域维护的需要。