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【爱劳动爱分享】+ 浅析DSP技术的创新应用及其发展前景

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发表于 2017-4-25 13:09 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 队长shiwo 于 2017-4-25 13:12 编辑

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技术的发展历程
    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。
2 DSP技术在各领域的创新应用
2.1 通信领域的应用
    近年来,随着通信技术的飞速发展,DSP已经成为信号与信息处理领域里一门十分重要的新兴学科,它代表着当今无线系统的主流发展方向。现在,通信领域中许多产品都与DSP密切联系,例如,Modem、数据加密、扩频通信、可视电话等。而寻找DSP芯片来实现算法最开始的目标是在可以接受的时间内对算法做仿真,随后是将波形存储起来,然后再加以处理。图1所示,给出了一个典型的DSP应用系统。数字蜂窝电话是DSP最为重要的应用领域。因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[3]。由于采用DSP 技术,蜂窝电话的更新换代变得更为容易,只需在统一的硬件平台基础上,通过软件的不断升级生产各式各样的新款手机。
图1 系统方框图
输入信号首先进行带限滤波和抽样,然后进行模/数转换,将模拟信号转换成数字比特流。根据香农抽样定理,为保持信息的不丢失,抽样频率至少必须是输入带限信号最高频率的两倍。
2.2 仪器仪表领域的应用
    DSP已经涉足测量仪表和测试仪器行业,而且大有取代高档单片机的趋势。使用DSP开发测量仪表和测试仪器可将产品提升到一个崭新的水平。新款DSP丰富的片内资源可以大大简化仪器仪表的硬件电路,实现仪器仪表的SOC(System On Chip,即片上系统)设计。
    仪器仪表的测量精度和速度是一项重要的指标,使用DSP芯片开发产品可使这两项指标大大提高。以TMS320F2810为例,其高效的32位CPU内核、优异的12位A/D转换器、丰富的片内存储器以及灵活的指令系统为我们开发快速、高精度仪器搭建了广阔的平台。
    目前DSP正处于一个高速发展的时期,仪器仪表是DSP的一个重要应用领域,相信DSP的应用会推进仪器仪表的技术革新。

2.3 PC领域中的应用
    可编程多媒体DSP是PC领域的主流产品。以XDSL Modem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。预计在今后的PC机中,一个DSP即可完成全部所需的多媒体的处理功能。
2.4 全新数码助听器中的应用
    由于传统助听器线路功能的局限性,无法满足大部分听障患者的要求,这个使命理所当然的留给了全数码助听器。在国外,助听器的技术正由传统的电子放大电路逐步被DSP所取代。DSP具有强大的处理功能,能让听障患者听到更清晰的、想要听到的声音,去除患者不想听到的声音,从而使现代的助听器技术产生一个质的飞跃。数字信号处理是全数码助听器的核心部分。它为调整输入/输出特性和系统的频率响应特性提供很强的灵活性 。
2.5 图形图像技术领域的应用
    DVD里应用的活动图像压缩/解压缩用MPEG2编码/译码器,同时也广泛地应用于视频点播VOD、高品位有线电视和卫星广播等诸多领域。在这些领域里,应用的DSP应该具备更高的处理速度和功能。而且,活动图像压缩/解压技术也日新月异,例如,DCT变换域编码很难提高压缩比与重构图像质量,于是出现了对以视觉感知特性为指导的小波分析图像压缩方法。新的算法出现,要求相应的高性能DSP。最近,日本各大学和高技术企业对于开发虚拟现实VR系统,投入相当力量,利用现代计算机图像学CG生成3维图形,迫切需要多个DSP并行处理系统。其中,系统里的结点DSP单元,要求采用与并行处理相适应的体系结构。
2.6 汽车电子系统及其他应用领域
    汽车电子系统日益兴旺发达起来,诸如装设红外线和毫米波雷达,将需用DSP进行分析。如今,汽车愈来愈多,防冲撞系统已成为研究热点。而且,利用摄像机拍摄的图像数据需要经过DSP处理,才能在驾驶系统里显示出来,供驾驶人员参考。应用DSP的领域可以说是不胜枚举,电视会议系统里,也大量应用DSP器件。视听机器里也都应用DSP。随着科学技术的发展,将会出现许许多多的DSP新应用领域。
3 DSP技术的发展前景
    目前,DSP市场正处于高速成长阶段,在数字化、个人化和网络化的推动下,2009年世界DSP市场营业额已超过800亿美元,预计未来的年增长率高达40%,在全球DSP市场中,仅就美国而言,据估计,美国有超过1亿辆汽车、几千万台个人通信装置、每个家庭中就有5~20个联网的家用电器以及数以百万计的工厂使用DSP系统。中国已成为DSP芯片的最大市场,数码相机、IP电话和手持电子设备的热销带来了对DSP芯片的巨大需求。尽管DSP市场日趋成熟,但仍有成长空间。互联网和设备个性化是当前信息社会的特征。互联网是PC时代全球经济新的增长点,由于PC市场仍未饱和,市场潜力巨大,也是DSP潜在的应用领域。而手机、PDA、MP3播放器以及手提电脑等则是设备个性化的典型代表,这些设备的发展水平取决于DSP的发展。新的形势下,DSP面临的要求是处理速度更高,功能更多更全,功耗更低,存储器用量更少。DSP的技术发展将会有以下一些走势:
    (1)系统级集成DSP是潮流。小DSP芯片尺寸始终是DSP的技术发展方向。当前的DSP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DSP系统级集成电路。
    (2)追求更高的运算速度和进一步降低功耗和几何尺寸[4]。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的发展趋势,依靠新工艺改进芯片结构,DSP运算速度的提高和功耗尺寸的降低是完全可能的。
    (3)DSP的内核结构进一步改善[5]。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。
    (4)DSP嵌入式系统[5]。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 结束语
    目前DSP技术的应可以说是日新月异,它的应用领域就像一个是个大金矿,还远没有探测完。当前对数字信号处理问题的关心仍然是产业界流行的趋势。每天,我们翻开一本新的杂志,都会有关于DSP技术最新发展的报道,数字化的到来对我们既是机遇也是挑战。相信DSP技术的发展和应用将对我们的工作和生活以及观念产生更大的影响,值得为之奋斗。

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