数字信号处理与数字信号处理器

物理学与信息科学技术专题

第十讲　数字信号处理与数字信号处理器(D SP)

1)

李昌立

1,

董永宏

2

(1　中国科学院声学研究所　北京　100080)(2　闻亭数字系统(北京)有限公司　北京　100085)

摘　要 文章简要介绍了“数字信号处理”与“数字信号处理器(DSP )”的发展历史.在数字信号处理的应用中,实时实现是非常重要的,而DSP 在实时处理中,扮演了一个重要的角色.文章中还介绍了DSP 在实际应用中的一些关键技术,例如DSP 的种类和选型,DSP 的开发工具,实时软件的开发过程等.最后,还介绍了一些DSP 的应用实例,如语音编码器,视频电话和视频会议系统,用于雷达和声纳的DSP 并行处理系统

关键词 数字信号处理器(DSP ),实时信号处理,DSP 开发工具,DSP 并行处理系统.

D i g it a l si gna l processi n g and processors

L I Chang 2L i 1,

DONG Yong 2Hong

2

(1Institute of Acoustics ,Chinese A cade m y of Sciences,B eijing 100080,China )

(2W intech D igitalsyste m s Technology corp,B eijing 100085,China )

Abstract The history of digital signal p r ocessing and the digital signal p r ocess or (DSP )is reviewed .A s is well known,real -ti me i mp lementation is crucial in the app licati ons of digital signal p rocessing in which the DSP p lays an i m portant role .Certain key techniques,such as the types and type selecti on of DSPs,their devel 2opment equipment,real -ti me s oft ware development and s o on are then described .Finally,s ome p ractical ap 2p licati ons such as s peech coding hardware,video telephone and video conference system s,DSP parallel p ro 2cessing system s for s onar and radar are als o described

Keywords digital signal p r ocess or,real -ti me signal p r ocessing .development equi pment,parallel p r ocess 2ing system

1)　该专题的第一至第九讲分别发表于2005年第1—8期,第12期

《物理》———编者注

2005-09-27收到初稿,2006-03-14修回

　通讯联系人.Email:li_chang_li_cn@hot m ail .com

1　数字信号处理与数字信号处理器(DSP )发展史的简要回顾[1—3]

DSP 既是D igital Signal Pr ocessing 的缩写,也是D igital Signal Pr ocess or 的缩写,前者是指数字信号

处理的理论和方法,后者则是指用于数字信号处理的可编程微处理器.我们所说的DSP 技术,一般是指将DSP 处理器用于完成数字信号处理的方法和技术.

自从1965年库利(Cooley )和图基(Tukey )在

《计算数学》(《Mathe matic of Computati on 》

)上发表了《用机器计算复序列傅里叶级数的一种方法》一文以后,接着又有人发表了在计算机上用差分方程实现滤波器的算法,以及用计算机设计数字滤波器

的各种方法.此后,“数字信号处理”这一分支学科迅速发展,逐渐形成了一整套较为完整的学科领域和理论体系.到今天,“数字技术”已经渗透到各行各业,成为了高新技术的代名词.很多传统产业采用

了数字技术以后,工作效率和经济效益成倍提高,对国民经济和国防建设有着极为重要的作用.数字技术包括方法和实现两方面.方法依靠“数字信号处理”的理论和算法,而实现则依靠“数字信号处理器”所构成的硬件和软件,从而构成了“数字信号处理”这一分支学科的内容.通俗地讲,即实现信号的采集、数字化处理和具体应用.信号的数字化处理则包括数字滤波技术、离散时间信号的时域分析和频域分析、自适应信号处理、估计理论、信号的压缩、信号的建模等.

由于数字信号处理系统和模拟信号处理系统相比,具有一些明显的优点:精度高,灵活性高,可靠性强,容易大规模集成,可获得高性能指标等,使得它在通信、语音、图像、雷达、地震测报、声纳、遥感、生物医学、电视、仪器仪表等领域得到愈来愈广泛的应用.在数字信号处理的应用中,有一些项目例如语音通信、电视、雷达、声纳、精确制导等都要求实时处理.,要同时完成所要求的处理任务,即处理信息所用的时间要等于或小于信息输入所用的时间.这个时间范围可以从200ns一直到20或30m s.实时信号处理的核心指标之一就是数据率可以容忍处理中产生的延迟.例如在数字语音编码中,假设为8kHz的采样率,则对于编码器的实时处理,包含了从样品到样品的编码处理,要求在125μs的时间内执行,此时的延迟也为125μs.但是,在码激励线性预测(CELP)编码器中,其编码过程是在块到块的基础上执行.典型情况下,主块长度为20—30m s(一帧的时间),而较小块的长度为4—5m s(子帧时间),因而允许增加处理时间,但延迟时间也加长了.其余电视、声纳、雷达等,同此原理,但数据速率高,对器件的速度要求就更高.

因此,数字信号处理器(以下简称DSP)最重要的特点是处理信号的速度要快,能够达到实时处理的要求.这在1980年以前还是比较困难的.在微电子学、数字信号处理和计算机科学专家们的共同努力下,一种按照数字信号处理的算法要求、采用计算机体系结构、能够灵活编写程序的超大规模集成电路就应运而生了.它被称为DSP.在1980年前后,美国Texas公司推出了第一代DSP芯片T MS32010,它的运算能力为10M I PS(M I PS即每秒完成一兆条指令),只能够在声频范围内完成比较简单的实时处理任务.但投入市场以后,影响很大,发展非常迅速.该公司最新开发的定点DSP芯片T MS320C6414,其处理能力已经达到8000M I PS.而浮点DSP T M2 SC67XX32的运算速度已达到1GF LOPS(GF LOPS 即每秒完成1000M浮点操作).美国AD I公司的Ti2 ger SHARC系列(TS101,TS201),其最强的浮点处理能力为3.6GF LOPS,目前还在高速发展中.

2　DSP的特点和种类[1—7]

通常在计算机上,使用高级语言(例如C语言)对某种算法深入研究,或者对某方案作工程模拟,一般都不能做到实时处理.而要开发为应用产品,大部分都要求实时处理.有两种方法能够达到这个目的:第一种是专用的DSP芯片,它是针对某种应用而设计的,其特点是处理速度快,但灵活性差.第二种就是本文介绍的通用DSP芯片,它可以通过专用的DSP指令,编写各种各样的应用软件,既有灵活性,处理速度又快,能够满足实时处理的要求.

DSP和通常的微处理器(MCU)不同,它是专为数字信号处理而设计的,故它具有下面的一些共同特点:

(1)它和外围设备交换数据的速度很快,具有优先中断的串行和并行接口,以及多路直接存储器存取(DMA).

(2)具有一个或多个乘法-累加器和相应的变址功能,能够快速完成卷积运算.

(3)具有位翻转的专用变址功能,能够快速完成傅里叶变换(FFT).

(4)片内有多套总线,如数据总线、地址总线和外围总线.此外,还有片内存储器,便于流水线操作,提高处理速度.

(5)片内有多种外围设备,如多路定时器、多路直接存储器存取(DMA)、多个并行口和串行口等.

(6)具有多种高速数据传输和控制的方式,能够方便地构成DSP并行处理系统.

以上是DSP芯片的主要特点,当然,不同公司开发的芯片也会有各自的一些独特性能.

可编程的DSP芯片分为两类:定点和浮点.定点DSP运算速度快,也比较便宜,但是,它们的编程比较困难,而且提供了较低的精度.目前定点DSP 已经具有32位字长的数据精度.在DSP系统中,算术性能和电路复杂性之间,必须作一折衷.并不是在所有情况下,都需要使用高精度的数字格式,也就是芯片所提供的性能级别和整个系统的功能应该匹配.浮点DSP超过定点DSP的优点有很多.这些优

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