1 引言

    DSP即為數(shù)字信號處理器(Digital Signal Processing)，是在模擬信號變換成數(shù)字信號以后進(jìn)行高速實時處理的專用處理器。它的工作原理是將現(xiàn)實世界的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再用數(shù)學(xué)方法處理此信號，得到相應(yīng)的結(jié)果。自從數(shù)字信號處理器(Digital Signal Processor)問世以來，由于它具有高速、靈活、可編程、低功耗和便于接口等特點，已在圖形、圖像處理，語音、語言處理，通用信號處理，測量分析，通信等領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。隨著成本的降低，控制界已對此產(chǎn)生濃厚興趣，已在不少場合得到成功應(yīng)用。DSP數(shù)字信號處理器DSP芯片采用了數(shù)據(jù)總線和程序總線分離的哈佛結(jié)構(gòu)及改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，較傳統(tǒng)處理器的馮?諾依曼結(jié)構(gòu)具有更高的指令執(zhí)行速度。其處理速度比最快的CPU快10-50倍。在當(dāng)今數(shù)字化時代背景下，DSP 已成為通信、計算機(jī)、消費類電子產(chǎn)品等領(lǐng)域的基礎(chǔ)器件，被譽為信息社會革命的“旗手”。

2 DSP技術(shù)的發(fā)展歷程

    DSP發(fā)展歷程大致分為四個階段：第一階段是70年代理論先行，第二階段是80年代產(chǎn)品普及，第三階段是90年代突飛猛進(jìn)，第四階段是21 世紀(jì)再創(chuàng)輝煌。

    在DSP出現(xiàn)之前數(shù)字信號處理只能依靠MPU（微處理器）來完成。但MPU較低的處理速度無法滿足高速實時的要求。因此，70年代有人提出了DSP的理論和算法基礎(chǔ)。而DSP僅僅停留在教科書上，即便是研制出來的DSP系統(tǒng)也是由分立組件組成的，其應(yīng)用領(lǐng)域僅局限于軍事、航空航大部門。

    隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，1982年世界上誕生了首枚DSP芯片。這種DSP器件采用微米工藝NMOS技術(shù)制作，雖功耗和尺寸稍大，但運算速度卻比MPU快了幾十倍，尤其在語音合成和編碼解碼器中得到了廣泛應(yīng)用。DSP芯片的問世標(biāo)志著DSP應(yīng)用系統(tǒng)由大型系統(tǒng)向小型化邁進(jìn)了一大步。隨著CMOS技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，第二代基于CMOS工藝的DSP芯片應(yīng)運而生，其存儲容量和運算速度成倍提高，成為語音處理、圖像硬件處理技術(shù)的基礎(chǔ)。80年代后期，第三代DSP芯片問世，運算速度進(jìn)一步提高，其應(yīng)用于范圍逐步擴(kuò)大到通信、計算機(jī)領(lǐng)域。

    90年代DSP發(fā)展最快，相繼出現(xiàn)了第四代和第五代DSP器件?，F(xiàn)在的DSP屬于第五代產(chǎn)品，它與第四代相比，系統(tǒng)集成度更高，將DSP芯核及外圍組件綜合集成在單一芯片上。這種集成度極高的DSP芯片不僅在通信、計算機(jī)領(lǐng)域大顯身手，而且逐漸滲透到人們?nèi)粘ＯM領(lǐng)域，前景十分可觀。

2 DSP技術(shù)在各領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用

2.1 通信領(lǐng)域的應(yīng)用

    近年來，隨著通信技術(shù)的飛速發(fā)展，DSP已經(jīng)成為信號與信息處理領(lǐng)域里一門十分重要的新興學(xué)科，它代表著當(dāng)今無線系統(tǒng)的主流發(fā)展方向。現(xiàn)在，通信領(lǐng)域中許多產(chǎn)品都與DSP密切聯(lián)系，例如，Modem、數(shù)據(jù)加密、擴(kuò)頻通信、可視電話等。而尋找DSP芯片來實現(xiàn)算法最開始的目標(biāo)是在可以接受的時間內(nèi)對算法做仿真，隨后是將波形存儲起來，然后再加以處理。圖1所示，給出了一個典型的DSP應(yīng)用系統(tǒng)。數(shù)字蜂窩電話是DSP最為重要的應(yīng)用領(lǐng)域。因DSP具有強(qiáng)大的計算能力，使得移動通信的蜂窩電話重新崛起，并創(chuàng)造了一批諸如GSM、CDMA等全數(shù)字蜂窩電話網(wǎng)[3]。由于采用DSP 技術(shù)，蜂窩電話的更新?lián)Q代變得更為容易，只需在統(tǒng)一的硬件平臺基礎(chǔ)上，通過軟件的不斷升級生產(chǎn)各式各樣的新款手機(jī)。

圖1 系統(tǒng)方框圖[!--empirenews.page--]

    輸入信號首先進(jìn)行帶限濾波和抽樣，然后進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字比特流。根據(jù)香農(nóng)抽樣定理，為保持信息的不丟失，抽樣頻率至少必須是輸入帶限信號最高頻率的兩倍。

2.2 儀器儀表領(lǐng)域的應(yīng)用

    DSP已經(jīng)涉足測量儀表和測試儀器行業(yè)，而且大有取代高檔單片機(jī)的趨勢。使用DSP開發(fā)測量儀表和測試儀器可將產(chǎn)品提升到一個嶄新的水平。新款DSP豐富的片內(nèi)資源可以大大簡化儀器儀表的硬件電路，實現(xiàn)儀器儀表的SOC（System On Chip,即片上系統(tǒng)）設(shè)計。

    儀器儀表的測量精度和速度是一項重要的指標(biāo)，使用DSP芯片開發(fā)產(chǎn)品可使這兩項指標(biāo)大大提高。以TMS320F2810為例，其高效的32位CPU內(nèi)核、優(yōu)異的12位A/D轉(zhuǎn)換器、豐富的片內(nèi)存儲器以及靈活的指令系統(tǒng)為我們開發(fā)快速、高精度儀器搭建了廣闊的平臺。

    目前DSP正處于一個高速發(fā)展的時期，儀器儀表是DSP的一個重要應(yīng)用領(lǐng)域，相信DSP的應(yīng)用會推進(jìn)儀器儀表的技術(shù)革新。

2.3 PC領(lǐng)域中的應(yīng)用

    可編程多媒體DSP是PC領(lǐng)域的主流產(chǎn)品。以XDSL Modem為代表的高速通信技術(shù)與MPEG圖像技術(shù)相結(jié)合，使得高品位的音頻和視頻形式的計算機(jī)數(shù)據(jù)有可能實現(xiàn)實時交換。預(yù)計在今后的PC機(jī)中，一個DSP即可完成全部所需的多媒體的處理功能。

2.4 全新數(shù)碼助聽器中的應(yīng)用

    由于傳統(tǒng)助聽器線路功能的局限性，無法滿足大部分聽障患者的要求，這個使命理所當(dāng)然的留給了全數(shù)碼助聽器。在國外，助聽器的技術(shù)正由傳統(tǒng)的電子放大電路逐步被DSP所取代。DSP具有強(qiáng)大的處理功能，能讓聽障患者聽到更清晰的、想要聽到的聲音，去除患者不想聽到的聲音，從而使現(xiàn)代的助聽器技術(shù)產(chǎn)生一個質(zhì)的飛躍。數(shù)字信號處理是全數(shù)碼助聽器的核心部分。它為調(diào)整輸入/輸出特性和系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性提供很強(qiáng)的靈活性 。

2.5 圖形圖像技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用

    DVD里應(yīng)用的活動圖像壓縮／解壓縮用MPEG2編碼／譯碼器，同時也廣泛地應(yīng)用于視頻點播VOD、高品位有線電視和衛(wèi)星廣播等諸多領(lǐng)域。在這些領(lǐng)域里，應(yīng)用的DSP應(yīng)該具備更高的處理速度和功能。而且，活動圖像壓縮／解壓技術(shù)也日新月異，例如，DCT變換域編碼很難提高壓縮比與重構(gòu)圖像質(zhì)量，于是出現(xiàn)了對以視覺感知特性為指導(dǎo)的小波分析圖像壓縮方法。新的算法出現(xiàn)，要求相應(yīng)的高性能DSP。最近，日本各大學(xué)和高技術(shù)企業(yè)對于開發(fā)虛擬現(xiàn)實VR系統(tǒng)，投入相當(dāng)力量，利用現(xiàn)代計算機(jī)圖像學(xué)CG生成3維圖形，迫切需要多個DSP并行處理系統(tǒng)。其中，系統(tǒng)里的結(jié)點DSP單元，要求采用與并行處理相適應(yīng)的體系結(jié)構(gòu)。[!--empirenews.page--]

2.6 汽車電子系統(tǒng)及其他應(yīng)用領(lǐng)域

    汽車電子系統(tǒng)日益興旺發(fā)達(dá)起來，諸如裝設(shè)紅外線和毫米波雷達(dá)，將需用DSP進(jìn)行分析。如今，汽車愈來愈多，防沖撞系統(tǒng)已成為研究熱點。而且，利用攝像機(jī)拍攝的圖像數(shù)據(jù)需要經(jīng)過DSP處理，才能在駕駛系統(tǒng)里顯示出來，供駕駛?cè)藛T參考。應(yīng)用DSP的領(lǐng)域可以說是不勝枚舉，電視會議系統(tǒng)里，也大量應(yīng)用DSP器件。視聽機(jī)器里也都應(yīng)用DSP。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，將會出現(xiàn)許許多多的DSP新應(yīng)用領(lǐng)域。

3 DSP技術(shù)的發(fā)展前景

    目前，DSP市場正處于高速成長階段，在數(shù)字化、個人化和網(wǎng)絡(luò)化的推動下，2009年世界DSP市場營業(yè)額已超過800億美元，預(yù)計未來的年增長率高達(dá)40%，在全球DSP市場中，僅就美國而言，據(jù)估計，美國有超過1億輛汽車、幾千萬臺個人通信裝置、每個家庭中就有5～20個聯(lián)網(wǎng)的家用電器以及數(shù)以百萬計的工廠使用DSP系統(tǒng)。中國已成為DSP芯片的最大市場，數(shù)碼相機(jī)、IP電話和手持電子設(shè)備的熱銷帶來了對DSP芯片的巨大需求。盡管DSP市場日趨成熟，但仍有成長空間?；ヂ?lián)網(wǎng)和設(shè)備個性化是當(dāng)前信息社會的特征?；ヂ?lián)網(wǎng)是PC時代全球經(jīng)濟(jì)新的增長點，由于PC市場仍未飽和，市場潛力巨大，也是DSP潛在的應(yīng)用領(lǐng)域。而手機(jī)、PDA、MP3播放器以及手提電腦等則是設(shè)備個性化的典型代表，這些設(shè)備的發(fā)展水平取決于DSP的發(fā)展。新的形勢下，DSP面臨的要求是處理速度更高，功能更多更全，功耗更低，存儲器用量更少。DSP的技術(shù)發(fā)展將會有以下一些走勢：

    （1）系統(tǒng)級集成DSP是潮流。小DSP芯片尺寸始終是DSP的技術(shù)發(fā)展方向。當(dāng)前的DSP尺寸小、功耗低、性能高。各DSP廠商紛紛采用新工藝，改進(jìn)DSP芯核，并將幾個DSP芯核、MPU芯核、專用處理單元、外圍電路單元、存儲單元統(tǒng)統(tǒng)集成在一個芯片上，成為DSP系統(tǒng)級集成電路。

    （2）追求更高的運算速度和進(jìn)一步降低功耗和幾何尺寸[4]。由于電子設(shè)備的個人化和客戶化趨勢，DSP必須追求更高更快的運算速度，才能跟上電子設(shè)備的更新步伐。同時由于DSP的應(yīng)用范圍已擴(kuò)大到人們工作生活的各個領(lǐng)域，特別是便攜式手持產(chǎn)品對于低功耗和尺寸的要求很高，所以DSP有待于進(jìn)一步降低功耗。按照CMOS的發(fā)展趨勢，依靠新工藝改進(jìn)芯片結(jié)構(gòu)，DSP運算速度的提高和功耗尺寸的降低是完全可能的。

    （3）DSP的內(nèi)核結(jié)構(gòu)進(jìn)一步改善[5]。DSP的結(jié)構(gòu)主要是針對應(yīng)用，并根據(jù)應(yīng)用優(yōu)化DSP設(shè)計以極大改進(jìn)產(chǎn)品的性能。多通道結(jié)構(gòu)和單指令多重數(shù)據(jù)（SIMD）、超長指令字結(jié)構(gòu)（VLIM）、超標(biāo)量結(jié)構(gòu)、超流水結(jié)構(gòu)、多處理、多線程及可并行擴(kuò)展的超級哈佛結(jié)構(gòu)(SHARC)在新的高性能處理器中將占據(jù)主導(dǎo)地位。

    （4）DSP嵌入式系統(tǒng)[5]。DSP嵌入式系統(tǒng)是 DSP系統(tǒng)嵌入到應(yīng)用電子系統(tǒng)中的一種通用系統(tǒng)[4> 。這種系統(tǒng)既具有DSP器件在數(shù)據(jù)處理方面的優(yōu)勢，又具有應(yīng)用目標(biāo)所需要的技術(shù)特征。在許多嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域，既需要在數(shù)據(jù)處理方面具有獨特優(yōu)勢的DSP，也需要在智能控制方面技高一籌的微處理器(MCU)。因此，將DSP與MCU融合在一起的雙核平臺，將成為DSP技術(shù)發(fā)展的一種新潮流。

4 結(jié)束語

    目前DSP技術(shù)的應(yīng)可以說是日新月異，它的應(yīng)用領(lǐng)域就像一個是個大金礦，還遠(yuǎn)沒有探測完。當(dāng)前對數(shù)字信號處理問題的關(guān)心仍然是產(chǎn)業(yè)界流行的趨勢。每天，我們翻開一本新的雜志，都會有關(guān)于DSP技術(shù)最新發(fā)展的報道，數(shù)字化的到來對我們既是機(jī)遇也是挑戰(zhàn)。相信DSP技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用將對我們的工作和生活以及觀念產(chǎn)生更大的影響，值得為之奮斗。