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概述2_数字信号处理的发展课件一、概览数字信号处理（Digital Signal Processing，DSP）作为现代电子信息技术领域的重要组成部分，其发展日新月异，不断推动着相关行业的创新与进步。
随着数字技术的不断进步和计算能力的飞速提升，数字信号处理的应用领域日益广泛，涵盖了通信、音频处理、图像处理、生物医学工程等多个领域。
本篇课件旨在提供一个关于数字信号处理发展历程的全面概述。
从概念起源来看，数字信号处理始于20世纪后半叶，伴随着数字计算机的出现和普及而逐渐发展成熟。
数字信号处理主要用于军事和通信领域，解决信号传输过程中的干扰和失真问题。
随着技术的不断进步，数字信号处理的应用范围逐渐扩大，开始涉及到音频和图像的处理。
数字信号处理已经渗透到了各个领域，发挥着不可替代的作用。
在技术层面，数字信号处理的核心技术涵盖了离散数学理论、信号处理算法、计算机体系结构等多个方面。
随着数字信号处理技术的不断发展，新的算法和理论不断涌现，如小波分析、神经网络等先进技术的应用，使得数字信号处理在性能上得到了极大的提升。
随着嵌入式系统、云计算等技术的发展，数字信号处理的硬件平台也在不断进步，为数字信号处理提供了更加强大的计算能力和更加灵活的处理方式。
数字信号处理仍将继续发挥其在各个领域的重要作用。
随着物联网、人工智能等技术的飞速发展，数字信号处理将在智能感知、大数据分析等领域发挥更加重要的作用。
新的技术挑战和发展机遇也将不断涌现，如信号处理的实时性要求更高、算法复杂度更高等问题需要行业专家进行深入研究和解决。
数字信号处理作为一门重要的技术学科，其发展前景广阔，将继续为各个行业的发展提供强有力的支撑。
1. 数字信号处理（DSP）简介好的，我将按照您的要求撰写“数字信号处理的发展课件”中有关“数字信号处理（DSP）简介”段落的内容：数字信号处理是数字信息处理技术的一种，它通过数学模型来操控信号的某些参数并尽可能在转换过程中保持信号的真实性和完整性。
DSP概念DSP有两个含义:其一是Digital Signal Processing，即数字信号处理的缩写，是指数字信号处理的理论和方法;其二是Digital Signal Processor，即数字信号处理器的缩写，是指用于数字信号处理的可编程微处理器。
随着数字信号处理技术和集成电路技术的飞速发展，以及数字系统的显著优越性，DSP 技术已广泛地被应用，则实时数字信号处理也成为现实。
DSP芯片实际上就是一种单片机，是集成高速的乘法器，具有多组内部总线，能够进行快速乘法和加法运算，适用于数字信号处理的高速、高位单片计算机，因此有时也被称为单片数字信号处理器。
与通用的CPU和微控制器(MCU)相比，DSP处理器在结构上采用了许多的专门技术和措施。
下面就简要介绍DSP的特点1371:(1)DSP器件采用改进的哈佛结构，程序代码和数据的存储空间分开，允许同时存取程序和数据，即哈佛结构(Harvard Architecture )。
(2)DSP处理器采用多总线结构，即使用两类(程序总线、数据总线)六组总线，包括程序地址总线、程序读总线、数据写地址总线、数据读地址总线、程序读总线、数据读总线。
和哈佛结构配合，大大提高了系统的速度。
(3)DSP芯片广泛采用流水线技术，增强了处理器的处理能力。
计算机在执行一条指令时，总要经过取指、译码、取数、执行运算等步骤，需要若干个时钟周期才能完成。
流水线技术是指将各指令的各个步骤重叠来执行，即第一条指令取指后，译码时，第二条指令取指，第一条指令取指译码后，取数时，第二条指令译码，第三条指令取指……依次类推。
(4)DSP芯片内置高速人硬件乘法器，增强的多级流水线，使DSP器件具有高速的数据运算能力。
(5)DSP采用了适合于数字信号处理的寻址方式和指令，进一步减小了数字信号处理的时间。
如何学好数字信号处理课程《数字信号处理》是相关专业本科生培养中，继《信号与系统》、《通信原理》、《数字逻辑》等课程之后的一门专业技术课。
数字信号处理的英文缩写是DSP ，包括两重含义：数字信号处理技术（Digital Signal Processing ）和数字信号处理器（Digital Signal Processor ）。
目前我们对本科生开设的数字信号处理课程大多侧重在处理技术方面，由于课时安排和其他一些原因，通常的特点是注重理论推导而忽略具体实现技术的介绍。
最后导致的结果就是学生在学习了数字信号处理课程之后并不能把所学的理论知识与实际的工程应用联系起来，表现在他们做毕业设计时即使是对学过的相关内容也无法用具体的手段来实现，或者由于无法与具体实际相挂钩理解而根本就忘记了。
我相信，我们开设本课程的根本目的应该是让学生在熟练掌握数字信号处理的基本原理基础上，能结合工程实际学习更多的DSP 实现技术及其在通信、无线电技术中的应用技能，这也是符合DSP 本身的二重定义的，学生通过本课程的学习，将应该能从事数字信号处理方面的研究开发、产品维护等方面的技术工作。
其实很多学生在大学四年学习过后都有这种反思：到底我在大学学到了什么呢？难道就是一些理论知识吗？他们将如何面对竞争日益激烈的社会呢？因此，大家在应用MATLAB学习并努力掌握数字信号处理的原理，基本理论的同时，应该始终意识到该课程在工程应用中的重要性，并在课后自学一些有关DSP技术及FPGA技术方面的知识。
这样，学习本课程学习的三部曲是：一，学习数字信号处理的基本理论；二，掌握如何用MATLAB 实现一些基本的算法，如FFT ，FIR 和IIR 滤波器设计等；三，选择一种数字信号处理器作为实现平台进行实践学习，比如TI 公司的TMS320C54x 系列芯片，包括该处理器的硬件和软件系统，如Code Composer Studio及像MATLAB Link for Code Composer Studio这样的工具。
现代信号处理的方法及应用信号处理是一种广泛应用于各种领域的技术，包括通信、图像处理、音频处理，控制系统等等。
信号处理主要目的是从原始数据流中提取有用的信息并对其进行分析与处理。
随着现代计算机技术和数学统计学等科学技术的不断发展，信号处理的方法也在不断更新和升级，这篇文章将对现代信号处理的方法和应用做一个简单的介绍。
1. 数字信号处理数字信号处理是信号处理的一种重要形式，主要是基于数字信号处理器(DSP)和嵌入式系统等硬件设施来实现。
数字信号处理算法主要应用于图像和音频处理以及通信系统等领域。
数字信号处理的优点在于其对数据的准确性，稳定性和可靠性上，数字信号处理器也因此成为了许多领域的首选，如音频处理中的音频去噪。
2. 频域分析频域分析是信号处理中一种常用的分析方法，适用于需要研究信号频率特性的场合。
频域分析最常用的工具是傅里叶变换(FT)，用于将信号从时域转化为频域。
傅里叶变换将信号分解为不同频率的正弦波分量，这样就能对不同频率范围内的信号进行分析和处理。
频域分析在音频，图像，视频，雷达等领域广泛应用。
3. 视频处理视频处理是信号处理的重要领域之一，几乎应用于所有与视频相关的技术，包括视频编解码，视频播放，图像增强以及移动目标检测等。
视频处理的任务是对视频内容进行解析和分析，提取其重要特征，比如目标检测，物体跟踪以及运动检测。
其中，深度学习技术的应用非常广泛。
4. 无线通信无线通信是使用无线电波传输信号的无线电技术，目前已被广泛应用于通信系统、卫星通信、电视广播、GPS定位等领域。
在无线通信中，信号处理扮演着重要的角色，主要用于调制解调，信号检测以及通信信号处理等。
5. 模拟信号处理模拟信号处理是信号处理中的另一种重要形式，通常应用于音频处理、传感器测量等领域。
模拟信号处理的操作与数字信号处理类似，不同的是其输入信号是连续模拟信号，输出也是模拟信号。
模拟信号处理可以执行滤波，信号调整、信号检测等，是信号处理中必不可少的一部分。
数字信号处理器概述数字信号处理器（Digital Signal Processor，DSP）是一种专用的微处理器，主要用于数字信号处理和算法执行。
它采用专门的硬件和软件设计，能够高效地执行各种数字信号处理任务，如滤波、编解码、音频处理和图像处理等。
数字信号处理器在很多领域被广泛应用，包括通信、音频、视频、雷达、电力、医疗等。
架构和特点数字信号处理器具有独特的架构和特点，以满足对高性能、低功耗、高可编程性和低成本的需求。
1. 单指令多数据（SIMD）架构：数字信号处理器采用SIMD架构，具有多个数据通路和一个控制单元。
这样可以并行处理多个数据，提高处理速度和效率。
2. 数据内存和指令内存分离：数字信号处理器有独立的数据内存和指令内存，这使得其能够在执行指令的同时读写数据。
这样可以减少数据传输的延迟，提高处理速度。
3. 浮点数运算支持：数字信号处理器支持浮点数运算，可以进行高精度的计算。
这对于信号处理和算法执行非常重要。
4. 高速时钟和并行运算单元：数字信号处理器的时钟频率通常很高，可以达到几百兆赫兹甚至更高。
同时，它通常具有多个并行运算单元，可以同时执行多条指令，提高处理能力。
5. 低功耗设计：数字信号处理器通常被应用于移动设备和嵌入式系统，因此功耗是一个非常重要的考虑因素。
数字信号处理器采用了低功耗的设计，通过减少供电电压和优化电路结构来降低功耗。
应用领域数字信号处理器在许多领域都有广泛的应用。
1. 通信：数字信号处理器在通信系统中起着重要的作用。
它可以处理和调制数字信号，实现信号的传输和接收。
同样，数字信号处理器也可以进行解调和解码，还可以执行音频和视频编码。
2. 音频：数字信号处理器广泛应用于音频处理领域。
它可以实现音频信号的滤波、降噪、混响等处理，提高音质和音乐效果。
3. 视频：数字信号处理器可以用于视频编码和解码，实现视频的压缩和解压缩。
此外，它也可以进行图像处理，如图像滤波、边缘检测等。
2024年数字信号处理器市场发展现状背景介绍数字信号处理器（Digital Signal Processor, DSP）是一种专门用于数字信号处理的微处理器，具有高效、快速、低功耗等特点。
数字信号处理器的应用在通信、音频、视频等领域得到广泛应用。
随着通信技术的迅猛发展，数字信号处理器市场也展现出了蓬勃的发展态势。
市场规模根据市场调研数据显示，数字信号处理器市场规模在过去几年持续增长。
预计到2025年，全球数字信号处理器市场规模将超过1000亿美元，年复合增长率达到X%。
应用领域数字信号处理器在各个领域都有广泛的应用。
其中，通信领域是数字信号处理器应用最为广泛的领域之一。
数字信号处理器在通信中的应用包括信号解调、调制解调、编解码等。
此外，数字信号处理器在音频领域有着重要的地位，可以实现音频信号的压缩、增强、降噪等处理。
在视频领域，数字信号处理器可以进行视频编解码、图像处理等。
此外，数字信号处理器还在雷达、医疗、汽车电子等领域得到了广泛应用。
技术趋势数字信号处理器的发展离不开技术的推动。
当前数字信号处理器市场的技术趋势主要包括以下几个方面：1. 高性能随着通信和多媒体应用的迅猛发展，用户对于数字信号处理器性能的要求越来越高。
数字信号处理器需要具备高处理能力和低延迟的特点，以满足复杂的信号处理需求。
2. 低功耗低功耗是数字信号处理器市场的一个重要趋势。
数字信号处理器需要在提供高性能的同时保持低功耗，以应对移动设备的发展和节能环保的需求。
3. 集成化随着半导体工艺的进步，数字信号处理器市场向着集成化发展。
集成化的数字信号处理器可以减少系统的成本和占用空间，并提高整体性能。
4. 实时性实时性是数字信号处理器市场的一个重要需求。
数字信号处理器需要能够快速响应和处理信号，以满足实时通信、音视频等应用的要求。
市场竞争格局数字信号处理器市场竞争激烈，主要厂商包括德州仪器（Texas Instruments）、美国ADI公司（Analog Devices Inc.）、NXP半导体等。
物理学与信息科学技术专题第十讲 数字信号处理与数字信号处理器(D SP)1)李昌立1, 董永宏2(1 中国科学院声学研究所 北京 100080)(2 闻亭数字系统(北京)有限公司 北京 100085)摘 要 文章简要介绍了“数字信号处理”与“数字信号处理器(DSP )”的发展历史.在数字信号处理的应用中,实时实现是非常重要的,而DSP 在实时处理中,扮演了一个重要的角色.文章中还介绍了DSP 在实际应用中的一些关键技术,例如DSP 的种类和选型,DSP 的开发工具,实时软件的开发过程等.最后,还介绍了一些DSP 的应用实例,如语音编码器,视频电话和视频会议系统,用于雷达和声纳的DSP 并行处理系统关键词 数字信号处理器(DSP ),实时信号处理,DSP 开发工具,DSP 并行处理系统.D i g it a l si gna l processi n g and processorsL I Chang 2L i 1, DONG Yong 2Hong2(1Institute of Acoustics ,Chinese A cade m y of Sciences,B eijing 100080,China )(2W intech D igitalsyste m s Technology corp,B eijing 100085,China )Abstract The history of digital signal p r ocessing and the digital signal p r ocess or (DSP )is reviewed .A s is well known,real -ti me i mp lementation is crucial in the app licati ons of digital signal p rocessing in which the DSP p lays an i m portant role .Certain key techniques,such as the types and type selecti on of DSPs,their devel 2opment equipment,real -ti me s oft ware development and s o on are then described .Finally,s ome p ractical ap 2p licati ons such as s peech coding hardware,video telephone and video conference system s,DSP parallel p ro 2cessing system s for s onar and radar are als o describedKeywords digital signal p r ocess or,real -ti me signal p r ocessing .development equi pment,parallel p r ocess 2ing system1) 该专题的第一至第九讲分别发表于2005年第1—8期,第12期《物理》———编者注2005-09-27收到初稿,2006-03-14修回 通讯联系人.Email:li_chang_li_cn@hot m ail .com1 数字信号处理与数字信号处理器(DSP )发展史的简要回顾[1—3]DSP 既是D igital Signal Pr ocessing 的缩写,也是D igital Signal Pr ocess or 的缩写,前者是指数字信号处理的理论和方法,后者则是指用于数字信号处理的可编程微处理器.我们所说的DSP 技术,一般是指将DSP 处理器用于完成数字信号处理的方法和技术.自从1965年库利(Cooley )和图基(Tukey )在《计算数学》(《Mathe matic of Computati on 》)上发表了《用机器计算复序列傅里叶级数的一种方法》一文以后,接着又有人发表了在计算机上用差分方程实现滤波器的算法,以及用计算机设计数字滤波器的各种方法.此后,“数字信号处理”这一分支学科迅速发展,逐渐形成了一整套较为完整的学科领域和理论体系.到今天,“数字技术”已经渗透到各行各业,成为了高新技术的代名词.很多传统产业采用了数字技术以后,工作效率和经济效益成倍提高,对国民经济和国防建设有着极为重要的作用.数字技术包括方法和实现两方面.方法依靠“数字信号处理”的理论和算法,而实现则依靠“数字信号处理器”所构成的硬件和软件,从而构成了“数字信号处理”这一分支学科的内容.通俗地讲,即实现信号的采集、数字化处理和具体应用.信号的数字化处理则包括数字滤波技术、离散时间信号的时域分析和频域分析、自适应信号处理、估计理论、信号的压缩、信号的建模等.由于数字信号处理系统和模拟信号处理系统相比,具有一些明显的优点:精度高,灵活性高,可靠性强,容易大规模集成,可获得高性能指标等,使得它在通信、语音、图像、雷达、地震测报、声纳、遥感、生物医学、电视、仪器仪表等领域得到愈来愈广泛的应用.在数字信号处理的应用中,有一些项目例如语音通信、电视、雷达、声纳、精确制导等都要求实时处理.,要同时完成所要求的处理任务,即处理信息所用的时间要等于或小于信息输入所用的时间.这个时间范围可以从200ns一直到20或30m s.实时信号处理的核心指标之一就是数据率可以容忍处理中产生的延迟.例如在数字语音编码中,假设为8kHz的采样率,则对于编码器的实时处理,包含了从样品到样品的编码处理,要求在125μs的时间内执行,此时的延迟也为125μs.但是,在码激励线性预测(CELP)编码器中,其编码过程是在块到块的基础上执行.典型情况下,主块长度为20—30m s(一帧的时间),而较小块的长度为4—5m s(子帧时间),因而允许增加处理时间,但延迟时间也加长了.其余电视、声纳、雷达等,同此原理,但数据速率高,对器件的速度要求就更高.因此,数字信号处理器(以下简称DSP)最重要的特点是处理信号的速度要快,能够达到实时处理的要求.这在1980年以前还是比较困难的.在微电子学、数字信号处理和计算机科学专家们的共同努力下,一种按照数字信号处理的算法要求、采用计算机体系结构、能够灵活编写程序的超大规模集成电路就应运而生了.它被称为DSP.在1980年前后,美国Texas公司推出了第一代DSP芯片T MS32010,它的运算能力为10M I PS(M I PS即每秒完成一兆条指令),只能够在声频范围内完成比较简单的实时处理任务.但投入市场以后,影响很大,发展非常迅速.该公司最新开发的定点DSP芯片T MS320C6414,其处理能力已经达到8000M I PS.而浮点DSP T M2 SC67XX32的运算速度已达到1GF LOPS(GF LOPS 即每秒完成1000M浮点操作).美国AD I公司的Ti2 ger SHARC系列(TS101,TS201),其最强的浮点处理能力为3.6GF LOPS,目前还在高速发展中.2 DSP的特点和种类[1—7]通常在计算机上,使用高级语言(例如C语言)对某种算法深入研究,或者对某方案作工程模拟,一般都不能做到实时处理.而要开发为应用产品,大部分都要求实时处理.有两种方法能够达到这个目的:第一种是专用的DSP芯片,它是针对某种应用而设计的,其特点是处理速度快,但灵活性差.第二种就是本文介绍的通用DSP芯片,它可以通过专用的DSP指令,编写各种各样的应用软件,既有灵活性,处理速度又快,能够满足实时处理的要求.DSP和通常的微处理器(MCU)不同,它是专为数字信号处理而设计的,故它具有下面的一些共同特点:(1)它和外围设备交换数据的速度很快,具有优先中断的串行和并行接口,以及多路直接存储器存取(DMA).(2)具有一个或多个乘法-累加器和相应的变址功能,能够快速完成卷积运算.(3)具有位翻转的专用变址功能,能够快速完成傅里叶变换(FFT).(4)片内有多套总线,如数据总线、地址总线和外围总线.此外,还有片内存储器,便于流水线操作,提高处理速度.(5)片内有多种外围设备,如多路定时器、多路直接存储器存取(DMA)、多个并行口和串行口等.(6)具有多种高速数据传输和控制的方式,能够方便地构成DSP并行处理系统.以上是DSP芯片的主要特点,当然,不同公司开发的芯片也会有各自的一些独特性能.可编程的DSP芯片分为两类:定点和浮点.定点DSP运算速度快,也比较便宜,但是,它们的编程比较困难,而且提供了较低的精度.目前定点DSP 已经具有32位字长的数据精度.在DSP系统中,算术性能和电路复杂性之间,必须作一折衷.并不是在所有情况下,都需要使用高精度的数字格式,也就是芯片所提供的性能级别和整个系统的功能应该匹配.浮点DSP超过定点DSP的优点有很多.这些优物理学与信息科学技术专题点在程序开发中经常会带来大量节省.浮点数的精度在整个程序中是保持不变的,它比定点实现引入了较小的总体误差.这种不变化的精度和大的动态范围结合起来,允许更精确地表示零点和极点的位置,减少了滤波器实现中的很多问题.浮点DSP的另外一个重要优点就是,很多DSP算法都是首先在主机上用浮点算法模拟,因此,很容易用浮点指令组实现.由于数字信号处理的迫切需要,近25年来DSP 芯片发展很快.这类芯片的生产厂家中最有名的是美国德州仪器(TI)公司、AD公司、AT&T公司和Mot or ola公司,其中当属TI公司产品系列最全,市场占有率最高,其次是AD公司,AT&T的DSP特别适合于通信产品.3 DSP芯片的选型及应用[4,8,9]3.1 D SP芯片DSP的结构越来越复杂,运算速度越来越快,集成的外围功能越来越多.DSP芯片的发展,必须兼顾3P的因素,即性能(perf or mance)、功耗(power consu mp ti on)和价格(p rice).总的来说,随着超大规模集成电路(VLSI)技术的高速发展,现代DSP器件在价格显著下降的同时,仍然保持着性能的不断提升和单位运算量的功耗不断降低.DSP芯片除了继续在传统的通信领域推广应用之外,在消费类电子产品和汽车电子产品领域的应用也日益广泛.2004年,我国DSP市场规模达到157.3亿元,年增长24.2%.无线通信是DSP应用的第一大领域,占60.2%.DSP是嵌入式系统产业链中的一部分.嵌入式处理器是事务密集型处理器,DSP是运算密集型处理器,这两者是互补的,如手机中即需要2个内核: MCU和DSP.3.2 D SP芯片的选用[4]初次选用DSP时,首先一定要从系统设计的角度考虑,所设计的系统是属于事务密集型还是运算密集型,如以运算密集型为主,则应选用DSP.另外要从市场需求和行业技术共享的角度考虑,选择主流DSP,这样一些行业资源可以共享,技术支持成本可以降低[4].在通用DSP芯片中,又分为通用和专用市场.在使用量大的情况下,建议选用专用芯片.因为专用芯片是专为某个体系结构而设计的,性能价格比要高很多.若使用量少,则应选择通用芯片.TI和AD I 等公司不同型号的各种产品,其性能各具特色,有的功耗低,有的速度快,如AD I的SHARC系列和TI的6000系列.有的特别适合马达控制,如TI的24系列.TI进入中国市场已有10年,现在的教育资源和培训较多,支持也很多.3.3 D SP主流芯片介绍[4]下面我们主要以TI公司的DSP为例来说明现代DSP芯片的一些特点和发展趋势.T MS320C2000系列:针对控制领域做了优化配置,集成了众多的外围设备,适合逆变器、马达、机器人、数控机床、电力等应用领域.T MS320C5000系列:提供了高性能、多种外围设备、小型封装和电源效率的优化组合,适合便携式上网、语音处理及对功耗有严格要求的地方.T MS320C6000序列[5—7]:包含定点C62XX和C64XX以及浮点C67XX.其追求的是至高性能,最近新推出芯片的主振速度高达1GHz,适合宽带网络、图像、影像、雷达等处理应用.其中C62XX16位定点DSP,速度为1200—2000M I PS,用于无线基站、ADS L Mode m、网络系统、中心局交换机、数字音频广播设备等.C67XX32位浮点DSP,速度为1G F LOPS,用于基站数字波束形成、医学图像处理、语音识别、32D图形等.C6000在向两个方向发展:一是追求更高的性能;二是在保持高性能的同时向廉价型发展.在老的TIDSP系列中,浮点C3X是TI公司的主流产品,TI公司还在对这个系列型号作性能改进和制造廉价型,如新近推出的C33采用0.18μm制造工艺,有1MRAM,速度为120MF LOPS.C33与其他C3X器件代码兼容,所以用户可以保护其软件环境,在他们换用新器件时还可以减少开发时间.4 DSP实时软件的开发方法和开发工具[2,4]4.1 DSP实时软件的开发方法在数字信号处理的应用系统中,理论算法的深入研究和算法的实时实现都很重要.一项任务的实时实现,也就意味着它是软件和硬件的优化组合.在DSP芯片上,一项任务的实时实现包括下面几个步物理学与信息科学技术专题骤[2]:(1)理论开发和精心的研究.(2)在计算机上使用高级语言(例如C语言)对算法模拟,以验证算法的正确性.算法的研究和验证还可以引导理论上的深入,或者进一步对方案的精心考虑.(3)把高级语言编码翻译成相应的DSP码:有三种方法能够把高级语言翻译成为DSP编码.这些方法是:(i)使用DSP的交叉汇编器(也就是从C 语言到DSP的机器语言);(ii)使用DSP的指令组(DSP汇编语言)直接编写算法;(iii)一部分使用手编,一部分使用交叉汇编,然后再将两者混合.由于交叉汇编在对存储器和运算速度的要求上,效率可能要低2—3倍,故在很多应用中,仍然直接使用DSP汇编语言.但是,近年来,随着交叉汇编器性能的提高,编码效率也在不断提高.(4)使用可利用的开发工具,验证实时编码的正确性:把计算机模拟的结果和DSP的等效输出作比较,由于DSP模拟器处理大量数据,非常消耗时间,也很不方便.通常只输入有限的实验数据,只要两者之间的输出是一致的,我们就认为DSP软件实质上是正确的.(5)设计适当的硬件.(6)最后是软件和硬件的综合调试和系统集成:把软件下载到为实时试验而准备的硬件中,在这个阶段,可以充分利用在线仿真的便利,加速诊断的过程.实践证明,这是非常重要和绝对必须的.只要程序运转了,就可以在实时环境下,依次调整算法的各项参量,以便使处理系统获得最佳的性能.以上开发的每一步都非常重要,而且可以证明都具有相当的难度和工作量.4.2 DSP开发工具的原理及种类[4]仿真器作为DSP开发中的重要工具之一,现在主要还是在线仿真,下一步技术将是实时仿真.最早的仿真开发系统采用的是类似单片机(I N2 TEL51系列,MOT OROLA68K系列)的CP U替换式,但是,这种仿真开发方式有致命的缺陷:(1)仿真头的设计非常复杂,稳定性比较差.(2)因为要替换原有的DSP,对于表面贴装工艺等新的技术适应性差.(3)仿真头与仿真盒之间数据传输速率受电缆工艺的限制,可以支持的DSP主频一般不能超过50MHz.(4)仿真电路通用性和一致性差,使得研究、开发、生产周期长,不能跟上DSP芯片开发与上市的速度.基于以上几种原因,TI公司对仿真技术进行了一次革命,即采用JT AG(周边设备扫描)技术.这种技术基于一种叫Test Bus Contr oller(T BC)的设备,使用JT AG和T BC技术之后,仿真开发、调试的方法完全改观,不再取下用户产品板上的DSP芯片,而是用户在设计产品时从DSP附近引出14/12根JT AG线,仿真器只同这几根JT AG线连接,大大简化了DSP板的设计与生产,克服了上述几个重大缺陷.所有的控制和信息获取都来自DSP内部的JT AG控制电路和仿真器上的T BC设备.这就是传统的XDS510系列仿真开发工具,我国国内生产的DSP仿真器都是基于这种原理,如图1所示.图1 在DSP内部采用JT AG(周边设备扫描)技术的仿真开发系统但是,这种仿真方式由于依赖DSP芯片内部的扫描电路,只能提供1个硬件断点,几乎不能设置实时事件触发逻辑,数据传输率受到很大地限制,只有20kB/s.第三方仿真器生产厂家没有多少改进余地,越来越不能满足现在高速实时系统开发调试的要求.因此,对仿真技术的提高已提到了议事日程.这一次的DSP仿真技术革命,在DSP内部改进了JT AG 技术和比较电路、获取电路,采用EJT AG(Exten2 si ons t o JT AG)技术,增加仿真数据传输引脚.仿真器一端在保持与XDS510兼容的基础上,充分利用了大规模可编程逻辑(FPG A)和高速实时运算处理器(T MS320C6202)、比较器、计数器、事件触发器、海量存储器(S DRAM),还增加了高速实时数据交换单元(RT DX),改进并扩展了测试总线控制(T BC)设备等复杂功能.4.3 XDS560PC I仿真器的工作原理[4]基本的控制和仿真调试信息通过与XDS510物理结构相同的EJT AG传输,通过这种方式保持同原先的XDS510系列兼容.新的T BC———T BC2XL和JT AG,具备高级的断点、事件管理功能,提供多个硬物理学与信息科学技术专题件断点,复杂的事件触发组合(and/or/not,I F2 Then/Else)能力,真正做到了在进行事件触发的过程中,用户的应用程序不被终止或打断,最大限度地满足实时高速运算和控制程序调试时存在的对软/硬件的要求.由FPG A编程控制的RT DX单元结合新增加的E MU Pins,配合250MHz时钟的高速处理器T MS320C6202,完成由事件触发或断点触发产生的大量数据的接受、比较、反馈、缓冲、压缩等大规模运算的工作,实现在用户应用程序全速运行的同时,以1—2MB/s的数据率把断点或事件产生的数据实时地传送到计算机一端的CCS软件上.很多通信算法要求不断地叠代循环计算,同时计算的数据同外部实时数据有密切关系.我们想观察循环中某一次循环的结构或中间变量不正常造成叠代的错误,就需要在循环中设立断点或事件触发组合.这一功能以前的仿真器无法支持,而在X DS560PC I上得到了实现.XDS560PC I仿真开发系统的一个重大成就是解决了程序全速运行与需要观察数据的实时输出显示问题.这种高性能、高速度的仿真开发工具摆脱了原先JT AG仿真器的局限,而且支持多处理器、多模块并行开发调试、同步数据传输,满足了ADS L,RT OS, HDD,VOECODE等新领域DSP开发调试的要求.XDS560PC I仿真开发系统运用的仿真开发技术不仅用在DSP上,很快将用在AR M7等嵌入式CP U 中,相信我们的开发工程师将会不断拥有更新、更好的仿真开发工具.5 数字信号处理器开发应用实例DSP为数字信息产品带来更为广阔的发展空间,并将支持通信、计算机和消费类电子产品的数字化融合.在无线通信领域,DSP遍及无线交换设备、基站和手持终端;在网络领域,DSP涵盖从骨干基础设施到宽带入户设备,包括Vo I P网关和I P电话, ADS L和Cable Mode m等.面向群体应用,DSP在媒体网关、视频监控、专业音响、语音编码、数字广播、激光打印等领域表现出色;面向个人应用,DSP在便携式数字音频和影像播放器、指纹识别和语音识别等领域表现不俗.在自动控制领域,DSP极大地满足了工业界的需求,如数字变频电力电源设备、工业缝纫机、绣花机、喷绘机等,同时DSP也极大地满足了个人消费者的需求,如变频空调、冰箱、洗衣机等.在军事装备上,DSP的应用也愈来愈广泛.例如雷达、声纳、精确制导、电子对抗等.下面列举几个DSP实用系统作为例子.5.1 数码率为4800b/s的码激励线性预测语音编码器[2,10]全双工码激励线性预测编码器和解码器硬件的主要结构如下:(1)数字信号处理器:W E-DSP32C,它是一片32位浮点DSP,能够执行全部语音编码和解码功能.(2)存储器:64k bytes的EPROM,以便永久保存程序数据.128k bytes零等待静态RAM,通过外部存储器接口和W E-DSP32C相连.程序和数据是在加电或复位时,从EPROM下载到RAM中.(3)两个数字锁相环(DP LL):以便使板上的数据时钟能够和编码器、解码器的外部时钟同步.(4)PC M编码器和解码器:以便把输入的语音模拟信号,按照A律或μ律编码,并把已编码的数字语音,按A律或μ律解码为模拟语音信号并输出.(5)一个可编程逻辑单元/门阵列XC3030:它提供W E-DSP32C串行输入口和输出口(SI O)的驱动信号、帧时钟和另外的控制信号.这是由单片DSP构成的最简单系统.W E-DSP32C有两个SI O串行接口和一个P I O并行接口,编码器输出和解码器输入对信道的接口,是使用P I O接口并依次按位连接而获得的.两个SI O接口用于用户与编码器输入和用户与解码器输出的接口.DMA控制SI O串行口数据的输入和输出,允许数据与外部接口,可以在没有程序干涉的情况下传输.使用这种方式,程序可以在预先存储的数据块上工作,而当前的样品自动存放在另外的位置.主要制约的是数据块的处理时间,它必须小于充满缓冲器所需要的时间.同样的程序也能应用于输出缓冲器中.在每次对一个缓冲器的处理完成后,程序必须校验,要看输入指针是否达到了另一个缓冲器的末端,如果是这种情况,则交换任务(乒乓效果),否则,要等到缓冲器充满,才交换处理和存储的任务.5.2 基于单片T MS320DM642芯片的视频会议系统[4]下面,我们将对DSP应用中最广泛的领域———通信中的视频通信作较详细介绍.图2为典型的嵌入式视频系统,它由以下几个子系统组成:硬件平台、嵌入式操作系统、通信协议(含网络协议)、音视物理学与信息科学技术专题图2 典型的嵌入式视频系统总体方框图频处理软件、用户界面.市场上现有的视频会议系统硬件平台通常采用双CP U 结构,即一个嵌入式CP U (如:AR M 、单片机、I N TE L XSCALE,日立SH4)另加一个专用信号处理芯片(如:TI 的T MS320C6202,AD I 的B lackFin ).操作系统(如L inux 、嵌入式W indows ),通信协议(包括网络协议)及用户界面在嵌入式CP U 上运行,而音视频处理算法在专用信号处理芯片中完成.受专用信号处理芯片处理能力的限制,现有的嵌入式视频会议系统中使用的视频处理算法基本是H.263.闻亭公司经过多年潜在开发,终于在近日完成了“基于单颗T MS320DM642的视频会议系统”低成本方案[4],如图3所示.T MS320DM642是美国德州仪器公司开发的一颗数字多媒体芯片,其主频为600MHz,4800M I Ps 处理能力,内置66MHz 、32B it 的PC I 接口,10/100M 网口,3个直接数字视频接口,多通道语音接口及丰富的E DMA (64个),这些使得DM642成为嵌入式视频会议系统的最佳平台之一.闻亭公司“基于单颗T MS320DM642芯片的视频会议系统”,其操作系统(DSP /B I O S )的通信协议(使用H.323V4协议)、网络协议(T CP /I P )、音视频处理软件、用户界面均在一颗T MS320DM642上实现.其中视频处理软件为H.264或H.263.语音处理平台用G .723及G .711.这是目前第一个在单一芯片内完成H.323通信协议,H.264图像处理图3 基于单颗DM642芯片的视频会议系统物理学与信息科学技术专题算法和语音处理算法的方案.用单颗DM642芯片方案的视频会议系统,比市场上常见嵌入式视频会议系统,具有如下优势:(1)由于DM642强大的处理能力,使得该系统能对实时图像(25—30帧/秒)进行H.264编解码,而传统视频会议系统只能实现H.263编解码,大大提高了图像质量或降低了通信带宽(同等图像质量,H.264算法比H.263算法的码流能降低47%).(2)当更快的T MS320DM642芯片上市后(与现存600MHz DM642兼容),系统很容易升级,在该系统上很容易增加增值服务.5.3 用于雷达和声纳的DSP 并联处理系统[9]DSP 在军事装备上的应用也愈来愈广泛.由于雷达和声纳等军事装备的数据量很大,运算非常复杂,要求有很强的处理能力.例如雷达、声纳、精确制导、电子对抗等高端应用,要求有高性能的实时信号处理平台,该平台要求运算速度为千亿次浮点运算/秒(100GF LOPS ),存储容量为千亿字节(100G B ).这是目前单一DSP 所无法达到的.典型的DSP 芯片,例如美国TI 公司的T MS320C64系列(T MS320C6414/15/16),最强处理能力能够达到8000M I PS .美国AD I 公司的Tiger SHARC 系列(TS101,TS201),它能兼容浮点和定点处理,是当前处理能力最强的芯片.主振为300MHz 时,浮点处理能力为1.8GF LOPS ..主振为600MHz 时,浮点处理能力为3.6GF LOPS .SHARP 系列DSP 芯片的最大优点是芯片之间扩展非常方便,能够使用多片DSP 组成并联处理系统.由于单片DSP 的处理能力和高端实时处理所要求的每秒千亿次浮点运算相比,还有相当大的差距,因此,实时处理的解决途径,除了对处理时间严格加以约束外,只能用增加处理能力的方法来解决.也就是用多片DSP 组成并行处理的方案.但是由多片DSP 组成的大规模并行处理系统,无论是硬件设计还是软件设计都是很复杂的.经过专家们的充分研究,实现它的技术途经必须是标准化、模块化、可扩展、可编程.目前高端多DSP 并行处理的主流标准有VME 标准、cPC I 标准等.其中cPC I 标准是最近才出现的,它和VME 比较有较多的优点:速度高、成本低;与微机总线接近,易于开发;军民两用,适应面广.按照标准设计成的模块是可以扩展的,也就是处理系统可以通过模块数量的增减,以满足不同处理量的要求.对于不同的应用或不同的算法,系统可以使用不同的处理程序.这样DSP 并行处理系统就可以满足更多用户的要求.构成完备的实时信号处理硬件平台如图5所示,它需要采用多块DSP 处理板实现任务处理,并采用多种P MC 接口板实现系统I/O 和控制,板间通过PC I 总线互联,由上位机管理和控制,板间采用L ink 互联网络,实现实时数据传输.通过同步定时总线,实现系统中多个板卡的同步工作.这种DSP 并行处理系统应用很广,例如机载合成孔径雷达实时信息处理系统,数字相控阵雷达实时信息处理系图4 使用多片DSP 组成并联处理系统物理学与信息科学技术专题。
