DSP技术综述
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【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。它是一种通过使用数学技巧执行转换或提取信息，来处理现实信号的方法，这些信号由数字序列表示。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。
【Abstract】:Digital signal processing (DSP) is the one who is widely used in many disciplines involved in many areas of emerging disciplines. It is a through the use of mathematical skills execution conversion or extract information, to deal with real signal method, these signals by digital sequence said.This paper outlines the development of digital signal processing technology, processes, analyzes the DSP processor, application status in many areas, introduced the latest developments in DSP, digital signal processing technology for the future development prospects.
【关键词】数字信号处理；DSP平台；DSP发展趋势【Key words】Signal digital signal processing ; DSP platform ; the development trend of DSP
一、DSP技术的发展历程
DSP的发展大致分为三个阶段：
1.在数字信号处理技术发展的初期（二十世纪50-60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公司发布的S281l。1979年美国Intel公司发布的商用可编程器件2920是DSP芯片的一个重要里程碑。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mPD7720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。
2.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，标志了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和第三代DSP芯片。90年代DSP发展最快。Ti公司相继推出第四代、第五代DSP芯片等。
3.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。而第一个高性能浮点DSP芯片应是A T&T公司于1984年推出的DSP32.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。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降低到10ns以下，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。
二、DSP的现状
1.国际发展现状
国际DSP处理发展的现状，国外的商业化信号处理设备一直保持着快速的发展势头。欧美等科技大国保持着国际领先的地位。例如美国DSP research公司，Pentek公司，Motorola 公司，加拿大Dy4公司等，他们很多已经发展到相当大的规模，竞争也愈发激烈。我们从国际知名DSP技术公司发布的产品中就可以了解一些当今世界先进的数字信号处理系统的情况。
以Pentek公司一款处理板4293为例，使用8片TI公司 300 MHz的TMS320C6203芯片，具有19 200 MIPS的处理能力，同时集成了8片32 MB的SDRAM，数据吞吐600 MB/s。该公司另一款处理板4294集成了4片Motorola MPC7410 G4 PowerPC处理器，工作频率400/500 MHz，两级缓存256K×64 bit，最高具有16MB的SDRAM。
ADI公司的TigerSHARC芯片也由于其出色的协同工作能力，可以组成强大的处理器阵列，在诸多领域（特别是军事领域）获得了广泛的应用。以英国Transtech DSP公司的TP-P36N 为例，它由4～8片TS101b（TigerSharc）芯片构成，时钟 250 MHz，具有6～12 GFLOPS的处理能力。
DSP应用产品获得成功的一个标志就是进入产业化。在以往的20年中，这一进程在不断
重复进行，而且周期在不断缩小。在数字信息时代，更多的新技术和新产品需要快速地推上市场，因此，DSP的产业化进程还是需要加速进行。随着竞争的加剧，DSP生产商随时调整发展规划，以全面的市场规划和完善的解决方案，加上新的开发历年，不断深化产业化进程。
2.我国发展现状
随着我国信息产业的发展，近年来我国的数字信号处理学科发展较快。DSP处理器已经在我国的数字通信、信号处理、雷达、电子对抗、图像处理等方面得到了广泛的应用，为科学技术和国民经济建设创造了很大价值。全国有很多高校、科研机构的信号处理实验室都在大力研究性能更高的数字信号处理设备，取得了很多研究成果。我国的科研人员通过对先进的DSP芯片的研究，已经研制出一些高性能处理设备的解决方案，并且在板级PCB设计方面，也取得了宝贵的设计经验。
以我国某电子技术研究所研制的DSP雷达数字信号处理通用模块为例，它使用了6片ADSP21060和大规模可编程器件构成通用处理模块。通过信号处理算法并行设计、系统多数据流设计、处理任务分配调度程序设计，实现高速实时雷达数字信号处理 [4> 。以FFT算法为例，将任务分为3个流水处理过程：FFT、复数乘法、IFFT，实现多片DSP组成并行处理。在33 MHz时钟下，1 024点处理通过时间为0.7 ms，可以实现单通道数据率为1 MHz，双通道并行工作为2 MHz。
国内的某大学所研制的基于TMS320C6201的高速实时数字信号处理平台，实现基-2的复数FFT，允许输入数据的动态范围16-bit，可以实现59 μs内完成512点的FFT，130 μs内可以完成1 024点的FFT。
但是，应该看到，我国在信号处理理论、高速高性能处理器设计和制造方面与国际先进水平还有较大差距。而且，主要的核心处理器件基本完全依赖进口，这也是我国半导体研究领域需要大力加强的工作之一。复杂的大型处理机PCB板级设计和制造也存在一定困难，也是需要我国科研人员发扬勇于拼搏的精神，继续的刻苦努力。
三、TI DSP平台及应用简述
世界上没有完美的处理器，DSP不是万能的。DSP器件的特点使得它特别适合嵌入式的实时数字信号处理任务。
1.实时的概念
实时的定义因具体应用而异。一般而言，对于逐样本 (sample-by-sample) 处理的系统，如果对单次样本的处理可以在相邻两次采样的时间间隔之内完成，我们就称这个系统满足实时性的要求。即：tproess>tsample，其中，tproess代表系统对单次采样样本的处理时间，tsample代表两次采样之间的时间间隔。举例来说，某个系统要对输入信号进行滤波，采用的是一个100阶的FIR滤波器，即。假设系统的采样率为1KHz，如果系统在1ms之内可以完成一次100阶的FIR滤波运算，我们就认为这个系统满足实时性的要求。如果采样率提高到10KHz，那么实时性条件也相应提高，系统必须在0.1ms内完成所有的运算。需要注意，tproess 还应当考虑各种系统开销，包括中断的响应时间，数据的吞吐时间等。
正确理解实时的概念是很重要的。工程实现的原则是“量体裁衣”，即从工程的实际需要出发设计系统，选择最合适的方案。对于DSP的工程实现而言，脱离系统的实时性要求，盲目选择高性能的DSP器件是不科学的，因为这意味着系统复杂度、可靠性设计、生产工艺、开发时间、开发成本以及生产成本等方面不必要的开销。从这个角度而言，即使系统开发成功，整个工程项目可能仍然是失败的。
2.嵌入式应用
嵌入式应用对系统成本、体积和功耗等因素敏感。DSP器件在这些方面都具有可比的优势，因此DSP器件特别适合嵌入式的实时数字信号处理应用。反过来，对于某一个具体的嵌
入式的实时数字信号处理任务，DSP却往往不是唯一的，或者是最佳的解决方案。越来越多的嵌入式RISC处理器开始增强数字信号处理的功能；FPGA厂商为DSP应用所做的努力一直没有停止过；针对某项特定应用的ASIC/ASSP器件的推出时间也越来越快。开发人员面临的问题是如何根据实际的应用需求客观地评价和选择处理器件。
以媒体处理应用为例，现行的国际标准较多，包括MPEG1/2/4、H261/3/4等，各种标准在一段时间内共存，新的标准还在不断涌现。如果系统设计需要兼顾实现性能和多标准的适应性，DSP可能是一个较好的选择。但是，如果应用比较固定，对价格又特别敏感，采用专用的ASIC芯片可能就会更加合适。
3.算法是DSP应用的核心
随着DSP器件的发展，DSP系统开发的主要工作已经转向软件开发，软件开发将占据约80％的工作量，必须引起足够的重视。另外，在目前的现状条件下，算法是我们核心知识产权的主要体现，也是产品竞争力的主要因素。因此算法是DSP应用的核心。
四、DSP的未来趋势
1、技术发展趋势
1.1 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。
1.2 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。
1.3 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。
1.4 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。
1.5 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(3G)WCDMA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。
2、、市场发展趋势
很明然，在可预见的一段时间内，无线应用仍将是可编程DSP市场的驱动引擎。不过，嵌入式DSP市场是一个更大的市场，我们将在后续的市场报告中予以讨论。DSP技术(无论何种形式)是你能够访问窄带、宽带或是无线互联网的唯一手段，它还是新兴的分组(IP)电话市场的关键。没有DSP就没有对互联网的访问，没有多媒体，也没有无线通信。因此，尽管遭遇了短期的市场挫折，DSP仍将是整个半导体工业的技术驱动力。
而国内发展DSP的厂商并不多，而主要的应用产品是DVD与无线电话等，因此国内DSP的产值并不高；而在产品应用上，目前重要的DSP应用产品，如行动电话、调制解调器、HDD等个人计算机与通讯领域应用产品，都是采用国际大厂的DSP solution，因此国内厂商尚无插足的余地。
在未来的发展上，国内的业者如欲进入DSP领域，在目前这个垄断市场情况相当明显的情势之下，应避免与国际大厂在其擅长的领域正面交锋，若能另辟市场，选择利基产品切入，例如消费性电子产品市场，则尚有机会在DSP市场一搏，目前国内已有相当不错成绩的DVD产品即为一证明。
世界经济萧条和中国经济的持续发展使更多世界一流的跨国公司调整在中国的策略，中国市场已经成为世界一流的跨国公司DSP发展的关键因素。更大的原因是中国DSP市场占全球市场的比重越来越大，DSP厂商只有在中国市场上取得成功，才有望扩大其市场份额。
这些公司希望迅速在中国主要城市建立销售办事处，在加强销售覆盖率的同时，把DSP 技术支持规模迅速扩大，并实现技术信息本地化。技术信息本地化是体现他们在中国进行调整的标志性措施，它将使ADI在新产品的设计上加入中国因素，通过设计部门与中国现场服务工程师进行信息沟通、汇总，实际上是把他们在发达国家的市场策略引入中国。
驱动世界一流的跨国公司进行中国调整的因素很多，一是中国DSP市场在全球重要性日益明显，二是他们自身在技术和市场发展上的需要。种种迹象表明，中国市场是亚洲发展潜力最大的市场，数字革命促进了高性能DSP的广泛应用，如数码相机、V oIP电话和手持电子设备等。而中国在电子产品制造上的地位越来越重要，世界一流的跨国公司已经迅速转向中国并建立设计中心和制造厂。中国在消费电子产品上的发展更为引人注目，许多消费类电子产品需要更低成本、更易使用的DSP产品，如音响设备、DVR、机项盒等。
五、结束语
整体来看，DSP应用在通讯领域、数字影音的产品将越来越普及，使得相关市场需求越来越大，未来DSP市场竞争将越趋激烈。虽然目前DSP的主要应用产品的市场都是由国际半导体大厂所控制，但是我国在政策的扶植下，本土厂商积极投入研发资源，以消费性产品作为进入DSP市场的一个敲门砖，也必将在DSP市场上争得一席之地。
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