DSP技术及其应用前景
07124799 殷优
07124808 黄匡奇
07125007 马旸
2011/2/27
引言
DSP是Digital Signal Processing 的缩写，意为数字信号处理，简称DSP 。DSP 是一门涉及许多学科而又广泛应用于诸多领域的新兴学科。20世纪60年代以来，随着计算机和信息技术的飞速发展，数字信号处理技术应运而生，并到迅速的发展。在过去的二十多年，数字信号处理的应用已从军事、航空航天领域扩展到信号处理、通信、雷达、消费等领域。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之所以获得广泛应用，是因为其具有显著特点。
本学期的DSP课程是基于TI（即Texas Instruments）公司的TMS320C6000系列DSPs 芯片而展开的。主要研究了TMS320C6201及TMS320C6701两块DSPs芯片的外围硬件电路及芯片内部的软件应用等等。通过对这些DSPs芯片的研究，让我们对DSP技术有了一个全新的、多元的了解。
一、DSP的发展轨迹
DSP产业在约40年的历程中经历了三个阶段：第一阶段，DSP意味着数字信号处理，并作为一个新的理论体系广为流行。随着这个时代的成熟，DSP进入了发展的第二阶段，在这个阶段，DSP代表数字信号处理器，这些DSP器件使我们生活的许多方面都发生了巨大的变化。接下来又催生了第三阶段，这是一个赋能(enablement)的时期，我们将看到DSP理论和DSP架构都被嵌入到SoC类产品中。”第一阶段，DSP意味着数字信号处理。80年代开始了第二个阶段，DSP从概念走向了产品，TMS32010所实现的出色性能和特性备受业界关注。方进先生在一篇文章中提到，新兴的DSP业务同时也承担着巨大的风险，究竟向哪里拓展是生死攸关的问题。当设计师努力使DSP处理器每MIPS成本降到了适合于商用的低于10美元范围时，DSP在军事、工业和商业应用中不断获得成功。到1991年，TI推出价格可与16位微处理器不相上下的DSP芯片，首次实现批量单价低于
5美元，但所能提供的性能却是其5至10倍。到90年代，多家公司跻身DSP领域与TI进行市场竞争。TI首家提供可定制DSP——cDSP，cDSP 基于内核DSP的设计可使DSP具有更高的系统集成度，大加速了产品的上市时间。同时，TI瞄准DSP电子市场上成长速度最快的领域。到90年代中期，这种可编程的DSP器件已广泛应用于数据通信、海量存储、语音处理、汽车电子、消费类音频和视频产品等等，其中最为辉煌的成就是在数字蜂窝电话中的成功。这时，DSP业务也一跃成为TI最大的业务，这个阶段DSP 每MIPS的价格已降到10美分到1美元的范围。21世纪DSP发展进入第三个阶段，市场竞争更加激烈，TI及时调整DSP发展战略全局规划，并以全面的产品规划和完善的解决方案，加之全新的开发理念，深化产业化进程。成就这一进展的前提就是DSP每MIPS 价格目标已设定为几个美分或更低。
二、DSP的主要优势
DSP芯片自上个世纪70年代问世以来，性能日趋完善，价格一路走低，性价比越来越高，应用越来越广泛。数字信号处理是利用计算机或专用处理设备，以数字形式对信号进行采集、变换、滤波、估值、增强、压缩和识别等处理，得到符合需要的信号形式。
在过去的几十年里，单片机的广泛应用实现了简单的智能控制功能。随着信息化的进程和计算机科学与技术、信号处理理论与方法等的迅速发展，需要处理的数据量越来越大，对实时性和精度的要求越来越高，低档单片机已不再能满足要求。近年来，各种集成化的单片DSP的性能得到很大改善，软件和开发工具也越来越多，越来越好；价格却大幅度下滑，从而使得DSP器件及技术更容易使用，价格也能够为广大用户接受；越来越多的单片机用户开始选用DSP器件来提高产品性能，DSP器件取代高档单片机的时机已经成熟。
接下来，我们将从性能、价格等方面对单片机和DSP器件进行比较，在此基础上，以本学期所学过的TI的TMS320C2XX系列DSPs器件为例，探讨DSP器件取代单片机的可行性。
DSP器件与单片机的比较：
1、单片机的特点：
所谓单片机就是在一块芯片上集成了CPU、RAM、ROM(EPROM或EEPROM)、时钟、定时/计数器、多种功能的串行和并行I/O口。如Intel公司的8031系列等。除了以上基本功能外，有的还集成有A/D、D/A，如Intel公司的8098系列。概括起来说，单片机具有如下特点：
具有位处理能力，强调控制和事务处理功能。
价格低廉。如低档单片机价格只有人民币几元钱。
开发环境完备，开发工具齐全，应用资料众多。
后备人才充足。国内大多数高校都开设了单片机课程和单片机实验。
2、DSP器件的特点：
与单片机相比，DSP器件具有较高的集成度。DSP具有更快的CPU，更大容量的存储器，内置有波特率发生器和FIFO缓冲器。提供高速、同步串口和标准异步串口。有的片内集成了A/D和采样/保持电路，可提供PWM输出。DSP器件采用改进的哈佛结构，具有独立的程序和数据空间，允许同时存取程序和数据。内置高速的硬件乘法器，增强的多级流水线，使DSP器件具有高速的数据运算能力。DSP器件比16位单片机单指令执行时间快8～10倍，完成一次乘加运算快16～30倍。DSP器件还提供了高度专业化的指令集，提高了FFT快速傅里叶变换和滤波器的运算速度。此外，DSP器件提供JTAG接口，具有更先进的开发手段，批量生产测试更方便，开发工具可实现全空间透明仿真，不占用用户任何资源。软件配有汇编/链接C编译器、C源码调试器。
目前国内推广应用最为广泛的DSP器件是美国德州仪器(TI)公司生产的TMS320系列。DSP开发系统的国产化工作已经完成，国产开发系统的价格至少比进口价格低一半，有的如TMS320C2XX开发系统只有进口开发系统价格的1/5，这大大刺激了DSP器件的应用。目前，已有不少高校计划建立DSP实验室，TI公司和北京闻亭公司都已制订了高校支持计划，将带动国内DSP器件的应用和推广。
3、DSP器件大规模推广指日可待：
通过上述比较，我们可得出结论：DSP器件是一种具有高速运算能力的单片机
从应用角度看：DSP器件是运算密集型的，而单片机是事务密集型的，DSP器件可以取代单片机，单片机却不能取代DSP。DSP器件价格大幅度下滑，直逼单片机。DSP器
件广泛使用了JTAG硬件仿真，比单片机更易于硬件调试。国产化的DSP开发系统为更多用户采用DSP器件提供了可能性。DSP取代单片机的技术和价格的市场条件已经成熟,大规模推广指日可待。
随着DSP性能不断改善，用DSP器件来作实时处理已成为当今和未来技术发展的一个新热点。
TI公司最新推出的TMS320C2XX系列具有良好的性能价格比，基本可以取代16位单片机。其中TMS320C203单片价格不到人民币100元，芯片内置544字的高速SRAM。外部可寻址64K字程序/数据及I/O，指令周期在25ns～50ns之间，实时性处理比16位单片机快2倍以上，可取代一般的单片机。TMS320F206除了具有TMS320C203的功能外，内置32K字零等待快闪存储器，可满足单片设计的要求，能最大限度减少用户板的体积。TMS320F240的指令、DSP核与TMS320C203、F206完全兼容，内置8K/16K字快闪存储器，增加了两路10位A/D，每路采样频率可达166kHz，提供9路独立的PWM 输出，内置SCI和SPI接口，内置CAN总线接口。这些大大增强了TMS320X240的处理能力，在电机控制领域显示了强大的生命力。它是一个典型的TMS320F240的用户系统，它实现如下功能：三相PWM输出/3相电流测量/按键控制、液晶显示/RS232通信,A/D、D/A接口,62K字零等待SRAM,扩展的输入、输出及双向I/O口/JTAG接口因此，鉴于DSP技术的不断完善，各种DSP器件的不断推出，将为实时数字信号处理的应用创造前所未有的广阔空间。单片机用户在硬件和软件方面的设计经验可使他们很容易从单片机升级到DSP。
下面再罗列出一些比较常用的对于数字信号处理的方法：
1，在通用计算机上用软件实现：该方法速度太慢，适于算法仿真；
2，在通用计算机系统上加上专用加速处理机实现：该方法专用性强，应用受限制，且不便于系统独立运行；
3，用通用单片机实现：这种方式多用于一些不太复杂的数字信号处理，如简单的PID控制算法；
4，用通用可编程DSP芯片实现：与单片机相比，DSP芯片具有更加适合于数字信号处理的软件与硬件资源，可用于复杂的数字信号处理处理算法；
5，用专用DSP芯片实现：在一些特殊场合，要求信号处理速度极高，用通用DSP
芯片很难实现，而专用DSP芯片可以将相应的信号处理处理算法在芯片内部用硬件实现，无需编程。
三、DSP的主要应用
DSPs芯片自20世纪80年代初诞生以来，在短短的十多年时间内得到了飞速发展。随着DSPs芯片性价比和开发手段的不断提高，DSPs已经在社会生活各个领域得到广泛应用。如同20世纪80年代和90年代微处理器(CPU)随着PC市场的急剧扩张而迅速发展一样，DSPs也正在经历一场由通信、网络和信息家电带动的高速增长时期。由于DSPs 的应用领域比微处理器要广，近年来DSPs市场的年平均增长率一直保持在30%左右，甚至超过了20世纪80年代和90年代微处理器的增长速度。
DSPs市场的起爆剂是数字移动电话，1997年生产规模即达1亿部。目前DSPs在数字便携电话、无线基站、中心局交换机等通信领域的应用十分广泛。另外，网络市场的急速膨胀使DSPs在56K MODEM、ADSL MODEM、机顶盒等产品中大量得到应用，网络应用已经成为DSPs高速发展的主要市场。
除了通信、网络、雷达等领域外，近来DSPs也在马达控制、数码相机、助听器等很有潜力的市场不断拓展，另外空调、洗衣机类产品为节省电能也都开始采用DSPs。据预测，包括模拟集成电路在内，到2007年DSPs的市场将达到500亿美元。
还是以TI公司1997年推出的高端DSPs TMS320C6000系列为例，TI公司在芯片设计上瞄准的是多通道无线通信和有线通信的应用领域，例如蜂窝基站、pooled MODEM 以及xDSL系统。实际上C6000系列的高速处理能力及其出色的对外接口能力，使得它在雷达、声纳、医用仪器、图像处理等领域都具有极大的应用潜力。C6000系列DSPs 所带来的新的系统设计方法使得传统的基于硬件设计变为基于软件设计，C6000的开发工具则能够很好地支持这一设计思想，并充分利用C6000高度并行的VLIW结构。其中C6000的C编译器的效率可达80%以上，创新的线性汇编语言和C6000汇编优化器配合使用，可使代码效率达95%以上，同时编程工作量也成倍降低。
DSP技术在现代通信中的应用最为活跃，我们具体介绍具有特殊代表性的几个例子如下：
1、数字式蜂房系统
数字式蜂房系统使用通用DSP 来实现语音合成（speech synthesis）,纠错编码（error-correction coding），基带调制解调器（base band modem）以及系统控制等功能。
2、软件无线电（Software wireless）
软件无线电是利用同样的硬件设备和不同的软件模块，来适应不同频段、不同调制方式下的通信。软件无线电中，最重要和最具有挑战性的部分就是高性能的A/D、D/A 变换器和以DSP为核心的实时信号处理。软件无线电对DSP提出了实时性很高的要求，它有力的促进着DSP的发展，其中包括单片处理器的性能、多处理器协同工作的能力、DSP软件开发环境和DSP实施操作系统等方面。
软件无线电在通信系统中，特别是在第三代移动通信系统中的应用越来越成为研究的热点。例如，在欧洲的先进通信技术与业务计划中（ACIS）,有多项计划是将软件无线电技术应用在第三代移动通信系统中。美国也正在研究基于软件无线电技术的第三代移动通信系统的多频带与多模式手机与基站，使软件无线电设备升级的成本大幅度降低，同时，软件无线电技术与计算机技术正在不断融合，为第三代移动通信系统提供良好的用户界面。我国对软件无线电技术也相当重视，例如，我国提出的第三代移动通信系统方案SCDMA(同步码分多址) 是一种同步的直接扩频CDMA (码分多址)技术，他结合了DSP、智能天线、软件无线电技及全质量语音压缩编码技术等现代通信技术。图3表示移动通信手持终端中的信号和信息的传输与处理过程，DSP在其中的核心作用是是显而易见的。
3、均衡和信道估计
信道模拟式DSP的另一个重要应用，并用其估计回声噪音或码间干扰。回声和噪音的对消对有线和无线通信同样重要，很适合用DSP来实现。
均衡是另一种信道估计技术，用于消除由于信道延时扩展引起的码间干扰。
4、语音和字符识别
DSP还常常完成用户界面的任务。这是因为以DSP为基础的产品有很强的设计灵活性，允许系统的设计者把附加的任务交给DSP，以便更充分地利用其处理能力。在移动电话中，语音拨号功能就可以由DSP来实现。在使用个人数字助理（Personal Digital Assistant）技术时，把计算机和通信应用结合在一起，人机界面设计变得更加重要。
5、调制解调器
调制解调器中复杂的数学运算基本上主要依靠DSP或由DSP核组成的ASIC来完成
的。在便携式计算机中，对调制解调器的大小、重量、功耗特别关注，对DSP的要求更高。调制解调器的速度随着DSP速度的提高而不断提高。
6、多媒体
多媒体是将传统的模拟视频信号和声音信号转换为数字信号来实现的。视频和声音信号的数字化会产生大量的数据，这些数据要依靠高性能的DSP来减小对存储空间和传输带宽地要求。需要由DSP来完成的任务包括视频信号和声音信号的编码/解码、彩色空间转换、回音消除、滤波、误码校正、复用、bit流协议处理等。
例如，在网络电话（V oice over IP；V oIP）中，模拟语音信号必须经过处理，转换成适合在IP网络上传输的IP数据包，这个过程需要先进行数字编码，转换为PCM码，然后经过专门的DSP芯片进行数据压缩，最后再打上IP包的标记，形成IP数据包的形式，以适合IP网络上的传输带宽，这涉及PCM、DSP、编码、压缩等内容。在IP电话中，利用DSP技术进行语音压缩和解码，可以极大地提高语音质量，降低对存储空间的要求，加快系统处理速度，并进一步压缩对带宽的需求。图4表示V oIP传输的基本过程，可以看出，DSP技术在进行语音压缩和解码时起着至关重要的作用。
近年来，随着计算机辅助设计、制造和超大规模集成电路的发展，各种ASIC专用芯片，如FFT芯片，数字滤波器芯片语音识别和合成芯片语音和图像压缩编码芯片等大量出现。最新的发展趋势是进一步提高集成性，将CPU、DSP、大容量存储器、现场可编程门阵列等集成在同一芯片上，这样组成的数字信号处理系统具有很大的灵活性，可以作为多媒体的硬件平台。
DSP技术是现代通信的核心技术之一，未来的通信将越来越依赖数字信号处理技术的发展。现代通信技术的发展要求将先进的通信技术、微电子技术和计算技术结合在一起。可以设想，在使用了现代DSP技术的通信系统中，原先不能互联的多种通信体制将综合为一个通用的通信体制，人们可以摆脱终端的束缚，实现“一机在手，漫游天下”的梦想。这种崭新的通信体制将给我们的生活方式，甚至思维模式带来巨大的变化。
四、DSP的发展前景
1、努力向系统级集成迈进
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DSP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、进一步改善DSP的内核结构
DSP的结构主要是针对应用，并根据应用优化DSP设计，以极大改进产品性能。多通道结构和单指令多重数据（SIDM）、超常指令字结构（VLIM）、超标量结构、超流水结构、多处理、多线程及可并行扩展的哈佛（SHARC）结构，在新的高性能处理器中将占据主导地位。
3、可编程是DSP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，许多微处理器能做的事情，使用可编程DSP 将做得更好更便宜。
4、追求更高的运算速度，进一步降低功耗和几何尺寸
由于电子设备的个人化和客户化趋势，DSP必须追求更快更高的运算速度，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几何尺寸的降低是完全可能的。例如，采用0.13μm最新半导体工艺制造的μPD77210用1.5V 低电压供电，功耗仅为以往产品的一半。
5、与其它可编程器件结合
DSP的许多新应用需要比传统DSP具有更加强大的数字信号处理能力，设计者往往会借助PLD和FPGA来满足日益提高的信号处理需求。与常规DSP器件相比，FPGA器件配合传统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，满足无线通信、多媒体等领域多功能和多性能的需要。
6、DSP嵌入式系统
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。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技术发展的新潮流。
7、专用DSP 芯片
针对特定的终端应用，DSP器件也逐渐从传统的通用性处理器中分离出更多的直接面向特定应用的器件。这些器件多采用DSP+ARM的双核结构，既可满足核心算法的需求，又能满足网络传输和用户界面等需求。同时，越来越多的专用接口以及协处理器被集成到芯片中，用户只需添加极少的外部芯片，即可构成一个完整的应用系统。例如，面向第三代无线通信终端的OMAP1510、面向数码相机的DM270、面向专业音频设备的DA610、面向媒体处理的DM642芯片等，都是典型例子。
五、DSP的未来走向
上世纪90年代初，“DSP”变成一项热门技术，而这个名词也日渐流行。这个缩写代表两个意思：数字信号处理过程，以及数字信号处理器。通常可以根据上下文来判断它的含意，但在有些情况下二者是可以互换的，比如你做数字信号处理，可能是在一个数字信号处理器上进行的。
今天，DSP已随处可见。现在难以找到不涉及数字信号处理的嵌入式系统，也难以找到不拥有面向DSP架构特点的嵌入式处理器。在某种意义上，现在所有的处理器都必须是“DSP”。但DSP的风头似乎正在减退。
德州仪器(TI)和模拟器件公司(ADI)等主要DSP处理器厂商，不再象以前那样频繁使用DSP这个缩写。最近几年，他们的新闻稿更多地使用“视频处理器”或“多媒体芯片”或“融合处理器”(当然这些处理器都承担数字信号处理任务)。我们很少见到软件公司再宣传其“DSP”软件构件，而是推广音频后处理算法等。用于监控应用的视频处理确实属于DSP，我们的“DSP”基准也与多媒体应用有关。
信号处理应用变得如此多样化，DSP部分如此紧密地与非DSP部分结合在一起，因此整个DSP产业都在转向以应用为焦点。我们看到“DSP产业”正在?裂成许多子产业，每个子产业都对硬件与软件有独特(和多样的)要求。
因此，虽然BDTI初期专注于“DSP处理器”并从事研究范围相对较有限的芯片与
软件，而我们现在则面向非常广泛的技术，涉及多种芯片、算法、系统和工具。我相信，任何从事信号处理的公司，甚至未必把自己看作是“DSP”厂商的公司，情况与我们一样。
我们预期，随着DSP被更广泛地用于多种应用和多种产品，DSP这个名词本身将变得越来越不常见。20年以后，“DSP”可能凋谢，但DSP功能将依然存在。