2022年DSP技术的最新发展及其应用现状 .pdf

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1、DSP技术的最新 发展及其 应用现状(12008-05-26 09:29:50 作者:吕海英来源:中国自 动化网数字信号 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。在通常的实时信号处理中,它具有可程控、可 预见性、精度高、稳定性好、可靠性和可重复性好、易于 实现自适应算法、大规模集成等 优点,这都是模 拟系统所不及的。DSP的发展大致分 为三个阶段:在数字信号 处理技术发展的初期(二十世 纪5060年代,人们只能在微 处理器上完成数字信号的 处理。直到70年代,有人才提出了 DSP的理论和算法基 础。一般认为,世界上第一个 单片DSP 芯片应当是1978年AMI 公司

2、发布的S2811。1979年美国 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。这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 mP D7720是第一个具有硬件乘法器的商用DSP 芯片,从而被 认为是第一 块单片DSP器件。随着大 规模集成 电路技术的发展,1982年美国德州 仪器公司推出世界上第一代 DSP芯片TMS32010及其系列 产品,标志着实时数字信号 处理领域的重大突破。TI公司之后不久相 继推出了第二代 DSP芯片TMS32020、TMS320C25/C26/C28、第三代DSP芯片TMS320

3、C30/C31/C32。90年代DSP发展最快,TI公司相 继推出第四代 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。随着CMOS技术的进步与发展,日本的 Hitachi 公司在 1982年推出第一个基于 CMOS工艺的浮点 DSP芯片,1983年日本Fujitsu公司推出的MB8764,其指令周期 为120ns,且具有双内部 总线,从而使 处理吞吐量 发生了一个大的飞跃。而第一

4、个高性能浮点 DSP芯片应是AT&T 公司于 1984年推出的 DSP32。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 6 页 -与其他公司相比,Motorola公司在推出 DSP 芯片方面相 对较晚。1986年,该公司推出了定点 处理器MC56001。1990年,推出了与 IEEE浮点格式兼容的浮点 DSP芯片MC96002。美国模 拟器件公司(AD在DSP芯片市 场上也占有一定的份 额,相继推出了一系列具有自己特点的 DSP芯片,其定点 DSP芯片有 ADSP2101/2103/2105、ASDP2111/2115、ADSP2161/2162/2164 以及 ADSP21

5、71/2181,浮点DSP芯片有 ADSP21000/21020、ADSP21060/21062等。自1980年以来,DSP芯片得到了突 飞猛进的发展,DSP芯片的 应用越来越广泛,并逐渐成为电子产品更新换代的决定因素。从运算速度来看,MAC(一次乘法和一次加法时间已经从20世纪80年代初的 400ns(如TMS32010降低到 10ns以下(如TMS320C54X、TMS320C62X/67X等,处理能力提高了几十倍。DSP芯片内部关键的乘法器部件从 1980年占模片区(die area 的40%左右下降到 5%以下,片内RAM 数量增加一个数量 级以上。DSP芯片的引脚数量从 1980年的

6、最多 64个增加到 现在的200个以上,引脚数量的增加,意味着 结构灵活性的增加,如外部存 储器的扩展和处理器间的通信等。2 DSP系统构成及其特点2.1 DSP系统构成数字信号 处理器是利用 计算机或 专用处理设备,在模拟信号变换成数字信号以后,以数字形式 对信号进行采集、变换、滤波、估值、增 强、压缩、识别等高速 实时处理的专用处理器,其处理速度比最快的 CPU还快1050倍。图1所示为一个典型的 DSP系统。输入信号首先 进行带限滤波和抽 样,然后进行A/D变换将信号 变换成数字比特流。DSP芯片的输入是A/D 变换后得到的以抽 样形式表示的数字信号,DSP芯片对输入名师资料总结-精品资

7、料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 6 页 -的数字信号 进行某种形式的 处理,如进行一系列的乘累加操作(MAC。最后,经过处 理后的数字 样值再经D/A(Digital to Analog变换转换为 模拟样值,之后再 进行内插和平滑 滤波就可得到 连续的模拟波形。必须指出的是,上面给出的DSP系统模型是一个典型模型,但并不是所有的 DSP系统都必须具有模型中的所有部件。2.2 DSP系统的特点 1数字信号 处理系统是以数字信号 处理为基础,因此具有数字 处理的全部 优点:(1接口和 编程方便。DSP系统与其他以 现代数字技 术为基础的系统或设备都是相互兼容的,与这样的系统接口以 实现某

8、种功能要比模 拟系统与这些系统接口容易得多;另外,DSP系统中的可 编程DSP芯片可使 设计人员在开发过程中灵活方便地 对软件进行修改和升级。(2稳定性和可重复性好。DSP系统以数字 处理为基础,受环境温度、湿度、噪声、电磁场的干扰和影响 较小,可靠性高;数字系 统的性能基本不受元器件参数性能变化的影响,因此数字系 统便于测试、调试和大规模生产。(3精度高。16位数字系 统可以达到 10-5的精度。(4特殊应用。有些应用只有数字系 统才能实现,例如信息无失真 压缩、V型滤波器、线性相位 滤波器等等。(5集成方便。DSP系统中的数字部件有高度的 规范性,便于大 规模集成。当然,数字信号 处理在高

9、 频信号处理上也存在一定的缺点。DSP 系统中的高速 时钟可能带来高频干扰和电磁泄漏等 问题,而且DSP 系统消耗的功率也 较大。此外,DSP技术更新的速度快,数学知 识要求多,开发和调试工具还不尽完善。2.3 数字信号 处理器与通用微 处理器的比 较3,4表1列出了二者的主要不同之 处:此外,DSP处理器往往都支持 专门的寻址模式,它们对通常的信号 处理操作和算法是很有用的。例如,模块(循环寻址(对实现 数字滤名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 6 页 -波器延 时线很有用、位倒序寻址(对快速傅立叶 变换很有用。这些非常 专门的寻址模式在GPP中是不常使用的,只有用

10、 软件来实现。在 执行时间的预测上,DSP对高性能 GPP的优势在于,即便是使用了高速 缓存的DSP,哪些指令会放 进去也是由程序 员(而不是 处理器来决定的;DSP一般不使用 动态特性,如转移预测和推理 执行等。因此,由一段 给定的代码来预测所要求的 执行时间是完全直截了当的,从而使程序 员得以确定芯片的性能限制。3DSP芯片的 应用3.1 DSP的应用领域在近20多年时间里,DSP芯片的 应用已经从军事、航空航天领域扩大到信号 处理、通信、雷达、消 费等许多领域2。主要应用有:信号处理、通信、语音、图形/图像、军事、仪器仪表、自动控制、医疗、家用电器等。DSP主要应用市场为3C领域,合占整

11、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

12、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。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页，共 6 页 -3.2 DSP 的市场规模 从 80 年代开始起步的 DSP 市场，目前正处于高速成 长的阶段。在数字化、个人化和网 络化的推 动下，1997 年世界 DSP 市场营销 额超过 32 亿美元，预计未来的年均增 长率高达40%，按照这一增 长速度，至 2007 年，世界 DSP 市场营销

13、额 将突破 500 亿美元。在全球 DSP 产品市场中，TI 公司独占 鳌头，占世界市场 45%的份额，其次是朗讯（28%）、ADI（12%）、摩托 罗拉（12%）、其他公司（3%）。4 DSP 的发展前景 4.1 DSP 的技术展望2,6（1）努力向系统级集成 DSP 迈进。缩小 DSP 芯片尺寸始 终是 DSP 的技术发展方向。当前的 DSP 多数基于 RISC（精 简指令集 计算）结构，这种结构的优点是尺寸小、功耗低、性能高。各 DSP 厂商纷纷采用新工 艺，改 进 DSP 芯核，并将几个 DSP 芯核、MPU 芯 核、专用处理单元、外围电路单元、存储单元统统集成在一个芯片上，成为 DS

14、P 系统级集成电路。这样的集成 缩小了整机的体 积，缩短了产品上市的 时间，是一个重要的发展趋势。（2）DSP 的内核 结构进一步改善。DSP 的结构主要是 针对应 用，并根据 应用优化 DSP 设计以极大改 进产品的性能。多通道 结构和单指令多重数据（SIMD）、超 长指令字 结构（VLIM）、超 标量结构、超流水 结构、多处理、多线程及可并行 扩展的超 级哈佛结构(SHARC 在新的高性能 处理器中将占据主 导地位 2。（3）可 编程 DSP 是主导产品。可编程 DSP 给生产厂商提供了很大的灵活性。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

15、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 7。由于电子设备的个人化和客 户化趋势，DSP 必须追求更高更快的运算速度，才能跟上电子设备的更新步伐。同时由于 DSP 的应用范围已扩大到人 们工作生活的各个 领域，特别是便携式手持 产品对于低功耗和尺寸的要求很高，所以 DSP 有待于 进一步降低功耗。按照 CMOS 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 5 页，共 6 页 -的发展趋势，依靠新工艺改进芯片结构，DSP 运算速度的提高

16、和功耗尺寸的降低是完全可能的。（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。DSP 的许多新应用需要比 传统 DSP 处理器更加 强大的数字信号 处理能力，设计者往往会借助 PLD 和 FPGA 来满足他们日益提高的信号 处理需求 8。与常规 DSP 器件相比，FPGA 器件配合 传统的

17、 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9。DSP 嵌入式系 统是 DSP 系统嵌入到 应用电子系统中的一种通用系 统4。这种系统既具有 DSP 器件在数据处理方面的 优势，又具有应用目标所需要的技 术特征。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。4.2 我国 DSP 市场前景 目前，国外众多厂商涉足我国 DSP 产品市场，我

18、国的 DSP 应用已有了相当的基 础，有 10 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。DSP 不仅成为手机、个人数字助理等快速增 长产品中的关 键元件，而且它正在向数 码相机和 电机控制等 领域挺进。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、低功耗化放向 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。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 6 页，共 6 页 -