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-- 發布時間：2010-11-22 9:23:50
-- DSP技術的應用現狀和發展
數字信號處理（DSP,digital signal processing）是一門涉及許多領域的新興學科，在現代科技發展中發揮著極其重要的作用。近年來，數字信號處理理論在不斷取得進步的同時，隨著半導體技術的突飛猛進，專用的數字信號處理器芯片也獲得了飛速發展。
數字信號處理器是在模擬信號變換為數字信號后對數字信號進行高速實時處理的專用處理器，它具有計算速度快、體積小、功耗低等優點，是實現數字信號處理的強大工具。近年來，隨著半導體技術的進步，處理器芯片的處理能力越來越強大，使得信號處理的研究可以主要放在算法和軟件方面，不再像過去那樣需要過多考慮硬件。由于它的出色性能，DSP目前被廣泛應用于數字通信、信號處理、工業控制、圖像處理等領域。
1 DSP的發展歷程
在數字信號處理技術發展的初期（上世紀50～60年代），人們只能在微處理器上完成數字信號的處理。一般認為，世界上第一個單片DSP芯片是1978年AMI公司發布的S2811。1980年，日本NEC公司推出的D7720是第一個具有硬件乘法器的商用DSP芯片，從而被認為是第一塊單片DSP器件。
隨著大規模集成電路技術的發展，1982年美國德州儀器公司柜櫥世界上第一代DSP芯片TMS32010及其系列產品，標志著實時數字信號處理領域的重大突破。TI公司隨后推出了第二代DSP芯片TMS32020及其系列，至今，TI公司已經推出了其第六代DSP芯片TMS320C62X/C67X、TMS320C64X等芯片。
美國Analog Device公司在DSP芯片市場也有一定的份額，推出了一系列具有自己特色的DSP芯片，如其定點的DSP芯片ADSP2101/2103/2105，ADSP2111/2115，ADSP2161/62/64，浮點DSP有ADSP21000/020、ADSP21060/21062等。
20世紀80年代以來，DSP芯片得到了突飛猛進的發展，從運算速度來看，MAC（一次乘加運算）時間已經從80年代初期的400 ns降到了10 ns以下（如TI公司的TMS32054X、TMS320C62X/67X等），處理能力提高了幾十倍。DSP芯片的引腳數量從1980年的64個增加到現在的200個以上，引腳數量的增加也加強了結構的靈活性[1>。
2 DSP系統和芯片的基本結構
2.1 DSP系統的基本結構
系統所需要處理的信號一般為自然條件下的模擬信號，這就需要首先將輸入的信號轉換為數字的電信號。這就需要A/D（模數轉換）模塊，A/D模塊將模擬信號轉換為數字的比特流，輸入給DSP系統，DSP系統對數字信號進行某種處理之后，一般還需要輸出為模擬信號來供人們使用，所以又用到了D/A（數模轉換）模塊，將處理后的數字信號轉換為模擬值。整個系統的構成如圖1所示。
數字信號處理結構穩定性好，可重復性好，可以大規模集成，使得信號處理功能更復雜，手段更靈活，精度更高。
2.2 DSP芯片的結構特點[2>
DSP處理芯片，為了適應信號處理運算的需要，結構與通用的其他計算機或控制處理器相比，有較大的不同，主要的幾點為：
(1)具有專用的算術單元，如硬件乘法器，DSP內部設有硬件乘法器來完成乘法操作，以提高乘法速度。
(2)具有特殊的總線結構——哈佛結構。這種結構使DSP具有獨立的地址總線和數據總線，可以同時取地址和操作數。
(3)流水處理。流水技術使多個不同的操作可以同時執行，處理器內將每條指令的執行分為取址、解碼、執行等階段，不同的階段并行執行，提高了程序執行的效率和速度。
(4)高速的片內存儲器。DSP芯片一般內部集成有程序和數據存儲器，訪問速度快，緩解總線接口的壓力，提高程序執行的速度。
一些其他特殊功能的DSP芯片還具有一些專用的設計結構，這里不一一列出。總之，DSP功能上的特點很大程度上是針對數字信號處理算法的特點，針對性地組成專用的結構，以滿足處理的需要。
3 DSP芯片的產品和市場
3.1 應用領域和市場
在近20多年的時間里，DSP芯片的應用已經從軍事、航空航天領域擴大到信號處理、通信、雷達、消費等許多領域。主要應用有：信號處理、通信、語音、圖像、軍事、儀器儀表、自動控制、醫療、家用電器等。
DSP主要應用市場為3C（communication、computer、consumer——通信、計算機、消費類）領域，所占市場比例超過90%，并且總體市場規模在不斷擴大。在數字化、個人化和網絡化的推動下，預計未來的年均增長率高達40%。在全球的DSP市場中，TI公司獨占鰲頭，占世界市場的45%份額，其次是朗訊(28%)、ADI(12%)、摩托羅拉(12%)、其他公司(3%) [3> 。
3.2 世界主要的DSP芯片制造公司及其產品
（1）TI公司。
TI（Texas Instruments）公司在業界一直處于領先的地位。近年，TI在原來的TMS320C1X、TMS320C25、TMS320C3X/4X、TMS320C5X、TMS320C8X的基礎上又推出了3種高性價比的DSP系列：TMS320C2000、TMS320C5000和TMS320C6000系列。這3種芯片，在我國的信號處理硬件領域應用也是非常廣泛，下面作些簡要介紹：
TMS320C2000系列主要用于工業控制領域，提供了全系列的高性能控制芯片，代碼運行效率高。除了較強的控制功能之外，還提供了方便的接口與高性能外圍器件相連。主要型號有TMS320C24X和28X系列。
TMS320C5000系列為高性能的低功耗定點DSP芯片。處理速度最高可以達到900 MIPS，功耗很低，可以達到0.33 mA/MHz。非常適合移動和手持系統的應用。主要有TMS320C54X和55X系列。
TMS320C6000系列為新一代高性價比DSP芯片，是高端DSP處理器的代表。C6000系列的DSP定點運算可以達到1200到8 000 MIPS（百萬條指令/秒），浮點運算可以達到600到 1 800 MFLOPS（百萬次浮點操作/秒）的運算速度。主要有定點系列的TMS320C62X和浮點系列的TMS320C67X。TMS320C64X為TI最新推出的高性能定點DSP處理器，時鐘速度提高到1 GHz，單片處理能力可達到8 000 MIPS。
（2）Analog Device公司。
ADI公司的DSP目前主要分為3個系列：SHARC、Blackfin、TigerSHARC。
SHARC系列一直在雷達、聲納信號處理等領域享有很高的聲譽，很多商用、軍用的信號處理機中都可以看到SHARC的身影。單片處理能力有限的SHARC之所以能夠在通信信號處理領域有這么高的聲譽，完全是由于ADI優秀的片間互連技術（LINK口），利用這個LINK口可以很方便地將幾片、幾十片SHARC連接起來組成DSP陣列，從而在單片處理能力達不到要求的場所利用DSP陣列就很容易達到了。
Blackfin是近幾年推出的針對性能要求比較高，同時功耗要求又比較低的場所。它所具備的優點很適合在便攜式通信產品中應用。
TigerSHARC是從SHARC改進的高端DSP，它的出現是ADI公司的DSP在高端領域應用開創了歷史性的局面。新推出的第二代TigerSHARC ADSP-TS201S主頻高達600 MHz，處理能力高達14.4 GOPS，還有超大容量的RAM，使它一出世就在高端領域脫穎而出。尤其適合軟件無線電的應用。
DSP已經發展成為了一種成熟的技術，也是一種成熟的產品，它在數字信息時代占據越來越重要的位置，所以其市場的擴展還存在著巨大的空間。DSP的性能、價格和功耗是決定其市場的三個重要因素。挑戰更高的性能，盡可能降低價格和功耗，一直是DSP追求的目標。
4 DSP處理系統的發展現狀
4.1 國際發展現狀
簡略國際DSP處理發展的現狀，國外的商業化信號處理設備一直保持著快速的發展勢頭。歐美等科技大國保持著國際領先的地位。例如美國DSP research公司，Pentek公司，Motorola公司，加拿大Dy4公司等，他們很多已經發展到相當大的規模，競爭也愈發激烈。我們從國際知名DSP技術公司發布的產品中就可以了解一些當今世界先進的數字信號處理系統的情況。
以Pentek公司一款處理板4293為例，使用8片TI公司 300 MHz的TMS320C6203芯片，具有19 200 MIPS的處理能力，同時集成了8片32 MB的SDRAM，數據吞吐600 MB/s。該公司另一款處理板4294集成了4片Motorola MPC7410 G4 PowerPC處理器，工作頻率400/500 MHz，兩級緩存256K×64 bit，最高具有16MB的SDRAM。
ADI公司的TigerSHARC芯片也由于其出色的協同工作能力，可以組成強大的處理器陣列，在諸多領域（特別是軍事領域）獲得了廣泛的應用。以英國Transtech DSP公司的TP-P36N為例，它由4～8片TS101b（TigerSharc）芯片構成，時鐘 250 MHz，具有6～12 GFLOPS的處理能力。
DSP應用產品獲得成功的一個標志就是進入產業化。在以往的20年中，這一進程在不斷重復進行，而且周期在不斷縮小。在數字信息時代，更多的新技術和新產品需要快速地推上市場，因此，DSP的產業化進程還是需要加速進行。隨著競爭的加劇，DSP生產商隨時調整發展規劃，以全面的市場規劃和完善的解決方案，加上新的開發歷年，不斷深化產業化進程。
4.2 我國發展現狀
隨著我國信息產業的發展，近年來我國的數字信號處理學科發展較快。DSP處理器已經在我國的數字通信、信號處理、雷達、電子對抗、圖像處理等方面得到了廣泛的應用，為科學技術和國民經濟建設創造了很大價值。全國有很多高校、科研機構的信號處理實驗室都在大力研究性能更高的數字信號處理設備，取得了很多研究成果。我國的科研人員通過對先進的DSP芯片的研究，已經研制出一些高性能處理設備的解決方案，并且在板級PCB設計方面，也取得了寶貴的設計經驗。
以我國某電子技術研究所研制的DSP雷達數字信號處理通用模塊為例，它使用了6片ADSP21060和大規模可編程器件構成通用處理模塊。通過信號處理算法并行設計、系統多數據流設計、處理任務分配調度程序設計，實現高速實時雷達數字信號處理 [4> 。以FFT算法為例，將任務分為3個流水處理過程：FFT、復數乘法、IFFT，實現多片DSP組成并行處理。在33 MHz時鐘下，1 024點處理通過時間為0.7 ms，可以實現單通道數據率為1 MHz，雙通道并行工作為2 MHz。
國內的某大學所研制的基于TMS320C6201的高速實時數字信號處理平臺，實現基-2的復數FFT，允許輸入數據的動態范圍16-bit，可以實現59 μs內完成512點的FFT，130 μs內可以完成1 024點的FFT。
但是，應該看到，我國在信號處理理論、高速高性能處理器設計和制造方面與國際先進水平還有較大差距。而且，主要的核心處理器件基本完全依賴進口，這也是我國半導體研究領域需要大力加強的工作之一。復雜的大型處理機PCB板級設計和制造也存在一定困難，也是需要我國科研人員發揚勇于拼搏的精神，繼續的刻苦努力。
5 DSP技術展望
5.1 向著集成DSP方向發展
目前的DSP多數基于RISC（精簡指令集）結構，這種結構的優點是尺寸小、功耗低、性能高。現在各DSP廠紛紛采用新工藝，將幾個DSP核、MPU核、專用處理單元、外圍電路單元和存儲單元集成在一個芯片上，成為DSP系統級集成電路。
5.2 內核結構進一步改善
多通道結構和單指令多重數據（SIMD）、超長指令字結構（VLIM）、超標量結構、超流水結構、多處理、多線程及可并行擴展的超級哈佛結構在高性能處理器將占據主導地位。
5.3 進一步降低功耗和幾何尺寸
DSP的應用范圍已經擴大到人們工作生活的各個領域，特別是便攜式手持產品對于低功耗和尺寸的要求很高，所以DSP有待于進一步降低功耗。隨著CMOS的發展，提高DSP的運算速度和降低功耗尺寸是完全可能的。
5.4 與可編程器件結合
DSP在許多新的領域的應用要求它借助PLD或FPGA來滿足日益增長的處理要求。與常規DSP器件相比，FPGA器件配合傳統DSP器件可以處理更多的信道，來滿足無線通信、多媒體等領域的多功能和高性能的需要。