DSP技术发展趋势
(姓名:赵鹏;学号:3125568450021
摘要:数字信号处理(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。DSP技术已成为目前电子工业领域发展最迅速的技术,在各行各业的应用越来越广泛,在我国的市场全景也越来越广阔,了解和学习DSP技术知识也越来越重要。本文概述了数字信号处理技术的发展过程,分析了DSP处理器在多个领域的应用状况,介绍了DSP的最新发展,对数字信号处理技术的发展前景进行了展望。
关键字:DSP 数字信号处理信息处理通信工程数据调制解调器高性能声音压缩发展趋势
【正文】: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。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。
一、历史发展
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(DSP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,以得到符合们需要的信号形式。
数字信号处理(DSP是围绕着数字信号处理的理论、实现和应用等几个方面发展起来的。数字信号处理在理论上的发展推动了数字信号处理应用的发展。反过来,数字信号处理的应用又促进了数字信号处理理论的提高。而数字信号处理的
实现则是理论和应用之间的桥梁。
数字信号处理DSP是以众多学科为理论基础的,它所涉及的范围极其广泛。例如,在数学领域,微积分、概率统计、随机过程、数值分析等都是数字信号处理的基本工具,与网络理论、信号与系统、控制论、通信理论、故障诊断等也密切相关。近来新兴的一些学科,如人工智能、模式识别、神经网络等,都与数字信号处理密不可分。可以说,数字信号处理是把许多经典的理论体系作为自己的理论基础,同时又使自己成为一系列新兴学科的理论基础。
世界上第一个单片DSP芯片应当是1978年AMI公司发布的S2811,1979年美Intel公司发布的商用可编程器件2920是DSP芯片的一个主要里程碑。两种芯片内部都没有现代DSP芯片所必须有的单周期乘法器。1980年,日本NEC公司推出的μPD7720是第一个具有乘法器的商用DSP芯片。
在这之后,最成功的DSP芯片当数美国德州仪器公司(TexasInstruments,简称TI 的一系列产品。TI公司在1982年成功推出其第一代DSP芯片TMS32010及其系列产品TMS32011、TMS320C10/C14/C15/C16/C17等,之后相继推出了第二代DSP芯片TMS32020、TMS320C25/C26/C28,第三代DSP芯片TMS320C30/C31/C32,第四
代DSP芯片TMS320C40/C44,第五代DSP芯片TMS320C5X/C54X,第二代DSP 芯片的改进型TMS320C2XX,集多片DSP芯片于一体的高性能DSP芯片TMS320C8X 以及目前速度最快的第六代DSP芯片TMS320C62X/C67X等。TI将常用的DSP芯片归纳为三大系列,即:TMS320C2000系列(包括TMS320C2X/C2XX、
TMS320C5000系列(包括TMS320C5X/C54X/C55X、TMS320C6000系列
(TMS320C62X/C67X。 DSP技术在航空航天方面,主要用于雷达和声纳信号处理;在通信方面,主要用于移动电话、IP电话(voice over IP、ADSL和HFC的信号传输;在控制方面,主要用于电机控制、光驱和硬盘驱动器;在测试/测量方面,主要用于虚拟
仪器、自动测试系统、医疗诊断等;在电子娱乐方面,主要用于高清晰度电视(HDTV、机顶盒(STB、AC-3、家庭影院、DVD等应用;还有数字相机、网络相机等等都应用了DSP技术。同时,SOC芯片系统、无线应用、嵌入式DSP都是未来DSP的发展方向和趋势。可以说,没有DSP就没有对互联网的访问,也不会有多媒体,也没有无线通信。因此,DSP仍将是整个半导体工业的技术驱动力。现在,DSP
应用领域不断拓宽,其函盖面包括宽带Internet接入业务、下一代无线通信系统的发展、数字消费电子市场、汽车电子市场的发展等诸多多方面。
二、技术发展趋势
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,如Analog Devices的 ADSP-2116x。
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(3GWCDMA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。
三、DSP在通信领域的应用现状和新动向
数字信号处理技术在信息领域的广泛使用,理所当然地把数字信号处理器带人了通信设备中,这不仅因为通信业务所支持的语音、数据和图像等信息可以用DSP 进行方便而有效的处理,而且还因为通信的传输方式和传输过程等一系列内在特质性的方面也可以通过DSP来参与控制或付诸实现。
这里从以下几个方面分析和阐述DSP在通信领域的应用现状和新动向
1.在数字终端设备中,用于信源的编码、压缩处理和相应的译码、还原。在今后通信网络各类应用层实现中将越来越多地引入DSP芯片。
我们不妨以最基本最普及的电信业务——数字语音通信为例,说明此类应用的状况。
早期的语音编码很简单,PCM算法很容易就能实现,根本不必用DSP。随着各种语音压缩编码技术的发展,算法复杂度和实现难度越来越大,为DSP 提供了大显身手的机会。比如在数字蜂窝移动通信中,DSP已广泛刷于移动台和基站设备中。为充分利用无线信道资源,数字蜂窝通信一般要采用语音压缩技术,而且为了使手机轻巧灵便,在选择合适的压缩编码算法的同时还应仔细考虑其硬件实现问题,以尽量减小体积,一般是用相应档次的DSP或是用专门的编译码芯片加上必要的控制器件来实现。如有些GSM(全球移动通信系统手机中就采用了ADSP-21msp50系列芯片(AD 公司生产的一种先进的混合信号DSP,昧完成GSM标准的RIPE.m(规则脉冲激励长时预测编码,13kb i t/s速率语音编译码外,富余的芯片处理能力还可用于实现回波消除、待机睡眠方式(power down mode、免提拨号和
操作时的语音识别或其它一些必要的控制功能,从而使整个手机的硬件结构非常简洁。用这类DSP还可实现不同标准的语音编译码,如G.721标准的AD PCM、TI_AIS-54标准的VSELP(矢量和线性预测、IS-9 5标准的QCELP(美国oualc0mm 公司采用的一种码激励线性预测以及美国GBT公司新近推出的具有较高编码效率和语音质量的ADM算法等等。
这里需指出的是,尽管不少语音压缩算法都已有各自相应的专用编译码芯片,但采用DSP具有专用芯片无法取代的优势,如用DSP则可基于同一硬件平台(芯片通过程序块的调度从一种算法切换到另一种算法特别是,未来的个人通信发展潮流很可能在空中接口标准及相应的语音编码算法上形成“八仙过海”的局l,采用DSP作为终端硬件实现可充分发挥软件的灵活性,使设计出来的便携终端能够适应各种移动通信应用场合,口需按一下键钮甚至键钮也不必按就可以使-一部手机在任何网中都畅通无阻,真fE实现个人通信中所谓的终端移动挂。
DSP在语音通信终端中的使用还只是一个比较简单的例子,人们可以很容易由此进一步推广到更新更宽的应用场合,诸如高性能全数字化在线仪表、高清晰度电视、多媒体终端及数字化广播(DAB等:
2.在通信网络的物理层实现中,DSP的应用也越来越广;在有线和无线收发设备中,DSP已经广泛地用于线路增容、基带数字信号的处理,并开始从基带走向无线中频处理。
除了前面提到的信源编码外,DSP还可用于交织、信道编码、信号检测以及滤波、均衡等,不少数字端接设备——如调制解调器(MODEMj都可利用DSP来实现,比如用TMS32020或C25档次的芯片可灵括有效地实现中低速率FSK、PSK信号的解调。高速数字用户线(HDSL、不对称数字用户线(ADSL一类的用户线增容技术,其理论基础就是数字信号处理,因此市场上推出的各种数据泵芯片组中都少不了DSP,只是这类DSP 的争用性很强,一般用于特定场合。
DSP最富创造性和挑战性的应用领域恐怕还是无线通信。未来的全球个人通
信网将是一个“陆海空”立体化综合网络,而无线是其中必不可少的组成部分,
DSP 技术发展趋势为适应这一趋势，更好地提供无线通信服务，ＤＳＰ已开始从基带处理走向更高频段的应用，这是一个尤其值得关注的动向。软件无线电（ｓｏｆｔｗａｒｅｒａｄｉｏ）的概念已然叩响无线通信的大门，它最早起源于军事上的战术电台，但已逐渐向民用无线通信领域渗透。不过这种软件无线电技术能否走向商用在很大程度上将取决于是否有可行的硬件支持，尤其是快速ＤＳＰ器件的支持。现在已有高性能的模数转换器问世，可支持（４Ｏ～６０）ＭＩＰＳ（每秒百万样点）的抽样速率，因而某些窄带无线接收系统已可实现中频段全数字化，如果同时又有相应的高速ＤＳＰ，那么就有可能通过软件方法完成从中频直至基带的一系列处理和控制。比如适时地改变调制方式，切换信道以及接收不同类型的信号等等，吼便提高整个系统的灵活性，而且通过对各种不同带宽和符号率的信道统一选取一个足够高的抽样速度，那么这种基于ＤＳＰ的软件无线电还能使多个信道共享前端（射频部分）设备，从而降低每条信道的成本。 3.在网络节点设备和网络传输设备中，用于各类业务数据和信道的大规模集中控制和处理。这方面的应用包括对大量数据或信号的分类、识别、压缩、码变换以及在网络级实现回波消除、自适应均衡、数字滤波、信道纠错编码、信道宴时监测和维护等。ＤＳＰ的应用从终端级向网络级拓展，一方面缘于社会信息化对现代
通信在容量、质量及嗣管等方面的需求日益提高，另一方面则出于投资保护、成本核算等方面的考虑。例如，由于以前的电信网络（如ＰＳＴＮ）用户终端和传输线基本上以模拟为主，在向数字化网过渡期间一般采用分步走的策略，为保护原有投资，往往由网络侧完成信号的转换和数字化处理，即使终端和用户线实现数字化，但某些功能放到网络级来宴现或许更为经济合理，用络对用户的控制也更灵活再如，为了提高现有网络资源、传输设施（如卫星转发器）的利用率，数字电路倍增设备（ＤＣＭＥ）和分组电路倍增设备（ＰＣＭＥ）得到了广泛使用，两者都采用了语音识别、语音活跃度检测和语音压缩编码技术以ＰＣＭＥ为例，一套设备一般要处理数百条话路，所需的ＤＳＰ芯片达数十个之多．除完成信号的分类、检测、压缩、编码外，还完成回波消除等功能。【结束语】我们正处于世纪之交，迎接我们的将是一个高度信息化的时： 6
DSP 技术发展趋势代，而通信在其中扮演着重要的角色。现代通信的发展为人们描绘出五彩缤纷的蓝图：时髦的多媒体通信、诱人的信息高速公路以及来来的全球个人通信，一句话，信息的传递和交流将达到几乎随心所欲的地步。然而在美好蓝图的背后，却是一场永无休止的挑战，加之通信本身是一个应用性很强的领域，所以不仅要求理论上不断创新，还要求在技术上不断突破（这里包括方法、手段和器件等各个方面），在目前形势下，后者显得尤为迫切。作者所论及的仅仅是其中一个很小的侧面，而且有些观点难免失之偏颇或不够切实，恳望批评指正。参考文献： 1.DSP, 百度百科 2.浅谈 DSP 技术的应用和发展前景,知网空间 3. DSP 技术应用领域及在我国的市场前景，天涯问答 4. 现代通信中的 DSP：面临的挑战及未来发展趋势，百度文库 7